L ỜI CẢM ƠN
1.2.Nguyên lý của quá trình phát ti aX
Khi cho một chùm electron có vận tốc khá lớn đập vào anode làm bằng kim loại nặng (Vonfram), tương tác này làm phát ra bức xạ tia X.
Có 2 dạng tương tác tạo ra tia X, dạng thứ nhất là khi electron tương tác với lớp vỏ electron của nguyên tử kích thích sự chuyển mức năng lượng. Trạng thái kích thích có năng lượng Ei phát ra các tia X dạng phổ vạch trong sự chuyển mức Ei Ek có bước sóng λik đặc trưng cho vật liệu làm anode. Các tia X này vì vậy còn được gọi là các tia X đặc trưng. Dạng thứ hai bức xạ tia X có phổ năng lượng liên tục – còn gọi là bức xạ hãm – khi electron tương tác trực tiếp với trường điện từ của hạt nhân nguyên tử.
1.2.1.1. Bức xạ hãm
Khi các electron mang năng lượng đi qua vật liệu có nguyên tử số (Z) lớn bị làm lệch hướng dưới tác dụng của trường thế Coulomb của hạt nhân mang điện tích dương. Theo lý thuyết điện động lực học, các hạt mang điện khi tăng tốc hay giảm tốc sẽ phát ra bức xạ với năng lượng tỉ lệ với bình phương của gia tốc. Các electron này phát ra một bức xạ có phổ liên tục trên một dải rộng với sự phân bố cường độ phụ thuộc vào năng lượng của electron tới. Bức xạ phát ra như vậy được gọi là
Bremsstrahlung theo tiếng Đức có nghĩa là bức xạ hãm hay bức xạ do làm chậm các hạt mang điện.
Một electron trước khi dừng lại có thể phát ra nhiều photon, năng lượng phát ra phụ thuộc vào khoảng cách tương tác giữa electron và hạt nhân, năng lượng giảm khi tăng khoảng cách. Trong hình 1.24 electron số 2 tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần hơn electron số 3 nên bức xạ hãm phát ra đối với tương tác của electron số 2 lớn hơn đối với electron số 3. Rõ ràng là photon với năng lượng cực đại được tạo ra khi electron mất hết động năng trong một quá trình tương tác duy nhất, trong hình 1.24 là electron số 1. Trường hợp này xảy ra khi electron tiến tới rất gần với hạt nhân va chạm với hạt nhân và đánh mất tất cả động năng của mình. Photon phát ra có năng lượng chính bằng động năng của electron, tức nếu electron có động năng 100 keV thì photon phát ra sẽ có năng lượng đúng bằng 100 keV[26].
Xác suất để electron va chạm trực diện với hạt nhân thì cực kỳ hiếm, vì ở thang đo nguyên tử, trong một nguyên tử vùng không gian trống chiếm phần lớn, tiết diện hạt nhân thì cực nhỏ. Do đó tia X năng lượng thấp được tạo ra nhiều hơn, và số lượng tia X năng lượng cao giảm gần như tuyến tính với giá trị năng lượng của electron tới.
Hình 1.25. Electron va chạm trực diện với hạt nhân làm phát ra bức xạ hãm có năng lượng cực đại
Phổ bức xạ hãm mô tả sự phân bố của photon tia X như là một hàm của năng lượng. Phổ bức xạ hãm sau khi chưa qua bộ phận lọc tia (hình 1.25.a) có dạng dốc theo mối quan hệ giữa số lượng và năng lượng tia X tạo ra, năng lượng cực đại được quyết định bởi giá trị điện áp đỉnh (kVp) đặt vào ống tia X. Khi có bộ lọc tia thì các tia X năng lượng thấp bị hấp thụ, do đó phổ tia X lúc này có dạng như hình 1.25b.
Hình 1.26. Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp (trong trường hợp không có bộ lọc (đường đứt nét) và có bộ lọc tia (liền nét)
Nhân tố chính ảnh hưởng đến việc phát xạ tia X bao gồm: số nguyên tử của vật liệu bia, động năng của chùm electron tới (quy định bởi điện thế gia tốc). Tỷ số
gần đúng của năng lượng mất đi cho việc phát bức xạ hãm và năng lượng mất đi trong các va chạm là:[26] 000 . 820 Z E E E K L R ≅ (1.5)
Trong đó: ER: Năng lượng electron dùng vào việc phát bức xạ, EL: Năng lượng electron mất đi trong va chạm,
EK : Động năng của electron tính theo keV, Z: Số hiệu nguyên tử của vật liệu anode.
