Günümüz görüntüleme yöntemlerinin temelini oluşturan ve tıp biliminde yeni bir çağ açan X-ışınları 1895 yılında Alman Fizik Profesörü Wilhelm Conrad Röntgen tarafından keşfedilmiştir. W. C. Röntgen 1845 yılında Almanya’nın Köln şehri yakınlarındaki Remscheid’te doğmuştur. 20 yaşında Zürih’teki Eldgenösische Teknik Yüksek Okulu’na kabul edilmiş, burada termodinamiğin babası sayılan Clausius ve Prof. Kundt’un fizik derslerine katılmıştır. 1868 yılında bu okuldan Makine Mühendisliği diploması alan Röntgen, 1874’te Strasbourg Kalser Wllhelm Üniversitesi’ne geçerek Doçent, 1879’da ise Glessen Hessian Üniversitesi’ne atanarak Fizik Profesörü olmuştur.
1888 yılında Würzburg Üniversitesi’ne geçen Röntgen, X-ışınlarını 8 Kasım 1895’te bu Üniversitede çalışırken bulmuştur. O tarihte Röntgen; bir Crooks tüpünü indüksiyon bobinine bağlayarak, tüpten yüksek gerilimli elektrik akımı geçirdiğinde, tüpten oldukça uzakta durmakta olan cam bir kavanoz içindeki baryumlu platinsiyanür kristallerinde bir takım pırıltıların oluştuğunu gözlemiş; bu tür pırıltılara neden olan ışınlara, o ana kadar bilinmemesinden dolayı “X- ışınları” adını vermiştir. Tüpten yüksek gerilimli akım geçirildiğinde karşısındaki ekranda parıldamalar oluşturan ışınların değişik cisimleri, farklı derecelerde geçebildiği, kurşun plaklar tarafından ise tutulduğunu gözleyen Röntgen, eliyle tuttuğu kurşun levhaların ekrandaki gölgesini incelerken kendi parmak kemiklerinin gölgelerini de fark etti. Bu olay üzerine, içinde fotoğraf plağı bulunan bir kasetin üzerine karısının elini yerleştirerek parmak kemiklerinin ve yüzüğünün görüntüsünü elde etmiştir. Röntgen, tespitlerini ve bu yöntemle elde ettiği görüntüleri ilk olarak 28Aralık 1895’te Würtzburg Fiziksel Tıp Demeği’nde sunmuş, bu buluşla birlikte aynı yıl içinde günümüzdekilerle kıyaslanamayacak ölçüde basit ilk röntgen cihazları imal edilmeye başlanmıştır.
Hago ile Wind 1899’da bir X-ışını demetini dar bir yarıktan geçirmişler, böylece bir kırınım deseni elde etmeyi başarmışlardır fakat gözlenen desen oldukça küçük olduğu için kabul görmemiştir. X-ışınlarının dalgalı yapıda oldukları 1912’de Laue’nin kristallerdeki kırınım deneyleri ile ortaya konulmuştur. Barkla deneyi ile X- ışınlarının polarize edilebilmesi, bunların ışık ışınları gibi enine dalgalar olduğunu ortaya koymuştur. Barkla yaptığı bu deneylerde, katı cisimlerden büyük açı altında saçılan X-ışınlarının iki farklı dalga boyu taşıdığını gözlemlemiştir. Bu dalga boylarından ilki, gelen elektromanyetik dalganın frekansı ile aynı diğeri farklıdır. Klasik elektromanyetik dalgalar teorisi ile bu ilk dalga boyu açıklanabilmektedir: Gelen elektromanyetik dalganın elektrik alanı, atomlara bağlı elektronları kendi frekansı ile sürer. Salınım hareketi yapan bu elektronlar, her doğrultu boyunca aynı frekansta elektromanyetik dalgalar yayımlarlar. Bu yayımlanan elektromanyetik dalgalar gelen elektromanyetik dalgalar ile aynı frekanslıdır. Bu süreçte elektronlar atomlardan sökülmez, atomun durumu geçici olarak bozulur. Böyle bir saçılmayı atomlara sıkıca bağlı elektronlar gerçekleştirir. Barkla’nın deneyinde gözlenen diğer dalga boylu saçılan elektromanyetik dalgalar ise ancak Compton’ un hipotezi ile açıklanabilmişti
1901 yılında ilk kez verilmeye başlanan Nobel Fizik Ödülüne de layık görülen W. C. Röntgen 1923 yılında 78 yaşındayken ölmüştür. Röntgen’in X-ışınlarını Keşfi, bilim çevresinde çok büyük yankılar uyandırırken yeni gelişmelere de önderlik Etmiştir. Bu buluştan çok kısa bir zaman sonra H. Antonie Becquerel X-ışınları üzerinde çalışırken uranyumun radyoaktifliğini; Curie’ler ise radyum elementini keşfederek “Radyoloji” adında yeni bir bilimin doğuşunu gerçekleştirmişlerdir.
