پرتو ایکس

چگونگی تولید اشعه ایکس
پرتو ایکس عضوی از طیف الکترومغناطیس می‌باشد، که دارای طول موج پایین‌تر از نور مرئی است. در کاربردهای متفاوت از طیفهای مختلف پرتو ایکس استفاده می‌گردد.
( X-radiation )
پرتو ایکس (پرتو رونتگن) نوعی از تابش الکترومغناطیسی با طول موج حدود ۰/۰۱ تا ۱۰ نانومتر معادل با ۳۰ پتاهرتز تا ۳۰ اگزاهرتز ( ۱۶ ۱۰×۳ تا ۱۹ ۱۰×۳ هرتز) و انرژی بین ۱۰۰ الکترون‌ولت تا ۱۰۰ کیلو الکترون‌ولت است. طول موج پرتو ایکس از طول موج پرتو فرابنفش پایین‌تر و از طول موج پرتو گاما بالاتر می‌باشد. نام دیگر اشعه ایکس، اشعه رونتگن می‌باشد، که این نام بر گرفته از نام شخصی به نام ویلهلم رونتگن، می‌باشد که کاشف این اشعه است. علت نام‌گذاری اشعه ایکس از طرف ویلهلم رونتگن نشان دادن کشف یک نوع اشعه ناشناخته بود، است. نحوه نگارش اشعه ایکس در زبان انگلیسی به سه روش انجام می‌پذیرد، که عبارت از x-ray, xray و همچنین X ray می‌باشند.
به پرتو ایکس با فوتون‌های پرانرژی‌تر (بالای ۵ یا ۱۰ کیلو الکترون‌ولت و با طول موج ۰٫۱ تا ۰٫۲ نانومتر) پرتو ایکس سخت و پرتوهای با انرژی پایین‌تر را پرتو ایکس نرم می‌گویند. به دلیل توان نفوذ بالای پرتو ایکس سخت به صورت گسترده برای تصویر برداری داخل اجسام برای مثال در پرتونگاری از اعضای بدن و همچنین قسمت امنیت فرودگاه‌ها و به عنوان یکی از روش‌های تست غیرمخرب در تشخیص نقص‌های موجود در اشیای ساخته شده (مثلا در لوله‌ها و…) مورد استفاده قرار می‌گیرد. از کلمه پرتو ایکس علاوه بر روش پرتو نگاری به کنایه برای عکس‌های پرتو نگاری شده به این روش نیز اطلاق می‌گردد. به دلیل اینکه طول موج پرتو ایکس سخت مشابه اندازه اتم‌ها می‌باشد، از کریستالوگرافی اشعه ایکس برای تعیین ساختار کریستالی استفاده می‌شود. در مقابل پرتو ایکس نرم به آسانی در هوا جذب می‌گردد؛ میزان عمق میرایی پرتو ایکس با قدرت ۶۰ الکترون‌ولت در آب کمتر از یک میکرومتر می‌باشد. این تعریف ایرادات بسیاری دارد، از جمله آن: فرایندهای دیگر امکان تولید فوتونهای با انرژی بالا هستند، یا اینکه روش تولید شناخته شده نیست. در روش‌های مختلف، هیچ توافق جامعی برای تمایز بین پرتوهای ایکس و گاما وجود ندارد. یکی از روش‌های تعیین تمایز بین این دو پرتو، بررسی منبع آن می‌باشد: پرتو ایکس از الکترونها ولی پرتو گاما از هسته اتم ساطع می‌شود. این شیوه از تعریف اشکالات فراوانی دارد، که برخی از آن‌ها عبارتند از: اینکه در فرایندهای دیگر نیز فوتونهایی با انرژی‌های بالا تولید می‌گردند، یا اینکه روش تولیدهایی وجود دارد که شناخته شده نیستند. یک تعریف دیگر برای تمایز بین پرتو گاما و پرتو ایکس، بر اساس طول موج می‌باشد، پرتوهای دارای طول موجهای پایین، برای مثال ۰٫۱ آنگستروم، در دسته‌بندی پرتو گاما قرار می‌گیرند. با این معیار در صورتیکه فقط طول موج مشخص باشد می‌توان فوتون را در یک دسته‌بندی مشخص قرار داد. هرچند برخی روش‌های اندازه‌گیری قادر به تمیز دادن طول موجهای مختلف نیستند، اغلب این دو تعریف با هم منطبقند چراکه پرتوهای الکترومغناطیس ساطع شده از تیوب‌های پرتو ایکس دارای طول موج بلندتر و انرژی فوتون پایین‌تری نسبت به پرتوهای ساطع شده از هسته‌های پرتوزا می‌باشند. گاهی اوقات، به غیر از این دو تعریف، در زمینه‌ای خاص، تعاریفی بر اساس سوابق تاریخی، تکنیک‌های اندازه‌گیری (تشخیص) یا نوع مصرف آن کاربرد پیدا می‌کنند. با این حال، پرتو گامای مورد استفاده در امور پزشکی و صنعتی، به عنوان مثال برای پرتو درمانی، دارای طول موج ۶ تا ۲۰ مگاالکترون‌ولت است، که طبق این مقاله می‌توان آن را دسته پرتو ایکس نیز قرار داد.
