تیوب پرتوی ایکس
پرتوی ایکس هنگام برخورد ذرات باردار متحرک به یک ماده (هدف) و انحراف آنها از مسیر اولیه، یا تغییر لایه‌ی الکترونها درون اتم تولید می‌شود. در تصویر زیر شمایی کلی از یک تیوب تولید پرتوی ایکس و اجزای آن را که داخل یک محفظه‌ی خلاء شیشه‌ای قرار دارند، می‌بینید. در سال ۱۹۱۳ ویلیام دیوید کولیج [1] این نوع تیوب را توسعه داد و از آن پس این نوع تیوب پرتوی ایکس، کولیج نیز نامیده می‌شود.
هنگامی که جریان الکتریکی از فیلامان (کاتد) که اغلب از جنس تنگستن هست عبور می‌کند، فیلامان گرم شده و الکترون‌های گرمایونی بسته به میزان دمای کاتد از آن جریان می‌یابند و تحت یک ولتاژ (kVp) به سمت آند و هدف که اغلب فلزی از جنس تنگستن، مس، مولیبدن و یا نقره است، شتاب می‌گیرند و هنگام برخورد با هدف پرتوی ایکس تولید می‌شود. تعداد این الکترونها با واحد میلی آمپر (mA) یا میکرو آمپر (µA) بیان می‌شود. انرژی جنبشی این الکترونها که متناسب با ولتاژ اعمال شده است، بر حسب کیلو الکترون‌ولت (keV) بیان می‌شود. ولتاژ، جریان و مدت زمان تابش توسط کاربر قابل تنظیم است.
اما هنگام برخورد الکترونها با هدف چه روی می‌دهد؟
انواع پرتوی ایکس تولید شده
تابش ترمزی یا برمشترالانگ:
هنگام برخورد به هدف، الکترونها منحرف می‌شوند و سرعت آنها و به تبع انرژی جنبشی آنها کاهش می‌یابد و این کاهش انرژی عمدتا به صورت گرما و یا تابش الکترومغناطیس ظاهر می‌شود. طی این فرآیند تابش ترمزی یا برمشترالانگ [2] به صورت طیفی پیوسته از فوتون‌ها با انرژی‌های مختلف تولید می‌شود و بیشینه انرژی فوتون‌ها برابر با بیشینه انرژی جنبشی الکترونها (ولتاژ اعمال شده به تیوب) است؛ برای مثال ولتاژ ۹۰ کیلوولت، طیفی ایجاد می‌کند که در آن فوتون‌های مختلفی با انرژی ۱ کیلوالکترون‌ولت تا ۹۰ کیلوالکترون‌ولت وجود دارند. انرژی میانگین این طیف اغلب بین یک سوم تا یک دوم انرژی بیشینه است؛ در این مثال چیزی کمتر از ۴۰ کیلو الکترون‌ولت. تعداد فوتون‌های تولید شده با انرژی پایین که اغلب کاربردی در تصویربرداری ندارند و تنها میزان دز دریافتی بیمار را افزایش می‌دهند، بسیار زیاد است، از این رو در دهانه‌ی تیوب معمولا از یک فلز (به اصطلاح فیلتر) اغلب از جنس برلیوم استفاده می‌شود تا این فوتون‌ها را جذب کند. طیف بدون فیلتر و فیلتر شده را در شکل زیر می‌بینید.
پرتوی ایکس مشخصه:
الکترون‌های برخوردی به هدف، همچنین می‌توانند منجر به یونیزاسیون شوند، به این ترتیب الکترون نزدیک‌شده می‌تواند الکترون دومی متعلق به اتم‌های آند را از لایه‌ی الکترونی‌اش به اصطلاح به بیرون پرتاب کند و انرژی خود را از طریق یونیزاسیون یا تحریک از دست بدهد. این فرآیند منجر به گسیل یک فوتون می‌شود، زیرا جای خالی آن الکترون توسط یک الکترون دیگر از لایه بیرونی پر می‌شود. این گذار الکترونی به صورت تابش پرتوی ایکس بروز می‌کند. با در نظر گرفتن انرژی بستگی (میزان انرژی مورد نیاز برای جدا کردن الکترون از مدار) و تفاوت آنها در اتم‌های مختلف، این نوع تابش منحصر به فرد بوده و از ویژگی‌های یک عنصر و از راه‌های شناسایی آن است و از این رو پرتوی ایکس مشخصه [3] نامیده می‌شود. پرتوی ایکس مشخصه که به صورت قله‌هایی در طیف پرتوی ایکس ظاهر می‌شود، همان‌طور که بیان شد، ناشی از گذارهای الکترونی است.
در جریان ثابت، با افزایش ولتاژ اعمال شده، ارتفاع قله‌های هر دو نوع تابش و به عبارتی تعداد فوتون‌های طیف، بیشتر شده و همچنین قله‌ی طیف برمشترالانگ به سمت انرژی‌های بالاتر تغییر مکان می‌دهد (انرژی میانگین طیف افزایش می‌یابد)، در صورتی که مکان قله‌ی پرتوی ایکس مشخصه تغییر نمی‌کند.
در ولتاژ ثابت، با افزایش جریان، تنها تعداد فوتون‌های پرتوی ایکس بیشتر و ارتفاع طیف بیشتر می‌شود ولی میانگین انرژی طیف تغییر نمی‌کند.
درصد خیلی کمی از انرژی الکترونها به پرتوی ایکس تبدیل می‌شود؛ چیزی حدود ۱ درصد. مابقی آن به گرما تبدیل می‌شود. میزان گرمای تولید شده، جریان الکترونی و به تبع شدت پرتوی ایکس را محدود می‌کند. روش‌های مختلفی برای کاهش گرما وجود دارد، از جمله استفاده از هدف چرخان. یکی دیگر از راه‌های جدید کاهش گرما استفاده از یک جریان فلزی به عنوان هدف است.
برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با عملکرد تیوب پرتوی ایکس و چگونگی تشکیل پرتو می‌توانید به منابع معرفی شده مراجعه کنید.
[1] William David Coolidge
[2] Bremsstrahlung or braking radiation
[3] Characteristic x-ray
منابع:
- Tafti D, Maani CV. X-ray Production. [Updated 2022 Aug 1]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan-. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK537046
- The Essential Physics of Medical Imaging, 3rd Edition, Jerrold T. Bushberg
- Dental Radiography Principles and Techniques, Joen Iannucci, Laura Jansen Howerton
.jpg)
