Συνοπτική χαρτογράφηση του τρόπου παραγωγής των ακτίνων-Χ, της δομής του φάσματος και των δύο βασικών μηχανισμών που το διαμορφώνουν: ακτινοβολία πέδησης και χαρακτηριστική ακτινοβολία.
Το φάσμα των ακτίνων-Χ δείχνει πόσα φωτόνια παράγονται σε κάθε ενέργεια και καθορίζει τη διεισδυτικότητα και την ποιότητα της δέσμης. Συνδυάζει ένα συνεχές τμήμα από την ακτινοβολία πέδησης και στενές κορυφές από τη χαρακτηριστική ακτινοβολία του υλικού-στόχου.
Οι ακτίνες-Χ είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με πολύ μικρό μήκος κύματος, που δεν γίνεται αντιληπτή από τα μάτια μας αλλά έχει αρκετή ενέργεια για να διαπερνά την ύλη. Σε αντίθεση με το ορατό φως, μπορεί να περάσει μέσα από το σώμα και να απορροφηθεί πιο έντονα από τα πυκνά υλικά όπως τα οστά.
Οι ακτίνες-Χ ανήκουν στην ίδια μεγάλη «οικογένεια» με το ραδιοφωνικό σήμα, το Wi‑Fi, το φως και τα μικροκύματα. Όλες αυτές οι ακτινοβολίες ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, αλλά διαφέρουν στο μήκος κύματος και στην ενέργεια που μεταφέρουν.
Η απεικόνιση με ακτίνες-Χ βασίζεται στο πόσο διαφορετικά απορροφούν οι ιστοί την ακτινοβολία. Τα οστά και τα πυκνά υλικά σταματούν περισσότερα φωτόνια, ενώ οι μαλακοί ιστοί τα αφήνουν πιο εύκολα να περάσουν. Αυτή η διαφορά στην απορρόφηση αποτυπώνεται στην ακτινογραφία σαν φωτεινές και σκούρες περιοχές.
Η ανακάλυψη των ακτίνων-Χ έδωσε για πρώτη φορά τη δυνατότητα να βλέπουμε μέσα στο ανθρώπινο σώμα χωρίς χειρουργείο. Από ένα τυχαίο πείραμα με σωλήνες κενού, προέκυψε ένα εργαλείο που άλλαξε ριζικά τη διάγνωση καταγμάτων και πολλών άλλων παθήσεων.
Ο σωλήνας Coolidge είναι η «μηχανή» που παράγει τις ακτίνες-Χ στα σύγχρονα συστήματα. Περιλαμβάνει μια κάθοδο που στέλνει ηλεκτρόνια και μια άνοδο όπου αυτά συγκρούονται και παράγουν ακτινοβολία. Ο σχεδιασμός του επιτρέπει σταθερό και ελεγχόμενο φάσμα ακτίνων-Χ.
Στην κάθοδο, μια θερμαινόμενη έλικα απελευθερώνει ηλεκτρόνια από το μέταλλο μέσω θερμιονικής εκπομπής. Όσο αυξάνεται η θέρμανση, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια φεύγουν από την επιφάνεια και είναι διαθέσιμα για επιτάχυνση προς την άνοδο.
Μεταξύ καθόδου και ανόδου εφαρμόζεται πολύ υψηλή τάση, που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε μεγάλες ταχύτητες. Η ενέργεια που αποκτούν είναι ανάλογη με την τάση kVp, και αυτή η ενέργεια καθορίζει πόσο «σκληρές» θα είναι οι παραγόμενες ακτίνες-Χ.
Όταν τα γρήγορα ηλεκτρόνια φτάνουν στην άνοδο, συγκρούονται με τα άτομα του υλικού-στόχου. Στη σύγκρουση χάνουν την κινητική τους ενέργεια, η οποία μετατρέπεται εν μέρει σε θερμότητα και εν μέρει σε φωτόνια ακτίνων-Χ. Ο τρόπος που χάνεται αυτή η ενέργεια καθορίζει και τη μορφή του φάσματος.
Το φάσμα των ακτίνων-Χ είναι η κατανομή των φωτονίων ανάλογα με την ενέργειά τους. Αντί για μία μόνο τιμή, η δέσμη περιέχει ένα εύρος ενεργειών, που καθορίζει τη διεισδυτικότητα και την αντίθεση στην εικόνα. Η κατανόηση του φάσματος είναι βασική για τη ρύθμιση της ποιότητας της δέσμης στην πράξη.
Το συνολικό φάσμα μιας λυχνίας ακτίνων-Χ προκύπτει από δύο διαφορετικούς μηχανισμούς. Ο πρώτος παράγει ένα συνεχές σύνολο ενεργειών, ενώ ο δεύτερος δίνει συγκεκριμένες, απότομες κορυφές. Ο συνδυασμός τους δημιουργεί τη χαρακτηριστική μορφή του φάσματος που βλέπουμε στα διαγράμματα.
