BAB I PENDAHULUAN A.Latar Belakang Sinar-X ditemukan pertama kali oleh fisikawan berkebangsaan Jerman Wilhelm C. Roentgen pada tanggal 8 November 1895. Saat itu Roentgen bekerja menggunakan tabungCrookes di laboratoriumnya diUniversitas Wurzburg. D i a m e n g a m a t i n ya l a h i j a u p a d a tabung yang sebelumnya menarik perhatian Crookes. Roentgen selanjutnya mencoba menutup tabung itu dengan kertas hitam dengan harapan agar tidak ada cahaya tampak yangdapat lewat. Namun setelah ditutup ternyata masih ada sesuatu yang dapat lewat. Roentgenmenyimpulkan bahwa ada sinar-sinar tidak tampak yang mampu menerobos kertas hitamtersebut. Pada saat Roentgen menyalakan sumber listrik tabung untuk penelitian sinar katoda,beliau mendapatkan bahwa ada sejenis cahaya berpendar pada layar yang terbuat dari barium platino cyanidayang kebetulan berada di dekatnya. Jika sumber listrik dipadamkan,makac a h a ya p e n d a r p u n h i l a n g . R o e n t g e n s e g e r a m e n ya d a r i b a h w a s e j e n i s s i n a r ya n g t i d a k kelihatan telah muncul dari dalam t a b u n g s i n a r k a t o d a .Karena sebelumnya tidak pernahdikenal, maka sinar ini diberi nama sinarX. Namun untuk menghargai jasa beliau dalampenemuan ini maka seringkali sinar-X itu dinamai juga sinar Roentgen. Nyala hijau yang terlihat oleh Crookes dan Roentgen akhirnya diketahui bahwa sinartersebut tak lain adalah gelombang cahaya yang dipancarkan oleh dinding kaca pada tabungsewaktu elektron menabrak dinding itu, sebagai akibat terjadinya pelucutan listrik melaluigas yang masih tersisa di dalam tabung. Pada saat yang bersamaan elektron itu merangsangatom pada kaca untuk mengeluarkan gelombang elektromagnetik yang panjanggelombangnya sangat pendek dalam bentuk sinar-X. Sejak saat itu para ahli fisika telahmengetahui bahwa sinar-X dapat dihasilkan bila elektron dengan kecepatan yang sangattinggi menabrak atom. Tergiur
oleh
penemuannya
yang
tidak
sengaja
itu,
Roentgen
memusatkanperhatiannya pada penyelidikan sinar-X. Dari penyelidikan itu beliau mendapatkan
bahwasinar-X dapat memendarkan berbagai jenis bahan kimia. Sinar-
X juga dapat menembusberbagai materi yang tidak dapat ditembus oleh sinar tampak biasa yang sudah dikenal padasaat itu. Di samping itu, Roentgen juga bisa melihat bayangan tulang tangannya pada layaryang berpendar dengan cara menempatkan tangannya di antara tabung sinar katoda
dan
layar.D a r i h a s i l p e n ye l i d i k a n b e r i k u t n ya d i k e t a h u i b a h w a s i n a r -
X i n i m e r a m b a t m e n e m p u h perjalanan lurus dan tidak dibelokkan baik oleh medan listrik maupun medan magnet. Atas jasa-jasa Roentgen dalam menemukan dan mempelajari sinar-X ini, maka pada tahun 1901beliau dianugerahi Hadiah Nobel Bidang Fisika yang untuk pertama kalinya diberikan dalambidang ini. Penemuan Sinar-X ternyata mampu mengantarkan ke arah terjadinya perubahanmendasar dalam bidang kedokteran. Dalam kegiatan medik, SinarX dapat dimanfaatkanuntuk diagnosa maupun terapi. Dengan penemuan sinar-X ini, informasi mengenai tubuhmanusia menjadi mudah diperoleh tanpa perlu melakukan operasi bedah.
B.Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk mengetahui pengertian dan bagaimana proses terjadinya sinar X.Untuk memenuhi tugas dari Mata Kuliah Pencintraan Medis.
