PRODUKSI SINAR-X (X-RAY)

PRODUKSI SINAR-X

DiGNOSTIC X-RAY TUBE

•       X-RAY diproduksi oleh konversi energy ketika elektron berkecepatan cepat bertumbukan bidang target pada sebuah tabung sinar-x

•       Tabung sinar-x terbuat dari Pyrex glass yang kedap udara (vacum)

•       Tabung sinar-x didesain memiliki dua elektrode ( diode tube).

•       Cathode didesain untuk dapat menghasilkan elektron , disebut elektrode negatif atau filament

•       Elektron dapat diakselerasi oleh perbedaan potential yang sangat tinggi melalui anoda

 Anoda merupakan elektroda positif atau target elektron

Kesimpulan : Elektron diproduksi oleh pemanasan filament dan diakselerasi dengan tegangan tinggi sehingga dapat menumbuk target, dari proses inilah dihasilkan sinar-x

TUBE HOUSING (CONT.)

Ò  Shields against high voltage

É  electrically grounded

É  high voltage cable receptacles (wells)

Ò  housing filled with oil

É  cools

É  electrical insulation

Р all air removed

É  bellows

Р on end of tube

Р allows oil to expand
when hot.

Ò  Shields against high voltage

É  electrically grounded

É  high voltage cable receptacles (wells)

Ò  housing filled with oil

É  cools

É  electrical insulation

Р all air removed

É  bellows

Р on end of tube

Р allows oil to expand
when hot.

GLASS ENCLOSURE (INSERT TUBE)

•       Kaca tabung sinar-x dibuat harus dalam kondisi vacum (hampa udara)

•        Alasan : jika gas terdapat dalam tabung sinar-x maka terjadi proses ionisasi yang disebabkan tumbukan elektron dengan gas, yang berakibat terjadi energy yang hilang dan akselarasi elektron menjadi lambat ketika menuju bidang target.

CATHODE

•       Terminal negatif dalam tabung sinar-x disebut kathoda

•        Biasa cukup disebut kathoda atau filament

•        Filament merupakan sumber elektron (source of electrons)

•        Filament memiliki dua komponen utama yaitu  sebuah kabel sebagai tempat menyuplai energy listrik sebuah methalic focusing cup

•        Filament dipanaskan dengan arus listrik berkisar 3-7 Ampere dengan beda potential sekitar 10 volt

•       Jumlah produksi sinar-x (quantity of x-ray) bergantung pada jumlah aliran elektron dari filament ke anoda

•       Faktor yang berpengaruh adalah adalah bergantung arus listrik yang mengalir dari filament menuju target (anoda) dalam tabung sinar-x

•        Arus yang mengalir dalam satuan  miliampere ( 1 mA = 0,001 A)

•        Jumlah elektron diproduksi bergantung arus yang mengalir tiap detiknya (mAS)

•       sebagai contoh pemanasan filamen pada arus listrik 100 mA mengasilkan jumlah elektron lebih sedikit  ½ x pada pemilihan arus listrik 200 mA

•        pada arus listrik 100 mA tiap detiknya, jumlah atau produksi elektron oleh filament tabung sinar-x sebesar 6,25 x 10¹⁷ elektron

•       Filament terbuat kawat (wire) dari atom tungstent

•        Diameter wire 0,2 mm, lalu dillit berbentuk spiral dengan garis verticalnya 0,2 cm dan diameternya kurang dari 1 cm

•        Ketika arus listrik memanaskan filament maka akan timbul panas dan selanjutnya timbul awan elektron

•        Proses pancaran atau emisi elektron pada filament tabung sinar-x disebut thermionic efect atau Edison Efect

•        Pemanasan untuk timbulnya elektron berkisar 2200 derajat celcius

•       Akibat  tingginya tekanan dan besarnya muatan elektron dalam tabung sinar-x, untuk mencegah perluasan pancaran elektron dibuat cangkir logam yang dibuat mengelilingi filamen yang disebut focusing cup

•        Tabung sinar-x didesain dapat terdiri dari single filament atau double filamen

•        Double filament biasanya terdiri dari filament focus besar (large focus) dan filament focus kecil (small focus)

X-RAY GENERATOR

•       Elektric power (daya listrik) dibutuhkan oleh x-ray tube untuk 3 kebutuhan :

                                - untuk pemanasan filament

                                - aceleration elektron (mempercepat                                                      gerakan elektron)

                                - untuk mengontrol timer exposure

•        X-ray generator cirkuit meliputi :

                                - Filament circuit;

                                -  High-voltage circuit;

                       - Time circuit

•       Dua kompartement :

                                - Control panel : Exposure switching, Exposure timer.

