Produção da Radiação (Ampola de Raios X) - Parte II

Após a aceleração do feixe de elétrons entre catodo e alvo presente no anodo, os elétrons acelerados (apresentando uma certa energia cinética devido a aceleração) irão interagir os átomos constituintes do material do alvo. Matematicamente:

Este efeito é conhecido por stopping power. Neste processo de interação, duas situações possíveis podem ocorrer:

• Elétrons acelerados interagindo com os núcleos atômicos: elétrons possuem carga negativa e núcleos dos átomos apresentam carga positiva. Assim haverá uma interação eletrostática (por efeito coulombiano) e o elétron terá a sua trajetória alterada (Figura 1). Neste processo de alteração de trajetória, elétron também sofrerá uma desaceleração. Entretanto, pelo princípio de conservação da energia, parte da energia cinética será transformada em energia eletromagnética na forma de radiação de frenamento (devido a interação eletrostática e a desaceleração). A radiação de frenamento pode apresentar valores de energia em um intervalo que corresponde próximo a zero e até o valor máximo de ddp (ou tensão de tubo) aplicado durante a exposição;

Figura 1 - Interação elétron acelerado - núcleo do átomo

• Elétrons acelerados interagindo com elétrons presentes nos átomos do material do alvo: os elétrons acelerados podem interagir com os elétrons que estão eletrostaticamente ligados aos núcleos dos átomos constituintes do material do alvo (normalmente é utilizado o tungstênio para este propósito). Assim, dependendo em qual camada eletrônica (ou eletrosfera) em que ocorra essa interação elétron-elétron os resultados finais são (i) a produção de uma vacância (ou buraco de carga "positiva" no orbital) devido a ejeção do elétron e (ii) produção de radiação característica, a qual surge devido ao preenchimento da vacância por um elétron de outro orbital. A diferença de energia entre os orbitais em que o elétron transitou gerará uma radiação característica e também apresentará uma energia definida (Figura 2).

Figura 2 - Interação elétron - elétron e a produção de vacância e radiação característica

Assim, quando os elétrons acelerados interagem com os átomos constituintes do material do alvo (seja com o núcleo ou com a camadas eletrônicas) haverá a produção das radiações:

• Característica: de espectro discreto (valores definidos), que dependerá em qual orbital ocorreu a interação elétron-elétron e

• Frenamento (ou bremsstrahlung): de espectro contínuo e que será resultante da interação entre elétron-núcleo atômico (devido ao processo de desaceleração do elétron) e a conservação da energia. Com isso, energia cinética é convertida em radiação eletromagnética (radiação X, no nosso caso). 

Analisando graficamente as duas formas de produção de radiação, teremos um espectro único formado pela sobreposição dos espectros contínuo e discreto (Figura 3).

Figura 3 - Espectro de emissão presente no feixe de Raios X. Convém lembrar que este espectro varia conforme a energia do feixe (kV), intensidade (mAs) e material constituinte do alvo 

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Fluoroscópio de Sapataria

• Na década de 1930, existia um aparelho denominado fluoroscópio de sapataria, no qual a pessoa colocava o pé para ver se o seu calçado (que era feito sob medida) estava de acordo,

• Assim, o equipamento apresentava aberturas onde se colocava o pé calçado, e através de um visor (com tela fluorescente – letra A, figura abaixo) observava-se “o trabalho realizado”,

• O tubo de raios X ficava sob o pé calçado do cliente, enquanto que acima existia uma tela fluorescente para visualização,

• Com tempo de exposição podendo chegar até 45 segundos e uma tensão de tubo igual a 50 kV, isto contribuía para uma alta dose em região de cristalino do observador que visualizava seu calçado novo neste equipamento sem nenhum tipo de raioproteção.

Imagem gerada pelo fluoroscópio de sapataria onde o cliente visualizava seu pé dentro do seu novo calçado

Fato curioso:

• Becquerel foi a primeira pessoa a relatar um experimento em radiobiologia, pois como ele andava com o elemento Rádio nos bolsos de seu vestuário, observou que a fonte radioativa promovia eritema na sua pele (que estava em contato direto com o Rádio) seguida por uma ulceração; observou que mudando a fonte radioativa de bolso em suas roupas, após 2 semanas a região de derme exposta sofria um processo de cicatrização,

• Não satisfeito, Pierre Curie (esposo da Madame Curie) em 1901 repetiu o experimento, onde produziu em si mesmo uma queimadura na região de antebraço,

• Anos mais tarde surge a radiobiologia, ciência que estuda os efeitos das radiações ionizantes em tecidos vivos.

