Un campo es una región del espacio en la que la materia está sometida a algún tipo de fuerza. En el caso de la radiación electromagnética, los campos son producidos por las partículas cargadas en movimiento.
La luz visible es un tipo de radiación electromagnética. A veces se comporta como una onda que se propaga en el espacio, y otras veces se comporta como un conjunto de fotones. A este fenómeno se le denomina dualidad de la radiación.
C=E/B
Los módulos de los vectores de E y de B cumplen la ecuación anterior en una posición y en un tiempo determinados, donde “c” es la velocidad de la onda.
Si la onda se propaga en el vacío, su velocidad = 300.000 km/seg, la velocidad de la luz.
Las ondas electromagnéticas son transversales y se propagan, a través del vacío o no, por medio de un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, como se puede ver en la ilustración.
PARAMETROS DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La longitud de onda: l
Es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda. Se mide en metros (m) pero también es muy común el uso del Ángstrom (1 Å = 10-10 m)
La frecuencia: u
Es el número de máximos que pasan por un punto en un tiempo determinado. Se mide en hercios (Hz). Un Hz es 1 ciclo / segundo. También se puede representar mediante la letra “f”, y es importante saber que su inverso es el período (T = 1 / f)
La amplitud: A
Es la distancia que hay entre el punto de inflexión de la onda y el máximo.
Debido a que la velocidad de la luz - a la que antes nos hemos referido- es constante, existe una relación directa entre la frecuencia y la longitud de onda, ya que dada una longitud de onda determinada, si sabemos que la onda se desplaza a velocidad c, para saber el número de veces que pasa un máximo por un punto, sólo hace falta dividir la velocidad de la luz entre la longitud de onda. Por lo tanto:
La energía de una onda electromagnética tiene relación directa con su frecuencia:
h = constante de Planck = 6,63x10-34J.seg.
De esto deducimos que las ondas con una frecuencia alta serán muy energéticas, mientras que aquellas cuyas frecuencias sean bajas (y, por tanto, su longitud de onda grande) transportarán menos energía.
EL ESPECTRO
El espectro electromagnético es el conjunto de la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda.
La luz no es más que radiación electromagnética en un rango de frecuencias a las que el ojo humano es sensible. Es curioso saber que el hecho de que estemos dotados para la visión en el rango visible, nos permite aprovechar el máximo de emisión del Sol que se produce en este rango, pero que muy probablemente, si nuestro Sol tuviese su máximo en el infrarrojo, nuestros ojos estarían dotados para ese tipo de visión.
Sin embargo el espectro electromagnético no tiene frecuencia máxima o mínima. Se extiende indefinidamente, por encima y por debajo de los estrechos límites de sensibilidad de nuestro ojo.
El espectro electromagnético está formado, en orden de menor a mayor longitud de onda, por Rayos Gamma (g), Rayos X, Rayos Ultravioleta (UV), la franja visible, Rayos Infrarrojos (IR), las Microondas, las ondas de radio cortas, las ondas de TV y radio FM, las ondas de radio AM, y las ondas de radio largas.
Estos nombres distinguen distintas frecuencias de un mismo fenómeno: la radiación electromagnética. Todas ellas tienen en común su naturaleza, pero cada una está caracterizada por un intervalo determinado de longitudes de onda y frecuencias, y tiene su propia forma de producción, y unas aplicaciones prácticas específicas.
Evidentemente, cuanto mayor es la longitud de onda de un tipo de radiación electromagnética, menor es su frecuencia.
Los límites entre distintas regiones del espectro son difusos y, en muchas ocasiones, dependen de las técnicas empleadas para detectar o producir la radiación.
EL DESCUBRIMIENTO DE LOS RAYOS X
Los rayos X fueron descubiertos accidentalmente por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen, en 1895.
Roentgen, profesor de Física de la Universidad de Wurzburgo, Baviera, estaba realizando experimentos, estudiando los rayos catódicos, con un tubo de Crookes (descarga eléctrica en el vacío) en busca de rayos lumínicos invisibles. Tuvo la idea de operar en un entorno oscuro y de cubrir el tubo con papel negro.
Al pasar por éste la corriente de alta tensión, se produjo un resplandor inmediato en la pantalla fluorescente de platinocianuro de bario que se encontraba sobre la mesa, a cierta distancia del tubo. Al interponer objetos entre éste y la pantalla, se proyectaron sombras sobre esta última. La experimentación posterior con tales radiaciones, le permitió comprobar que afectaban una emulsión fotográfica del mismo modo que la luz visible.
De numerosos experimentos dedujo que esta variación era muy diferente de los rayos catódicos de Croques y determinó que la fluorescencia se debía a una radiación invisible más penetrante que la radiación ultravioleta…Sin embargo, al no poder precisar la naturaleza exacta los denominó Rx o incógnito.
