Hay dos formas populares de generar rayos X, ya sea utilizando tubos de rayos X o en sincrotrones, y ambos se basan en principios físicos simples. Uno de ellos es el hecho de que las partículas cargadas bajo aceleración generan radiación electromagnética.
Esta es una de las propiedades básicas de las partículas cargadas. A medida que cambia su vector de velocidad (= aceleración, no es necesario aumentar la velocidad, de hecho, la magnitud de la velocidad puede incluso mantenerse constante), se genera radiación EM. Cuanto mayor es la aceleración, mayor es la energía de la luz producida. Para tener rayos X, que son de alta energía, necesitamos aceleraciones muy grandes. Un diseño común utiliza la desaceleración de los electrones de alta energía a medida que entran en un material. Esto se llama Bremsstrahlung y se usa en la mayoría de las aplicaciones.
Además, entra en juego otro principio físico: el espectro de energía de un átomo. Los electrones en los átomos pueden ocupar solo ciertos niveles de energía discretos. Cualquier cambio en la ocupación de estos niveles de energía se acompaña de la radiación de un fotón. La energía del fotón es igual a la diferencia de las energías de los niveles de energía entre los que se mueve el electrón. Ahora, cuanto más cerca esté el electrón del núcleo (cuanto más bajo sea el nivel de energía), más energía necesitará para expulsar el electrón del átomo, comprensiblemente. A medida que los electrones de alta energía del cátodo del tubo de rayos X golpean el ánodo, transfieren parte o la totalidad de su energía para extraer electrones de los átomos del ánodo. A medida que los otros electrones en los átomos toman el lugar de los hermanos expulsados, generan fotones con energía correspondiente a la diferencia en los niveles de energía. Este proceso produce otra característica del espectro del tubo de rayos X: el espectro característico. Según la energía de los electrones incidentes, solo se excitarán algunas líneas características. Estos picos agudos se utilizan para la mayoría de las aplicaciones.
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Otro diseño se basa en electrones de muy alta energía que se mueven en círculos. En este caso, la velocidad, la magnitud de la velocidad, no cambia; es el cambio en la dirección que constituye la aceleración. Se pueden colocar dispositivos magnéticos adicionales en la trayectoria del haz de electrones que literalmente mueven las trayectorias de los electrones, produciendo explosiones cortas de rayos X con las cualidades deseadas. Los sincrotrones se usan casi exclusivamente para fines de investigación, ya que su construcción y operación cuestan cientos de millones.
Ambos métodos necesitan electrones de alta energía. En el primer caso para poder expulsar los electrones de la capa interna de los átomos del ánodo, de modo que otros electrones puedan tomar su lugar y producir las líneas características definidas en el espectro que deseamos. En el segundo caso, necesitamos altas energías para que el cambio relativamente suave en la trayectoria (el vector de velocidad, más bien) se traduzca en una alta aceleración y, por lo tanto, se emitan fotones de alta energía.
