1. TABUNG SINAR X
1.1 Pembangkit Sinar – X
Sinar
X ditemukan oleh Roentgen pada tahun 1895. Daya tembusnya yang luar biasa
merupakan ciri yang sangat menarik pada saat itu. Dengan gaya dramawan yang
besar Roentgen menyebarkan hasil foto sinar X lengkap dengan sepatu bootnya.
Hal tersebut cukup menarik perhatian. Berbagai spekulasi dilontarkan mengenai
sinar yang dapat menembus kemana-mana, dengan segala khalayan tentang daya
tembusnya yang tinggi.
Sinar x terjadi apabila satu berkas
elektron bebas berenergi kinetik tinggi mengenai logam. Biasanya permukaan
logam dengan nomor atom Z yang tinggi. Tempat dimana berkas elektron itu
menumbuk logam akan merupakan sumber sinar dengan daya tembus yang besar.
K
adalah katode yang dihubungkan dengan kutub negatif sumber tegangan tinggi.
Katoda dipanaskan dengan menggunakan filamen agar lebih mudah memancarkan
elektron.
A merupakan anoda yang terbuat dari
logam berat. Anoda dihubungkan dengan kutub positif sumber tegangan tinggi.
Beda potensial yang tinggi (beberapa kilo volt sampai dengan seratus kilo volt)
menyebabkan sesampainya di Anoda, elektron yang dipancarkan oleh katoda
memiliki energi kinetik yang sangat besar. Elektron-elektron inilah yang dalam
tumbukannya dengan Anoda menimbulkan pancaran sinar x oleh Anoda.
Baik katoda maupun anoda ditempatkan
dalam tabung gelas yang divakumkan, agar perjalanan elektron dari katoda ke
anoda tidak mendapat gangguan. Anoda A didinginkan dengan air untuk menyalurkan
kelebihan kalor yang timbul karena benturan berkas elektron dengan permukaan
andoa. Jika pendinginan tak dilakukan suhu anoda akan terus meningkat sampai
terjadi peleburan.
Roentgen melaporkan bahwa sinar X
terbentuk di anoda apabila elektron yang berenergi tinggi menumbuk permukaan
anoda. Bagaimanakah mekanismenya ? Bagaimana pula situasi fisiknya ?
Keadaan fisiknya dapat digambarkan sebagai berikut :
·
Elektron berenergi tinggi sampai di permukaan logam, dan
kemudian meneruskan perjalanannya di dalam logam. Dipandang dari elektron yang
datang. Zat dapat merupakan susunan ion-ion berat dan lautan elektron bebas.
·
Interaksi antara elektron yang datang dengan susunan ion maupun
lautan elektron logam adalah interaksi
elektromagnetik. Secara sederhana gaya interaksi yang terjadi dapat
dinamakan gaya tumbukan, dan interaksi tersebut disebut tumbukan.
·
Dalam tumbukan tersebut elektron berenergi tinggi kehilangan energinya
sedikit demi sedikit, karena tumbukan itu terjadi secara berangkai. Energti
elektron ini diubah menjadi pancaran elektromagnet karena elektron mengalami
perlambatan, dan sebagian menjadi energi getar kisi ion dalam kristal. Bagian
yang akhir ini menyebabkan meningkatnya suhu anoda. Bagian yang pertama
(pancaran elektromagnet) adalah sinar X.
·
Panjang gelombang sinar X tersebar meliputi spektrum yang
bersifat kontinu karena prosesnya beruntun. Artinya spektrum yang terlihat
mencakup berbagai tumbukan sekaligus secara suksesis setiap elektron kehilangan
energinya melalui tumbukan-tumbukan berangkai.
1.2 Spektrum Sinar X
Ada berbagai cara untuk mengukur panjang
gelombang sinar X. Salah satu yang terbaik adalah dengan menggunakan pemantulan
sinar X oleh suatu kisi kristal zat padat. Apabila konfigurasi atom-atom
diketahui dan jarak antara atom-atom tersebut juga diketahui dan jarak antara
atom-atom tersebut juga diketahui maka kisi kristal tersebut dapat dipergunakan
sebagai analisator panjang gelombang sinar X.
Spektrum sinar X yang
menggunakan molybdenum sebagai anoda.
Dalam grafik spektrum tersebut terlihat
beberapa lengkung intensitas 1 terhadap panjang gelombang l, yang diplot pada berbagai beda potensial antara anoda dan
katoda yang berlainan, khususnya 10 kV, 20 kV, dan 25 kV. Beberapa pengamatan
tentang grafik-grafik eksperimental tersebut dapat diungkapkan sebagai berikut
:
·
Kecuali grafik dengan beda potensial 25 kV, semua lengkung
bersifat kontinu. Untuk tegangan 25 kV tampak dua puncak yang menjulang.
·
Panjang gelombang terpendek untuk setiap lengkung berlainan,
makin tinggi beda potensialnya makin pendek pula panjang gelombang
terpendeknya.
Di samping itu
diamti pula bahwa apabila dipergunakan beda tegangan yang lebih tinggi 24 kV,
maka puncak-puncak yang menjulang tetap muncul, dan terletak pada panjang
gelombang yang sama. Apabila dipergunakan bahan anoda yang lain maka di atas
beda potensial tertentu juga terlihat puncak-puncak yang menjulang.