Así fueron descubiertos los Rayos X que posteriormente fueron también denominados rayos Roentgen en su honor.
Los Rayos X son, en definitiva, una radiación electromagnética penetrante, cuya longitud de onda es menor que la de la luz visible.
PRODUCCIÓN DE RAYOS X
El primer tubo de rayos X fue el tubo del británico Crookes
Se trata de una ampolla de vidrio bajo vacío parcial con dos electrodos. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un tubo de este tipo, el gas residual contenido se ioniza. Los iones positivos golpean entonces el cátodo y expulsan electrones del mismo. Estos electrones, que forman un haz de rayos catódicos, bombardean las paredes de vidrio del tubo y producen los famosos rayos X, aunque solo sean del tipo “X blandos”, con muy poca energía.
La introducción de un cátodo curvo para concentrar el haz de electrones sobre un blanco de metal pesado (ánodo), fue el primer perfeccionamiento que sufrió éste tubo. Este tipo de tubo genera rayos más duros, con menor longitud de onda y mayor energía que los del tubo original de Crookes; pero su funcionamiento es muy irregular porque la producción de rayos X es dependiente de la presión del gas dentro del recipiente.
En 1913 el estadounidense Coolidge creó su propio tubo, que crea un vacío muy alto, contiene un filamento calentado y un blanco. En esencia. se trata de un tubo de vacío termoiónico en el que el cátodo emite electrones al ser calentado por una corriente auxiliar, y al contrario que en casos anteriores, no es calentado por efecto del golpeo de los iones.
Los electrones emitidos por el cátodo calentado se aceleran mediante la aplicación de una alta tensión entre los dos electrodos del tubo y así, al aumentar la tensión disminuye la longitud de onda mínima de la radiación. Hoy en día, en la producción de Rayos X, se emplean muy mayoritariamente los tubos Coolidge modificados.
EL TUBO DE RAYOS X
Los rayos X son generados por la desaceleración o la detención súbita de los electrones de alta velocidad, y para una producción con un buen rendimiento, es necesario que se cumplan ciertos requisitos.
Debe contar, como ya hemos citado, con una fuente de electrones, el cátodo. Por otra parte, evidentemente debe tener un blanco, el ánodo, conectado de manera que atraiga a los electrones en el momento oportuno, y fabricado de un material idóneo para dicha función. Además, es clave que los electrones no contacten con interferencia alguna en su trayectoria, y que contemos con un buen método de aceleración de electrones que no interfiera tampoco en la producción de los Rayos X.
Todas estas condiciones se cumplen en el moderno tubo de rayos X de cátodo caliente: el cátodo de filamento caliente y el ánodo de tungsteno se hallan dentro de un recipiente de vidrio al vacío, herméticamente cerrado.
La corriente alterna circula hacia el cátodo y desde éste en el circuito del filamento, mientras que una corriente continua va al cátodo, pasa al ánodo y sale de él sin eliminar el vacío. Si el vacío no se mantuviese, ocurrirían irregularidades en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo.
Como el flujo de electrones constituye la corriente de tubo, para que el tubo de rayos X funcione bien es fundamental que el flujo de electrones se mantenga lo mas constante posible durante cada exposición. Si el tubo de rayos X se torna gaseoso, lo que significa una pérdida del vacío completo, se produce fluctuaciones perceptibles del mili amperaje cuando está en funcionamiento.
El tubo de vidrio al vacío está rodeado por un blindaje metálico que contiene plomo y hace la función de barrera primaria para absorber rayos X que no estén orientados hacia la ventana de salida.
Dicho blindaje tiene una ventana de material radio transparente, justamente debajo del ánodo, que posibilita la salida de los rayos X útiles a través de una ventana.
Entre el blindaje metálico y el tubo de vidrio hay un aceite muy refinado que cumple tres misiones: servir de aislador eléctrico, conducir el calor y hacer las veces de filtro (con un valor equivalente a 0.5 mm de Aluminio) contra los rayos X blandos. La presencia del aceite impide que el tubo de rayos X produzca descargas eléctricas.
Durante la generación de rayos X se producen enormes cantidades de calor, que se disipan desde las conexiones del ánodo, (fuera del tubo de vidrio) hacia el blindaje metálico, y finalmente hacia el aire.
Hay huecos para filtros adicionales en el mismo blindaje, donde hoy en día en los tubos modernos se instala un colimador.
EL COLIMADOR
Un colimador es un tubo que hace de obstáculo, oponiéndose a la salida y dejando pasar sólo rayos útiles, es decir aquellos que son paralelos. Encauza los rayos hacia delante, o lo que es lo mismo, los dirige en dirección paralela y hace que no sean divergentes.
Es la pieza metálica (níquel) cuya rendija enfoca los electrones al ánodo.
