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0160. Come funziona il tubo a raggi X rotante e il tubo Coolidge?

espertomini

Vorrei avere delle delucidazioni sul funzionamento del tubo a raggi X rotante e del tubo Coolidge. (Matteo)(2004)


sem_esperto_verdeScoperta e comprensione della natura dei raggi X

La scoperta della radiazione X risale al novembre del 1895. Il fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen icona_biografia, professore all’Università di Würzburg, stava, a quel tempo, facendo esperimenti con i raggi catodici (glossario). Röntgen lavorava in una stanza completamente buia per vedere meglio le deboli luci generate dai raggi che colpivano alcuni schermi sistemati di fronte la sorgente dei raggi catodici . Si accorse, però, che uno schermo, rivestito da una sostanza fluorescente (non raggiungibile dai raggi da lui usati) si illuminava tenuemente: doveva quindi esserci un’interazione tra una non identificata radiazione e lo schermo. Röntgen capì correttamente che un nuovo tipo misterioso di radiazione era stato generato, e la battezzò spiritosamente "radiazione X". Lo stesso scienziato riuscì in questo modo ad impressionare una lastra fotografica, tali raggi hanno, infatti, la proprietà di impressionarla. Mentre i nostri occhi vedono solo la luce, la comune lastra fotografica “vede” sia la luce che i raggi X; per tale motivo, anche ai nostri giorni, essa viene utilizzata. oltre che dai fotografi, anche come il principale rivelatore di queste radiazioni ad esempio nelle comuni radiografie.

I raggi X sono di natura elettromagnetica ed hanno lunghezza d’onda relativamente bassa ed alta energia. Tipicamente tali radiazioni corrispondono allo parte di spettro elettromagnetico compreso tra lunghezza d’onda di 0.1Å ( Angstrom icona_glossario icona_minibiografia ) ed quella di 100Å (1Å=10-10m cioè un decimo di miliardesimo di metro)) ed occupano quella sezione di spettro delimitata verso le lunghezze d' onda più corte dai raggi gamma e all' estremo opposto dalle radiazioni ultraviolette, come mostrato nella figura. Corrispondentemente, dal punto di vista energetico la radiazione si estende nell’intervallo compreso tra 124 keV icona_glossario e 0.12 keV. Le lunghezze d’onda dei raggi X usate tipicamente per le analisi dei materiali e la diagnostica medica sono comprese tra gli 0.7Å ed i 2.5Å. Come per le onde elettromagnetiche visibili emesse quando un atomo eccitato ritorna allo stato fondamentale, anche nel caso dei raggi X l' energia della radiazione corrisponde alla differenza fra due livelli energetici degli elettroni dell' atomo; I livelli energetici coinvolti pero' sono quelli più vicini al nucleo, dove gli elettroni sono legati fortemente

scienzapertutti_xrayProduzione e propagazione dei raggi X.

Una radiazione X si genera quando la materia è irradiata con un fascio di elettroni ad alta energia (radiazione primaria) o da altri raggi X (raggi X secondari). Tipicamente un generatore di elettroni è costituito da un tubo contenente un filamento di un metallo ad alto numero atomico e bassa energia di ionizzazione (solitamente tungsteno  icona_chimica). Ponendo sotto vuoto il filamento (detto catodo icona_glossario ) e chiudendolo in un circuito elettrico si riesce ad avere riscaldamento dello stesso per passaggio di corrente continua (effetto Joule) Se si riscaldando tale filamento fino all’incandescenza, si ha emissione di elettroni (emissione per elettrostimolazione). Per realizzare il circuito elettrico si usa un generatore a potenziale costante, operante pertanto in corrente continua, di potenza circa pari a 3kW icona_glossario . Nel tubo in cui è posto il filamento viene praticato un vuoto spinto, di solito 10-6mm ( un milionesimo di millimetro) di Mercurio icona_chimica . Applicando un campo elettrico al tubo di potenziale tra i 30kV icona_glossario ed i 60kV si permette la focalizzazione e la accelerazione del fascio elettronico su un bersaglio (detto anodo icona_glossario ). Se si vogliono ottenere raggi X da impiegare su un secondo bersaglio si è soliti utilizzare un bersaglio con un alto numero atomico icona_glossario , si utilizza, infatti, del molibdeno icona_chimica. In seguito all’irraggiamento dell’anodo da parte degli elettroni si ha produzione di radiazione X.