خواص
نماد خطر پرتو یونیزه‌کننده
فوتونهای پرتو ایکس دارای انرژی لازم برای یونیزه کردن اتمها و شکستن پیوند اتمی هستند. این خاصیت پرتو ایکس را در طبقه‌بندی پرتوهای یونیزه‌کننده قرار می‌دهد، و به همین دلیل برایبافت‌های زنده مضر می‌باشد. قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر بالا در یک دوره زمانی کم باعث ایجاد بیماریهای حاصل از تشعشع می‌گردد، و در عین حال قرار گرفتن در معرض دوز تابش در مقادیر پایین ریسک ابتلا به سرطان‌های ناشی از تشعشع را بالا می‌برد. در تصویربرداری پزشکی این افزایش خطر ابتلا به سرطان در مقابل فواید استفاده از این روش برای تشخیص پزشکی، قابل چشم پوشی است. از قابلیت یونیزه کردن اشعه ایکس می‌توان در درمان سرطان استفاده کرد، که در این روش پرتو درمانی از پرتوایکس برای کشتن سلول‌های بدخیم سرطانی استفاده می‌شود. همچنین ازطیف‌سنجی پرتو ایکس برای تعیین خصوصیات مواد استفاده می‌گردد.
طول میرایی پرتو ایکس در آب نشانگر حد جذب اکسیژن در ان در سطح انرژی 540eV می‌باشد. طول میرایی برای پرتوهای سخت (نیمه راست نمودار) حدود چهار برابر طول میرایی پرتوهای نرم (نیمه چپ نمودار) می‌باشد.
پرتو ایکس سخت می‌تواند بدون اینکه جذب یا پراکنده شود از اشیاء ضخیم عبور کند. به همین دلیل از پرتو ایکس سخت برای تصویربرداری از داخل اشیاء که رویه مات دارند استفاده می‌شود. کاربردهای بیشتر دیده شده آن عبارتند از رادیوگرافی پزشکی و اسکنرهای امنیتی فرودگاه‌ها، در عین حال از تکنیک مشابه در صنعت (برای مثال رادیوگرافی صنعتی و سی تی اسکن صنعتی) و همچنین تحقیقات (برای مثال سی تی حیوانات کوچک) استفاده می‌شود. عمق نفوذ پرتو ایکس با تغییر مرتبه بزرگی در طول طیف آن تغییر می‌کند. این موضوع تنظیم انرژی فوتون برای کاربردهای مختلف را امکان‌پذیر می‌نماید، که خود این موضوع باعث انتقال کافی پرتو از داخل جسم می‌گردد و مبتلا به آن تصویر خوب با کنتراست بالا ایجاد می‌گردد.