X-Işınları ve Özellikleri
X-ışınları yüksek enerjili elektronların yavaşlatılması veya atomların iç yörüngelerindeki elektron geçişleri ile meydana gelen dalga boyları 0.1-100 Å arasında değişen elektromanyetik dalgalardır. Dalga boyları küçük, girginlik dereceleri fazla olan X-ışınına “sert X-ışını”, dalga boyları büyük, girginlik dereceleri az olan X-ışınına “yumuşak X-ışını” denir. Kristalografide 0.5-2.5 Å (yumuşak), radyolojide 0.5-1 Å (sert) dalga boylarındaki X-ışınları kullanılır. X-ışınlarının frekansı görünür ışığın frekansından ortalama 1000 defa daha büyüktür ve X-ışını fotonu (parçacığı) görülen ışığın fotonundan daha yüksek enerjiye sahiptir. Şu halde bu ışınları belirleyen iki özellik kısa dalga boyu ve yüksek enerjiye sahip olmalarıdır. X-ışınları hem dalga hem tanecik özelliği gösterirler. Dolayısıyla çift karakterlidirler. Fotoelektrik soğurulma, Compton saçılması (inkoherent saçılma), gaz iyonizasyonu ve sintilasyon tanecik özellikleri; hız, polarizasyon ve Rayleigh saçılması (koherent saçılma) dalga özellikleridir. Tanecik karakteri gösteren elektromagnetik radyasyona foton denir.
Çizelge: X-ışınlarının Genel Özellikleri ve Madde Etkileşmesi
Elektromanyetik spektrumda gama ışınları ile mor ötesi ışınlar arasında yer alırlar.
X-IŞINLARININ KULLANIM ALANLARI
X-ışınları Röntgen tarafından keşfedilmesinden bugüne, çok kısa dalga boyları ve yüksek enerjileri ile günlük hayat içinde çok önemli ve yaygın kullanım alanları bulmuştur. Bunlardan en önemli birkaçını şöyle sıralayabiliriz:
(i) X-ışınları, tıpta teşhis ve tedavi aracı olarak büyük öneme sahiptir. Radyoskopi ve radyografi için genellikle 500 – 200 kV luk hızlandırıcı gerilimlerle çalışan X-ışınları tüpünden elde edilen kısa dalga boylu sert ışınlardan yararlanılır. Günümüzde, çeşitli tanecik hızlandırıcıları yardımı ile hızlandırılan çok yüksek enerjili elektronların frenlenmeleri sonucu, giderek çok daha kısa dalga boylu (yüksek frekanslı), dolayısıyla sert X ışınlarının elde edilmeleri mümkün olmakta ve bunlar kanser tedavisinde ve bazı operasyonlarda kullanılmaktadır.
(ii) X-ışınları; maddenin yapısı, örneğin kristal düzeni, karmaşık organik maddelerin molekül yapılarının aydınlatılmasında, günümüzde sık başvurulan bir araştırma aracıdır.
(iii) Teknikte malzeme kontrolünde, sözgelimi ele alınan bir örneğin içinde yabancı bir madde, hava boşluğu ya da bir yapım hatası bulunup bulunmadığını anlamak için, X-ışınları radyografisinden yararlanılır.
(ıv i) Kimyada bir örnek içinde bulunan eser miktardaki yabancı maddenin analizi, fizikte yeni elementlerin keşfedilmesi ve özelliklerinin incelenmesinde, araştırma aracı olarak X-ışınlarının önemi büyüktür. Nadir toprak elementleri ve uranötesi elementlerin özellikleri bu yolla saptanabilmektedir. Günümüzde nükleer görüntüleme tıpta ve endüstride çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Endüstrideki kullanım alanları tıp alanındaki kadar geniş ve çeşitli olmasa da özellikle reaktör çalışmalarında ve tahribatsız muayene olarak bilinen cisimlerin içsel kesit görüntülerinin oluşturulmasında kullanılmaktadır.
X-Işınlarının Tıpta Kullanılması
Tıp alanında 1895’te X-ışınlarının keşfi ile başlayan radyografi, gelişerek günümüze kadar gelmiş ve değişik yöntemlerle temelde bilgisayarlı tomografi (CT) adını almıştır. Klasik radyografide, X-ışınlarının değişik ortamlarda, farklı soğurulma özelliğinden yararlanılır. X-ışını doku içinden geçerken ortamın fiziksel yoğunlukları, atomik yapıları, X-ışını enerjisi ve kat ettiği yola bağlı olarak soğurulur ve saçılmaya uğrar.
Vücudu geçen X-ışınları, X-ışınlarına duyarlı bir film üzerine düşürülmeleri halinde bir görüntü oluştururlar. Film üzerine düşen şiddet değerleri, farklı soğurma katsayısına sahip bölgelerden geçerek geldiği için değişik tonda görüntü oluştururlar. Fakat klasik radyografinin en büyük dezavantajı, birbirlerine çok yakın kütle soğurma katsayılarına sahip iki bölgenin hemen hemen aynı kontrastı vermesi veya birbirinden çok farklı kütle soğurma katsayılarına sahip iki bölgeden büyük katsayıya sahip olanın diğerini gölgelemesi sonucunda iki bölgenin birbirinden ayırt edilememesinin söz konusu olmasıdır. Bu yüzden filme dayalı radyografinin sakıncalarını gidermek amacıyla yapılan çalışmalar sonucunda 1970’li yıllarda bilgisayarlı radyografi geliştirilmiştir. Daha sonraki yıllarda yapılan çalışmalar sonucunda transmisyon radyografisinin günümüzde en yoğun kullanılan şekillerinden bir tanesi olan fluoroskopi sistemleri ortaya çıkmıştır. Bu sistemlerde film yerine CsI tipi dedektörler kullanılmaktadır. Bu dedektörler temelinde bir sintilasyon dedektörüdür. Dedektörde, gelen radyasyonun şiddetiyle orantılı oluşan parıldama, bir kamera sistemiyle dijitalize edilerek görüntü oluşturulmaktadır. Günümüzdeki çalışmalar ise bu tip dedektörler yerine yarı iletken dedektörler kullanarak görüntü oluşturma amacı taşımaktadır. Bu çalışma, fluoroskopide, CsI dedektörleri yerine CdTe yarıiletken dedektörler kullanılması üzerinedir.
