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FACULDADE DE TECNOLOGIA DA AMAZONIA - FAZ

CURSO DE RADIOLOGIA

FSICA DAS RADIAES PRINCPIOS BSICOS

Prof. Alessandro Marcondes Della Casa


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Fsica dos raios X1

Luciano Santa Rita Oliveira* Os raios X so radiaes da mesma natureza da

radiao gama (ondas eletromagnticas), com caracte-

rsticas semelhantes. S diferem da radiao gama pela

origem, ou seja, os raios X no so emitidos do ncleo

do tomo.

Os raios X so radiaes de natureza eletromag-

ntica, que se propagam no ar (ou vcuo). Essa radia-

o produzida quando ocorre o bombardeamento de

um material metlico de alto nmero atmico (tungst-

nio), resultando na produo de radiao X por freamento ou ionizao.

Propriedade dos raios X

Os raios X so produzidos quando eltrons em alta velocidade, provenientes do filamento aquecido,

chocam-se com o alvo (anodo) produzindo radiao. O feixe de raios X pode ser considerado como um

chuveiro de ftons distribudos de modo aleatrio. Os raios X possuem propriedades que os tornam

extremamente teis.

- Enegrecem filme fotogrfico;

- Provocam luminescncia em determinados sais metlicos;

- So radiao eletromagntica, portanto no so defletidos

por campos eltricos ou magnticos pois no tem carga;

- Tornam-se duros (mais penetrantes) aps passarem por

materiais absorvedores;

- Produzem radiao secundria (espalhada) ao atravessar

um corpo;

- Propagam-se em linha reta e em todas as direes;

- Atravessam um corpo tanto melhor, quanto maior for a tenso (voltagem) do tubo (kV);

- No vcuo, propagam-se com a velocidade da luz;

- Obedecem a lei do inverso do quadrado da distncia (1/r2), ou seja, reduz sua intensidade dessa forma;

- Podem provocar mudanas biolgicas, que podem ser benignas ou malignas, ao interagir com sistemas

biolgicos.

As mquinas de raios X foram projetadas de modo que um grande nmero de eltrons so produzidos e

acelerados para atingirem um anteparo slido (alvo) com alta energia cintica. Este fenmeno ocorre em um

tubo de raios X que um conversor de energia. Recebe energia eltrica que converte em raios X e calor. O

calor um subproduto indesejvel no processo. O tubo de raios X projetado para maximizar a produo de

raios X e dissipar o calor to rpido quanto possvel.

1 IN: http://www.tecnologiaradiologica.com/materia_fisica_rx.htm


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Elementos do tubo de raios X

O tubo de raios X possui dois elementos principais e que sero a partir de agora objeto de estudo: catodo

e anodo.

O catodo o eletrodo negativo do tubo. constitudo de duas partes principais: o filamento e o copo

focalizador. A funo bsica do catodo emitir eltrons e focaliz-los em forma de um feixe bem definido

apontado para o anodo. Em geral, o catodo

consiste de um pequeno fio em espiral (ou

filamento) dentro de uma cavidade (copo de

focagem) como mostrado na figura anterior.

O filamento normalmente feito de Tungst-

nio (com pequeno acrscimo de Trio) Toriado,

pois esta liga tem alto ponto de fuso e no

vaporiza facilmente (a vaporizao do filamento

provoca o enegrecimento do interior do tubo e a

conseqente mudana nas caractersticas eltricas do mesmo). A queima do filamento , talvez, a mais

provvel causa da falha de um tubo.

O corpo de focagem serve para focalizar os eltrons que saem do catodo e fazer com que eles batam

no anodo e no em outras partes. A corrente do tubo controlada pelo grau de aquecimento do filamento

(catodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais eltrons sero emitidos pelo mesmo, e maior ser a

corrente que fluir entre anodo e catodo. Assim, a corrente de filamento controla a corrente entre anodo e

catodo.

O anodo o plo positivo do tubo, serve de suporte para o alvo e atua como elemento condutor de calor.

O anodo deve ser de um material (tungstnio) de boa condutividade trmica, alto ponto de fuso e alto

nmero atmico, de forma a otimizar a relao de

perda de energia dos eltrons por radiao (raios X)

e a perda de energia por aquecimento. Existem dois

tipos de anodo: anodo fixo e anodo giratrio.

Os tubos de anodo fixo so usualmente utilizados

em mquinas de baixa corrente, tais como: raios X

dentrio, raios X porttil, mquinas de radioterapia,

raios X industrial, etc.

Os tubos de anodo giratrio so usados em

mquinas de alta corrente, normalmente utilizadas

em radiodiagnstico. Ele permite altas correntes pois a rea de impacto dos eltrons fica aumentada. Como

exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja rea de impacto de 1mm x 4 mm, isto , 4 mm2. Se este alvo girar

com um raio de giro igual 30mm, a rea de impacto seria aproximadamente: 754mm2; nestas condies, o

tubo giratrio teria cerca de 200 vezes mais rea do que o tubo fixo.

