فیزیک و مکانیسم سیستم های رادیولوژی

مقدمه

اشعه ایکس یا رنتگن در طبیعت وجود ندارد و براي کاربرد پزشکی ، این پرتوها باید به وسیله لامپهایی که براي این منظورساخته شدهاند تولید شود. در لامپ مولد اشعه ایکس که ظاهري شبیه لامپهاي کاتد یک دارد، با بمباران الکترونی قطعه فلز مقاوم و کوچکی که از جنس تنگستن در قطبی از لامپ به نام کانون قرار گرفته ، ترازهاي انرژي الکتریکی در این فلز بهم میخورد و انرژي ناشی از جابجایی الکترونها به صورت اشعه ایکس پدیدار می گردد . الکترونهایی که استفاده میشوند از سیم پیچ کوچکی در قطب منفی لامپ تولید میشوند و با استفاده از خلاء درون لامپ و تحت تأثیر اختلاف پتانسیل که از یک ژنراتور تولید می شود، به کانون لامپ برخورد میکنند. بطور کلی در یک دستگاه رادیولوژي عمومی لامپ تولید کننده اشعه ایکس با بازویی به پایهاي که میتواند در مسیرهاي مختلف حرکت کند وصل شده تا بتوان اشعه ایکس را بطور دلخواه در جهات متفاوت متمرکز نمود.

مکانیسم تولید اشعه ایکس :

هنگامی که یک جریان الکترونی با سرعت زیاد به هدف برخورد کند، شتاب خود را از دست داده و با تبدیل انرژي، ایجاد اشعه ایکس می کند. به طور کلی اشعه در اثر دو فرایند تولید میشوند:
1 - پدیده ترمزي :در این پدیده الکترونها به دلیل انرژي جنبشی که دارند به داخل اتمهاي آند وارد میشوند و تحت تاثیر میدان اتمهاي سنگین هدف از مسیر اولیه منحرف شده و داراي تغییر سرعت و کاهش انرژي میشوند . این انرژي به صورت پرتو تابیده میشود .در این فرایند راندمان تولید اشعه بسیار کم می باشد .در این طیف ماکزیمم انرژي مربوط به الکترونی است که بیشترین انحراف را توسط هسته داشته و هیچگونه اتلافی در انرژي آن صورت نپذیرفته است .
2 - پدیده تابش اختصاصی: در این پدیده الکترون هاي تابیده شده از فیلامان به الکترون هاي مدارهای داخلی اتم هاي هدف نظیر برخورد می کنند و باعث کنده شدن این الکترون ها از مدار مربوطه می شوند و لذا در k این لایه یک حفره به وجود می آید .با پرشدن این حفره توسط الکترون هاي لایه هاي بالاتر، اختلاف انرژي دو لایه به صورت فوتون از ماده هدف خارج می شود .

اثر متقابل اشعه ایکس و ماده:

فوتون هاي اشعه ایکس ممکن است با الکترون هاي مداري یا هسته اتم ها برخورد نمایند که البته در محدوده راه اصلی براي برخورد یک فوتون 5 انرژي اشعه ایکس تشخیص برخوردها غالباً با الکترون هاي مداري می باشد. اشعه ایکس با ماده وجود دارد:
1 -پراکندکی همدوس Coherent Scattering

2- اثر فتوالکتریک Photoelecteric effect

3 -پراکندگی کمپتون Compton Sscattering   

4- تولید جفت Pair production   

5- تجزیه توسط فوتون Photodisintegration

پراکندگی همدوس

برخوردي است که بدون ایجاد هرگونه تغییري در طول موج پرتو، فقط جهت آن را تغییر می دهد. این برخورد به دو صورت پراکندگی تامسون و ریلی وجود دارد.در پراکندگی تامسون یک الکترون منفرد در برخورد شرکت می نماید و لیکن پراکندگی ریلی از برخورد مشترك با تمام الکترون هاي یک اتم نتیجه می گردد. در محدوده انرژي ایکس تشخیص تعداد کمی پراکندگی همدوس رخ می دهد که گرچه موجب مه آلودگی فیلم می شود ولیکن اهمیت چندانی ندارد.

اثر فتو الکتریک

:در این برخورد یک فوتون تابشی با انرژي کمی بیشتر از انرژي همبستگی یک الکترون لایه k یکی از الکترون هاي این مدار برخورد کرده و آن را از مدارش خارج می کند. تمام انرژي فوتون به الکترون انتقال توسط الکترون از . یابد می k این الکترون به صورت فوتوالکترون در فضا رها می شود. جاي خالی الکترون در لایه لایه مجاور پر می گردد. این الکترون مداري انرژي به شکل اشعه ایکس از دست می دهد که اشعه ایکس اختصاصی گفته می شود و جزء خصوصیات هرعنصرمی باشد. برخورد فتوالکتریک به دو عامل انرژي اشعه و عدد اتمی ماده جاذب بستگی دارد و از نقطه نظر کیفیت تصویر مطلوب می باشد؛ چرا که عالی ترین کنتراست را بدون تولید میزان قابل توجهی از تشعشعات اسکتر تولید می نماید ولی متاسفانه اکسپوژر بیمار در مقایسه با سایر برخوردها بیشتر است.

