پرتو ایکس در لامپ پرتو ایکس با تبدیل بخشی از انرژی الکتریکی به تابش تولید می‌شود. در این لامپ، رشتهٔ کاتد گرم می‌شود و الکترون آزاد می‌کند؛ اختلاف ولتاژ زیاد، الکترون‌ها را در خلأ به‌سمت آند شتاب می‌دهد. برخورد آن‌ها با هدف فلزی، معمولاً تنگستن، دو نوع پرتو ایکس ایجاد می‌کند: تابش ترمزی و تابش مشخصه. در تابش ترمزی، الکترون در میدان الکتریکی هسته منحرف و کند می‌شود و بخشی از انرژی‌اش را به شکل فوتون پرتو ایکس از دست می‌دهد. در تابش مشخصه، برخورد الکترون یک الکترون لایهٔ داخلی اتم هدف را بیرون می‌اندازد؛ جابه‌جایی الکترون دیگری برای پر کردن جای خالی، فوتونی با انرژی مشخص تولید می‌کند.
بخش زیادی از انرژی الکترون‌ها هنگام برخورد به گرما تبدیل می‌شود؛ به همین دلیل طراحی آند، از جمله چرخش آن در برخی دستگاه‌ها، به مدیریت گرما کمک می‌کند. ولتاژ لامپ بر انرژی پرتو و جریان آن بر تعداد الکترون‌ها و در نتیجه مقدار تابش اثر می‌گذارد. پس از تولید، پرتو از پنجرهٔ لامپ و فیلتر می‌گذرد و به سوی جسم یا آشکارساز هدایت می‌شود. در تصویربرداری، تفاوت میزان عبور و جذب پرتو در مواد مختلف، سیگنال تصویر را می‌سازد. در ادامه، اجزای لامپ، دو سازوکار تولید و تفاوت کاربردهای رایج پرتو ایکس را مرور می‌کنیم.
پرتو ایکس چگونه تولید می‌شود؟
در دستگاه‌های متداول تصویربرداری، پرتو ایکس درون لامپی خلأدار تولید می‌شود. کاتد منبع الکترون و آند هدف برخورد آن‌هاست. با گرم شدن رشتهٔ کاتد، الکترون‌ها از سطح آن آزاد می‌شوند؛ این فرایند «گسیل گرمایونی» نام دارد. سپس اختلاف ولتاژ میان کاتد و آند، الکترون‌ها را به‌سرعت به‌سمت آند شتاب می‌دهد. برخورد الکترون‌ها با هدف فلزی، بخشی از انرژی جنبشی آن‌ها را به فوتون‌های پرتو ایکس و بخش زیادی را به گرما تبدیل می‌کند.
اجزای اصلی لامپ پرتو ایکس
| جزء | نقش |
|---|---|
| کاتد | با گرم کردن رشته، الکترون آزاد می‌کند. |
| آند | هدف فلزی برخورد الکترون‌هاست و محل تولید پرتو ایکس به‌شمار می‌رود. |
| محفظهٔ خلأ | مسیر حرکت الکترون‌ها از کاتد به آند را فراهم می‌کند. |
| منبع ولتاژ | الکترون‌ها را میان کاتد و آند شتاب می‌دهد. |
| پنجره و فیلتر | مسیر خروج پرتو را فراهم می‌کنند و فیلتر بخشی از فوتون‌های کم‌انرژی را حذف می‌کند. |
آند باید گرمای حاصل از برخورد را تحمل کند. در برخی لامپ‌ها، آند چرخان است تا محل برخورد الکترون‌ها روی سطح بزرگ‌تری پخش شود و گرمای موضعی کاهش یابد؛ چرخش آند گرما را از بین نمی‌برد، بلکه به مدیریت آن کمک می‌کند.
دو سازوکار تولید پرتو ایکس
تابش ترمزی (Bremsstrahlung)
وقتی الکترون پرسرعت از نزدیکی هستهٔ اتم هدف عبور می‌کند، میدان الکتریکی هسته مسیر آن را منحرف و سرعتش را تغییر می‌دهد. بخشی از انرژی ازدست‌رفته به صورت فوتون پرتو ایکس گسیل می‌شود. چون میزان تغییر انرژی در برخوردهای مختلف متفاوت است، تابش ترمزی طیفی پیوسته از انرژی‌ها ایجاد می‌کند. انرژی فوتون‌ها نمی‌تواند از انرژی اولیهٔ الکترون بیشتر باشد؛ این انرژی به ولتاژ لامپ وابسته است.
تابش مشخصه (Characteristic radiation)
اگر الکترون برخوردکننده بتواند یکی از الکترونهای لایهٔ داخلی اتم هدف را خارج کند، جای خالی ایجادشده را الکترونی از لایه‌ای بالاتر پر می‌کند. اختلاف انرژی دو لایه به شکل یک فوتون پرتو ایکس آزاد می‌شود. انرژی این فوتون به ساختار اتمی و جنس هدف وابسته است و در طیف به صورت مقدارهای مشخص ظاهر می‌شود.
| ویژگی | تابش ترمزی | تابش مشخصه |
|---|---|---|
| علت تولید | تغییر سرعت و مسیر الکترون در میدان هسته | جابه‌جایی الکترون میان لایه‌های اتم |
| طیف انرژی | پیوسته | مقدارهای مشخص وابسته به جنس هدف |
| وابستگی اصلی | انرژی الکترون‌ها و برهم‌کنش آن‌ها با هدف | ساختار اتمی مادهٔ هدف |
ولتاژ، جریان و فیلتر چه اثری دارند؟
- ولتاژ لامپ: انرژی الکترونهای شتاب‌گرفته و حداکثر انرژی فوتون‌های پرتو ایکس را تعیین می‌کند. تغییر ولتاژ، ویژگی‌های پرتو را تغییر می‌دهد.