ÁNODO
El ánodo del tubo de rayos X recibe carga eléctrica positiva durante la emisión de rayos X; es decir, durante el tiempo en que el interruptor de exposición permanece cerrado.
La carga positiva del ánodo atrae a los electrones que se desprenden del cátodo y se cierra así el circuito de alta tensión. El ánodo se suele montar en una barra de cobre, uno de cuyos extremos sale del tubo de vidrio y está conectado con un transformador de alta tensión. El otro extremo mira al cátodo y tiene un botón de tungsteno en su centro.
La faz del ánodo es biselada, o sea que se aleja del cátodo en un ángulo de 15 a 20º.
El ángulo del ánodo controla considerablemente la cantidad de energía del haz total que se emite hacia el extremo positivo y hacia el negativo del tubo.
El bloque de tungsteno mide 2 mm aproximadamente de espesor y sirve de blanco para los electrones.
LA ENERGÍA CINÉTICA DE LOS ELECTRODOS DEL CÁTODO QUE CHOCAN CON EL BOTÓN DE TUNGSTENO SE TRANSFORMA EN DOS TIPOS DE ENERGÍA: CALOR Y RAYOS X.
El calor se disipa con mucha rapidez desde el tungsteno por el ánodo de cobre y el aceite hasta el blindaje del tubo. Hay varios métodos para disipar éste calor generado y propagado.
Uno de ellos ya lo hemos citado; una capa de aceite. Otros métodos son unos radiadores especiales, persianas, o muy comúnmente, un ventilador mecánico junto al blindaje que contribuye a la refrigeración del ánodo. Éste último sistema es el más efectivo y menos complicado de los tres, de ahí su estandarización.
Los ánodos de los tubos de rayos X que se utilizan para diagnóstico pueden ser fijos o rotativos. En muchos tubos de ánodo rotativo el borde de la circunferencia del disco forma un ángulo de 15º con el plano transversal del tubo de rayos X.
El borde se aleja del cátodo de modo que los rayos X útiles se proyectan a través de la ventana de salida. El filamento del cátodo está rodeado por una copa de enfoque de molibdeno, esta copa concentra en una pequeña superficie del blanco anódico a los electrones que parten del filamento. Como el filamento es lineal, los
electrones inciden sobre el blanco siguiendo una línea.
Los electrodos del cátodo inciden sobre el ánodo en una superficie (punto focal electrónico) determinada por la copa de enfoque de molibdeno, por la forma del filamento catódico y por el ángulo del ánodo.
Los modernos tubos de ánodo fijo poseen un ángulo de alrededor de 18º para reducir el tamaño del punto focal óptico. El área focal electrónica es la verdadera zona bombardeada por los electrones procedentes del cátodo. El área focal óptica es la zona de proyección del área focal electrónica; esta proyección se produce en ángulo recto con respecto al haz de electrones catódicos.
Área focal real
Empleando un área focal más pequeña, se obtienen radiografías de mayor definición.
El ánodo giratorio es un nuevo elemento del tubo, que ha permitido el desarrollo de radiografías ultrarrápidas, usando corrientes de alta tensión y tiempos de exposición a los Rayos X muy breves, debido a que los e- solo chocan con una zona reducida del ánodo en un preciso instante.
Es un disco de unos 8 cm de diámetro. Mediante un rotor exterior, se hace que éste ánodo gire sobre su eje a una “v” = 3000 r.p.m. Gracias a dicho giro, cambia continuamente el área focal sobre la que incide el haz de e- catódicos, lo que permite usar + voltaje y + miliamperio / segundo (nº de rayos X / seg) sin riesgo alguno.
CÁTODO
El cátodo posee una carga negativa.
El circuito del filamento del tubo de rayos X suministra el calentamiento necesario al filamento del cátodo. Uno de los extremos de éste se conecta también con el bobinado secundario de un transformador de alta tensión y conduce la corriente secundaria a través del tubo de rayos X.
La disposición especial del colector, su relación con el filamento del cátodo, y la aplicación de un voltaje elevado al tubo de rayos X hace que los e- emitidos a partir del filamento catódico choquen sobre un área muy reducida (foco) de la placa del ánodo.
El delgado filamento, de 0.2 mm de diámetro, opone una resistencia considerable al paso de la corriente de calentamiento, la cual eleva la temperatura de aquel hasta un grado lo bastante alto como para que los e- se volatilicen y rodeen el cátodo. El aumento de intensidad de la corriente del filamento se traduce en un aumento de la E cinética de sus e-, haciendo de esta manera que se desprenda una cantidad proporcionalmente mayor de ellos de los alambres. Esta liberación de electrones a causa de la incandescencia y determinada por la aplicación de calor es la emisión termoiónica.
