FISIKA RADIODIAGNOSTIK

1. PRODUKSI SINAR-X

1.1 Tabung sinar-x

Tabung sinar-x terdiri dari tabung gelas hampa udara yang didalamnya terdapat katoda dan anoda. Radiasi sinar-x timbul dengan terjadinya tumbukan electron yang bergerak cepat pada material ( anoda ) . Energi kinetic electron diubah menjadi energi panas ( > 99 % ) dan energi elektronik yang kita gunakan sebagai sinar-x ( < 1 % ).

Electron-elektron yang bergerak cepat dihasilkan dengan cara memberikan tegangan percepatan sekitar 25 s/d 150 kV antara katoda dan anoda . Elektron-elektron terebut akan bergerak makin cepat didalam medan listrik dan energi kinetiknya ditentukan oleh tegangan yang diberikan.Tegangan tinggi yang diberikan , dihasilkan dari Generator Tegangan Tinggi ( High Voltage Generator ), yang diubah dari tegangan listrik P L N.

Gambar tabung Ro

1.2 Anode ( Target )

Bahan yang dipakai untuk anode sebagai target yang akan ditembaki oleh electron-elektron , dimana energinya yang dilepaskan dari filament ( katode ) hanya sedikit sekali yang yang diubah jadi sinar-x ( < 1 % ) yang selebihnya menjadi energi panas , oleh sebab itu diperlukan bahan yang dipakai untuk target ( anode ) haruslah bahan yang tahan panas ( bahan yang mempunyai titik didih yang tinggi ) seperti Paltina , Tungsten atau Wolfram . Pilihan bahan untuk target ditentukan oleh beberapa factor , yang paling penting adalah efisiensi ( ditekankan prosentase energi electron yang mencapai target diubah menjadi radiasi sinar-x dan daya tahannya harus cukup kuat ). Untuk efisiensi lebih ditekankan yang mempunyai nomor atom tinggi, seperti Tungsten ( Z = 74 ), Platina ( Z = 78 )atau emas ( Z = 79 ), juga mempunyai titik didih yang tinggi seperti Tungsten ( 3350 ⁰C ) ,Platina ( 1770 ^oC ) dan Gold ( 1060 ⁰C ).Pemakaian bahan target anode diam biasanya digunakan Tungsten

Gambar anode

1.3 Sifat-sifat sinar-x

1 Mempunyai daya tembus yang sangat tinggi.Dapat menembus bahan / materi yang diliwatinya. Ini dapat kita manfa’atkan untuk membuat photo Rontgen dibidang diagnostik dan di bidang Terapi kita dapat memberikan dosis tertentu untuk membunuh sel-sel kanker yang terdapat dalam tubuh manusia dan sinar-x tidak dapat dilihat dengan mata.

Dapat menimbulkan Ionisasi dan exitasi pada atom / molekul-molekul bahan yang diliwati
Dapat merubah susunan kimia bahan yang diliwati
Dapat menimbulkan fluorecense pada material seperti Calsium Tungstate dan Zinc Cadmium Sulphate. Efek ini menghasilkan gambaran yang tampak pada alat fluoroskopi sinar-x dan juga digunakan untuk bahan Intensifying screen.
Dapat menghasilkan bayangan latent pada film Rontgen dan apabila dibangkit kan akan menjadi bayangan tampak. Efek ini juga dapat digunakan untuk keperluan dosimeter, yaitu alat monitoring personil yang kita kenal dengan film badge.
Menimbulkan efek biologi dalam kehidupan organisme. Mematikan sel-sel tubuh , juga bisa memutasi sel-sel reproduksi manusia.

1.4 TENAGA DAN RADIASI.

Tenaga bukan berupa materi, jadi tidak memerlukan ruang, tapi merupakan suatu azas kegiatan.

Tenaga ada didalam setiap gerakan dan karena itu dapat dikatakan bahwa tenaga merupakan suatu kemampuan untuk melakukan sesuatu / kemampuan untuk bekerja.