- جریان لامپ: بر تعداد الکترون‌هایی که به آند می‌رسند و در نتیجه مقدار پرتو تولیدشده اثر می‌گذارد.
- فیلتر: بخشی از فوتون‌های کم‌انرژی را حذف می‌کند؛ این فوتون‌ها ممکن است پیش از رسیدن به آشکارساز در جسم جذب شوند و در شکل‌گیری تصویر سهم کمتری داشته باشند.
تنظیم دقیق این پارامترها به نوع دستگاه و هدف تصویربرداری بستگی دارد و باید توسط افراد آموزش‌دیده انجام شود.
تصویر پرتو ایکس چگونه شکل می‌گیرد؟
پس از عبور پرتو از جسم، بخشی از فوتون‌ها جذب یا پراکنده می‌شوند و بخشی به آشکارساز می‌رسند. میزان تضعیف پرتو با توجه به جنس، ضخامت و چگالی مواد متفاوت است؛ به همین دلیل استخوان معمولاً پرتو بیشتری از بافت نرم جذب می‌کند. آشکارساز الگوی پرتوهای رسیده را ثبت می‌کند و از اختلاف سیگنال‌ها تصویر ساخته می‌شود. در تصویر متداول، بخش‌هایی که پرتو کمتری به آشکارسازشان رسیده روشن‌تر دیده می‌شوند و بخش‌هایی که پرتو بیشتری از آن‌ها عبور کرده تیره‌ترند.
آیا همهٔ پرتوهای ایکس با لامپ تولید می‌شوند؟
نه. توضیح بالا مربوط به لامپ‌های پرتو ایکس رایج در تصویربرداری و بازرسی است. پرتو ایکس می‌تواند در فرایندهای دیگری نیز تولید شود؛ برای مثال، در برخی آزمایشگاه‌ها شتاب‌دهنده‌های ذرات یا سنکروترون‌ها تابش پرتو ایکس ایجاد می‌کنند. در اخترفیزیک نیز فرایندهای طبیعی، از جمله حرکت ذرات پرانرژی در میدان‌های مغناطیسی، از منابع پرتو ایکس هستند.
کاربردهای پرتو ایکس
- پزشکی: تصویربرداری از استخوان‌ها و اندام‌ها، ماموگرافی و سی‌تی‌اسکن از کاربردهای تصویربرداری مبتنی بر پرتو ایکس هستند.
- صنعت: بررسی قطعات و جوش‌ها برای یافتن عیب‌های داخلی، بدون نیاز به برش دادن قطعه.
- بازرسی امنیتی: تصویربرداری از محتویات چمدان‌ها و بسته‌ها با دستگاه‌های محصور و حفاظ‌دار.
- پژوهش: بررسی ساختار مواد و بلورها با روش‌های آزمایشگاهی مبتنی بر پرتو ایکس.
نکات ایمنی دربارهٔ پرتو ایکس
پرتو ایکس تابش یون‌ساز است و مواجههٔ غیرضروری با آن باید محدود شود. دستگاه‌های تصویربرداری با طراحی حفاظ‌دار، کنترل‌های فنی و رعایت دستورالعمل‌های کاربری به کاهش مواجهه کمک می‌کنند. تصویربرداری پزشکی باید بر اساس نیاز بالینی و با کمترین میزان تابش لازم برای دستیابی به تصویر قابل استفاده انجام شود. کار با تجهیزات پرتو ایکس نیز باید به افراد آموزش‌دیده سپرده شود؛ راه‌اندازی یا آزمایش خودسرانهٔ دستگاه ایمن نیست.
پرسش‌های متداول
آیا دستگاه پرتو ایکس از مادهٔ رادیواکتیو استفاده می‌کند؟
در دستگاه‌های معمولی مبتنی بر لامپ، پرتو ایکس با شتاب دادن الکترون‌ها و برخوردشان به هدف تولید می‌شود؛ تولید پرتو به روشن بودن لامپ وابسته است و برای این فرایند به منبع رادیواکتیو نیاز نیست.
چرا آند پرتو ایکس گرم می‌شود؟
الکترون‌ها هنگام برخورد با هدف، بیشتر انرژی خود را به گرما تبدیل می‌کنند و فقط بخشی از آن به پرتو ایکس تبدیل می‌شود. آندهای چرخان در برخی دستگاه‌ها گرمای برخورد را روی سطح گسترده‌تری پخش می‌کنند.
آیا ولتاژ و جریان لامپ یک کار را انجام می‌دهند؟
خیر. ولتاژ عمدتاً انرژی الکترونهای شتاب‌گرفته و ویژگی انرژی پرتو را تغییر می‌دهد؛ جریان بیشتر بر تعداد الکترونهای رسیده به آند و مقدار پرتو تولیدشده اثر دارد.
جمع‌بندی
در لامپ پرتو ایکس، الکترونهای آزادشده از کاتد با ولتاژ بالا به آند برخورد می‌کنند. تغییر حرکت این الکترون‌ها و جابه‌جایی الکترونهای اتمی دو سازوکار اصلی تولید تابش ترمزی و مشخصه‌اند. سپس پرتو از مسیر خروجی دستگاه به جسم یا آشکارساز می‌رسد و تفاوت میزان عبور آن، امکان تصویربرداری و بررسی مواد را فراهم می‌کند.
— لینک های مرتبط:
- وب سایت radiologymasterclass.co.uk
- وب سایت my.clevelandclinic.org
- وب سایت radiologykey.com
- وب سایت radiologycafe.com
- وب سایت fda.gov