El nº de e- liberados depende del grado de calentamiento del filamento. El nº de e- que fluyen desde el cátodo al ánodo por segundo constituye la llamada corriente del tubo.
Para que se produzcan rayos X es necesario que los electrones liberados choquen contra el foco del ánodo a GRAN VELOCIDAD, algo que solo ocurre si el ánodo esta cargado positivamente dentro del circuito de alta tensión. Al cerrar el conmutador de exposiciones, la tensión secundaria en el cátodo es mucho mayor que en el ánodo.
La caída de tensión entre uno y otro ACELERA el flujo catódico de e- en dirección al ánodo cargado positivamente con una fuerza en cierto modo proporcional a la tensión de la corriente de alimentación que llega del secundario.
Es por lo tanto el transformador de alta tensión el dispositivo que proporciona una “ddp” entre el cátodo y el ánodo
CARACTERÍSTICAS DE LOS RAYOS X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración.
Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se solapan con ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X `blandos', para diferenciarlos de los rayos X monocromáticos, que tienen una única longitud de onda.
Tanto la luz visible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos X a transiciones de electrones internos.
En el caso de la radiación de frenado, los rayos X se producen por el frenado o deflexión de electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma, cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de energía en el interior de núcleos excitados.
Los rayos X se producen siempre que se bombardea un objeto material con electrones de alta velocidad. Gran parte de la energía de los electrones se pierde en forma de calor; el resto produce rayos X al provocar cambios en los átomos del blanco como resultado del impacto. Los rayos X emitidos no pueden tener una energía mayor que la energía cinética de los electrones que los producen.
La radiación emitida no es monocromática, sino que se compone de una amplia gama de longitudes de onda, con un marcado límite inferior que corresponde a la energía máxima de los electrones empleados para el bombardeo.
Este espectro continuo se denomina a veces con el término alemán “bremsstrahlung”, que significa `radiación de frenado', y es independiente de la naturaleza del blanco. Si se analizan los rayos X emitidos con un espectrómetro de rayos X, se encuentran ciertas líneas definidas superpuestas sobre el espectro continuo; estas líneas, conocidas como rayos X característicos, corresponden a longitudes de onda que dependen exclusivamente de la estructura de los átomos del blanco.
En otras palabras, un electrón de alta velocidad que choca contra el blanco puede hacer dos cosas: inducir la emisión de rayos X de cualquier energía menor que su energía cinética o provocar la emisión de rayos X de energías determinadas, que dependen de la naturaleza de los átomos del blanco.
Interacción de los rayos X con la materia
Cuando los rayos X interactúan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en parte transmitidos. Esta característica es aprovechada en medicina al realizar radiografías.
La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su intensidad. Esta dada por
Ix = Ioe( − μ / ρ)ρx
μ / ρ, es característico del material e independiente del estado físico. \mu el coeficiente lineal de absorción y rho la densidad del material.
Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorción másico μ / ρ es aditivo, de tal manera que
donde w significa la fracción del elemento constituyente.
Riesgos a la salud
La manera como la radiación afecta la salud depende del tamaño de la dosis de radiación. La exposición a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente no es perjudicial. En cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede producir daños graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a más radiación ionizante que la necesaria.
La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras de la piel, caída del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retardo mental y la muerte. La dosis determina si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación de efectos como quemaduras de la piel, caída del cabello, esterilidad, náuseas y cataratas, requiere que se exponga a una dosis mínima (la dosis umbral).
Si se aumenta la dosis por encima de la dosis umbral el efecto es más grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de radiación se ha observado un aumento de la presión psicológica. También se ha documentado alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema nervioso central) en personas expuestas a miles de rads de radiación ionizante.
Aplicaciones en la medicina
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha desarrollado la tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la especialidad médica que emplea la radiografía como ayuda de diagnóstico, en la práctica, el uso más extendido de los rayos X.
Los rayos X son especialmente útiles en la detección de enfermedades del esqueleto, aunque también se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X resulta inútil, como por ejemplo en la observación del cerebro o los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética o los ultrasonidos.Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografía, o en estudios de contraste.
Otras cualidades
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina mediante experimentos de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la distancia entre los átomos de la red cristalina. La difracción de rayos X es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural. Aprovechando la característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrón de absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fácilmente detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual.
Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos, remitiéndonos a las fórmulas que tratan el coeficiente de absorción másico. La única limitación reside en la densidad del material a examinar. Para materiales más densos que el plomo no vamos a tener transmisión.
Bibliografia
Tecnología Radiológica. Rayos X, de Javier González / Ricardo G. Delabat
B. D. Cullity. Elements of X-Ray Diffraction. Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
http://www.geocities.com/fisicaquimica99/radiacion11.htm
http://html.rincondelvago.com/rayos-x_8.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_X
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