RÖNTGEN CİHAZLARI ve FİZİK PRENSİPLERİ 7

1. RÖNTGEN CİHAZLARI ve FİZİK PRENSİPLERİ 7 Dr. Gülçin Dilmen

2. X-IŞINLARININ OLUŞUMU

3. 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.

4. ATOMİK YAPI VE TEMEL PARTİKÜLLER 2 • 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.

5. ATOMİK YAPI VE TEMEL PARTİKÜLLER 3 • 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.

7. ATOMİK YAPI VE TEMEL PARTİKÜLLER 4 • 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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).

12. X-IŞINLARININ OLUŞUMU 2 • 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.

13. X-IŞINLARININ OLUŞUMU 2 • 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.

14. 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.

16. 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.

17. KARAKTERİSTİK RADYASYON 2 • 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.

18. KARAKTERİSTİK RADYASYON 3 • 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.

20. 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.

21. 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.

23. 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.

25. 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

26. X-IŞINI TÜP AKIMI • X-ışını tüp akımı ışın şiddeti ile doğru orantılıdır. • Tüp akımı iki misli arttırılırsa iki misli sayıda foton oluşur.

28. 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.

30. 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.

31. 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.

33. 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.

34. 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.

36. 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.