Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm máy chụp x quang công nghiệp

Mục đích chính của đề tài là trên cơ sở nhập ngoại ống phát tia X và biến thế cao áp thiết kế, chế tạo một máy phát tia X công nghiệp, với điện áp gia tốc 200 kV sai số ±2% dòng chiếu 5 mA và thử nghiệm triển khai hiện trường chụp ảnh khuyết tật, kiểm tra chất lượng mối hàn. Chúng tôi đã thiết kế, chế tạo thử nghiệm và triển khai hiện trường máy phát tia X công nghiệp loại tương tự như kiểu Trung Quốc và Nhật Bản đang chế tạo. Thiết bị này gồm đầu phát tia X và khối điều khiển. Đầu phát tia X bao gồm ống phát tia, biến thế cao áp đặt trong một hình trụ kín bằng nhôm chứa đầy khí SF6 đưới áp suất khoảng 5 at, có quạt và bộ tản nhiệt làm nguội ống phát. Khối điều khiển có cấu trúc hộp, bên trong có các bản mạch điện tử, các linh kiện điện tửcông suất, trên mặt hộp có các phím vận hành, chuyển mạch và các đèn chỉ thị. Khối điều khiển sử dụng cầu chỉnh lưu silic điều khiển tín hiệu pha. Thế chỉnh lưu được làm bằng thành thế một chiều nhờ mạch lọc LC. Thế DC này nuôi máy phát xung đơn cực công xuất có tần số thay đổi được bằng mạch tích thoát trên linh kiện silic. Xung này được gửi đến biến thế xung cao thế. Việc thay đổi tự động tần số xung đơn cực làm ổn định dòng phát tia X. Chúng tôi đã hoàn thành thiết kế và chế tạo thiết bị phát tia X công nghiệp. Thiết bị gồm khối điều khiển (phần cứng - thiết kế, chế tạo các bản mạch điện tử: bản CPU trên mạch vi điều khiển, bản mạch điều khiển thế, bản mạch điều khiển dòng, bản mạch ghép nối vào /ra. Phần mềm - đã viết tất cả các chương trình điều hành cần thiết); đã thiết kế chế tạo bộ đầu phát tia X). Sau khi lắp đặt chúng tôi đã tiến hành đánh giá các thông số cơ bản của thiết bị( cao thếra cực đại 200 kV với sai số ±2%, dòng ra 5mA). Chúng tôi cũng sửdụng thành công thiết bị đểchụp ảnh các mối hàn hồ quang trong công nghiệp. 2 Abstract

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

DANH SÁCH THAM GIA ĐỀ TÀI

1 Nguyễn Phúc PGS.TS NCVC Viện KH&KTHN(TTGT&DT)

2 Nguyễn Văn Sĩ KS Viện KH&KTHN(TTKTHN)

3 Lê Tiến Quân KS NCVC Viện KH&KTHN(TTKTHN)

4 Trịnh An Tuấn KS NCV Viện KH&KTHN(TTGT&DT)

5 Nguyễn Mạnh Hùng KTV Viện KH&KTHN(TTGT&DT)

6 Trịnh Đình Trường KS NCV Viện KH&KTHN(TTGT&DT)

7 Đặng Quang Thiệu TS NCV Viện KH&KTHN(TTGT&DT)

MỤC LỤC

Mục TrangTóm tắt

Abstract

Phần I Mở đầu

Phần II Lý thuyết tổng quan

II.1 Tình hình nghiên cứu ở nức ngoài và trong nước có liên quan trực

tiếp đến nội dung của đề tài

II.2 Tổng quan máy chụp X quang công nghiệp

Phần III Thực nghiệm thiết kế, chế tạo thiết bị

III.1 Phân tích ưu nhược điểm lựa chọn mô hình

III.2 Thiết kế chi tiết một thiết bị chụp ảnh X quang công nghiệp theo

hướng khả thi nhất

III.3 Chế tạo thiết bị chụp ảnh X quang công nghiệp

III.3.1 Chế tạo thử nghiệm ống phát tia x

III,3.2 Chế tạo khối điều khiển

III.3.3 Ghép nối tổng thể các bộ phận của thiết bị, đo đạc, điều chỉnh

thiết bị

III.4 Kiểm tra thử nghiệm thiết bị tại phòng thí nghiệm NDT

III.5 Thử nghiệm ứng dụng máy chụp X quang công nghiệp tại hiện

CÁC TỪ KHÓA

1 NDT Kiểm tra không phs hủy

2 Máy chụp X quang công nghiệp Là thiết bị phát tia X được sử dụng để chụp

ảnh khuyết tật các vật liệu và các mối hàn kim loại

3 Khối biến đổi AC-DC-AC là khối biến đổi dòng điện xoay chiều 220 v tần số

50 Hz thành dòng DC trung gian sau đó phát ra dòng điện xoay chiều có điện áp

và tần số theo nhu cầu sử dụng

TÓM TẮT

Mục đích chính của đề tài là trên cơ sở nhập ngoại ống phát tia X và biến thế cao áp thiết kế, chế tạo một máy phát tia X công nghiệp, với điện áp gia tốc

chụp ảnh khuyết tật, kiểm tra chất lượng mối hàn

Chúng tôi đã thiết kế, chế tạo thử nghiệm và triển khai hiện trường máy phát tia X công nghiệp loại tương tự như kiểu Trung Quốc và Nhật Bản đang chế tạo

Thiết bị này gồm đầu phát tia X và khối điều khiển Đầu phát tia X bao gồm ống phát tia, biến thế cao áp đặt trong một hình trụ kín bằng nhôm chứa đầy khí SF6 đưới áp suất khoảng 5 at, có quạt và bộ tản nhiệt làm nguội ống phát Khối điều khiển có cấu trúc hộp, bên trong có các bản mạch điện tử, các linh kiện điện tử công suất, trên mặt hộp có các phím vận hành, chuyển mạch và các đèn chỉ thị

Khối điều khiển sử dụng cầu chỉnh lưu silic điều khiển tín hiệu pha Thế chỉnh lưu được làm bằng thành thế một chiều nhờ mạch lọc LC Thế DC này nuôi máy phát xung đơn cực công xuất có tần số thay đổi được bằng mạch tích thoát trên linh kiện silic Xung này được gửi đến biến thế xung cao thế Việc thay đổi tự động tần số xung đơn cực làm ổn định dòng phát tia X

Chúng tôi đã hoàn thành thiết kế và chế tạo thiết bị phát tia X công nghiệp Thiết bị gồm khối điều khiển (phần cứng - thiết kế, chế tạo các bản mạch điện tử: bản CPU trên mạch vi điều khiển, bản mạch điều khiển thế, bản mạch điều khiển dòng, bản mạch ghép nối vào /ra Phần mềm - đã viết tất cả các chương trình điều hành cần thiết); đã thiết kế chế tạo bộ đầu phát tia X)

Sau khi lắp đặt chúng tôi đã tiến hành đánh giá các thông số cơ bản của thiết

bị ( cao thế ra cực đại 200 kV với sai số ±2%, dòng ra 5mA)

Chúng tôi cũng sử dụng thành công thiết bị để chụp ảnh các mối hàn hồ quang trong công nghiệp

Abstract

The main purposes of the project are the supporting to design and construction of the Portable Industrial X-Ray Equipment; with the accuracy

