KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI: Energia és sugárzás

A RadiWiki wikiből

BEVEZETŐ

Az univerzum fizikai értelemben két összetevőből áll: anyagból és energiából. A legtöbb fizikai folyamatban állandó kölcsönhatás és kicserélődés áll fenn a kettő között; ez alól az orvosi képalkotás sem kivétel. Minden képalkotó módszer esetén a képek az energia és a szövetek (anyag) közti kölcsönhatásából keletkeznek. Az energiának különböző fajtáit alkalmazzák a diagnosztikai képalkotásban és részben ez az oka a különböző módszerek közti különbözőségnek.

Az emberi test belső struktúráiról úgy készíthetünk képeket, hogy egy energia-forrásból energiát viszünk magába az emberi testbe, majd a testből egy megfelelő receptorra. Bár az energiafajták különbözőek lehetnek, néhány jellemzőt azonosnak tekinthetünk a képalkotás szempontjából.

Az alapvető követelmény az, hogy a képalkotás során használt energia az emberi testen áthatoljon. A mindennapi életben a látható fény az elsődleges energiafajta, mely képi információt közvetít, ugyanakkor a fény nem tud áthatolni az emberi testen, ezért más típusú energiafajtákat kell a diagnosztikai képalkotás során használnunk.

Az elnyelődött energia nemkívánatos biológiai hatásokkal bírhat, melyet a képalkotó vizsgálat elvégzése előtt mérlegelni kell.

Egy másik alapvető jellemzője a „képalkotó” energiának, hogy az emberi test belső struktúráival kölcsönhatásba kell lépni olyan módon, hogy az hozzájáruljon a diagnosztikus kép kialakításához. Egy közös jellemzője az összes képalkotó módszernek, hogy a használt energia nagy része a szövetekben elnyelődik. Az elnyelődött energia az emberi szövetekben átalakul egy másik energiafajtává, mint például hő- és kémiai energiává. Az ilyen módon elnyelődött energia nemkívánatos biológiai hatásokkal bírhat, melyet a képalkotó vizsgálat elvégzése előtt mérlegelni kell.

A diagnosztikai képalkotásban használt energiákat két nagy csoportba oszthatjuk:

1. azon energiafajták, melyek léte anyaghoz kötött, 2. azon energiafajták, melyek léte nem anyaghoz kötött.

Az utóbbi energiafajta létezéséhez bár nem kell anyag, ezek az energiák is anyagban keletkeznek és az energiát az egyik anyagból a másikba szállítják. Ez az energiafajta a sugárzás, mely az ultrahang kivétel minden egyéb képalkotó vizsgálatnak az alapja.

Az anyag és energia megmaradás törvénye az orvosi képalkotásban is érvényes, és ahogy korábban említettük, az energiaformák egymásba átalakulnak a képalkotó vizsgálat során.

SUGÁRZÁS

Az alábbiakban a sugárzások általános felosztását ismertetjük. A sugárzás az energiatranszport azon formája, amely során az energia a sugárforrástól a másik testig jut, ahol az energia elnyelődik. Sugárforrások általában olyan anyagok és eszközök, melyek az energia valamilyen formáját sugárzássá alakítják. Néhány esetben az energiát az adott objektum tárolhatja is mielőtt az energia sugárzássá alakul (például Nap, radioaktív anyagok), más esetekben a sugárforrás nem több, mint egy energia átalakító, és az energiának másik formáját kell alkalmazni ahhoz, hogy sugárzást gerjesszünk (izzó, röntgencső). A sugárzás legtöbb formája egy bizonyos mennyiségű anyagon képes áthaladni, mégis a legtöbb esetben a sugárzási energia az anyagban abszorbeálódik és más energiaformává alakul át.

