Física atómica y nuclear

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Hojas
de Física
Física atómica y nuclear
Física de rayos X
Detección de rayos X
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Fluorescencia de una pantalla
luminosa generada por rayos X
Objetivos del experimento
g Detección de rayos X mediante la observación de la fluorescencia de una pantalla luminosa.
g Transiluminación de objetos con diferentes características de absorción.
g Investigación de la dependencia del brillo y el contraste de la pantalla luminosa respecto de la corriente de
emisión y la alta tensión del tubo.
Principios
Al poco tiempo de que W. C. Röntgen descubriera los
rayos X en 1895, los investigadores comenzaron a utilizar
en reconocimientos médicos el hecho de que los rayos X
se pueden “observar” en pantallas luminosas. En aquel
entonces, el tipo de pantalla luminosa más común era de
platino-cianuro de bario, que presenta una fluorescencia
verde brillante ante la radiación X; en la actualidad se
utiliza casi exclusivamente el sulfuro de zinc y cadmio
que emite una fluorescencia verde-amarillenta. La
sustancia fluorescente se aplica sobre vidrio de plomo, lo
que protege al observador de los efectos nocivos de los
rayos X.
La fluorescencia es un fenómeno luminoso que tiene
lugar en determinados materiales al ser expuestos a la
luz, a los rayos X o a la radiación de partículas. La
energía de la radiación incidente es utilizada para excitar
o ionizar los átomos y moléculas; cuando éstos retornan
a su estado básico, parte de esa energía es liberada en
forma
de
luz
visible.
Las
transiciones
son
extremadamente rápidas (< 10-5 s), por lo que la
fluorescencia sólo puede observarse durante la
irradiación (en contraposición con lo que ocurre con la
fosforescencia).
0708-Ste
La capacidad de los rayos X de traspasar materiales y
cuerpos opacos hace que sean especialmente útiles en
aplicaciones de diagnóstico. En función de la
composición del objeto irradiado, la radiación es
atenuada en mayor o menor medida. Es por eso que las
imágenes en la pantalla luminosa revelan detalles de la
estructura interna de los objetos. Esto queda demostrado
en este experimento, en el que utilizamos un objeto
simple, por ejemplo una calculadora de bolsillo, el cual
está hecho de materiales con diferentes propiedades de
absorción. Este experimento analiza el efecto de la
corriente de emisión I, y de la alta tensión U del tubo de
rayos X en el brillo y en el contraste de la pantalla
luminosa respectivamente.
Imagen en la pantalla luminosa de una calculadora de bolsillo.
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Montaje
Materiales
1 aparato de rayos X
o
1 aparato de rayos X
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- Retire el colimador y el goniómetro de la cámara de
experimentación, así como cualquier otro elemento.
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- Quite la cubierta protectora de la pantalla luminosa.
Materiales adicionales:
1 objeto para ser transiluminado, por ejemplo, una
calculadora de bolsillo.
Fig. 1
Se puede utilizar cualquier objeto plano y opaco
con una estructura interna, y que contenga
principalmente piezas plásticas y metálicas.
Montaje del experimento para demostrar la fluorescencia
de una pantalla luminosa por radiación de rayos X.
Realización del experimento
Notas de seguridad
Nota:
El experimento debe realizarse en un cuarto oscuro.
El aparato de rayos X cumple con todas las normas
vigentes para equipos de rayos X; es un dispositivo
totalmente protegido para usos educativos, y es del
tipo cuyo uso en escuelas está permitido en Alemania
(NW 807 / 97 Rö).
a) Brillo de la pantalla luminosa:
- Cierre la puerta corrediza de vidrio al plomo, fije la alta
tensión del tubo U = 35 kV, y encienda el aparato con
el botón HV ON/OFF.
La protección integrada y las medidas del blindaje
reducen la intensidad de dosis local en el exterior del
aparato de rayos X a menos de 1 µSv/h. Este valor se
encuentra en el orden de magnitud de la radiación de
fondo natural.
- Aumente la corriente de emisión I en forma continua
de 0 a 1,00 mA y observe el brillo de la pantalla
luminosa.
g Antes de comenzar a utilizar el aparato de rayos X,
verifique que no se encuentre dañado y asegúrese
de que la alta tensión se interrumpa cuando se
abren las puertas corredizas (ver Hoja de
Instrucciones para el aparato de rayos X).
b) Variación de la corriente de emisión I:
- Coloque el objeto para la transiluminación, por ejemplo
una calculadora de bolsillo, en la cámara de
experimentación, lo más cerca posible delante de la
pantalla luminosa.
g No permita el acceso de personas no autorizadas
al aparato de rayos X.
- Fije la corriente de emisión I = 1,00 mA, la alta tensión
del tubo U = 35 kV, y encienda el aparato con el botón
HV ON/OFF.
Evite el sobrecalentamiento del ánodo del tubo de
rayos X de Mo.
- Reduzca la corriente de emisión I en pasos y observe
el cambio en la pantalla luminosa.
g Al encender el aparato de rayos X, asegúrese de
que el ventilador en la cámara del tubo esté
girando.
c) Variación de la alta tensión del tubo U:
- Fije la corriente de emisión I = 1,00 mA.
- Reduzca la alta tensión del tubo en pasos y observe el
cambio en la pantalla luminosa.
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Evaluación
Fig. 2
Imagen en la pantalla luminosa de una calculadora de
bolsillo (fotografiada con una cámara digital) a la
máxima tensión del tubo y diferentes corrientes de
emisión.
I = 1,0 mA, I = 0,7 mA e I = 0,4 mA
Ejemplo de medición
a) Brillo de la pantalla luminosa:
El brillo en la pantalla luminosa se incrementa a medida
que aumenta la corriente de emisión.
b) Variación de la corriente de emisión I:
La Fig. 2 muestra la relación entre la pantalla luminosa y
la corriente de emisión I.
Cuando no hay ningún objeto en el camino del haz, la
pantalla luminosa fluoresce con más brillo a medida que
aumenta la corriente de emisión, porque aumenta la
intensidad de la radiación X.
El brillo de la pantalla luminosa se reduce detrás del
objeto transiluminado, debido a que el objeto atenúa los
rayos X. Los objetos más gruesos o con características
de atenuación mayores aparecen en la pantalla luminosa
como rasgos más oscuros. Sin embargo, el brillo de la
imagen en su conjunto aumenta junto con la corriente de
emisión.
El aumento en la alta tensión del tubo por lo general se
traduce en mayor contraste de la imagen, dado que los
rayos X son más fuertes (mayor proporción de rayos X
con alta energía). Al mismo tiempo, el brillo aumenta
porque la intensidad de los rayos X también aumenta (ver
P6.3.3.2).
c) Variación de la alta tensión del tubo U:
La Fig. 3 muestra la relación entre la pantalla luminosa y
la alta tensión del tubo U.
Fig. 3
Imagen en la pantalla luminosa de una calculadora de
bolsillo (fotografiada con una cámara digital) a la
máxima corriente de emisión y diferentes niveles de alta
tensión del tubo.
Resultados
La pantalla luminosa muestra una imagen relativamente
precisa de la estructura interna del objeto transiluminado.
Esto explica la gran importancia de los rayos X en la
medicina de diagnóstico y en las pruebas no destructivas
de materiales.
U = 35 kV, U = 31 kV y U = 27 kV
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