±2% of Output High Voltage 200 kV and Tube current 5 mA, base on import

of X-ray generator tube and H.V.transformer

The Equipment is composed of control unit, X-ray generator, and power cable, connection cable

X-ray generator is assembling construction X-ray tube, H.V.transformer together with gas insulation (SF6) are sealed up in aluminum bucked cabinet, fan and heat-sink are mounted in the end of X-ray generator as cooling, SF6 is

a gas electrical performance to H.V Alarm lamp is used to warn, flashing,show generating X-ray

Control unit is box construction Four printed circuit boards (PCB) and electronic device are mounted in it All operating buttons switches and displays are equipped on the panel

The control unit adopts silicon-controlled signal-phase bridge rectifier.Rectified voltage changes into smoothing D.C.voltage through LC filter loop, which changes into unidirectional pulse with changeable frequency through silicon-controlled carrier loop, sent to H.V.pulse transformer as supply of generator Ma stabilization unit can rise or reduce with filament voltage of tube Change the frequency of unidirectional pulse to make tube current stable Kv adjustment unit can adjust continuously to meet the request of the different material

We have completed to design and construct the Portable Industrial X-Ray Equipment The Equipment is composed of control unit ( Hardware- CPU board, PC Board for H.V control, PCBoard for tube current stable, Interface Board for all operating buttons, time setting, displays and Software- program) and head of X-ray generator

We have tested the electronic parameters of all test points and the main

and Tube current 5 mA)

We also have successful used the Portable Industrial X-Ray Equipment to evaluate the welds in industry

Các nội dung chính của báo cáo

Phần I- Mở đầu

Đặt vấn đề xuất xứ đề tài

Cho đến nay máy chụp X quang công nghiệp chưa có cơ sở nghiên cứu và công ty nào trong nước, hoặc công ty ngoại quốc nào ở trên lãnh thổ Việt Nam nghiên cứu, chế tạo

Hiện nay tại Việt Nam sử dụng khoảng hai trăm máy chụp X quang công nghiệp của hai thế hệ Tuy nhiên do thiếu kinh nghiệm trong khâu chuyển giao công nghệ cũng như khả năng tự bảo dưỡng và sửa chữa của các cơ sở, phần nửa thiết bị bị hỏng vì khâu sửa chữa, bảo dưỡng kém, thiếu sự trợ giúp

về công nghệ của hãng chế tạo Nếu sửa chữa qua hãng giá thành tương đương với giá mua máy mới Hiện tại ở các máy hỏng, đèn phát tia X còn có khả năng sử dụng

Nhu cầu sử dụng các máy chụp X quang công nghiệp phát triển mạnh Cần

có một cơ sở có khả năng chế tạo và bảo dưỡng máy chụp X quang công nghiệp tại Việt nam đó là mục đích của đề tài này

Những nội dung nghiên cứu chính ( theo hợp đồng nghiên cứu)

Nội dung 1: Khảo sát ba thế hệ máy chụp X quang công nghiệp

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo các máy chụp X quang công nghiệp thế hệ

Nội dung 2: Thiết kế chi tiết một máy chụp X quang công nghiệp theo

hướng khả thi nhất

- Thiết kế chi tiết khối điều khiển

- Thiết kế chi tiết bộ đầu phát

Nội dung 3: Chế tạo một máy chụp X quang công nghiệp với các chức năng

cơ bản nhất đáp ứng được yêu cầu của phép chụp ảnh công nghiệp, gồm các công việc sau

- Chế tạo khối đầu phát

- Chế tạo khối điều khiển trung tâm

- Chế tạo khối ổn thế, ổn dòng công suất cao

- Chế tạo khối ghép nối trung gian để đo đạc, điều khiển và chỉ thị các thông

số của thiết bị

Ghép nối tổng thể các bộ phận của thiết bị, đo đạc điều chỉnh thiết bị

Nội dung 4: Thử nghiệm thiết bị gồm các bước sau:

- Thử nghiệm đánh giá thông số thiết bị tại phòng thí nghiệm

- Thử nghiệm ứng dụng máy chụp X quang công nghiệp tại hiện trường Đánh giá các ưu, nhược điểm của thiết bị thử nghiệm được chế tạo, đưa ra các giải pháp tăng cường chất lượng thiết bị , chuẩn bị cơ sở cho dự án sản xuất thử

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, thời gian thực hiện

Thực chất đây là hoạt động chuyển giao công nghệ, nội địa hóa máy chụp X quang công nghiệp, so với quốc tế không mới nhưng ở Việt nam là sản phẩm mới, chưa ai nghiên cứu chế tạo

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn đáp ứng nhu cầu thị trường rất lớn về thiết bị chụp ảnh X quang trong công nghiệp đóng tàu thủy, công nghệ khai thác đầu khí, Đào tạo được nhóm cán bộ của Viện KH&KTHN về lĩnh vực chế tạo, bảo dưỡng, sửa chữa các máy chụp X quang công nghiệp; Nội địa hoá và tăng khả năng đáp ứng yêu cầu của xã hội

Thời gian thực hiện: Hai năm 2008-2009

Đơn vị thực hiện

Cơ quan chủ quản: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt nam

Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

Nguồn kinh phí và mức kinh phí được cấp: 450 triệu từ ngân sách sự

nghiệp khoa học

Phần II- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

II.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước có liên quan trực tiếp đến nội dung nghiên cứu của đề tài

II.1.1 Ngoài nước

Máy phát tia X và ứng dụng nó vào nghiên cứu và đời sống đã có từ năm

1896, tuy nhiên hoàn thiện các máy phát tia X và các lĩnh vực ứng dụng nó được phát triển không ngừng Cho đến nay nhiều kỹ thuật vẫn được nghiên cứu phát triển, nhiều công nghệ đã được thương mại hóa như máy chụp X quang y tế (các máy chụp phim phẳng, máy chụp cắt lớp); máy chụp X quang công nghiệp và các máy phân tích huỳnh quang, nhiễu xạ tia X Đối tượng của đề tài này là chế tạo máy chụp X quang công nghiệp, về nguyên tắc không khác máy chụp X quang y tế và các máy phân tích huỳnh quang, nhiễu

xạ tia X, tuy nhiên nó có các thông số kỹ thuật rất khác nhau và các yêu cầu

ổn định khác nhau

Cho đến nay các máy X quang công nghiệp có thể chia ra hai thế hệ

Thế hệ cũ: Biến thế cao thế bằng lõi sắt từ, nâng thế từ nguồn điện 50 Hz, cách điện bằng đầu, làm nguội bằng nước, cấu trúc cồng kềnh, không có bộ CPU thông minh, không có phần mềm Tuy nhiên thiết bị bền, dễ bảo dưỡng Thế hệ mới: Biến thế cao thế bằng lõi ferit, kết hợp các mạch nhân thế nâng thế từ nguồn điện cao tần khoảng 20 kHz, cách điện bằng khí, làm nguội bằng quạt, cấu trúc gọn nhẹ, có bộ CPU thông minh, có phần mềm điều khiển, bảo

vệ Tuy nhiên khó bảo dưỡng vì không có trợ giúp của hãng chế tạo

Việc phân chia các thế hệ như trên cũng chỉ là tương đối, ngoài các thế hệ

như Nhật Bản, Trung Quốc: Dòng máy này có cấu trúc phần cứng thừa hưởng của thế hệ cũ, nhưng có những cải tiến như sử dụng biến thế lõi Ferit, làm mát bằng khí, có sử dụng các phần mềm điều khiển và bảo vệ đơn giản

