1. NỘI DUNG:
Cấu trúc nguyên tử, các lực hoạt động bên
trong nguyên tử.
Các dạng bức xạ điện từ (bao gồm tia X).
Tính chất của tia X.
Thành phần của máy X quang và bóng đèn tia X.
Tia X được tạo thành như thế nào và cách làm
giảm chùm tia X.
TẠO RA TIA X
(X-RAY PRODUCTION)
2. Nguyên tử (atom) gồm electrons (điện tích âm),
protons (điện tích dương) và neutrons (không
mang điện). Protons và neutrons nằm trong nhân
của nguyên tử và electrons chuyển động quay
(quỹ đạo/orbit) quanh nhân. Số lượng electrons
bằng số lượng protons trong cùng một nguyên tử
để nguyên tử trung hòa về điện. Các chất khác
nhau (như vàng và chì) có số lượng
protons/electrons khác nhau trong nguyên tử của
chúng. Tuy nhiên, tất cả các nguyên tử của cùng
một chất sẽ có số lượng electrons và protons như
nhau.
Cấu trúc nguyên tử
3. Nguyên tử
Nguyên tử này có 7 protons và 7 neutrons trong nhân. Có
7 electrons chuyển động theo quỹ đạo quanh nhân.
protons
neutrons
electrons
4. Các electrons được giữ trong quỹ đạo (orbits)
của chúng xung quanh nhân là do 2 lực đối lập
nhau. Một là lực tĩnh điện (electrostatic force),
là lực hút giữa electrons âm và protons dương.
Lực hút này làm cho electrons bị kéo về phía
protons ở nhân. Để giữ cho electrons không bị
hút vào trong nhân, một lực khác là lực ly tâm
(centrifugal force), kéo electrons trở lại. Sự cân
bằng giữa 2 lực này giữ electrons nằm trong
quỹ đạo.
5. Lực tĩnh điện là lực hút giữa protons và electrons.
Electrons ở quỹ đạo gần nhân nhất (quỹ đạo K) sẽ có
lực hút tĩnh điện lớn hơn electrons ở các quỹ đạo xa
nhân hơn. Một thuật ngữ khác thường được dùng là
năng lượng liên kết (binding energy); là năng lượng
cần để thắng lực hút tĩnh điện để đánh bật electron
ra khỏi quỹ đạo của nó. Theo mục đích của chúng ta,
thì lực tĩnh điện và năng lượng liên kết là giống
nhau. Số hiệu nguyên tử (Z) của một nguyên tử càng
lớn (nhiều protons), lực tĩnh điện đối với electrons
trong nguyên tử càng lớn. Electron ở lớp K có NL
liên kết cao nhất.
7. Cân bằng giữa lực tĩnh điện EF và lực ly tâm
CF giữ cho electrons nằm trong quỹ đạo của
chúng quanh nhân.
EF CF
8. Bức xạ điện từ
(Electromagnetic Radiation)
Tia X là một dạng bức xạ điện từ có bức sóng
ngắn, có thể gây ion hóa và xuyên qua chất
rắn. Bức xạ (sóng) điện từ là chuyển động của
năng lượng xuyên qua không gian như một
sự kết hợp giữa điện trường (electric field) và
từ trường (magnetic fields). Tất cả các dạng
bức xạ điện từ gồm sóng radio, sóng tv, vi
sóng (microwaves), ánh sáng nhìn thấy, và tia
gamma,… lan truyền trong không khí dưới
dạng sóng với vận tốc của ánh sáng (186,000
dặm/s).
9. D
W
W
Sóng bức xạ điện từ có 2 đặc tính cơ bản: bước sóng
W (wavelength) và tần số F (frequency). Bước sóng là
khoảng cách giữa 2 đỉnh của 2 sóng liên tiếp. Tần số
là số lượng sóng trong một khoảng cách nào đó (D).
Nếu khoảng cách giữa các sóng nhỏ (W nhỏ), tần số
sẽ cao.
Hình trên: sóng phía trên có bước sóng ngắn hơn và
có tần số cao hơn sóng dưới.
F = 3
F = 2
10.
11. Sóng
radio
Sóng
tv
AS nhìn
thấy
Tia X Tia
gamma
Tia vũ trụ
Bức xạ điện từ nào có bước sóng nhỏ nhất?
Bức xạ nào có tần số nhỏ nhất?
Tia vũ trụ (Cosmic rays)
Sóng Radio
12. Năng lượng của sóng điện từ tượng trưng
cho khả năng xuyên qua vật thể. Năng lượng
càng cao, sóng xuyên qua vật thể càng dễ.
Bước sóng càng ngắn, năng lượng càng cao,
và tần số càng cao, năng lượng càng lớn.
Năng lượng tia X
λ
ch
fhE
.
. ==
h = 6,625.10-34
Js : hằng số Planck.
f, λ : là tần số và bước sóng của photon.
c= 3.108
m/s : vận tốc ánh sáng trong chân không.
13. A
B
C
Tia X nào có năng lượng cao nhất?
A: bước sóng ngắn nhất, tần số cao nhất.
14. Tính chất của tia X
• Tia X là sóng có năng lượng cao, với bước
sóng rất ngắn, lan truyền với vận tốc ánh sáng.
• Tia X không có trọng lượng, không mang điện
tích, không nhìn thấy được.
• Tia X truyền theo đường thẳng.
• Chùm tia X không thể hội tụ tại một điểm; chùm
tia X phân kỳ khi nó truyền tới và đi qua BN.
Giống như chùm ánh sáng đèn flashlight.
15. • Tia X được hấp thu khác nhau bởi các chất mà
chúng đi qua. Chất có mật độ càng dày đặc (như
amalgam) sẽ hấp thu tia X nhiều hơn chất có mật độ
ít dày đặc hơn (mô da). Tính chất này cho phép ta
nhìn thấy hình ảnh trên phim X quang.
• Tia X sẽ làm phát quang (fluoresce) một số chất.
Ứng dụng tính chất này trong bảng tăng sáng
(intensifying screens) dùng trong chụp phim ngoài
mặt.
• Tia X gây hại cho tổ chức sống. Do đó, phải hạn
chế số lượng phim chụp đến mức tối thiểu khi chẩn
đoán.
Tính chất của tia X
17. Máy X quang 3 phần chính:
(1)Đầu đèn (tubehead) tia X,
tạo ra tia X.
(2)Giá đỡ (support arms),
cho phép di chuyển đầu
đèn quanh đầu BN.
(3)Hộp điều khiển (control
panel), cho phép thay đổi
thời gian chụp (exposure
time) và cường độ (năng
lượng) của chùm tia X (ở
một số máy X quang).
1
3
2
18. PID
(cone)
X-ray
Tubehead
degrees
Đầu đèn dính với cần máy để nó có thể quay lên,
xuống (chiều đứng; tính theo độ) và di chuyển sang
bên (chiều ngang). Ống côn (PID-Position Indicating
Device) dính với đầu đèn là nơi tia X đi ra và nó xác
định vị trí của chùm tia X.
19. Hộp điều khiển như hộp ở bên trái, cho phép thay
đổi thời gian chụp (exposure time) mà không thay
đổi được bất cứ gì khác.