      - Transformer assembly : Voltage transformers,                            Current   rectifiers

LINE FOCUS PRINCIPLE

•       Focal spot adalah area atau bidang tungsten target (anoda) sebagai tempat tumbukan (bombarded) elektron dari arah kathoda

•        Akibat tumbukan elektron ini 99 % timbul panas dan sisinya 1% timbul sinar-x

•        Titik leleh dari dari target adalah 3370 derajat celsius, agar tidak rusak suhu anoda harus dijaga dibawah 3000 derajat celcius

•       Focal spot steeply slanted

•       7-15 degrees typical

•       Focal spot looks small from patient’s perspective

•       Imaging size

•       Looks large from filament

•       better heat capacity

•       Ukuran dan bentuk focal spot bergantung pada jumlah aliran elektron

•        Jumlah aliran elektron  biasanya ditentukan oleh pemilihan arus listrik,  arus listrik dari  200 mA  (focal spot besar) sedangkan focal spot kecil oleh karena pemilihan arus listrik dibawah 100 mA

•       Selain ditentukan oleh arus listrik focal spots juga ditentukan oleh sudut bidang target dengan anoda (angel of the anoda)

KONSEP FOCAL SPOT

•       actual focal spot size : arae pada bidang anoda  tempat tumbukan elektron, dimana panjangnya merupakan bidang yang sejajar dan ukurannya sama dengan panjang filamen katoda            sedangkan lebarnya sama dengan slot fucusing cup.

•        Efectif focal spot size  : panjang dan lebar focal   yang memproyeksikan central ray ke arah bawah pada bidang sinar-x

•       Hubungan actual dan efektif  focal spot

•         Efectif focal length =  Actual focal length X sin θ dimana θ adalah sudut anoda (anoda angel)

•         Pemendekan(forshortening) panjang focal spot yang tergambar pada arah bawah pusat sinar dikenal dengan istilah line focus principle

•       Optimal anoda angle bergantung pada aplikasi klinis pemeriksaan 

•       Small anoda angle  7-9 derajat  digunakan untuk ukuran objek pemeriksaan yang  membutuhkan small field-of-view (FOV) image reseptor  contohnya pada pesawat sinar-x untuk cineradiography dan pesawat angiographic dimana pada pesawat ini ada keterbatasan image intensifier (II) diameter hanya maksimal 23 cm.

•       Large anoda angle 12-15 derajat digunakan untuk general radiographic

•       Besarnya bidang penyinaran (filed coverage) juga bergantung pada jarak antara focal spot ke  detektor

ANODE

•       Anoda disebut sebagai elektrode positif

•        Anode terdiri dari dua type yaitu anoda diam (stationary) dan anoda putar (rotating)

•        Stationary anode : terdiri piringan kawat kecil terbuat dari material tungsten dengan ukuran 2-3 mm, yang dilapisi logam terbuat dari material copper, berbentuk kotak persegi dengan setiap dimensi tidak lebih 1 cm.

