UNIVERSITA POLITECNICA DELLE MARCHE Facoltà di Medicina e Chirurgia Corso di Laurea in Tecniche di Radiologia Medica, per Immagini e Radioterapia TUBO RADIOGENO (Tubo a Raggi X) A.A. 2014-2015 Tecniche di Radiodiagnostica (MED/50) G. Mazzoni Tubo Radiogeno Il Tubo radiogeno tipo Coolidge (Tubo a Raggi X), è costituito da un ampolla di vetro in cui viene creato un vuoto molto spinto Nell ampolla sono incorporati due elettrodi disposti uno di fronte all altro denominati: catodo e anodo Il tubo può essere lungo da 20 a 30 cm ed avere un diametro di 15 cm 1
Tubo Radiogeno Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante Tubo Radiogeno L AMPOLLA E di vetro (vetro Pirex) e consente di: sopportare il considerevole calore generato nella produzione dei Raggi X mantenere il vuoto all interno del tubo Il vuoto garantisce una maggiore efficienza di produzione dei Raggi X ed una più lunga durata del tubo 2
Tubo Radiogeno LA FINESTRA E una porzione dell ampolla, di circa 5 cm 2, alla quale corrisponde una sezione sottile del vetro per consentire un minimo assorbimento della radiazione X che forma il fascio primario In sua corrispondenza sono posti i filtri per omogeneizzare il fascio primario Tubo Radiogeno IL CATODO E l elettrodo negativo del tubo radiogeno ed è formato da due componenti: il filamento la coppa focalizzatrice 3
Tubo Radiogeno CATODO: IL FILAMENTO E un avvolgimento simile a quello di una lampadina E composto da tungsteno toriato Ha un diametro di 2 mm ed una lunghezza variabile da 1 a 2 cm Quando la corrente che lo attraversa è sufficientemente intensa (circa 6 Å), gli elettroni di valenza superano la barriera di potenziale e vengono espulsi dal filamento stesso nello spazio circostante (effetto termoionico) Apparecchio Radiogeno CATODO: LA CORRENTE DEL FILAMENTO Variando l intensità della corrente che percorre il filamento (operazione consentita dall impostazione del selettore dei ma sul tavolo di comando), si fa variare la quantità di elettroni liberati dal catodo per effetto termoionico In particolare, una piccola variazione della corrente di filamento provoca una grande variazione della corrente elettronica o della cosiddetta corrente anodica (espressa in ma) 4
CATODO: LA CORRENTE DEL FILAMENTO Per un determinato valore di kv fra catodo e anodo, facendo variare l intensità della corrente che percorre il filamento, si provoca la variazione della corrente anodica nel tubo radiogeno (ma) Tubo Radiogeno In altre parole: CATODO: LA CORRENTE DEL FILAMENTO variando l intensità della corrente che percorre il filamento del catodo, tramite il selettore dei ma sul tavolo di comando, si fa variare la quantità di elettroni liberati per effetto termoionico la quantità di elettroni emessi dal filamento (espressa in ma) condiziona la quantità di Raggi X prodotti dall urto che tali elettroni hanno con la superficie dell anodo, a seguito della differenza di potenziale applicata fra i due elettrodi 5
CATODO: LA CORRENTE DEL FILAMENTO Il milliamperaggio (ma) determina la quantità dei Raggi X Apparecchio Radiogeno CATODO: CARICA SPAZIALE Gli elettroni emessi per effetto termoionico fanno sì che intorno alla superficie del filamento si formi una carica spaziale negativa Questi elettroni: vengono richiamati dai loro atomi che si trovano in uno stato di carica prevalentemente positiva si oppongono ad ulteriori emissioni elettroniche (effetto di carica spaziale) 6
Tubo Radiogeno CATODO: CARICA SPAZIALE Creando un opportuno campo elettrostatico tra i catodo e l anodo tramite una elevata differenza di potenziale (kv), gli elettroni che formano la carica spaziale vengono indirizzati verso l anodo A parità di grado di riscaldamento del filamento, all aumentare della tensione (potenziale di estrazione) tra catodo ed anodo, aumenta anche la corrente anodica e quindi i ma Apparecchio Radiogeno CATODO: CARICA SPAZIALE Superato un certo valore di kv (sempre a parità di riscaldamento del filamento), i ma non aumentano più In queste condizioni si è raggiunto il valore di saturazione della carica spaziale In tali condizioni tutti gli elettroni della carica spaziale vengono attirati elettrostaticamente verso l anodo in ragione proporzionale al grado di riscaldamento del filamento 7
