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FíSica Das RadiaçõEs
- 1. Física das Radiações OsRaios X e Sua Produção O que é uma radiografia? É uma gravação fotográfica visível, em filme, produzida pela passagem de raios X através de um objeto ou corpo. A radiografia torna possível estudar as estruturas internas do corpo como auxiliar de diagnóstico. Como uma radiografia é produzida - quais a reações físicas e químicas que ocorrem? O que são raios X? Por definição, raios x são uma forma de radiação eletromagnética parecida com a luz vizível mas de menor comprimento de onda. O primeiro passa para o entendimento da produção de uma radiografia é o conhecimento da natureza dos raios x e seu comportamento. Desta forma, consideremos os dois aspectos de seu comportamento como ondas e partículas. Uma onde pode ser definida como uma variação ou pertubação que transfere progressivamente energia radiante de um ponto a outro através de um meio. (Energia é simplesmente a capacidade para realizar um trabalho.) Uma vez que esta energia radiante viaja com movimento ondulador, uma caracteristica mensurável é seu comprimento de onda. O fato de que raios X têm ambos os aspectos de ondas e partículas ou vice-versa. Na verdade, outros fatores, tais como a maneira pela qual a radiação está sendo utilizada ou o método usado para localizá-lo ou gravá-la, determina qual dos dois aspectos (ondas ou partículas) constituem o conceito mais adequado. Para ajudar a esclarecer o conceito de ondas e comprimento de onda, imagine a pertubação causado num lago tranqüilo quando se atira a estua uma pedra. Assim que a pedra toca na água, algumas de seus energias produzem ondes que viajam externamente em círculos cada vez maiores. Embora a água esteja em movimento, ele não viaja progressivamente para frente. Por exemplo, uma folha que flutua subiria e desceria com as ondas, mas não sairia de seu local original. A energia aplicada à água é convertida em ondas que procedem de dentro para fora. O comprimento de onda das águas é a distancia de uma crista a outra ou de uma depressão a outra. Em qualquer sistema de ondas, a distância entre dois locais sucessivos correspondentes no padrão de energia em movimento chama-se comprimento de onda. O Espectro Eletromagnético
- 2. Raios X, raios,gama, ondas de rádio, luz, etc. são ondas de energia de influência elétrica e magnética. Elas são chamadas de ondas eletromagnéticas e viajam a enorme velocidade - aproximadamente 300.000 km por segundo. Todas estas formas de radiação eletromagnética são agrupadas de acordo com o seu comprimento de onda no que se chama de espectro eletromagnético. O diagrama (fig.1) mostra sua localização no espectro e alguns de seus usos mais comuns. O comprimento de cada onda eletromagnética gerada por corrente alternada de 60 hertz (ciclos por segundos) é aproximadamente a distância entre uma costa a outra dos Estados Unidos. Os comprimentos de ondas usadas em televisão é mais ou menos igual a altura de um homem. Os raios X médicos - medem aproximadamente 1/10.000 do comprimento de onda da luz vízível - têm um comprimento de onda de mais ou menos um bilionésimo de uma polegada. Eles são comumente medidos em nonômetros abreviado nm), que é igual a um- milionésimo de um milimetro. Em radiografia médica se empregram comprimentos de ondas de aproximadamente 0.01 a 0,05 nm (0,1 a 0,5 angstrom). Em publicações anteriores, o comprimento de ondas para radiação eletromagnética era comumenda dado em unidades de angstrom (abreviado Â). Uma unidade de angstron é igual a 1/10 de nanômetro. O comprimento de onda da luz no centro de um espectro visível é de aproximadamente 550 nm enquanto que os raios X usados para radiografia, aqueles próximos ao centro do espectro de raios X médico têm um comprimento de onda de aproximadamente 0,055 nm ou mais ou menos 1/10.000 da luz visível. Ondas e Partículas Uma parte da natureza dupla dos raios X é sua habilidade de agir como se consistissem de pequenos pacotes separados de energia chamados quanta ou fóton. Em certas circunstâncias, a ação de um feixe de raio X é mais fácil de se compreender se for considerado como uma chuva de partículas em vez de uma sucessão de ondas. As duas "naturezas" dos raios X são inseparáveis. Por exemplo, para se saber a energia de um único quanta (um dos pequenos pacotes separados de energia), deve-se saber o comprimento de onda da radiação. O comprimento de onda, entretanto, é uma característica de onda e deve ser determinada através da consideração da natureza ondulatória da radiação. Propriedades Fundamentais dos Raios X