Ví dụ: đối với chùm electron năng lượng 100 keV đến đập vào bia Vonfram (Z=74), tỷ số xấp xỉ của năng lượng bức xạ và năng lượng mất khi va chạm là:
% 9 , 0 000 . 820 74 ,
100 = , điều đó có nghĩa là có hơn 99% năng lượng của electron chuyển thành nhiệt. Đối với electron có năng lượng 6 MeV, tỉ lệ này là 54%, tức lượng nhiệt không cần thiết tạo ra nhỏ hơn. Như vậy, khi năng lượng của electron tăng lên thì hiệu suất phát tia cũng tăng lên.
Điện tử sau khi vượt qua được hiệu điện thế U sẽ có năng lượng eU. Khi va chạm với nguyên tử, một phần năng lượng được bức xạ ra dưới dạng phôtôn, một phần năng lượng truyền cho nguyên tử, chủ yếu biến thành nhiệt năng [5].
Như vậy: eU = hf + ξδT Q4. (1.6) Trong đó:
hf là năng lượng chuyển hóa tia X
4
.
T Q
ξδ là nhiệt năng không mong muốn
ξ: hệ số nhiệt anode Q: diện tích anode δ : hằng số
T: nhiệt độ anode
Tần số cực đại được xác định từ điều kiện cho rằng: một electron đập vào cathode sẽ phát ra một lượng tử, và toàn bộ động năng của electron dùng để tạo thành lượng tử. Lúc đó ta có:
U . e f . h max = U . e hc min = λ Với: Hằng số Plank h =6,625.10-24 J.s Điện tích electron e = 1,6.10-19 C Vận tốc ánh sáng c =3.108m/s
Thay các giá trị trên vào công thức ta có: nm ] V [ U 5 , 1234 min = λ 1.2.1.2. Bức xạ đặc trưng
Nếu tăng điện áp gia tốc U lên nữa thì đến một điện áp tới hạn nào đó thì trên phông của phổ liên tục sẽ xuất hiện bức xạ có vạch đỉnh nhọn. Tần số của vạch đỉnh nhọn đó chỉ phụ thuộc vào điện áp gia tốc U và hoàn toàn đặc trưng cho vật liệu làm anode. Do đó, bức xạ này được gọi là bức xạ đặc trưng vì năng lượng của nó đặc trưng cho lớp electron trong nguyên tử. Lúc đó cũng có nghĩa là năng lượng của điện tử gia tốc bằng hay lớn hơn một giá trị xác định đặc trưng trong chất làm đối âm cực.
Cơ chế tạo ra phổ tia X đặc trưng, có thể hình dung như sau: trong số các electron đập vào anode bị hãm lại, có những electron năng lượng lớn có thể xuyên sâu vào bên trong nguyên tử, va chạm với electron ở lớp trong cùng của nguyên tử làm cho electron này bật ra khỏi nguyên tử. Chổ trống mà electron vừa rời khỏi nguyên tử bị các electron ở lớp cao hơn xuống chiếm chỗ. Quá trình chiếm chỗ diễn ra liên tiếp nhau kèm theo phát bức xạ photon h.ν. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trường hợp lớp K bị đánh bật đi 1 electron để lại một chỗ trống lập tức từ các lớp bên ngòai L,M,N electron sẽ chuyển xuống chiếm chỗ trống ở lớp K sẽ làm xuất hiện các vạch phổ Kα,Kβ,Kγ... Tương tự như vậy nếu ở lớp L bị đánh bật đi 1 electron để lại một chỗ trống, thì từ các lớp vỏ ngoài M,N,O... electron chuyển xuống chiếm chỗ kèm theo phát xạ các vạch phổ Lβ,Lβ,Lγ,...và tương tự như vậy khi electron lớp ngòai chuyển xuống chỗ trống ở lớp M cho các vạch phổ
,... M , M , Mα β γ (1.7) (1.8) (1.9)
Hình 1.27.Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng [26]
Trên hình 1.27 mô tả nguyên tử Vonfram với các lớp vỏ K,L,M. Năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Vonfram ở các lớp K, L, M lần lựơt là 69,5 keV, 12 keV, 2 keV. Electron tới va chạm với một electron ở lớp K và làm bứt electron ra khỏi quỹ đạo, sau đó cả 2 electron bay ra khỏi nguyên tử. Khi có sự thế chỗ các electron sẽ làm phát xạ ra 2 photon có năng lượng là 57,5 keV (đây là năng lượng chênh lệch giữa lớp K và lớp L).