Kedudukannya (l) tidak sama dengan bahan molybdenum tadi.
Ternyata setiap bahan memiliki
perangkat puncak yang tertentu kedudukannya. Oleh karena itu maka kedudukan
puncak-puncak itu merupakan sidik jari yang
memberikan cirikhas pada bahan anoda.
Puncak-puncak tersebut dinamakan garis-garis
karakteristik atau sinar-sinar karakteristik.
Dengan demikian
dapat diterangkan teori tentang hal-hal yang berkaitan denga sifat fisis sinar
X sebagai berikut :
1.
Panjang gelombang terpendek lmin bergantung pada beda
potensial anoda dan katoda.
2.
Bentuk spektrum yang kontinu terletak di bawah potensial
tertentu.
3.
Sinar-sinar kharakteristik muncul pada beda potensial di atas
nilai potensial tertentu.
Panjang
gelombang terpendek lmin spektrum sinar X
diperoleh pada beda potensial tertentu V0. Tinjau sebuah elektron
yang sampai di anoda setelah melampaui beda potensial V0. Energi kinetik
elektron tersebut adalah :
(6.1)
Dengan berpijak
pada teori kuantum Einstien, bahwa sinar x merupakan suatu gumpalan energi
elektromagnetik dengan energi E yang memenuhi :
(6.2)
andaikan bahwa
ada kemungkinan, melalui suatu mekanisme tertentu, seluruh energi kinetik
elektron pada saat menumbuk katoda semuanya dan tanpa kecuali menjadi suatu
foton sinar X. dalam hal ini maka :
K = E atau hc/l = e V0 (6.3)
Sehingga
diperoleh :
(6.4)
Apabila panjang
gelombang minimum lmin dinyatakan dalam meer
dan V0 dalam volt maka :
(6.5)
Apabila lmin dinyatakan dalam
AngStrom dan Vo dalam kilo volt, maka :
(6.6)
Bagaimanakah
dapat diterangkan mengenai bentuk spektrum yang kontinu. Model interaksi antara
elektron dengan materi yang menghasilkan spektrum sinar x yang kontinu adalah
sebagai berikut :
·
Interaksi utama adalah antara elektron yang berenergi tinggi
dengan inti-inti atom dalam anoda.
·
Dalam interaksi tersebut bekerja gaya-gaya elektromagnetik.
Karena gaya tersebut elektron mengalami percepatan dan memancarkan radiasi. Elektron
·
Foton
Inti
(Ze)
Radiasi elektromagnetik karena elektron yang dipercepat
Spektrum sinar
X kontinu yang diperoleh dengan mekanisme tersebut di atas juga disebut dengan brehmesstrahlung (bahasa Jerman brehms : rem, strahlung : sinar) karena terjadi melalui pengereman elektron dalam
zat padat. Brehmsstrahlung dapat dianggap sebagai kebalikan dari efek foto
listrik (elektron kehilangan energinya kemudian timbul foton).
Spektrum
kontinu murni diperoleh apabila beda potensial antara katoda dan anoda dalam
tabung sinar X tidak terlalu tinggi. Ujung paling kiri dari spektrum tersebut
(panjang gelombang l0) dengan mekanisme
seluruh energi kinetik elektron berubah menjadi sebuah foton dengan energi E = hc/l0.
Apabila beda potensial
sangat tinggi sekali maka akan terlihat puncak-puncak yang tajam tersuperposisi
pada spektrum kontinu tersebut. Puncak-puncak tersebut tidak berasal dari
proses yang menghasilkan brehmsstrahlung melainkan berasal dari suatu proses pemulihan ke keadaan semula dari suatu atom,
dimana sebuah elektron kembali menduduki tempat semula yang menjadi kosong
karena posisi tersebut telah terlempar oleh elektron cepat yang datang dari
katoda.
Dalam proses
pemulihan ini dipancarkan foton dengan panjang gelombang di daerah sinar X.
elektron yang terlempar adalah elektron atom yang letaknya dekat dengan inti
atom. Sinar-sinar ini dinamakan radiasi karakteristik, setiap logam memiliki
perangkatnya sendiri-sendiri. Perangkat radiasi karakteristik ini sangat penting
dalam bidang sinar X.
Elektron di
dalam atom terbatas geraknya pada lintas-lintas edar tertentu seperti
planet-planet mengelilingi matahari. pada suatu lintas edar tertentu elektron
terkait pada inti melebihi energi kat. Energi total pada suatu lintas edar
adalah jumlah aljabar dari energi ikat elektrostatik dan energi kinetik.
Apabila
elektron luar berenergi tinggi menumbuk elektron yang terkait pada atom, dan
melemparkannya ke luar maka kedudukan dalam lintas edar menjadi kosong.
Kekosongan ini mengundang elektron lain untuk menduduki lowongan tersebut.
Dilihat dari sudut atom maka elektron bebas yang akan terikat menjadi planet
atom, akan kehilangan energi totalnya. Besarnya energi total ini di suatu
lintas edar mencirikan lintas edar dari atom tersebut.
