PRODUÇÃO DE RAIOS

Em 1895, Wilhelm Conrad Roentgen, descobriu um tipo até então desconhecido de radiação, a qual denominou de “raios X”. Ele percebeu que os raios X poderiam penetrar a carne humana, mas que não passavam por ossos ou chumbo. A descoberta de Roentgen foi rotulada como um grande avanço no mundo moderno, e o raio X logo se tornou uma importante ferramenta de diagnóstico na medicina, permitindo que os médicos enxergassem, pela primeira vez, o interior do corpo humano sem cirurgia (ARRUDA, 1996). Os raios X descrevem uma grande região no espectro eletromagnético (Figura 4), com intervalo de energia de centenas de elétron-volts (raios X moles, próximo a radiação ultravioleta) até energias de centenas de keV (raios X duros, próximos aos raios gama), conforme a Figura 5, o que possibilita a inspeção do interior de objetos (CONCEIÇÃO, 2011).

Figura 4 – Espectro eletromagnético, em ordem crescente do comprimento de onda. Destaque para a região correspondente aos raios X.

Fonte: LIMA (2015).

Figura 5 – Trecho do espectro eletromagnético com ênfase para os raios X, em ordem crescente da energia do fóton.

Fonte: Adaptado de UFPR (2017).

Algumas formas de geração de raios X estão mais bem detalhadas nos tópicos a seguir.

2.2.1 Tubo de raios X

Os raios X são uma das maiores ferramentas médicas de diagnóstico desde sua descoberta (CONCEIÇÃO, 2016a). A produção de raios X pode ser esquematizada de acordo com a Figura 6, a qual está representando um tubo de raios X, com cátodo e ânodo, preenchido por vácuo. O cátodo é ligado ao negativo da fonte de tensão e possui um filamento de tungstênio, que é aquecido por uma tensão no circuito, gerando uma nuvem de elétrons. O ânodo é composto por cobre ou molibdênio, normalmente, e está ligado ao positivo da fonte de tensão. Com isso, os elétrons são atraídos e chocam-se contra o ânodo, pois entre o cátodo e o ânodo surge um campo elétrico criado por um potencial da ordem de dezenas de kV, que aceleram os elétrons do cátodo em direção ao ânodo (CONCEIÇÃO, 2011). Isso funciona como uma espécie de anteparo, produzindo os fótons de raios X, por meio de interações entre os elétrons dos átomos (CECCHI; TEIXEIRA; RODRIGUES, 2016).

Figura 6 – Representação esquemática para a produção de raios X. Fonte: Adaptado de Campelo (2012).

Resultante do frenamento ocorre a produção de 99% de calor e apenas 1% de fótons de raios X. Nesses 1% tem-se a radiação característica e a radiação de frenamento (freamento), conforme a Figura 7. Basicamente, pode- se dizer que a radiação de frenamento leva esse nome pelo seu baixo poder de penetração. E a radiação característica é a responsável por gerar os fótons de raios X para radiodiagnóstico (CECCHI; TEIXEIRA; RODRIGUES, 2016).

De acordo com Attix (1986), o espectro de um tubo de raios X apresenta uma componente contínua e outra discreta em energia (Figura 7). A componente contínua é conhecida por radiação branca, raios X de frenagem ou bremsstrahlung, formada pela desaceleração dos elétrons no ânodo através de interações coulombianas inelásticas. A componente discreta, é conhecida por raios X característicos, que são fótons resultantes do preenchimento de uma vacância deixada por um elétron de uma camada mais interna (que interagiu com elétrons provenientes do cátodo) por outro elétron de uma camada superior mais energética. As intensidades entre a radiação branca e a característica dependem do tipo de alvo e da tensão aplicada, podendo ser modificadas com o auxílio de filtros.

Figura 7 – Ilustração de um espectro de raios X. Fonte: Adaptado de UTFPR (2017).

2.2.2 Síncrotron

A radiação síncrotron é produzida por elétrons relativísticos acelerados em movimento circular em instalações denominadas síncrotrons. Os elétrons são liberados por efeito termoiônico de um filamento ou por uma fonte radioativa e, para alcançarem velocidade relativística, são acelerados através de um acelerador linear. Posteriormente, são inseridos em um anel de propulsão, onde um campo magnético aumenta sincronicamente, até atingir a energia desejada. Por fim, são injetados em um anel de armazenamento, a verdadeira fonte de radiação, no qual são mantidos em uma órbita estável por meio de campos magnéticos (CONCEIÇÃO, 2011). A radiação síncrotron tem um amplo

intervalo espectral, desde infravermelho até raios X duros, e a faixa de energia de interesse é selecionada por monocromadores (DUKE, 2000).

Na Figura 8, mostra-se um processo de obtenção de raios-X por um anel de armazenamento síncrotron de terceira geração.

Figura 8 – Esquema da produção de raios X, por radiação síncrotron. Fonte: Traduzido de Als-Nielsen e McMorrow (2011).

Portanto, a radiação síncrotron é produzida em anéis de armazenamento (Figura 8) onde elétrons ou pósitrons são mantidos circulando com energia constante.

Existem três tipos de fontes: ímãs defletores, onduladores e wigglers. Os ímãs defletores constituem os vértices do anel de armazenamento e são responsáveis por alterar a direção dos elétrons por meio de um dipolo uniforme fazendo com que estes percorram uma órbita circular. Como consequência desta mudança na direção do movimento dos elétrons é emitida radiação, principalmente na direção tangencialmente à órbita circular (CONCEIÇÃO, 2011).

Existem seções das órbitas dos elétrons entre os ímãs defletores em forma de linhas retas, onde wigglers e onduladores podem ser instalados. Estas fontes são chamadas dispositivos de inserção, formados por um conjunto de pequenos dipolos com a polaridade alternadamente periódica. Esta variação alternada dos dipolos induz uma trajetória oscilatória dos elétrons, fazendo com

que estes irradiem radiação síncrotron em toda mudança de direção de oscilação (ANTONIASSI, 2008).

As oscilações nos onduladores são pequenas, de forma que as radiações de sucessivas fontes pontuais interferem e dão origem a radiações que possuem somente o comprimento de onda resultante da interferência construtiva destas ondas. A radiação proveniente destas fontes é muito bem colimada e contém comprimentos de onda harmônicos (Figura 9) (ANTONIASSI, 2008).

Figura 9 – Esquema de funcionamento de radiação pela inserção de um dispositivo ondulador.

Fonte: UFPR (2017).

As oscilações dos elétrons no wiggler são muito mais amplas, onde o fenômeno de interferência não é importante, conforme mostrado na Figura 10. A intensidade dos pólos N é somada. A distribuição espectral é similar à distribuição contínua de radiação dos ímãs defletores (CONCEIÇÃO, 2008).

Figura 10 – Esquema de funcionamento de radiação pela inserção de um dispositivo wiggler.

Fonte: UFPR (2017).

O Brasil, especificamente, conta com uma fonte de luz síncrotron, o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas. O LNLS é uma fonte de radiação síncrotron de segunda geração, cuja energia do elétron no anel de armazenamento é de 1,37 GeV, tendo como fonte um ímã defletor e estações

de wiggler, sendo capaz de produzir um fluxo de, aproximadamente, 5.1010 fótons.s-1 _{em 8 keV (CONCEIÇÃO, 2008).}

Atualmente, há um projeto de construção em andamento no Brasil para um síncrotron de quarta geração conhecido como Sirius. Esse mais novo acelerador de partículas foi projetado para ser um dos mais novos anéis de luz síncrotron de quarta geração do planeta, com energia duas vezes maior e uma emitância aproximadamente 360 vezes menor que a do atual anel em funcionamento, o UVX, da segunda geração (RAUEN, 2015).

Os raios X gerados por fontes síncrotron resolvem os problemas de se trabalhar com tubos de raios X e possuem brilho muito maior que as fontes padrão de raios X (UFPR, 2017).