Trên thế giới máy chụp X quang công nghiệp đã thương mại hóa bởi nhiều hãng chế tạo nổi tiếng, với giá thành xuất xưởng từ 20.000USD đến 50.000 USD Riêng các máy từ Trung Quốc có giá khoảng 10.000USD đến 15.000 USD

II.1.2 Trong nước

Tình hình hiện tại ở Việt nam: Cho đến nay máy chụp X quang công nghiệp chưa có cơ sở nghiên cứu và công ty nào trong nước, hoặc công ty ngoại quốc nào ở trên lãnh thổ Việt nam nghiên cứu, chế tạo

Hiện nay tại Việt nam sử dụng cỡ hai trăm máy chụp X quang công nghiệp của hai thế hệ Tuy nhiên do thiếu nghiêm túc trong khâu chuyển giao công nghệ cũng như khả năng tự bảo dưỡng và sửa chữa của các cơ sở, phần nửa số thiết bị bị hỏng vì khâu sửa chữa, bảo dưỡng kém, thiếu sự trợ giúp về công nghệ của hãng chế tạo Nếu sửa chữa qua hãng giá thành tương đương với giá mua máy mới Hiện tại ở các máy hỏng, đèn phát tia X còn có khả năng sử dụng

Nhu cầu sử dụng các máy chụp X quang công nghiệp phát triển mạnh Cần

có một cơ sở có khả năng chế tạo và bảo dưỡng máy chụp X quang công nghiệp tại Việt nam đó là mục đích của đề tài này

II.2 Tổng quan máy chụp X quang công nghiệp

II.2.1 Máy chụp X quang thế hệ cũ

II.2.1.1 Khái quát

Thế hệ cũ của máy phát tia X được đánh dấu bằng việc phát minh ra đèn phát tia X và máy biến thế thông thường sử dụng lõi biến thế sắt từ, dây emay và vật liệu cách điện thông thường

Chính vì vậy máy phát tia X thế hệ cũ rất to, cồng kềnh và nặng Nó được sử dụng chủ yếu trong y tế, tại các bệnh viện máy phát tia X được lắp cố định, được sử dụng chụp ảnh X quang cho người Máy phát tia X thế hệ cũ được chế tạo nửa đầu thế kỷ 20, đặc biệt phát triển trong chiến tranh thế giới thư 2 Tuy máy phát tia X thế hệ cũ còn nhiều yếu điểm như quá cồng kềnh và khả năng xuyên tia kém, song nó cũng đáp ứng được các yêu cầu trong việc chuẩn đoán chức năng hình ảnh và được lắp đặt rộng rãi trong các bệnh viện lớn

II.2.1.2 Nguyên lý cơ bản máy phát tia X thế hệ cũ

Máy phát tia X thế hệ cũ có cấu tạo rất đơn giản, áp dụng công nghệ chế tạo rất thô sơ và đây không phải là đối tượng nghiên cứu kỹ của đề tài, chính vì vậy chúng tôi chỉ trình bày sơ lược

Máy phát tia X thế hệ cũ bao gồm các khối cơ bản : Khối 1 là máy biến thế

có thể đưa điện áp hạ thế (100V-220V tần số 50Hz-60Hz) lên điện áp từ vài chục đến vài trăm kV để cung cấp cho đèn phát tia X, khối 2 là máy biến thế cung cấp điện áp cho sợi đốt đèn phát tia X, khối 3 là đèn phát tia X và khối 4 các thiết bị bảo vệ

Biến thế cao thế gồm hai cuộn dây, cuộn vào sơ cấp có thể thay đổi được, cuộn ra thứ cấp cố định là lối ra cao áp cung cấp cho đèn phát tia X Để thay đổi cao áp cấp cho đèn phát người ta thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp Lõi biến thế là thép sắt từ chất lượng cao có độ từ thẩm trung bình nên đòi hỏi kích thước lớn, rất nặng

Khối điều khiển dòng sợi đốt

Để thay đổi suất liều phóng xạ và năng lượng tia X phát ra từ đèn cho các mục đích khác nhau ngoài việc thay đổi cao áp đưa vào Anot đèn phát, người

ta còn thay đổi cường độ dòng đốt bằng cách thay đổi thế đốt của đèn phát (dùng biến thế nhỏ riêng biệt cho dây đốt)

Đèn phát tia X là đèn điện tử vỏ thuỷ tinh chịu nhiệt, cách điện tốt Anot chế tạo bằng Vonfram nối ra ngoài bằng một thanh dẫn nhiệt mục đích toả nhiệt cho đèn Để làm nguội, người ta dùng ống kim loại quấn quanh thanh dẫn nhiệt và cho dòng nước lạnh chảy qua tải nhiệt ra ngoài và dẫn vào dàn toả nhiệt có quạt Do công nghệ và vật liệu cách điện kém nên kích thước của đèn cũng khá lớn

Sơ đồ khối của thiết bị như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị phát tia X thế hệ cũ

Khối điều khiển (Bàn điều khiển)

Bàn điều khiển gồm: Nguồn điện, biến thế trung thế tự ngẫu, biến áp cao thế, biến áp điều khiển dòng đốt đèn phát, các rơle bảo vệ, các đồng hồ báo dòng, cao áp, đồng hồ thời gian, các núm chức năng điều khiển và các đèn chỉ thị

- Nguồn điện: Lấy từ nguồn điện lưới 110V-220V tần số 50Hz-60Hz được đưa vào biến thế và cấp điện cho toàn bộ máy hoạt đông thông qua cầu chì tổng, cầu chì tự động, khởi động từ nhiệm vụ cắt /đóng nguồn khi có tín hiệu điều khiển

- Biến thế trung thế tự ngẫu: Từ điện áp lưới, bằng quay con trượt trên biến thế tự ngẫu biến thành điện áp thay đổi được từ 0V đến cỡ 1000V cung cấp cho biến thế cao áp

- Đồng hồ đo cao áp: Để đo điện áp cao thế trong ống phóng người ta đo gián tiếp điện áp lối ra của biến thế tự ngẫu trung gian và nhân hệ số biến đổi của biến thế cao thế

- Biến thế cấp dòng cho sợi đốt đèn phát tia: Cường độ chùm tia X phụ thuộc dòng điện tử được gia tốc trong điện trường Anot và Catot của đèn Dòng điện tử này lớn hay bé tuỳ thuộc mật độ đám mây điện tử được tạo ra ở katot, tức là phụ thuộc dòng trên sợi đốt Do đó biến thế sợi đốt điều khiển cường độ tia X

- Đồng hồ đo dòng phát tia là đo dòng điện tử đi từ Catot đến Anot

- Bộ đếm đặt thời gian phát tia: Một đồng hộ cơ được gắn vào bàn điều khiển, trong mỗi lần phát tia người ta xoay kim đồng hồ đến một giá trị thời gian nào

đó và đồng hồ sẽ đếm ngược trong quá trình phát tia, khi đến 0 (hết thời gian) tạo ra tín hiệu điều khiển cắt khởi động từ cấp điện cho các biến thế Máy

chuyển sang trạng thái dừng, các phần khác của thiết bị vẫn lầm việc để làm mát thiết bị

