Un tubo a raggi X è costituito da un'ampolla di vetro, all'interno della quale viene fatto il vuoto, posta dentro un involucro metallico rivestito di piombo. L'emissione dei raggi X avviene solo da una piccola zona non schermata detta finestra (figura 1).

All'interno dell'ampolla vi sono anodo e catodo. Il catodo è costituito da un filamento, tipicamente di tungsteno. Il filamento viene attraversato da una corrente intensa che riscalda il catodo e determina la fuoriuscita degli elettroni di conduzione per emissione termoionica. Tali elettroni vengono poi accelerati verso l'anodo grazie all'alta differenza di potenziale che viene applicata tra il catodo e l'anodo.

In genere solo l'1 % dell'energia cinetica degli elettroni è disponibile per la produzione di raggi X, il resto viene convertita in energia termica e ciò può causare il deterioramento o addirittura la fusione dell'anodo.

Per evitare l'eccessivo riscaldamento dell'anodo vengono utilizzati anodi rotanti in modo che il fascio di elettroni incida in punti diversi.

Si nota inoltre che la targhetta bersaglio non è perpendicolare al fascio degli elettroni, ma inclinata di un angolo in genere attorno ai 20°. In questo modo gli elettroni interagiscono con un'area rettangolare (area focale) mentre i fotoni escono da un'area quasi quadrata molto più piccola, detta macchia focale o spot focale effettivo (Figura 2).
Aumentando l'angolo di inclinazione, aumenta l'area focale che determina l'intensità del fascio X in uscita, ma aumentano anche le dimensioni dello spot effettivo.

Fig. 2: Spot di un tubo a raggi X. Un'area relativamente grande bombardata può dare uno spot di dimensioni minori. (Credit: Dipartimento di Fisica - Università di Bologna)

Qualità e quantità dei raggi X Con il termine quantità si intende il numero di fotoni emessi. La qualità del fascio è caratterizzata invece dall'energia dei fotoni misurata in KeV e determina la capacità di penetrare i materiali.