Didalam fisika kita mengenal berbagai bentuk tenaga seperti , tenaga mekanis , tenaga kalor, tenaga cahaya , tenaga listrik, tenaga magnetis, tenaga kimia tenaga atom dan tenaga inti , tenaga radiasi dan bentuk-bentuk tenaga tersebut dapat diubah dari suatu bentuk kebentuk lain.. Tenaga atom merupakan tenaga yang bersumber dari reaksi fisika , yaitu reaksi penyusunan yang terjadi dalam atom-atom . Dalam hal ini terjadi suatu reaksi fisika maka sejumlah tenaga akan dilepaskan. Apabila reaksi yang terjadi mencakup perubahan-perubahan massa didalam inti atom( reaksi inti ), jumlah tenaga yang dilepaskan sangat besar.Pelepasan tenaga yang besar dalam waktu yang singkat , akan menimbulkan suatu ledakan yang dahsyat, bom atom.misalnya.

Didalam reaktor inti , tenaga itu dilepaskan secara terkendali sehingga dapat digunakan untuk berbagai keperluan.

Tenaga radiasi merupakan bagian penting dalam pengetahuan atom. Radiasi adalah sutu bentuk tenaga yang dapat dirambatkan dari suatu titik ke titik lain didalam alam,tanpa membutuhkan medium apapun. Radiasi yang paling dikenal adalah cahaya dan gelombang radio.. Tenaga dari permukaan matahari dirambatkan ke bumi dalam bentuk radiasi cahaya , ketika mencapai permukaan bumi , tenaga ini diserap oleh daun-daun hijau dan disimpan dalam bentuk tenaga kimia, atau tenaga ini diubah menjadi panas dalam atmosfir. Pada gelombang radio, sejumlah tenaga yang kecil dirambatkan dari suatu pemancar dan ditangkap oleh alat penerima pada jarak tertentu .Gelombang radio tidak dapat dilihat karena panjang gelombangnya tidak dapat memberi kesan pada mata kita. Bentuk lain dari radiasi yang tidak dapat dilihat adalah sinar Rontgen , sinar gamma. Gelombang-gelombang radio ,cahaya, sinar-x dan sinar gamma merupakan gelombang-gelombang elektromagnetis , yang dibuktikan oleh Maxwell ( 1864 ) secara matematis dari pengamatan spektrum yang dipancarkan oleh benda hitam .

Spektrum radiasi digambarkan sebagai berikut :

10²⁰ 10¹⁸ 10¹⁶ 10¹⁴ 10¹² 10¹⁰ 10⁸ 10⁶ 10⁴ f

10^-10 10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰ 10² 10⁴ 10⁶ cm

u.v sinar infra merah radar MW , FM radio siaran

tampak

sinar – x

sinar gamma

Gelombang elektromagnetis timbul akibat efek dari medan listrik dan medan magnit dengan intensitas yang berubah-ubah, sedangkan arah rambatannya selalu tegak lurus terhadap arah medan listrik maupun arah medan magnit. Gelombang elektro magnetis , yaitu gelombang yang dapat merambat tanpa memerlukan medium, dengan kata lain gelombang elektromagnetis dapat merambat melalui ruang hampa.

Formulasi Maxwell -----à cahaya tidak lain adalah suatu bentuk radiasi elektro-magnetis..

Gelombang elektromagnetis mempunyai sifat seperti cahaya tampak, mempunyai kecepatan rambat didalam ruang hampa sebesar 2,99 x 10⁸ meter/sekon dan dapat dipantulkan, dibiaskan , interferensi dan difraksi.

Herzt adalah orang pertama yang membuktikan dengan suatu eksperimennya , bahwa semua gelombang elektromagnetis merambat dalam ruang vakum dengan kecepatan rambat yang sama yaitu :

C = 3 x 10⁸ m / detik.

Radiasi elektromagnetis adalah perpindahan energi dari suatu tempat ketempat lain. Tipe dari gelombang kita sebut dengan gelombang transversal. Gelombang ini bergerak keatas dan kebawah sebagaimana terlihat pada gambar.

Untuk semua gelombang elektromagnetis yang merambat dalam ruang vakum , berlaku persamaan dasar gelombang :

C = l f

Dimana :

C = 3 x 10⁸ m / detik

l = panjang gelombang

f = frekuaensi gelombang ( Hz )

1.5 TEORI KWANTUM RADIASI

Hukum klasik menyatakan besarnya tenaga radiasi sebagai fungsi dari pada frekwensi dan suhu mutlaknya.

Besarnya tenaga radiasi persatuan frekwensi persatuan volume didalam medan radiasi telah dihitung oleh Rayleigh – Jeans (1900) , dan untuk frekwensi tinggi oleh Wien ( 1896 ). Kedua hukum ini menunujukkan adanya sifat diskontinu dari tenaga radiasi untuk frekwensi menengah, dimana besarnya tenaga menjadi tak hingga . Dilemma ini dipecahkan oleh Max Planck ( 1901 ) dengan menurunkan suatu rumus interpolasi terhadap hukum Rayleigh-Jeans dan Wien.

Menurut Max Planck didalam penyerapan maupun dalam pancaran radiasi oleh benda hitam , jumlah tenaga selalu bersifat diskrit dan harganya selalu merupakan kelipatan bulat dari kwanta tenaga tertentu.Kwanta-kwanta tenaga tersebut tergantung pada frekwensi radiasi dan besarnya dinyatakan dengan :

E = h f

Dimana : h = 6,625 x 10 ^-34 joule.sekon = 6,625 x 10 ^–27 erg.sekon

Dengan gagasan Planck ini , mulailah terjadi perubahan pola pikir dalam fisika dengan berpedoman pada sifat kwantisasi dari tenaga, dan dari hubungan panjang gelombang l (lamda) , frekwensi ( f ) dan kecepatan rambat gelombang c , sehingga rumus dapat ditulis menjadi :

h c

E = ---------

dengan memasukkan harga-harga : h = 6,625 x 10 ^–27 erg.sekon

c = 3 x 10¹⁰cm/sekon,

maka tenaga kwanta dalam erg adalah :

6,625 x 10 ^–27 x 3 . 10¹⁰ erg.cm

E ( erg ) = ----------------------------------------------

l ( cm )

1,99 x 10^-16

= ----------------------- erg

misalnya sinar gamma dengan l = 10^-10 cm , akan memiliki tenaga dalam setiap kwanta sebesar 1,99 x 10^-6 erg.

Dalam teori atom , satuan tenaga dinyatakan dengan elektronvolt yang disingkat dengan ev.

Satu elektronvolt didefenisikan sebagai besarnya tenaga yang dimiliki oleh sebuah benda yang muatannya sebesar muatan elektron , jika kepadanya diberikan tegangan listrik sebesar 1 volt.

1 ev = 1,6 x 10^-19 Joule = 1,6 x 10^-12 erg.

Dengan ini rumus E (tenaga ) menjadi :

1,99 x 10^-16 1,24 x 10^-4

E ( ev ) = ------------------- = ------------------

1,6 x 10^-12 l l( cm)

Bila tenaga dinyatakan dalam Mega-elektronvolt ( Mev ) dan panjang gelombang dalam nanometer, dimana :

1 Mev = 10⁶ ev

1 nm = 10^-9 m = 10 ^–7 cm

maka akan kita dapatkan rumus :

1240

E = ----------- x 10 ^–6

l( nm)

Didalam perkembangannya , teori kwantum radiasi dari Planck mendapat kesulitan dalam menerangkan beberapa peristiwa , yaitu :

a. Pancaran sinar x :

Sinar ini sebagai suatu radiasi dapat mengionisasi atom-atom atau molekul-molekul gas yang dilaluinya , yang berarti sinar x dapat melepaskan elektron dari atomnya.

b. Efek foto listrik :

Suatu berkas sinar yang jatuh pada sebuah permukaan logam dapat mengeluarkan elektron-elektron dari permukaan logam . Disini terlihat bahwa gelombang radiasi sinar x dapat mempunyai interaksi dengan materi.

c. Efek Compton

Peristiwa ini menunjukkan adanya interaksi sinar x dengan inti atom ringan , dimana sebuah berkas sinar –x yang menumbuk sebuah inti atom didalam rambatannya akan terhambur dengan mengalami perubahan panjang gelombang.

Disini Comptom memandangnya sebagai suatu peristiwa tumbukan elastis antara dua benda yang mempunyai massa sama , yaitu sebesar massa dari inti atom yang ditumbuk oleh sinar.x Dengan menggunakan hukum kekekalan momentum dan hukum kekekalan tenaga untuk peristiwa ini , Compton dapat menghitung besarnya perubahan panjang gelombang yang dialami oleh sinar x tersebut ,

…………………………………………………………..

l - l₀ = ----------- ( 1 – cos j )

m₀ c

Pada tahun 1905 Albert Einstein mengatasi kesulitan untuk menerangkan peristiwa-peristiwa diatas berdasarkan efek foto listrik. Tenaga radiasi mempunyai sifat terkwantisasi dalam penyerapan , pemancaran dan juga dalam perambatannya.

Jadi Einstein lebih menekankan bahwa radiasi memiliki sesuatu butiran ( photon ) tenaga yang besarnya adalah seperti pada rumus :

E = h f ,

oleh karena itu teori ini dikenal sebagai teori photon dari Einstein.

Didalam efek photo listrik , berkas sinar yang jatuh pada permukaan logam akan memiliki tenaga sebesar h.f dan tenaga ini diubah untuk mengeluarkan elektron-elektron dari permukaan logam

Persamaan yang diturunkan oleh Einstein untuk efek foto listrik adalah :

H f = 2 mV ² + e F

Dimana :

h.f = tenaga photon yang datang.

2 mV ² = tenaga kinetis elektron-elektron

e F = work function dari elektron.

1.6 Partikel dan gelombang

Dengan adanya teori kwantum Planck dan teori photon Einsteins , maka timbul dualisme dalam sifat-sifat radiasi seperti apa yang dikenal dalam teori klasik mengenai cahaya , teori gelombang dari Huygens dan teori korpuskel dari-pada Newton. Radiasi merupakan kwanta-kwanta tenaga, kalau kita lihat dari peristiwa pancaran , rambatan , penyerapan , difraksi dan interferensi..Pada peristiwa photo listrik , pancaran sinar x dan efek Compton , harus ditinjau radiasi sebagai photon-photon tenaga dengan sifat-sifat sebagai partikel.

Dualisme sifat radiasi ini membawa para ahli fisika kepada pemikiran bahwa sifat ini tentu juga berlaku bagi partikel., dan pada tahun 1923 Louis de Broglie mengambil kesimpulan bahwa dualisme merupakan sifat alam yang pokok. Dengan menggunakan teori kwantum dan teori reletivitas , Louis de Broglie menurunkan rumus sebagai berikut :

H f = m c²

Karena c = f l maka :

h.c

----- = mc²

sehingga diperoleh :

--- = m.c

Dengan demikian sesuatu radiasi dengan panjang gelombang sebesar l , akan memiliki momentum ( sifat partikel ) sebesar :

p = ---

dan sebaliknya , sebuah partikel dengan momentum sebesar p , akan mempunyai panjang gelombang sebesar :

l = -------

Panjang gelombang sebuah partikel seperti ini dinamakan panjang gelombang de Broglie.

Panjang gelombang yang pendek dapat diamati ,tetapi yang mempunyai tenaga yang cukup rendah belum ada alat yang dapat mengamati nya.

Sifat –sifat gelombang dari elektron dilakukan penyelidikan oleh C.J Davisson dan L A Germer ( 1927 ) di Bell Telephone Laboratory..Dengan mempelajari pemantulan dan hamburan oleh kristal Nikkel terhadap berkas elektron , dimana elektron telah mengalami percepatan oleh suatu selisih potensial listrik , terlihat bahwa berkas elektron itu lebih menunjukkan sifat sebagai berkas gelombang. Untuk selisih potensial 54 volt, hasil percobaan Davisson dan Germer mendapatkan harga panjang gelombang elektron sebesar 1,65 A⁰, sedangkan menurut rumus de Broglie adalah 1,67 A⁰

Pembuktian selanjutnya dilakukan oleh G.S Thomson ( 1927 ) putera dari J.J.Thomson, suatu arus eletron diliwatkan melalui selembar logam tipis dan membiarkan berkas elektron itu menembus logam tadi dan jatuh pada plat film. Ternyata lembaran film tersebut terjadi suatu pola diffraksi berupa lingkaran yang konsentris , seperti yang diperoleh bila menggunakan sinar x. Efek-efek difraksi ini dapat juga terjadi pada partikel-partikel lain seperti , proton ,partikel-partikel alpha dan lain-lain.

2. Intensitas dan kualitas.

Intensitas adalah jumlah tenaga foton sinar-x ( energi ) yang keluar dari tabung sinar-x pada luasan , jarak dan waktu tertentu.

Dalam produksi sinar-x , besarnya Intensitas yang dihasilkan ditentukan oleh nomor atom target , arus tabung , tegangan puncak dan faktor rektifikasi.

e I = Intensitas sinar-x

n Z = Nomor atom target

s mA = arus tabung

i kVp = tegangan puncak

t F = faktor rektifikasi ,

a F ~ 1

energi

E = Nomor atom target yang lebih tinggi menunjukkan jumlah elektron yang lebih banyak, memungkinkan interaksi lebih banyak terjadi dan sinar-x lebih banyak dihasilkan.

MA = Arus tabung yang lebih besar menunjukkan jumlah elektron yang menumbuk target semakin banyak memungkinkan interaksi lebih banyak terjadi dan sinar-x lebih banyak dihasilkan

KVp = mengerjakan tegangan puncak yang lebih tinggi menghasilkan intensitas sinar-x lebih banyak

F = tipe rektifikasi yang terbaik menghasilkan intensitas yang paling tinggi pada produksi sinar – x

Degan memakai tipe rektifikasi constant potensial diperoleh intensitas paling tinggi dibanding tipe rektifikasi full wave , maupun half – wave

Kualitas adalah kekuatan / kemampuan sinar-x , diukur dari daya tembusnya terhadap obyek yang dikenai.

Berdasarkan daya tembusnya sinar-x ini maka kualitas sinar-x kita bedakan atas Hard beam dan soft beam.

Hard beam ( berkas sinar x keras adalah sinar-x yang mempunyai daya tembus yang baik.( kuat )

Soft beam ( berkas sinar-x lunak ) adalah sinar-x yang daya tembus nya kurang.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas sinar-x adalah :

1. Kilovolt ( kV )

2. Filter

3. Rektifikasi

§ Pengaruh kV terhadap kualitas sinar-x , Bila dibandingkan antara panjang gelombang sinar-x yang dihasilkan oleh kV yang rendah dengan kV tinggi adalah panjang gelombang yang dihasilkan oleh kV rendah lebih panjang dari panjang gelombang yang dihasilkan apabila kita memakai kV tinggi. Semakin tinggi kV yang kita pakai , panjang gelombang nya makin pendek dan daya tembusnya semakin kuat. ( kualitas sinar semakin baik )

§ Pengaruh filter terhadap kualitas . Intensitas sinar-x sebelum melewati filter adalah berupa berkas sinar x yang heterogen ( terdiri dari berbagai panjang gelombang ) , dan setelah melewati filter , berkas berkas sinar-x yang menembus filter hanya berkas yang yang kuat ( yang mempunyai panjang gelombang yang pendek ) sehingga sinar-x yang meliwati filter lebih homogen sehingga intensitas sinar-x yang meliwati filter akan berkurang , tapi kualitasnya meningkat.

Bersambung

Thursday, 18 April 2013