X ışını ve kullanım alanları
Alp Güleç - 28 Temmuz 2011 01:18
X ışını 0.01 nm ile 10 nm dalgaboyu aralığında olan elektromanyetik ışınımdır. Ultraviyole (Mor ötesi) ile Gamma ışınlarının arasındadır. Yükünleştirici ışınım sınıfına dahil olduklarından zararlı olabilmektedir. Frekansı görünür ışığın frekansından ortalama 1000 kat daha büyüktür ve X ışını fotonu görünebilir ışık fotonundan daha yüksek enerjiye sahiptir.
X ışınları kimyasal bağları kırabilecek enerjiye sahiptir. İyonize radyasyonlardır yani elektronu serbest bırakabilirler. Bu sebeple DNA’ya zarar verebilirler. Kansere, ölüme sebep olabilirler. Radyolojide kullanılan ışınlar sertlikleri dolayısıyla çok daha az soğurulduğundan çok daha az zararlıdırlar.
Dalga boyları küçük, girginlik dereceleri fazla olan X ışınına “Sert X ışını”, dalga boyları büyük, girginlik dereceleri az olan X ışınına da “Yumuşak X ışını” denilmektedir. Kristalografide 0.5-2.5 Å (yumuşak), radyolojide 0.5-1 Å (sert) dalga boylarındaki X-ışınları kullanılmaktadır. Kristalografi, malzemelerin kristal yapılarını inceleyen alt bilim dalıdır.
X ışınları hem dalga hem de tanecik özelliği göstermektedir ve bu sebeple çift karakterlidirler. Fotoelektrik soğurulma, Compton saçılması, gaz iyonizasyonu ve sintilasyon tanecik özellikleri dalga özellikleridir. Tanecik karakteri gösterenlerine ise foton denir.
X ışınları doğal veya yapay olarak meydana gelebilirler.
Doğal X ışınları, atom çekirdeği tarafından K enerji kabuğundan elektron yakalanması, alfa bozunumu, iç dönüşüm ve beta bozunumu olaylarıyla meydana gelmektedir.
Bir atoma dışardan gelen veya dışarıya gönderilen yüksek enerjili elektronlar o atomun ilk halkalarından elektronlar koparır. Atomdan kopan bu elektronun yerine de üst halkalardan elektronlar atlayarak kopan elektronun yerindeki boşluğu doldurur. Bu sırada çıkan enerji fazlalığı X ışını şeklinde dışarıya salınmaktadır. Çekirdek içerisinde bulunan protonlardan bir tanesi hareketi esnasında atomun ilk halkalarındaki elektronu yakalayıp nötrleşir. Yakalanan bu elektronun halkasındaki boşalan yere diğer bir halkadan bir elektron atlamasıyla X-ışını meydana gelebilmektedir.
Yapay X ışınları da maddenin elektron, proton veya iyonlar gibi hızlandırılmış parçacıklarla etkileşmesinden ya da X-ışını tüpünden veya başka bir uygun radyoaktif kaynağından çıkan fotonlarla etkileşmesinden meydana gelmektedir. Maddenin fotonlarla etkileşmesinden karakteristik (çizgi) X-ışınları, yüklü parçacıklarla etkileşmesinden de hem karakteristik hem de sürekli X ışınları elde edilmektedir.
X Işını tüpü X-ışını tüpü havası boşaltılmış cam bir kılıftan oluşan yüksek voltajlı bir katot ışını tüpüdür. Bir ucunda anot (pozitif elektrot), diğer ucunda katot (negatif elektrot) bulunmaktadır. Katot, ısıtıldığında elektron salan tungsten materyalinden yapılmış bir flaman olup Anot ise kalın bir çubuk ve bu çubuğun sonundaki metal hedeften oluşmaktadır.
Anot ve katot arasına yüksek voltaj uygulandığında katot flamanda elektron yayınlanır ve bu elektronlar yüksek gerilim altında anoda doğru hızlandırılır, hedefe çarpmadan önce yüksek hızlara ulaşır. Yüksek hızlı elektronlar metal hedefe çarptıklarında enerjilerini aktararak bir foton yayınlanır ve oluşan X ışını demeti cam zarfın içindeki ince cam pencereden geçer.
Etkileşime göre 2 çeşit X ışını elde edilmektedir.
Sürekli (Frenleme) X ışınları: Elektron demeti, hedef atomun çekirdeğine yaklaşırken çekirdeğin pozitif yükünden kaynaklanan elektrik alandan etkilenmekte ve ivmeli hareket yapmaya zorlanarak dışarıya fotonlar yaymaktadır. Sürekli bir enerji spektrumuna sahip bu fotonlara sürekli x-ışınları, bu olaya da bremsstrahlung veya frenleme radyasyonu adı verilmektedir.
