Analisi dello spettro dei raggi X e interazioni elettroniche

Spettro dei raggi X

raggi X emessi costituiscono uno spettro misto dove individuiamo una parte rappresentabile graficamente come una curva detto “spettro continuo di frenamento” (in tedesco bremsstrahlung) che costituisce l’80% dei raggi prodotti che infatti vengono definiti “frenati” (e sono quelli meno usati per la diagnostica). Su questo spettro ci sono dei picchi che identificano la parte caratteristica dovuta all’estrazione degli elettroni del mezzo di cui è formato l’anodo, ed è la parte che occorre di più nelle applicazioni biomediche, infatti: un dispositivo clinico presenta una serie di componenti atte a tagliare la parte continua (che contribuisce solo a un maggiore assorbimento di radiazioni senza produzione di informazione diagnostica) e usufruire solo della “parte caratteristica” (che rappresenta in realtà solo il 20% dello spettro dei raggi emessi).

Produzione e controllo degli elettroni

Per capire la natura dello spettro dei raggi emessi bisogna analizzare le velocità e gli urti degli elettroni che le compongono: durante la produzione dei raggi, una volta che gli elettroni fuoriescono dal catodo per evitare che venga dispersa energia si usano delle barre focalizzatrici in modo tale che le particelle vengano convogliate in un’unica direzione senza dispersioni casuali all’interno del tubo così che possano impattare sull’anodo a un valore molto alto di energia. Gli elettroni vengono dunque accelerati tramite un campo elettrico prodotto da un condensatore (il dispositivo viene posto tra le due armature): tra questi elettroni, buona parte urtano contro l’anodo non producendo alcuna radiazione (per dispersione di energia ci sarà solo rilascio di calore), infatti ad oggi l’anodo è ruotante in modo tale da evitare l’iper-produzione di calore e concedere alle superfici che lo compongono un tempo adeguato di raffreddamento e garantire un maggior numero di urti efficaci (allunga la vita utile del tubo evitando che gli elettroni, colpendo sempre lo stesso punto, erodano precocemente l’elettrodo [“craterizzazione” dell’anodo] e ne migliora la nitidezza d’immagine. La rotazione dell’anodo permette inoltre una migliore dissipazione termica, in quanto fornisce anche una superficie maggiore per l’impatto degli elettroni).

Interazione degli elettroni con l'anodo

Altri elettroni invece (circa il 3-4%) penetreranno all’interno dell’anodo, verranno progressivamente frenati producendo raggi X a spettro continuo poiché interagiscono con gli elettroni del materiale di cui è formato l’anodo, irradiando man mano che vengono frenati. Tale fenomeno si basa sul fatto che particelle (cariche positivamente o negativamente che siano) accelerate o decelerate sono in grado di emettere radiazione elettromagnetica (fotoni). Una piccola quota di elettroni rimanenti invece, non frenano e non irradiano per cui interagiscono direttamente con gli elettroni del materiale dell’anodo e ne estraggono alcuni producendo le righe caratteristiche nello spettro di emissione.

Tra anodo e catodo per accelerare gli elettroni viene utilizzata una differenza di potenziale dai 30 ai 100 kV, mentre il flusso di elettroni prodotto per effetto fotoelettrico viene misurato in mA (NB: il termine “effetto fotoelettrico” designa in realtà l’interazione tra raggi X e materia, non va confuso con quello che è stato qui descritto).