Mặt khác electron ở lớp vỏ ngoài M lại chuyển xuống thế chỗ trống của electron ở lớp L và làm phát ra photon có năng lượng và 10 keV (phần năng lượng chênh lệch giữa lớp L và M). Như vậy, năng lượng tia X phát ra đặc trưng cho mức năng lượng của các lớp electron trong nguyên tử Vonfram.
Để xác định bước sóng tia X đặc trưng, ta vận dụng biểu thức năng lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử phức tạp (Z>1). Vì chỉ có nguyên tử phức tạp mới cho phổ tia X (tức là chỉ có các nguyên tử với Z lớn).[4]
2 * 2 l , n (Z ) n Rhc E =−
Với Z*e=(Z−a)e gọi là điện tích trung bình hiệu dụng, a là hệ số màn chắn tĩnh điện tích âm đối với hạt nhân. Hệ số a này thay đổi tùy theo từng lớp điện tử. Đối với lớp K thì hệ số a =1, vậy khi điện tử chuyển từ lớp L vào chỗ trống lớp K sẽ cho vạch phổ Kα tương ứng với tần số:
2 2 2 2 K L ) 1 Z .( RC 4 3 ) 1 Z )( 2 1 1 1 ( C . R h E E − = − − = − = να
Trong đó: R là hằng số Ritbe; C là vận tốc ánh sáng; Z là nguyên tử số của nguyên tố hóa học chế tạo nên cathode.
Biểu thức trên gọi là định luật Moseley, công thức này đúng với các nguyên tử có nguyên tử số Z>30 ( tức là những nguyên tố từ trung bình đến các nguyên tố nặng). Mỗi dãy phổ đều có vạch đầu và vạch cuối gọi là vạch ranh giới. Vạch đầu là
α α
α,L ,M
K , vạch cuối là K∞,L∞,M∞... (hình 1.28).
Bức xạ đặc trưng cần thiết trong X quang chẩn đoán là bức xạ phát ra do sự dịch chuyển electron từ các lớp L,M,N... (thậm chí electron ở bên ngoài nguyên tử) về lấp đầy lỡ trống ở lớp K. Nếu gọi chỉ số α biểu thị lớp vỏ kề cận lớp K, và β là
lớp vỏ không kề cận và các dịch chuyển tương ứng là Kα và Kβthì tia X ứng với
β
K mang năng lượng lớn hơn. Đối với mỗi lớp vỏ, có những vạch năng lượng rời rạc của các lớp vỏ con là kết quả của sự tách năng lượng tinh tế của tia X đặc trưng. Đối với Vonfram, có 3 vạch nổi bật trên nền phổ liên tục là Kα1,Kα2,Kβ1 như trong hình 1.28.
(1.10)
Hình 1.28. Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử [4]
Những vạch bức xạ đặc trưng không phát ra bởi sự dịch chuyển về lớp K thì không quan trọng trong chụp X quang chẩn đoán vì chúng gần như bị suy giảm khi đi qua cửa số ống phát tia và bộ lọc. Bảng 1.2 liệt kê các giá trị năng lượng liên kết của các electron ở lớp K tương ứng với năng lượng bức xạ đặc trưng của lớp K ứng với một số vật liệu anode thông dụng [26].
Bảng 1.2. Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode
Loại dịch chuyển Vonfram Molybden Rodi
1 Kα 59,32 17,48 20,22 2 Kα 57,98 17,37 20,07 1 Kβ 67,24 19,61 22,72
Bức xạ tia X đặc trưng ứng với lớp K chỉ phát xạ khi electron tới anode có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K, tức điện thế gia tốc phải lớn hơn 69,5 kVp đối với bia Vonfram, lớn hơn 20 kVp đối với bia Molybden. Số lượng tia X đặc trưng so với tia X bức xạ hãm tăng theo năng lượng electron tới, ví dụ với điện áp đỉnh 80 kVp, có khoảng 5% tổng số tia X phát ra là bức xạ đặc
trưng, với điện áp 100 kVp thì tỉ lệ này tăng lên 10%. Việc tạo ra tia X đặc trưng hầu như là kết quả của tương tác giữa electron-electron, tuy nhiên tương tác giữa bức xạ hãm và electron thông qua hiệu ứng quang điện cũng có thể làm phát ra tia X đặc trưng.
Hình 1.29. Các vạch bức xạ đặc trưng ứng với sự dịch chuyển Kα và Kβ trên nền bức xạ hãm đối với Vonfram ở điện áp 90kVp [26]
1.2.2. Các tính chất của tia X
1.2.2.1. Bản chất của tia X
Tia Rơnghen có bản chất là sóng điện từ như ánh sáng nhưng có bước sóng nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng. Ta có thể so sánh bước sóng tia Rơnghen trong dải sóng điện từ sau đây: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 1.3.Bước sóng của các loại sóng điện từ
Bức xạ Bước sóng λ
Tia Gamma <0,0012nm Tia Ronghen (tia X) 0,0012 – 12nm Tử ngọai 12 – 380nm Khả kiến 380 – 760nm Hồng ngoại 760 – 106 nm Sóng vô tuyến >1mm
Tính chất của tia X:
- Tia X làm ion hóa không khí, do đó đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra đuợc liều lượng tia X. Rọi vào các vật, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật.
- Tính truyền thẳng và đâm xuyên: là tính chất nổi bật của tia X, nó dễ dàng đi qua các vật không trong suốt với ánh sáng thông thường như gỗ, giấy, vải, các mô mềm như thịt, da. Đối với các mô cứng và kim loại thì nó đi qua khó hơn, kim loại có nguyên tử lượng càng lớn thì tia X càng khó xuyên qua. Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng mạnh, khi đó ta nói tia X càng cứng. Đây là đặc trưng quan trọng trong tạo hình X quang.
- Tính bị hấp thu: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị giảm xuống do một phần năng lượng bị hấp thụ. Đây là cơ sở của các phương pháp chẩn đoán X quang và liệu pháp X quang.
-Tính chất quang học: giống như ánh sáng, tia X cũng có những hiện tượng quang học như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Những tính chất này tạo nên những tia thứ cấp trong cơ thể khi nó xuyên qua và gây nên giảm độ tương phản trên các phim chụp. Để chống lại hiện tượng này người ta có thể dùng loa khu trú, đóng nhỏ chùm tia, lưới lọc....
- Tính chất gây phát quang: dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát quang như clorua, Na, BA, Mg, Li,... và có chất trở nên sáng như Tungstat cadmi, platino-cyanua Bari các chất này được dùng để chế tạo màn huỳnh quang dùng khi chiếu X quang, tấm tăng quang.
- Tính chất hoá học: tính chất hoá học quan trọng nhất của tia X là tác dụng lên muối bromua bạc trên phim và giấy ảnh làm cho nó biến thành bạc khi chịu tác dụng của các chất khử trong thuốc hiện hình. Nhờ tính chất này mà nó cho phép ghi hình X quang của các bộ phận trong cơ thể lên phim và giấy ảnh.
- Tác dụng sinh học: khi truyền qua cơ thể tia X gây ra tác dụng sinh lí hủy diệt tế bào. Tác dụng này được sử dụng trong điều trị (điều trị ung thư nông) đồng thời nó cũng gây nên những biến đổi có hại cho cơ thể.
1.2.2.2. Sự hấp thụ tia X
Do các quá trình tương tác quang điện, Compton, tạo cặp nên tia X khi đi xuyên qua vật chất năng lượng, mật độ chùm tia có thể giảm đi và do đó cường độ chùm tia sẽ bị suy giảm. Sự suy giảm này được tính theo định luật Beer. Nếu I0 là cường độ chùm tia X tới, I là cường độ tia X ra khỏi lớp vật chất, d là bề dày lớp vật chất mà tia X xuyên qua định luật hấp thụ Beer thể hiện như sau:
d 0.e I I= −µ
Trong đó, µlà hệ số suy giảm theo chiều dài đặc trưng cho bản chất hấp thụ tia X của vật chất và mật độ vật chất. Vì quá trình hấp thụ phụ thuộc ngẫu nhiên vào xác suất xảy ra các hiệu ứng ở trên nên hệ số suy giảm được xem như là tổng hệ số suy giảm của từng hiệu ứng:
χ δ τ+µ +µ µ = µ
Với µτ,µδ,µχ lần lượt là hệ số suy giảm của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng