El filamento de wolframio toriado en los tubos de rayos X

Filamento de Rayos X dentro del tubo

 

El tubo de rayos X, es basicamente un tubo de vacio con dos electrodos: el cátodo (filamento) y el ánodo (blanco). Estos electrodos se someten a una gran diferencia de potencial (varios kilovoltios) y los electrones son desprendidos a gran velocidad por el filamento atraídos hacía el ánodo. Estos electrones, al chocar contra un blanco metálico, desaceleran, produciendo una radiación electromagnética llamada rayos X. 


De ahí por tanto la importancia del filamento, ya que es el elemento que tiene que emitir los electrones para posteriormente producir  los rayos X. Este filamento, para que emita electrones, debe calentarse a muy altas temperaturas durante su funcionamiento.

Basicamente, el filamento es una espiral de hilo conductor, con unas medidas aproximadas de 2 mm de diámetro y de 1 a 2 cm de longitud.  Con una intensidad de 4 A ó más, el filamento se calienta como para emitir una cantidad de electrónes suficiente. Los electrones de la capa externa de los átomos del filamento entran en ebullición y son expulsados del filamento atraidos por el ánodo. Este fenómeno se conoce como emisión termoiónica.

Filamento de wolframio toriado

Los filamentos suelen construirse de wolframio toriado. El wolframio (también llamado tungsteno), produce una emisión termoiónica mayor que otros metales. De todos los metales en forma pura, el wolframio tiene el más alto punto de fusión (3.410 °C) y menor presión de vapor (a temperaturas superiores a 1.650 °C). Además, tiene el coeficiente de dilatación térmica más bajo de cualquier metal puro.

En el desarrollo de filamentos de wolframio, se halló que la adición de una pequeña cantidad de óxido de torio (ThO2) evitaba la “compensación” de los cristales de wolframio perpendiculares al filamento cuando este se calentaba por medio de una corriente. Los filamentos de wolframio emiten electrónes a unos 2.000 grados, mientras que el wolframio toriado lo hace a unos 1.600 grados. Esta adición de torio (entre el 1% y el 2%) eleva la eficacia de la emisión termoiónica, puede funcionar a temperaturas inferiores (prolonga la vida del tubo) y por tanto requiere menos potencia calefactora.

En el proceso de adición de torio, se suele realizar la técnica de carburización que consiste en calentar previamente el filamento en vapor de naftaleno (u otro adecuado). El carbono de éste se difunde por el interior del wolframio formado una capa superficial de carburo de wolframio. Posteriormente hay un proceso de activación con dos etapas, donde mediante un cambio de temperatura del filamento, se acumula en la superfice una capa de átomos de torio. La acción de esta capa monoatómica de torio es disminuir el potencial de extración, con lo que los electrónes del interior del filamento podrán salir con mayo facilidad.

Durante el funcionamiento normal, se evapora lentamente la capa de átomos de torio, siendo continuamente renovada, por difusión, por átomos del interior. Si se maltrata el filamento (por ejemplo, llevándolo a una temperatura excesiva), la capa de torio puede evaporarse completamente al ser el proceso de evaporación más rápido que el de difusión, disminuyendo así la emisión efectiva.

Es importante saber, que las ventajas del wolframio toriado son en el vacio. Este elemento es sensible a pequeñas cantidades de gas residual y debe, por tanto, funcionar en un alto vacio y no se podrá emplear en tubos con gas.

Por Pablo Beret (2011)

Fuentes:

- Wikipedia

- Manual de radiología para técnicos (Stewart C. Bushong)

- Electrónica y dispositivos electrónicos (Arthur L. Albert)

- Temas de electrónica (Victorino Ruiz Sola)

- Válvulas de potencia (Gustavo Seminario)