Một số máy, như hình bên phải, còn cho phép cài đặt
mA và kVp ngoài thời gian chụp ra.
exposure time kVp control
mA control
20. X-ray Tube
Tia X được tạo ra bởi bóng đèn tia X (x-ray tube),
nằm trong đầu đèn tia X (x-ray tubehead). Tia X
được sinh ra khi electrons đi ra từ dây tóc
(filament) của bóng đèn và di chuyển với tốc độ
cao đập vào và tương tác với bia ngắm (target).
2 thành phần chính của bóng đèn tia X là âm cực
(cathode) và dương cực (anode).
21. (tungsten)
Âm cực
Ly tập trung
Dây tóc
Âm cực gồm dây tóc tungsten nằm chính giữa ly
tập trung (focusing cup). Electrons được sinh ra
bởi dây tóc và được tập trung vào bia ngắm của
dương cực nơi tia X được tạo ra. Ly tập trung có
điện tích âm, giống như electrons, điều này giúp
hướng dẫn các electrons hướng về bia ngắm (“tập
trung” chúng; electrons có thể được tập trung,
nhưng tia X thì không).
Nhìn bên
(cross-section)
Nhìn trước
(facing target)
22. Sự phát nhiệt (Thermionic Emission)
x-section
of
filament
hot
filament
Khi bấm nút chụp, dòng điện đi qua dây tóc ở cathode,
làm nó nóng lên. Dây tóc bị đốt nóng phóng thích ra
electrons, chúng nằm xung quanh dây tóc (thermionic
emission). Dây tóc càng nóng, càng nhiều electrons
được thoát ra.
electrons
Nút chụp
23. Dương cực
Lõi đồng
(Copper stem)
Bia ngắm
(Target)
Dương cực gồm bia ngắm làm bằng tungsten gắn
dính trong lõi đồng (copper stem). Khi electrons
từ dây tóc bắn vào bia ngắm và tạo ra tia X, rất
nhiều nhiệt được sinh ra. Lõi đồng giúp giải nhiệt
cho bia ngắm.
Nhìn bên Nhìn trước
bia ngắm
24. Các thành phần của bóng đèn tia X
1
2
4
3
5
8
6
7
9
1. Ly tập trung 6. Lõi đồng
2. Dây tóc 7. Bóng thủy tinh có chì
3. Dòng electron 8. Tia X
4. Chân không 9. Cửa sổ Tia X (bằng Beryllium)
5. Bia ngắm
25. 1. Ly tập trung: tập trung electrons hướng về bia ngắm.
2. Dây tóc: giải phóng electron khi bị đốt nóng.
3. Dòng electron: electrons đi từ dây tóc đến bia ngắm
trong thời gian chụp.
4. Chân không: không có không khí hay gas bên trong
bóng đèn tia X.
5. Bia ngắm: tia X được tạo ra khi electrons đập vào bia
ngắm.
6. Lõi đồng: giúp giải nhiệt cho bia ngắm.
7. Bóng thủy tinh có chì: giữ tia X không đi ra khỏi bóng
đèn theo các hướng không mong muốn.
8. Tia X tạo ra ở bia ngắm phát ra theo mọi hướng.
9. Cửa sổ Beryllium: phần này không chứa chì, cho phép
tia X đi qua. Ống côn sẽ nằm ngay trên đường thẳng
chứa cửa sổ này.
Các thành phần của bóng đèn tia X
27. Thành phần của máy X quang
Hộp điều khiển
(Control Panel)
Đầu đèn
(X-ray
Tubehead)
110, 220 line Timer
Exposure switch
mA selector
kVp selector
Máy tự biến thế
Máy tăng thế
Máy hạ thế
Bóng đèn (X-ray Tube)
Dây điện
Dầu
28. Máy X quang được cắm vào nguồn điện 110-volt
(hầu hết các máy) hay 220-volt (một số máy chụp
ngoài mặt). Dòng điện chạy ra từ nguồn điện là
dòng điện xoay chiều 60Hz. Mỗi chu kỳ gồm một
pha dương và một pha âm.
Tia X chỉ được tạo ra trong pha dương; bia ngắm
cần điện dương để hút các electrons từ dây tóc.
Trong pha dương của chu kỳ, hiệu điện thế bắt đầu
ở 0 và tăng lên cao nhất trước khi hạ xuống trở lại 0
và đi vào pha âm. Mỗi chu kỳ hoàn thành mất 1/60
giây; có 60 chu kỳ/s.
Hiệu điện thế của máy X quang
29. + 110, 220
- 110, 220
positive
negative
Bia ngắm có điện;
Có dòng electrons
0
voltage starts at zero and reaches
a maximum of 110 or 220 before
going back to zero
Bia ngắm có điện;
Có dòng electrons
Bia ngắm ko có điện;
Ko có dòng electrons
30. DĐ một chiều (điện thế không đổi)
DĐ xoay chiều 60Hz
Nhiều máy X quang hiện nay chuyển đổi dòng điện
xoay chiều thành dòng điện một chiều (điện thế
không đổi). Thay vì các chu kỳ đi từ 0 đến hiệu điện
thế cao nhất (cả dương và âm), thì hiệu điện thế
được giữ ở giá trị dương cao nhất, tạo ra nhiều tia
hiệu quả (effective x-ray) hơn. Điều này cho phép
thời gian chụp ngắn hơn.
31. Timer
Timer điều khiển thời gian chụp. Số màu đen ở trên
tượng trưng cho xung động (impulses). Số màu đỏ
là giây.
32. Số lượng xung
60
= giây
1/60 sec.Với DĐ xoay chiều, có 60 chu kỳ mỗi
giây; mỗi chu kỳ là một xung động và
kéo dài 1/60 giây. Để chuyển đổi xung
động thành giây, ta chia số lượng xung
cho 60. Để chuyển đổi giây thành xung
động thì nhân với 60.
Số giây X 60 = xung
60 impulses/60 = 1 second
30 impulses/60 = 0.5 (1/2) second
15 impulses/60 = 0.25 (1/4) second
0.75 (3/4) second X 60 = 45 impulses
0.1 (1/10) second X 60 = 6 impulses
33. Có 2 mạch điện (electrical circuits) hoạt động trong
lúc chụp tia X. Thứ nhất là mạch có dòng điện với
hiệu điện thế thấp điều khiển sự nóng lên của dây
tóc. Khi nhấn nút chụp, dòng điện này hoạt động
trong ½ giây hay ít hơn để đốt nóng dây tóc. Không
có tia X được tạo ra lúc này.
Khi tiếp tục ấn giữ nút chụp, mạch có dòng điện với
hiệu điện thế cao được kích hoạt. Dòng điện này
kiểm soát dòng electrons đi trong bóng đèn; trong
pha dương của chu kỳ của DĐ xoay chiều, các
electrons bị hút về bia ngắm. Tia X được tạo ra đến
hết thời gian chụp. Thời gian dòng điện có hiệu điện
thế cao này hoạt động tương đương với thời gian
chụp.
34. Chụp tia X
2. Kích hoạt mạch có hiệu điện thế thấp đốt nóng dây tóc.
3. Kích hoạt mạch có hiệu điện thế cao để kéo e- về bia ngắm.
4. Electrons di chuyển, đập vào bia ngắm và tạo ra tia X.
1. Nhấn nút chụp.
5. Tia X ngừng tạo ra khi hết thời gian chụp. Buông nút chụp ra.
35. Exposure Button
Timer quyết định thời gian chụp, không phải thời
gian ấn giữ nút chụp; không thể chụp tia cứng
(overexpose) bằng cách giữ nút chụp trong thời
gian dài. Tuy nhiên, có thể chụp tia mềm
(underexpose) bằng cách buông nút chụp ra ngay;
việc chụp sẽ kết thúc ngay khi buông nút chụp.