پراکندگی کمپتون

در این برخورد یک فوتون تابشی با انرژي نسبتاً بالا با یک الکترون آزاد از لایه خارجی اتم برخورد کرده و آن را از مدارش خارج می نماید. فوتون مذبور منحرف شده و در جهت جدیدي به عنوان اشعه اسکتر حرکت می نماید. تقریباً تمام اسکترها از این برخورد ناشی می شوند. احتمال وقوع یک برخورد کمپتون به میزان کل الکترون هایی که در یک جسم جاذب وجود دارد متکی می باشد. این برخورد به عدد اتمی ماده جاذب بستگی ندارد؛ ولی به هرحال تحت تأثیر انرژي پرتو و دانسیته ماده جاذب می باشد.

تولید جفت

در تولید جفت یک فوتون با انرژي زیاد تحت تأثیر نیروي هسته اتم، انرژي اش به دو ذره یکی الکترون و دیگري پوزیترون تبدیل شده و خود ناپدید می شود که در رادیولوژي تشخیصی اهمیت چندانی ندارد .تجزیه توسط فوتون : در تجزیه توسط فوتون، هسته یک اتم توسط یک فوتون پرا نرژي تجزیه می شود. قسمت خارج شده از هسته اتم ممکن است یک نوترون یا پروتون، ذره آلفا و یا یک دسته از ذرات باشد. فوتون می بایست انرژي کافی براي غلبه بر انرژي همبستگی هسته به میزان 7 - 15 mev راداشته باشد.این نوع برخورد نیز دررادیولوژي تشخیصی اهمیت چندانی ندارد و رخ نمی دهد. به طور کلی در انرژي هاي پائین برخورد فتوالکتریک متداول تر می باشد؛ در حالی که در انرژي هاي بالا برخورد کمپتون غالب است.

اجزای تیوب اشعه ایکس

لامپ (تیوب) اشعه ایکس شامل اجزاي زیر می باشد:
تیوب شیشه اي یا محفظه شیشه :
حباب خلاء شیشه اي است از جنس پیرکس و شامل:
1 - فیلامنت سیمی(از جنس تنگستن)
2 - متمرکز کننده ار جنس مولیبدنیوم یا فولاد
3 - آند مسی که روي آن هدفی از جنس تنگستن است
این محفظه که داراي دو الکترود آند و کاتد است. به صورتی که الکترونهاي تولید شده در کاتد (فیلمان) با سرعت زیاد به سمت آند حرکت می کنند که با ایجاد یک اختلاف پتانسیل بالا اتفاق می افتد. چون در هوا تعداد زیادي الکترون وجود دارد، سرعت بخشیدن به یک الکترون دراین فضا عملی نیست و به همین خاطر داخل محفظه را از 0 / 01 هوا و هر گاز دیگر خارج می کنند تا الکترونها به راحتی با سرعت بالا حرکت کنند. این مقدار خلاء در حدود میلی متر جیوه می باشد. دلیل دیگر ایجاد خلاء در فضاي داخل محفظه عایق کردن محیط بین آند و کاتد است. هدف از ایجاد خلاء در لامپهاي مدرن اشعه ایکس، کنترل مستقل تعداد و سرعت الکترونها شتاب گرفته شده است.مزیت استفاده از شیشه در بدنه محفظه جذب کم اشعه ایکس، عایق الکتریکی بسیار خوب شیشه و انتشار حرارتی مناسب آن است. اما به دلیل رسوب بخارات تنگستن در سطح شیشه از سیمهاي فلزي در درون دیواره لامپ استفاده می شود تا از رسوب جلوگیري کند. اما به دلیل اختلاف ضریب انبساط داخلی شیشه و فلز و ایجاد شکستگی در بدنه لامپ، عموماً از آلیاژهاي خاصی مثل شیشه بروسیلیکات که ضریب انبساط خطی
تقریباً مشابه فلز دارد در ساخت محفظه لامپها استفاده می شود.

محفظه تیوب :

از جنس فولاد بوده که مملو از روغن است و حباب شیشه اي را دربرمی گیرد. این محفظه محلی براي اتصال کابلهاي فشار قوي داشته و داراي پایه اي است که تیوپ را نگه می دارد.تمام پرتوهایی که از هدف منتشر می شوند به جز پرتوي که از طریق پنجره رادیولوسنت خارج می شود، توسط لایه سربی که به صورت آستري محفظه تیوپ را پوشانیده، به شدت جذب می شوند. روغن داخل محفظه گرم و منبسط می شود. داخل محفظه وسیله اي بادکنکی است که فضاي اضافی بوجود می آورد تا در زمان انبساط فضاي لازم را ایجاد کند. وظیفه روغن ایجاد عایق الکتریکی و نیز انتقال گرما از آند به محفظه است.

کاتد:

قطب منفی لامپ اشعه X است که حاوی فیلامان یا منبع تولید الکترون و سرپوش کانونی است. فیلامان خود داراي ولتاژ (متوسط 10 ولت (و جریان )متوسط 3 تا 5 آمپر) است و بوسیله آنها گرم می شود.تعداد فوتونهاي اشعه X تولیدی به تعداد الکترون هایی که از کاتد به سمت آند حرکت می کنند بستگی دارد. فیلامان سیمی است از جنس تنگستن در اثر عبور جریان از آن گرم می شود و در اثر این دما تعدادي از الکترون هاي آن تا مسا فت کمی از سطح فلز جدا می شوند. این فرایند تابش ترمویونیک نام دارد. 
براي وقوع تابش ترمویونیک و ایجاد تعداد مفیدي الکترون فیلامان باید تا 2200 درجه گرم شود. به همین دلیل فیلامان را از جنس تنگستن می سازند چون این ماده به راحتی به شکل سیم نازك و محکم در آمده و نقطه ذوب بالایی( 3370) دارد و همچنین مقدار کمی تبخیر می شود. الکترون هاي تابش شده در اطراف فیلامان ابر کوچکی به نام فضاي بار ایجاد می کنند. این ابر که داراي بار منفی است از تابش الکترون هاي دیگرجلوگیري می کند که به این (Space Charge) اثر، اثر فضاي بار (Space Charge Effect) می گویند. می توان با یک اختلافپتانسیل مناسب این الکترون ها را به سمت آند شتاب داد. به دلیل اینکه الکترون ها همگی داراي بار منفی هستند در طول مسیر به سمت آند از هم دور و پراکنده می گردند و سطح بزرگی از آند را بمباران می کنند که دلخواه نیست به همین دلیل از سرپوش کانونی Focusing Cap) ( که فیلامان را احاطه کرده استفاده می شود. این وسیله داراي پتانسیل منفی است و باعث به هم فشرده شدن الکترون ها می شود. این وسیله که از جنس مولیبدیم است با نیروي الکتریکی موجب کانونی شدن سیم الکترونی می شود. لامپ هاي امروزي داراي دو فیلامان کوچک و بزرگ می باشند. فیلامان بزرگ براي تابش هاي بیشتر و فیلامان کوچک براي تابش هاي کمتر کاربرد دارند.

 

آند:

قطب مثبت لامپ اشعه X می باشد که به دو صورت ثابت و دوار میباشد. آندهاي ثابت یک صفحه کوچک در یک کوچک تنگستن به ضخامت 2 تا 3 میلی متر میباشند که در یک بلوك بزرگ مس قرار داده شده اند .به چند دلیل جنس آند از 3 تا 2 به ضخامت تنگستن انتخاب شده است .این ماده عدد اتمی بالایی دارد و لذا بازده تولید اشعه بالاتري دارد .نقطه ذوب بالاي تنگستن تحمل حرارتی خوبی به آن می دهد و در ضمن این ماده در جذب، انتقال و پراکنده سازي گرما نیزعملکرد خوبی دارد.آند را در بلوك مسی قرار میدهند تا انتقال و دفع گرما به خوبی صورت بگیرد. به دلیل اینکه در سیستمهاي قدرتمند امروزي گرماي زیادي در سطح هدف ایجاد میگردد نیاز به روشی بود که تحمل گرما را براي هدف آسان سازد، لذا آندهاي ثابت جاي خود را به آندهاي دوار دادند. این آندها مقاومت لامپ را در برابر گرماي زیاد ناشی از اکسپوژرهاي طولانی افزایش می دهند.این آندها با سرعت می گردند. هدف استفاده از آند دوار پخش گرماي ایجاد شده در خلال یک اکسپوژر، درسطح بزرگی از آند است. به دلیل تابش الکترونها به سطح آند پس از مدتی در سطح آن ناهمواري و فرورفتگی هایی مشاهده میشود که این تغییرات فیزیکی ناشی از فشارهاي حرارتی بوده و باعث کاهش خروجی لامپ اشعه می شوند به همین دلیل در ساخت آند مقداري رنیوم به تنگستن اضافه می کنند تا مقاومت سطحی آن افزایش یابد.