A röntgensugár keletkezése
A RadiWiki wikiből
Tartalomjegyzék |
BEVEZETŐ
Röntgen fotonok akkor keletkeznek, amikor a katód felől érkező nagysebességű elektronok az anód fókuszterületébe csapódnak. A röntgen fotonok és gammasugarak közötti különbség csupán annyi, hogy az előbbieket mesterségesen állítjuk elő, míg az utóbbiak radioaktív anyagok bomlásából származnak. A katód körül kialakuló elektronfelhőből az anód fókuszterületéig az elektronok 1-2 cm távolságot utaznak a fénysebesség felével. A kilovolt nagyságú feszültségből származó erőt talán az előbbi példából érthetjük meg igazán, hiszen a katódnál tartózkodó 0 sebességű elektron 1-2 cm-en belül képes felgyorsulni a fénysebesség felére. Az anódba csapódó elektronokat beeső elektronoknak hívjuk, melyek hatalmas kinetikus energiájukat a fókuszterület anyaga atomjainak adja át és ezen kölcsönhatás folyamán röntgen fotonok keletkeznek. Minél nagyobb a belső elektronok mennyisége és sebessége, annál nagyobb a röntgen fotonok mennyisége és energiája. A röntgen fotonok alapvetően kétféle elektron-anyag kölcsönhatásból alakulnak ki, melyek a fókuszterület felszíne alatt 0,25-0,5 mm mélységben jönnek létre. Miután a nagysebességű elektronok a fókuszterület atomjainak leadták energiájukat, fokozatosan lelassulnak és a nagyfeszültségű áramkörben elvezetésre kerülnek. A beeső elektronok hozzávetőleg 1000 vagy még több kölcsönhatásba lépnek, mielőtt újból az áramkör részévé válnak. A röntgencsőhöz érkező elektronok potenciális energiával rendelkeznek, melyet az anód és a katód közötti feszültség (kV) határoz meg. 1 kV feszültségkülönbség esetén minden egyes elektron 1 keV energiával rendelkezik. A kV, illetve feszültségérték beállítása a röntgenkészüléken tehát az elektronok energiáját szabályozza. Az elektron és az anód atomjainak kölcsönhatása három típusba sorolható: 1. ha a beeső elektron az atomok belső elektronhéjain tartózkodó elektronokkal ütközik, karakterisztikus röntgensugárzás jön létre, 2. az atommaggal való kölcsönhatás során fékezési röntgensugárzás alakul ki, 3. ha a beeső elektronok külső héj elektronokkal ütköznek és azokat gerjesztik, hő keletkezik infravörös sugárzás formájában.
Hőtermelődés
Ahogy már korábban említettük, a nagyenergiájú elektronok és az anód kölcsönhatása folytán az elektronok kinetikus energiájának kevesebb mint 1%-a eredményezi röntgen fotonok keletkezését, több mint 99%-ban a kinetikus energia hővé alakul. Technikai fejlesztések legfőbb szempontja a keletkező hő minél hatékonyabb elvezetése. Ez a jelenség valójában a diagnosztikus röntgen foton tartományban igaz, magasabb (MeV) energiatartományban a foton keltés lényegesen hatékonyabb.
A beeső elektronok nagy kinetikus energiája folytán az anód atomjainak külső héjában ritkán okoznak ionizációt, ugyanakkor ezeket a héjelektronokat gerjeszteni tudják, mely gerjesztett külső héjelektronok az eredeti energiaszintükre visszatérve infravörös tartományú elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. Ez a leggyakrabban előforduló kölcsönhatás, mely a nagy hőtermelődést okozza.
Fékezési sugárzás (Bremsstrahlung)
A fékezési sugárzás a beeső nagyenergiájú elektron és az atommag erőterének kölcsönhatásából származik. Fékezési sugárzás tehát csak akkor jön létre, ha az elektronnak megfelelően nagy energiája van az elektronhéjak között áthaladni. Mivel az atommagnak pozitív töltése van és a beeső elektronnak pedig negatív, ezek egymást vonzzák. Ugyanakkor, ha a beeső elektron az atommaghoz túl közel kerül, az atommag erőterén az elektron nem képes áthatolni. Ezért a beeső elektron lelassul és haladási iránya megváltozik.
A fékezés során elvesztett energia röntgen fotonná alakul, mely röntgen foton energiája megegyezik a beeső és kilépő elektron energiájának különbségével. A beeső elektron kinetikus energiaveszteségét a lefékeződés során az elektronnak az atommagtól való távolsága határozza meg (34.ábra).
Nagyobb távolság esetén az energiaveszteség kisebb és ennek megfelelően alacsony energiájú fékezési sugárzás keletkezik. Kis atommag-elektron távolság esetén nagyenergiájú röntgen fotonok, illetve fékezési sugárzás jön létre. A beeső elektron valójában az atommaggal is ütközhet, mely a beeső elektron teljes kinetikus energiájának elvesztéséhez vezet, de ennek a kölcsönhatásnak jelentősége a diagnosztikus energiatartományban praktikusan nincsen.
