تبلیغات
دانستنیهایی مفید ازهمه جا ،از همه چیز ،برای همه - آیا می دانید اشعه ایكس چیست وچه كاربردی دارد ؟
  • تعداد مطالب :
  • آخرین بروزرسانی :
  • تعداد افراد آنلاین :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :

entry آیا می دانید اشعه ایكس چیست وچه كاربردی دارد ؟

اشعه ایكس


اشعه x

جنس و منشاء ـ نحوه تولید ـ لامپ اشعه x

مقدمه ـ اشعه x، در سال 1895 توسط فیزیكدان آلمانی رنتگن زمانی كه مشغول مطالعه و تجربه بر روی اشعه كاتدی در لوله كروكس بود كشف گردید. لوله كروكس از یك لوله شیشه ای كه فشار هوای داخل آن تا كسری از میلیمتر جیوه (حدود 1.ر. تا 1..ر.) كاهش یافته و در دو سر لوله، دو الكترود كه بین آنها اختلاف پتانسیل شدیدی (حدود چند هزار ولت) برقرار می باشد، تشكیل شده است. رنتگن در زمان آزمایش یعنی تخلیه الكتریكی و تولید اشعه كاتدی (پرتوی از الكترون ها) در لوله مزبور، مشاهده نمود، یك قطعه شیشه آغشته به سولفید روی كه در فاصله كوتاهی از لوله قرار دارد درخشان می گردد. این درخشندگی حتی در زمانی كه لوله را با كاغذ سیاه نیز می پوشاند وجود داشت. به این ترتیب رنتگن نتیجه گرفت كه كیفیت مزبور (درخشندگی) مربوط به پدیده فلورسانس در شیشه، به وسیله اشعه ای است كه تا كنون شناخته نشده است. به همیت علت نام آن اشعه را ایكس  (X)كه نشانگر كیفیت مجهول آن بود گذشت.

اگر چه امروزه لوله های اشعه X جدید شباهت چندانی با لوله كروكس و بخصوص با لوله تخلیه الكتریكی رنتگن ندارد، معهذا، مكانیسم تولید اشعه X همچنان یكی است و آن توقف ناگهانی الكترون های سریع السیر می باشد، كه در این عمل قسمت كوچكی از انرژی جنبشی الكترون به اشعه الكترومنیتیك تبدیل می گردد.

 

جنس و منشا اشعه X

به طور كلی اشعه ایكس، پرتوهای الكترومنیتیك یونیزانی هستند كه از تبدیا انرژی جنبشی (K.E) و یا انرژی پتانسیل (P.E) الكترون ها به پرتوهای الكترونیتیك بوجود می آیند. بر اساس تعریف فوق، 3 خصلت اصلی كه در حقیقت ماهیت اشعه X را بیان می دارند مشخص میگردند:

1ـ اشعهX، از جنس پرتوهای الكترومنیتیك می باشد. لذا كلیه خصوصیات مشترك بین پرتوهای الكترومیتیك را داراست.

2ـ پرتوهای X یونیزان می باشند، یعنی دارای انرژی كافی برای یونیزاسیون اتم ها و ملكول ها هستند.

3ـ پرتوهای X نتیجه تبدیل انرژی جنبشی یا پتانسیل الكترون ها به فرم دیگری از انرژی می باشند كه به این ترتیب تمایز اساسی موجود بین اشعه X و r مشخص می گردد. زیرا پرتوهای r نیز از پرتوهای الكترومنیتیك یونیزان هستند با این تفاوت كه از هسته های عناصر رادیو اكتیو تابش می گردند. بنابراین تمایز و تفاوت بین اشعه X و r منحصراً در منشاء آنهاست به طوری كه با عدم آگاهی از منشاء تولید، یك فوتون r از یك فوتون X قابل تشخیص و تمیز نمی باشد.

مكانیسم تولید پرتوهای X

به طور كلی، بمباران مواد به وسیله الكترونهای سریع السیر تولید پرتوهای  X می نماید.

مطالعه فرایندهای تولید اشعه X در اثر برخورد الكترون سریع السیر با ماده كه اصطلاحاً آنرا هدف می نامند، حائز كمال اهمیت است. طیف پرتئهای ایكس منتشره از هدف یك طیف مختلط یعنی شامل طیف پیوسته و طیف خطی یا اختصاصی می باشد.