36. mA setting
milliAmpere (mA) selector
Phần cài đặt mA (milliAmpere) quyết định cường
độ dòng điện sẽ chạy qua dây tóc ở cathode. Dây
tóc này rất mỏng; không mất nhiều điện (hiệu
điện thế) để làm nó nóng. Cài đặt mA càng lớn,
nhiệt độ của dây tóc càng lớn và số lượng
electrons được tạo ra càng nhiều.
37. Máy hạ thế (Step-Down Transformer)
Nếu hiệu điện thế chạy qua dây tóc quá cao, dây
tóc sẽ cháy. Để hạ hiệu điện thế xuống, dòng
điện chạy qua một máy hạ thế trước khi đến dây
tóc. Hiệu điện thế đạt được ở máy hạ thế được
quyết bởi việc cài đặt mA. Máy hạ thế làm giảm
hiệu điện thế đến khoảng 10 volts, tạo ra một
dòng điện 4-5A chạy qua dây tóc.
38. Máy hạ thế
Primary
Secondary
110 volts
or less
currentflow
10 volts
currentflow
Dòng điện đi vào máy hạ thế ở bên vào (primary /input) và
ra ở bên ra (secondary /output). Cuộn dây bên ra càng ít
vòng xoắn, hiệu điện thế ra càng thấp.
Cuộn dây bên vào dưới đây có 110 vòng, cuộn bên ra sẽ có
10 vòng.
39. kiloVolt peak (kVp) control
kVp readout
kVp control knob
kVp control điều chỉnh hiệu điện thế đi qua bóng đèn
tia X. (một kilovolt = 1000 V; 70 kV = 70,000 V). Cài đặt
70 kVp có nghĩa là hiệu điện thế đỉnh (peak/maximum
voltage) là 70,000 V. Hiệu điện thế càng cao,
electrons di chuyển từ dây tóc sang bia ngắm càng
nhanh. Nút kVp control knob là tự biến thế.
40. Máy tự biến thế (Autotransformer)
Máy tự biến thế quyết định hiệu điện thế tăng lên
bao nhiêu khi đến máy tăng thế. Về cơ bản, máy
biến thế là nhiều cuộn dây. Trong máy tự biến
thế, số vòng xoắn của cuộn dây được lựa chọn
(dùng nút kVp control knob) càng nhiều, thì hiệu
điện thế đi qua bóng đèn càng cao. Nó có chức
năng giống như một cái biến trở (rheostat).
Hiệu điện thế đến là 110 volts. Hiệu điện thế ra
sẽ là 65 volts nếu kVp control được thiết lập ở
65. Hiệu điện thế ra sẽ là 80 volts nếu kVp được
thiết lập là 80.
41. 110 V
65 volts
Dòngđiện
Máy tự biến thế: thiết lập ban đầu là 65; hiệu điện thế
ra là 65 volts.
80 volts
to step-up transformer
kVp
selector
Máy tự biến thế: nếu thiết lập đổi thành 80; hiệu điện
thế ra là 80volts.
42. Hiệu điện thế đi ra từ máy tự biến thế tiếp theo sẽ đến
máy tăng thế, nơi nó sẽ tăng lên một cách đáng kể.
Hiệu điện thế cuối cùng đến từ máy tăng thế lớn gấp
1000 lần so với hiệu điện thế vào.
VD, cài đặt kVp control knob là 65, hiệu điện thế 65
volts sẽ đi ra khỏi máy tự biến thế. HĐT 65 volts này
tăng lên 65,000 volts (65kV) bởi máy tăng thế.
Ở bên vào của máy tăng thế (primary side) số vòng
xoắn của cuộn dây ít hơn bên ra (secondary side).
Máy tăng thế (Step-Up Transformer)
43. Máy tăng thế
Primary
Secondary
65-90 volts
currentflow
65,000 to
90,000 volts
currentflow
Dòng điện đi vào máy tăng thế ở bên vào (primary /input
side) và ra ở bên ra (secondary /output side). Cuộn dây bên
ra càng nhiều vòng xoắn, HĐT ra càng lớn. Cuộn dây bên
ra trong máy tăng thế có số vòng xoắn gấp 1000 lần bên
vào.
44. 65,000 to
90,000 volts
kVp
Dây tóc
110 volts
10 volts
Mối liên hệ của các thành phần khác nhau trong máy X
quang được trình bày trong sơ đồ dưới đây. Chúng tạo
thành mạch điện có HĐT cao và mạch điện có HĐT thấp.
45. Nút chụp
Dầu
Màng lọc
Máy X quang được cắm vào nguồn điện (thường là 110V).
Thời gian chụp được thiết lập với timer.
Khi nhấn nút chụp, DĐ chạy vào đầu đèn, kích hoạt mạch có HĐT thấp đốt
nóng dây tóc; khoảng ½ giây.
Trong lúc giữ nút chụp, mạch có HĐT cao được kích hoạt để kéo e từ dây
tóc qua bia ngắm, tạo ra tia X.
Dây tóc
Tia X đi qua mành lọc (filter) và ống chuẩn trực (collimator) trước khi ra
khỏi ống côn (PID).
Máy tăng thế
Máy hạ thế
Ống côn
Ống chuẩn
trực
46. Đầu đèn chứa đầy dầu (oil), chúng bao quanh các máy
biến thế, bóng đèn tia X và dây điện. Chức năng chủ yếu
của dầu là để cách ly các thành phần điện với nhau. Nó
cũng giúp giải nhiệt cho anode và, nó giúp lọc chùm tia
X. Có màng ngăn (barrier material) không cho dầu rò ra
ngoài đầu đèn nhưng vẫn cho hầu hết tia X đi qua.
oil
barrier
material
Step-up
Trans
Step-down
Trans
47. TẠO RA TIA X
Có 2 dạng tia X được tạo ra ở bia ngắm của
bóng đèn tia X.
Phần lớn là bức xạ hãm (Bremsstrahlung),
còn lại là bức xạ đặc trưng.
Bremsstrahlung (tiếng Đức): từ chữ bremsen nghĩa là "hãm,
phanh" và Strahlung nghĩa là "bức xạ".
48. Tia X (bức xạ hãm) được tạo ra khi electrons tốc
độ cao từ dây tốc đột ngột bị hãm lại khi chúng
đến gần, hay đập vào hạt nhân của nguyên tử bia
ngắm. Electrons càng gần hạt nhân, chúng sẽ bị
hãm lại nhiều hơn. Tốc độ của electrons càng cao,
năng lượng trung bình của tia X được sinh ra
càng lớn. Electrons có thể tương tác với một số
nguyên tử khác của bia ngắm trước khi mất hết
năng lượng.
Bức xạ hãm
(braking radiation / deceleration radiation)
49. Tạo ra tia X (bức xạ hãm)
+Electron tốc độ
cao từ dây tốc đi
vào nguyên tử
tungsten.
Electron bị hãm
đột ngột bởi điện
tích dương của
hạt nhân; năng
lượng giải phóng
dưới dạng tia X.