- Các phím chức năng, các đèn chỉ thị: Trên bàn điều khiển còn có các đèn chỉ thị (đèn báo có nguồn vào, đèn báo đang phát tia) các phím điều khiển (khởi động, dừng, dừng khẩn cấp, khoá an toàn)

- Dầu cao thế: Để tăng khả năng cách điện và chống tia lửa điện người ta đặt biến thế trong hộp dầu cao thế Đầu cao thế phải được làm khô hoàn toàn và loại bỏ các bọt khí lẫn trong dầu Khi nạp dầu cho biến thế phải làm khô dầu bằng công nghệ đặc biệt và nạp dầu trong môi trường khô tuyệt đối và trong chân không, sau khi nạp xong dầu vẫn phải hút chân không trong nhiều ngày

để loại bỏ hoàn toàn các bọt khí còn lại

- Rơle bảo vệ quá áp lực: Khi máy hoạt động, biến thế và đèn phát tia nóng lên, đầu biến thế ngoài làm nhiệm vụ cách điện còn làm nhiệm vụ tải nhiệt ra

vỏ làm nguội biến thế Thể tích của dầu tăng lên gây áp lực lớn trong ống phóng dễ gây nổ và hỏng đèn Để bảo vệ ống phóng người ta lắp vào vỏ ống phóng một rơle áp lực Rơle áp lực sẽ đóng khi quá áp và gửi tín hiệu điều khiển để khởi động từ cắt điện

- Rơle quá nhiệt biến thế: Để bảo vệ biến thế quá nóng khi làm việc quá lâu, quá công suất, hoặc sự toả nhiệt không đảm bảo, người ta gắn một rơle nhiệt vào lõi biến thế Rơle này sẽ đóng khi biến thế quá nhiệt, tín hiệu gửi về khởi động từ làm ngắt điện, khi máy nguội Rơle quay về trạng thái cho phép máy hoạt đông trở lại

- Đèn phát tia X: Toàn bộ đèn phát tia X nằm gọn trong ống phóng và gắn chặt với vỏ ống Cửa phát tia hướng ra ngoài thông qua cửa ống phóng Cửa ống phóng làm từ vật liệu nhẹ như Plastics hay nhôm mỏng giúp cho tia X đi qua dễ dàng

- Hệ thống toả nhiệt cho đèn phát tia X: Khi đèn phát hoạt động, 90% năng lượng của nguồn điện sinh nhiệt gây nóng Anot của đèn, để toả nhiệt người ta gắn vào Anot đèn phát thanh dẫn nhiệt tốt có khả năng chịu nhiệt Thanh dẫn nhiệt này được kéo dài từ Anot ra ngoài vỏ đèn và được gắn với bộ tản nhiệt

- Bộ tản nhiệt của đèn là những cánh tản nhiệt nằm trọn vẹn trong ống phóng

và truyền nhiệt ra ngoài vỏ thông qua dầu biến thế Về sau người ta gắn vào tấm tản nhiệt đường ống kim loại hình xoắn ruột gà và đường ống này được dẫn ra ngoài Để làm nguội nhanh chóng người ta dùng bơm nhỏ bơm nước vào đường ống để tải nhiệt ra ngoài Việc toả nhiệt bằng nước tuy cồng kềnh nhưng người ta nối bơm vào dàn ống toả nhiệt bằng đường ống mềm nên cũng đảm bảo cho máy di chuyển linh hoạt

- Hệ thống toả nhiệt bằng nước làm cho máy hoạt động tốt và hiệu quả phát tia cao, máy có thể phát tia liên tục trong thời gian dài

- Rơle bảo vệ quá nhiệt: Để bảo vệ đèn phát tia người ta gắn một rơle nhiệt vào cánh tản nhiệt của đèn, khi quá nhiệt phát tín hiệu để khởi động từ cắt điện, khi nhiệt độ hạ thấp rơle này lại cho phép đóng điện cho máy

- Hệ thống bảo vệ phóng xạ ngược hướng: Để chặn tia phóng xạ ngược hướng phát, làm giảm suất liều cho người vận hành thiết bị, người ta lót một lớp chì xung quanh thành ống trong đoạn đặt đèn phát tia chỉ để lại một lỗ nhỏ theo hướng phát Biện pháp này làm giảm suất liều ngược hướng chỉ còn nhỏ hơn

100 µSv/h khi đèn hoạt động ở cao áp và dòng cao nhất

- Đèn cảnh báo phóng xạ: Khi máy bắt đầu có cao áp, một rơle trên bàn điều khiển đóng mở liên tục làm đèn cảnh báo nhấp nháy

II.2.2 Máy chụp ảnh X quang công nghiệp thế hệ mới

Phần này sẽ đi sâu trình bày cấu trúc chung của các máy chụp X-quang công nghiệp thế hệ mới và nêu một vài thiết bị điển hình của các hãng chế tạo nổi tiếng trên thế giới

Thiết bị chụp X quang công nghiệp thế hệ mới có cấu hình như hình 2.2, gồm có hai phần chính: Đầu phát tia X và khối điều khiển

Hình 2.2 Sơ đồ khối thiết bị phát tia X thế hệ mới

Ảnh một thiết bị phát tia X thế hệ mới trên hình 2.3

Đầu phát tia X: Là thiết bị công nghệ cao phát ra tia X ổn định vùng năng

lượng (từ 100 KeV đến 400 KeV), cường độ hàng chục mA đáp ứng với bài

Tia

X

AC 220 v Điện công suất Biến thế cao áp

Đầu phát SF6

Biến đổi

AC-DC

Điều khiển Thế

Điều khiển Dßng

Điều khiển trung tâm

toán chụp ảnh khuyết tật trong công nghiệp ví dụ như chụp ảnh các mối hàn kim loại;

Khối điều khiển: Là một khối điều khiển điện tử, trung tâm là một SBC (Single Board Computer) trên Microprocessor tiếp nhận thông tin điều khiển

từ người vận hành, từ các sensor cảnh báo quá dòng, quá thế, quá nhiệt, áp xuất điều khiển vận hành của toàn thiết bị, cung cấp điện thế và dòng công suất cho đầu phát tia X

Hình 2.3 Ảnh của thiết bị phát tia X thế hệ mới

II.2.2.1 Đầu phát tia X

Gồm hai phần chức năng chính: Khối tạo cao thế gia tốc và điện áp đốt cho

ống phóng; Ống gia tốc điện tử và bia hãm để phát tia X; Hai bộ phận chức năng này được đặt trong ống nhôm hình trụ kín chứa khí cách điện SF6 áp suất khoảng 5 at, phần tản nhiệt và quạt và các Sensor bảo vệ nhiệt độ, áp suất

Khối tạo cao thế và điện áp đốt cho ống phát

Có hai loại cao áp cung cấp thế gia tốc cho ống phóng, loại xung AC và loại

chu kỳ âm của cao thế (phía Catot), các điện tử được bật ra khỏi Catot và được gia tốc thẳng trên cao áp khoảng 300KV

