Produção de Raios X

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Produção de raios X
Física das Radiações
Professores Priscila Santana e Lucas Paixão
Departamento de Anatomia e Imagem
Fonte: Bushberg et al. The essential physics of medical imaging . 2nd ed. Philadelphia: 
Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Sumário
• Revisão
• Tubos de raios X
• Cátodo
• Ânodo
• Ângulo do ânodo e tamanho do ponto focal
• Efeito anódico
• Invólucro do tubo de raios X
• Filtração
•Colimadores
•Voltage ripple
•Temporizadores e phototimers
•Fatores que afetam a emissão de raios X
•Outras fontes de raios X
Revisão
•Os raios X são produzidos quando elétrons 
altamente energéticos interagem com a 
matéria, convertendo sua energia cinética 
em radiação eletromagnética.
• O aparato que realiza tal tarefa consiste 
de uma fonte de elétrons, um caminho 
evacuado para a aceleração dos elétrons, 
um eletrodo alvo, e uma fonte externa de 
energia para acelerar os elétrons.
Revisão
Fonte de
 alta tensão
Raios X
Filamento de tungstênio aquecido
(cátodo)
Envelope evacuado
elétrons
Alvo de tungstênio
ânodo de cobre
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Espectro de bremsstrahlung
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Espectro de bremsstrahlung
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Espectro característico
• Cada elétron nos átomos do alvo possui 
uma energia de ligação que depende do 
nível em que o elétron reside.
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Espectro característico
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Espectro característico
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott 
Williams & Wilkins, 2002.
Tubos de raios X
• Os tubos de raios X fornecem o ambiente 
para a produção de feixes de raios X via 
mecanismos de bremsstrahlung e radiação 
característica.
Tubos de raios X
• Os principais componentes são:
– Cátodo;
– Ânodo;
– Rotor/estator;
– Envelope de vidro (ou metal);
– Encapsulamento do tubo.
Tubos de raios X
•Os principais componentes são:
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Tubos de raios X
• Para imagens diagnósticas, os elétrons do 
filamento do cátodo são acelerados em 
direção ao ânodo por uma tensão de pico 
entre 20 e 150 kVp.
• A corrente do tubo é a taxa de fluxo de 
elétrons entre cátodo e ânodo, medida em 
miliamperes (mA).
1 mA = 6,24 x 1015 e-/s 
Tubos de raios X
• Fluoroscopia contínua: 1 a 5 mA.
• Radiografia de projeção: 100 a 1000 mA 
com curtos tempos de exposição (< 100 
ms).
• O kVp, mA e tempo de exposição são os 
três principais parâmetros selecionáveis no 
painel do gerador de raios X que 
determinam as características do feixe de 
radiação (qualidade e intensidade). 
Cátodo
• A fonte de elétrons em um tubo de raios X 
é o cátodo.
• É um filamento helicoidal de tungstênio 
rodeado por um “copo de focalização” 
(focusing cup) ou capa de focalização.
• Esta estrutura é eletronicamente 
conectada ao circuito do filamento.
Cátodo
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Cátodo
• O circuito do filamento fornece uma tensão 
elétrica de até 10 V ao filamento, produzindo 
uma corrente da ordem de 7 A no filamento.
• A resistência elétrica aquece o filamento 
(efeito Joule) e libera elétrons através de um 
processo chamado emissão termiônica.
• Os elétrons liberados do filamento fluem pelo 
vácuo do tubo quando uma tensão elétrica 
positiva é aplicada ao ânodo com respeito ao 
cátodo.
Cátodo
• Ajustes na corrente do filamento (e, por 
consequência, na sua temperatura) 
controlam a corrente no tubo.
• Um traço de tório no filamento de 
tungstênio aumenta a eficiência da emissão 
de elétrons e aumenta a sua vida útil.
Cátodo
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Cátodo
• O copo de focalização, também chamado de 
bloco do catodo, rodeia o filamento e determina 
a espessura do feixe de elétrons.
• A tensão elétrica aplicada ao bloco do cátodo 
é tipicamente a mesma aplicada ao filamento.
• Isto dá forma às linhas de potencial elétrico 
para focalizar o feixe de elétrons e produzir 
uma pequena área de interação (ponto focal) 
no ânodo.
Cátodo
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Cátodo
Cátodo
• Embora a largura do copo focalizador 
determina a largura do ponto focal, o 
comprimento do filamento determina o 
comprimento do ponto focal.
• Tubos de raios X para imagem diagnóstica 
possuem tipicamente dois filamentos de 
comprimentos diferentes.
• A seleção de um ou outro determina a área da 
distribuição dos elétrons no alvo (ponto focal 