Elektromágneses sugárzás

A diagnosztikában használatos energiák esetében a sugárzást kényelmesebb részecskék terjedéseként felfogni. Így a jelenségek tárgyalása és szemléltetése is egyszerűbb és kézzelfoghatóbb. Hasonlóan helyes lenne az anyag és energia hullámterjedésével tárgyalni a jelenségeket, ez azonban összetettebb matematikai eszközrendszert igényelne. A továbbiakban tehát részecskék terjedését tárgyaljuk. A sugárzásnak két általános formáját különböztetjük meg: az egyiknél az energia kis egységeinek (fotonok), a másik sugárzási típus esetén pedig az anyag kis egységeinek, térben nagy sebességgel való terjedéséről van szó.

A fotonok energiakvantumoknak felelnek meg, melyek anyagot nem tartalmaznak. Ezt a sugárzásfajtát elektromágneses sugárzásnak hívjuk, mely nagy energiatartományt ölel fel, úgymint rádióhullámokat, fényt, röntgensugárzást, gammasugárzást.

Részecskesugárzás

A részecskesugárzás energiája a részecske mozgásából (és tömegéből) ered. Részecskesugárzás elsősorban radioaktív anyagokból a világűrből, vagy részecskegyorsító berendezésekből származhat (lineáris gyorsító, betatron, ciklotron). A részecskesugárzás az elektromágneses sugárzástól abban különbözik, hogy a részecske anyagot tartalmaz, melynek nyugalmi tömege nem zérus. A klinikai orvostudományban leggyakrabban nagy sebességű elektron-sugárzással találkozunk. A részecskesugárzást diagnosztikai képalkotás céljából nem alkalmazzák, mivel ennek a sugárzásnak kicsi a szöveteken való áthatoló képessége, illetve nem kívánatos hatással van az élő szövetekre. A röntgensugárzás és anyag kölcsönhatásakor például az energiát a röntgenfoton az elektronnak adja át, mely az anyagon belül elektronsugárzást indukál (szekunder részecskesugárzás), melynek biológiai hatása nem elhanyagolható.

Energia mértékegységek és mennyiségek

Az energia mérésére különböző mértékegységeket használnak meglehetősen nagy tartományt lefedve. A következőkben azon mértékegységeket ismertetjük, melyeket a diagnosztikai képalkotásban használunk. Az energia mértékegységek közötti alapvető különbség a jelölt energiamennyiségben, ill. az energia nagyságrendjében van.

Joule (J)

A J (Joule) az SI mértékegység rendszer alapvető energiaegysége. (SI = Le’ Systeme International d’Unités.) 1 J = 1N 1m, azaz: 1 J az az energia, amennyit 1N erő 1m úton való munkavégzéséhez szükséges. A radiológiában előforduló energiák tartományában 1 J igen nagynak számít. Az energiát a teljesítménnyel is kifejezhetjük. 1J = 1W 1s, azaz 1 J megfelel egy watt szekundumnak. Egy 100 wattos izzó másodpercenként 100 J energiát ad le. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy J mértékegységet használunk, ha nagy energia mennyiségeket kell jellemezni.

Hőegység (Heat unit, HU)

A hőegység mértékegységet a radiológiában elsősorban a röntgencső hőtermelésének kifejezésére használják, a hőegység a J 71%-ának felel meg. Ezt a mértékegységet már nem igen használják.

Elektronvolt (eV)

1 eV az az energia, amelyre egy elektron 1 V feszültséggel való gyorsítása során, mint kinetikus energia szert tesz. Az elektronvolt az energia legkisebb egysége, az elektronvolt mértékegységet és ennek többszöröseit – kiloelektronvolt (keV), megaelektronvolt (MeV) – egyedi elektronok és fotonok energiájának megjelölésére vagy jellemzésére használják. Egy egyedi fény foton energiája néhány eV-nak felel meg. A röntgen- és gammafotonok, melyeket a képalkotásban használunk, a 15-150 kiloelektronvolt tartományban vannak. Az eV és a J közti összefüggés: 1 J = 6,25 • 10¹⁸ eV.