Loại cao áp DC: Dùng biến thế xung trên xuyến Ferit tăng thế từ đầu vào, xung tần số khoảng 20 KHz, biên độ khoảng 300V công suất khoảng 400 watt thành xung cao thế tần số khoảng 20 KHz biên độ khoảng vài chục KV, đồng thời trích thế từ biến thế để đốt Katot ống phóng (lưu ý thế đốt trên nền cao áp DC) Từ điện áp xung ra của biến thế này được chỉnh lưu và nhân thế đến cao thế DC khoảng 300 KV bằng các diot chỉnh lưu và các tụ lọc cao áp Cao thế này liên tục gia tốc điện tử từ Katot ống phóng Cấu trúc kiểu này có phức tạp hơn cấu trúc gia tốc cao thế AC nhưng có nhiều tiện lợi hơn trong việc chế tạo cách điện cao thế và dòng gia tốc liên tục hơn

Ống phát tia X

Thực chất là ống gia tốc điện tử thẳng, ống phát tia X có thể bằng thuỷ tinh hay bằng gốm chân không cao, nhờ hệ đốt Catot phát ra đám mây điện tử, dưới tác dụng của cao áp gia tốc, đám mây điện tử được bứt ra khỏi Catot và được tăng tốc, đến năng lượng khoảng 300 KV và bị bia chặn lại và phát bức

xạ hãm đó là tia X Bia chính là Anot của ống phát tia X thường làm bằng

ngoài không khí

Các bộ phận phụ

- Đầu đo áp suất: gồm sensor áp suất khi SF6 và bộ chỉ thị;

- Rơle áp suất: Rơle áp suất này sẽ phát tín hiệu ngắt khi áp suất khí trong ống gia tốc thấp hơn một gíá trị danh định;

- Rơle nhiệt tại hai vùng trong ống gia tốc: Vùng biến thế cao thế giá trị ngắt

- Kênh lấy tia X có ống dẫn, cửa sổ Berili và màng lọc,

- Gần bộ tản nhiệt (phía ngoài) có hệ thống quạt gió làm nguội;

- Đầu phát tia X có hệ khung bảo vệ và vận chuyển

II.2.2.2 Khối điều khiển

Gồm khối điện tử điều khiển, mạch công suất, mạch nguồn thấp áp và ghép nối ngoại vi đặt trong hộp, trên mặt hộp phía trước và sau có hệ thống chỉ thị,

hệ bàn phím điều khiển và các connector liên hệ với đầu phát tia X, nguồn điện nuôi và bộ điều khiển từ xa Trên hình 2.4 là ảnh của mặt trước và sau của khối điều khiển máy phát X quang của hãng GE Phía mặt máy là màn hình, dèn chỉ thị, bàn phím lập trình, các phím điều khiển và chuyển mạch; Mặt sau máy là các ổ cắm liên kết

Khối điện tử điều khiển

Sơ đồ khối của khối điện tử điều khiển trình bày trên hình 2.5.Gồm các bộ phận chính sau đây: Khối điều khiển trung tâm (CPU trên SBC) có cấu trúc như một máy tính hoàn chỉnh có Microprocessor, bộ nhớ ROM và RAM, I/O vào ra nối tiếp và song song, có màn hình và bàn phím, có thể lập trình cho các hoạt đông của toàn thể thiết bị; Khối điều khiển thế tạo ra chuổi xung điều

khiển thời gian đóng mở cầu chỉnh lưu trên các Thyristor để tạo ra nguồn thế

DC thay đổi được và có khả năng cung cấp dòng lớn, mạch này cung cấp thế gia tốc ổn định cho ống phát tia X; khối điều khiển dòng tạo ra chuổi xung điều khiển tần số và độ rộng xung thế công xuất cung cấp cho biến thế cao áp ống phóng tia X; Bộ công suât biến đổi AC-DC-AC-DC công xuất cung cấp cho biến thế cao thế; Bộ tạo các nguồn thấp áp nuôi toàn bộ hệ thống

Sau đây xin trình bày chi tiết các khối kể trên

Khối CPU

Thông thường đây là SBC hoàn chỉnh (xem hình 2.6 ) Gồm vi mạch vi xử lý (Microprocessor) hoặc vi điều khiển (Microcontroller), bộ nhớ chương trình ROM, bộ nhớ số liệu RAM, dung lượng tuỳ yêu cầu cụ thể, BUS song song tín hiệu ra điều khiển, BUS song song tín hiệu vào từ các trạng thái và điều

khiển từ ngoại vi, ghép nối bàn phím để lập trình, ghi và gọi chương trình, số liệu với bộ nhớ, in kết quả và có khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi mở rộng như màn hình , BUS nối tiếp để đưa số liệu ra chỉ thị, bộ phát nhịp, bộ kiểm soát hoạt động hệ thống Khối CPU hoạt động như sau: Khi chuyển mạch điện cung cấp vào vị trí “ON” cung cấp các nguồn điện thấp áp cần thiết cho các bản mạch, mạch vi điều khiển bắt đầu hoạt động nhờ máy phát nhịp thạch anh và hệ thống CPU nhờ tín hiệu “ Reset” từ mạch kiểm soát hệ thống Max813 đưa hệ thống vào trạng thái xuất phát, sẳn sàng nhận lệnh;

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển

CPU sẽ gọi các chương trình con trong các bộ nhớ ROM và các tham số trong

bộ nhớ RAM để thực thi các chức năng của thiết bị phát tia X

Hình 2.6 Sơ đồ khối CPU

Chỉ thị LCD lLLLCD

Đèn trạng thái

Ghi đệm

Máy in

Đ/K dòng

Đ/K thế

AC

DC

AC

Ghi đệm

Phím khởi động,dừng

Bàn phím

AC 220 v Điện công suất

Biến đổi AC-DC

Điều khiển Thế

Điều khiển Dßng

Điều khiển trung tâm

T

Nếu các lối vào về các trạng thái ngoại vi (bộ điều khiển thế, bộ điều khiển dòng, nhiệt độ, áp suất bình thường thì CPU phát tín hiệu sẳn sàng chiếu bằng đèn chỉ thị “ Ready”; trong trạng thái này người vận hành có thể cho máy phát tia x hoặc các hoạt động lập trình, gọi, điều chỉnh, ghi chương trình, số liệu Sau khi người vận hành lập các thông số như điện áp chiếu, dòng chiếu và thời gian chiếu hoặc gọi các thông số này từ một chương trình chiếu đã lập trước trong bộ nhớ ra thì quá trình chiếu được bắt đầu bằng cách ấn bằng tay trực tiếp phím “ON” trên mặt máy hoặc từ bộ điều khiển từ xa Thiết bị phát tín hiệu cảnh báo bằng loa và đèn KV sáng, sau một khoảng chậm tuỳ chọn máy sẽ phát tia X đồng thời đèn chỉ thị dòng mA sáng và đèn cảnh báo có nguồn tia X nhấp nháy, bộ đếm thời gian chạy ngược từ giá trị đặt Thiết bị sẽ dừng phát tia X bằng cách ấn phím “Stop” trực tiếp trên máy hoặc từ phím điều khiển từ xa (dừng tức thì) hoặc khi bộ đếm thời gian về không Có thể lập trình chế độ luyện ống phóng, chế độ luân phiên chiếu và nghỉ Trong quá trình chiếu thiết bị luôn luôn kiểm tra các trạng thái hoạt động bình thường của máy, nếu có sự cố máy sẽ dừng phát tia x ngay lập tức

Khối bàn phím, chỉ thị

Đây là hệ thống giao diện giửa thiết bị và người vận hành Hệ bàn phím và các nút bấm riêng rẽ để lập trình và đưa các lệnh vào thiết bị; hệ chỉ thị gồm màn hình tinh thể lỏng và các đèn cảnh báo Sơ đồ khối hình 2.7, gồm khối điều khiển quét bàn phím và điều khiển đồng bộ ra màn hình tinh thể lỏng