CATODO: CARICA SPAZIALE I moderni tubi radiogeni sono dotati di dispositivi di compensazione capaci di annullare l effetto di carica spaziale In tali condizioni, la quantità della corrente anodica, e quindi i ma prodotti, dipende unicamente dal grado di riscaldamento del filamento catodico e non dalla differenza di potenziale applicata al tubo Tubo Radiogeno QUANTO DURA UN FILAMENTO Il filamento di tungsteno deve raggiungere la temperatura di almeno 2200 C perché si possa avere una emissione termoionica Si stima che già a 2250 C (temperatura di scopia), il filamento perde 1/10 del suo diametro in 2000 ore di funzionamento In grafia, utilizzando 400-500 ma, si raggiungono i 2400 C, temperatura alla quale l usura del filamento è circa 3 volte superiore a quella che si ha in scopia 8
QUANTO DURA UN FILAMENTO Il filamento di tungsteno, durante il suo normale funzionamento, viene spinto a temperature molto elevate (oltre 2400 C), tali da provocare una sua progressiva evaporazione I vapori di tungsteno così prodotti vanno a depositarsi all interno dell ampolla di vetro, con una serie di conseguenze negative per la vita del tubo Apparecchio Radiogeno CATODO: COPPA FOCALIZZATRICE Il filamento è circondato da uno schermo metallico, la coppa focalizzatrice (nichel o ferro nichelato), la cui funzione è quella di condensare, grazie alla sua carica negativa, il fascio di elettroni emessi dal filamento che tende ad espandersi In assenza di tale dispositivo, infatti, gli elettroni, carichi negativamente, tendono a respingersi e quindi ad allontanarsi reciprocamente 9
CATODO: COPPA FOCALIZZATRICE Meccanismo di azione della coppa focalizzatrice Tubo Radiogeno CATODO: COPPA FOCALIZZATRICE L efficacia della coppa focalizzatrice è determinata da: forma e dimensione tensione forma e dimensione del filamento posizione del filamento al suo interno 10
DOPPIO FUOCO Molti tubi radiogeni hanno 2 macchie focali, scelte alternativamente con il selettore dei ma sul tavolo di comando La macchia focale piccola è associata al filamento piccolo, quella grande al filamento grande Le macchie focali piccole hanno dimensioni da 0,3 a 1 mm, quelle grandi da 1 a 2,5 mm I due filamenti sono alloggiati ciascuno nella propria coppa focalizzatrice Apparecchio Radiogeno DOPPIO FUOCO La dimensione della macchia focale dipende dalle dimensioni del filamento Il filamento di dimensioni maggiori viene utilizzato quando è necessario produrre una grande quantità di Raggi X (esso produce un ampia macchia focale, disperdendo calore su un area più ampia, in modo da consentire una maggiore corrente al tubo senza danneggiarne l anodo) Il filamento più piccolo produce una macchia focale più piccola e viene utilizzato quando sono necessarie immagini dettagliate (in questo caso è necessario utilizzare correnti minori) 11
ANODO E l elettrodo positivo del tubo radiogeno contro il quale va ad urtare il fascio di elettroni dando lungo alla produzione di Raggi X Solo l 1% circa dell energia del fascio elettronico che bombarda l anodo si converte in Raggi X, mentre il rimanente 99% si trasforma in energia termica che deve essere rapidamente dissipata Tubo Radiogeno ANODO Deve assolvere a due funzioni: generare i Raggi X dissipare la quantità di calore accumulata per effetto dello sfavorevole rapporto di conversione in Raggi X dell energia cinetica del fascio elettronico 12