Electron tiếp tục di chuyển theo
hướng khác để tương tác với các
nguyên tử khác cho đến khi toàn
bộ năng lượng của nó mất hết.
50. Tạo ra tia X
Năng lượng cực đại (Maximum energy)
Electron tốc độ cao từ
dây tốc đập vào bia
ngắm, mất hết năng
lượng và biến mất.
Tia X được tạo ra có năng lượng
bằng với năng lượng của electron
tốc độ cao; đây là năng lượng lớn
nhất có thể có được.
+
51. Bức xạ đặc trưng (Characteristic Radiation)
Tia X đặc trưng được sinh ra khi một electron tốc
độ cao từ dây tóc va chạm với một electron trong
một quỹ đạo của nguyên tử bia ngắm; electron bị
đánh bật ra khỏi quỹ đạo của nó, tạo ra một
khoảng trống (open space). Khoảng này ngay lập
tức được lấp đầy bởi một electron từ một quỹ
đạo phía ngoài. Khi electron rơi vào trong
khoảng trống này, năng lượng được giải phóng
dưới dạng bức xạ tia X đặc trưng. Năng lượng
của electron tốc độ cao phải lớn hơn năng lượng
liên kết của electron bia ngắm, để khi tương tác
nó có thể đánh bật electron bia ngắm. Cả 2
electrons đều bị văng ra ngoài nguyên tử.
52. Tia X đặc trưng có năng lượng “đặc trưng” của vật
chất làm bia ngắm. NL sẽ bằng với hiệu số giữa NL liên
kết của các electrons bia ngắm có liên quan.
VD, nếu một electron lớp K bị đánh bật và một electron
lớp L rơi xuống khoảng trống, NL của tia X sẽ bằng với
hiệu số giữa NL liên kết của lớp K và lớp L. NL liên kết
khác nhau đối với mỗi loại vật chất; nó phụ thuộc vào
số lượng protons trong hạt nhân (số hiệu nguyên tử).
Bức xạ đặc trưng
K-shell
M-shell
L-shell
53. Tạo ra bức xạ tia X đặc trưng
L
K
M
Electron tốc độ cao với
NL ít nhất là 70 keV
(phải lớn hơn NL liên
kết của lớp K nguyên
tử Tungsten) đập vào
một electron ở lớp K,
đánh bật nó ra khỏi
quỹ đạo.
Electron bị đánh bật
ra khỏi nguyên tử
Electron dội lại
(với NL rất nhỏ) đi
ra khỏi nguyên tử.
Chổ trống
Tia X có NL 59
keV được tạo
ra. 70 (NL liên
kết của e lớp
K) trừ đi 11
(NL liên kết
của e lớp L) =
59.
Electron ở lớp L
rơi xuống lấp đầy
chổ trống ở lớp K
54. Quang phổ của tia X (X-ray Spectrum)
Chùm tia X sẽ có một khoảng NL rộng; đây gọi là quang
phổ (spectrum) của tia X. NL trung bình của chùm tia
khoảng 1/3 NL cực đại. NL cực đại được quyết định bởi
việc thiết lập kVp. Nếu kVp là 90, NL tối đa là 90 keV
(90,000 electron volts); NL trung bình sẽ là 30 keV.
Như thấy ở dưới, tia X đặc trưng có số lượng tia rất nhỏ
trong quang phổ.
X-ray energy (keV)
characteristic
x-rays
(59 & 67 keV)
#ofx-rays
Bremmstrahlung
x-rays
55. Quang phổ của tia X
Quang phổ của tia X là do 3 yếu tố :
(1) Khoảng cách giữa e tốc độ cao và
hạt nhân nguyên tử bia ngắm khác
nhau.
(2) Sự tương tác của nhiều electron.
Electrons tốc độ cao tiếp tục di
chuyển đến khi tất cả NL của nó
mất hết.
(3) HĐT khác nhau. Với DĐ xoay
chiều, vận tốc của electrons sẽ thay
đổi khi HĐT thay đổi. HĐT càng cao,
electrons di chuyển càng nhanh.
Đây không phải là một yếu tố khi
dùng dòng điện không đổi.
56. Sự tạo ra tia X là một quá trình không có hiệu quả.
Chỉ 1% sự tương tác giữa electrons tốc độ cao và
nguyên tử bia ngắm tạo ra tia X. 99% sự tương tác
sinh ra nhiệt.
Nhiệt độ nóng quá mức được kiểm soát bằng bia
ngắm tungsten có điểm nóng chảy cao, tính chất
dẫn nhiệt của lõi đồng bên ngoài và sự giải nhiệt
của dầu xung quanh bóng đèn tia X.
heat
57. Phương tiện làm thay đổi tính
chất của chùm tia X
(X-ray Beam Modifiers)
58. Các thông số khi chụp phim
(Exposure factors)
kVP, mA và exposure time.
NL của chùm tia X và số lượng tia X được
điều chỉnh chủ yếu bởi kVp control, mA
setting và thời gian chụp (exposure time). Một,
hai hoặc tất cả 3 yếu tố này có thể cần được
điều chỉnh, tùy thuộc kích thước đầu BN, cử
động của BN do run hay không thể giữ yên
được, ... Nếu các yếu tố này không được thiết
lập phù hợp thì phim chụp ra có thể quá mờ
hay quá sáng.
59. Chỉnh thông số quá lớn
(hình quá sáng)
Thông số phù hợp
Chỉnh thông số quá thấp
(hình quá mờ)
60. kVp (kilovolt peak)
kVp chủ yếu kiểm soát năng lượng hay khả năng
xuyên thấu của chùm tia X. kVp càng cao, NL cực
đại và NL trung bình của chùm tia càng lớn. kVp
cao cho phép chùm tia X xuyên qua các tổ chức
đặc ở người có tầm vóc to, tạo ra hình ảnh có thể
chấp nhận được. Ngoài làm tăng khả năng xuyên
thấu, kVp lớn cũng sẽ giúp tạo ra nhiều tia X hơn.
Do đó, tăng kVp sẽ cho phép giảm thời gian chụp,
điều này có ích cho trẻ em hay người lớn không
kiểm soát được cử động của đầu.
61. kVp (kiloVolt peak)
X-ray Energy (keV)
NumberofX-rays
70 90
90 kVp
70 kVp
Chuyển từ 70 kVp lên 90 kVp, NL trung bình tăng
(đường đứt đoạn bên dưới), NL cực đại tăng (từ 70
keV lên 90 keV) và số lượng tia X cũng tăng.
NL trung bình
NL cực đại
62. mA (milliampere)
mA setting quyết định sự đốt nóng dây tóc. Dây tóc càng
nóng, càng nhiều electrons bị đẩy ra; càng nhiều
electrons di chuyển trong bóng đèn, số lượng tia X tạo ra
càng lớn. Không có sự thay đổi trong NL trung bình hay
NL cực đại của chùm tia X. Tăng mA gấp đôi làm số
lượng tia X tăng 2 lần.
Thay đổi từ 5 mA thành 10 mA:
NumberofX-rays
X-ray Energy
10 mA (twice as many x-rays)
5 mA
maximum energy
average energy
(no change)
(no change)
63. NumberofX-rays
X-ray Energy
10 impulses
(twice as many x-rays)
5 impulses
maximum energy
average energy
Thời gian chụp
Tăng thời gian chụp sẽ làm tăng số lượng tia X.