Bộ điều khiển quét bàn phím hoạt động như sau

Các phím Khởi động và dừng vào trực tiếp không qua khối quét Để lấy thông tin từ bàn phím khối điều khiển tuần hoàn phát 4 xung quét lệch nhau

để quét 4 hàng của bàn phím; trạng thái bàn phím từng nhịp một đưa trạng thái của 8 cột của hàng tương ứng vào thanh ghi đệm, CPU nhờ giải mã mà nhận biết

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ quét bàn phím và chỉ thị

phím nào được ấn trong số 32 núm của bàn phím Mỗi một núm bàn phím tương ứng với một con số hoặc một chức năng

Hoạt động bộ điều khiển chỉ thị: Số liệu đưa ra chỉ thị được mã hóa dạng số 4 bit Các chỉ thị trực tiếp trên đèn được ghi vào các Triger nhớ tương ứng để điều khiến ON/OFF của đèn; số liệu chỉ thị trên màn hình tinh thể lỏng được

mã hóa thành từ 4 bít và cứ một nhịp xung phát ra từ khối điều khiển thì một

từ 4 bít được gửi vào bộ chỉ thị và tùy theo tín hiệu đồng bộ ngang và dọc mà ghi vào điểm chỉ thị tương ứng trên màn hình Ngoài ra để tăng cường độ sáng của màn hình tinh thể lỏng còn bổ sung phần chiếu sáng nền

Khối điều khiển thế

Chức năng khối này đặt cao thế và ổn định giá trị cao thế, sơ đồ khối trên hình 2.8 Cấu trúc có các phần chính sau:

Bộ đặt giá trị cao thế (có thể bằng phần cứng cũng có thể bằng phần mềm) đặt thế điều khiển; bộ biến đổi F-V; bộ cộng tương tự; các mạch so sánh; bộ chọn pha mở các thiristor chỉnh lưu; mạch vi sai; mạch tích phân và bộ phát xung điều khiển cho bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ trên thyristor công suất

Bộ này hoạt động như sau: Khi đặt một giá trị thế Vo ứng với thế cao áp trên ống phóng tia X giá trị KVo; nếu giá trị lối ra của bộ tổng tương tự còn nhỏ hơn giá trị đặt Vo thì qua mạch so sánh gửi tín hiệu về CPU báo cho CPU tăng tần số phát, tần số này được bộ biến đổi F-V biến thành thế, tần số tăng nên mức thế này tăng và đến khi thế ra của bộ tổng bằng giá trị Vo CPU giử nguyên tần số đó và ngược lại nếu giá trị này lớn quá thì CPU giảm tần số Giá trị thế này được so sánh với giá trị thực DC trên lối ra bộ chỉnh lưu bằng

bộ vi sai; lối ra bộ vi sai được tích phân để tránh các tín hiệu nhiễu có biên độ

Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển thế

Đến bộ điều khiển trung tâm (CPU)

Thisistor chỉnh lưu

Mạch tổng

Mạch tích phân

Mạch

vi sai Đặt cao thế

cao nhưng độ rộng nhỏ (tần số cao); độ lớn của thế này quyết định thời gian

mở (độ rộng xung điều khiển) vì độ rộng xung điều khiển quyết định giá trị thế một chiều sau chỉnh lưu; còn pha mở (thời điểm mở) hai thiristor do bộ so sánh chọn pha quyết định

Nếu do một lý do nào đó mà điện áp DC trên lối ra chỉnh lưu quá lớn thì một mạch so sánh khác báo cho CPU biết để xử lý sự cố

Trên đây là trình bày nguyên lý, trong thực tế để tránh các can nhiễu vì đây là

hệ phát xung tần số khá cao và công suất lớn đòi hỏi rất kỳ công và kinh nghiệm Ví dụ như để trích phần thế cao DC sau chỉnh lưu khoảng vài trăm von có thiết bị ngoài dùng cách chia thế còn dùng các thủ tục số hóa (biến đổi V-F) tại vùng thế cao công suất rồi gửi đến bộ điều khiển thế, tại đây lại biến đổi ngược lại (biến đổi V-F) rồi mới sử dụng

Khối điều khiển dòng

Trên hình 2.9 là sơ đồ khối khối điều khiển dòng, bao gồm những phần cơ bản sau: Mạch điều khiển ON/OFF phát tia X, mạch kiểm tra, chỉ thị dòng tia

X, mạch đặt dòng tia X, mạch tích phân, mạch phát xung điều khiển thiristor phát cao thế cho ống phóng

Hoạt động của bộ điều khiển dòng như sau: Khi người vận hành ấn phím bắt đầu chiếu “ON”, sau một thời gian trễ cần thiết CPU phát tín hiệu HV close đến khối điều khiển dòng cho phép hệ điều khiển dòng làm việc và gửi tín hiệu làm sáng đèn cảnh báo có nguồn ở đầu phát Cho phép bộ định mức dòng đưa tín hiệu định mức từ bộ chia thế vào bộ tổng dòng vi sai; mức thế này được tích phân để tránh các can nhiễu và đưa hệ thống điều khiển tăng dòng từ từ đến giá trị đặt Mức tìn hiệu này đưa vào bộ phát tín hiệu điều khiển dòng trên vi mạch thời gian LM 555; tần số và độ rộng xung này quyết định dòng tia X của đầu phát Việc ổn định dòng tia X bằng mạch lấy dòng phản hồi và mạch khuếch đại vi sai

Đặt dòng Vcc

Ma

Tích phân

Khối biến đổi AC-DC-AC công suất

Sơ đồ khối bộ biến đổi AC-DC-AC trên hình 2.10, gồm có các mạch sau: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ trên hai Thiristor chỉnh lưu; tụ và mạch lọc thế DC và bộ phát tần số khoảng 20 KHz công suất trên hai Thiristor phát

Hình 2.10 Sơ đồ khối biến đổi AC-DC-AC công suất

Hoạt động của bộ biến đổi như sau

Xung điều khiển đồng bộ với pha điện AC từ khối điều khiển thế lần lượt mở hai Thyristor chỉnh lưu; tùy theo thế đặt và thế trên tụ lọc mà mở nhiều hay ít, sớm hay muộn pha điện AC lối vào; Sau chỉnh lưu là mạch lọc trên LC, điện

áp cao DC khoảng vài ba trăm von khá ổn định được phản hồi về khối điều khiển thế để ổn thế Điện thế DC công suất này cung cấp trực tiếp cho bộ phát cho biến áp cao thế

Quá trình phát như sau: Thực chất là quá trình tích thoát của tụ dầu khoảng 10µF chịu điện áp cao Quá trình tích thoát qua hai Thyristor phát độ rộng và tần số của xung điều khiển từ khối ổn dòng quyết định dòng phát tia X của

thiết bị

II.2.3 Máy chụp ảnh X quang công nghiệp thế hệ (Công nghệ) trung gian

So với máy phát X công nghiệp thế hệ cũ, các máy thế hệ mới gọn nhẹ, chắc chắn, đa chức năng Thiết bị đã được vi mạch hóa tối đa, vi tính hóa nên thay đổi và bổ sung chức năng rất tiện lợi, mềm dẻo; biến thế cao thế bằng lõi ferit, kết hợp các mạch nhân thế nâng thế từ nguồn điện cao tần khoảng 20 kHz, cách điện bằng khí, làm nguội bằng quạt, cấu trúc gọn nhẹ, có bộ CPU thông minh, có phần mềm điều khiển, bảo vệ Tuy nhiên thiết bị có giá thành cao,

có nhiều chức năng trong thực tế ít sử dụng, máy thế hệ mới chưa phù hợp với các ứng dụng hiện trường đặc biệt các nước nghèo