Karakteristik X ışınları: Hedef atom üzerine gönderilen elektronların, hedef atomun yörüngesindeki elektronlarla etkileşimi sonucu aldıkları enerjiyle üst enerji seviyelerine çıkmaktadırlar. Kararsız durumdaki bu enerji seviyeleri geri bozunduğunda dışarıya foton yayınlanır. Enerjileri, seviyeleri arasındaki farka eşit olan bu fotonlara da karakteristik x ışınları adı verilmektedir.
X ışınlarının kullanım alanları
X ışınları kısa dalga boyları ve yüksek enerjileri ile birçok alanda işe yaramaktadır. Bunların en başında tıpta teşhis ve tedavi aracı olarak kullanılmaları gelir. Radyoskopi ve radyografide genellikle 500 – 200kVluk hızlandırıcı gerilimleriyle çalışan X ışını tüplerinden elde edilen kısa dalga boylu sert ışınlardan yararlanılmaktadır. Günümüzde hızlandırılan çok yüksek enerjili elektronların frenlenmeleri sonucu giderek çok daha kısa dalga boylu (yüksek frekanslı) sert X ışınlarının elde edilmesi mümkün olmakta ve bunlar kanser tedavisinde ve bazı operasyonlarda kullanılmaktadır. Ayrıca X ışınları kristal düzeni, karmaşık organik maddelerin molekül yapılarının aydınlatılmasında sık başvurulan bir bir araştırma aracıdır. Kısacası nükleer görüntüleme, tıpta ve endüstride geniş bir kullanım alanına sahiptir.
X Işınlarının tıptaki ilk kullanım alanı röntgendir.
Prensip şu şekildedir; Hasta X ışını kaynağı önüne konulur ve aynı doğru üzerinde hastanın arkasına film yerleştirilir. Yüksek enerjili fotonlar hastanın bedeninin içinden geçer ve dokuyu geçen fotonlar film üzerinde siyah bölgeler oluşturur. Foton gelmeyen bölgeler ise beyaz renkte kalır. Bu, fotoğraf filmlerindeki gümüş nitratın gelen ışık oranında kararması ile aynı prensibe dayanmaktadır. Işın düşmemiş bölgelerdeki gümüş bromür molekülleri film üzerinden alınır ve beyaz olan plastik baz ortaya çıkar. Bu işleme film banyosu adı verilmektedir.
Ayrıca fotonun dalga boyu ayarlanıp sadece kemiklerde kalması ve diğer dokuları geçmesi sağlanabilir veya mamografi gibi yumuşak dokularla ilgili konularda daha farklı dalga boyları kullanılabilir.
Gümüş bromür görüntülerinin elde edildiği yönteme konvansiyonel röntgen, vücudu geçen X ışınlarının dedektörlerle ölçülerek görüntünün bilgisayar aracılığı oluşturulduğu yönteme ise dijital röntgen adı verilmektedir. Bilgisayarlı tomografi X ışını cihazlarının en gelişmişidir ve MR cihazında olduğu gibi vücudun belli bir bölgesinin kesit görüntüsü çıkartılabilir. Bu cihazda hareketli X ışını tüpü sürekli dönerek vücudun belli bölgesini tarar ve dedektöre gelen veriler doğrultusunda görüntü işleme bilgisayarlarıyla görüntü oluşturulur.
Ek olarak X ışınları astronomide de kullanılmaktadır. Ancak X ışınları, Dünya atmosferinde soğurulduğundan X ışını teleskop ve algılayıcıları balonlarla çok yükseklere çıkartılır veya roketle gönderilerek Dünya’nın yörüngesine oturtulur. Süpernova kalıntıları, kuvazarlar başta olmak üzere uzayda birçok X ışını kaynağı bulunmaktadır.
Kaynakça
- w3.gazi.edu.tr/~mkaradag/tezler/tugcearslan.pdf
- GÜNDÜZ, EROL. (1989). “Modern Fiziğe Giriş”
- ŞAHİN, Y. (1999). “Çekirdek Fiziğinin Esasları”
- AYGÜN, E. , ZENGİN, M. (1998). “Atom ve Molekül Fiziği”
- CULLİTY B.D. (1996). X ışınlarının Difraksiyonu
- ATAMAN, G. (1971). “X-ışınlarının Kristallerdeki Kırınımına Giriş."
- taek.gov.tr
- Novelline, Robert. Squire's Fundamentals of Radiology
- hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/xray.htm
- Bushburg, Jerrold. The Essential Physics of Medical Imaging