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Produção da Radiação (Ampola de Raios X) - Parte I

Em um tubo de raios X, internamente temos a presença de dois eletrodos:

• Catodo: pólo negativo, onde pelo efeito termoiônico (gerado pela passagem de uma alta corrente elétrica e uma baixa diferença de potencial), temos uma nuvem eletrônica gerada nas camadas mais externas do fio do filamento, a qual está pronta para ser "acelerada" em direção ao alvo;
• Anodo: pólo positivo, onde contém o alvo. Normalmente projetado em cobre, com  a região de alvo em tungstênio (material metálico com maior resistência a altas temperaturas além de apresentar boa condutividade térmica e alto número atômico, o que contribui para uma melhor qualidade do feixe de raios X), é do tipo rotatório (com giro variando de 3.000 a 10.000 rpm), com isso apresenta uma maior dissipação de calor (lembrando que apenas 1% de toda energia cinética depositada no alvo é convertida em radiação X, o restante é transformado em energia térmica ou dissipado na forma de calor em uma pequena área denominada de ponto focal). O alvo rotatório faz com que o feixe de elétrons incida em vários pontos, aumentando a vida útil do tubo;

Para que ocorra o processo de deslocamento dos elétrons gerados pelo efeito termoiônico no catodo em direção ao anodo, haverá uma diferença de potencial (ddp) que é aplicada entre os dois eletrodos. Esta diferença de potencial é próximo ao kV selecionado no painel do console do equipamento (valor de técnica para estudo de determinada área anatômica).

Tubos de raios desenvolvido em 1896 por Jackson Focus

Existem aqui alguns fatos interessantes:

• Os elétrons acelerados em seu curto trajeto entre catodo e anodo chegam próximos a velocidade da luz (0,99c, onde c é a velocidade da luz). Com isso existem efeitos relativísticos acontecendo dentro do tubo de raios X;
• Com a utilização frequente do tubo, parte do material do alvo começa a evaporar e a criar uma capa metálica interna na ampola. Este novo "eletrodo" começa a gerar uma diferença menor de potencial entre catodo e anodo (reduzindo o valor de kV  selecionado no painel do equipamento) e correntes de fuga. Com isso, haverá  falhas de tubo. Atualmente tubos de raios X são feitos parcial ou totalmente em metal para evitar este processo e, consequentemente, falhas de tubo;
• Dentro de uma ampola de raios X existem dois tipos de corrente: corrente de filamento (responsável pelo efeito termiônico e por controlar também a corrente de tubo), a qual apresenta um alto valor e uma baixa ddp; e a corrente de tubo, a qual é responsável pela produção da radiação conforme a necessidade da projeção radiográfica;
• Junto a região de catodo temos uma capa focalizadora, a qual é responsável em fazer com que o feixe de elétrons não sofra um processo de espalhamento (repulsão eletrostática devido aos elétrons apresentarem a mesma carga negativa), fazendo com que atinjam uma pequena área no alvo;
• Tubos de raios X de alta capacidade apresentam uma liga de tungstênio e rênio (maior resistência mecânica para suportar os estresses da alta rotação e dilatação / contração térmica);
• Tubos de raios X de alta capacidade também podem apresentar a região de alvo constituída de molibdênio e grafite e sobre estes dois materiais uma camada de tungstênio funcionando como alvo para a interação do feixe de elétrons para a produção da radiação X;
• As funções do anodo são: condução elétrica, dissipação de calor e conter a região de alvo para a produção da radiação eletromagnética;
• Catodo apresenta dois filamentos, os quais são responsáveis pelo foco fino e foco grosso. Porém, quanto menor a área focal (foco fino), menor é o borramento geométrico e assim, maior é a dissipação de calor em um pequeno ponto.

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