Thời gian tăng gấp đôi thì số lượng tia X tạo ra
tăng gấp đôi. Thời gian chụp không ảnh hưởng
đến NL trung bình hay NL cực đại của chùm tia X.
Thay đổi thời gian chụp từ 5 impulses thành 10
impulses:
(no change)
(no change)
64. mAs or mAi
mAs = milliamperes (mA) x seconds (s)
mAi = milliamperes (mA) x impulses (i)
Tất cả máy X quang đều có mA setting (có thể là cố định hoặc
thay đổi được) và exposure time setting (luôn luôn điều chỉnh
được). Kết quả của phép nhân “mA setting” với “exposure
time” sẽ bằng mAs hay mAi, phụ thuộc vào exposure time
tính bằng giây hoặc bằng impulses.
VD, nếu mA setting là 5 và exposure time là 30 impulses, thì
mAi sẽ là 150 (5 x 30). Nếu thay đổi mA setting thành 10 và
giảm exposure time thành 15, mAi vẫn là 150 (10 x 15). Sẽ
không có sự thay đổi số lượng tia X. Nếu máy X quang có mA
settings điều chỉnh được, việc tăng mA sẽ cho phép giảm
exposure time; điều này có ích cho đa số các trường hợp.
65. 1. kVp, mA, exposure time (e.t.) theo khuyến cáo.
2. Tăng mA; không đổi kVp, e.t.
3. Giảm e.t.; không đổi kVp, mA
4. Tăng kVp; không đổi mA, e.t.
5. Tăng mA 2 lần, giảm e.t. 2 lần; không đổi kVp.
A CB
B
A
C
A
B
overexposed correct exposure underexposed
Trong những tình huống sau đây, bạn nghĩ phim X
quang sẽ là: (A) tia cứng, (B) tia phù hợp hay (C) tia
mềm? (cùng một BN).
66. Sự lọc tia X (Filtration)
Tia X NL thấp không góp phần vào việc tạo ảnh trên
phim; và chúng làm cho cơ thể phơi nhiễm với bức
xạ. Do đó chúng cần được loại bỏ. Quá trình loại bỏ
những tia X có NL thấp ra khỏi chùm tia X được gọi
là lọc (filtration). Quá trình lọc làm tăng NL trung
bình (chất lượng) của chùm tia X.
Có 2 thành phần để lọc tia X. Thứ nhất là thành phần
lọc vốn có (inherent filtration), do các vật liệu có bên
trong máy X quang mà tia X phải đi qua. Chúng gồm
cửa sổ bằng beryli (beryllium window) của bóng đèn
tia X, dầu trong đầu đèn và màng ngăn không cho
dầu rò khỏi đầu đèn. Chúng loại bỏ những tia X rất
yếu.
67. Lọc tia X
Thành phần lọc thứ 2 là đĩa nhôm được thêm vào ở trên
đường đi của chùm tia X (thành phần lọc thêm vào-
added filtration) => màng lọc. Các đĩa này loại bỏ những
tia X có đủ năng lượng để đi qua khỏi những thành
phần lọc vốn có nhưng vẫn không đủ năng lượng để tạo
ảnh.
Đĩa có độ dày thay đổi, khi kết hợp với thành phần lọc
vốn có, sẽ tạo thành thành phần lọc toàn phần (total
filtration) của máy X quang.
Máy X quang hoạt động ở 70 kVp hoặc cao hơn đòi hỏi
phải có total filtration tương đương 2.5 mm nhôm.
(inherent filtration “tương đương” với một bề dày nào
đó của nhôm). Máy X quang hoạt động dưới 70 kVp cần
có một total filtration tương đương 1.5 mm nhôm.
68. Bộ phận lọc tia X
Inherent
Cửa sổ beryllium
của bóng đèn tia X
Added
Màng lọc
Total
Dầu/ Màng
ngăn kim loại
Màng lọc
Ống côn
Ống chuẩn trực
Màng
ngăn dầu
Cửa sổ
beryllium
Dầu
Bóng đèn tia X
70. Tia X sơ cấp
(primary x-ray)
Tia X tán xạ
(scattered x-ray)
Sự chuẩn trực (Collimation)
Collimation được dùng với mục đích thu hẹp vùng bị
chiếu tia X (giảm nhiễm tia cho BN) và giảm các tia tán xạ.
Chúng ta muốn chùm tia X đi tới toàn bộ phim, nhưng
không muốn phơi nhiễm quá mức cho BN. Khi tia X từ đầu
đèn tương tác với mô vùng mặt, tia tán xạ (scatter
radiation) được tạo ra. Tia tán xạ làm tăng phơi nhiễm cho
BN và cũng làm giảm chất lượng hình ảnh trên phim.
71. Collimation
Ống chuẩn trực (collimator), đặt ở đầu ống côn nơi
nó gắn dính với đầu đèn, nó là một đĩa chì (lead
disk) có 1 lổ ở giữa. Kích thước của lổ quyết định
kích thước cuối cùng của chùm tia X. Hình dạng
của lổ sẽ quyết định hình dạng của chùm tia X.
Nhìn qua ống côn thấy được ống
chuẩn trực (mũi tên) có một lổ
tròn ở giữa. Nó sẽ tạo ra chùm tia
X có hình tròn. Vùng màu xám
nhạt ở giữa là màng lọc nhôm.
72. Hình dạng lổ trong ống chuẩn trực
quyết định hình dạng chùm tia X.
Kích thước của lổ quyết định kích
thước chùm tia ở đầu ống côn. Ống
côn có độ dài khác nhau; ống côn
càng dài thì lổ trong ống chuẩn trực
càng nhỏ.
Tròn
Tứ giác
Collimation
73. Chùm tia chuẩn trực
(collimated beam)
collimator
target
(x-ray source)
Collimation
2.75 inches (7 cm) là đường kính lớn nhất của chùm tia hình tròn
hay độ dài lớn nhất của cạnh dài chùm tia tứ giác ở đầu ống côn.
74.
75. Nếu đổi ống côn tròn đk
7 cm thành 6 cm, BN sẽ
nhận bức xạ ít hơn 25%
do vùng bị chiếu tia giảm
25%.
Lổ ống chuẩn trực hình
tứ giác làm BN nhận tia
ít hơn 55% so với lổ tròn
đk 7 cm.
6 cm round
film
(4.5 cm long)
entrance
entrance
exit
exit
6 cm
7 cm
area covered at skin surface (6 cm round PID)
area covered as beam exits (6 cm round PID)
area covered at skin surface (7 cm round PID)
area covered as beam exits (7 cm round PID)
Collimation
76. Chất lượng Số lượng
(chủ yếu)kVp
mA
Thời gian chụp
Sự lọc tia X
Không đổi
Không đổi
Collimation không làm thay đổi năng lượng hay số
lượng tia X trong chùm tia X đi đến phim; nó chỉ hạn
chế kích thước và hình dạng của chùm tia.
Chất lượng hay năng lượng trung bình của chùm tia
X tăng khi tăng kVp hay tăng khả năng xuyên thấu.
Số lượng tia X tăng khi tăng kVp, mA setting và kVp
setting.
77. This concludes the section on X-ray
Production.