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều chủng loại, tùy theo nhu cầu mà lựa chon thích ứng Tại Trung Quốc và Nhật Bản đã chế tạo thiết bị phát tia X công nghiệp tối giản nhất có giá thành hạ Sau đây ta khảo sát loại thiết bị này

Thiristor chỉnh lưu

Biến thế Cao thế

Điều khiển dòng

Thiristor phát

Thiristor phát

II.2.3.1 Máy chụp ảnh X quang model 200EG-S3 của Nhật bản (Hình

2.11)

Thông tin chung

Thiết bị 200EG-S3 là máy chụp ảnh X quang công nghiệp xách tay hoàn toàn

tự động Thiết bị có ống phát tia X bằng gốm, cách điện bằng khí và anode nối đất Được thiết kế gọn, nhẹ, hoàn toàn tự động, rất thích hợp cho việc chụp ảnh tia X tại hiện trường Khi cao thế cho ống phát và thời gian chiếu được thiết lập, người sử dụng có thể vận hành máy liên tục chỉ cần một lần nhấn nút Như vậy nên năng suất và hiệu quả rất cao

Cấu trúc của hệ máy gồm những thành phần chính sau: Ống phát tia X, bộ điều khiển, khối điều khiển từ xa và các phụ kiện

1.Ống phát tia X

Trong ống phát tia X có một đèn phát tia X bằng gốm, một biến thế cao thế

và một số linh kiện khác như sensor và rơle nhiệt, đầu đo và rơle áp suất Việc cách điện được thực hiện bằng khí SF6 có sức bền điện môi cực kỳ tốt với điện thế cao Một bộ toả nhiệt có quạt được gắn ở đuôi ống phát để làm nguội máy Ngoài ra trong ống phát tia X còn có mạch chỉ thị đèn nháy để cảnh báo khi máy đang phát tia X

2 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển điều khiển tất cả các hoạt động của thiết bị, bao gồm các linh kiện tích hợp rời rạc loại trung bình Các chuyển mạch, công tắc điều khiển được đặt ở mặt trước và mặt sau máy

Hình 2.11a Ảnh tổng thể thiết bị phát tia X Rigaku

Mặt trước máy đặt các thiết bị điều khiển sau: Chỉ thị giá trị điện lưới, phím on/of phát tia, phím đặt thế ống phát, phím đặt thời gian chiếu, chuyển mạch đóng/ngắt nguồn điện, đèn chỉ thị phát tia X, đèn chỉ thị đang sấy máy, đèn chỉ thí quá thế ống phát, đèn chỉ thị dòng phát, đèn chỉ thị trạng thái sẵn sàng phát tia X

Mặt sau máy có các bộ phận sau: Ổ cắm cáp công xuất, ổ cắm cáp thấp áp, chốt đất, ổ cắm chuyển mạch khoá cửa liên động, chuyển mạch công suất 15A, còi cảnh báo, các cầu chì và khoá.

Hình 2.11b Ảnh bàn điều khiển máy phát tia X Rigaku

Công suất tiêu thụ: 2,4 kVA, với nguồn từ 190V đến 240V tần số 50/60Hz

Khí cách điện: SF6 áp suất 5at

Máy còn có hệ khoá liên động và điều khiển từ xa

4 Mạch điện tử của máy

Sơ đồ khối của máy trên hình 2.12 trang sau, thiết bị có ba khối điện tử chính: Các khối điều khiển cao thế KV1 và KV2, khối điều khiển và ổn định dòng phát CS và khối đặt và chỉ thị thời gian Ngoài ra máy còn có mạch nuôi thấp áp, các biến thế công suất, các đèn chỉ thị và quạt làm mát đặt trên và trong vỏ máy

Việc điều khiển cao thế cho ống phóng tia X, ổn định dòng phát của ống phóng dựa trên việc điều khiển thời gian đóng mở của thyristor SCR ( Silicon Controlled Rectifier), khối điều khiển sẽ điều khiển bộ nắn dòng hai nửa chu

kỳ dùng SCR Thế xoay chiều của điện lưới sẽ biến đổi thành thế một chiều

có mấp mô được lọc qua mạch lọc LC Độ lớn của điện thế phụ thuộc vào các mạch điều khiển KV Điện thế một chiều này sẽ nuôi cho hệ tạo xung một phân cực Xung này có độ rộng thay đổi được, điều khiển qua mạch ổn định dòng phát của ống phát tia X Việc điều khiển cũng qua các linh kiện SCR Cao thế được điều chỉnh từng bước 5kV qua các chuyển mạch đặt ở mặt máy Mạch đặt thời gian chiếu dựa trên mạch phát NE555, các linh kiện chia, các thanh ghi dịch, các bộ giải mã và chỉ thị để định thời gian các phép chiếu Máy còn bộ đo và chỉ thị thế lưới trên vi mạch LM3914

II.2.3.1 Mỏy chụp ảnh X quang model T4777 của Trung Quốc

Mỏy Trung Quốc cú tớnh năng và cấu trỳc tương tự loại mỏy Nhật Bản kể

trờn Chỳng được mụ phỏng theo mỏy Nhật, cú cải tiến thờm bớt một số chức

năng như chức năng sấy mỏy và cỏc mạch cỏch ly giữa vựng điện thế cao và

điện thế thấp Tuy nhiên các mạch điều khiển lại sử dụng những vi mạch tích

hợp cao như micro controller, vi mạch logic, nên mạch điện tử gọn gàng và

nhìn đơn giản hơn nhiều Dưới đây là sơ đồ của các mạch điều khiển đó

Hỡnh 2.13 Sơ đồ tổng thể thiết bị phỏt tia X Trung Quốc T4777

Ta thấy rằng trong máy Trung quốc, phần điều khiển đã được thay hoàn toàn

bằng Microcontroller, không phải bằng các linh kiện rời như trong máy Nhật

nên độ tin cậy cao hơn nhiều, Xác xuất sai hỏng cũng ít hơn Mạch điều khiển

giá trị cao thế áp vào ống phóng và mạch điều khiển dòng ống phóng, phần

công suất giống hoàn toàn mạch trong máy Nhật: giá trị cao thế được điều

khiển bằng cách dóng, mở góc pha của thyristor công suất, giá trị dòng ống

phóng thay đổi nhờ thay đổi khoảng thời gian và thế sợi đốt của ống phóng

Để ổn định dòng ống phóng, phải cần mạch phản hồi dòng để thay đổi thay

đổi tần số xung cao thế

Mạch điều khiển cao thế chi tiết cho máy Trung quốc được vẽ như hình 2.14

dưới đây Nguyên lý giống máy Nhật nhưng được thực hiện đơn giản hơn nhờ

bớt một số tính năng như Aging, một số mạch cách ly giữa thế thấp và cao thế

Hình 2.14 Mạch điều khiển cao thế

Mạch ổn định dòng trong máy Trung quốc có nguyên lý giống như trong máy

Nhật nhưng được thực hiện đơn giản hơn nhiều nhờ sử dụng microcontroller,

rất nhiều relay không cần dùng nên số linh kiện dùng để điều khiển relay giảm hẳn Máy không có phần thay đổi dòng ống phóng, tức là dòng ống phóng được đặt cố định một giá trị Mạch điện tử chỉ điều khiển để ổn định