Teljesítmény

A teljesítmény fejezi ki, hogy az energia milyen gyorsan adódik át egy adott folyamatban. A teljesítmény mértékegysége a watt (W). 1 W = 1 J/szekundum (J/s) mértékű energiaátadásnak felel meg. Ahogy korábban említettük, egy 100 W-os izzó másodpercenként 100 J energiát sugároz ki. Az orvosi képalkotásban a teljesítménnyel jellemezzük a röntgengenerátorokat, a röntgencsövek terhelhetőségét, ultrahang transzducerek energia-kibocsátását és az MR képalkotásnál a szövetek energiaterhelését.

Intenzitás

Az intenzitás a teljesítmény térbeli koncentrációját jellemzi és kifejezi, hogy egységnyi felületen keresztül egységnyi idő alatt mekkora energiamennyiség halad át. Szokásos mértékegysége a W/cm². Az intenzitás mértékegységgel jellemezhetjük a röntgensugár expozíciós értékét, az izzó fényességét, rádióhullámok erősségét, stb.

A SUGÁRZÁS KVANTUMTERMÉSZETE

Ahogy korábban említettük, a radiológiában használatos energiák esetén az elektromágneses sugárzások energiájukat egyedi fotonok formájában közvetítik. A sugárzást ezért hívják kvantumtermészetűnek, mely egy fontos koncepció a sugárzás keletkezését (emisszió) és elnyelését (abszorpció) illetően. A sugárzás elképzelhető tehát úgy, mint egyedi fotonok „zápora”, mely a térben utazik. Amikor a foton abszorbeálódik, az energiáját átadja egy elektronnak. Ennek az abszorpciónak az esélye kiváltképp akkor nagy, ha a foton energiája és az abszorbeáló elektron energiaszintje egymáshoz közel esik. Ugyanakkor a fotonok keletkezése is hasonlóan történik. Az elektron egy adott energiaszintről elmozdulhat egy másik energiaszintre, de csak oda, köztes energiaállapot nem létezik. Mivel a két állapot energiája különböző, az elektronnak energiát kell leadnia, ami egy foton emissziójával történik meg. Elmondható tehát, hogy a sugárzási fotonok keletkezése és abszorpciója energiakicserélődésből fakad. Bár a sugárzási fotonok számos fizikai mennyiséggel megkülönböztethetők, az elektromágneses sugárzások sebessége azonos; mivel az elektromágneses sugárzások leggyakrabban tapasztalt fajtája a fény, ezt a sebességet úgy ismerjük, mint fénysebesség ( kb. 3 • 10⁸ m/s.)

Ha feltételezzük, hogy egy átlagos röntgen-foton 1 m-t utazik a keletkezése és elnyelődése között, a foton átlagos élettartama kb. 3,3 • 10^-9 s lenne. A fotonokat térben nem lehet tárolni vagy megállítani. Ha a foton a sugárzási forrásban létrejött (megszületett), a térben mindaddig fénysebességgel terjed, amíg valamely anyagban nem abszorbeálódik. Rövid élettartama alatt a foton egy kis energiamennyiséget szállít a sugárforrástól az abszorbeáló anyagig.

Bár a sugárzást lehet a foton energia, a hullámhossz vagy frekvencia alapján jellemezni, az alkalmazástól függően eltérő módon jellemezzük őket (2. ábra).

2. ábra

Foton energia

A foton legfontosabb jellemzője, hogy mennyi energiát tartalmaz. A foton energiáját általában eV-ban vagy annak többszörösében adjuk meg. Az elektromágneses spektrum a frekvenciák tartományait tünteti fel, amelyek történeti és használati okokból különböző elnevezéseket kaptak. Az egyedi fotonok energiája szabja meg az elektromágneses sugárzás elnevezését, mint például fény, röntgensugár, rádióhullám, stb.