Additional self-study modules are available
at: http://dent.osu.edu/radiology/resources.php
If you have any questions, you may e-mail
me at: jaynes.1@osu.edu
Robert M. Jaynes, DDS, MS
Director, Radiology Group
College of Dentistry
Ohio State University
Notes de l'éditeur
The following slides identify atomic structure, the forces at work inside the atom, types of electromagnetic radiation (including x-rays), x-ray characteristics, components of an x-ray machine and x-ray tube, how x-rays are formed and ways to modify the x-ray beam.
Atomic Structure An atom is composed of electrons (with a negative charge), protons (with a positive charge) and neutrons (no charge). The protons and neutrons are found in the nucleus of the atom and the electrons rotate (orbit) around the nucleus. The number of electrons equals the number of protons in an atom so that the atom has no net charge (electrically neutral). Different materials (for example, gold and lead) will have different numbers of protons/electrons in their atoms. However, all the atoms in a given material will have the same number of electrons and protons. (See diagram next slide)
Atom This atom has 7 protons and 7 neutrons in the nucleus. There are 7 electrons orbiting around the nucleus.
The electrons are maintained in their orbits around the nucleus by two opposing forces. The first of these, known as electrostatic force, is the attraction between the negative electrons and the positive protons. This attraction causes the electrons to be pulled toward the protons in the nucleus. In order to keep the electrons from dropping into the nucleus, the other force, known as centrifugal force, pulls the electrons away. The balance between these two forces keeps the electrons in orbit.
Electrostatic force is the attraction between the positive protons and negative electrons. Electrons in the orbit closest to the nucleus (the K-shell) will have a greater electrostatic force than will electrons in orbits further from the nucleus. Another term often used is binding energy ; this basically represents the amount of energy required to overcome the electrostatic force to remove an electron from its orbit. For our purposes, electrostatic force and binding energy are the same. The higher the atomic number of an atom (more protons), the higher the electrostatic force will be for all electrons in that atom.
Centrifugal force pulls the electrons away from the nucleus
Electromagnetic Radiation An x-ray is one type of electromagnetic radiation. Electromagnetic radiation represents the movement of energy through space as a combination of electric and magnetic fields. All types of electromagnetic radiation, which also includes radiowaves, tv waves, visible light, microwaves and gamma rays, travel at the speed of light (186,000 miles per second). They travel through space in wave form.
The waves of electromagnetic radiation have two basic properties: wavelength and frequency. The wavelength (W) is the distance from the crest of one wave to the crest of the next wave. The frequency (F) is the number of waves in a given distance (D). If the distance between waves decreases (W becomes shorter), the frequency will increase. The top wave above has a shorter wavelength and a higher frequency than the wave below it.
Electromanetic spectrum Which of the above examples of electromagnetic radiation has the shortest wavelength? Cosmic rays Which of the above has the lowest frequency? Radio waves
X-ray Energy The energy of a wave of electromagnetic radiation represents the ability to penetrate an object. The higher the energy, the more easily the wave will pass through the object. The shorter the wavelength, the greater the energy will be and the higher the frequency, the greater the energy will be.
Which of the above x-rays has the highest energy? A: It has the shortest wavelength, highest frequency
X-ray Characteristics X-rays are high energy waves, with very short wavelengths, and travel at the speed of light. X-rays have no mass (weight) and no charge (neutral). You cannot see x-rays; they are invisible. X-rays travel in straight lines; they can not curve around a corner. An x-ray beam cannot be focused to a point; the x-ray beam diverges (spreads out) as it travels toward and through the patient. This is similar to a flashlight beam.
X-rays are differentially absorbed by the materials they pass through. More dense materials (like an amalgam restoration) will absorb more x-rays than less dense material (like skin tissue). This characteristic allows us to see images on an x-ray film. X-rays will cause certain materials to fluoresce (give off light). We use this property with intensifying screens used in extraoral radiography. X-rays can be harmful to living tissue. Because of this, you must keep the number of films taken to the minimum number needed to make a proper diagnosis.
X-ray Equipment X-ray equipment has three basic components: (1) the x-ray tubehead, which produces the x-rays, (2) support arms, which allow you to move the tubehead around the patient’s head and (3) the control panel, which allows you to alter the duration of the x-ray beam (exposure time) and, on some x-ray machines, the intensity (energy) of the x-ray beam.
The x-ray tubehead is attached to the support arms so that it can rotate up and down (vertically;measured in degrees) and sideways (horizontally) to facilitate proper alignment of the x-ray beam. The PID (Position Indicating Device) is attached to the x-ray tubehead where the x-ray beam exits and it identifies the location of the x-ray beam. Some people refer to the PID as a “cone”; the PID’s on very old x-ray machines used to be coneshaped.
The control panel, like the one above left, allows you to change exposure time but nothing else. Some machines, like the one above right, have controls for changing the mA and kVp settings in addition to exposure time. The individual controls will be discussed more later.
X-rays are produced in the x-ray tube, which is located in the x-ray tubehead. X-rays are generated when electrons from the filament cross the tube and interact with the target. The two main components of the x-ray tube are the cathode and the anode.
The cathode is composed of a tungsten filament which is centered in a focusing cup. Electrons are produced by the filament (see next slide) and are focused on the target of the anode where the x-rays are produced. The focusing cup has a negative charge, like the electrons, and this helps direct the electrons to the target (“focuses” them; electrons can be focused, x-rays cannot). Focusing cup, Filament, side view (cross-section), front view (facing target)
Thermionic Emission When you depress the exposure button, electricity flows through the filament in the cathode, causing it to get hot. The hot filament then releases electrons which surround the filament (thermionic emission). The hotter the filament gets, the greater the number of electrons that are released. (Click to depress exposure button and heat filament).
The anode in the x-ray tube is composed of a tungsten target embedded in a copper stem. When electrons from the filament enter the target and generate x-rays, a lot of heat is produced. The copper helps to take some of the heat away from the target so that it doesn’t get too hot.
X-ray Tube Components (continued) 1. Focusing cup: focuses electrons on target 2. Filament: releases electrons when heated 3. Electron stream: electrons cross from filament to target during length of exposure 4. Vacuum: no air or gases inside x-ray tube that might interact with electrons crossing tube 5. Target: x-rays produced when electrons strike target 6. Copper stem: helps remove heat from target 7. Leaded glass: Keeps x-rays from exiting tube in wrong direction 8. X-rays produced in target are emitted in all directions 9. Beryllium window: this non-leaded glass allows x-rays to pass through. The PID would be located directly in line with this window.
X-ray Machine Voltage The x-ray machine is plugged into a 110-volt outlet (most machines) or a 220-volt outlet (some extraoral machines). The current flowing from these outlets is 60-cycle alternating current. Each cycle is composed of a positive and negative phase. X-rays are only produced during the positive phase; the target needs to be positive to attract the negative electrons from the filament. During the positive portion of the cycle, the voltage starts out at zero and climbs to the maximum voltage before dropping back down to zero and entering the negative phase. Each complete cycle lasts 1/60 of a second; there are 60 cycles per second. (See next slide)
voltage starts at zero and reaches a maximum of 110 or 220 before going back to zero target positive; electrons flow target negative; no electron flow
Many machines now convert the alternating current into a direct current (constant potential). Instead of cycles going from zero to the maximum, both positive and negative, the voltage stays at the maximum positive value, creating more effective x-ray production. This allows for shorter exposure times. 60-cycle Alternating Current Direct Current (Constant Potential)
The timer controls the length of the exposure. The black numbers above represent impulses. The red numbers are seconds.