ANODO Poiché l efficienza di produzione dei Raggi X e l intensità della radiazione prodotta sono proporzionali al numero atomico del materiale utilizzato, l anodo è normalmente costituito da tungsteno che presenta: elevato numero atomico (Z=74) elevato punto di fusione (3370 C) elevata conducibilità termica Apparecchio Radiogeno ANODO: FISSO E ROTANTE L evoluzione della tecnologia dei tubi radiogeni ha condotto all impiego sostanziale di due tipi di anodi: anodo fisso (il primo ad essere utilizzato da un punto di vista storico) anodo rotante Le loro caratteristiche costruttive devono consentire di portar fuori dal tubo le unità termiche accumulate e di disperderle nell ambiente esterno 13
Tubo Radiogeno ANODO FISSO La eliminazione delle unità termiche si realizza attraverso il fenomeno della propagazione del calore per conduzione (il calore si propaga attraverso le molecole di un corpo passando da uno strato all altro) Apparecchio Radiogeno ANODO FISSO E formato da un blocco di rame massiccio in cui è immersa, nel punto in cui avviene il bombardamento degli elettroni del fascio catodico, una placchetta di tungsteno dello spessore di circa 2 mm Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo fisso 14
ANODO FISSO La eliminazione delle unità termiche viene realizzata anche attraverso: il prolungamento della parte in rame all esterno dell ampolla di vetro l aumento della superficie (radiatore) di dissipazione del calore la creazione all interno del tubo radiogeno di scanalature entro le quali le quali viene fatto circolare un liquido di raffreddamento (olio isolante) Tubo Radiogeno ANODO FISSO I tubi ad anodo fisso vengono utilizzati solo in apparecchi di piccola e media potenza, quali gli apparecchi portatili e dentali Hanno potenze elettriche (quantità di calore dissipata dall anodo nell unità di tempo) massime di 10 kw 15
ANODO ROTANTE E costituito da un piattello di tungsteno (o tungsteno-renio) montato su uno stelo sottile di molibdeno il quale alla sua estremità di continua con un cilindro di rame (rotore) Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante Apparecchio Radiogeno ANODO ROTANTE Il cilindro di rame al suo interno è supportato da un asta metallica rigida tramite due cuscinetti a sfera che consentono al rotore, e quindi al disco anodico, di ruotare anche a velocità elevate Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante 16
ANODO ROTANTE L anodo rotante è azionato da un motore a induzione elettromagnetica, composto da due parti principali, separate dal vetro dell ampolla: Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante Tubo Radiogeno ANODO ROTANTE lo statore (la parte esterna) formato da una serie di elettrocalamite che vengono percorse da corrente elettrica in modo sequenziale il rotore (la parte interna) che ruota per induzione elettromagnetica Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante 17
ANODO ROTANTE L artificio adottato, per aumentare la potenza del tubo, è quello di far ruotare il piattello di tungsteno In questo modo, istante per istante: gli elettroni catodici interagiscono con una porzione differente del piattello il calore prodotto viene ripartito su di una superficie anodica più grande Apparecchio Radiogeno ANODO ROTANTE La superficie totale del piattello anodico interessata dal bombardamento elettronico è proporzionale: al diametro del piattello (variabile tra i 50 e 125 mm a seconda della potenza del tubo) alla velocità di rotazione del piattello (variabile tra 2800 10000 giri/min) 18
Tubo Radiogeno ANODO ROTANTE Tutte queste situazioni fanno sì che le potenze massime sopportabili dai tubi ad anodo rotante possano superare i 100 kw Essi pertanto consentono di ottenere prestazioni (geometriche e tecnologiche) superiori a quelle raggiungibili con i tubi ad anodo fisso Apparecchio Radiogeno ANODO ROTANTE La presenza dei cuscinetti a sfera che interrompono il circuito termico, impedisce l evacuazione del calore per conduzione Lo smaltimento delle unità termiche avviene per radiazione (irraggiamento) L anodo rotante, rispetto all anodo fisso, lavora a temperature più elevate e quindi più critiche 19
