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  mengama t i   nya l a  

h i j au  pada 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,makacahaya  penda r   pun  h i l ang .  Roen tgen   s ege ra  menyada r i  

bahwa   se j en i s s i na r   yang   t i dak  kelihatan telah muncul dari dalam t abung s i nar

ka toda .Karena sebelumnya tidak pernahdikenal, maka sinar ini diberi nama sinar-

X. 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.Da r i   ha s i l   penye l i d ikan  be r i ku tnya  d ike t ahu i   bahwa   s i na r -

X   in i  me ramba t  menempuh 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, Sinar-

X 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

menyentuh layar pada titik 1.

Berkas 2 : Hanya dengan adanya medan magnit, berkas sinar katoda dibelokkan ke bawah

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 masing-

masing 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

23 E max atau pada

32 lmin , karena E max berbanding

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.