Interaksi sinar-X

 A. Mekanisme Penyinaran sinar-X

Sinar-X yang dipancarkan dari sistem pembangkit sinar-X merupakan pancaran foton dari interaksi elektron dengan inti atom di anoda. Pancaran foton tiap satuan luas disebut penyinaran atau exposure. Foton yang dihasilkan dari sistem pembangkit sinar-X dipancarkan ketika elektron menumbuk anoda. Beda tegangan antara katoda dan anoda menetukan besar energi sinar-X, juga mempengaruhi pancaran sinar-X. Dilihat dari spektrumnya sinar-X dibedakan menjadi 2 yaitu sinar-X kontinyu dan sinar-X karasteristik.

Sinar-X merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek. Hal ini dipertegas dengan penelitian Friedsish dan Knipýing pada tahun 1912, yang mengemukakan bahwa panjang gelombang sinar-X sama dengan sinar ultraviolet yaitu gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang pendek (Van Der Plassts, 1972).

Interaksi dengan materi terjadi bila sinar-X ditembakkan pada suatu bahan. Sinar-X yang ditembakkan mempunyai energi yang lebih tinggi sehingga mampu mengeksitasi elektron-elektron dalam atom sasarannya.

B. Pembentukan Sinar-X

Sinar-X ditemukan pertama kali oleh Wilhelm C. Rontgen pada tahun 1895 dari universitas Worzburg jerman. Penemuan ini berawal dari pemberian beda potensial antara katoda dan anoda hingga beberapa kilovolt pada tabung sinar-X. Perbedaan potensial yang besar ini mampu menimbulkan arus elektron sehingga elektron-elektron yang dipancarkan akibat pemanasan filamen akan dipercepat menuju target dalam sebuah tabung hampa udara. Gambar 2.1 berikut ini adalah

 

Keterangan gambar:

1. Katoda                     4. Keping wolfarm       7. Anoda

2. Filamen                    5. Ruang hampa           8. Diapragma

3. Bidang fokus           6. Selubung                  9. Berkas sinar guna

Prinsip kerja dari pembangkit sinar-X dapat dijelaskan sebagai berikut, beda potensial yang diberikan antara katoda dan anoda menggunakan sumber yang bertegangan tinggi. Produksi sinar-X dihasilkan dalam suatu tabung berisi suatu perlengkapan yang diperlukan untuk menghasilkan sinar-X yaitu bahan penghenti atau sasaran dan ruang hampa.

Elektron bebas terjadi karena emisi dari filamen yang dipanaskan. Dengan sistem fokus, elektron bebas yang dipancarkan terpusat menuju anoda. Gerakan elektron ini akan dipercepat dari katoda menuju anoda bila antara katoda dan anoda diberi beda potensial yang cukup besar. Gerakan elektron yang berkecepatan tinggi dihentikan oleh suatu bahan yang ditempatkan pada anoda. Tumbukan antara elektron dengan anoda ini menghasilkan sinar-X, pada tumbukan antara elektron dengan sasaran akan ada energi yang hilang. Energi ini akan diserap oleh sasaran dan berubah menjadi panas sehingga bahan sasaran akan mudah memuai. Untuk menghindarinya bahan sasaran dipilih yang berbentuk padat. Bahan yang biasa digunakan sebagai anoda adalah platina, wolfram, atau tungsten.

Untuk menghasilkan energi sinar-X yang lebih besar, tegangan yang diberikan ditingkatkan sehingga menghasilkan elektron dengan kecepatan yang lebih tinggi. Dengan demikian energi kinetik yang dapat diubah menjadi sinar-X juga lebih besar.

 

A.     Interaksi Sinar-X dengan Bahan

Interaksi sinar-X dengan materi akan terjadi bila sinar-X yang dipancarkan dari tabung dikenakan pada suatu objek. Sinar-X yang terpancar merupakan panjang gelombang elektromagnetik dengan energi yang cukup besar. Gelombang elektromagnnetik ini dinamakan foton. Foton ini tidak bermuatan listrik dan merambat menurut garis lurus.

Bila sinar-X mengenai suatu objek, akan terjadi interaksi antara foton dengan atom-atom dengan objek tersebut. Interaksi ini menyebabkan foton akan kehilangan energi yang dimiliki oleh foton. Besarnya energi yang diserap tiap satuan massa dinyatakan sebagai satuan dosis serap, disingkat Gray. Dalam jaringan tubuh manusia, dosis serap dapat diartikan sebagai adanya 1 joule energi radiasi yang diserap 1 kg jaringan tubuh (BATAN).

1 gray =1 joule / kg

Interaksi radiasi dengan materi tergantung pada energi radiasi, Jika berkas sinar-X melalui bahan akan terjadi proses utama yakni:

1.      Efek foto listrik

Dalam proses foto listrik energi foton diserap oleh atom yaitu elektron, sehingga elektron tersebut dilepaskan dari ikatannya dengan atom. Elektron yang keluar dari atom disebut foton elektron. Peristiwa efek foto listrik ini terjadi pada energi radiasi rendah (E < 1 MeV ) dan nomor atom besar.