With alternating current, there are 60 complete cycles each second; each cycle represents an impulse and is 1/60 of a second. To change impulses into seconds, divide the number of impulses by 60. To convert seconds to impulses, multiply by 60. 60 impulses/60 = 1 second 30 impulses/60 = 0.5 (1/2) second 15 impulses/60 = 0.25 (1/4) second 0.75 (3/4) second X 60 = 45 impulses 0.1 (1/10) second X 60 = 6 impulses
There are two electrical circuits operating during an x-ray exposure. The first of these is the low-voltage circuit that controls the heating of the filament. When the exposure button is depressed, this low voltage circuit operates for ½ second or less to heat up the filament. There are no x-rays produced during this time. As you continue to depress the exposure button, the high-voltage circuit is activated. This circuit controls the flow of electrons across the x-ray tube; during the positive portion of the alternating current cycle, the negative electrons are pulled across the x-ray tube to the positive target. X-rays are produced until the exposure time ends. The length of time the high-voltage circuit is operating represents the exposure time. (See next slide).
X-ray Exposure 1. Depress exposure button 2. Activate low-voltage circuit to heat filament 3. Activate high-voltage circuit to pull electrons across tube 4. Electrons cross tube, strike target and produce x-rays 5. X-ray production stops when exposure time ends. Release exposure button
Exposure Button The timer determines the length of the exposure, not how long you hold down the exposure button; you cannot overexpose by holding the exposure button down for an extended period. However, you can underexpose by releasing the exposure button too soon; the exposure terminates as soon as you release the button.
The mA (milliAmpere) setting determines the amount of current that will flow through the filament in the cathode. This filament is very thin; it doesn’t take much current (voltage) to make it very hot. The higher the mA setting, the higher the filament temperature and the greater the number of electrons that are produced.
Step-Down Transformer If the voltage flowing through the filament is too high, the filament will burn up. In order to reduce the voltage, the current flows through a step-down transformer before reaching the filament. The voltage reaching the step-down transformer is determined by the mA setting. The step-down transformer reduces the incoming voltage to about 10 volts, which results in a current of 4-5 amps flowing through the filament.
Step-Down Transformer The current enters the step-down transformer on the primary (input) side and exits on the secondary (output) side. The fewer turns in the coil on the secondary side, the lower the output voltage will be. The primary coil below would have 110 turns, the secondary coil would have 10. (Each loop of the coil is a “turn”; the number of turns in the diagram below has been reduced for easier viewing).
The kVp control regulates the voltage across the x-ray tube. (A kilovolt represents 1000 volts; 70 kV equals 70,000 volts. A 70 kVp setting means the peak, or maximum voltage, is 70,000 volts). The higher the voltage, the faster the electrons will travel from the filament to the target. The kVp control knob regulates the autotransformer (see next slide).
Autotransformer The autotransformer determines how much voltage will go to the step-up transformer. Basically, a transformer is a series of wire coils. In the autotransformer, the more turns of the coil that are selected (using the kVp control knob), the higher the voltage across the x-ray tube will be. This is similar to the function of a rheostat. The following slide shows how this works. The incoming line voltage will be 110 volts. The exiting voltage will be 65 volts if the kVp control is set at 65. The exiting voltage will be 80 volts if the kVp setting is 80.
Autotransformer: the initial setting is 65; 65 volts leave the autotransformer. Autotransformer: if the setting is changed to 80, 80 volts leave the autotransformer. current flow
Step-Up Transformer The voltage coming from the autotransformer next passes through the step-up transformer, where it is dramatically increased. The ultimate voltage coming from the step-up transformer is roughly a thousand times more than the entering voltage. For example, if you set the kVp control knob to 65, 65 volts will exit the autotransformer. This 65 volts is increased to 65,000 volts by the step-up transformer. (The “k” in kVp stands for one thousand; 65 kV is 65,000 volts). The side of the step-up transformer where the voltage enters (primary side) has far fewer turns in the coil than the exit (secondary) side.
The current enters the step-down transformer on the primary (input) side and exits on the secondary (output) side. The more turns in the coil on the secondary side, the higher the output voltage will be. The secondary coil in the step-up transformer has 1000 times as many turns as the primary coil. (Again, the number of turns has been reduced for easier viewing).
The relationship of the various x-ray machine components are shown in the diagram below. They form the high-voltage and low-voltage circuits. For a more detailed review of the components, see next slide.
The x-ray machine is plugged into the electrical outlet (110 volts usually). The length of the exposure is selected with the timer. When the exposure button is depressed, the current can flow into the x-ray tubehead. This activates the low-voltage circuit which heats the filament; this lasts for ½ second (Click to depress exposure button). While keeping the exposure button depressed, the high-voltage circuit is activated to pull the electrons from the filament to the target, producing x-rays. (Click to produce x-rays) The x-rays pass through the filter and collimator before exiting through the PID. (Click for next slide). exposure button,step-up trans, step-down strans, PID, collimator, filter, filament.
The tubehead is filled with oil which surrounds the transformers, x-ray tube and electrical wires. The primary function of the oil is to insulate the electrical components. It also helps to cool the anode and, as we will discuss later, it helps in filtration of the x-ray beam. The barrier material prevents the oil from leaking out of the tubehead but still allows most x-rays to pass through.
X-ray Production There are two types of x-rays produced in the target of the x-ray tube. The majority are called Bremsstrahlung radiation and the others are called Characteristic radiation.
Bremsstrahlung Radiation (Also known as braking radiation or general radiation) Bremsstrahlung x-rays are produced when high-speed electrons from the filament are slowed down as they pass close to, or strike, the nuclei of the target atoms. The closer the electrons are to the nucleus, the more they will be slowed down . The higher the speed of the electrons crossing the target, the higher the average energy of the x-rays produced. The electrons may interact with several target atoms before losing all of their energy.
Bremsstrahlung X-ray Production High-speed electron from filament enters tungsten atom Electron slowed down by positive charge of nucelus; energy released in form of x-ray Electron continues on in different direction to interact with other atoms until all of its energy is lost
Bremsstrahlung X-ray Production Maximum energy High-speed electron from filament enters tungsten atom and strikes target, losing all its energy and disappearing The x-ray produced has energy equal to the energy of the high-speed electron; this is the maximum energy possible
Characteristic Radiation Characteristic x-rays are produced when a high-speed electron from the filament collides with an electron in one of the orbits of a target atom; the electron is knocked out of its orbit, creating a void (open space). This space is immediately filled by an electron from an outer orbit. When the electron drops into the open space, energy is released in the form of a characteristic x-ray. The energy of the high-speed electron must be higher than the binding energy of the target electron with which it interacts in order to eject the target electron. Both electrons leave the atom.
Characteristic Radiation Characteristic x-rays have energies “characteristic” of the target material. The energy will equal the difference between the binding energies of the target electrons involved. For example, if a K-shell electron is ejected and an L-shell electron drops into the space, the energy of the x-ray will be equal to the difference in binding energies between the K- and L-shells. The binding energies are different for each type of material; it is dependent on the number of protons in the nucleus (the atomic number).