واکنش با مواد
واکنش پرتو ایکس از سه راه صورت می‌گیرد که عبارتند از: اثر فوتوالکتریک، اثر کامپتون و پراکندگی رایلی. قدرت هر یک از این واکنش‌ها بستگی به انرژی پرتو ایکس و ترکیبات عنصری مواد دارد، ولی به دلیل اینکه انرژی فوتون‌های پرتو ایکس از انرژی پیوندهای شیمیایی بالاتر است، خواص شیمایی ماده در آن اثری ندارد. مکانیزم واکنشی غالب در رژیم پرتو ایکس نرم و پرتو ایکس سخت با انرژی پایین اثر فوتوالکتریک می‌باشد. برای رده انرژی‌های بالا مکانیزم غالب، مکانیزم اثر کامپتون می‌باشد.
جذب فوتوالکتریک
احتمال ایجاد جذب فوتو الکتریک در واحد جرم با میزان Z 3 /E 3 متناسب می‌باشد، که در آن Z عدد اتمی و E انرژی فوتون می‌باشند. این قانون در لایه درونی انرژی پیوند الکترون‌ها، جاییکه احتمال واکنشها دچار تغییرات ناگهانی می‌شوند، معتبر نیست، به همین خاطر به آن حد جذب گفته می‌شود. هر حال، رویه کلی غالب برای فوتون‌های کم انرژی و عددهای اتمی بالا، ضریب جذب بالا و عمق نفوذ کم می‌باشد. در مورد بافت‌های نرم تا محدوده انرژی فوتون 26eV پدیده غالب اثر فوتوالکتریک است ولی از این محدوده به بالا اثر کامپتون فعال می‌گردد. برای عناصر با عدد اتمی بالاتر این محدوده بالاتر می‌رود. میزان بالای کلسیم در استخوانها و آرایش چگال آن باعث می‌شود، استخوانها در تصاویر رادیوگرافی به وضوح نمایان گردند.
فوتون فتوالکتریک انتقال همه انرژی خود را به الکترونی که با آن واکنش می‌دهد، منتقل می‌نماید، این امر باعث یونیزاسیون اتمی که الکترون به آن متعلق است می‌گردد و یک فوتو الکترون ایجاد می‌کند که تمایل زیادی به یونیزه کردن اتمهای در سر راه خود دارد. یک الکترون بیرونی جای خالی الکترون را پر می‌کند و خواص فوتون یا الکترون اوژه را ایجاد می‌کند. از این آثار می‌توان تعیین نوع عناصر توسط روش‌های طیف‌سنجی پرتو ایکس یا طیف‌سنجی الکترون اوژه استفاده نمود.
اثر کامپتون
اثر کامپتون مکانیزم واکنش غالب بین پرتو ایکس و بافت‌های نرم در تصویر برداری پزشکی می‌باشد. پراکندگی کامپتون، پراکندگی ناکشسان یک فوتون توسط یک ذره بادار و معمولا الکترون است و باعث کاهش انرژی (کاهش طول موج) فوتون (که ممکن است یک پرتو ایکس یا پرتو گاما باشد) می‌شود که به اثر کامپتون مشهور است. قسمتی از انرژی فوتون به الکترونهای در حال پراکنش منتقل می‌گردد، در نتیجه اتمها را یونیزه کرده و باعث افزایش طول موج پرتو ایکس می‌گردد. فوتون پراکنش شده در هر مسیری می‌تواند حرکت کند ولی مسیر اولیه آن مخصوصا در مورد پرتوهای ایکس با انرژی بالا محتمل‌تر می‌باشد. احتمال زوایای مختلف پراکنش توسط فرمول کلین - نیشینا( Klein–Nishina formula) محاسبه مب گردد. انرژی انتقالی مستقیما از زاویه پراکنش از قانون پایستگی انرژی و تکانه بدست می‌آید.
پراکندگی رایلی
پراکندگی رایلی مکانیزم پراکنش الاستیک غالب در رژیم پرتو ایکس می‌باشد. پراکندگی‌های پیش رو غیر الاستیک باعث افزایش ضریب شکست می‌گردند، که برای پرتو ایکس پایین‌تر از ۱ می‌باشد.
تولید
هر زمان که ذرات باردار (الکترونها یا یون) با انرژی کافی به مواد برخورد نمایند، اشعه ایکس تولید می‌شوند.