BAB II DASAR TEORI A.Sejarah Sinar X Di akhir tahun 1895, (http://um.ac.id) Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen, (http://ksupointer.com) Jerman, 1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman dengan sungguh-sungguh melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran fotoluminesensi dari dalam tabung keluar.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
yangbelum diketahui.Tahun 1895 itu Roentgen sendirian
melakukan penelitian sinar-X dan meneliti sifat-sifatnya. Pada tahun itu juga Roentgen mempublikasikan laporan penelitiannya. Laporan pertama Roentgen mengenai sinar-X dimuat pada halaman 132-141 laporan Asosiasi Fisika Medik Wuerzburg tahun 1895. Di awal tahun 1896 reprint laporan Roentgen dikirimkan kepada ilmuwan-ilmuwan terkenal. Karena tidak dibelokkan oleh medan magnet, maka orang tahu bahwa sinar-X berbeda dengan sinar katoda. Pada saat itu belum ditemukan fenomena interferensi dan difraksi. Karena itu muncullah persaingan antara teori partikel dengan teori gelombang untuk menjelaskan esensi/substansi sinar-X. Teori partikel
dikemukakan antara lain oleh W.H. Bragg, teori gelombang
dikemukakan antara lain oleh Stokes dan C.G. Barkla. Sejak saat itu teori gelombang didukung oleh lebih banyak orang. Pada tahun 1912, fenomena difraksi sinar-X oleh kristal ditemukan oleh Max von Laue dan kemudian dapat dipastikan bahwa sinar-X adalah gelombang elektromagnetik. Tahun 1922 Compton menemukan efek Compton berdasarkan penelitian hamburan Compton. Berdasarkan penelitian sinar-X ia dapat memastikan bahwa gelombang elektromagnetik memiliki sifat dualisme gelombang dan materi (partikel)
B. Sinar X Sinar X :adalah pancaran gelombang elektromagnetik yang sejenis dengan gelombang radio, panas, cahaya sinar ultraviolet, tetapi mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek sehingga dapat menembus benda-benda. Sinar-X atau sinar Röntgen adalah salah satu bentuk dari radiasi
elektromagnetik denganpanjang
gelombang berkisar
antara
10 nanometer ke
100 pikometer (mirip dengan frekuensi dalam jangka 30 PHz to 60 EHz). Sinar-X umumnya digunakan dalam diagnosis gambar medis danKristalografi sinar-X. Sinar-X adalah bentuk dari radiasi ion dan dapat berbahaya. Sinar X ditemukan oleh sarjana fisika berkebangsaan Jerman yaitu W. C. Rontgen tahun 1895. Wilhelm Roentgen menunjukkan bahwa pengaruh sinar katoda pada suatu permukaan menghasilkan suatu jenis radiasi yang dapat menyebabkan zat-zat tertentu bersinar pada jarak tertentu dari tabung sinar katoda. Karena belum di-ketahui sifatnya maka dinamakan sinar X.Roentgen kemudian mengetahui beberapa sifat sinar X ini diantaranya : tidak dibelokkan oleh medan listrik dan magnit dan mempunyai daya tembus yang sangat besar terhadap suatu benda. Sifat-sifat ini menunjukkan bahwa sinar X adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang ~1Å.
Pengamatan J.J Thomson
Kode C = Katoda; A = Anoda; E = lempeng kondensor bermuatan listrik; M = magnet; F = layar berfluoresens. Berkas 1 : Hanya dengan adanya medan listrik, berkas sinar katoda dibelokkan
ke
atas
ke
bawah
menyentuh layar pada titik 1. Berkas 2 : Hanya dengan adanya medan magnit, berkas sinar katoda dibelokkan menyentuh layar pada titik 2. Berkas 3 : Berkas sinar katoda akan lurus dan menyentuh layar dititik 3, bila
medan listrik
dan medan magnit sama besarnya. Pengamatan ini dapat diterangkan dengan model atom yang dibuat J.J. Thomson yaitu model plum pudding. Kesimpulan dari sifat sinar kanal ini ialah semua atom terdiri dari satuan dasar yang bermuatan positif, pada atom H terdapat satu dan atom-atom lainnya mengandung jumlah lebih banyak. Satuan dasar ini sekarang disebut dengan proton.