•        Sudut anoda angel biasanya pada rentang 15-20 derajat

•        Tempat tumbukan pada satu titik anoda saja sehingga mudah rusak

•       Dipilih material atom tungsten sebagai bahan target dengan alasan :

                                - tungsten merupakan atom yang            mempunyai       nomer atom tinggi ( Z=74)           dengan alasan ini                 paling effisien utk           produksi sinar-x

                                - tungsten mempunyai titik didih atau leleh       tinggi sebab akibat tumbukan   menghasilkan   panas yang tinggi ( 300 –      1500⁰C )

                                - tungsten adalah material yang baik untuk         menyerap panas dan cepat untuk melakukan    disipasi panas dari target

•       Cooper digunakan untuk pelapis anoda dengan alasan sbb :

                - Cooper merupakan material dengan sifat konduktor panas yang paling baik dibandingkan atom tungsten

                - Cooper mampu menyerap panas yang tinggi dan cepat untuk pendinginan tabung (speed tating rate of cooling)

ANODA PUTAR

•       Anoda putar adalah pengembangan dari x-ray generator oleh karena adanya keterbatasan  penggunaan kapasitas energi yang besar untuk menghasilkan output yang besar

•        Kemampuan x-ray tube untuk menghasilkan output sinar-x tinggi adalah timbulnya panas pada anoda

•        Rotating anoda sebagai salah satu solusi untuk mengurangi panas tabung pada kondisi ekspose dengan menggunakan faktor ekspose yang tinggi

    ( x-ray flouroskopy dan tube CT Scan)

•       Anoda berputar terdiri piringan cakram dari material tungsten

•        Secara teori perputaran anoda mencapai 3600 putar tiap menit (rpm)

•        Akan tetapi umumnya hanya berputar hingga 3000 rpm dengan frekuensi 60 hz

•        Tujuan utama anoda putar adalah penyebaran (disipasi) selama terjadi proses tumbukan elektron pada target

•        Tempat tumbukan tidak selalu pada satu titik bidang

•       Secara teknis sangat sulit untuk mempertahankan anoda berputar dengan kecepatan selalu konstan sebab anoda berputar dalam ruang vacum udara

•        Dalam prakteknya ketidakstabilan perputaran anoda akan memperpendek usia tabung

•        Dibutuhkan selalu minyak pelumas untuk menjaga kestabilan putaran anoda

HEEL EFECT

•       Produksi sinar-x pada arah bidang target, sinar-x akan selalu diattenuasi oleh bidang anoda oleh karena angel of anoda

•        Nilai intensitas sinar-x yang keluar dari tube bersifat vareasi (not uniform) yang bergantung pada angel of anoda (kemiringan anoda)

•        Vareasi intensitas sinar-x tersebut disebut Heel effect

•       Heel Efect bukan hal yang negatif

•        Dapat dimanfaatkan untuk pemeriksaan dengan ketebalan (attenuasi yang berbeda)

•       Contoh : pemeriksaan thorak

                                                - thorakal

                                                - Femur

TUBE RATING CHART

•       Sangat penting untuk mengetahui total kapisitas dari tabung pesawat sinar-x, agar nantinya dalam pengopersian tube x-ray menjadi awet

•        Kapasitas x-ray tube meliputi aspek pemilihan tegangan (kVp), arus tabung (mA) dan waktu eksposure dalam detik (second/s).

•        Kapasitas pengoperasian dalam batas yang aman dari x-ray tube diukur dari energy panas yang timbul selama ekspose secara umum tidak melebihi  temperatur maksimum 3000 derajat celcius

•       Panas yang dihasilkan proportional dengan pemakian kVp, mA dan s.

•       Energy ini dibagi dalam dua system yang berbeda :

                                - Head Unit (HU) dalam artificial system

                                - SI unit  ( watt-second atau joule )

Kesimpulan A X-ray tube chart  (rating tube) adalah penggunaan operasi x-ray tube pada batas toleransi yang aman

 HEAD UNIT

•       Head Unit (HU) didefinisikan produk hasil perkalian dari nilai arus tabung (mA) ,tegangan tabung (kVp) dan waktu ekspose dalam detik

•        Nilai Head Unit (HU) untuk pesawat sinar-x single phase nilai HU = kVp x mA x s

•       Nilai Head Unit (HU) untuk pesawat  3 phase dengan 6 pulsa  dengan costant potential nilai HU dikali faktor konversi 1,35

                                    HU =  1,35 x kVp x mA x s

•        Nilai Head Unit (HU) untuk pesawat  3 phase dengan 12 pulsa dengan costant potential nilai HU dikali faktor konversi 1,4