تولید از طریق الکترون‌ها
+ خواص خطوط تابش پرتو ایکس بر اساس مواد مورد استفاده برای آند.
Anodematerial
Atomicnumber
Photon energy keV
Wavelength nm
K 1
K 1
K 1
K 1
W
۷۴
۵۹٫۳
۶۷٫۲
۰٫۰۲۰۹
۰٫۰۱۸۴
Mo
۴۲
۱۷٫۵
۱۹٫۶
۰٫۰۷۰۹
۰٫۰۶۳۲
Cu
۲۹
۸٫۰۵
۸٫۹۱
۰٫۱۵۷
۰٫۱۳۹
Ag
۴۷
۲۲٫۲
۲۴٫۹
۰٫۰۵۵۹
۰٫۰۴۹۷
Ga
۳۱
۹٫۲۵
۱۰٫۲۶
۰٫۱۳۴
۰٫۱۲۱
In
۴۹
۲۴٫۲
۲۷٫۳
۰٫۰۵۱۲
۰٫۴۵۵
Spectrum of the X-rays emitted by an X-ray tube with a rhodium target, operated at 60 kV. The smooth, continuous curve is due to تابش ترمزی, and the spikes are characteristic K lines for rhodium atoms.
در این روش از تولید پرتو ایکس از تیوب پرتو ایکس استفاده می‌شود، که این تیوب یک لوله تحت خلا می‌باشد که در آن به الکترون‌ها تولیدی توسط یک کاتد داغ شتاب داده شده تا به سرعت بالا برسند. الکترون‌های با سرعت بالا پس از برخورد به مانع فلزی که همان آند می‌باشد، پرتو ایکس را ایجاد می‌نمایند. در کاربردهای بهداشتی مانع هدف در تیوب معمولا از جنس تنگستن یا جنس آلیاژ مقاوم به ترک رنیوم (۵٪) و تنگستن (۹۵٪) می‌باشد، ولی در برخی کاربردهای خاص که به پرتو ایکس نرم نیاز است مانند ماموگرافی از مولیبدن استفاده می‌شود. در کریستالوگرافی استفاده از مانع هدف مسی بسیار معمول است، و در برخی مواقع که فلورسنت موجود در آهن باعث اشکال می‌شود از کبالت استفاده می‌شود.
انرژی ماکریموم فوتون پرتو ایکس محدود به انرژی برخورد الکترون می‌باشد، که برابر است با ولتاژ شارژ شده در تیوب ضرب در بار الکترون، پس در نتیجه یک تیوب 80KV نمی‌تواند پرتو ایکس با انرژی بالاتر از 80KeV تولید نماید. زمانیکه الکترون به هدف برخورد می‌کند، پرتو ایکس از طریق دو فرایند اتمی متفاوت ایجاد می‌گردد، که عبارتند از.
Characteristic X-ray emission یا X-ray fluorescence: در صورتیکه الکترون‌ها انرژی کافی داشته باشند، می‌توانند به الکترون‌های اربیتی خارج از پوسته الکترونی یک اتم فلز برخورد نموده و در نتیجه الکترونها دارای درجات بالاتر انرژی جاهای خالی را پر کرده و فوتون پرتو ایکس منتشر می‌گردد. این فرایند باعث ایجاد طیف گسیلی پرتو ایکس در فرکانسهای نا پیوسته می‌گردد، که بعضی اوقات به آن خط طیف نوری گفته می‌شود. این خطوط بر اساس جنس ماده هدف به کار رفته در فرایند ایجاد می‌شوند و به همین خاطر به این خطوط، خطوط خواص نیز گفته می‌شود. معمولا این انتقالات از لایه‌های بالا به پوسته‌های L و K می‌باشد.
تابش ترمزی: مکانیزم تولید به این روش، تاثیر میدان مغناطیسی قوی بر راستای z هسته الکترونها پراکنده شده می‌باشد. این نوع پرتو ایکس دارای طیف پیوسته می‌باشد. شدت پرتو ایکس به‌طور خطی با کاهش فرکانس افزایش می‌یابد.
هر دو این روش‌های تولید دارای راندمان کم نزدیک به یک درصد می‌باشند، و بیشتر انرژی الکتریکی مصرفی تیوب به صورت گرما هدر می‌رود. زمانیکه فلاکس پرتو ایکس قابل استفاده‌ای تولید می‌شود باید در نظر داشت، که تیوب پرتو ایکس باید طوری طراحی شود که این گرمای اضافی را پراکنده‌سازد.
تولید به روش یونهای پرسرعت مثبت
پرتو ایکس را می‌توان با استفاده از پروتونها پر سرعت یا یونهای مثبت دیگر ایجاد نمود. از پرتو ایکس حاصل از تحریک پروتون یا پرتو ایکس حاصل از ذرات تحریک شده به‌طور گسترده به عنوان یک روش تحلیل مورد استفاده قرار می‌گیرند. در انرژی‌های بالا، سطح مقطع تولید متناسب است با Z 1 2 Z 2 −4 که در آن Z 1 عدد اتمی یون و Z 2 عدد اتمی هدف می‌باشد.
تاریخچه
تصویر دست همسر رونتگن در سال ۱۸۹۶
پرتو ایکس در سال ۱۸۹۵ توسط ویلهلم رونتگن، فیزیکدان آلمانی کشف شد و به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن، پرتو ایکس نامیده شد. یعنی با قرار دادن آن در میدان‌های مغناطیس و الکتریکی به هیچ وجه منحرف نمی‌شود. این پرتو قدرت نفوذ بسیاری دارد و تقریبا از هر چیزی به جز استخوان و فلز (اوربیتال d) می‌گذرد. اولین عکس پرتو ایکس از دست همسر رونتگن گرفته شد که انگشتر او به خوبی در عکس مشخص است.
این گمان که پرتوهای ایکس، امواج الکترومغناطیس با طول موج بسیار کوتاه هستند، به کمک یک آزمایش پراش دوگانه که در سال ۱۹۰۶ توسط سی.گ. بارکلا انجام گرفت، تایید شد.
اثبات قطعی ماهیت موجی پرتو ایکس در سال ۱۹۱۲ به وسیله فون لاوه ارائه شد.
وی اولین جایزه فیزیک نوبل را در سال ۱۹۰۱ گرفت.
انواع پرتو ایکس
پرتو ایکس تکفام (تک رنگ): پرتو ایکسی که فقط دارای یک طول موجخاص است را پرتو ایکس تکفام می‌نامند.
پرتو ایکس سفید (پیوسته): پرتو ایکسی که تکفام نبوده و دارای طول موج‌هایی در بازه  ۱ تا  ۲ است.
روش‌های تولید
thumb
در هنگام برخورد الکترونهای با سرعت بالا به فلزات، الکترون‌های لایه‌های پایین‌تر به لایه‌های بالاتر منتقل شده (اتم‌ها برانگیخته می‌شوند) و در هنگام برگشت الکترون‌ها به حالت پایه انرژی مازاد را به صورت پرتو ایکس گسیل می‌کنند؛ بنابراین هر لامپ تولید پرتو ایکس باید شامل:
منبع الکترون
میدان شتاب‌دهنده به الکترونها
هدف فلزی
باشد. به علاوه از آنجایی که قسمت عمده انرژی جنبشی الکترونها هنگام برخورد به فلز هدف، به حرارت تبدیل می‌شود، معمولا فلز هدف را با آب خنک می‌کنند تا ذوب نشود.
لامپ‌های گازی
این لامپ‌ها همانند لامپ پرتو ایکس اولیه‌ای هستند که رونتگن ساخته بود و امروزه چندان کاربردی ندارند. در این لامپ‌ها الکترون از یونش مقدار اندکی گاز موجود در لامپ تقریبا تخلیه شده به وجود می‌آید.
ایمنی
پرتو ایکس برای انسان بسیار خطرناک است و می‌تواند آسیب‌های زیستی قابل توجهی را پدیدآورد. این آسیب‌ها در انسان شامل سوختگی، بیماری ناشی از دریافت تابش بیش از حد و اثرات ژنتیکی می‌باشند.