Produção de Raio x Flashcards
De forma geral, como se produz raio x?
Os raios-x têm origem principalmente na desaceleração rápida dos electrões quando estes interagem directamente com os núcleos dos átomos do alvo. Este princípio de produção de raios-x é denominado de bremsstrahlung que significa radiação de travagem
Quando os eletrões são acelerados a mais de 5keV e embatem diretamente na superfície dum alvo, podem ser emitidos raios-x. Verdadeiro ou falso?
Verdadeiro
Como é composto o tubo de raios x?
O tubo de raios-x é composto por:
* Um filamento (cátodo) que é aquecido por intermédio de uma corrente elétrica. Este filamento liberta eletrões por emissão termiónica.
* Uma ampola de vidro onde é feito vácuo.
* Um ânodo que converte a energia dos electrões em raios-x.
* Uma janela transparente aos raios-x, por onde estes podem sair.
Porque se faz vácuo?
Num tubo de raios x é usado vácuo uma vez que não é possível manter os filamentos de tungsténio incandescentes durante muito tempo ao ar. Este fenómeno durava milissegundos. Para manter o filamento incandescente, a lâmpada tem de estar em vácuo (vácuo induzido).
Qual o elemento utilizado para filamento?
Existem diversos materiais incandescentes. Um desses materiais é o tungsténio (W), Z=74, sendo o seu ponto de fusão 3422ºC. Material que aguenta uma temperatura elevadissima.
O que acontece no tubo de raios x?
É aplicada uma tensão elétrica relativamente baixa (V1) ao filamento, para que este aqueça e liberte electrões por emissão termiónica (efeito de Edison). É depois aplicada uma tensão eléctrica da ordem das dezenas de kilovolts entre o cátodo e o ânodo (V2). Esta tensão elevada vai acelerar os electrões. Estes por sua vez, ao colidirem com o ânodo libertam energia sob a forma de calor e de ondas electromagnéticas.
Porque é que V2 tem de ser uma tensão elevada?
(V2: tensão aplicada entre o Ânodo e o cátodo)
Para acelerar os eletrões, que vão embater no ânodo e criar o fenómeno termiónico.
Se temos um feixe de eletrões a incidir sobre o material (com nº atómico elevado, Z elevado), vai gerar fotões: arranca os eletrões que estão mais perto do núcleo do átomo e ao arrancar existe emissão. Pois eles são acelerados fortemente com uma tensão elevada e ao chocar com os eletrões mais próximos do núcleo, vai haver colisões. Que interações podem ocorrer entre os eletrões e a matéria?
Quando um eletrão previamente acelerado embate no ânodo, podem acontecer várias coisas:
* Elástica: a mais provável é que o eletrão sofra um pequeno desvio elástico. Isto corresponde a uma transferência de energia para o ânodo, que normalmente aparece sob a forma de calor.
* Inelástica: Ocasionalmente, o electrão passa muito próximo de um núcleo atómico, onde sofre uma mudança acentuada na direção, devido à massa e sobretudo à carga nuclear. O electrão não penetra no núcleo devido ao facto de não possuir energia suficiente para ocupar um estado quântico do núcleo. Esta interação do electrão com o núcleo atómico resulta numa alteração da energia cinética do electrão, que resulta na emissão dum fotão na gama do espectro dos raios-x. A energia perdida pelo eletrão pode variar muito, fazendo com que a energia do fotão emitido possa estar numa vasta gama de valores.
* A emissão de raios-x também pode ocorrer após vários desvios elásticos, o que significa que os raios-x nem sempre são emitidos a partir da superfície do ânodo. Este factor é importante para se conhecer a distribuição espacial da emissão de raios-x.
Qual a ordem de grandeza do comprimento de onda da energia dos fotões libertados?
É para lá dos 10^-10 (1Aº), na ordem de grandeza dos 10^-11, 10^-12. São raios x!
Como se pode calcular a energia máxima e o respetivo comprimento de onda de um fotão de raio x produzido por um tubo de ddp = V
A energia de cada electrão que é acelerado é dada pelo produto da sua carga pela diferença de potencial que o acelera, ou seja (em eletrão-Volt): E =e×V. Como E = hv e v = c\lamda, lambda = hc\E
Porque é que o espetro contínuo tem aquela forma específica?