Η ακτινοβολία πέδησης παράγεται όταν το ηλεκτρόνιο περνά κοντά από τον πυρήνα και φρενάρει απότομα. Καθώς η τροχιά του καμπυλώνεται και η ταχύτητά του μειώνεται, χάνει μέρος της ενέργειάς του. Αυτή η χαμένη ενέργεια εκπέμπεται ως φωτόνιο ακτίνας-Χ με ενέργεια που μπορεί να πάρει πολλές διαφορετικές τιμές.
Η χαρακτηριστική ακτινοβολία εμφανίζεται όταν ένα ηλεκτρόνιο χτυπά ένα εσωτερικό ηλεκτρόνιο του ατόμου και το απομακρύνει. Δημιουργείται έτσι ένα κενό σε εσωτερική στιβάδα, που στη συνέχεια καλύπτεται από ηλεκτρόνιο εξωτερικής στιβάδας. Η διαφορά ενέργειας ανάμεσα στις δύο στιβάδες εκπέμπεται ως φωτόνιο με πολύ συγκεκριμένη ενέργεια.
Ο όρος «ακτινοβολία πέδησης» περιγράφει την απώλεια ενέργειας του ηλεκτρονίου καθώς επιβραδύνεται από το πεδίο του πυρήνα. Όσο πιο απότομα φρενάρει το ηλεκτρόνιο, τόσο περισσότερη ενέργεια χάνει σε μία μόνο αλληλεπίδραση, που μετατρέπεται σε φωτόνιο.
Καθώς το ηλεκτρόνιο περνά σε διαφορετικές αποστάσεις από τον πυρήνα, μπορεί να υφίσταται ισχυρό ή ήπιο φρενάρισμα. Πέρασμα πολύ κοντά στον πυρήνα προκαλεί μεγάλη απώλεια ενέργειας και φωτόνια υψηλής ενέργειας, ενώ πιο μακρινά περάσματα δίνουν χαμηλότερες ενέργειες. Έτσι η ίδια διαδικασία μπορεί να παράγει μεγάλο εύρος φωτονίων.
Η κινητική ενέργεια που χάνει το ηλεκτρόνιο δεν χάνεται αλλά μετατρέπεται σε ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Κάθε «πακέτο» χαμένης ενέργειας αντιστοιχεί σε ένα φωτόνιο ακτίνας-Χ. Σε ακραίες περιπτώσεις, το ηλεκτρόνιο μπορεί να χάσει όλη του την ενέργεια σε μία σύγκρουση και να δημιουργήσει φωτόνιο μέγιστης ενέργειας.
Επειδή το ηλεκτρόνιο μπορεί να περάσει σε άπειρα διαφορετικές αποστάσεις από τον πυρήνα, μπορεί να χάσει οποιοδήποτε ποσοστό της ενέργειάς του. Έτσι τα φωτόνια που παράγονται καλύπτουν συνέχεια τιμών από πολύ χαμηλή μέχρι μια μέγιστη ενέργεια, χωρίς κενά μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα είναι ένα λείο, συνεχές φάσμα Bremsstrahlung.
Για να κατανοήσουμε τη χαρακτηριστική ακτινοβολία, φανταζόμαστε το άτομο σαν μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα με στιβάδες αντί για τροχιές. Τα ηλεκτρόνια κατανέμονται σε διακριτές στιβάδες με αυστηρά καθορισμένες ενέργειες. Οι διαφορές ανάμεσα στις ενεργειακές στάθμες είναι που καθορίζουν την ενέργεια των χαρακτηριστικών φωτονίων.
Στη σύγκρουση «νοκ-άουτ», ένα προσπίπτον ηλεκτρόνιο μεταφέρει αρκετή ενέργεια σε ένα εσωτερικό ηλεκτρόνιο του ατόμου ώστε να το απομακρύνει. Το εσωτερικό ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το άτομο και μένει πίσω μια κενή θέση σε βαθιά στιβάδα. Αυτό είναι το πρώτο βήμα για να ξεκινήσει η διαδικασία που θα οδηγήσει στη χαρακτηριστική ακτινοβολία.
Όταν δημιουργηθεί το κενό σε εσωτερική στιβάδα, ένα ηλεκτρόνιο από εξωτερική στιβάδα «πέφτει» για να το καλύψει. Η μετάπτωση αυτή είναι ενεργειακά ευνοϊκή και απελευθερώνει ενέργεια με τη μορφή φωτονίου ή ηλεκτρονίου Auger. Έτσι το άτομο επιστρέφει σε πιο σταθερή κατάσταση, εκπέμποντας ταυτόχρονα ακτινοβολία.
Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε κάθε μετάπτωση εξαρτάται αποκλειστικά από τις ενέργειες των δύο στιβάδων μεταξύ των οποίων κινείται το ηλεκτρόνιο. Επειδή αυτές οι ενέργειες είναι σταθερές για κάθε στοιχείο, οι αντίστοιχες ακτίνες-Χ εμφανίζονται πάντα στις ίδιες τιμές ενέργειας. Στο φάσμα αυτό αποτυπώνεται ως στενές κορυφές σε συγκεκριμένες θέσεις, χαρακτηριστικές για το υλικό του στόχου.