- 3. Os raios Xobedecem todas as leis da luz. Entretanto, por causa de seu curto comprimento de onda, é dificil demonstar fenômenos, tais como reflexão, para raios X usando aparelhagem óptica comum. Eles também têm certas propriedades de especial interesse. 1. Por causa de seu comprimento de onda extremamente curto, eles são capazes de penetrar materiais que absorvem ou refletem luz visível. 2. Fazem fluorescer algumas substâncias; isto é, emitem radiação de maior comprimento de onda (por exemplo, radiação visível e ultravioleta). 3. Assim como a luz, eles podem produzir uma imagem em um filme fotográfico que poderá então se tornar visível atraves da revelação. 4. Eles produzem mudanças biológicas valiosas em radioterapia, mas necessitam cuidado no uso da radiação X. 5. Eles podem ionizar os gazes: isto é, eles removem elétrons dos átomos para formar íons, os quais podem ser usados para medir e controlar a exposição. Estas especiais propriedadestêm aplicações em radiografia médica e industrial, em radioterapia e em pesquisa. O Tubo de Raio X Como são gerados os raios X? Os raios X são produzidos quando elétrons em alta velocidade (partículas minúsculas, cada uma carregando uma carga elétrica negativa) chocam-se com matéria em qualquer forma. Dentro de um tubo de raios X isto é feito pela direção de uma corrente de elétrons em alta velocidade contra um objeto de metal. Conforme eles se chocam com os átomos do objeto, os elétrons liberam a maior parte de seua energia na forma de calor. Para condições normais de exposição usadas em radiografia médica, aproximadamente um por cento de sua energia é emitida em forma de raios X. A maneira mais eficiente de se gerar raios X é através de um tubo de raios X, e a forma mais simples de tubo de raios X é um invólucro de vidro vedado á vácuo. As duas partes mais importantes do tubo são o cátodo e o ânodo. Cátodo (-) é composto de um fio de tungstênio (filamento) enrolado na forma de uma espiral com aproximadamente 1,5 mm de diâmetro e de 10 a 15 mm de comprimento. É montado em um prendedor chamado de copo de foco, aproximadamente a 2,5 cm de distância do ânodo. Os fios do filamento se extendem ao lado de fora do tubo de maneira a produzir conexões elétricas.
- 4. O filamento éaquecido e se ilumina (incandesce) da mesma forma que o filamento de uma lâmpada comum. Entretanto, não é aquecida para produzir luz, mas sim para agir como uma fonte de elétrons que são emitidos pelo filamento. O comprimento e diâmetro do filamento espiral, a forma e tamanho do copo de foco, e suas relativas posições são fatores que afetam a forma e tamanho do local onde os elétrons irão se chocar com o ânodo. A temperatura do filamento controla a quantidade de elétrons emitidos. Se a temperatura é aumentada, mais elétrons são emitidos, e fluxo da corrente elétrica através do tubo de raios X (mA) aumenta. Ânodo (+) É comumente formada de um bloco de cobre, o qual extende de um lado até ao centro do tubo. Uma placa de tungstênio de aproximadamente 10 a 15 mm quadrados e 3 mm de espessura se localiza na face anterior do ânodo, ao centro do tubo. Este é chamado de objetivo e é comumente feito de tungstênio porque o tungstênio tem um ponto de fusão alto (aproximadamente 3400ºC e deste forma suporta o calor extremo ao qual está sujeito, e tem um número atômico alto (74) e é um produtor de raios X mais eficiente do que materiais com números atômicos menores. A pequena área do abjetivo na qual os elétrons se chocam é chamado de ponto focal ou fonte. e é a origem dos raios X. Em aplicações especializadas usa-se outros tipos de materiais para objetivo, tais como o molibidênio. Há dois tipos de ânodo, o fixo e o giratório. A Produção de Raios X Quanto um potencial elétrico muito alto (quilovolts ou milhares de volts) é aplicado através dos dois componentes do tubo de raios X, o cátodo e o ânodo, os elétrons emitidos são atraídos pelo ânodo de tal maneira que eles se chocam no ponto focal com tremenda força. Quanto maior o potencial, maior a velocidade destes elétrons. Alta voltagem resulta em raios X de comprimentos de ondas mais curtas e de maior poder de penetração, assim como de maior intensidade. Entretanto, mesmo os elétrons que tenham a mesma energia, quando atingem o ponto focal podem produzir raios X que diferem de energia ou comprimento de onda. Esta variação em energia de raios X resulta das diferenças nas maneiras que elétrons individuais se relacionam com os átomos do objetivo, ponto focal. De qualquer forma, quanto maior a voltagem aplicada ao tubo de raios X, maior é o número de fótons de raios X de maior energia. A Produção de Calor
- 5. O calor (assimcomo os raios X) são gerados pelo impacto de elétrons. Somente aproximadamente um por cento da energia resultante deste impacto é emitida do ponto foncal ou fonte em forma de raios X. A maioria da energia se dissipa em forma de calor. Este calor deve ser retirado do ponto focal de maneira mais eficiente possível. Do contrário o metal poderá se derreter e o tubo destruído. Em tubos com anodos fixos, coloca-se na parte posterior do objetivo um metal que seja com condutor de calor, tal como o cobre, que mutas vezes se estende através do invólucro de vidro a um radiador de chapa para dissipar o calor para fora do tubo. Outro método de esfriamento consiste em colocar o tubo junto a um recipiente metálico contendo óleo ao qual será transferidoa calor do ânodo. Como anteriormente mencionado, o ponto focal real é a área do objetivo no qual se chocam os elétrons do filamento aquecido. O tamanho do filamento espiral e a forma e tamanho do copo de foco do cátodo no qual a espiral está localizada são fatores que afetam a forma e tamanho do ponto focal. Quanto menor as dimensões da corrente de elétrons, menor é a área do objetivo onde eles se chocam (ponto focal real). O tamanho do ponto focal tem um efeito muito importante na formação da imagem de raios X. Quanto menor o ponto focal, maís nítida é a imagem (outros fatores continuam os mesmos) ; mais um ponto focal grande pode resistir mais ao calor do que um ponto focal pequeno. Assim deve-se encontrar métodos de se obter um ponto focal que forneçã uma imagem bem detalhada e com boa dissipação de calor. Eles são: o emprego do princípio de foco linear e rotação do ânodo. . Funcionamento do Tubo de Raios X O equipamento elétrico necessário para o funcionamento do tubo de Raios X consiste de uma variedade de componentes básicos tais como transformadores para produzir alta voltagem, retificadores para manter a polaridade do ânodo (+) e cátodo (-), fornecedores de força e controles para o filamento, cronometros e dispositivos protetores (por exemplo, proteção contra radiação e travamentos térmicos). Os circuitos do tubo de raios X, do retificador e do transformador de alta voltagem estão posicionados de maneira que grande quantidade de voltagem positiva seja aplicada no extremo anódico do tubo; e grande quantidade de voltagem negativa seja aplicada no extremo catódico. Os elétrons do filamento quente do cátodo são carregados negativamente e são rejeitados pelo cátodo e atraido ao ânodo positivamente carregado. Como resultado os elétrons aceleram a enormes velocidades e chocam-se contra o ânodo com muita força.
- 6. A alta voltagemé representada em quilovolts,abreviada kV (1 quilovolt = 1.000 volts). A quilovoltagem controla a velocidade do fluxo dos elétrons do cátodo ao ânodo. Quando maior for a quilovoltagem, mais rapidamente os elétrons se movimentam e mais energético e penetrante é o feixe de raios x que eles produzem.