X-ışını Oluşumu

Temel Radyoloji Tekniği


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.
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. 
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- 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).
üp 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
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.
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.
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.
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. 
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-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-ışını tüp akımı ışın şiddeti ile doğru orantılıdır. 
Tüp akımı iki misli arttırılırsa iki misli sayıda foton oluşur.
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.
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 maddesinin atomik numarası arttıkça x-ışını oluşumunun etkinliği artmaktadır. 
Atomik numara karakteristik radyasyonunun enerjisini belirlemektedir. 
Ayrıca atomik numara kısmen genel radyasyon miktarını da arttırmaktadır.
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.
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.
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.