Ampola de raios X

Em 1879, muitos cientistas já estavam interessados no estudo dos raios catódicos, ou seja um feixe de elétrons emitidos por um eletrodo (catodo), primeiramente demonstrados por William Crookes. Em 1895, Wilhelm Conrad Röntgen investigou os efeitos de descargas elétricas de alta voltagem nos recém-criados tubos de Crookes. Inesperadamente, em seus estudos, percebeu que uma tela de platinocianeto de bário emitia luz fluorescente, enquanto ele gerava raios catódicos em um tubo a dois metros de distância. Além disso, quando objetos, como um livro, eram colocados na frente do tubo, a luminescência ainda persistia, indicando que não podia ser causada pelos raios catódicos, que eram pouco penetrantes. Röntgen, por desconhecer esses novos raios responsáveis por tal efeito, denominou-os raios X. Em meio aos experimentos com telas fluorescentes, Röntgen colocou ocasionalmente sua mão entre o tubo e a tela fluoroscópica e assim viu o formato dos ossos de sua própria mão. Após essa descoberta, em 22 de dezembro de 1895, ele tirou a primeira foto de raio X da mão esquerda de sua esposa Anna Bertha Röntgen com um filme fotográfico.

Ao atingirem o anodo, a maioria dos elétrons perde sua energia cinética nas inúmeras colisões com os átomos do anodo, convertendo-a em calor. Alguns elétrons participam na produção de raios X por dois processos fundamentais: a emissão de raios X de freamento e de raios X característicos (ou de fluorescência).

O catodo é o eletrodo negativo e sua função é fornecer os elétrons que serão acelerados em direção ao anodo pelo campo elétrico existente entre os dois eletrodos. O catodo possui um ou dois filamentos feitos de uma liga de tungstênio e tório. Quando uma corrente elétrica atravessa o filamento é gerado calor pelo efeito Joule, o filamento atinge temperaturas da ordem de 2000 °C (a temperatura de fusão do tungstênio é de 3410 °C). Nesta temperatura, por meio do efeito termoiônico, o filamento emite elétrons. A presença de 1 a 2% de tório no tungstênio aumenta a eficiência da emissão e prolonga a vida do catodo. Os elétrons são emitidos a partir do filamento em todas as direções, além disso, como todos possuem a mesma carga negativa, ocorre uma repulsão entre eles o que leva a uma desfocalização do feixe ao chegar no anodo. Para evitar esse problema, um eletrodo de focalização (ou capa focalizadora) carregado negativamente e localizado ao redor do filamento é usado para confinar eletrostaticamente os elétrons.

Em uma ampola de raios X, o eletrodo positivo é o anodo e é onde o feixe de elétrons colide e produz os raios X. O principal problema no seu projeto deve-se a ineficiência na produção dos raios X, uma vez que mais de 99% da energia cinética dos elétrons que atingem o anodo é transformada em calor.