A foton energiájának fontos aspektusa, hogy az energia a sugárzás áthatoló képességével szorosan összefügg. Az alacsony energiájú röntgen-fotonokat lágy, míg a nagyobb energiájú fotonokat kemény sugárzásnak is nevezik. Legtöbb esetben a nagy energiájú röntgensugárzásnak nagyobb az áthatoló képessége, mint a lágy sugárzásoké. Ha az egyedi foton-energia vagy részecske-energia meghaladja az elektronok kötési energiáját az anyagban, az anyagon való áthaladás során a foton vagy a nagyenergiájú foton vagy részecske elektront képes kilökni a helyéről és ezzel ionizáció jön létre. A minimális ionizációs energia anyagonként más és más, attól függően, hogy az anyagot felépítő atomokban mekkora az elektronok kötési energiája. Az élő szövetekben található atomokat figyelembe véve az ionizációs energia 5 és 20 eV között lehet. Ebből kifolyólag minden sugárzás, amelynek energiája a fenti értéket meghaladja, ionizáló sugárzásnak számít. A foton-energiát általában nagy energiájú sugárzások jellemzésére alkalmazzák, például röntgensugárzás, gamma- és kozmikus sugárzás.

Frekvencia

A frekvencia az egységnyi idő alatt kialakuló rezgések illetve hullámok száma. Az elektromágneses sugárzásokra jellemző fizikai törvény kimondja, hogy a foton energiája (E) a frekvenciával (f) egyenesen arányos, azaz E = h • f, ebben az összefüggésben h a Planck állandónak felel meg (6,626 • 10^-34 Js.). Az elektromágneses spektrumból a frekvenciát az alacsony energiájú sugárzások jellemzésére használják (pl. rádió és televízió adások, mikrohullám, MRI) . Érdekes megjegyezni, hogy frekvenciát is használhatnánk röntgensugárzás jellemzésére, de ezt sehol sem alkalmazzák.

Hullámhossz

Különböző fizikai jelenségek és megfigyelések arra utalnak, hogy a sugárzásoknak hullámtermészete is van. Egy hullám legalapvetőbb jellemzője két egymást követő hullámcsúcs közötti távolság, azaz a hullámhossz (lambda). A hullámhossz egyben kifejezi, hogy egy periódus alatt a sugárzás mennyi utat tett meg a térben. A hullámhosszt bármilyen hosszúsággal és mértékegységgel kifejezhetjük. A rádió és televízió jelek relatíve nagyobb hullámhosszal rendelkeznek, melyek a méter tartományba esnek . Nagyobb energiájú fotonok, úgy mint fény vagy röntgen-fotonok esetén kisebb hosszmértékegységet alkalmazunk (nanométer, Ångström). A foton-energia és hullámhossz összefüggése: E (keV) = 1,24/lambda(nm). Mivel az energia és a hullámhossz fordítottan arányosak, a nagyobb energia kisebb hullámhosszal jár. A hullámhosszt leggyakrabban a fény esetében alkalmazzuk. A hullámhosszt általánosságban a rádiósugárzásoknál is alkalmazzák, pl. rövidhullám, középhullám, URH.

3. ábra

Elektron és energia

Az elektron az anyag legkisebb tömegű részecskéje, tömege 9,1 • 10^-31 kg, mely azt jelenti, hogy 1 kilogrammnyi tömeget 1,1 • 10³⁰ elektron ad ki. Felmerülhet a kérdés, hogy miért e kis részecske lett a modern technológia alapja. A válasz az elektronok számában rejlik – legtöbb alkalmazásban borzasztó nagy számú elektron vesz részt, pl. egy 100 W-os izzót ha felkapcsolunk, az izzószálon másodpercenként 5,2 • 10¹⁸ elektron halad át. A kis tömege mellett minden egyes elektron 1 negatív elektromos elemi töltéssel rendelkezik, pontosabban az elektron töltése, 1,6 • 10^-19 C, amelyet elemi töltésnek is nevezünk és egységnyinek tekintjük, amikor más részecskék töltéséről beszélünk. Az elektronok töltésük miatt tudnak kölcsönhatásba lépni más elektronokkal, valamint az atomon belüli egyéb részecskékkel. Mivel az elektronnak tömege és elektromos töltése is van, számos energiafajtára szert tehet. Egy röntgen-készülékben az elektron veszi fel, szállítja és adja le az energiát, mely a röntgensugár keletkezését lehetővé teszi.

Nyugalmi energia

Abban az esetben is, ha az elektron nyugalomban van, energiával rendelkezik. Valójában a fizika törvényei szerint bármely anyagnak csupán a tömege miatt is energiája van. Bizonyos körülmények között az elektron tömege energiává alakítható és vice versa. Einstein híres egyenlete az E = m • c² megadja az energia mennyiségét abban az esetben, ha a teljes tömeget energiává konvertálnánk. Ebben az összefüggésben c a fénysebességet jelöli. Bizonyos radioaktív anyagok pozitron részecskéket bocsáthatnak ki, melyek elektronnal találkozva mint anyag megsemmisülnek. Ha ez megtörténik, az elektron és a pozitron teljes tömege energiává alakul. Az einsteini összefüggés alapján egy elektron 510 keV energiát jelenthet. Ez az energia fotonként jelenik meg és a pozitronok és elektronok között létrejövő megsemmisülés a pozitron emissziós tomográfia fizikai alapját adják.

Kinetikus energia

A kinetikus energia mozgással kapcsolatos, ilyen típusú energiája van pl. mozgó autónak vagy labdának. Ha egy elektron mozog, akkor kinetikus energiával is rendelkezik. Általában egy tárgy energiája a tárgy tömegével és sebességével van összefüggésben. A kinetikus energia a tárgy tömegével és sebességének négyzetével arányos . Így a sebesség megduplázása a mozgó tárgy kinetikus energiáját négyszeresére növeli. Számos esetben az elektron rendkívül nagy sebességgel haladhat, mely sebesség megközelítheti a fénysebességet. Az energia és sebesség összefüggésére vonatkozó fent említett összefüggés ilyen sebességtartományban már nem érvényes. A relativitás elmélet értelmében az elektron tömege nagy sebesség esetén megváltozik, ezért az energia és sebesség közötti összefüggés ilyen esetekben bonyolultabbá válik . Az elektron sebessége egy röntgencsőben 100 keV fölötti csőfeszültség esetén elérheti a fénysebesség ½-ét.

A potenciális energia

A potenciális energia az energiának az a fajtája, mely a tárgy helyéből vagy konfigurációjából következik. Ez azt jelenti, hogy egy tárgynak lehet több vagy kevesebb potenciális energiája egy adott helyen egy másik helyhez viszonyítva. A potenciális energia esetén az abszolút nulla potenciális energiájú hely kijelölése bizonyos nehézségekkel járhat. Szerencsére a jelenségek értelmezéséhez a különböző helyekhez tartozó potenciális energiák különbségének ismerete elégséges, ezért relatív potenciális energiákkal szokás számolni. Érdemes megjegyezni, hogy a potenciális energia ún. konzervatív erőterekben hasznos mennyiség, ilyen az elektrosztatikus, ill. a gravitációs kölcsönhatás.

Energia kicserélődés

A különböző energiákat, valamint azok kicserélődését, illetve egymásba alakulását a 4. ábra szemlélteti. Ahogy korábban említettük a potenciális energia általában egy relatív mennyiség. Az ábrán a talaj szintjét jelöljük „0” potenciális energiával. Amikor a követ a talajtól felemeljük az egy magasabb energiaszintet jelent. Ha a követ a talaj szintje alatti lyukba helyeznénk, akkor a potenciális energiája a talaj szintjéhez képest negatívvá válna.

4. ábra

A kő az A helyzetben, tehát „0” potenciális energiával rendelkezik, mivel a kő az általunk kijelölt „0” szinten van. Ha ezt a követ felemeljük egy B helyzetbe, a potenciális energiája megnő az A helyzethez képest. Ezt az energiát a kő a követ felemelő ember izommunkájából kapja. Ha a B helyzetben lévő követ hagyjuk leesni, akkor a potenciális energia kinetikus energiává alakul át. A kő esése közben potenciális energiája folyamatosan csökken, mely potenciális energia a talajszinttől való távolsággal arányos, ugyanakkor a leeső kő sebessége és kinetikus energiája folyamatosan növekszik. Abban a pillanatban, mielőtt a kő a talajt elérné, a kinetikus energiája meg fog egyezni a korábban nyert potenciális energiával (az elektronok hasonló folyamaton mennek keresztül a röntgencsőben, amikor a potenciális energiájuk kinetikus energiává alakul). Azon pillanatban, amikor a kő eléri a talaj felszínét, több energiával fog rendelkezni, mint amikor a talajon feküdt. Ugyanakkor, amikor a D szituációban a kő nyugalomba kerül, az energiaszintje A állapottal megegyező lesz . Hová lett tehát az az energia, amelyet a kő felemelése kapcsán befektettünk? Ebben a szituációban ez az energia más energiaformákká alakul át, úgy mint hang, egy kis hőenergia, és legnagyobb részben mechanikus energia lesz belőle, mely a talaj felszínének alakját megváltoztatja. Amikor a nagysebességű elektronok különböző anyagokkal ütköznek, azok szintén elvesztik kinetikus energiájukat, és az energiájuk hővé és röntgensugárzássá alakul át.

Energia átadás

Az elektronok egyik legnagyobb és legfontosabb feladata az, hogy energiát szállítanak egy adott helyről egy másik helyre. Ahogy a korábbiakban tárgyaltuk, egy egyedi elektron számos energiaformával rendelkezhet. Az elektromos energia szállításának alapelve az, hogy az elektronok energiát vesznek fel egy bizonyos helyen, majd elmozdulnak egy másik helyre, ahol ezt az energiát leadják. Általánosságban az elektronok ezután visszatérnek az energiaforráshoz és a folyamat újra kezdődik. Az imént említett elrendezést áramkörnek hívjuk (5. ábra). Minden áramkör legalább két komponenst (eszközt) tartalmaz, melyek közül az egyiket energiaforrásnak nevezzük. Az energiaforrás valamilyen energiaformát alakít át és az energiát az elektronoknak adja (például akkumu-látor). Az áramkör másik komponense a fogyasztó, mely az előzővel lényegében ellenkező funkciót teljesít. Amikor az elektronok egy ilyen eszközön áthaladnak, elvesztik energiájukat, mely energia valamilyen más formába alakul, például egy izzó esetén az elektronok által szállított energia fénnyé és hővé alakul át.

5. ábra

Az energiaforrás és fogyasztó komponenseket két vezetővel kötjük össze, melyekben az elektron szabadon elmozdulhat. Az ideális vezeték ellenállása nulla. Ha a vezető ellenállással rendelkezik, akkor az elektronok energiájuk egy részét elveszítik, mely energiaveszteség hővé alakul. Az elektromos áramkörben nem keletkeznek és nem semmisülnek meg elektronok, hanem azok folyamatosan jelen vannak, csupán energiát nyernek és veszítenek, ahogy az elektronok az áramkörben mozognak. Az áramkörben az elektronok lényegében csak potenciális energiával rendelkeznek mert sebességük és ezért kinetikus energiájuk elhanyagolhatóan kicsi. Tehát az elektronok a vezetőben elmozdulnak, sebességük nem elegendő ahhoz, hogy igazából kinetikus energiára tegyenek szert. Amikor az elektronok térben (röntgencső) mozognak, akkor jelentős kinetikus energiára tehetnek szert. Egy tipikus elektromos áramkörben a vezető egyik szálában az elektronok nagyobb potenciális energiával rendelkeznek, mint a másik vezető szálban. Alapvetően az energiaforrás növeli az elektronok potenciális energiáját, melyek azzal mindaddig rendelkeznek, míg egy fogyasztónak (pl. izzó, villanymotor, stb.) le nem adják. Az alacsony potenciális energiájú elektronok aztán visszatérnek az energiaforráshoz. Az energiaforrás és fogyasztó közötti csatlakozási pontokat, melyeket a vezető köt össze, pozitív vagy negatív pontoknak nevezzük. A megnövekedett potenciális energiával bíró elektronok az energiaforrás negatív pontján lépnek ki, és a fogyasztó negatív pontján lépnek be. Miután energiájukat leadták, a fogyasztó pozitív pontján (pólusán) lépnek ki, és az energiaforrás pozitív pontjához térnek vissza. Következésképpen a negatív pontok közötti vezetőben (úgy mint a negatív pólus és katód) a nagyobb potenciális energiával rendelkező elektronok haladnak, míg a pozitív pontok (úgy mint anód és pozitív pólus) közötti vezetőben az alacsonyabb energiájú elektronok. Egyenáram (DC) esetén a pozitív és negatív pólus nem változik, míg váltóáram (AC) esetén az áramkör polaritása (az áram iránya) periódusonként változik.

ELEKTROMOS MENNYISÉGEK

Minden egyes elektron, mely egy áramkörben mozog, nagyon kis energiát szállít. Ugyanakkor „közös erőfeszítéssel” sok elektron rettentő nagy energiát képes szállítani. Az áramkörben szállított energia mennyisége az elektronok számától és az egyes elektronok által szállított energia nagyságától függ. Milyen paramétereken tudjuk ezt a folyamatot jellemezni?

Áramerősség

Zárt áramkörben az elektronok folyamatosan mozognak a vezetőkben. A vezető keresztmetszetén a másodpercenként keresztülhaladó töltésmennyiséget (elektronok számát) az áramerősséggel jellemezhetjük. Mivel egy tipikus áramkörben a másodpercenként áthaladó elektronok mennyisége igen nagy, ezért a folyamatot nem az áthaladó töltésmennyiséggel, hanem egy praktikusabb mértékegységgel jellemezzük: ez az amper (A). Egy amper másodpercenként 1 C nagyságú töltés, vagyis 6,25 • 10¹⁸ elektron áthaladását jelenti. Egy röntgen-készülékben az áramerősség nagysága tipikusan az amper ezredrészével, azaz milliamperrel (mA) jellemezhető, mely a fentiek szerint tehát 6,25 • 10¹⁵ elektron áthaladását jelenti másodpercenként.

Elektron mennyiség és töltés

Ne felejtsük el, hogy az elektronok negatív elektromos töltéssel is rendelkeznek. Bizonyos szituációkban az elektronok mennyiségét a teljes elektromos töltéssel is jellemezni lehet. Így például, ha egy tárgy egy plusz elektronra tesz szert, akkor negatív töltéssel fog rendelkezni. Ugyanakkor, ha egy tárgyból elektronokat mozdítunk el, a tárgy pozitív töltést nyer (feltételezzük, hogy alapállapotban a tárgy semleges töltéssel bír). Minden esetben a tárgy töltése az eltávolított vagy kapott elektronok számával arányos. Általánosságban tehát az elektronok mennyiségét a töltéssel jellemezhetjük, melynek mértékegysége a Coulomb (C).

1 Coulomb 6,25 • 10¹⁸ elektron töltésével egyenlő; l C = 1000 mAs.

Az áramkörben mozgó elektronáramlás mértékén túl gyakran szükséges egy bizonyos időtartam alatt mozgó töltésmennyiség ismerete. A röntgen berendezé-sekben ezt a töltésmennyiséget a milliampersecundum (mAs) mértékegységgel jelöljük. Egy adott ponton áthaladó töltésmennyiség tehát az áramerősség és az idő függvénye. Ha az áramerősség 1 milliamper, az azt jelenti, hogy 1 milliampersecundum az 0,001 C-nak vagyis 6,25 • 10¹⁵ elektronnak felel meg másodpercenként.

Feszültség

Ahogy korábban tárgyaltuk, az elektronok különböző potenciális energiaszinteken lehetnek úgy az atomon, mint az elektromos áramkörön belüli lokalizációjuknak megfelelően. Az áramkörben az elektronok a negatív pólusból kiinduló vezetőben rendelkeznek magasabb potenciális energiaszinttel. Az a mennyiség, amely az áramkörben a magasabb és az alacsonyabb potenciális energiaszintek közötti különbséget jellemzi, a feszültség, melynek mértékegysége a Volt (V) .

