X ışını oluşumu

RÖNTGEN CİHAZLARI ve FİZİK PRENSİPLERİ 7

Dr. Erol Akgül

Ç. Ü. SHMYO 1. Sınıf

X-IŞINLARININ OLUŞUMU

ATOMİK YAPI VE TEMEL PARTİKÜLLER 1

• Bohr’un 1913’te tanımladığı atom modeli güneş sistemine benzer olup merkezde pozitif nukleus, çevresindeki yörüngelerde ise negatif yüklü elektronlar yer alır.

• Nukleusta nukleon adı verilen subatomik partiküller bulunur.

• Radyolojide bunlardan sadece proton ve nötronlar önem taşır.

• Proton pozitif yüklüdür, nötronun ise yükü yoktur.


• Nötron ve protonun kitleleri birbirine eşittir ve yaklaşık olarak elektron kitlesinin 2000 mislidir.

• Nukleustaki protonların sayısına atomik numara denilir ve Z sembolu ile gösterilir.

• Proton ve nötronların toplam sayısına ise kitle numarası denilir ve A sembolu ile gösterilir.

• Örneğin altının 79 protonu (Z), 118 nötronu mevcut olup kitle numarası 197 (A)’dir.


• Elektronlar negatif yüklüdür ve nukleus çevresindeki yörüngelerde dönerler.

• Atomlar normalde nötral oldukları için elektron sayıları proton sayılarına eşittir.

• Elektronların yörüngeleri küre şeklindedir ve merkezden dışarı doğru her yörünge K, L, M, N, O ... olarak adlandırılır.

• Her yörüngede bulunabilecek elektron sayısı belirli olup K’da 2, L’de 8, M’de 18, N’de 32, O’da 50 elektron bulunabilir.


• Yörüngelerde bulunabilecek maksimal elektron sayısı 2n2 formülü ile verilir ve n yörüngesinin merkezden dışarı doğru numarasıdır.

• Peryodik tabloda en dış yörünge numarası elementin peryodunu, bu en dış yörüngedeki elektron sayısı ise grubunu belirler.

• Örneğin oksijenin peryodik tabloda ikinci peryod, 6. grubta yeralır.

BAĞLAMA ENERJİSİ 1

• Pozitif yüklü nukleus ile negatif yüklü elektron arasındaki çekici güce bağlama enerjisi denilir.

• Bu kuvvet elektronu yörüngede tutar. • Bağlama enerjisi, nukleustan mesafenin karesi ile ters

orantılıdır. • Dolayısıyla K’nin bağlama enerjisi L’den fazladır. • Bağlama enerjisi negatif olup, bir elektronu atomdan

koparmak için bağlama enerjisi kadar veya daha fazla enerjinin o yörüngedeki elektrona eklenmesi gerekir.

BAĞLAMA ENERJİSİ 2

• Tungstenin K yörünge enerjisi 70 keV, L yörünge enerjisi 11 keV’dur.

• K yörüngesinden elektron kopartmak için 70 keV, L için ise 11 keV enerji gerekir.

• Eğer atomun yörüngelerinde boşluk varsa bu boşluk daha yukardaki yörünge elektronları ile doldurulabilir.

• Bu arada yörüngelerin bağlama enerjileri arasındaki fark kadar enerji salımı olur.

• Kaide olarak atom kendisini en düşük enerjide tutmaya çalışır.

X-IŞINLARININ OLUŞUMU 1

• X- ışınları katoddan çıkarak potansiyel farkı ile anoda hızlandırılan elektronların anodun targetine çarpması sonucu kinetik enerjilerinin dönüşümü ile oluşur.

• Kinetik enerji hareket enerjisidir ve miktarı;

KE = ½ mv2 denklemi ile belirlenir

(m: kg olarak kitle, v: m/sn olarak hız olduğunda KE birimi jouldur).


• Tüp potansiyeli kVp (kilovolt peak) olarak belirlenir. Yani tüpteki maksimal potansiyeli belirler.

• 70 kVp ile çalıştırılan tüpte maksimal potansiyel 70.000 volt olup, elektronların maksimal kazanabildiği enerji 70 keV’dur.