               HU = 1,4 x kVp x mA x s

INTERACTION  ELEKTRON BEAM

WITH X-RAY TUBE TARGET

•       Proses tumbukan elektron pada bidang target pada prinsipnya merupakan konversi energi kinetik menjadi pancaran radiasi gelombang elektromagnetik berupa sinar-x

•       Sinar-x secara teoritik terdiri dari dua jenis :

                                1. Radiasi sinar-x Bremstrahlung

                                2. Radiasi sinar-x Karakteristik

Radiasi Sinar-x Bremstrahlung

•         Radiasi sinar-x Bremstrahlung terjadi ketika    elektron yang berkecepatan tinggi kehilangan energi akibat reaksi elektron dengan nukleus atom.

•        Elektron berada dekat nukleus atom, maka muatan positif (nukleus) akan menarik muatan negatif (elektron), sehingga elektron mengubah arah orbitnya

•        Proses tersebut membuat elektron melemah atau terjadi pengereman, yang disertai pancaran radiasi gelombang elektromaknetik yang disebut radiasi sinar-x Bremstrahlung atau disebut Braking Radiation

Hubungan tegangan dan produksi sinar-x

•       Elektron yang bergerak pada beda potential sebesar ( V ) mempunyai energi ( E ) sebesar

                                E  = e.V dalam satuan Joule

•       Menurut Plack radiasi gelombang elektromagnetik ( sinar-)  mempunyai energi sebesar ( E )

                                E  = h c  apabila digabung

                   λ

        λmin = 12,4 x 10^-7 volt m /V ( volt)

•       Proses terjadinya radiasi bremstrahlung faktor utama yang berpengaruh adalah energi kinetik elektron dan nomor atom target.

•       Hubungan proses terjadinya radiasi sianar-X Bremstrahlung adalah sbb :

       Radiative energi loss =  E kinetik.Z

        Collisional energy loss        820.000

                Contoh : Energi kinetik elektron 100 keV dan target tungsten ( Z=74) maka 0,9 % x-ray dan 99 % panas

SINAR-X KARAKTERISTIK

ADA 4 PROSES YANG DAPAT MENJELASKAN PROSES TERJADINYA SINAR-X KARAEKTERISTIK

1. ELEKTRON PROJEKTIL MENEMBAK ATOM TARGET DARI KULIT PALING DALAM ( KULIT K )
2. ATOM KULIT K TERLEMPAR DISEBABKAN ENERGI ELEKTRON DATANG LEBIH BESAR DARI PADA ENERGI BINDING (ENERGI IKAT)
3. TERJADI TRANSISI ELEKTRON DARI KULIT LUAR KE KULIT DALAM, DALAM RANGKA MENUJU KESTABILAN ATOM
4. SSUAI TEORI ATOM NEILS BOHR TRASISI ELEKTRON DARI KULIT LUAR KE KULIT DALAM DISERTAI PANCARAN RADIASI GELOMBANG EM YANG BERUPA RADIASI ASINAR-X KARAEKTERISTIK

NAMA RADIASI SINAR-X KAREKTERISTIK SESUAI TEMPAT ELEKTRON YANG  TERJADI PROSES TRANSISI :

1. KEKOSONGAN KULIT K DI ISI ELEKTRON KULIT L , MAKA SINAR-X YANG TERJADI DIERI NAMA SINAR-X Kα
2. KEKOSONGAN KULIT K DI ISI ELEKTRON KULIT M , MAKA SINAR-X YANG TERJADI DIERI NAMA SINAR-X  Kβ

BESARNYA ENERGI YANG MUNCUL SEBESAR : E = h . f

h.f   = E2 – E1

Contoh : Berapa energi sinar-x karektristik dari kulit L ke kulit K, jika energi kulit K= 69,525 KeV dan kulit L = 10,204 KeV

Jawab . E = E2-E1

                =  69,525 – 10,204

               =  59,321 KeV

[By: PURWANTO Dipl. Rad., S.Si]

s