•
Eksperimen menentukan rasio muatan terhadap massa elektron (q/me)
•
q/me = - 1,76 x 1011 C/kg
•
Sinar katoda dikenai medan listrik dan medan magnet
•
Model atom “plum pudding” (kismis)
Sifat-sifat sinar X :
Mempunyai daya tembus yang tinggi Sinar X dapat menembus bahan dengan daya tembus yang sangat besar, dan digunakan dalam proses radiografi.
Mempunyai panjang gelombang yang pendek Yaitu : 1/10.000 panjang gelombang yang kelihatan
Mempunyai efek fotografi. Sinar X dapat menghitamkan emulsi film setelah diproses di kamar gelap.
Mempunyai sifat berionisasi.Efek primer sinar X apabila mengenai suatu bahan atau zat akan menimbulkan ionisasi partikel-partikel bahan zat tersebut.
Mempunyai efek biologi. Sinar X akan menimbulkan perubahan-perubahan biologi pada jaringan. Efek biologi ini digunakan dalam pengobatan radioterapi.
2. Sumber sinar-x.
Salah satu cara untuk membangkitkan sinar-x adalah dengan cara menembakan.elektron yang berenergi kinetik (berkecepatan) tinggi pada suatu target (anoda). Pembangkit (sumber) sinar-x jenis ini berdasarkan keadaan target (anoda) dapat dibedakan menjadi dua jenis sumber sinar-x, yaitu sumber sinar-x yang beranoda diam (fixed anode x-ray source) dan sumber sinar-x dengan anoda berputar (rotating anode x-ray source). Kedua jenis sumber sinar-x ini akan dijelaskan pada bagian berikut ini. Sumber sinar-x beranoda diam. Komponen utama sumber sinar-x yang beranoda diam adalah sebuah anoda, sebuah katoda (K), sebuah filamen (F) sebagai sumber elektron, sebuah sumber tegangan tinggi (HV) untuk anoda dan katoda, dan sebuah tegangan rendah (V) untuk filamen. Sumber sinar-x jenis ini secara skema ditunjukkan pada gambar 2
Gambar 2. Skema sumber sinar-x beranoda tetap. Filamen yang diberi catu daya dari sumber tegangan rendah (V) akan mengeluarkan elektron secara termal. Elektron-elektron ini selanjutnya dipercapat oleh tegangan tinggi (HV) yang timbul antara anoda dan katoda, sehingga mereka memperoleh energi kinetik yang sangat besar. Pada saat menumbuk anoda elektron-elektron ini akan melepaskan energya kinetiknya. Sebagian kecil dari energi tersebut berubah menjadi energi gelombang elektromagnetik yang kita sebut sinar-x, sedangkan sebagian besar dari energi kinetik itu berubah menjadi panas yang numpuk pada anoda. Berkas sinar-x yang dihasilkan dapat terdiri atas dua jenis sinar-x. Jenis pertama adalah sinar-x polikhromatik, yaitu sinar-x yang berasal dari akibat pengereman elektron oleh anoda. Berkas sinar-x jenis ini sering disebut sinar-x bremsstrahlung (sebuah kata dalam bahasa Jerman yang berarti pengereman). Jenis kedua adalah sinar-x monokhromatik, yaitu sinar-x yang berasal dari adanya transisi eksitasi di dalam anoda. Kedua jenis sinar-x ini akan dijelaskan secara rinci di dalam pasal berikutnya. Disamping komponen-komponen utama tersebut di atas, sumber sinar-x ini seringjuga dilengkapi dengan komponen lainnya, seperti aliran air dingin melaui anoda yang berfungsi untuk mengeluarkan panas yang timbul pada anoda. Sumber sinar-x dengan anoda berputar. Pada prinsipnya, komponen utama dari sumber sinar-x dengan anoda berputar adalah sama dengan komponen utama dari sumber sinar-x yang beranoda diam. Tetapi perbedaan yang paling mencolok diantara keduanya adalah bahwa anoda pada sumber sinar-x ini diputar oleh sebuah motor listrik dengan kecepatan yang sangat tinggi. Hal ini dimaksudkan supaya elektron-elektron akan menumbuk anoda pada tempat yang selalu