A fékeződési folyamat során keletkező röntgen fotonok energiája a fentiekből következően más és más lehet, ezért a fékezési sugárzás energiáját csak egy folytonos energiaspektrummal írhatjuk le (35. ábra). Ezen energiaspektrumban a maximális energiájú röntgen fotonok energiája a beeső elektronok energiájával megegyezik. A 35. ábra alapján könnyen érthetővé válik, hogy az atommag közvetlen közelébe lényegesen kevesebb elektron fog „becsapódni”, mint az atommagtól távoli területeken. Egy beeső elektron számos fékezési kölcsönhatásba lép több atomban, mielőtt a kinetikus energiáját elvesztené. Az energiáját vesztett elektron ezután az áramkör részévé válik.
Karakterisztikus röntgensugárzás
Karakterisztikus röntgensugárzás akkor keletkezik, ha a beeső nagyenergiájú elektron az atom egyik belső héj-elektronjával ütközik (36. ábra). Értelemszerűen ez feltételezi, hogy a beeső elektronnak megfelelően nagy energiája van ahhoz, hogy a belső héj-elektron kötési energiáját legyőzve az atomot ionizálja. A beeső elektron a kölcsönhatás után általában tovahalad egy kicsit más irányba. Az ionizáció miatt az adott atomban „elektronlyuk” keletkezik, mely az atomot instabillá teszi és ebbe az elektronlyukba egy másik elektron ugrik. Ebbe a belső héjon lévő elektronlyukba egy külső héj-elektron ugrik be és ez a folyamat röntgen foton kibocsátással jár, mely foton energiája a két elektronhéj kötési energiájának különbségével megegyezik. Külső héjról beugró elektron a külső héjon szintén egy lyukat generál, melyet egy még külsőbb héjon tartózkodó elektron tölt meg és ez a folyamat addig folytatódik, míg a legkülső elektronhéjon is lyuk keletkezik. Ezt a folyamatot karakterisztikus kaszkádnak is hívják, mely több meghatározott energiájú röntgen foton kibocsátásával jár. A kilökött belső héj elektron általában elegendő energiával rendelkezik, hogy további kölcsön-hatásokat okozzon és ezen kölcsönhatásokból is származhatnak további röntgen fotonok.
A fékezési röntgen fotonokkal ellentétben a karakterisztikus röntgen fotonok energiája pontosan meghatározható és ennek következtében a röntgen-spektroszkópiát különböző anyagokat felépítő atomok meghatározására lehet használni (pl. csillagászat). A wolfram a nagy rendszáma miatt (74) viszonylag nagy energiájú karakterisztikus röntgen fotonok gerjesztésére alkalmas. A wolframatom 74 elektronjából 2 a K-héjon, 8 az L-héjon, 18 az M-héjon, 32 az N-héjon, 12 az O-héjon és 2 a P-héjon helyezkedik el. A kötési energiák a fenti sorrendnek megfelelően 69,5 keV, 12,1 keV (L) 2,8 keV (N), 0,6 keV (N), 0,08 keV (O). A „lyukba” eső elektron az atom bármelyik elektronhéjáról érkezhet, természetesen minél távolabbi elektron esik a lyukba, annál nagyobb energiájú karakterisztikus röntgen foton keletkezik. Így például a K-héj ionizációja során az L, az M, az N, stb. héjakról is történhet elektronpótlás. Az L-héj ionizációja során az M, N, O héjakról történik az elektronpótlás. Ebből következően különböző energiájú karakterisztikus röntgen fotonok jönnek létre (2. táblázat). Az egymással szomszédos elektronpályákról történő elektronpótlás kisebb energiájú röntgen fotonokat eredményez, mint hogyha távolabbi energiahéjról származó elektron töltené be a lyukat. Fontos megjegyezni, amint a 2. táblázatból is kitűnik, hogy valójában csak a K-héjban történő elektron-pótlásból származnak a diagnosztikában használható energiájú röntgen fotonok. Az L, M, N, stb. héjakban keletkező karakterisztikus röntgen fotonok energiája túl alacsony ahhoz, hogy a diagnosztikai képalkotás során alkalmazni lehessen őket.
2. táblázat
Emissziós spektrum
A diagnosztikai röntgen fotonok keltése során a legtöbb foton fékezési folyamat során jön létre. A karakterisztikus röntgen fotonok (wolframanód esetén) nem keletkeznek, míg a csőfeszültség a 70 kVp-t el nem éri, hiszen a wolframatom K-héj elektronjának eltávolításához 69,5 keV energiájú belső elektronokra van szükség. 80-100 kVp csőfeszültség tartományban az elsődleges sugárnyaláb 80-90%-a fékezési röntgen fotonokból, míg 10-20%-a karakterisztikus röntgen fotonokból áll. Az emissziós spektrumot a fékezési és karakterisztikus röntgen fotonok építik fel (37. ábra).
