تولید اشعه x
مبانی فیزیکی
دو پدیده ی کاملاً متفاوت آمادگی دارند که موجب تشعشع در حوزه ی اشعه ی ایکس شوند.
طیف پیوسته: نخستین مکانیسم صدور را نظریه کلاسیک پیش بینی کرده است؛ بنابر معادلات ماکسول، یک ذره ی باردار، هنگامی که حرکت یکنواخت نداشته باشد، خود منبع تشعشع مغناطیسی است. بنابراین در لوله ی کروکس که وجود اشعهx در آن کشف شده است. مانند (لوله های اشعه ایکس) معمولی اصل اساسی تابه ی الکترون هایی ست که بر اثر اختلاف پتانسیلی در حدود ده کیلو ولت به حرکت درآمده است این تابه را مانع سختی به نام (آنتی کاتد) از حرکت بازداشته الکترون ها پس از برخورد به آنتی کاتد تا عمق حدود یک میکرون در آن نفوذ می کند دراین فاصله سرعت الکترون ها از چند هزار کیلومتر بر ثانیه بر سرعت الکترونها آزاد در فلز (1000) کیلومتر بر ثانیه می رسد بنابراین الکترون ها تحت تاثیر یک شتاب کاهنده ی خیلی قوی قرار می گیرد و آنچه (که تشعشع کند ساز) نامیده می شود، پخش می کنند. یک دسته از فوتونها با بسامدهای گوناگون از جمله بسامد مربوط به اشعه یx به علت ضعف قدرت جذبشان نمی توانند از فلز بیرون آیند.
شکل1 طیف صادره به توسط لوله ای نشان می دهد که با جریان ثابت و تحت تاثیر ولتاژ فزاینده کار می کند: طیف به سوی طول موج های کوتاه گرایش پیدا می کند و بازده ی صدور برای طیف بهتر شده است . از سوی دیگر وقتی که جرم اتمی آنتی کاتد افزایش یابد این بازده افزایش پیدا می کند. و به همین جهت که برای لوله های (اشعه ایکس) پزشکی ، متداولترین آنتی کاتد از فلز تنگستن است.
شکل1- شدت طیف پیوسته تابع طول موج و ولتاژ به کاربرده شده در دو سر لوله است ( از 20kv ، منحنی A ، شروع می شود، تا 40kv ، منحنی F ، به توسط پله های5kv) اختلاف پتانسیل هر منحنی تا منحنی دیگر5kv است.
طیف خطوط مشخصه:دومین مکانسیم تولید اشعه ی x دقیقاً کوانتیک ( ذره ای) هستند یک فوتون
hυ توسط یک اتم هنگامی صادر می شود یک الکترون از حالتی با انرژی به تراز پایدارتر (نزدیک به هسته) با انرژی انتقال یابد.
چون حالت های اتمی انرژی های مجزا دارند. طیف منتشر شده یک طیف خطی است. این طیف های خطی در صورتی در حوزه ی اشعه x خواهند بود که اختلاف انرژی بین تراز اولی و آخری در حدود 1000 تا100000ev باشد. این انرژی ها مربوط به ترازهای الکترونی پایدار عناصری از سدیم تا اورانیوم است. چون قشرهای پایدار کاملاً پر هستند بنابراین باید یک الکترون از لایه ی پایین تر بر اثر ضربه ی الکترون کاتدیک که بر روی اتم وارد می آید طرد شود. این فضای خالی با انتقال یک الکترون از لایه ی کمتر پایدار به لایه ای که یونیده شده ، پر شده است.
تولید و ماهیت اشعه رونتگن
اشعه ی کلی (برمزاشترالونگ)
در لوله های مولد اشعه ایکس ولتاژ زیادی برای شتاب دادن به الکترون ها در فاصله بین فیلمان یا کاتد و هدف یا آند به کار می رود. بدین ترتیب الکترون ها با داشتن سرعت زیاد و جرم معین انرژی سینتیک ( حرکتی) کسب می کنند. با رسیدن به هدف الکترون ها به علت انحراف و یا تصادم با اتم های هدف به سرعت تقلیل شتاب پیدا می کنند. بار مثبت هسته ممکن است سبب انحراف الکترون از مسیر خود شده و باعث کاهش انرژی سینیتک آن گردد. این انرژی ممکن است به شکل فوتون های ایکس تجلی کند. هرگاه یک الکترون در یک تصادم مفرد به حالت سکون درآید، تمام انرژی حرکتی آن به فوتون ایکس تبدیل خواهد شد.