 

Bila foton mengenai elektron dalam suatu orbit dalam atom, sebagian energi foton (Q) digunakan untuk mengeluarkan elektron dari atom dan sisanya dibawa oleh elektron sebagai energi kinetik nya. Seluruh energi foton dipakai dalam proses tersebut:

E = hf = Q +Ek

Dengan:

Q = energi ikat elektron,

Ek = energi kinetik

E = energi (joule)

F = frekwensi (hertz)

h = konstanta plank (6,627 x 10-34 J.s)

Faktor-faktor yang mempengaruhi efek fotolistrik :

a.                        Nomor atom / ketebalan bahan yang dikenai

Jika nomor atom/ketebalan bahan yang dikenainya semakin tinggi sementara faktor lainnya tetap, maka kemampuan kejadian penyerapan fotolistrik akan bertambah

b.                       Enersi foton sinar-X yang mengenai bahan

Jika enersi foton sinar-X yang mengenai bahan semakin tinggi sementara faktor lainnya tetap, maka kemampuan menembus akan semakin besar, sehingga kemungkinan kejadian penyerapan foton listrik akan berkurang.

Dalam radiografi, tulang (calsium) akan lebih banyak menyerap enersi sinar-X bila dibandingkan dengan jaringan lunak yang terdiri dari otot dan lemak. Akibatnya jumlah enersi yang melewati jaringan lunak lebih banyak, yang mengenai film juga lebih banyak, sehingga gambar jaringan lunak pada fim lebih hitam.

Penyerapan pada tulang dan jaringan lunak :

• Pada eksposi diagnostik (40-100 KeV), kejadian fotolistrik pada tulang lebih kurang 7 kali lebih besar daripada kejadian fotolistrik pada jaringan lunak. 
•  Pada eksposi 60 kV, jaringan lunak tidak mampu lagi menyerap sinar-X, dan pada eksposi 120 kV ketas, tulang dan jaringan lunak sudah tidak dapat menyerap sinar-X

1.      Efek Compton

Penghamburan compton merupakan suatu tumbukan lenting sempurna antara sebuah foton dan sebuah elektron bebas. Dimana foton berinteraksi dengan elektron yang dianggap bebas (tenaga ikat elektron lebih kecil dari energi foton datang), seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

 

Dalam suatu tumbukan antara sebuah foton dan elektron bebas maka tidak mungkin semua energi foton dapat dipindahkan ke elektron jika momentum dan energi dibuat kekal. Hal ini dapat diperlihatkan dengan berasumsi bahwa reaksi semakin dimungkinkan. Jika hal itu memang benar, maka menurut hukum kekekalan semua energi foton diberikan kepada elektron dan didapatkan:

E = mc2

Menurut hukum kekekalan momentum, semua momentum foton (p) harus dipindahkan ke elektron, jika foton tersebut menghilang:

p = E = mv

                                                                         c

Dengan:

E = energi (Joule)

m = massa (Kg)

c = Kecepatan cahaya (m/dtk)

p = momentum

v = kecepatan elektron (m/dtk)

Faktor-faktor yang mempengaruhi efek Compton :

a.       Nomor atom/ketebalan bahan yang dikenai

   jika nomor atom/ketebalan bahan yang dikenai semakin tinggi sementara faktor yang lain tetap, maka kemampuan bahan dalam menghasilkan hamburan makin besar, sehingga kemungkinan kejadian hamburan Compton akan bertambah.

b.      Enersi foton sinar-X yang mengenai bahan

   Jika enersi foton yang mengenai sinar-X yang mengenai bahan semakin tinggi sementara faktor yang lain tetap, maka hamburan berantai (multiple) dapat terjadi, sehingga kemungkinan kejadian hamburan Compton akan meningkat.

Hamburan Compton pada tulang dan pada jaringan lunak :

•       Jika nomor atom tulang lebih tinggi daripada nomor atom jaringan lunak, maka hamburan

lebih banyak terjadi pada tulang dibandingkan dengan jaringan lunak.

•       Pada eksposi diagnostik, mulai 40 kV perbedaan hamburan pada tulang dan jaringan lunak signifikan, makin mendekati sampai pada 85 kV, selanjutnya hamburan pada tulang dan jaringan lunak akan sama besar.

Jumlah kejadian fotolistrik dan Compton pada kV diagnostik :

1.      Diawali dari nilai kV 50 hingga 120, kejadian fotolistrik main menurun jumlahnya.

2.      Sementara pada rentang yang sama, makin meningkat nilai kV kejadian Compton juga semakin meningkat.

Efek kejadian fotolistrik dan Compton :

•       Peristiwa fotolistrik dan Compton  pada hakekatnya melepaskan elektron dari orbit atom

bahan yang dikenainya.

•       Apabila elektron yang terlepas berasal dari orbit dalam, maka akan diikuti dengan peristiwa transisi, yang mengakibatkan terjadinya sinar-X karakteristik.

Contoh pada atom karbon.

Bahan karbon banyak digunakan dalam radioogi diagnostik untuk membuat peralatan seperti kaset, meja pemeriksaan, dan lain-lain. Atom karbon yang dikenai enersi penyinaran diagnostik, dapat melepas elektron dari orbit dalam, diikuti transisi dan mengakibatkan terjadinya foton karakteristik.

1.      Produksi Pasangan

Sebuah foton yang energinya lebih dari 1.02 MeV. Pada saat bergerak dekat dengan sebuah inti, secara spontan akan menghilang dan energinya akan muncul kembali sebagai suatu positron dan elektron.

Kejadian tersebut akan diikuti oleh hilangnya kedua partikel gabungan itu (hilang masa) dan berubah menjadi sepasang foton kembar yang disebut radiasi annihilasi. Sifat-sifat radiasi annihilasi (foton kembar) :

1.      Arah masing-masing saling berlawanan 18°

2.       Enersi masing-masing sama yaitu sebesar 0,51 MeV

Disebut annihilasi karena jumlah enersi kedua foton kembar adalah sama dengan besarnya enersi foton mula-mula yang melakukan interaksi dengan atom.