A K-héj elektronok kölcsönhatásából származó röntgen fotonok a spektrumban egy ún. karakterisztikus csúcsot hoznak létre, például 59, 69 keV értékeknél. A röntgencsőben keletkezett maximális energiájú röngen foton eV-ban megadott energiájának számértéke a csőfeszültség számértékével egyenlő. A 37. ábrából jól látható, hogy az elsődleges sugárnyaláb átlagos foton energiájának számértéke a csőfeszültségnek (kVp) csupán 30-40%-a. A mammográfiás röntgencsövekben használt molibdén anód emissziós spektruma lényegesen eltér a wolfram spektrumtól. A K-héj kölcsönhatásokból származó karakterisztikus csúcs 18 keV és az átlagos foton energia a 20-40 keV tartományban van, mely elsősorban a lágyrészek jó ábrázolását teszi lehetővé.
Most nézzük meg, hogy a röntgenkészülék használata során állítható paraméterek milyen hatással vannak az emissziós spektrumra. Amennyiben a csőáramot (mA) vagy az időt (s), azaz a mAs-t változtatjuk, lényegében az anódhoz érkező elektronok mennyiségét változtatjuk, mely az emissziós spektrum amplitúdójának növekedését, vagy csökkenését okozza (38. ábra). Ezen az ábrán a 200 és 400 mA-es spektrum között az egyetlen különbség, hogy a magasabb csőárammal kapott spektrum minden pontja kétszerese a kisebb csőárammal kapott spektrum értékeinek.
Amennyiben a csőfeszültséget változtatjuk, úgy az anódba csapódó elektronok energiája változik meg és ez esetben a spektrum jellege és amplitúdója is jellemző módon változik (39. ábra). A csőfeszültség növelésével a nagyenergiájú röntgen-fotonok, a röntgen foton tartomány is bővül, de nemcsak a nagyenergiájú röntgen-fotonok mennyisége nő, hanem az alacsonyabb energiájú fotonok száma is, mely az amplitúdó növekedését okozza. Ne feledjük el, hogy ebben az esetben az anódba csapódó elektron száma nem változik. Az amplitúdó növekedése azonban utal arra, hogy a nagyobb energiájú fotonok nagyobb számú kölcsönhatást okoznak, mely több röntgen foton keletkezésével jár.
Az emissziós spektrum jellegét szintén befolyásolja, hogy a kilépő elsődleges sugárnyaláb milyen anyagokon (ablak, védőburkolat) halad át. Bizonyára nem meglepő, hogy bármely anyagon áthaladva elsősorban az alacsony energiájú röntgen fotonok nyelődnek el, mely folyamatot szűrésnek (filterezés) nevezünk. Ez a folyamat valamelyest csökkenti az elsődleges sugárnyaláb intenzitását, ugyanakkor növeli a sugárnyaláb átlagos foton energiáját. A sugárnyaláb intenzitása mennyiségileg, míg a spektrum alakja (a fotonok energiája) minőségileg jellemzi az elsődleges sugárnyalábot.
A nagyfeszültségű generátor fázisszáma szintén hatással van az emissziós spektrumra (40. ábra). Ahogy a fázisszám növekszik, a sugárnyaláb intenzitása csakúgy, mint az átlagos foton energia is nő. Ugyanakkor a maximális foton energia változatlan marad.
Hatásfok
Az anódhoz közvetített energia csupán kis része alakul át röntgensugárzássá, az energia nagyobb része abszorbeálódik és hővé alakul. A röntgensugárzás termelésének hatásfokát a keletkezett röntgensugárzás összenergiája és a befektetett elektromos energia hányadosával fejezhetjük ki. Valójában két tényező határozza meg a röntgensugárzás termelésének hatásfokát, úgymint a csőfeszültség (kVp) és az anód rendszáma, melyet megközelítőleg az alábbi képlet ad meg: hatásfok = kV • Z • 10-6
A röntgensugárzás termelésének hatékonysága és csőfeszültség összefüggésének sajátos hatása van a gyakorlat szempontjából. Ahogy azt később látni fogjuk, a röntgencső hőleadása behatárolt, mely meghatározza, hogy milyen energiával terhelhető egy adott röntgencső. Ugyanakkor egységnyi hőre jutó röntgensugár energiamennyiség a magasabb kV tartományban jelentősen megnövekszik.
Az anód anyagának kérdése a röntgensugárzás termelése szempontjából akadémiai csupán, hiszen ezt változtatni nem tudjuk és legtöbbször wolframból készül. Kivételt képez a mammográfiás röntgencső, ahol az anód anyaga leginkább molibdén, melynek röntgensugárzás termelése kevéssé hatékony a wolframhoz képest. (Amennyiben azonos technikai faktorok mellett magasabb rendszámú anyagot használunk anódként, akkor időegység alatt nagyobb mennyiségű fékezési röntgensugárzás jön létre.)
vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája
