تولید اشعه ایکس مبتنی بر برهمکنش الکترونهای پرانرژی با ماده هدف در شرایط کنترلشده است. درک اصول فیزیکی این فرآیند برای تحلیل کیفیت پرتو، بازده تولید، توزیع انرژی فوتونها و همچنین ملاحظات دوز و حفاظت پرتویی ضروری است. این بخش به تشریح دقیق سازوکارهای تولید اشعه ایکس، اجزای لامپ مولد، و عوامل مؤثر بر ویژگیهای پرتو خروجی میپردازد.
ماهیت اشعه ایکس
اشعه ایکس بخشی از طیف الکترومغناطیسی با طول موجی در حدود 10 به توان منفی 8 تا 10 به توان منفی 12 متر و انرژی فوتونی در بازه چند کیلوالکترونولت تا چند صد کیلوالکترونولت است. این تابش فاقد جرم سکون و بار الکتریکی بوده و با سرعت نور در خلأ منتشر میشود. تولید اشعه ایکس مستلزم تبدیل انرژی جنبشی الکترونها به انرژی تابشی از طریق فرآیندهای الکترونی-اتمی است.
ساختار کلی لامپ مولد اشعه ایکس
لامپ اشعه ایکس (X-ray tube) هسته اصلی سیستم تولید اشعه ایکس محسوب میشود و بهطور کلی از اجزای زیر تشکیل شده است:
کاتد
کاتد شامل یک یا دو فیلامان تنگستنی است که درون یک محفظه متمرکزکننده (Focusing cup) قرار دارد. با عبور جریان الکتریکی از فیلامان، فرآیند گسیل گرمایونی (Thermionic emission) رخ میدهد و الکترونها از سطح فلز آزاد میشوند. شدت جریان فیلامان تعیینکننده تعداد الکترونهای آزادشده و در نتیجه شدت پرتو اشعه ایکس تولیدی است.
آند
آند معمولاً از فلز تنگستن ساخته میشود که به دلیل عدد اتمی بالا، نقطه ذوب زیاد و بازده مناسب در تولید اشعه ایکس انتخاب شده است. آند میتواند بهصورت ثابت یا چرخان باشد. در آندهای چرخان، توزیع حرارت روی سطح وسیعتری انجام میشود که امکان استفاده از جریانهای بالاتر را فراهم میسازد.
محفظه خلأ
وجود خلأ بالا درون لامپ اشعه ایکس برای جلوگیری از برخورد الکترونها با مولکولهای هوا و کاهش اتلاف انرژی ضروری است. این خلأ همچنین از اکسید شدن فیلامان و کاهش عمر لامپ جلوگیری میکند.
شتابدهی الکترونها
با اعمال اختلاف پتانسیل بالا (در حد دهها تا صدها کیلوولت) بین کاتد و آند، الکترونهای آزادشده از فیلامان با انرژی جنبشی زیاد بهسوی آند شتاب میگیرند. انرژی جنبشی هر الکترون بهطور مستقیم با ولتاژ اعمالی رابطه دارد و طبق رابطه زیر بیان میشود:
E = eV
که در آن E انرژی جنبشی الکترون، e بار الکتریکی الکترون و V ولتاژ لامپ است.
فرآیندهای تولید اشعه ایکس
هنگامی که الکترونهای پرانرژی به هدف فلزی آند برخورد میکنند، دو فرآیند فیزیکی اصلی منجر به تولید اشعه ایکس میشود:
تابش ترمزی(Bremsstrahlung)
تابش ترمزی که به آن «تابش پیوسته» نیز گفته میشود، ناشی از کاهش سرعت الکترونها در میدان الکتریکی هسته اتمهای هدف است. در این فرآیند:
- الکترون هنگام عبور از نزدیکی هسته، دچار انحراف و کاهش انرژی میشود
- انرژی ازدسترفته بهصورت یک فوتون اشعه ایکس گسیل میگردد
- طیف حاصل پیوسته بوده و شامل گسترهای از انرژیهاست
حداکثر انرژی فوتونهای ترمزی برابر با انرژی اولیه الکترونهای برخوردکننده است و حداقل طول موج تولیدی توسط قانون دوئن-هانت (Duane-Hunt law) تعیین میشود.
تابش مشخصه(Characteristic radiation)
تابش مشخصه زمانی تولید میشود که الکترونهای پرانرژی، الکترونهای لایههای داخلی اتم هدف (معمولاً لایه K یا L) را خارج کنند. در نتیجه:
- جای خالی ایجادشده توسط الکترونی از لایه بالاتر پر میشود
- اختلاف انرژی بین دو تراز بهصورت فوتون اشعه ایکس گسیل میشود
- انرژی این فوتونها کاملاً مشخص و وابسته به نوع عنصر هدف است
به همین دلیل، خطوط طیفی حاصل بهعنوان «مشخصه» شناخته میشوند (مانند خطوط Kα و Kβ تنگستن).
بازده تولید اشعه ایکس
بیش از ۹۹٪ انرژی الکترونهای برخوردکننده به حرارت تبدیل میشود و کمتر از ۱٪ آن به اشعه ایکس اختصاص مییابد. بازده تولید به عوامل زیر وابسته است:
- عدد اتمی ماده هدف
- ولتاژ لامپ
- جریان الکترونی
این بازده پایین دلیل اصلی استفاده از سیستمهای خنککننده و طراحی خاص آند است.
اثر زاویه آند(Heel Effect)
زاویه قرارگیری آند باعث میشود شدت پرتو اشعه ایکس در جهتهای مختلف ناهمگن باشد. این پدیده که به اثر پاشنهای معروف است، در طراحی سیستمهای تصویربرداری برای بهینهسازی کیفیت تصویر مورد توجه قرار میگیرد.
عوامل مؤثر بر طیف اشعه ایکس خروجی
ویژگیهای پرتو خروجی اشعه ایکس تحت تأثیر عوامل متعددی قرار دارد، از جمله:
- ولتاژ لامپ (kVp)
- جریان لامپ (mA)
- نوع ماده هدف
- فیلترهای جذبکننده
- ضخامت و جنس پنجره لامپ
جمعبندی
تولید اشعه ایکس نتیجه تعامل پیچیده میان الکترونهای شتابگرفته و ساختار اتمی ماده هدف است. شناخت دقیق این فرآیندها برای کنترل کیفیت پرتو، کاهش دوز بیمار و بهینهسازی تصویربرداری تشخیصی ضروری است و زیربنای علمی فناوریهای پیشرفته رادیولوژی محسوب میشود