O anodo e o catodo ficam acondicionados no interior de um invlucro fechado (tubo ou ampola), que est

acondicionado no interior do cabeote do RX. A ampola geralmente constituda de vidro de alta resistncia


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e mantida em vcuo, e tem funo de promover isolamento trmico e eltrico entre anodo e catodo. O

cabeote contm a ampola e demais acessrios. revestido de chumbo cuja funo de blindar a radiao

de fuga e permitir a passagem do feixe de radiao apenas pela janela radiotransparente direcionando desta

forma o feixe. O espao preenchido com leo que atua como isolante eltrico e trmico.

Radiao de Freamento (Bremsstrahlung)

Essa radiao produzida quando um eltron passa prximo ao

ncleo de um tomo de tungstnio, sendo atrado pelo ncleo deste

e desviado de sua trajetria original. Com isto, o eltron perde uma

parte de sua energia cintica original, emitindo parte dela como

ftons de radiao, de alta e baixa energia e comprimento de onda

diferentes, dependendo do nvel de profundidade atingida pelo ele-

tron do metal alvo. Isto significa dizer que, enquanto penetra no

material, cada eltron sofre uma perda energtica que ir gerar

radiao (ftons) com energia e comprimento de onda tambm menores. Se formos considerar percentual-

mente a radiao produzida, veremos que 99 por cento dela emitida como calor e somente 1 por cento

possui energia com caractersticas de radiao X.

Existem situaes (raras) em que alguns eltrons muito energticos se chocam diretamente com os

ncleos, convertendo toda a sua energia cintica em um fton de alta energia e freqncia (a rigor, esta

seria uma outra forma de gerao de radiao, onde a energia do

fton gerado igual energia do eltron incidente, o que se

configura como um fton de mxima energia).

Durante o bombardeamento do alvo, todas as possibilidades em

termos de gerao de ftons acontecem, na medida que temos

interaes diferentes entre eltrons incidentes com o material do

alvo, gerando ftons de diferentes energias.

A radiao de freamento, ou Bremsstrahlung, se caracteriza por

ter uma distribuio de energia relativa aos ftons gerados,

bastante ampla, como mostra a figura a seguir.

Como se pode observar pelo grfico ao lado, a maioria

dos Fotons obtidos possui baixa energia, sendo que

somente uns poucos tm a energia equivalente diferena

de potencial (voltagem) aplicada ao tubo. Esse grfico

mostra que so gerados muitos ftons de baixa energia, o

que pode ser perigoso para o paciente irradiado, pois estes

ftons de baixa energia interagem com os tecidos vivos, sem

contribuir para a formao da imagem radiogrfica.


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O espectro, distribuio das energias dos ftons gerados por uma radiao de freamento, mostrado na

figura a seguir, onde se pode observar que a radiao no monoenergtica, mas sim polienergtica, pois

temos ftons de diferentes energias, em quantidades diferentes.

Radiao caracterstica

Pelo visto anteriormente, alguns ftons interagem diretamente com os ncleos, convertendo toda sua

energia em radiao, sem modificar o tomo alvo, ou seja, sem ioniz-lo.

Existem situaes, no entanto, em que eltron pode interagir com um tomo quebrando sua neutralidade

(ionizando-o), ao retirar dele eltrons pertencentes sua camada mais interna (K). Ao retirar o eltron da

camada K, comea o processo de preenchimento dessa lacuna (busca de equilbrio), por eltrons de

camada superiores. Dependendo de camada que vem o eltron que ocupa a lacuna da camada K, teremos

nveis de radiao diferenciados.

Como exemplo, vamos considerar que um eltron da camada L ocupe a lacuna da camada K, emitindo

uma radiao da ordem de 59 keV; se o eltron ocupante

vem da camada M, a energia gerada da ordem de 67 keV;

se o eltron ocupante vem da camada N, teremos uma

radiao da ordem de 69 keV.

Quando se usa como alvo um material com o tungstnio,

o bombardeamento por eltrons de alta energia gera uma

radiao com caractersticas especficas (radiao caracte-

rstica), pois esse material possui um nmero atmico defi-

nido (bastante alto), necessitando um nvel alto de energia

para retirar os eltrons de sua camada K.

A energia da radiao gerada por um alvo de tungstnio da ordem de 70 keV. A condio necessria e

imprescindvel para que se produza a radiao caracterstica do tungstnio que os ftons devem ter uma

energia mxima superior a 70 keV, j que a energia de ligao da camada K da ordem de 70 keV.

Como se da o processo de gerao da radiao caracterstica do tungstnio?

Exemplo: Quando bombardeamos um alvo de tungstnio com eltrons submetidos a uma tenso de 100

kV, sero gerados ftons com energia de poucos keV at 100

keV, mas uma grande parte deles tero energia da ordem de

70 keV, caracterstica do tungstnio.

Cada material emite um nvel definido de radiao caracte-

rstica, dependendo de seu nmero atmico, como so os

casos do tungstnio (radiologia convencional) e molibidnio

(mamografia), que possuem radiaes caractersticas da

ordem de 70 keV e 20 keV, respectivamente.

