La denominación RAYOS
X designa a una radiación
electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y
de imprimir las películas fotográficas. Los
actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen
radiográfica directamente en una computadora ordenador sin necesidad de
imprimirla. La longitud de onda está
entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30
a 30000 PHz de 50 a 5000 veces la frecuencia de la luz visible.
Los rayos X son una radiación
electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es
su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen
por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la
desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de
fenómenos extra nucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente
producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en
general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma
producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque
al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma,
es decir, origina partículas con carga, iones.
La historia de los rayos X
comienza con los experimentos del científico británico William
Crookes, que investigó en el siglo XIX los efectos de ciertos gases
al aplicarles descargas de energía. Estos experimentos se desarrollaban en un
tubo vacío, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de
Crookes. Este tubo, al estar cerca de placas fotográficas, generaba
en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Nikola Tesla,
en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los tubos de
Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la
comunidad científica el peligro para los organismos biológicos que supone la
exposición a estas radiaciones.
El físico Wilhelm
Conrad Röntgen descubrió
los rayos X en 1895, mientras experimentaba con los tubos de Hittorff-Crookes y
la bobina de Ruhmkorff para investigar la fluorescencia violeta que producían los rayos
catódicos. Tras cubrir el tubo con un cartón negro para eliminar la
luz visible, observó un débil resplandor amarillo-verdoso proveniente de una
pantalla con una capa de platino-cianuro de bario, que desaparecía al apagar el
tubo. Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que
atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas
fotográficas, para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a
los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana,
usando la mano de su mujer. Los llamó "rayos incógnita", o
"rayos X" porque no sabía qué eran, solo que eran generados por los
rayos catódicos al chocar contra ciertos materiales. Pese a los descubrimientos
posteriores sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese
nombre.1 En Europa Central y Europa del Este,
los rayos se llaman rayos Röntgen.
La noticia del descubrimiento
de los rayos X se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de
múltiples reconocimientos: el emperador Guillermo II de Alemania le concedió la
Orden de la Corona y fue premiado con la medalla Rumford de la Real Sociedad de
Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Física en 1901.
Los rayos X se pueden observar
cuando un haz de electrones muy energéticos del orden de 1 keV se desacelera al
chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada
emite radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro
continuo de rayos X a partir de cierta longitud de onda mínima dependiente de
la energía de los electrones. Este tipo de radiación se denomina Bremsstrahlung,
o ‘radiación de frenado’. Además, los átomos del material metálico emiten
también rayos X monocromáticos, lo que se conoce como línea de
emisión característica del
material. Otra fuente de rayos X es la radiación sincrotrón emitida en aceleradores de partículas.
Para la producción de rayos X
en laboratorios, hospitales, etc. se usan los tubos de rayos X, que pueden ser de dos
clases: tubos con filamento o tubos con gas.
El tubo con filamento es un
tubo de vidrio al vacío en el cual se encuentran dos electrodos en sus
extremos. El cátodo es un filamento de tungsteno y el ánodo es un bloque de
metal con una línea característica de emisión de la energía deseada. Los
electrones generados en el cátodo son enfocados hacia un punto en el blanco que
por lo general posee una inclinación de 45° y los rayos X son generados como
producto de la colisión. El total de la radiación que se consigue equivale al
1% de la energía emitida; el resto son electrones y energía térmica, por lo cual el ánodo debe estar refrigerado
para evitar el sobrecalentamiento de la estructura. A veces, el ánodo se monta
sobre un motor rotatorio; al girar continuamente el calentamiento se reparte
por toda la superficie del ánodo y se puede operar a mayor potencia. En este
caso el dispositivo se conoce como «ánodo rotatorio». Finalmente, el tubo de rayos X posee
una ventana transparente a los rayos X, elaborada en berilio, aluminio o mica.
El tubo con gas se encuentra a una
presión de aproximadamente 0.01 mmHg y
es controlada mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el
cual permite enfocar los electrones y un ánodo. Las partículas ionizadas de
nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son atraídas hacia el cátodo y
ánodo. Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo e inyectan electrones a
este. Posteriormente los electrones son acelerados hacia el ánodo que contiene
al blanco a altas energías para luego producir rayos X. El mecanismo de
refrigeración y la ventana son los mismos que se encuentran en el tubo con
filamento.
Existen varios sistemas de
detección para rayos X. EL primer detector usado para este propósito fue la
película fotográfica, preparadas con una emulsión apropiada para la longitud de
onda de los rayos X. La sensibilidad de la película es determinada por el
coeficiente de absorción másico y es restringida a un rango de líneas
espectrales. La desventaja que presentan estas películas es un margen
dinámico muy limitado y el largo tiempo y manipulaciones que se
necesitan para revelarlas, por lo que han caído en desuso.
En las últimas décadas del
siglo XX se empezaron a desarrollar nuevos detectores bidimensionales capaces
de generar directamente una imagen digitalizada. Entre estos se cuentan las
«placas de imagen» recubiertas de un material fosforescente,
donde los electrones incrementan su energía al absorber los rayos X difractados
y son atrapados en este nivel en centros de
color. Los electrones liberan la energía al iluminarse la placa con luz láser, emitiendo luz
con intensidad proporcional a la de los rayos X incidentes en la placa. Estos
detectores son un orden de magnitud más sensible que la película fotográfica y
poseen un margen dinámico superior en varios órdenes de magnitud. Otro tipo de
detector bidimensional digital muy utilizado consiste en una placa
fosforescente acoplada a una cámara CCD. En los años 2000 se empezaron a
utilizar fotodiodos alineados formando una placa,
denominados PAD. Otros detectores comúnmente usados para la detección de rayos
X son los dispositivos de ionización, que miden la cantidad de ionización
producto de la interacción con rayos X con las moléculas de un gas. En una
cámara de ionización, los iones negativos son atraídos hacia el ánodo y los
iones positivos hacia el cátodo, generando corriente en un circuito externo. La
relación entre la cantidad de corriente producida y la intensidad de la
radiación son proporcionales, así que se puede realizar una estimación de la
cantidad de fotones de rayos X por unidad de tiempo. Los contadores que
utilizan este principio son el contador
Geiger, el contador proporcional y el detector de
centelleo. Estos detectores se diferencian entre ellos por el modo
de amplificación de la señal y la sensibilidad del detector.
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