Persyaratan umum untuk pembangkitan sinar-x adalah  terdapat sumber elektron, peralatan pemercepat elektron berkecepatan tinggi, dan target untuk menerima tumbukan dari elektron.

 

Sinar x dihasilkan bila elektron bebas berkecepatan tinggi berinteraksi dengan orbit elektron atau inti atom dan menyerahkan beberapa energinya. Kecepatan elektron lebih tinggi menghasilkan energi sinar x lebih besar. Energi elektron berkecepatan tinggi selain dirubah dalam bentuk sinar-x, yaitu bremstrahlung dan sinar-x karakteristik, sebagian besar dirubah dalam bentuk panas.

 

Mesin pembangkit sinar-x konvensional  terdiri atas tiga komponen yaitu tabung sinar-x, sumber tegangan tinggi, dan unit kendali.

 

Tabung Sinar-x

 Tabung sinar x terdiri atas katoda, anoda, dan target yang diselimuti dengan selubung gelas atau bahan lain. Selubung tabung dilindungi dengan rumah tabung yang terbuat dari bahan logam. Diantara selubung dan rumah tabung diberi cairan pengisolasi yang selain berguna untuk menghindari kontak listrik juga sebagai pendingin. Tabung dilengkapi dengan jendela sebagai jalan keluar berkas sinar x.

 

Berdasarkan cara pembangkitan elektron, terdapat dua jenis tabung sinar x yaitu tabung sinar-x katode dingin dan tabung sinar-x katode panas. Tabung katoda dingin disebut tabung Crookes, merupakan tabung sinar x yang ditemukan pertama kali. Tabung katoda dingin mengandung gas didalamnya dan pembangkitan elektron dilakukan dengan cara menembakan ion positip ke katoda. Gas bermanfaat untuk menghasilkan elektron sekunder, namun dapat merugikan karena menghambat gerakan elektron menuju target. Tabung katoda panas atau disebut tabung Coolidge, merupakan tabung sinar x modern yang dirancang hampa udara dan cara pembangkitan elektron dilakukan dengan mengalirkan arus listrik ke filament.

 

Skema tabung sinar x

 

Berdasarkan cara pentanahannya, jenis tabung sinar x dibedakan atas tabung bipolar (centre-grounded) dan tabung unipolar (anode-grounded). Tabung bipolar dirancang sedemikian rupa beda potensial terhadap bumi baik pada katoda maupun anoda sama dengan setengah tegangan tabung. Jenis tabung bipolar umumnya memiliki jendela keluaran sinar x di tengah-tengah. Tabung unipolar dirancang sedemikian rupa katoda memiliki beda potensial terhadap bumi sedangkan anoda ditanahkan sehingga memiliki beda potensial sama dengan  beda potensial bumi.

 

1)   Katoda

Katode adalah elektroda bermuatan negatif dan merupakan gabungan dari filamen dan focusing cup. Filament berbentuk kumparan kawat terbuat dari tungsten dan  berfungsi sebagai pemancar elektron. Pemancaran elektron dilakukan dengan emisi thermionik, yaitu mengalirkan arus yang cukup kuat (dalam orde 3 sampai 6 Ampere) sehingga  filament berpijar dan elektron-elektron terlepas dari filament membentuk awan elektron. Elektron-elektron dapat bergerak cepat ke arah anode apabila diantara anode dan katode diterapkan beda tegangan. Untuk  mengendalikan pancaran elektron dari katode agar tepat sasaran menuju target yang ada di anode, digunakan focusing cup, yaitu lensa elektrostatis terbuat dari besi sangat murni dan nikel atau molybdenum, terletak disekeliling filament.


2)  Anoda

Anoda adalah elektroda positip dari tabung sinar x. Anoda harus memiliki sifat konduktor listrik yang baik, ketahanan mekanik yang baik karena sebagai penopang target, dan  konduktor panas yang baik untuk efisiensi pendinginan. Tembaga dan tungsten merupakan bahan yang biasa digunakan untuk anoda karena memenuhi tiga sifat tersebut.

 


 

Jenis-jenis anoda mesin sinar x

 

Anoda terdiri atas dua jenis yaitu anoda stasioner dan anoda berputar. Anoda stasioner terdiri atas anoda rata dan anoda runcing. Anoda rata dirancang untuk menghasilkan berkas sinar x searah (direksional), sedangkan anoda runcing untuk menghasilkan berkas panoramik. Anoda berputar dengan target tungsten berbentuk cakram dirancang khusus untuk menghindari lokalisasi panas pada target.


3)  Target

Target adalah bahan sasaran tumbukan elektron yang ditempatkan menempel pada anoda. Bahan target banyak dipilih tungsten karena memiliki tiga alasan, yaitu nomor atom tinggi, titik leleh tinggi, dan konduktivitas panas yang baik. Bahan lain seperti emas dan platina juga dapat digunakan sebagai bahan target, namun pendinginannya harus lebih efektif.


Tungsten memiliki nomor atom 74. Nomor atom tinggi  memberikan pengaruh yang besar baik pada efisiensi terjadinya sinar-x maupun pada intensitas sinar-x yang dihasilkan.


                                       

dengan c adalah efisiensi produksi sinar x, Zo adalah nomor atom bahan target, dan V adalah beda potensial yang diterapkan antara katoda dan anoda. Efisiensi terjadinya sinar x juga tergantung pada beda potensial. Pada mesin sinar x konvensional dengan tegangan tabung sampai 400 kV efisiensi hanya sekitar 1%, sedangkan pada  tegangan tabung yang tinggi bisa mencapai 25%.

                  

dengan I adalah intensitas sinar x, yaitu energi per satuan luas per satuan waktu; K adalah tetapan, i dan V masing-masing adalah arus dan tegangan tabung yang diterapkan.

Tungsten memiliki titik leleh 3410oC lebih tinggi dari tembaga yang memiliki titik leleh 1083oC, kerana itu memiliki ketahanan terhadap arus tabung yang tinggi tanpa berlubang atau bergelembung. Tungsten memiliki konduktivitas panas hampir sama dengan tembaga, merupakan bahan yang efisien dalam disipasi (penghilangan) panas. Kedua sifat tersebut sangat berpengaruh terhadap umur pakai tabung sinar x.


4)    Focal spot

Luasan daerah target yang dikenai tumbukan elektron disebut focal spot (gambar 3-3). Proyeksi dari focal spot pada permukaan yang tegak lurus terhadap sumbu tabung sinar-X dinamakan dengan focal spot efektif atau optical focus, sedangkan proyeksi dari focal spot pada permukaan yang tegak lurus terhadap permukaan target dinamakan dengan focal spot aktual. Dimensi focal spot efektif  berpengaruh pada ketajaman gambar hasil radiografi. Untuk mencapai ketajaman maksimum, focal spot harus dibuat sekecil mungkin.

Dimensi focal spot efektif bergantung pada ukuran focal spot aktual dan sudut kemiringan target terhadap arah berkas elektron (sumbu tabung). Misal, suatu target memiliki sudut kemiringan 71o dan focal spot aktual 3 x 1 mm, maka menghasilkan focal spot efektif sebesar :

3 cos 71o x 1 mm = 0,98 x 1 mm » 1 x 1 mm


Focal spot mesin sinar x

 

5)    Pendingin

Pada peristiwa tumbukan elektron dengan target hanya sebagian kecil energi kinetik elektron yang dapat dikonversi menjadi sinar-X, sedangkan sebagian besar sisanya di transformasikan dalam bentuk panas. Bila tidak dikontrol dengan baik, akan terjadi penguapan target yang menghasilkan dua efek yaitu permukaan target tererosi sehingga menurunkan definisi (ketajaman) fokal spot, dan penguapan bahan target menurunkan kevakuman tabung yang akan menyebabkan kegagalan dini karena konduksi listrik di dalam tabung.

Untuk menghindari panas yang berlebihan, tabung sinar x dilengkapi dengan sistem pendingin. Pendinginan dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu :


(1)  Pendinginan dengan pemancaran panas (radiasi)

Anoda terbuat dari balok tembaga atau tungsten merupakan bahan dengan konduktivitas panas yang baik, sehingga mudah memancarkan panas dan dingin dengan sendirinya. Pada mesin sinar x dengan energi rendah atau penggunaan yang tidak kontinyu, pendinginan cukup dilakukan dengan memancarkan panas melalui konduktor penghubung anoda dengan sumber tegangan tinggi yang berada diujung tabung. Untuk mempercepat penghilangan panas, sebagian besar pesawat sinar x dilengkapi dengan kipas.


(2)  Pendinginan dengan konveksi

Panas mengalir pada balok anoda yang diperpanjang keluar ujung tabung. Ujung balok dicelup ke dalam oli atau cairan pengisolasi yang berada didalam rumah tabung dan didinginkan secara alamiah atau diberi arus konveksi.


(3)  Pendinginan dengan sirkulasi cairan

Panas dipindahkan dengan cairan yang mengalir dibalik anoda, cairan yang digunakan biasanya oli atau air. Anoda yang menggunakan sistem pendingin demikian biasanya dibuat berongga (hollow anode).

 

6)  Selubung Tabung

Selubung tabung terbuat dari bahan gelas, keramik, logam, atau kombinasi dari material tersebut. Selubung tabung harus mempunyai kekuatan struktur yang baik pada temperatur tinggi untuk menahan gaya tekan atmosfir pada ruang hampa dan pancaran panas dari anoda.


7)  Rumah Tabung

Tabung pesawat sinar-X dilindungi dengan wadah yang dinamakan rumah tabung, yang dibuat dari logam dan diberi lapisan timah hitam untuk membatasi pancaran radiasi keluar tabung. Didalam rumah tabung terdapat tabung sinar-X, transformator tegangan tinggi yang dilengkapi dengan isolasi berupa gas atau oil. Rumah tabung biasanya dilengkapi juga dengan pentanahan (grounding) yang berguna untuk mencegah kemungkinan terjadinya bahaya listrik pada waktu penggunaan listrik tegangan tinggi. Pada unit pesawat sinar x tipe tangki (tank type), rumah tabung juga merupakan tempat  transformator filament dan transformator tegangan tinggi.


8)  Jendela

Sinar-X dipancarkan dari tabung melalui suatu jendela (window) yang terbuat dari logam yang mempunyai daya serap radiasi yang kecil, biasanya beryllium. Sudut pancaran dari sinar-X yang umum dijumpai yaitu sekitar 400– 500, Tepat dibagian bawah windows biasanya terdapat diafargma, yaitu suatu bukaan yang memungkinkan merubah ukuran pancaran sinar-X yang digunakan. Untuk keperluan khusus, dibawah diafragma dapat diletakkan filter yang jenisnya tergantung keperluannya. Filter tersebut digunakan untuk menahan sinar-X yang mempunyai energi rendah.