Tubo de rayos X

Qué es el tubo de rayos X

Dentro de la ampolla, de vidrio o de cerámica según el modelo, reina un vacío casi total. El cátodo aloja un filamento de tungsteno que, al calentarse por el paso de corriente eléctrica, libera electrones por un fenómeno llamado emisión termoiónica. Cuanto más se calienta el filamento, más electrones emite. Una diferencia de potencial de decenas de miles de voltios entre cátodo y ánodo acelera esos electrones hasta que impactan contra el blanco, casi siempre de tungsteno por su elevado punto de fusión y su capacidad para producir rayos X de forma eficiente.

Del choque surgen dos tipos de radiación. La mayor parte de la energía cinética de los electrones se disipa como calor, un problema que ha condicionado buena parte de la historia del propio tubo. Solo una fracción mínima, en torno al 1 %, se convierte en fotones de rayos X, por dos mecanismos distintos: la radiación de frenado, que aparece cuando el electrón se desvía al pasar cerca del núcleo de un átomo del blanco, y la radiación característica, que se produce cuando el electrón incidente expulsa a un electrón de una capa interna del átomo y otro electrón ocupa después su lugar liberando energía en forma de fotón.

Del tubo de Röntgen al tubo de Coolidge

En 1895, cuando Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X, trabajaba con un tubo de descarga de gas, heredero de los tubos de rayos catódicos que ya se estudiaban en los laboratorios de física desde décadas antes. Su funcionamiento dependía de las moléculas de gas residual como fuente de electrones, lo que lo hacía impredecible: la producción de rayos X variaba con el paso de las horas de uso y el propio tubo se degradaba con rapidez.

La solución llegó en 1913, cuando el físico e ingeniero William D. Coolidge, del laboratorio de investigación de General Electric en Schenectady, publicó en la revista Physical Review un tubo con cátodo caliente y alto vacío. Al sustituir el gas residual por un filamento de tungsteno como fuente de electrones, Coolidge logró algo que sus predecesores no habían conseguido: controlar por separado la cantidad de electrones, regulando la temperatura del filamento, y su energía, regulando el voltaje de aceleración. Algunos historiadores de la radiología han llegado a calificar esta invención como el acontecimiento más importante en el progreso de la especialidad. Los viejos tubos de gas, curiosamente, no desaparecieron de inmediato: convivieron con el diseño de Coolidge durante más de una década y se siguieron fabricando hasta bien entrados los años veinte.

El calor como límite: el ánodo giratorio

Con un ánodo fijo, el punto exacto donde impactan los electrones se calienta muchísimo, lo que obliga a limitar la corriente del tubo para no fundir el blanco. La idea de hacer girar el ánodo para repartir ese calor sobre una superficie mayor se atribuye a Elihu Thomson en 1896, aunque otros historiadores prefieren citar a Robert Wood, un año después. La idea tardó bastante en convertirse en un aparato funcional. El propio Coolidge construyó un primer prototipo giratorio, descrito en 1915 en la revista American Journal of Roentgenology, pero fue la empresa neerlandesa Philips quien comercializó con éxito el primer tubo de ánodo giratorio, el Rotalix, en 1929. Poco después, General Electric y Machlett Laboratories, en Estados Unidos, sacaron sus propias versiones.

El principio es sencillo: un motor de inducción hace girar un disco de varios centímetros de diámetro a miles de revoluciones por minuto, de modo que el haz de electrones incide en cada instante sobre un punto distinto de una pista circular. La superficie total expuesta al bombardeo aumenta, aunque el foco (el punto que efectivamente emite rayos X) siga siendo pequeño, lo que permite trabajar con corrientes más altas sin dañar el blanco. Pese a esa ventaja, los tubos de ánodo giratorio no se impusieron en la radiología diagnóstica hasta bien entrada la década de 1940.

Preguntas frecuentes

¿El tubo de rayos X es lo mismo que un tubo de rayos catódicos?

No. Ambos son ampollas de vacío con un cátodo y un ánodo, y de hecho el tubo de rayos X desciende históricamente de los tubos de rayos catódicos con los que Röntgen trabajaba en 1895. Pero el tubo de rayos catódicos genera un haz de electrones visible y hoy se estudia sobre todo en física básica y en la historia de la televisión; el tubo de rayos X está construido específicamente para producir esa radiación al hacer chocar el haz contra un blanco metálico.

¿Por qué el blanco del ánodo es de tungsteno?

Por dos motivos: su número atómico alto favorece la producción de rayos X, y su punto de fusión, superior a los 3.400 grados, le permite resistir el calor del bombardeo sin fundirse. Muchos ánodos actuales usan además una aleación de tungsteno y renio, que mejora su resistencia a la fractura por fatiga térmica tras miles de disparos.

¿Se puede usar un tubo de rayos X de forma indefinida?

No. El bombardeo continuo desgasta la superficie del foco y reduce con el tiempo la eficiencia del tubo, hasta inutilizarlo. Por eso los equipos de radiología lo sustituyen de forma periódica, como una pieza más de mantenimiento.

¿Qué diferencia hay entre el kilovoltaje y el miliamperaje de un equipo de rayos X?

El kilovoltaje (kV) fija la energía máxima de los fotones y, con ella, su capacidad de penetrar los tejidos: a más kV, más penetración. El miliamperaje (mA), en cambio, regula la temperatura del filamento y por tanto el número de electrones disponibles, lo que determina la intensidad del haz. Esa separación entre energía e intensidad, hoy tan intuitiva, fue precisamente lo que aportó el diseño de Coolidge frente al viejo tubo de gas.

Referencias

1. National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), NIH. Rayos X.
2. Health Physics Society. William D. Coolidge Invented the Modern X-Ray Tube 100 Years Ago.
3. Oak Ridge Associated Universities (ORAU), Health Physics Historical Instrumentation Museum. Rotating Anode Tubes.
4. Biografías y Vidas. William David Coolidge.