tubo de rayos X

El calor se produce en el punto focal del ánodo. Dado que una pequeña fracción (menor o igual al 1%) de la energía de los electrones se convierte en rayos X, puede ignorarse en los cálculos de calor. ^{[ 7 ]} La cantidad de calor producida (en julios) en el punto focal viene dada por  :

${\displaystyle E_{\mathrm {heat} }=w\mathrm {V_{p}} \mathrm {I} \mathrm {t} }$

${\displaystyle w}$siendo el factor de forma de onda

${\displaystyle \mathrm {V_{p}} }$= voltaje de corriente alterna pico (en kilovoltios)

${\displaystyle \mathrm {I} }$= corriente del tubo (en miliamperios)

${\displaystyle \mathrm {t} }$= tiempo de exposición (en segundos)

La unidad de calor (HU) se utilizó en el pasado como alternativa a los julios. Es una unidad conveniente cuando se conecta una fuente de alimentación monofásica al tubo de rayos X. ^{[ 7 ]} Con una rectificación de onda completa de una onda sinusoidal ,${\displaystyle w}$=${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}\approx 0.707}$, por lo tanto, la unidad de calor:

1 HU = 0,707 J

1,4 HU = 1 J ^{[ 8 ]}

Los tubos de Crookes generaban los electrones necesarios para producir rayos X mediante la ionización del aire residual en el tubo, en lugar de un filamento calentado , por lo que estaban parcialmente, pero no completamente, evacuados . Consistían en una ampolla de vidrio con una presión atmosférica de entre ^10⁻⁶ y 5 × 10⁻⁸ ^atmósferas ( 0,1 a 0,005 Pa ). Tenían una placa catódica de aluminio en un extremo y un ánodo de platino en el otro. La superficie del ánodo estaba inclinada para que los rayos X irradiaran a través del lateral del tubo. El cátodo era cóncavo, de modo que los electrones se concentraban en un punto pequeño (~1 mm) del ánodo, lo que se aproximaba a una fuente puntual de rayos X, dando como resultado imágenes más nítidas. El tubo tenía un tercer electrodo, un anticátodo conectado al ánodo. Este mejoraba la emisión de rayos X, pero el mecanismo por el cual lo lograba aún no se comprende. Una disposición más común utilizaba un anticátodo de placa de cobre (de construcción similar al cátodo) alineado con el ánodo, de manera que el ánodo quedara entre el cátodo y el anticátodo. 

Para su funcionamiento, se aplicaba una tensión continua de unos pocos kilovoltios hasta 100 kV entre los ánodos y el cátodo, generalmente generada por una bobina de inducción o, para tubos más grandes, por una máquina electrostática .

Los tubos de Crookes no eran fiables. Con el tiempo, el aire residual era absorbido por las paredes del tubo, reduciendo la presión. Esto aumentaba el voltaje a través del tubo, generando rayos X más duros, hasta que finalmente el tubo dejaba de funcionar. Para evitarlo, se utilizaban dispositivos suavizadores (véase la imagen). Un pequeño tubo acoplado al lateral del tubo principal contenía una funda de mica o una sustancia química que, al calentarse, liberaba una pequeña cantidad de gas, restableciendo así la presión correcta.

La envoltura de vidrio del tubo se ennegrecería con el uso debido a que los rayos X afectan su estructura.

En el tubo de Coolidge, los electrones se producen por efecto termoiónico a partir de un filamento de tungsteno calentado por una corriente eléctrica. Este filamento es el cátodo del tubo. El alto potencial eléctrico se encuentra entre el cátodo y el ánodo, lo que acelera los electrones y, posteriormente, los hace impactar contra el ánodo.

Existen dos diseños: tubos con ventana frontal y tubos con ventana lateral. Los tubos con ventana frontal suelen tener un "blanco de transmisión" lo suficientemente delgado como para permitir el paso de los rayos X (los rayos X se emiten en la misma dirección que el movimiento de los electrones). En un tipo común de tubo con ventana frontal, el filamento rodea el ánodo ("anular" o en forma de anillo), y los electrones siguen una trayectoria curva (la mitad de un toroide).

