Fisika radiasi

Materi Fisika Radiasi

SINAR X

DEFINISI dan SEJARAH
Sinar X adalah salah satu radiasi gelombang elektromagnetik buatan yang memiliki panjang gelombang sangat pendek 10-7m s/d 10–9 m sehingga memiliki daya tembus yang tinggi terhadap material yang dilaluinya.
Radiasi dibagi menjadi 2 jenis :
1. Radiasi Pengion
2. Radiasi Non Pengion
• Pada tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, Jerman, 1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat membangkitkan sinar katoda, ia mengamati sesuatu yang di luar dugaan. Pelat fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan. Walaupun dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar. Dijauhkan sampai lebih 1 m dari tabung, pelat masih tetap berpendar. Roentgen berpikir pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinar-X yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui.
Tahun 1895 itu Roentgen melakukan penelitian sinar-X untuk mengetahui sifat-sifatnya. Berikut ini adalah sifat-sifat sinar-X:
• Sinar-X dipancarkan dari tempat yang paling kuat tersinari oleh sinar katoda.
• Intensitas cahaya yang dihasilkan pelat fotoluminesensi, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik terjadinya sinar-X dengan pelat fotoluminesensi. Meskipun pelat dijauhkan sekitar 2 m, cahaya masih dapat terdeteksi.
• Sinar-X dapat menembus buku 1000 halaman tetapi hampir seluruhnya terserap oleh timbal setebal 1,5 mm.
• Pelat fotografi sensitif terhadap sinar-X.
• Ketika tangan terpapari sinar-X di atas pelat fotografi, maka akan tergambar foto tulang tersebut pada pelat fotografi. Skema peralatan ditampilkan pada Gambar 2. Foto tulang tangan yang diambil pada saat itu ditampilkan pada Gambar 3.
• Lintasan sinar-X tidak dibelokkan oleh medan magnet (daya tembus dan lintasan yang tidak terbelokkan oleh medan magnet merupakan sifat yang membuat sinar-X berbeda dengan sinar katoda).
SPEKTRUM GELOMBANG
SIFAT SIFAT SINAR X
1. Daya tembus
Sinar X dapat menembus bahan atau massa yang padat
2. Penyebaran
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
3. Penyerapan ( Absorbtion )
Sinar x dalam radiografi diserap oleh bahan atau zat sesuai dengan berat atom atau kepadatan bahan atau zat tersebut.
4. Fluoresensi
Sinar x menyebabkan bahan-bahan tertentu seperti kalsium tungstat atau zink sulfide memendarkan cahaya (luminisensi).
5. Ionisasi
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. Efek biologi ini yang dipergunakan dalam pengobatan radioterapi
7. Fotografi
Sinar X dapat menghitamkan film
PROSES PEMBANGKITAN SINAR X
Syarat syarat terjadinya sinar X :
• Adanya emisi elektron yang didapat dari pemanasan filament
• Beda potensial yang tinggi.
• Focusing Cup,untuk mengarahkan arah laju elektron
• Ada target, material khusus untuk tumbukan elektron
• Lintasan elektron Hampa Udara
Penjelasan Singkat
• Filament pada katoda dipanaskan sehingga terbentuk emisi elektron.Saat tegangan tinggi di alirkan pada kutub anoda dan katoda,maka elektron akan bergerak ke arah anoda dan menumbuk target.Hasil tumbukan ini mengakibatkan terjadinya beberapa reaksi sehingga 99% energi dikonversi menjadi panas dan 1% menjadi sinar X.
• Laju elektron diarahkan dengan focusing cup
• Lintasan elektron harus hampa udara
1. Pemanasan Filament
Pemanasan filament akan menghasilkan emisi elektron.Arus pemanasan filament (Ih) biasanya berkisar 2A – 9A
2. Tegangan Tinggi (KV)
Tegangan tinggi pada anoda (+) dan katoda (-) berkisar antara 40KV-150 KV.Tegangan ini berfungsi untuk menarik elktron dari katoda ke anoda.
3. Rotary anoda
Saat elektron akan menumbuk target pada anoda, anoda berotasi untuk memberikan spot / titik tumbuk yang merata.
4.Tabung sinar X harus hampa udara,agar elektron bisa melintas dari katoda menuju anoda
5. Karena 99% energi hasil tumbukan elektron diubah menjadi panas,maka tabung X Ray dilapisi dengan gelas envelope dan oli pendingin untuk sirkulasi panas dan isolasi terhadap tegangan tinggi yang ada pada anoda dan katoda.
Interaksi Materi
Saat elektron bertumbukan dengan material khusus pada target,akan terjadi proses yang menghasilkan radiasi:
1. Proses eksitasi
2. Proses Bremstrahlung
Proses Eksitasi
• Proses eksitasi adalah proses berpindahnya elektron ke kulit yang lebih luar, proses ini akan diikuti oleh proses de-eksitasi yaitu berpindahnya elektron dari kulit yang lebih luar mengisi posisi kosong yang ditinggalkan elektron tersebut.
• Pada proses de-ekitasi ini akan diikuti dengan memancarkan radiasi sinar-x karakteristik
Proses Bremsstrahlung
• Apabila elektron yang bergerak mengenai suatu atom,maka secara tiba2 laju elektron diperlambat secara drastis oleh atom tersebut sehingga mengubah arah lajunya.Saat proses perlambatan ini,elektron melepaskan energi berupa sinar X Bremstrahlung
• Makin besar nomor atom bahan penyerap akan menghasilkan fraksi sinar-x bremsstrahlung yang lebih besar
PARAMETER UTAMA DALAM PROSES PEMBANGKITAN X RAY
Tegangan Tabung (kV)
• Mempercepat elektron menuju katoda.
• Semakin tinggi tegangan yang diberikan akan semakin tinggi daya tembus sinar-x terhadap objek.
Arus Tabung
• Filamen (katoda) adalah sebagai sumber emisi elektron yang dipengaruhi oleh besarnya arus filamen (Ih) yang diberikan, makin tinggi arus maka jumlah elektron akan semakin banyak pula.
• Intensitas sinar-x yang dihasilkan akan berbanding lurus dengan jumlah elektron yang menumbur target per detik.
• Intensitas sinar-x yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya arus tabung (mA)
Material Target (anoda)
• Material pembentuk target (anoda) akan sangat mempengaruhi jumlah sinar-x per unit yang dihasilkan
• Material juga akan mepengaruhi sinar-x type mana yang akan dihasilkan (karakteristik atau bremsstrahlung)

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 10¹⁰ cm/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

                                                                           l

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 , 

                       h

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.