Characteristic X-ray Production Electron in L-shell drops down to fill vacancy in K-shell High-speed electron with at least 70 keV of energy (must be more than the binding energy of k-shell Tungsten atom) strikes electron in the K shell, knocking it out of its orbit X-ray with 59 keV of energy produced. 70 (binding energy of K-shell electron) minus 11 (binding energy of L-shell electron) = 59. Recoil electron (with very little energy) exits atom Ejected electron leaves atom
X-ray Spectrum An x-ray beam will have a wide range of x-ray energies; this is called an x-ray spectrum. The average energy of the beam will be approximately 1/3 of the maximum energy. The maximum energy is determined by the kVp setting. If the kVp is 90, the maximum energy is 90 keV (90,000 electron volts); the average energy will be 30. As shown below, characteristic x-rays contribute a very small number of x-rays to the spectrum.
X-ray Spectrum (continued) The x-ray spectrum results from three factors: the varying distances between the high-speed electrons and the nucleus of the target atoms multiple electron interactions. The high-speed electrons keep going until all energy is lost. varying voltage. With an alternating current, the speed of the electrons will change as the voltage changes. The higher the voltage, the faster the electrons will travel. This is not a factor when the newer constant potential x-ray units are used.
X-ray production is a very inefficient process. Only 1% of the interactions between the high-speed electrons and the target atoms result in x-rays. 99 % of the interactions result in heat production. The excess heat is controlled by the high melting point of the tungsten target, the conductive properties of the copper sleeve and the cooling from the oil surrounding the x-ray tube.
X-ray Beam Modifiers The following slides identify the various ways of changing the energy of the x-ray beam and the number of x-rays produced during an x-ray exposure.
Exposure Factors The energy of the x-ray beam and the number of x-rays are primarily regulated by the kVp control, the mA setting and the exposure time. One, two or all three of these exposure factors may need to be adjusted, depending on the size of the patient’s head, the likelihood of patient movement due to tremors or the inability to hold still, etc.. If the exposure factors are not set properly for the current patient, the resultant film may be too light or too dark (see next slide).
Exposure factors too high (too dark) Correct exposure factors Exposure factors too low (too light)
The kVp primarily controls the energy or penetrating quality of the x-ray beam. The higher the kVp, the higher the maximum energy and the higher the average energy of the beam. A higher kVp allows the x-ray beam to pass through more dense tissue in a larger individual, resulting in a more acceptable radiographic image. In addition to increasing penetrating ability, a higher kVp will also result in the production of more x-rays. Because of this, an increase in kVp will allow for a decrease in exposure time, which may be helpful in children or in adults with uncontrolled head movement.
In switching from 70 kVp to 90 kVp, the average energy increases (dotted lines below), the maximum energy increases (from 70 keV to 90 keV) and the number of x-rays increases. (Click to change from 70 kVp to 90 kVp).
The mA setting determines the heating of the filament. The hotter the filament, the more electrons that are emitted; the more electrons crossing the x-ray tube, the greater the number of x-rays that result. There is no change in the average energy or maximum energy of the x-ray beam. Doubling the mA setting results in twice as many x-rays. (Click to change from 5 mA to 10 mA).
Exposure Time An increase in exposure time will result in an increase in the number of x-rays. Doubling the exposure time doubles the number of x-rays produced. Exposure time has no effect on the average or maximum energy of the x-ray beam. (Click to change exposure time from 5 impulses to 10 impulses).
All x-ray machines have an mA setting (may be fixed or variable) and an exposure time setting (always variable) for each radiograph taken. The product of the mA setting times the exposure time equals mAs or mAi, depending on whether the exposure time is in seconds or impulses. As long as the mAs remains constant for a given patient size, the x-ray output will remain the same. For example, if the mA setting is 5 and the exposure time is 30 impulses, the mAi would be 150 (5 times 30). If we change the mA setting to 10 and decrease the exposure time to 15, the mAi is still 150 (10 times 15). There will be no change in the number of x-rays. If an x-ray machine has variable mA settings, increasing the mA will allow for a decrease in exposure time; this will be advantageous in most cases.
In the following situations, would you expect the x-ray film to be (A), overexposed, (B) correctly exposed or (C) underexposed? (No change in patient size). Recommended kVp, mA, exposure time (e.t.) Increase mA; no change in kVp, e.t. Decrease e.t.; no change in kVp, mA Increase kVp; no change in mA, e.t. Double mA, halve e.t.; no change in kVp
Filtration Low-energy x-rays do not contribute to the formation of an x-ray image; all they do is expose the body to radiation. Therefore, we need to get rid of them. The process of removing these low-energy x-rays from the x-ray beam is known as filtration. Filtration increases the average energy (quality) of the x-ray beam. There are two components to x-ray filtration. The first of these, called inherent filtration , results from the materials present in the x-ray machine that the x-rays have to pass through. These include the beryllium window of the x-ray tube, the oil in the tubehead and the barrier material that keeps the oil from leaking out of the tubehead. This removes very weak x-rays.
The second component is the addition of aluminum disks placed in the path of the x-ray beam ( added filtration ). These disks remove the x-rays that had enough energy to get through the inherent filtration but are still not energetic enough to contribute to image formation. Disks of varying thicknesses, when combined with the inherent filtration, produce the total filtration for the x-ray machine. Federal regulations require that an x-ray machine capable of operating at 70 kVp or higher must have total filtration of 2.5 mm aluminum equivalent. (The inherent filtration is “equivalent” to a certain thickness of aluminum). X-ray machines operating below 70 kVp need to have a total filtration of 1.5 mm aluminum equivalent.
The filter is usually located in the end of the PID which attaches to the tubehead.
Collimation Collimation is used to restrict the area of the head that the x-rays will contact. We want to cover the entire film with the x-ray beam, but don’t want to overexpose the patient. Also, when x-rays from the tubehead interact with the tissues of the face, scatter radiation is produced (see below). This scatter radiation creates additional exposure of the patient and also decreases the quality of the x-ray image. (Scatter will be discussed in greater detail in the section on biological effects of x-rays).
The collimator, located in the end of the PID where it attaches to the tubehead, is a lead disk with a hole in the middle (basically a lead washer). The size of the hole determines the ultimate size of the x-ray beam. The shape of the hole will determine the shape of the x-ray beam. You are looking up through the PID at the collimator (red arrows), which is a circular lead washer with a circular cutout in the middle. This will produce a round x-ray beam. The light gray area in the center is the aluminum filter.
The shape of the opening in the collimator determines the shape of the x-ray beam. The size of the opening determines the size of the beam at the end of the PID. PID’s come in varying lengths; longer PID’s have a smaller opening in the collimator.
The x-ray beam continues to spread out as you get further from the x-ray source (target). More surface is exposed on the exit side of the patient than the entrance side. By collimating the beam, less overall surface is exposed and as a result, less scatter radiation is produced. Both of these things reduce patient exposure. 2.75 inches (7 cm) is the maximum diameter of a circular beam or the maximum length of the long side of a rectangular beam at the end of the PID.
If you switch from a 7 cm round PID to a 6 cm round PID, the patient receives 25% less radiation because the area covered by the beam is reduced by 25%. Rectangular collimation (dotted line at left) results in the patient receiving 55 % less radiation when compared to what they would receive with a 7 cm round PID.
The quality, or average energy, of the x-ray beam is increased with an increase in kVp or an increase in filtration. The quantity, or number of x-rays , is increased with an increase in kVp, mA setting and kVp setting. Collimation does not change the energy or number of x-rays in the x-ray beam that reach the film; it just limits the size and shape of the beam. Quality Quantity Filtration
