PROSES TERJADINYA SINAR X

A.    Pengertian

Sinar x adalah suatu gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang sangat pendek dengan energi yang sangat besar dan memiliki daya tembus yang sangat tinggi.Sinar x juga mampu mengionisasi atom dari materi yang dilaluinya, menjadikannya sebagai salah satu bentuk dari radiasi elektromagnetik. Sinar x memiliki panjang mulai dari 0,01 sampai 10 nanometer dengan frekuensi mulai dari 30 petaHertz sampai 30 exaHertz dan memiliki energi mulai dari 120 elektronVolt sampai 120 kilo elektronVolt. Kemampuan Sinar x dalam menembus bahan dimanfaatkan dalam bidang medis dalam Radiografi Diagnostik 

                                                           Panjang Gelombang Sinar X

B.     Sejarah singkat ditemukannya sinar x :

WILHELM CONRAD RONTGEN adalah penemu sinar x yang di lahirkan pada 27 maret 1845, di Lennep jerman adalah anak seorang pedagang. Pada usia 3 tahun keluarganya pindah ke APELDOORN Belanda. Ia kemudian masuk insitut Martinus Herman Van Doorn. Rontgen belajar Fisika Universitas Utrecht tahun 1865. Kemudian masuk dalam jurusan Rekayasa Mekanik di Politeknik zurich Swiss dan bekerja di laboratorium Kundt di bawah bimbingan dosennya Clausius. Rontgen memperoleh gelar PhD tahun 1869, kemudian terbang ke Prancis mengajar di Univesitas Strasbourg sebagai guru besar bidang Fisika. Tak lama kemudian ia pindah ke Jerman tahun 1900 menjadi ketua jurusan Fisika Universitas Munich  atas  permintaan khusus  pemerintah  Provinsi Bavaria. Karya pertamanya dipublikasikan tahun 1870 tentang “panas gas yang spesifik”, kemudian disusul karya tulis tentang “konduksi panas Kristal. Tanggal 8 November 1895 Rontgen melakukan percobaan dengan “Cathode”, sinar Cathode terdiri atas arus elektron. Arus diproduksi menggunakan voltase tinggi antara electrode yang ditempatkan pada masing - masing ujung tabung gelas yang udaranya hampir di kosongkan seluruhnya. Sinar cathode ini tidak khusus merembes dan sudah distop oleh beberapa sentimeter udara. Pada peristiwa ini Rontgen sudah sepenuhnya menutup tabung sinar cathode dengan kertas hitam tebal sehingga biarpun listrik dinyalakan, tak ada cahaya yang bisa terlihat dari tabung. Akan tetapi, takkala Rontgen menyalakan arus listrik di dalam tabung sinar cathode, dia terperanjat melihat bahwa cahaya mulai memijar pada layar yang terletak dekat bangku seperti distimulir oleh sinar lampu. Dia padamkan tabung dan layar (yang terbungkus barium platino cyanide). Lalu cahaya berhenti memijar. Karena tabung sinar cathode sepenuhnya tertutup. Rontgen segera sadar bahwa suatu bentuk radiasi yang tak kelihatan mesti datang dari tabung ketika cahaya listrik dinyalakan. Karena ini merupakan hal yang misterius, dia sebut radiasi yang tampak itu “sinar x” yang merupakan lambang matematik biasa untuk sesuatu yang tidak diketahui. Tergiur oleh penemuannya yang kebetulan itu, Rontgen menyisihkan penyelidikan-penyelidikan lainnya dan ia pusatkan perhatian terhadap penelaahan hal ihwal yang terkandung dalam “Sinar x”. Sesudah beberapa minggu bekerja keras, dia menemukan bukti-bukti lain sebagai berikut :

1)Sinar x bisa membuat sinar pelbagai benda kimia selain brium platinocyanide.

  2) Sinar x dapat menerobos lewat berbagai benda yang tak tembus oleh cahaya  biasa. Rontgen menemukan bahwa sinar x dapat menembus dagingnya, tetapi berhenti pada tulangnya. Dengan jalan meletakkan tangannya antara tabung sinar cathode dan layar yang bersinar, Rontgen dapat melihat di layar bayangan dari tulang tangannya.

 3) Sinar x berjalan menurut garis lurus tidak seperti partikel bermuatan listrik, sinar x tidak terbelokkan oleh bidang magnet.
Bulan Desember 1895 Rontgen menulis kertas kerja pertamanya mengenai sinar x. Laporannya dalam waktu singkat menggugah perhatian dan kegemparan. Dalam tempo beberapa bulan, banyak ilmuwan melakukan penyelidikan sinar x dan dalam tempo setahun sekitar 1000 kertas kerja diterbitkan tentang masalah itu.

Salah seorang ilmuwan yang penyelidikannya langsung pada hasil penemuan Rontgen adalah Antoine Henry Becquerel. Orang ini meskipun maksud utamanya menyelidiki sinar x, justru menemukan fenomena penting tentang radioaktivitas. Secara umum sinar x bekerja bila energi tinggj elektron mengenai sasaran. Sinar x itu sendiri tidak mengandung elektron. Akan tetapi, gelombang yang dapat terlihat mata (yaitu gelombang cahaya), kecuali panjang gelombang sinar x jauh lebih pendek.

Sinar x juga banyak dipergunakan untuk keperluan industri, misalnya bisa digunakan untuk mengukur tebal suatu benda atau mencari kerusakan yang tersembunyi. Sinar x juga bermanfaat pada banyak bidang penyelidikan ilmiah, mulai dari biologi hingga astronomi. Sinar x menyuguhkan kepada para ilmuwan sejumlah besar informasi yang berkaitan dengan atom dan struktur molekul

Rontgen tak mempunyai anak karena itu dia dan istrinya, Anna Bertha Ludwig kemudian mengadopsi anak seorang gadis, tahun 1901 Rontgen menerima hadiah Nobel bidang fisika yang untuk pertama kalinya diberikan pada bidang itu. Dia tutup usia di Munich, Jerman pada 10 Februari 1923

C. Pembagian sinar x

1. Sinar x Brehmsstrahlung

Electron dengan kecepatan tinggi (karena ada beda potensial 1000 Kvolt) yang mengenai target anoda, electron tiba-tiba akan mengalami pelemahan yg sangat drastis oleh target sehingga menimbulkan sinar x, sinar x yg terjadi dinamakan “sinar x brehmsstrahlung” or “braking radiation”. Pada waktu muatan (electron) yang bergerak dengan kecepatan tinggi (mengalami percepatan), karena adanya beda potensial, muatan (electron) akan memancarkan radiasi elektromagnetik dan ketika energy electron cukup tinggi maka radiasi elektromagnetik tersebut dalam range sinar x. Sinar x jenis ini tidak dipergunakan untuk XRD (X Ray Difraction)

2. Sinar x karakteristik

Electron dari katoda yang bergerak dengan percepatan yg cukup tinggi, dapat mengenai electron dari atom target  (anoda) sehingga menyebabkan electron tereksitasi dari atom, kemudian electron lain yang berada pada sub kulit yang lebih tinggi akan mengisi kekosongan yang ditinggalkan oleh electron tadi, dengan memancarkan sinar x yang memiliki energy sebanding dengan level energy electron. Karena sinar x karakteristik memiliki Panjang gelombang tertentu yang dapat difilter, maka jenis ini banyak diaplikasikan untuk XRD (X-RAy Diffraction) dalam menentukan struktur material.

D.  Sifat – sifat sinar x

Sinar x mempunyai beberapa sifat fisik yaitu daya tembus, pertebaran, penyerapan, efek fotografik, fluoresensi, ionisasi dan efek biologik., Sinar x tidak dapat dilihat dengan mata, bergerak lurus yang mana kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya, tidak dapat difraksikan dengan lensa atau prisma tetapi dapat difraksikan dengan kisi kristal. Dapat diserap oleh timah hitam, dapat dibelokkan setelah menembus logam atau benda padat mempunyai frekuensi gelombang yang tinggi.

1)  Daya tembus

Sinar x dapat menembus bahan atau massa yang padat dengan daya tembus yang sangat besar seperti tulang dan gigi. Makin tinggi tegangan tabung (besarnya KV) yang digunakan, makin besar daya tembusnya.Makin rendah berat atom atau kepadatan suatu benda, makin besar daya tembusnya.

2)  Pertebaran

Apabila berkas sinar x melalui suatu bahan atau suatu zat, maka berkas sinar tersebut akan bertebaran keseluruh arah, menimbulkan radiasi sekunder (radiasi hambur) pada bahan atau zat yang dilalui. Hal ini akan menyebabkan terjadinya gambar radiograf dan pada film akan tampak pengaburan kelabu secara menyeluruh. Untuk mengurangi akibat radiasi hambur ini maka diantara subjek dengan diletakkan timah hitam (grid) yang tipis.

3)   Penyerapan

Sinar x dalam radiografi diserap oleh bahan atau zat sesuai dengan berat atom atau kepadatan bahan atau zat tersebut. Makin tinggi kepadatannya atau berat atomnya makin besar penyerapannya.

4)  Fluoresensi

Sinar x menyebabkan bahan-bahan tertentu seperti kalsium tungstat atau zink sulfide memendarkan cahaya (luminisensi). Luminisensi ada 2 jenis yaitu :

1.  Fluoresensi, yaitu memendarkan cahaya sewaktu ada radiasi sinar x saja.

2. Fosforisensi, pemendaran cahaya akan berlangsung beberapa saat walaupun radiasi sinar x sudah dimatikan (after – glow).

5)  Ionisasi

Efek primer dari sinar x apabila mengenai suatu bahan atau zat dapat menimbulkan ionisasi partikel-partikel atau zat tersebut.

6)   Efek Biologi

Sinar x akan menimbulkan perubahan-perubahan biologi pada jaringan. Efekbiologi ini yang dipergunakan dalam pengobatan radioterapi.

E.     Prinsip dasar pembentukan sinar x

Sinar x dibentuk ketika elektron - elektron bebas melepaskan sebagian energinya ketika berinteraksi dengan elektron yang mengorbit atau dengan nukleus atau inti atom.Energi yang dilepaskan oleh elektron ini adalah Foton Sinar x

Proses terjadinya sinar x adalah sebagai berikut :

Ø  Katoda (filament) dipanaskan (besar dari 20.0000C) sampai menyala    dengan mengalirkan listrik yang berasal dari transformator.

Ø  Panas electron-elektron dari katoda (filamen) terlepas.

Ø  Sewaktu dihubungkan dengan transformator tegangan tinggi, electron electron gerakannya dipercepat menuju anoda yang berpusat di focusing cup.

Ø  Awan-awan elektron mendadak dihentikan pada target (sasaran)           sehingga terbentuk panas (99%) den sinar x (1%)

Ø  Pelindung (perisai) timah akan mencegah keluarnya sinar x, sehingga Sinar x yang terbentuk hanya dapat keluar melalui jendela.

Ø  Panas yang tinggi pada target (sasaran) akibat benturan electron dihilangkan dengan radiator pendingin.

F.      Syarat Terjadinya Sinar x

 

Gambar 2.4 Tabung sinar x

Beberapa syara terjadinya sinar x diantaranya sebegai berikut :

1.      Ruang vacuum (hampa udara)

Pembentukan sinar x juga membutuhkan ruang vakum atau hampa udara. Proses pembentukan harus dalam ruang vakum karena jika keadaan tidak vakum, maka ketika elektron bergerak akan ada unsur atau partikel lain yang menghalangi lintasan elektron menuju target yang bisa menyebabkan perubahan arah elektron sehingga tidak menumbuk target atau berkurangnya kecepatan elektron karena terhambat sehingga energi yang seharusnya dipancarkan besar akan menjadi kecil. Maka dari itu, semua proses pembentukan dan komponen pembangkit sinar x harus dalam ruang vakum

2.      Beda potensial yang tinggi

Setelah elektron bebas terkumpul, maka elektron perlu digerakkan dengan sangat cepat menuju target. Elektron harus bergerak sangat cepat karena energi sinar x yang akan dipancarkan elektron bergantung pada kecepatannya. Untuk menggerakkan electron yang dibutuhkan adalah beda potensial yang tinggi. Pada dasarnya elektron adalah partikel bermuatan negatif, maka target Anoda perlu diberi tegangan positif yang tinggi agar dapat menarik elektron. Hal ini bekerja seperti layaknya magnet, dua kutub yang berlainan akan saling tarik menarik. Begitu juga dengan daya tarik muatan, jika muatan berbeda, akan terjadi daya tarik antar partikel. Dengan hal ini, kita dapat mengatur seberapa cepat elektron bergerak dengan mengatur tegangan tabung. Semakin tinggi tegangannya, maka semakin cepat juga elektron bergerak, dan makin kuat daya tembusnya.

3.      Sumber electron

Setiap materi terdiri dari atom, dan setiap atom memiliki elektron yang mengelilingi nukleus. Dalam hal ini, filamen adalah sebagai sumber elektron. Umumnya Logam dipilih sebagai filamen karena unsur logam memiliki banyak elektron yang mengorbit di kulit atomnya. Yang perlu dilakukan adalah melepaskan elektron yang mengorbit tersebut sehingga menjadi elektron bebas. Dengan mengalirkan arus pada filamen, maka akan terjadi efek emisi termionis yang menyebabkan elektron terlepas dari kulit atom.

Filamen pada Katoda harus memilik sifat sebagai berikut:

- Memiliki Fungsi Kerja yang rendah

- Memiliki titik lebur (Melting Point) yang tinggi

- Memiliki ketahanan mekanis yang tinggi

Umumnya Tungsten digunakan sebagai bahan filamen karena Tungsten memiliki titik lebur yang tinggi (3370°C), fungsi kerja 4,52 eV yang tidak terlalu tinggi untuk Tabung Röntgen, dan strukturnya yang solid memiliki daya tahan mekanis yang tinggi. Nomor Atom Tungsten juga tinggi (74), yang artinya banyak elektron yang mengorbit inti atomnya, sehingga mudah dilepaskan

4.      Target tumbukan

 Focusing

Hal terakhir yang perlu diperhatikan adalah target tumbukan atau anoda. Anoda disini bekerja sebagai material untuk berinteraksi dengan elektron dan sebagai bahan penarik elektron karena diberi tegangan yang tinggi. Ketika elektron bebas menumbuk target anoda, maka sinar x akan dihasilkan, baik melalui proses Bremsstrahlung atau proses sinar x Karakteristik. Secara umum, ketika elektron menabrak target, elektron akan memancarkan foton sinar x. Target anoda umumnya juga terbuat dari tungsten karena ketahanan mekanisnya yang tinggi, serta didukung beberapa material lain seperti Rhenium, Molybdenum, dan Grafit untuk meningkatkan ketahanan mekanis target, dan meningkatkan daya dissipasi panas target.