به عبارت ساده تر كلیه پرتوهای منتشره از هدف دارای انرژی یكسان (مونوانرژیتیك) نبوده بلكه تمام مقادیر انرژی (از صفر تا ماگزیمم) را دارا می باشند. علاوه بر آن، مكانیسم تولید همه فوتون ها نیز یكسان نیست بلكه با مكانیسم های كاملاً متفاوت تولید می گردند.

انواع برخوردهای الكترون سزیع السیر با هدف

به طور كلی، یك الكترون سریع السیر (با انرژی زیاد) می بایست تصادم و برخوردهای فراوانی داشته باشد تا كلیه انرژی خود را از دست بدهد. در هر برخورد، مسیر حركت الكترون تغییز می یابد (بخصوص در مورد الكترون های كم انرژی) در نتیجه مسیر الكترون ها در لایه های هدف بسیار پیچاپیچ خواهد بود. الكترون ها با دو فرایند اساسی و كاملاً متمایز انرژی خود را از دست می دهند.

اشعه مسیر (h)

گاهی الكترون سریع السیر بدون برخورد با الكترون های محیطی اتم، به هسته اتم نزدیك می گردد و انرژی خود را به طور موثر از طریق تشعشع از دست می دهد. در این حالت الكترون اولیه تحت تاثیر نیروی الكتروستاتیكی شدید بین هسته (با بار مثبت) و خود الكترون (با بار منفی) از مسیر اصلی كاملاً منحرف و یك مداری به دور هسته می سازد. به این ترتیب با تغییر مسیر (یا انحراف) مقداری از انرژی الكترون كاهش می یابد. انرژی از دست رفته به صورت یك فوتون با انرژی hv ظاهر می شود، در نتیجه انرژی الكترون كاهش می یابد. در یك حالت خاص از نوع برخود تشعشعی، الكترون اولیه ممكن است به طور ناگهانی سرعتش كاهش یافته و متوقف گردد (ترمز ناگهانی)، كه در این صورت همانند حالت بل انرژی از دست رفته به صورت تشعشع صادر می شود. به اشعه فوق به علت كیفیت یاد شده كه یك واژه آلمانی و به معنی اشعه ترمزی است اطلاق می گردد.

اشعه اختصاصی

 تابش K، زمانی تولید می شود كه یك الكترون K از اتم به خارج پرتاب گردد و تابش L، زمانی كه یك الكترون L و به همین ترتیب سایر تابش های اختصاصی اتم با پرتاب شدن الكترونی از مدار مربوطه ایجاد می گردند. برای فهم بیشتر مكانیسم تولید اشعه اختصاصی، مطالعه دقیقتر سطوح انرژی اتم بیش از آنچه كه در دیاگرام (4) از فصل اول عرضه شد، ضروری است. تحقیقات كاملتر در خصوص ترازهای انرژی اتم، نشان می دهد كه در تحقیقات لایه  Yیه L از 3 لایه فرعی LIII,LII ,LI ولایه M از 5 لایه فرعی ( M تا M) و لایه N از 7 لایه فرعی تشكیل شده است. انرژی هر یك از لایه های به دقت بسیار زیاد اندازه گیری گردیده عناصر با عدد اتمی پایین مانند: اكسیژن و آلومنیم فاقد الكترون در مدار N هستند.

یكی از سنگین ترین عناصر اورانیم، دارای الكترون كافی برای پر كردن كلیه لایه های M و N و حتی برخی از لایه های P میباشد. بنابراین ولتاژ لازم جهت تحریك هر یك از سطوح نیز بر حسب كیلو وات خواهد بود. برای مثال، در تنگستن 69.51KV جهت بیرون فرستادن الكترون K از اتم ضروری است. اگر چنین ولتاژی تامین گردد، در آن صورت تمام خطوط (طیفی)  K، ظاهر می گردد و به همین ترتیب اگر 12.094KV اختلاف پتانسیل برقرار باشد، الكترون های لایه LI   به خارجپرتاب خواهند شد و كلیه خطوطLI   تولید میشوند.

توضیح كاملتر آنكه وقتی الكترونی، مثلاً الكترون K از لایه یا اتم مربوطه به بیرون پرتاب شود، فضای خالی (یا حفره) ایجاد شده در لایه  K، ممكن است به وسیله یك الكترون از لایه های L یا M ویا N پرتاب گردد. وقتی الكترون مزبور از لایه خود به لایه K (یا لایه هائی كه حاوی حفره میباشند) حركت می نماید، گویند انتقال صورت گرفته است.

اشعه سفید

در ابتدای این فصل، مكانیسم تولید اشعه سفید یا طیف پیوسته پرتوهای  X مورد برسی قرار گرفت. به طور كلی طیف اشعه سفید برای یك هدف نازك بدان حد كه هر الكترون سریع السیر در موقع عبور از میان هدف به طور متوسط یك برخورد را تحمل نماید، با دقت كافی قابل پیش بینی و توجیه است. تئوری مقدماتی نشان می دهد كه توضیع طیفی در این حالت می بایست به صورت خطOA1E1 باشد. لذا براساس این تئوری شدت اشعه منتشره به صفر سقوط می نماید، ثابت است. از آنجا كه شدت، حاصلضرب تعداد فوتون های منتشره (N) در انرژی آنها (E) می باشد، بنابراین فوتونی با انرژی E1    می بایست دو برابر فوتون با انرژی E1 تولید گردد.

توزیع اشعه ایكس (X) در فضا ـ (توزیع زاویه ای)

اگر شعاعی از الكترون های كم انرژی به یك هدف خیلی نازك برخورد نماید، پرتوهای ایكس با زاویه قائم نسبت به شعاع الكترون تابش می گردند. زاویه پرتوهای ایكس تولید شده در اثر بمباران یك لایه آلومینیم به ضخامت 200A توسط الكترون هائی با انرژی 34Kev می باشد. شدت پرتوها در جهت كوچك و شدت در جهت عقب صفر است. با افرایش انرژی الكترون های بمباران كننده، دو گوشه پهن منحنی A، در سمت جلو به هم چسبیده و تمام اشعه در جهت جلو منتشر و توزیع می گردد.

لامپ اشعه X

از آنجا كه برخورد الكترون های سریع السیر با ماده یا در عمل، بمباران یك ماده توسط الكترون ها با اتم ها یا ملكولهای بین راه به حداقل برسد. منابع الكترون نیز متفاوت است، مهمترین طریقه تولید الكترون استفاده از پدیده ترمی یونیك یا اثر ادیسون یعنی نشر الكترون از سطح یك فلز در اثر حرارت می باشد.

امروزه شتاب دادن الكترون یا هر ذره باردار، با روش های بسیار متفاوت صورت می گیرد (توسط میدانهای مغناطیسی یا الكتریكی) كه پرداختن به آنها از موضوع مورد بحث خارج است. اما به طور كلی در رادیولوژی (اشعه ایكس تشخیصی)، الكترون ها توسط یك میدان الكتریكی یعنی با ایجاد یك اختلاف پتانسیل شدید بین منبع الكترون و هدف شتاب می گیرند.

مدار ساده اشعه X (مدار خود یكسو كننده) 

هر چند كه در همه مدارها اصول ثابتی حكمفرماست. از آنجمله كلیه مدارهای اشعه ایكس شامل یك تامین كننده انرژی الكتریكی جهت گرم نمودن رشته كاتدی به منظور و قوع ترمی یدنیك (تولید الكترون) می باشند. همچنین در كلیه مدارهای اشعه ایكس وجود یك تامین كننده ولتاژ زیاد جهت شتاب دادن الكترون ها در طول لامپ ضروری است. آنچه كه سبب اختلاف و تمایز مدارها می گردد، نوع تامین كننده ها و به دنبال آن ابزار و وسائل الكترونیكی است كه می بایست جهت انطباق و تبدیل یا تقویت و تضعیف به كار روند. در عمل باطریهای با ولتاژ زیاد وجود ندارند، بلكه در كلیه دستگاههای اشعه X هر دو تامین كننده، جریان متناوب یعنی برق شهر خواهد بود.

به هر صورت، درجه حرارت رشته كاتدی به وسیله تامین كننده رشته كنترل می گردد و تغییرات درجه حرارت رشته نیز تعداد الكترون های آزاد شده را مشخص می نماید. از آنجا كه تمام الكترون های آزاد شده تحت تاثیر میدان الكتریكی شدید به طرف آند كشیده می شوند، بنابراین درجه حرارت رشته، مشخص كننده شدت جریان لامپ می باشد بدین نحو كه كوچكترین افزایشی در درجه حرارت رشته باعث افزایش شدید جریان لامپ می گردد و برعكس.

 

لامپ های اشعه X تشخیصی

لامپ های اشعه X تشخیصی، جهت تولید تصاویری با لبه نازك از مواد بیولوژیك یا به بیان ساده تر، به منظور گرفتن تصاویری واضح و روشن از اندامها و بافتهای بدن، طرحی می گردند. برای آنكه تصاویر اشعه X ،sharp باشند، لازم است كه پرتوهای X، از یك منطقه بسیار كوچكی از آند خارج شوند تا آنجا كه چشم اشعه X به صورت یك نقطه در آید. اما در عمل چنین نقطه ای هرگز وجود ندارد.

دومین خصیصه ضروری یك لامپ تشخیصی آن است كه، شدت پرتوهای ایكس خروجی از چشمه نقطه ای فوق می بایست به حد كافی زیاد باشد تا قادر به گرفتن تصویر از یك شی متحرك در زمان بسیار كوتاه گردد، زیرا فقط در چنین شرایطی (چشمه نقطه ای و شدت پرتوها زیاد) است كه می توان حركت یك شی را با اصطلاح (متوقف) و از آن تصویری به دست آورد. به همین دلیل لامپهای تشخیصی، علاوه بر كوچك بودن چشمه تا حدی امكان، می بایست طوری طراحی شوند كه با شدت جریانهای زیاد  )تا (500 ma  آن هم برای زمانهای تابش بسیار كوتاه عمل نمایند.

با توجه به مطالب فوق دو نوع لامپ تشخیصی، یكی با آند ثابت و كانون خطی و دیگری با آند گردانده طراحی می گردند.

لامپ های اشعه X درمانی

ویژگیها و مسائل مربوط به طراحی یك لامپ درمانی با آنچه كه در خصوص لامپ های تشخیصی ملاحظه گردید كاملاً متفاوت می باشند. در یك لامپ درمانی، انرژی لحظه ای ورودی به لامپ در مقابل انرژی لحظه ای ورودی به لامپ تشخیصی كوچك است (حدود یك دهم) اما میانگین یا مجموع انرژی ورودی به لامپ درمانی خیلی بیشتر خواهد بود (از 100 تا 1000 برابر). در یك لامپ درمانی، نقطه كانونی در مقایسه با لامپ های تشخیصی بزرگ طراحی می شود، در نتیجه مشكلی در خصوص تحمل انرژی لحظه ای وردی در آند وجود نخواهد داشت، اما در مقابل یك مكانیسم دقیق جهت برطرف نمودن حرارت تولید شده در آند به طور پیوسته ضروری است. لامپ های درمانی مدرن در درون روغن جای می گیرند و به این ترتیب، مسأله اساسی در انتقال حرارت از آند به روغن و از روغن به خارج می باشد.

در بعضی از دستگاهها، سیستم خنك كننده آب و در بعضی دیگر روغن است كه در درون یك آند میان تهی گردش می نماید.

ساختمان ساده آند به علت پدیده انتشار ثانویه برای الكترون هائی با انرژی بیش از 200 كیلو وات مناسب نمی باشد. وقتی الكترون سریع السیری (پر انرژی) با هدف برخورد نماید، تعدادی الكترون، از اتمهای هدف به خارج پرتاب می شوند (الكترون های ثانویه)، این الكترون ها اگر پس از خارج شدن از هدف به محفظه شیشه ای لامپ برسند، می توانند بار الكتریكی و در نتیجه یك میدان الكتریكی كافی در جدار شیشه ای لامپ به وجود آورند، به حدی كه مانع از تمركز الكترون های سریع السیر بر روی هدف گردند.

به عبارت دیگر، رسیدن الكترون های ثانویه به جدار شیشه ای، انحرافی در میدان الكتركی شتاب دهنده الكترون های اولیه ایجاد می نماید. علاوه بر آن الكترون های ثانویه می توانند محفظه شیشه ای لامپ را سوراخ نمایند كه تخریب كامل لامپ را به دنبال خواهد داشت. از طرف دیگر، وقتی این الكترون ها به وسیله جدار شیشه ای یا سایر قسمت های لامپ متوقف گردند، به نوبه خود پرتو ایكس تولید می نمایند، این پرتوها مشكلات اساسی در ایجاد یك تصویر توسط پرتوهای ایكس كه در رادیولوژی فوق العاده مورد توجه است پدید می آورند.مدار اشعه X با استفاده از یكسو كننده ها

بمباران شدید هدف تنگستن توسط الكترون های اولیه، می تواند درجه حرارت هدف را به حدی رساند كه نشر الكترون از سطح آن صورت گیرد (وقوع پدیده ترمی یونیك در آند یا هدف). بروز چنین پدیده ای بدان معنی است كه در نیم سیكل (یا نیم پریود) كه رشته كاتد مثبت و آند منفی می باشد، الكترون های مزبور از آند به طرف كاتد حركت خواهند نمود. در این قسمت از سیكل ولتاژ (یا جریان) را سیكل معكوس می نامند اگر در مدتی كه سیكل معكوس برقرار است عمل هدایت در لامپ مطابق فرآیند فوق انجام شود، در آن صورت رشته گرم و ظریف كاتدی بر اثر بمباران الكترون ها تخریب و در نتیجه لامپ اشعه X خواهد سوخت. به این ترتیب اگر یك لامپ در شرایطی قرار گیرد كه هدف بسیار داغ (ملتهب) شود، لذا می بایست به طریقی از بمباران كاتدی توسط الكترون های خارج شده از آند در سیكل معكوس جلوگیری نمود. چنین عملی با استفاده از یكسو كننده های ولتاژ زیاد میسر می باشد.

مهمترین انواع یكسو كننده ها كه در مدارهای اشعه ایكس به كار می روند عبارتند از: لامپ های یكسو كننده یا Valve Rectifiers و یكسو كننده های خشك یا جامد.

لامپ های یكسو كننده (لامپ های دو قطبی)

یك لامپ یكسو كننده ولتاژ زیاد، تشكیل شده از یك محفظه شیشه ای یا فلزی خالی از هوا كه درون آن یك رشته تنگستن به عنوان كاتد و یك آند به صورت صفحه قرار می گیرد. در حقیقت ساختمان لامپ های دو قطبی تفاوت چندانی با لامپ اشعه X ندارند. در اثر عبور جریان الكتریسیته از رشته كاتد و ایجاد حرارت و به دنبال آن وقوع پدیده ترمی یونیك، الكترون های منتشره از رشته به طرف آند كه دارای بار الكتریكی مثبت است جذب می گردند. به این ترتیب زمانی جریان از لامپ عبور خواهد نمود كه حتماً كاتد منفی و آند مثبت باشد و برعكس وقتی آند منفی گردد هدایت جریان متوقف می شود. یكسو كنندها فقط جریان الكتریكی را در جهت فلش هدایت می نمایند یعنی در نیم سیكل كه انتهای A ترانسفورماتور مثبت است، جریان از لامپ یكسو كننده و لامپ اشعه X عبور نموده اما در نیم سیكل بعدی (سیكل معكوس) كه B مثبت است، یكسو كننده جریان را هدایت نخواهد نمود.

به طور كلی باید دانست وقتی لامپ های اشعه X در ولتاژهای پایین عمل می كنند یكسو كننده ها خدمات و استفاده كمتری را ارائه می دهند زیرا كه هدف سرد است، اما زمانی كه هدف ملتهب باشد در آن صورت یكسو كننده ها با جلوگیری از هدایت جریان متوقف می شود.

یكسو كننده ها فقط جریان الكتریكی را در جهت فلش هدایت مینمایند یعنی در نیم سیكل كه انتهای A ترانسفورماتور مثبت است، جریان از لامپ یكسو كننده و لامپ اشعه X عبور نموده اما در نیم سیكل بعدی (سیكل معكوس) كه B مثبت است، یكسو كننده جریان را هدایت نخواهد نمود.

به طور كلی باید دانست وقتی لامپ های اشعه X  درولتاژهای پایین عمل میكنند یكسو كننده ها خدمات و استفاده كمتری را ارائه میدهند زیرا كه هدف سرد است ، اما زمانی كه هدف ملتهب باشد در آن صورت یكسو كننده ها با جلو گری از هدایت جریان در سیكل مهكوس ، خدمت اصلی خویش را عرضه می دارند.

                                                          

برچسب ها :اشعه ایكس ,رونتگن ,الكترون ,یونیزه ,

author نوشته: سعید طهماسبی دهكردی date تاریخ: شنبه 3 بهمن 1388 date نظر