Essa figura o resultado da superposio da radiao

caracterstica do tungstnio com o espectro contnuo gerado

com 100 kVp. Nela se pode observar que, alm de ftons,


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com energia baixas e altas, temos um grande nmero deles com energias correspondentes somente ao

tungstnio. Quando o alvo bombardeado de molibidnio, a radiao caracterstica se situa na faixa de 20

keV.

Efeito andico

Descreve um fenmeno no qual a intensidade da radiao

emitida da extremidade do catodo do campo de raios X maior

do que aquela na extremidade do anodo. Isso devido ao ngulo

da face do anodo, de forma que h maior atenuao ou absoro

dos raios X na extremidade do anodo.

A diferena na intensidade do feixe de raios X entre catodo e

anodo pode variar de 30% a 50%.

Na realizao de estudos radiolgicos do fmur, perna, mero,

coluna lombar e torcica deve-se levar em conta a influncia do

efeito andico na realizao das incidncias radiolgicas

pertinentes a estes estudos.

Texto criado por Luciano Santa Rita Oliveira ps-graduado em Gesto da Sade e Administrao

Hospitalar, tecnlogo em radiologia, supervisor de estgio e professor das disciplinas de Incidncias

Radiolgicas, Imaginologia, Manuteno e Calibrao de Equipamentos e Radiologia Industrial do

Curso Superior de Tecnologia em Radiologia da Universidade Iguau (UNIG), membro da Comisso

de Radioproteo do Exrcito (COMRAD), tambm atuando como profissional de Proteo

Radiolgica e Deteco das Radiaes Ionizantes do Centro Tecnolgico do Exrcito. Contatos: [email protected]


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RESUMO ESQUEMTICO

Composio da Matria Energia de Ligao Ionizao Natureza das radiaes

Radiao Particular Raios beta, catdicos, raios alfa, ... Velocidade cintica X Carga = ionizao LET:

tamanho, carga, velocidade = LET tamanho, carga, velocidade = LET

Natureza das radiaes Radiao Eletromagntica

Raios X, gama, ultravioleta, radar, r-dio, TV, luz eltrica Campos eltrico e magntico Sem massa, sem carga, somente ener-gia

comprimento e freqncia O aparelho de Raios X

Tubo de Raios X Ctodo (-) = filamento de tungstnio em uma taa focalizadora Anodo (+) = pastilha de tungstnio em um bloco de Cobre (20)

Transformadores TAT (kV) TBT (mA)

Timer

Os raios X

A nuvem de eltrons (efeito termo-eltrico) Diferena de potencial Efeito de Freamento:

99%: calor 1%: radiao X

Efeito Benson: Transformao de uma rea retangular real em uma rea focal efetiva quadrangular atravs da inclinao em 20 da rea focal

Interaes atmicas Radiao comum ou contnuo ou de freamento ou Bremsstrahlung

energia Interao com o campo magntico (desvio) Interao e liberao de toda sua energia

Radiao caracterstica Interao com eltrons de camadas mais externas Camadas de interesse: K (69,5 eV) e L (50,2 eV)


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Radiao Comum

Radiao

Caracteristica

Intensidade: mA/s = densidade Qualidade: kV = contraste Fatores que interferem na qualidade ou intensida-de dos R-X

kV mA Distncia do anteparo (lei do quadrado inverso:

I = 1 / d2)

Filtrao/ Colimao Material do alvo

Propriedades gerais 1. No so detectveis pelos sentidos humanos 2. No sofrem reflexo ou deflexo 3. Atravessam corpos opacos 4. Velocidade da luz (300.000 km/s) 5. Produzem efeitos biolgicos danosos 6. Viajam no vcuo 7. O grau de penetrao inversamente proporcional ao comprimento de onda e freqncia 8. Promovem ionizaes 9. Afetam emulses fotogrficas e radiogrficas

Bibliografia Recomendada:

1. Princpios de Radiologia Odontolgica - Eric Whaites, 3 edio, Ed Artmed, 2003. 2. Pasler, Anton F. Radiologia Odontolgica. 3 ed., Rio de Janeiro: Editora Mdica e Cientfica

Ltda, 1999, 457 p. 3. Goaz, Paul W. ; White, Stuart C. Oral Radiology Principles and Interpretation. 3rd ed., St.

Louis, Missouri U.S.A. Mosby - Year Book, Inc., 1994, 735 p. 4. White, Stuart C.; PharoaH, Michael J. Oral Radiology principles and interpretation. 4th ed.,

St. Louis, Missouri, USA: Mosby, Inc., 2000. 5. FREITAS, A.; ROSA, J. E.; FARIA E SOUZA, I. Radiologia Odontolgica. 3. ed. So Paulo; Artes

Mdicas, 1994. p. 30126, 383-96. 6. http://www.tecnologiaradiologica.com/materia_fisica_rx.htm

fisica das radiações principios básicos.pdf

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