Lo que distingue a los tubos con ventana lateral es que utilizan una lente electrostática para enfocar el haz en un punto muy pequeño del ánodo. El ánodo está especialmente diseñado para disipar el calor y el desgaste generados por este intenso haz de electrones enfocado. El ánodo está inclinado con precisión entre 1 y 20 grados respecto a la perpendicular a la corriente de electrones para permitir la salida de algunos de los fotones de rayos X emitidos perpendicularmente a dicha dirección. El ánodo suele estar fabricado de tungsteno o molibdeno. El tubo cuenta con una ventana diseñada para la salida de los fotones de rayos X generados.

La potencia de un tubo Coolidge suele oscilar entre 0,1 y 18 kW .

Se genera una cantidad considerable de calor en el punto focal (el área donde incide el haz de electrones proveniente del cátodo) de un ánodo estacionario. En cambio, un ánodo giratorio permite que el haz de electrones barra un área mayor del ánodo, lo que compensa la ventaja de una mayor intensidad de radiación emitida, junto con un menor daño al ánodo en comparación con su estado estacionario. ^{[ 9 ]}

La temperatura del punto focal puede alcanzar los 2500 °C (4530 °F) durante una exposición, y el conjunto del ánodo puede llegar a los 1000 °C (1830 °F) tras una serie de exposiciones prolongadas. Los ánodos típicos consisten en un blanco de tungsteno-renio sobre un núcleo de molibdeno, con soporte de grafito. El renio aumenta la ductilidad del tungsteno y su resistencia al desgaste por el impacto de los haces de electrones. El molibdeno conduce el calor del blanco. El grafito proporciona almacenamiento térmico al ánodo y minimiza su masa giratoria.    

Algunos exámenes de rayos X (como, por ejemplo, los ensayos no destructivos y la microtomografía 3D ) requieren imágenes de muy alta resolución y, por lo tanto, tubos de rayos X que puedan generar puntos focales muy pequeños, generalmente de menos de 50  μm de diámetro. Estos tubos se denominan tubos de rayos X de microfoco.

Existen dos tipos básicos de tubos de rayos X de microfoco: tubos de ánodo sólido y tubos de ánodo de chorro metálico.

Los tubos de rayos X de microfoco de ánodo sólido son, en principio, muy similares al tubo de Coolidge, pero con la importante diferencia de que se ha tenido especial cuidado en enfocar el haz de electrones en un punto muy pequeño del ánodo. Muchas fuentes de rayos X de microfoco funcionan con puntos focales en el rango de 5 a 20 μm, pero en casos extremos se pueden producir  puntos menores de 1 μm. 

El principal inconveniente de los tubos de rayos X de microfoco de ánodo sólido es su muy baja potencia de funcionamiento. Para evitar la fusión del ánodo, la densidad de potencia del haz de electrones debe ser inferior a un valor máximo. Este valor se sitúa entre 0,4 y 0,8 W/μm, dependiendo del material del ánodo. ^{[ 10 ]} Esto significa que una fuente de microfoco de ánodo sólido con un  foco de haz de electrones de 10 μm puede funcionar a una potencia de entre 4 y 8 W.

En los tubos de rayos X de microfoco con ánodo de chorro metálico, el ánodo de metal sólido se reemplaza por un chorro de metal líquido, que actúa como blanco del haz de electrones. La ventaja del ánodo de chorro metálico es que la densidad de potencia máxima del haz de electrones aumenta significativamente. Se han reportado valores en el rango de 3 a 6 W/μm para diferentes materiales de ánodo (galio y estaño). ^{[ 11 ] [ 12 ]} En el caso de un foco de haz de electrones de 10  μm, una fuente de rayos X de microfoco con ánodo de chorro metálico puede operar a 30-60 W.

La principal ventaja del aumento de la densidad de potencia en el tubo de rayos X de chorro metálico es la posibilidad de operar con un punto focal más pequeño, por ejemplo, de 5  μm, para aumentar la resolución de la imagen y, al mismo tiempo, adquirirla más rápidamente, ya que la potencia es mayor (15-30 W) que en los tubos de ánodo sólido con  puntos focales de 10 μm.