ANODO: MACCHIA FOCALE Viene definito fuoco la parte della superficie dell anodo colpita dal fascio elettronico proveniente dal filamento del catodo Tubo Radiogeno ANODO: MACCHIA FOCALE Idealmente il fuoco dovrebbe essere puntiforme per evitare sfuocature geometriche Geometria della propagazione di un fascio di radiazioni elettromagnetiche a partire dal fuoco (F) 20
ANODO: MACCHIA FOCALE In pratica, le sue dimensioni sono tanto più grandi quanto più elevata è la potenza del tubo (il 99% della potenza assorbita è trasformata in calore e la temperatura massima ammissibile per la superficie dell anodo è di 2500 C) I contorni dell ombra proiettata sul recettore d immagine sono degradati dalla penombra in funzione delle dimensioni del fuoco e della distanza reciproca dei tre elementi che caratterizzano l ottica radiologica (fuoco, oggetto e recettore) Tubo Radiogeno ANODO: MACCHIA FOCALE Vengono definiti: fuoco elettronico fuoco termico fuoco ottico Rappresentazione schematica dei vari tipi di fuoco in un tubo ad anodo fisso 21
ANODO: MACCHIA FOCALE Fuoco elettronico: è la proiezione del fascio elettronico sulla superficie di impatto dell anodo la sua forma è condizionata da quella del filamento e dalla posizione di quest ultimo nella coppa focalizzatrice Apparecchio Radiogeno ANODO: MACCHIA FOCALE Fuoco termico: parte dell anodo sottoposta a riscaldamento per effetto dell impatto del fascio elettronico Fuoco ottico: area della proiezione ortogonale del fuoco elettronico lungo l asse centrale del fascio di radiazione 22
Tubo Radiogeno ANODO: MACCHIA FOCALE Nei tubi ad anodo fisso il fuoco termico coincide con il fuoco elettronico Nei tubi ad anodo rotante il fuoco termico è costituito da tutta la superficie circolare dell anodo (per effetto della sua rotazione) Rappresentazione schematica dei vari tipi di fuoco in un tubo ad anodo rotante Tubo Radiogeno ANODO: MACCHIA FOCALE Con il termine di macchia focale si intende, quindi, sempre il fuoco ottico Il fuoco ottico ha una sezione quadrata il cui lato è uguale al lato più piccolo del fuoco elettronico 23
ANODO: MACCHIA FOCALE In un tubo ad anodo rotante le dimensioni della macchia focale possono variare da 0,3x0,3 mm a 2x2 mm Vengono costruiti anche tubi con macchie focali di dimensioni inferiori a 0,3x0,3 mm per applicazioni speciali (mammografia) Apparecchio Radiogeno ANODO: MACCHIA FOCALE Il tubo ad anodo rotante consente di raggiungere potenze decisamente superiori a quelle ottenibili da qualsiasi tubo ad anodo fisso, in quanto permette di ottenere macchie focali (fuochi ottici) di dimensioni ridotte sfruttando un fuoco termico di dimensioni molto più elevate 24
ANODO: PRINCIPIO DEL FUOCO LINEARE Inclinando la superficie dell anodo di circa 18 20 rispetto all asse di emissione del fascio di radiazione (principio del fuoco lineare), si ottiene un fuoco ottico di dimensioni più contenute del fuoco elettronico In questo modo si realizza una migliore dispersione del calore su un area ampia, a favore della definizione dell immagine (la quale è condizionata dal fuoco ottico o macchia focale) Tubo Radiogeno ANODO: PRINCIPIO DEL FUOCO LINEARE Il principio del fuoco lineare sfrutta l angolazione dell anodo per diffondere il calore, prodotto dagli elettroni, su una superficie maggiore Angolazioni minori determinano fuochi ottici di dimensioni inferiori, immagini più dettagliate e maggiore capacità termica 25
Tubo Radiogeno ANODO: PRINCIPIO DEL FUOCO LINEARE Con il principio del fuoco lineare: la definizione dell immagine aumenta grazie alle piccole dimensioni della macchia focale l intensità del fascio di Raggi X non è uguale in ogni direzione (effetto anodico o effetto spigolo o Hell effect) Apparecchio Radiogeno ANODO: EFFETTO SPIGOLO Partendo dal raggio centrale, l intensità delle radiazioni diminuisce notevolmente man mano che ci si sposta verso l anodo, mentre aumenta verso il catodo L effetto spigolo si traduce in una riduzione dell intensità dei Raggi X dalla parte dell anodo a causa dell assorbimento della radiazione nel tacco 26