scienzapertutti_generatori_raggi_XQuando un fascio di questa radiazione incide con un materiale avvengono vari fenomeni: l’assorbimento icona_glossario per effetto fotoelettrico icona_glossario e la diffusione o scattering icona_glossario . Si definisce fascio trasmesso la parte del raggio incidente che attraversa la materia usata come bersaglio senza interagire. La radiazione uscente avrà energia inferiore rispetto al fascio incidente ed una lunghezza d’onda maggiore, l’intensità è inversamente proporzionale allo spessore del materiale ed al numero atomico dei materiali costituenti. Si parla di assorbimento per effetto fotoelettrico quando si ha interazione tra la radiazione X incidente e gli atomi costituenti il materiale del bersaglio. In seguito a questa interazione si ha produzione di raggi X da parte dell’elemento assorbente. L’effetto è anche detto di fluorescenza e l’energia della radiazione prodotta così come la sua lunghezza d’onda sono caratteristici del materiale irraggiato. Lo scattering è invece prodotto quando la radiazione X incidente interagisce con un elettrone del materiale. Se la collisione è detta elastica se la radiazione diffusa ha la stessa l’unghezza d’onda (qundi energia) di quella incidente, nella collisione anelastica invece la lunghezza d’onda della radiazione uscente è diversa da quella della radiazione entrante.

Utilizzazioni dei raggi X.

Comune è l’impiego dei raggi X nella moderna radiografia icona_glossario e nella tomografia icona_glossario . Quando un fascio di radiazioni X, fortemente penetranti, passa attraverso l'oggetto da esaminare, viene assorbito, o quantomeno attenuato, con legge esponenziale in funzione dello spessore e della densità della materia attraversata. I raggi X passanti e variamente attenuati sono in grado di impressionare una lastra fotografica posta dietro l'oggetto da esaminare. Dato l’attuale stato dell’arte, i raggi X sono il più usato metodo di diagnosi per guardare dentro il corpo umano È, infatti, comune il loro utilizzo nel campo della radiologia medica, in particolare è diffuso l’impiego di generatori di radiazioni ad anodo rotante i grado di erogare una potenza di 30kW ed operare ad una frequenza di 100kHz. Tali dispositivi, attualmente in uso per eseguire tomografie assiali computerizzate (la famosa TAC icona_glossario ), sono conosciuti anche con il nome di tubi radiogeni. Questa tecnica sfrutta l'unione della radioscopia con un sistema di rotazione automatica del pezzo da esaminare entro angoli limitati (45°-60°) orientabili in ogni direzione dello spazio. La TAC è una radiografia digitale, alla lastra fotografica, infatti, si sostituisce una memoria informatica. Il computer memorizza ed elabora le immagini ottenute dalle diverse proiezioni bidimensionali e può fornire una vista di sezioni parallele alla direzione del fascio di radiazioni ma anche una vista tridimensionale del pezzo. L’esame radiologico è tuttora uno dei migliori, se non il più potente, ausilio diagnostico.

Una tecnica molto più raffinata usa la radiazione X emessa dalla superficie di un materiale bombardato sotto vuoto con un sottile fascio di elettroni o protoni per individuare gli elementi presenti in tracce, riivelandone le righe di emissione caratteristiche. Con questa tecnica di analisi si riesce ad avere una ispezione della superficie di qualunque materiale fino a profondità di alcune decine di nanometri ( 10-9 m cioè miliardesimo di metro) dalla superficie. Per irradiare le superfici da studiare si usa la Luce di Sincrotrone icona_esperto[25]  prodotta preso varie macchine acceleratici tra cui il collisionatore Dafne  nei Laboratori Nazionali di Frascati icona_linkesterno. Una altra tecnica importantissima per lo studio della struttura della materia si basa sulle piccole modulazioni dell'assorbimento dei raggi X in prossimità di una soglia di assorbimento fotoelettrico (EXAFS cioè Extended X-ray Absorption Fine Structure ).

Rivelatori di raggi X.

Uno de rivelatori utilizzati per i raggi X è il contatore Geiger-Müller , schematizzato nella figura. Esso è composto da un cilindro che funge da catodo, di diametro compreso tra 1 e 10cm, e lunghezza da due a dieci volte maggiore e di un filo che funge da anodo. Il Contatore e riempito gas quali argon, krypton icona_chimica o xenon icona_chimica. In presenza di raggi X ( ma anche di altri tipi di radiazione) all’interno del contatore gli atomi dei gas vengono ionizcon formazione di coppie ione-elettrone. Applicando un campo elettrico di sufficiente intensità alle estremità opposte del tubo le coppie ione-elettrone formatesi non si ricombineranno più ma andranno a interagire con i vicini atomi provocando altre eccitazioni.

scienzapertutti_schema_contatore_Geiger_Muller

Si parla di produzione a valanga dato che il numero delle coppie ione-elettrone aumenta con legge di tipo esponenziale. Basta, infatti, una sola coppia ione-elettrone primaria per dar luogo ad una scarica a valanga completa e, quindi, alla produzione di un segnale di elevata ampiezza in uscita. Da ciò si comprende che un contatore Geiger può essere utilizzato come contatore di radiazione ionizzante (raggi ß γ o X) ma non permette di generare segnali proporzionali al fascio in ingresso, non si può pertanto impiegarlo in esperimenti di spettroscopia.

Emanuele Basile – Ingegnere


 

 
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