اشعه ایکس اختصاصی
گرچه مرحله ی تقلیل شتاب الکترون های سریع السیر منبع اصلی تولید اشعه ی ایکس می باشد. ولی رویداد دیگری وجود دارد که ممکن است در رویداد اشعه ی ایکس سهیم باشد ممکن است یک الکترون تابنده ی مستقیماً با الکترون منفردی از یکی از اتم های هدف (آنتی کاتد) تصادم داشته باشد و آن را کلاً از اتم جدا کند. چنین اتمی حالت ناپایدار یا (برانگیخته) داشته و دارای انرژی اضافی است که هنگام کندن الکترون بدان داده شدن این اتم برای پر کردن جای خالی خود به سرعت الکترون دیگری جذب کرده و به وضع عادی خود رجعت کرده و بدین ترتیب مازاد انرژی خود را به صورت یک فوتون ایکس مفرد از دست می دهد. مقدار انرژی لازم برای کندن یک الکترون از مدار خود به انرژی همبستگی معروف است و مقدار آن به شماره لایه و بار هسته دارد. و از اختصاصات اتم هدف به شمار می آید. اشعه ایکسی که نتیجه چنین رویدادی است دارای انرژی های مجزا و اختصاصی اتم های هدف بوده و بدین جهت آن را اشعه اختصاصی می گویند.
طرز استفاده از اشعه ایکس
تخلیه الکتریکی در گازها- اشعه کاتدیک
1- تخلیه الکتریکی در گازهای رقیق
هرگاه بین دو الکترود یک حباب شیشه ای که درون آن به ماشین تخلیه هوا مربوط است اختلاف پتانسیل کافی برقرار شود و بتدریج فشار هوا را پایین آورند تخلیه الکتریکی با مناظر نورانی خاصی در آن انجام می گیرد.
در فشار ده میلی متر جیوه نور ضعیفی برنگ بنفش تقریباً تمام لوله را پر می کند. وقتیکه فشار به حدود میلی متر برسد اطراف کاتد را روشنایی بنفش رنگ احاطه می کند و در امتداد حباب از کاتد به آند به ترتیب فضای تاریک کروکس، نور منفی ، فضای تاریک فاراده و بالاخره ستون نور مثبت قرار دارد.
هرگاه فشار باز هم کمتر شود و به یک دهم میلیمتر جیوه برسد ستون مثبت کوتاه تر شده و جای آن را نور منفی قرار می گیرد. در فشار یکصدم میلیمتر ستون مثبت به طور کلی از بین رفته و درون حباب تاریک می شود و در این صورت تخلیه الکتریکی با جریان الکترون ها انجام می گیرد.
الکترون ها دارای سرعت زیاد می باشند و از برخورد آنها با لوله یا حباب پدیده ی فلوئورسانس ظاهر می شود. این جریان الکترونی را اشعه کاتدیک و حباب آن را لوله کروکس می نامند.
2- اشعه کاتدیک
چگونگی تولید اشعه کاتدیک در لوله ی کروکس به این ترتیب است که تعدادی از یون های آزاد موجود در داخل حباب در اثر میدان الکتریکی به حرکت در می آیند و در مسیر خود ایجاد یون های جدیدی می کنند. می دانیم که در اطراف کاتد به علت سقوط آنی پتانسیل میدان الکتریکی شدیدی وجود دارد. بنابراین یون های مثبت سرعت زیاد پیدا می کنند.و با شدت بر سطح کاتد اصابت می نمایند. برخورد شدید این یون های باعث کنده شدن الکترون ها از سطح کاتد و پرتاب شدن آنها با سرعت زیاد به طرف مقابل می گردد و بدین ترتیب اشعه کاتدی بوجود می آید.
اشعه کاتدیک دارای خواص متعدد و موارد استعمال مختلفی است که مهمترین آن تولید اشعه ایکس است. اشعه کاتدیک از الکترن های سریع بوجود آمده اند و لذا دارای انرژی حرکتی زیادی می باشند برخورد این اشعه به مانع سخت و توقف آنها باعث انتقال مقدار زیادی انرژی به ماده می گردد که قسمت عمده ی آن به صورت حرارت تلف شده (5/99 درصد) و مقدار کمی از آن به صورت انرژی تشعشعی در می آید که اشعه ایکس می دهد.
منابع:
1- مبانی فیزیکی رادیولوژی
تالیف گودوین – کوایمبی- مورگان
2- اشعه ایکس ترجمه محمود اسراری
3- اشعه ایکس و رادیو اکتیویته ترجمه دکتر ابوالفضل رسولی و دکتر گلبان مقدم
4- طیف سنجی پرتو ایکس
تالیف ران جنکینز ترجمه سید علی هاشمی
5- آشکار سازی و آشکارسازهای پرتوها
تالیف دکتر محمد رضا حمیدیان
6- آزمون های غیر مخرب
تالیف بری هال- ورنون جان