ANODO: EFFETTO SPIGOLO L effetto spigolo deve essere preso in considerazione quando si eseguono radiografie di strutture anatomiche che presentano grandi differenze di spessore o di densità Posizionando il lato del catodo del tubo radiogeno dalla parte anatomica di maggior spessore, l annerimento della pellicola radiografica (detettore di immagine) è più uniforme Il fascio di Raggi X deve essere collimato il più possibile in modo da utilizzare la sua porzione centrale, dove massima è la sua omogeneità Apparecchio Radiogeno Il calore prodotto nell anodo dagli elettroni proiettile dipende da ma, kvp e tempo di esposizione Il calore prodotto nell anodo è misurabile in unità termiche (UH), calcolate nel seguente modo: Sistemi monofasici UH = kvp x ma x sec Sistemi trifasici esapulsati UH=1,35 x kvp xma x sec Sistemi trifasici dodecapulsati o AF ANODO: UNITA TERMICHE UH=1,41 x kvp x ma x sec 1,35 e 1,41 sono costanti utilizzate per calcolare le HU nei circuiti trifasici e AF nell anodo dei quali, a parità di kvp e ma, si deposita una maggiore quantità di calore 27
ANODO: CURVE DI CARICO Indicano l ammontare del calore che può essere depositato a livello dell anodo senza che ne consegua un danno al tubo radiogeno Indicano i valori e le combinazioni dei fattori tecnici (kvp, ma, sec.) che: possono essere utilizzati (aree consentite) senza generare danni che non possono essere utilizzati (aree non consentite) in quanto possono danneggiare in maniera permanente il tubo radiogeno Apparecchio Radiogeno ANODO: CURVE DI CARICO Curve di carico I limiti termici sono differenti per macchie focali grandi o piccole, poiché macchie focali più ampie consentono al calore di diffondersi su un area maggiore della superficie anodica 28
Il tubo si danneggia principalmente per problemi termici L eccesso di calore può determinare danni al filamento, al sistema di ancoraggio e la rottura dell anodo Quando i sistemi di sicurezza e di mantenimento del tubo cominciano a non funzionare, emettono un rumore caratteristico dopo ogni esposizione ROTTURA DEL TUBO Anodo spaccato in due pezzi a seguito della rottura indotta da elevate temperature Tubo Radiogeno CUFFIA I tubi radiogeni sono racchiusi in contenitori dedicati chiamati guaine o cuffie il cui compito è quello di garantire: la schermatura contro le radiazioni X di fuga la protezione contro l alta tensione applicata al tubo 29
CUFFIA Il complesso tubo-cuffia deve sottostare a precise norme di sicurezza: la radiazione di fuga, misurata alla distanza di un metro dal fuoco ed in tutte le possibili direzioni dello spazio circostante, con il tubo funzionante alle più severe condizioni di carico (kv e ma) e la finestra chiusa da almeno 3 mm di piombo, non deve essere superiore a 100 mr/h Apparecchio Radiogeno CUFFIA Il complesso tubo-cuffia deve sottostare a precise norme di sicurezza: le connessioni dell alta tensione sono effettuate tramite degli isolatori a bicchiere tra il tubo e la cuffia viene creata una circolazione di olio minerale isolante 30
Tubo Radiogeno FILTRAZIONE Per filtrazione inerente si intende la filtrazione prodotta da tutti i materiali non asportabili che determinano una attenuazione della radiazione primaria, prima di uscire dal complesso tuboguaina Per questioni di radioprotezione del paziente, alla filtrazione inerente viene aggiunto, davanti alla finestra del tubo, un filtro di Alluminio (filtrazione aggiuntiva) Tubo Radiogeno FILTRAZIONE La filtrazione totale (inerente + aggiuntiva) viene espressa in mm di Al per una data tensione di funzionamento Lo scopo di tale filtrazione è quello di assorbire principalmente le componenti molli dello spettro di radiazioni emesse dal tubo le quali non forniscono alcun contributo all annerimento della pellicola radiografica, aumentando inutilmente la dose ricevuta dal paziente 31
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