Los rayos X se desarrollan a partir de los electrones que se originan en la nube exterior de un átomo. Estos electrones se convierten en fotones altamente energizados cuando pasan de un nivel de energía superior a otro inferior, liberando el exceso de energía. Esto ocurre porque los electrones rápidos se desaceleran bruscamente, y su gran cantidad de energía cinética se transfiere a fotones de radiación electromagnética. Este proceso se produce en un tubo de rayos X que acelera los electrones mediante la diferencia de potencial entre los electrodos. A continuación, éstos se dirigen al material con el que impactan.
El espectro electromagnético es toda la gama de ondas electromagnéticas. Se compone de distintos tipos de ondas con diferentes longitudes de onda y energía.
El espectro electromagnético muestra cómo los rayos X son una forma de radiación ionizante, Wikimedia CommonsLos rayos X pueden clasificarse en dos tipos: rayos X de baja energía y rayos X de alta energía.
- Los rayos X de baja energía emiten una baja cantidad de energía cuando los electrones se transfieren a niveles de energía más bajos.
- Los rayos X de alta energía se obtienen utilizando un método diferente, que comentamos a continuación.
¡Tenemos mucha más información sobre los rayos X! Consulta nuestras explicaciones: Absorción de rayos X y Procesamiento de imágenes de rayos X.
¿Qué son los rayos X de alta energía?
Los rayos X de alta energía, también conocidos como rayos HEX, son un tipo de rayos X que tienen una energía aproximadamente un orden de magnitud mayor que los rayos X estándar o los rayos gamma.
Los rayos X de alta energía tienen un gran espectro energético y se emiten cuando los electrones acelerados pasan cerca de los núcleos atómicos y son desviados por el campo eléctrico.
Los núcleos atómicos están formados por protones con carga positiva y neutrones con carga neutra. Se mantienen unidos por una fuerza fundamental conocida como fuerzafuerte. Los electrones se encuentran fuera de los núcleos, en una nube que orbita alrededor de los núcleos, y se mantienen unidos por una fuerzaelectrostática . La carga positiva del núcleo y la carga negativa de la nube de electrones en órbita crean un dipolo eléctrico, y como resultado se crea un campo eléctrico.
¿Cómo se forman los rayos X de alta energía?
Los rayos X de alta energía se forman con máquinas modernas que producen radiación de sincrotrón. La radiación de sincrotrón es una radiación electromagnética emitida cuando se aceleran partículas cargadas, y el vector de su aceleración es perpendicular al vector de su velocidad. Estas partículas se aceleran utilizando aceleradores de partículas o sometiendo electrones a grandes campos magnéticos.
Laradiación sincrotón (o radiación magnetobremsstrahlung) es la radiación emitida por una partícula cargada cuando se desplaza en una trayectoria curva debido a los fuertes campos magnéticos presentes en los aceleradores de partículas.
Los aceleradores de partículas son máquinas que aceleran partículas cargadas a velocidades muy altas en distintas direcciones, utilizando potentes campos electromagnéticos creados por imanes superconductores. Esta aceleración se confina en haces circulares para que las partículas cargadas colisionen. Estas colisiones de partículas producen grandes cantidades de energía. Los aceleradores de partículas se utilizan para la investigación en física de partículas o para generar rayos X y rayos gamma de alta energía.
El mayor acelerador de partículas del mundo se encuentra en el laboratorio CERN(Organización Europea para la Investigación Nuclear) y se conoce como Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Consta de imanes superconductores que aceleran las partículas a velocidades casi iguales a la de la luz. Es el acelerador más potente y de mayor tamaño, ¡con una circunferencia de 27 kilómetros!
Las máquinas que generan radiación sincrotrón se encuentran en varios laboratorios, como en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (la ESRF). Los rayos X de alta energía pueden penetrar profundamente en la materia, lo que resulta útil para la investigación en física, ciencia de los materiales y tratamiento del cáncer.
Características de los rayos X de alta energía
Los rayos X de alta energía formados por radiación sincrotrón tienen un espectro continuo de energías de fotones con un rango de energía entre 80keV y 1000keV (kiloelectronvoltios). Estos rayos X tienen propiedades diferentes a las de los rayos X convencionales. He aquí algunas de estas características:
- Los rayos X convencionales tienen una energía aproximadamente un orden de magnitud inferior a la de los rayos X de alta energía.
- Los rayos X de alta energía tienen una baja capacidad deabsorción.
- Los rayos X de alta energía tienen una alta resolución espacial y un alto poder de penetración.
- La radiación de sincrotrón emitida por los rayos X de alta energía está polarizada.
- Los rayos X de alta energía pueden dañar las células vivas debido a su elevada energía.
Funciones de los rayos X de alta energía
Debido a su capacidad para penetrar en la materia profunda, los rayos X de alta energía se utilizan para
- investigaciones estructurales de diversos tipos de materiales,
- fines de inspección (como la inspección de cargas para la seguridad aeroportuaria),
- imágenes de ciencia de materiales (como la espectroscopia, que es una técnica que proporciona información sobre la composición, las tensiones y la deformación del material)
- aplicaciones industriales (como la esterilización de artículos o alimentos) y
- tratamiento médico (como la radioterapia, que se utiliza para reducir las células cancerosas).
¿Cómo se detectan los rayos X de alta energía?
Cuando los rayos X de alta energía (que tienen energías muy superiores a 30 keV) inciden sobre un material, la capacidad de penetración del material disminuye debido a la reducción del coeficiente de atenuación de la masa en los materiales. El coeficiente de atenuación de masa expresa la capacidad de un material para ser penetrado por la energía, y disminuye a energías más altas. Por tanto, cuanto mayor sea el coeficiente de atenuación de masa del material del detector, mayor será su capacidad de penetración.
Para la detección de rayos X de alta energía, los detectores utilizados están hechos de materiales de alta densidad con un coeficiente de atenuación de masa más elevado. He aquí algunas técnicas de detección de rayos X:
- Los detectores de rayos X de alta energía se utilizan en la inspección de cargas y consisten en un centelleador acoplado a fotodiodos que funcionan como fotovoltaicos. La distribución del centelleo varía a través de los haces.
- Las cámaras científicas detectan los rayos X de alta energía mediante métodos directos e indirectos.
- Ladetección directa implica la absorción directa de fotones de rayos X blandos con sensores de silicio que producen pares electrón-hueco. Este método está limitado al rango de energías de fotones que puede absorber el silicio.
- Ladetección indirecta utiliza materiales centelleadores para convertir los rayos X de alta energía en fotones visibles que son detectados por una cámara de fibra óptica. Este método garantiza que el sensor esté protegido de los daños causados por los fotones de alta energía.
- Los detectores ASIC XEXITEC detectan los rayos X de alta energía utilizando semiconductores de alta densidad, como el teluro de cadmio, y están formados por una matriz de píxeles capaces de medir rayos X con energías del orden de 200kEV. Los rayos X interactúan con el detector, formando nubes de carga de pares de electrones y huecos. La carga se desplaza por el detector, creando una señal de detección. Este sistema elimina la necesidad de sistemas de refrigeración criogénica que suelen requerir tecnologías similares.
Los centelleadores son materiales que se iluminan cuando se exponen a radiaciones ionizantes, ya que absorben la energía de la radiación.
Rayos X de alta energía - Aspectos clave
- La energía de los rayos X de alta energía es aproximadamente un orden de magnitud superior a la de los rayos X convencionales.
- Los rayos X de alta energía se forman en aceleradores de partículas que aceleran partículas en grandes campos magnéticos.
- Los rayos X de alta energía tienen mayor energía, mayor poder de penetración y mayor resolución espacial que los rayos X convencionales.
- Los rayos X de alta energía se utilizan en la industria para la esterilización, la inspección y el tratamiento médico.
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