Az áramkör két oldala közötti potenciális energiakülönbség a feszültséggel arányos. Amennyiben két pont között az elektromos feszültség 1 V, akkor egy elektron számára a két pont közötti potenciális energiakülönbség 1 elektronvolt. Egy átlagos röntgenkészülék áramkörében a tipikus feszültségérték az 1000 V (kV) tartományban van.

Teljesítmény

A teljesítmény az a mennyiség, mellyel az energiaátadás sebességét jellemezzük. A teljesítmény mértékegysége a Watt (W); 1 W az 1 J/s sebességű energiaátadást jelent, azaz 1 J energia átadása történik meg 1 másodperc alatt. Az elektromos áramkörben a teljesítmény az elektronok által szállított energiával és az elektronok áramlásával arányos, azaz: teljesítmény (W) = feszültség (V) • áramerősség (A).

Teljes energia

Az áramkör által átadott teljes energia mennyiséget a feszültség, az áramerősség, valamint az energiaátadás időtartama határozza meg. Az áramkör által szállított energiát az alábbi összefüggés alapján kapjuk meg: energia (J) = feszültség (V) • áramkör (A) • idő (s).

A RÖNTGENBERENDEZÉS ÁRAMKÖRE

A 6. ábra a röntgenberendezés leegyszerűsített állapotát mutatja. A tápegység (energiaforrás) adja át az energiát az elektronoknak, melyek a röntgencső (fogyasztó) felé mozdulnak. A vezetők közti feszültségkülönbség a 30.000 –120.000 V-os (30 – 120 kV) tartományban van, mely feszültségérték állítható és a röntgenkészüléket üzemeltető személy a felvétel igényeinek megfelelően határozhat meg. Az áramkörben a röntgencső jelenti a fogyasztót, ahol az elektronok elvesztik energiájukat, melynek eredményeképpen hő- és röntgensugárzás keletkezik.

6. ábra

VÁLTÓÁRAM

Bizonyos elektromos áramkörökben a feszültség és áramerősség időben nem változik, és ennek megfelelően az elektronok egy irányban mozognak. Ezt az áramkört nevezzük egyenáramú áramkörnek. Minden elemmel vagy akkumulátorral működő áramkör egyenáramú. Más tápegységek időben változó feszültséget hozhatnak létre. Mivel az áramkörben az elektronok mozgása a feszültséggel többé-kevésbé arányos, ezért az áram is változtatja értékét. A váltóáramú áramkörben a feszültség periodikusan változtatja a polaritását és az áram is ennek megfelelően változtatja az irányát. A villamos szolgáltatók által biztosított elektromos áram is váltóáram. A váltóáram használhatóságban számos előny mutatkozik, mint például transzformátorok és elektromos motorok esetén .

Ha a váltóáram feszültség vagy áramerősség értékeit az idő függvényében ábrázoljuk, akkor a 7. ábra szerinti függvényt kapjuk. A gyakorlatban alkalmazott váltóáram szinuszhullámmal jellemezhető. A váltóáram egyik fontos jellemzője a frekvencia, mely egy teljes feszültség-periódus időtartamának reciproka. Az Európában használt váltóáram frekvenciája 50 periódus/másodperc (Hertz (Hz)) (1 Hz = 1 periódus/s).

7. ábra

A feszültség-periódus során a pillanatnyi feszültségérték folyamatosan változik. Egy adott perióduson belül a feszültség két csúcsértéket ér el egy igen rövid időre, mely egyben azt is jelenti, hogy az áramkörben a feszültség effektív értéke (abszolút értékének átlaga) a csúcsfeszültségnél alacsonyabb értékű. Ezért az energia és teljesítményszámításoknál ennél alacsonyabb értékkel számolunk, mely szinuszos feszültséghullám esetén a csúcsfeszültség 70,7%-a . Ezt az értéket hullámforma állandónak hívják, mely érték értelemszerűen a feszültséghullám alakjától függ.

vissza a tartalomhoz: KÉPALKOTÁS ESZKÖZEI - avagy az orvosi képalkotás fizikája