berbeda. Keuntungan dari cara ini adalah untuk mengurangi panas yang timbul pada anoda sehingga sumber sinar-x jenis ini dapat menghasilkan berkas sinar-x yang berdaya besar. Sebagai perbandingan, sumber sinar-x beranoda diam hanya mampu menghasilkan sumber sinar-x yang berdaya kurang lebih 2 kilowatt (kW) sementara sumber sinar-x yang beranoda berputar mampu menghasilkan berkas sinar-x dengan daya maksimum sebesar 18 kW. 2. Proses Terjadinya sinar X 1. Di dalam tabung roentgen ada katoda dan anoda dan bila katoda (filament) dipanaskan lebih dari 20.000 derajat C sampai menyala dengan mengantarkan listrik dari transformator, 2. Karena panas maka electron-electron dari katoda (filament) terlepas, 3. Dengan memberikan tegangan tinggi maka electron-elektron dipercepat gerakannya menuju anoda (target), 4. Elektron-elektron mendadak dihentikan pada anoda (target) sehingga terbentuk panas (99%) dan sinar X (1%), 5. Sinar X akan keluar dan diarahkan dari tabung melelui jendela yang disebut diafragma, 6. Panas yang ditimbulkan ditiadakan oleh radiator pendingin.
TABUNG ROENTGEN
Spektrum Sinar-X, dikelompokan menjadi 2 yaitu :
1. Sinar-X Brehmsstrahlung
Elektron dengan kecepatan tinggi (karena ada beda potensial 1000 Kvolt) yang mengenai target anoda, electron tiba-tiba akan mengalami pelemahan yg sangat darastis 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). Berkas sinar-x yang dihasilkan oleh sebuah sumber dapat terdiri atas dua jenis spektrum, yaitu spetrum kontinyus dan spektrum diskrit. Spektrum kontinyus dan spectrum diskrit masingmasing sering juga disebut polikhromatik dan monokhromatik. Spektrum kontinyus sinar-x timbul akibat adanya pengereman elektron-elektron yangberenergi kinetik tinggi oleh anoda. Pada saat terjadi pengereman tersebut, sebagian dari energi kinetiknya diubah menjadi sinar-x. Proses pengereman ini dapat berlangsung baik secara tiba-tiba ataupun secara perlahan-lahan, sehingga energi sinar-x yang dihasilkannya akan memiliki rentang energi yang sangat lebar. Jika elektron-elektron tersebut direm secara tiba-tiba, maka seluruh energi kinetiknya akan diubah seketika menjadi energi sinar-x dan energi panas yang numpuk pada anoda. Energi sinar-x ini merupakan energi tertinggi tertinggi yang dapat dihasilkan oleh sebuah sumber sinar-x. Atau dengan kata lain panjang gelombang sinar-x ini merupakan panjang gelombang terpendek (lmin) yang dapat dihasilkan oleh sebuah sumber. Tetapi jika elektron-elektron itu direm secara
perlahan, maka energi kinetiknya akan diubah secara perlahan pula menjadi energi sinar-x dan energi panas, sehingga sinar-x yang dihasilkannya akan berenergi yang bervariasi sesuai dengan besarnya energi kinetik yang diubahnya. Sinar-x ini akan memiliki panjang gelombang (energi) yang berbeda, sehingga karena itulah sinar-x ini sering disebut sinar-x polikhromatik. Sinar-x yang dihasilkan oleh adanya pengereman elektron baik secara tiba-tiba atau pun secara perlahan sering disebut sinar-x bremsstrahlung. Spektrum sinar-x bremsstrahlung ini ditunjukkan di dalam . Gambar 4. menunjukan spektrum sinar-x bremstrahlung untuk beberapa harga tegangan tinggi yang digunakan. Dari Gambar 4 tersebut dapat kita lihat bahwa makin besar tegangan tinggi yang digunakan makin kecil harga lmin yang dihasilkan. Nilai lmin ini secara matematik dapat ditentukan sebagai barikut. Jika elektron yang berenergi kinetik tinggi itu direm secara tiba-tiba oleh anoda maka seluruh energi kinetiknya akan secara tiba-tiba pula diubah menjadi energi sinar-x tertinggi (hfmax) dan energi panas (Q). Jadi jika energi kinetik elektron yang bergerak di dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh tegangan tinggi dinyatakan oleh eV, maka: eV = hfmax + Q. atau eV = hc/lmin + Q, sehingga lmin = (eV - Q)/hc, dimana h adalah konstanta Planck, c adalah cepat rambat cahaya, e adalah muatan listrik elektron, dan V adalah nilai tegangan tinggi yang digunakan. Dalam prakteknya, spectrum bremstrahlung ini jarang digunakan untuk kegiatan eksperimen dan bahkan sering dihindari karena ia memiliki panjang gelombang yang bermacam-macam. Posisi puncak spectrum bremsstrahlung terletak pada
2 3 E max atau pada lmin , karena E max berbanding 3 2
terbalikdengan lmin.Untukmenghidari penumpukan panas (Q) pada anoda, setiap sumber sinar-x yang berdaya besar biasanya selalu dilengkapi dengan aliran air dingin untuk membuang panas (Q) yang timbul.
Gambar 4. Spektrum sinar-x bremstrahlung untuk tegangan tinggi beberapa harga tegangantinggi. V3 > V2 > V1.
2.Sinar-x karakteristik Sinar-x yang lebih bermanfaat dan sering digunakan dalam setiap kegiatan eksperimen adalah sinar-x monokhromatik dan sering disebut sinar-x karakteristik. Sinar-x monokhromatik (sinar-x karakteristik) ini timbul akibat adanya proses transisi eksitasi elektron di dalam anoda. Sinar-x ini timbul secara tumpang tindih dengan spectrum bremstrahlung. Disamping panjang gelombangnya yang monokhromatik, inensitas sinar-x monokhromatik ini jauh lebih besar dari pada intensitas sinar-x bremstrahlung. Proses terjadinya sinar-x monokhromatik ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika energi kinetic elektron itu sama dengan atau lebih besar dari pada energi eksitasi atom-atom di dalam anoda maka pada saat elektron-elektron tersebut menumbuk anoda, atom-atom tersebut akan tereksitasi sehingga pada saat atom-atom tersebut kembali ke kaadaan ekuilibriumnya mereka akan melepaskan energinya dalam bentuk foton gelombang elektromagnetik yang kita sebut sinar-x sinar-x karakteristik. Karena tingkat-tingkat energi di dalam atom-atom itu terkuantisasi maka sinar-x yang dipancarkannya akan memiliki panjang gelombang atau energi yang tertentu, sehingga sinar-x ini disebut sinar-x monokhromatik. Atau 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.
KEGUNAAN SINAR X 1.Perubatan • Sinar-X lembut digunakan untuk mengambil gambar foto yang dikenal sebagai radiograf. Sinar-X boleh menembusi badan manusia tetapi diserap oleh bahagian yang lebih tumpat seperti tulang. Gambar foto sinar-X digunakan untuk mengesan kecacatan tulang, mengesan tulang yang patah dan menyiasat keadaan organ-organ dalam badan. • Sinar-X keras digunakan untuk memusnahkan sel-sel kanser. Kaedah ini dikenal sebagai radioterapi.
2.Perindustrian Dalam bidang perindustrian, sinar-X boleh digunakan untuk
• mengesan kecacatan dalam struktur binaan atau bahagian-bahagian dalam mesin dan enjin. • menyiasat rekahan dalam paip logam, dinding konkrit dan dandang tekanan tinggi. • memeriksa retakan dalam struktur plastik dan getah. Penyelidikan • Sinar-X digunakan untuk menyelidik struktur hablur dan jarak pemisahan antara atom-atom dalam suatu bahan hablur.