pequeno ou grande).
Ânodo
• O ânodo é um eletrodo alvo de metal que é 
mantido a uma diferença de potencial positiva 
relativa ao cátodo.
• Elétrons que atingem o ânodo depositam a 
maior parte da sua energia como calor, com 
uma pequena fração emitida como raios X.
• Para evitar danos por aquecimento ao tubo de 
raios X, a taxa de produção de raios X deve ser 
limitada.
Ânodo
• O tungstênio (W, Z = 74) é o material de 
ânodo mais amplamente utilizado por causa do 
seu alto ponto de fusão e alto número atômico.
• Um ânodo de tungstênio consegue lidar com 
uma deposição de calor substancial sem 
rachaduras ou com sulcos na sua superfície.
• Uma liga de 10% rênio e 90% tungstênio 
fornece uma resistência adicional à danos na 
superfície.
Ânodo
Ânodo
• O alto número atômico do tungstênio fornece 
uma melhor eficiência de produção de 
bremsstrahlung comparada com elementos de 
baixo Z.
• Molibdênio (Mo, Z = 42) e Ródio (Rh, Z = 45) 
são usados como material do ânodo em tubos 
de raios X de mamógrafos.
• Estes materiais fornecem raios X 
característicos úteis para imagens das mamas.
Ânodo
•Os tubos de raios X possuem configurações com 
ânodo rotativo ou estacionário.
•O tipo mais simples é o estacionário. É constituído 
por uma inserção de tungstênio incorporado em um 
bloco de cobre.
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Ânodo
•O cobre tem um papel duplo: ele suporta o 
tungstênio alvo, e remove o calor de forma eficiente 
a partir do alvo de tungstênio.
•Porém, a pequena área do alvo limita a taxa de 
dissipação de calor e, consequentemente, limita a 
máxima corrente do tubo e, portanto, o fluxo de 
raios X.
•Muitas unidades de raios X odontológicos, 
máquinas de raios X portáteis e sistemas de 
fluoroscopia portáteis usam tubos de raios X com 
ânodo fixo.
Ânodo
•Apesar de maior complexidade no design e 
engenharia, anodos rotativos são usados para a 
maioria das aplicações de diagnóstico de raios X, 
principalmente devido à sua maior carga de calor, 
e, consequente, maior capacidade de geração de 
raios X.
•Elétrons transmitem a sua energia em um alvo 
girando continuamente, espalhando energia 
térmica sobre uma grande área e massa do disco 
ânodo (alvo).
Ânodo
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Ânodo
•Rolamentos montados no rotor suportam o 
disco do ânodo no interior do tubo de raios X 
evacuado.
•A combinação de rotor e estator é um 
motor de indução.
Ânodo
• Velocidades de rotação variam de 3000 a 
3600 rpm (baixa velocidade) ou de 9000 a 
10000 rpm (alta velocidade).
• Os equipamentos são construídos de 
forma que o tubo não será energizado até 
que o ânodo atinja a velocidade necessária; 
esta é a causa no atraso (1a 2 s) quando o 
botão de exposição dos raios X é 
pressionado.
Ânodo
• Os rolamentos do rotor são sensíveis ao calor e 
são frequentemente a causa de falha dos tubos de 
raios X.
• Os rolamentos estão no ambiente de alto vácuo e 
exigem lubrificantes insensíveis ao calor e não 
voláteis.
• Uma haste de molibdênio liga o ânodo ao 
conjunto rotor/rolamento. O molibdênio é um pobre 
condutor de calor e reduz a transferência de calor 
do ânodo para os rolamentos.
Ânodo
• O ânodo é termicamente isolado e deve ser 
resfriado por emissão de calor radiativa.
• A energia térmica é emitida do anodo 
aquecido como radiação infravermelha, que 
transfere calor do tubo de raios X para o óleo 
refrigerante circundante.
Ângulo do ânodo
• O ângulo do ânodo é definido como o 
ângulo entre a superfície do alvo e o raio 
central do feixe de raios X.
• Ângulos de ânodo em tubos de raios X 
diagnósticos (excluindo alguns tubos de 
mamografia), variam de 7 a 20 graus, com 
12 a 15 graus sendo os mais comuns.
Ângulo do ânodo
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Ângulo do ânodo
• O tamanho do ponto focal é definido de 
duas maneiras.
•O tamanho da área real do ponto focal é 
a área no ânodo que é atingida pelos 
elétrons.
•Ela é primariamente determinada pelo 
comprimento do filamento do cátodo e pela 
largura do copo de focalização. 
Ângulo do ânodo
• O tamanho do ponto focal efetivo é o 
comprimento e a largura do ponto focal 
como projetado na região central do feixe de 
raios X. 
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Ângulo do ânodo
• A largura do ponto focal efetivo é igual à 
largura do ponto focal real e, portanto, não é 
afetada pelo ângulo do ânodo.
• No entanto, o ângulo do ânodo faz com 
que o comprimento do ponto focal efetivo 
seja menor que o comprimento do ponto 
focal real. 
 
Ângulo do ânodo
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Ângulo do ânodo
• Um menor ângulo do ânodo fornece um 
menor ponto focal efetivo para uma mesma 
área de foco real (menor ponto focal fornece 
melhor resolução espacial – qualidade da 
imagem).
• No entanto, um ângulo pequeno limita o 
tamanho do campo de raios X útil devido ao 
corte do feixe. 
 
Ângulo do ânodo
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Tamanho do ponto focal
• O tamanho do ponto focal nominal (largura 
e comprimento) é especificado no raio 
central do feixe.
 
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Tamanho do ponto focal
• Uma das ferramentas para se medir o 
tamanho de ponto focal é o padrão de 
barras.
 
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Efeito anódico
• O efeito anódico (efeito Heel) se refere à 
redução da intensidade na direção do lado 
do ânodo do feixe de raios X. 
 
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Tamanho do ponto focal
• Os raios X são produzidos isotropicamente 
na estrutura do ânodo.
• Os fótons direcionados para o lado do 
ânodo transitam por uma espessura de 
ânodo maior e então sofrem uma atenuação 
maior que os fótons direcionados para o 
lado aposto.
 
Tamanho do ponto focal
• Para um dado tamanho de campo, o efeito 
anódico é menos proeminente para uma 
distância foco-imagem (DFI) maior, pois o 
receptor de imagem subtende um ângulo 
menor. 
• O tubo de raios X é melhor posicionado 
com o cátodo sobre partes mais espessas do 
paciente e o ânodo sobre partes mais finas, 
para equilibrar a transmissão dos fótons de 
raios X que incidem no receptor de imagem.
Invólucro do tubo de raios X
• O invólucro (encapsulamento) do tubo de 
raios X 
– Suporta;
– Isola;
– Protege do ambiente.
• O tubo de raios X é banhado por um óleo 
especial que fornece a condução de calor e 
isolamento elétrico.
Invólucro do tubo de raios X
• Uma blindagem de chumbo dentro do 
invólucro atenua os raios X que são emitidos 
em todas as direções (que não seja a do 
feixe).
• A radiação de fuga consiste de raios X que 
penetram a blindagem de chumbo e 
possuem alta energia. O invólucro deve 
conter chumbo suficiente para atender a 
limitação de radiação de fuga. 
Invólucro do tubo de raios X
Filtração
• A filtração é a remoção de fótons de raios 
X quando o feixe atravessa uma camada de 
material.
• A atenuação do feixe de raios X ocorre 
tanto pela filtração inerente do tubo quanto 
por filtração adicional. 
Filtração
• A filtração inerente inclui a espessura do 
vidro (1 a 2 mm) ou metal na saída do tubo.
• O vidro (SiO2) e o alumínio possuem 
propriedades de atenuação similares (Z = 
14 e Z = 13, respectivamente) e atenuam 
efetivamente todos os fótons de raios X no 
espectro abaixo de ~ 15 keV.
Filtração
• Tubos de raios X dedicados a mamografia 
exigem o berílio (Z = 4) para melhorar a 
transmissão de raios X de baixa energia.
• A filtração inerente pode incluir a 
atenuação pelo óleo do invólucro e do 
espelho de luz do feixe do conjunto do 
colimador.
Filtração
• A filtração adicional se refere a folhas de 
material intencionalmente posicionadas no 
caminho do feixe para modificar sua energia 
efetiva.
• O alumínio é o material mais comumente 
utilizado como filtro. Outros materiais 
podem ser utilizados (cobre, plástico, etc). 
Em mamografia, filtros de Mo e Rh ajudam a 
“moldar” o espectro de raios X.
Filtração
Filtração
Filtração
• Em radiologia diagnóstica geral, os filtros 
atenuadores adicionais atenuam os raios X 
de baixa energia do espectro que não têm 
chance de penetrar o paciente e atingir o 
receptor de imagem.
• Como estes fótons são barrados pelos 
filtros, a dose de radiação no paciente é 
reduzida.
Colimadores
• Os colimadores ajustam o tamanho e a 
forma do campo de raios X que emerge do 
tubo.
• O conjunto de colimadores é tipicamente 
montado ao invólucro do equipamento.
• Lâminas colimadoras de chumbo paralelas 
e opostas definem o campo de raios X.
Colimadores
Bushberg et al. The essential physics of medical imaging. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002.
Voltage Ripple
• Diferença entre a tensão de pico e a 
tensão mínima.
Temporizadores e phototimers
• Temporizadores digitais são circuitos com 
alta reprodutibilidade e acurácia de 
microsegundos.
• O temporizador ativa e termina o circuito 
do tubo de raios X.
• Os sistemas de raios X possuem também 
um temporizador de contagem regressiva 
que termina a exposição em caso de falha.
Temporizadores e phototimers
• Phototimers (fotocélulas) são utilizados no 
lugar de configurações de tempo de 
exposição manuais.
• Eles medem a quantidade de radiação que 
atinge o receptor de imagem e terminam a 
produção de raios X quando a quantidade 
apropriada é alcançada. 
•AEC: controle automático de exposição
Painel de Controle
• No console do operador, ele seleciona:
– o kVp;
– o mA (proporcional ao número de fótons 
no feixe de raios X para um dado kVp);
– o tempo de exposição;
– e o tamanho do ponto focal.
Painel de controle
• O kVp determina a qualidade do feixe de 
raios X, ou seja, o poder de penetração dos 
raios X na matéria.
•Está ligado ao contraste da imagem 
gerada.
•Enegrecimento.
Painel de controle
• A corrente do tubo de raios X (mA) 
determina o fluxo de raios X emitidos pelo 
tubo em um dado kVp.
• O produto da corrente do tubo e o tempo 
de exposição (s) é expresso em mAs.
•Alguns equipamentos permitem a escolha 
do mA e do tempo. Outros, do mAs.
Painel de controle
• A seleção de tamanho do ponto focal 
(pequeno ou grande, grosso ou fino) é 
normalmente determinada pela escolha do 
mA:
– baixo mA: foco pequeno– alto mA: foco grande (aquecimento do 
tubo).
Outras fontes de raios X
• Raios X de Megavoltagem (MeV)
• Aceleradores lineares (linacs)
Outras fontes de raios X
• Síncrontron
http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADncrotron