Tubo de rayos X de Coolidge

El tubo de rayos X de Coolidge, producido por primera vez en 1913 por W. Coolidge, es el precursor de todos los tipos de tubos de rayos X de uso común hoy en día. El tubo Coolidge fue el primer tipo de tubo de rayos X práctico que empleó el principio de emisión termoiónica.

¿Qué es un tubo de rayos X?

Un tubo de rayos X es un tubo de vacío que convierte la energía de entrada eléctrica en rayos X. La disponibilidad de esta fuente controlable de rayos X creó el campo de la radiografía, la imagen de objetos parcialmente opacos con radiación penetrante.

Infografía Tubo de Rayos X de Coolidge

A diferencia de otras fuentes de radiación ionizante, los rayos X sólo se producen mientras el tubo de rayos X esté energizado. Los tubos de rayos X también se utilizan en los escáneres de TC, los escáneres de equipaje de los aeropuertos, la cristalografía de rayos X, el análisis de materiales y estructuras, y para la inspección industrial.

La creciente demanda de sistemas de tomografía computarizada (TC) y angiografía de alto rendimiento ha impulsado el desarrollo de tubos de rayos X médicos de muy alto rendimiento.

Origen del tubo de Coolidge

Los rayos X han capturado la imaginación del público como casi ningún otro fenómeno físico, por su capacidad de ver en un mundo oculto, tal vez travieso. Los químicos de hoy en día viven y mueren por los experimentos de rayos X, y si se recuerdan y se leen los solucionadores de las estructuras cristalinas, generar la radiación en primer lugar no fue una hazaña insignificante. Para los primeros 60 años de estructuras de rayos X debemos recordar a William Coolidge.

William Coolidge, inventor estadounidense (1873-1975). Desarrolló el método para hacer el tungsteno dúctil, inventó el tubo de rayos X termiónico
William Coolidge, inventor estadounidense (1873-1975). Desarrolló el método para hacer el tungsteno dúctil, inventó el tubo de rayos X termiónico

Un granjero de un pequeño pueblo de Massachusetts, sus habilidades académicas fueron descubiertas tempranamente y se le animó a solicitar una beca en el Boston Tech (ahora el Instituto Tecnológico de Massachusetts, MIT), entonces una modesta institución enormemente eclipsada por el prestigioso Harvard College.

William Coolidge se matriculó en un curso de ingeniería eléctrica, pero se cambió a la química y la física. Su mentor, Willis Whitney, le recomendó que se pasara a Leipzig, Alemania, con Paul Drude, uno de los principales expertos en óptica y en la interacción de la luz con la materia. Aunque no tenía mucho dinero, Coolidge aprovechó al máximo su tiempo, aprendiendo alemán y viajando por Europa. Cuando Wilhelm Röntgen (el descubridor de los rayos X) visitó el departamento en 1898, la discusión de Coolidge con el gran hombre dejó una profunda impresión.

Cuando Coolidge regresó al MIT, fue como químico físico. Pero su futuro no estaba en el mundo académico. Whitney, ahora director del laboratorio de investigación de General Electric (GE) en Schenectady, lo invitó a unirse en 1905. La red eléctrica se estaba expandiendo rápidamente y las luces eléctricas – basadas en los filamentos incandescentes de carbono de Joseph Swann y Thomas Edison – estaban convirtiendo la noche en día. En Alemania, las compañías Siemens y Auer estaban recurriendo a hilos de tántalo y osmio de mayor duración. En GE, el tungsteno – el metal más refractario de la tabla periódica – era una elección obvia; pero el metal era misteriosamente quebradizo.

Coolidge encuentra una solución

Coolidge se puso a trabajar, y su solución se publicó en 1910. El método requería una cuidadosa purificación y reducción, prensado y sinterizado en un lingote. El trabajo mecánico a través de una serie de trozos hizo el resto, y los alambres eran tan fuertes como el acero. Sólo en el último párrafo Coolidge reveló el colosal esfuerzo realizado, rindiendo homenaje al trabajo de unos “20 químicos investigadores, con un gran cuerpo de ayudantes” y “el personal de la fábrica de lámparas incandescentes”. La inversión se pagó muy bien. En 1911 la compañía estaba ganando millones con sus superiores bombillas ‘Mazda’. Irónicamente, la patente presentada por Coolidge fue posteriormente rechazada sobre la base de que la ductilidad, incluso en el tungsteno, no era en realidad un invento.

El laboratorio de GE debe haber sido un lugar excitante, y en 1909 a Coolidge se le unió Irving Langmuir. Langmuir fue el encargado de entender el comportamiento de los filamentos de metal caliente. Para 1913, Langmuir, que ahora trabaja en válvulas electrónicas, hizo un gran avance. Bajo el vacío extremo producido por su propia variante de la nueva bomba de difusión de Wolfgang Gaede, Langmuir podía generar una corriente de electrones utilizando un filamento termoiónico caliente como cátodo; la corriente dependía sólo de la temperatura del filamento y no de la diferencia de potencial.

Interes por los rayos X

Coolidge vio una oportunidad. Hasta ese momento, los tubos de rayos X utilizaban objetivos de platino bombardeados por electrones producidos en descargas de gas a baja presión. La radiación se dispersó por todas partes, la corriente de cationes que la acompañaba causó un sinfín de problemas, y los tubos eran notoriamente problemáticos.

En cambio, Coolidge razonó que, bajo el vacío extremo de la bomba de Langmuir, los electrones emitidos por un cable de tungsteno brillante, y enfocados por un escudo de molibdeno, podían ser chocados contra un objetivo de tungsteno con forma.

El resultado fue una fuente de rayos X de notable brillantez y fiabilidad, cuya intensidad y poder de penetración podían ser controlados independientemente. Los tubos son también objetos hermosos; el del Museo de Ciencias de Londres lleva un tornillo Edison en el extremo del cátodo, un accesorio sumamente práctico que nos recuerda al descubridor de la emisión termoiónica.

Coolidge junto con uno de sus tubos
Coolidge junto con uno de sus tubos

El momento de Coolidge no pudo haber sido mejor. Su trabajo se imprimió en diciembre de 1913, apenas un año después de la interpretación de Lawrence Bragg del resultado de la difracción de rayos X de Max von Laue. Aunque estaba previsto principalmente para el floreciente mercado de diagnósticos y terapias médicas (los investigadores utilizaban escudos de plomo, pero los tratamientos de radiación estaban de moda entre el público en general), el tubo de rayos X de Coolidge sería recogido por los cristalógrafos para quienes, a medida que evolucionaba, se convirtió en un caballo de batalla que fue mejorando constantemente (por ejemplo, con la rotación de los ánodos), hasta la llegada de los tubos de microfoco. Los sincrotrones son otra historia.

Funcionamiento del tubo de rayos X de Coolidge

En el tubo de Coolidge, los electrones se producen por efecto termal de un filamento de tungsteno calentado por una corriente eléctrica. El filamento es el cátodo del tubo. El potencial de alto voltaje se encuentra entre el cátodo y el ánodo, por lo que los electrones se aceleran, y luego golpean el ánodo.

Publicidad del tubo de rayos X de Coolidge
Publicidad del tubo de rayos X de Coolidge

Hay dos diseños: tubos de ventana final y tubos de ventana lateral. Los tubos de ventana final suelen tener un “objetivo de transmisión” lo suficientemente delgado como para permitir que los rayos X pasen a través del objetivo (los rayos X se emiten en la misma dirección en la que se mueven los electrones). En un tipo común de tubo de ventana final, el filamento está alrededor del ánodo (“anular” o en forma de anillo), los electrones tienen una trayectoria curva (la mitad de un toroide).

Lo especial de los tubos de ventana lateral es que se utiliza una lente electrostática para enfocar el haz en un punto muy pequeño del ánodo. El ánodo está especialmente diseñado para disipar el calor y el desgaste que resulta de este intenso bombardeo de electrones enfocados. El ánodo está precisamente inclinado a 1-20 grados fuera de la perpendicular a la corriente de electrones para permitir el escape de algunos de los fotones de rayos X que se emiten perpendicularmente a la dirección de la corriente de electrones. El ánodo suele estar hecho de tungsteno o molibdeno. El tubo tiene una ventana diseñada para el escape de los fotones de rayos X generados.

La potencia de un tubo de rayos X de Coolidge suele oscilar entre 0,1 y 18 kW.

Para más información COOLIDGE X-RAY TUBE