Os electrões de alta velocidade embatem no ânodo e, devido à sua travagem brusca, libertam raios-x. O espectro tem a forma por dois motivos:
- Em primeiro lugar, alguns electrões penetram mais profundamente no ânodo perdendo energia. Os raios-x produzidos são obrigados a percorrer o caminho inverso até a superfície, reduzindo a sua intensidade.
- Em segundo lugar, os raios-x têm que atravessar a janela de vidro do tubo, fazendo com que sejam também atenuados, ou para energias mais baixas, completamente eliminados. Normalmente, a energia dos raios-x a que corresponde a intensidade máxima corresponde a cerca de um terço da energia máxima dos raios-x.
Sobre o espetro contínuo aparece normalmente um espetro de riscas que resulta da interação dos eletrões acelerados com os dos átomos do alvo. O que significam essas riscas?
Se o eletrão acelerado tiver energia suficiente, pode ionizar um átomo, retirando um dos seus eletrões da sua orbital. Nesse caso, a orbital em questão fica com um eletrão a menos, ou como é corrente, fica com uma lacuna. Normalmente isto acontece nas camadas mais próximas do núcleo. A lacuna será depois preenchida por um eletrão de uma camada superior que salta para lá. Neste salto, o eletrão perde energia libertando um fotão. Se o fenómeno ocorrer nas camadas mais próximas do núcleo, o fotão libertado será na gama do espectro de raios-x.
Imagine-se que um eletrão acelerado retira um outro da camada K de um átomo. Um eletrão das camadas L ou M irá preencher a lacuna existente na camada K. Como a diferença de energia entre os eletrões da camada L ou M e os da camada K é constante para um dado elemento, os fotões libertados por este meio têm todos a mesma energia. Daí deriva o espetro de riscas, em que cada uma delas corresponde a um salto bem definido. As riscas representadas no espectro correspondem a saltos entre as camadas LI, LII e K num ânodo de molibdénio ou tungsténio.
Existem fatores que afetam a qualidade da radiação. A forma do espetro altera-se. Isto resulta numa alteração do poder de penetração dos raios-x produzidos.
Afetam a qualidade da radiação:
- Tensão de alimentação
- Forma de onda da tensão aplicada
- Filtragem dos raios-x
- Material que constitui o ânodo
nota: ver mais ao pormenor como estes fatores afetam o espetro
Existem vários fatores que afetam quantidade de radiação. Apenas se altera a intensidade de raios-x produzida. A forma do espetro não se altera. Quais?
Afetam a quantidade de radiação:
- Tensão aplicada
- A corrente elétrica no tubo
- Tempo de exposição
- Filtragem dos raios x
nota: ver mais ao pormenor como estes fatores afetam o espetro
Que características deve ter o cátodo (o cátodo é o filamento usado no tubo de raio x)?
- O cátodo é constituído por um filamento com uma resistência elétrica razoavelmente elevada, semelhante ao de uma lâmpada de incandescência.
- É escolhido um metal que forneça muitos eletrões por emissão termiónica a temperaturas onde muito poucos átomos evaporem. Um bom candidato é o tungsténio que apresenta uma temperatura de fusão de 3422 ºC.
- Entre exposições, normalmente o filamento é mantido incandescente, uma vez que a sua resistência, que apresenta um valor típico de 5 Ω a 2000 ºC, pode baixar para 0.1 Ω a temperatura ambiente. Isto faz com que seja necessária uma corrente elevada para aquecer o filamento, compensando mantê-lo ligado.
Por razões que têm a ver com a nitidez da imagem, é necessário que os eletrões colidam com o ânodo apenas numa região com área reduzida (idealmente em apenas um ponto). No entanto, devido ao movimento aleatório dos eletrões quando aquecidos e a sua repulsão mútua, estes vão espalhar-se por uma área grande, a não ser que sejam impedidos. Para evitar que os eletrões se espalhem, é colocado um tubo de metal à volta do filamento, normalmente ao mesmo potencial do filamento. Este tubo, por intermédio do campo elétrico criado, tem uma ação de focagem nos eletrões, fazendo com que estes colidam no ânodo numa área mais reduzida.