Dalam proses
pemulihan ini energi yang “hilang”
(energi total elektron) akan terpancar sebagai foton dengan energi tertentu.
Berbagai lintas edar masing-masing memiliki harga fotonnya tersendiri. Karena
itu radiasinya dinamakan radiasi
kharakteristik. Sinar karakteristik dalam spektrum sinar X mengungatkan
teori Bohr tentang terkuantisasinya lintas edar dalam suatu atom.
1.3 Interaksi Sinar X dengan Materi
1. Efek Compton
Dalam
bahasan terdahulu telah dikemukakan salah satu bentuk interaksi sinar X
(tepatnya foton sinar X) dengan materi yakni proses Compton. Bahasan tentang
efek Compton itu berlandaskan pada konsep bahwa dalam interaksinya foton
berkelakukan sebagai zarah, berada dalam tempat terbatas dalam ruang, memiliki
energi dan momentum linear. Melalui efek Compton yang beruntun suatu foton
sinar X akan kehilangan energinya secara terus-menerus
2. Produksi
Pasangan (Pair Production)
Dalam moda ini suatu foton sinar X
akan bertransformasi menjadi satu pasangan zarah, yaitu elektron dan apa yang
dinamakan positron. Transformasi ini hanya dapat terjadi di bawah pengaruh
medan inti yang kuat, jadi tak dapat terjadi dalam ruang hampa. Positron adalah
suatu zarah mirip elektron yang bermuatan positip. Jadi transformasi produksi
pasangan dapat dituliskan sebagai berikut :
v Þ e+
+ e-
Secara energetik ini dapat terjadi tentunya hanya apabila energi
foton :
Hv > 2m0c2
= 1,02MeV
dengan mo massa elektron (=massa positron)
produksi
pasangan dapat terjadi apabila energi foton lebih besar dari 1,02 MeV. Zarah
positron telah diramalkan oleh PAM Dirac tahun 1929. Hal ini timbul dari
penelaahannya mengenai teori kuantum relativistik.
Dalam hal-ihwal
positron ini teori mendahului eksperimen. Baru tahun 1932 positron ditemukan
secara eksperimen oleh Anderson di CALTECH (California
Institute of Technology). Hal itu terjadi pada saat Anderson sedang
melakukan percobaan-percobaan mengenai sinar kosmos dengan kamar kabut (Wilson).
Pada tahun
tigapuluhan itu banyak fisikawan mempelajari radiasi pengion yang datang dari
kosmos. Deteksinya dilakukan dengan pencacah Geiger-Muller secara sendiri, atau
pencacah GM yang dikaitkan dengan suatu kamar kabut. Apabila suatu radiasi
pengion melalui kamar kabut maka jejaknya dapat dilihat sebagai butir-butir
kondensasi. Ini terjadi karena ion-ion udar dalam kamar kabut itu merupakan
inti-inti kondensasi. Dengan pemotretan jejak itu dapat direkam dan dianalisa.
Studi-studi semacam ini dapat membedakan jejak sinar a, elektron, atau pun
sinar gama.
Dengan
menempatkan seluruh kamar kabut dalam medan magnet, maka dapat pula
diperkirakan muatan zarah yang membuat jejak. Dalam jejak itu Anderson
menemukan jejak suatu zarah yang mirik elektron, kecuali tentang muatannya yang
positif (positron).
Kekekalan
energi mensyaratkan bahwa energi foton hn harus memenuhi :
hv = E+ + E-
dengan E+ dan E- secara berturut-turut
adalah energi relativistik positron dan elektron. Apabila tenaga kinetik
dinyatakan dalam K, maka berlaku.
E+ = K+ + m0c2
dan
E- = K- + m0c2
Oleh karena itu
kekekalan energi mempersyaratkan
hv = K+ + K- + 2 m0c2
dengan ..mo = 9,11.10-31 kg
c = 3,00.10sm/s
2 m0c2 = 1,022 MeV
3. Proses
Anihilasi (Positron-Electron Annihilation)
Pada umumnya pada proses pemusnahan
positron maupun elektron berada dalam keadaan tak bergerak. Oleh karena itu
hukum kekekalan momentum linear mengharuskan terjadi sekurang-kurangnya 2
foton.
e+ + e- è v1 + v2
Kekekalan energi relativistik total
menghendaki :
2 m0c2 = hv1 + hv2
Tetapi hukum kekekalan momentum
linear mempersyaratkan :
sehingga diperoleh :
v1 = v2
4. Efek
Fotolistrik
Dalam proses ini suatu foton sinar X
menumbuk elektron (sebelah kanan) suatu atom. Elektro yang berdekatan dengan
inti tersebut terlempar keluar. Foton sinar X akan kehilangan energinya dalam
proses ini. Tentunya foton sinar X juga menumbuk elektron-elektron terluar
suatu atom. Kasus ini tidak banyak berarti karena hanya mengurangi energi foton
dengan tidak berarti.
Referensi : Makalah Stikes Widya Husada Semarang
Teknik Pesawat Radiologi Oleh : Khaerun hidayat
Apa
BalasHapus