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Tubi a raggi X

I tubi a raggi X sono dispositivi utilizzati per produrre radiazione X. Il primo di questi strumenti fu realizzato dal chimico e fisico britannico William Crookes. Si trattava di un tubo di vetro tenuto a vuoto parziale, contenente due elettrodi. Quando una corrente elettrica attraversa il tubo di Crookes, il gas residuo in esso contenuto si ionizza e induce l’emissione di elettroni dall’elettrodo negativo, il catodo. Questi elettroni, che nel complesso costituiscono i cosiddetti raggi catodici, bombardano le pareti del tubo e inducono a loro volta l’emissione di raggi X di bassa energia.

Un primo miglioramento nella tecnologia dei tubi a raggi X fu l’introduzione di un catodo curvo, capace di focalizzare il fascio di elettroni su un bersaglio di metallo pesante, detto anticatodo. Tale accorgimento permetteva di generare raggi X più duri, cioè di lunghezza d’onda minore e di energia maggiore rispetto a quelli prodotti con il tubo di Crookes ordinario ma, a causa della dipendenza dell’emissione di radiazione dalla pressione del gas contenuto all’interno del tubo, era difficile controllare con precisione il meccanismo di emissione.

I tubi a raggi X che si usano attualmente derivano dal modello messo a punto dal fisico statunitense William David Coolidge nel 1913. Esso consiste essenzialmente di un’ampolla di vetro a vuoto molto spinto, all’interno del quale un filamento incandescente, riscaldato da una corrente ausiliaria, emette elettroni per effetto termoionico. Gli elettroni emessi dal catodo incandescente vengono accelerati da un’elevata differenza di potenziale applicata ai capi del tubo e indirizzati contro un anodo di un metallo opportuno. Secondo la sostanza utilizzata per l’anodo, si generano raggi X di lunghezze d’onda diverse. Tra gli elementi più utilizzati per l’anodo vi sono il tungsteno, il cromo e il molibdeno. All’aumentare della tensione, il valore minimo di lunghezza d’onda della radiazione emessa diminuisce.

Tra i tubi a raggi X oggi in uso, quelli più grandi e potenti prevedono un circuito di raffreddamento ad acqua, che previene la fusione dell’anodo in seguito al riscaldamento provocato dall’impatto con gli elettroni ad alta energia. Il cosiddetto tubo a prova d’urto, una variante del tubo di Coolidge, prevede inoltre un sistema di isolamento del contenitore (con olio) e il collegamento a massa dei cavi del generatore. Strumenti simili, come il betatrone (vedi Acceleratori di particelle), sono usati per produrre raggi X molto duri, di lunghezza d’onda addirittura inferiore a quella dei raggi gamma emessi da elementi radioattivi naturali.