• Bu enerji kinetik enerji denklemine uygulandığında elektronların katod ve anod arasındaki 1-3 cm mesafelik yolda ışık hızının yaklaşık yarı hızına ulaştığı anlaşılır.

• İşte bu kadar yüksek bir hızla targeti bombardıman eden elektronların kinetik enerjileri termal enerji ve x-ışını şeklinde elektromanyetik enerjiye dönüşmektedir.

• Enerji dönüşümü; targetteki nukleusların elektrik alanı ve orbital elektronların bağlama enerjisi düzeyinde olmaktadır.

• Target elektronlarının yörüngeden ayrılmadan uyarılması termal enerjiye; nukleusla ve yörünge elektronları ile etkileşim ise x-ışını (karakteristik ve frenleme radyasyonu) oluşumuna yolaçmaktadır.


TERMAL ENERJİ

• Elektron bombardımanında kinetik enerjinin büyük kısmı ısı enerjisine dönüşmektedir.

• Elektronlar, targetin dış yörünge elektronlarını aynı yörüngede daha yüksek enerji düzeyine uyarmakta ancak yörüngeden koparamamaktadır.

• Uyarılmış elektronlar normal konumlarına dönerken infrared radyasyon salınır.

• Böylece elektronların kinetik enerjilerinin % 99’u ısı enerjisine dönüşmektedir.

KARAKTERİSTİK RADYASYON 1

• Targete ulaşan yüksek enerjili elektonların target atomlarının iç yörüngelerinden elektron koparması ile oluşur.

• Elektronun ayrılması iyonizasyon olup, atom pozitif iyon haline gelir.

• K yörüngesindeki boşluk daha dış yörüngelerden doldurulur.

• Doldurma sırasında yörüngelerin elektron bağlama enerjileri arasındaki farka eşit düzeyde enerjili x-ışını fotonu salınır.


• Örneğin tungstenin K yörüngesindeki boşluk L yörüngesinden doldurulursa yaklaşık 59 keV enerjili foton salınır (K enerjisi: 70 keV, L enerjisi: 11 keV).

• K yörünge elektronunun koparılabilmesi için katoddan gelen elektronun 70 keV veya daha fazla enerjili olması gerekir.

• Daha fazla olan enerji koparılan elektrona kinetik enerji sağlar.


• K yörüngesineki boşluk L yörüngesinden doldurulabileceği gibi daha dış yörüngelerden de doldurulabilir.

• Ayrıca elektron koparılması da daha dış yörüngelerden olabilir.

• Her durumda doldurulan yörüngeler arasındaki fark kadar yani belirli düzeyde enerji salınır.

• Bu nedenle bu radyasyona karakteristik radyasyon denilmektedir.

• 70 kVp altındaki potansiyelde karakteristik radyasyonu oluşmamakta 100 kVp’de ise total x-ışını demetinin % 15’i karakteristik radyasyon (%85’i frenleme radyasyonu) olarak ortaya çıkmaktadır.

GENEL RADYASYON 1(Frenleme - Bremsstrahlung- radyasyonu)

• Diğer iki etkileşim şeklinden farklı olarak burada katod elektronu yörünge elektronları ile değil nukleusun pozitif elektrik alanı ile etkileşir.

• Katod elektronu yörünge elektronlarına rastlamadan nukleusun yanından geçerken nukleusun pozitif elektrostatik çekim alanı tarafından yavaşlatılır ve sapmaya uğrar.

• Elektronun azalan kinetik enerjisi fotonu olarak salınır. • Nukleusun elektrik alanının yavaşlatma etkisi nedeni ile

bu radyasyona firenleme radyasyonu (Bremsstahlung) adı verilmektedir.

GENEL RADYASYON 2(Frenleme radyasyonu)

• Elektron kinetik enerjinin tamamı veya bir kısmını kaybedebileceği gibi enerjisini hiç kaybetmeden de nukleusun yanından geçebilir.

• Elektron tüm enerjisini kaybetmeden targette belirli mesafe yolalabilir.

• Gerek katod elektronlarının enerjilerinin farklı oluşu gerekse de frenlemenin değişik miktarlarda olması nedeniyle genel radyasyon geniş bir enerji spektrumu şeklinde ortaya çıkar.

GENEL RADYASYON 3(Frenleme radyasyonu)

• 90 kVp potansiyelde x-ışını enerjileri 0-90 keV arasında değişir.

• Enerjinin önemli bir miktarı düşük olduğu için infrared radyasyon olarak termal enerjiye dönüşür.

• Biraz daha yüksek enerjili fotonlar ise bizzat target veya cam tüp tarafından filtre edilirler.

X-IŞINI ŞİDDETİ

• X-ışını şiddeti, ışın demetindeki fotonların sayısı ile enerjilerinin çarpımıdır.

• Işın şiddeti Röntgen/dk ile ölçülür. • 1 Röntgen, 1 santimetre küp havada 2.08x109 iyon çifti

oluşmasına yolaçabilen radyasyon şiddetidir.• X-ışını tüpünde ışın demetinin şiddetini belirleyen 5

faktör bulunur: • 1. X-ışını tüp akımı 2. Tüp potansiyeli 3. Target

maddesi 4. Filtrasyon 5. Tüp voltajının dalga şekli

X-IŞINI TÜP AKIMI

• X-ışını tüp akımı ışın şiddeti ile doğru orantılıdır.

• Tüp akımı iki misli arttırılırsa iki misli sayıda foton oluşur.

TÜP POTANSİYELİ 1

• Tüp potansiyeli katod elektronlarının enerjisini belirler. • Elektronların enerjisinin artması x-ışını oluşumunu

hem sayı hem de enerji olarak arttırır. • Işın şiddetindeki artma tüp potansiyelinin karesi ile

orantılıdır.

• Dolayısıyla ışın şiddetinin eğrisi potansiyelle hem yükselir hem de daha yüksek enerjili alana kayar.

TÜP POTANSİYELİ 2

• kVp’nin etkisi teknisyenler tarafından pratikte şöyle bilinir:

• kVp’deki % 15 artma mA’ın iki misli artışına eşittir. Örneğin 60 kVp’den 70 kVp’e potansiyeli arttırma film dansitesini mAs’ın iki misli artması kadar etkiler.

• Gerçekte ışın şiddetini iki misli artırmak için kVp % 40 arttırılmalıdır.

• Ancak yüksek enerjili x-ışınları hastadan daha fazla geçtiği ve filme ulaştığı için % 15’lik artma % 40’lık artma oranında etki etmektedir.

TARGET MATERYALİ 1

• Target maddesinin atomik numarası arttıkça x-ışını oluşumunun etkinliği artmaktadır.

• Atomik numara karakteristik radyasyonunun enerjisini belirlemektedir.

• Ayrıca atomik numara kısmen genel radyasyon miktarını da arttırmaktadır.

TARGET MATERYALİ 2

• Düşük atomik numaralı targette firenleme (genel) radyasyon azalmaktadır.

• Düşük atomik numaralı anod düşük kVp ile kullanıldığında toplam ışın demetindeki karakteristik radyasyon miktarı artar.

• Molybdenum anodlar ve bu nedenle mammografide kullanılır.

• 40 kVp ile kullanıldığında K karakteristik radyasyon 18-20 keV arasında oluşur ki mammografi için idealdir.

FİLTRASYON

• Hem tüpün kendisine ait olan hem de ilave edilmiş filtrasyon, düşük enerjili x-ışınını absorbe ederek x-ışının effektif enerjisini arttırır ancak bu arada toplam ışın şiddeti de azalmış olur.

VOLTAJ DALGA ŞEKLİNİN ETKİSİ

• Trifaze voltajda potansiyel sıfıra düşmediği ve maksimal değerlere yakın seyretiği için x-ışının hem enerjisi hem de şiddeti artar.

• Trifaze cihazla çalışıldığında tek fazlıya göre film dansitesinde %12 artış olur.

• Dolayısıyla monofazede 72 kVp gerektiren bir çekim için trifazede 64 kVp kullanmak gerekir.

Kaynaklar

• Bushong SC. Radiologic Science for Technologist: Physics, Biology and Protection. 3rd ed. St. Louis, The C. V. Mosby Company, 1984.

• Oğuz M. Röntgen Fiziğine Giriş: Diagnostik I. Adana, ÇÜ Basımevi, 1992.

• Kaya T. Temel Radyoloji Tekniği. Bursa, Güneş & Nobel, 1997.

Health & Medicine

X ışını oluşumu