dòng ống phóng theo giá trị đó, mạch đơn giản và đỡ rườm rà nhiều so với

máy Nhật Sơ đồ nguyên lý như hình 2.15 trang sau

Hình 2.15 Sơ đồ ổn định dòng ống phóng X-ray tube

Mạch điều khiển của máy Trung quốc được cải tiến đáng kể nhất so với máy của Nhật vì đã loại bỏ được hoàn toàn việc sử dụng các linh kiện rời mà sử dụng vi mạch microcontroller Do đó hàng chục relay trong máy Nhật giờ chỉ còn 3 relay trong máy Trung quốc Độ tin cậy cũng cao hơn, sác xuất sai hỏng cũng giảm đáng kể Máy gọn hơn nhiều Sơ đồ khối điều khiển trong máy Trung quốc như hình 2.16 Phần ống phóng của hai loại máy hoàn toàn giống nhau Cao thế áp vào ống phóng được lấy trực tiếp từ biến thế cao thế đặt trong ống phóng Cao thế nối vào katod và đất nối với anod Điện thế để cho mạch nung sợi đốt, filament, cũng được trích ra từ cuộn thứ cấp của biến thế cao thế Cả cao thế cho ống phóng và điện thế nung sợi đốt đều là điện thế

AC, không chỉnh lưu Cao thế cho ống phóng không có mạch phản hồi thế để

ổn định thế, trong khi ống phóng có mạch phản hồi dòng để ổn định dòng ống phóng Ngoài ra trong ống phóng của hai loại máy đều có chất cách ly bằng khí trơ, không dùng dầu cao thế để cách ly như những loại máy khác nên gọn nhẹ hơn, thích hợp hơn để sử dụng ngoài hiện trường

Hình 2.16 Sơ đồ khối điều khiển

Thời gian phải thay khí cũng lâu hơn ống phóng có đồng hồ đo áp suất và

mạch ngắt cao thế khi áp suất khí không đủ và nhiệt độ trong ống phóng cao

quá ngưỡng Ta thấy rằng mạch cao thế và thế nung khá đơn giản, không cần chỉnh lưu cao thế cũng như thế nung sang một chiều, không có mạch nhân thế, không có mạch ổn áp cao thế như trong các máy dùng tia X khác dùng trong

công nghiệp và y tế Tuy nhiên với cấu hình này, cả hai loại máy trên đã

chứng tỏ hiệu quả sử dụng trong công nghiệp như đã được sử dụng khá rộng

rãi ở nhiều nước trong nhiều năm từ trước tới nay

Phần III Thực nghiệm thiết kế chế tạo thiết bị

III.1 Phân tích các ưu nhược điểm, lựa chọn mô hình

Trên cơ sở khảo sát các thiết bị chụp ảnh X quang công nghiệp được sản xuất

trên thế giới ở phần trên chúng tôi đã tiến hành đánh giá so sánh ưu nhược

điểm, mức độ công nghệ, sự tiện lợi phù hợp với điều kiện Việt nam đi đến

lựa chọn phương án thiết kế chế tạo thử nghiệm Để tiện lợi cho việc so sánh

chúng tôi tạm chia thiết bị (hệ thống) chụp ảnh phóng xạ công nghiệp bằng tia

X thành những khối cơ, bản sau:

+ Khối cấp nguồn thấp áp( khối nguồn) (1)

+ Khối điều khiển cao áp (HV controller) (2)

+ Khối điều khiển dòng ( mA controller) (3)

+ Khối tạo nguồn công suất (4)

+ Khối điều khiển trung tâm CPU và giao diện (controller system) (5)

Dưới đây là bảng so sánh ưu, nhược điểm điểm và khả năng chế tạo nội địa

hóa tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

Máy thế hệ

Khả năng nội địa

Biến thế hạ thế Các mạch cầu AC-DC và các mạch lọc trên các vi mạch

-Máy thế hệ a cồng kềnh

- Máy thế hệ b, c gọn nhẹ

Có khả năng thực hiện theo thế hệ b,c

Chức năng khối này là đặt cao thế bằng tay và

- Thế hệ a Đơn giản, khó thao tác, nặng nề

Trong giai đoạn đầu việc chế tạo khối

giá trị bằng

phương pháp

thủ công - bằng

thay đổi chổi

quét của biến

thế tự ngẫu

giá trị tự động thông qua lập trình kiểm soát thế và thời gian thực Đóng/mở các thyristor có điều khiển SCR

ổn định giá trị thông qua mạch phản hồi điện

tử cứng đơn giản, Đóng mở các thyristor có điều khiển SCR

tự động kiểm soát quá thế

- Thế hệ b: Chính xác, tiện lợi, chếtạo phức tạp đặc biệt là phần mềm

- Thế hệ c: Mức độchính xác vừa

không quá khó thực hiện

này có thể thực hiện ở thế hệ c, trong chiều hướng phát triển thì

sẽ tiến đến tiệm cận đến thế hệ b

kiểm tra giá trị

này thông qua

đồng hồ chỉ thị

dòng X

Bao gồm những phần cơ bản sau: Mạch điều khiển ON/OFF phát tia X, mạch kiểm tra, chỉ thị dòng tia

X, mạch đặt dòng tia X, mạch tích phân, mạch phát xung điều khiển thiristor phát cao thế cho ống phóng

Bao gồm những phần cơ bản sau: Mạch điều khiển ON/OFF phát tia X, mạch kiểm tra, chỉ thị dòng tia

X, đặt cố định dòng tia X, mạch tích phân, mạch phát xung điều khiển thiristor phát cao thế cho ống phóng

- Thế hệ a: Điều khiển dòng thủcông độ chính xác không cao, thực hiện khó

- Thế hệ b: Điều khiển dòng tựđộng, đặt dòng

số, kiểm soát chế

độ tự động chếtạo đòi hỏi kết hợp công nghệchế tạo phần cứng và phần mềm cao cấp

- Thế hệ c: Đặt cứng dòng chỉkiểm soát các tín hiệu điều khiển theo dòng và kiểm soát công suất tự động Chế

Trong giai đoạn đầu việc chế tạo khối này có thể thực hiện ở thế hệ c, trong chiều hướng phát triển thì

sẽ tiến đến tiệm cận đến thế hệ b

tạo không quá phức tạp, phù hợp với các nước bắt đầu bước vào chếtạo thiết bị

có điều khiển AC−DC trên SCR, bộ lọc, bộ biến đổi công suất từ DC thành xung đơn cực trên SCR, biến thế xung công suất cao thế

Gồm bộ biến đổi công suất

có điều khiển AC−DC trên SCR, bộ lọc, bộ biến đổi công suất từ DC thành xung đơn cực trên SCR, biến thế xung công suất cao thế

- Thế hệ a cồng kềnh, khó vận hành và ổn định kém

- Thế hệ b và c Gon, nhẹ Hoạt động tin cậy, ổn định tốt

Sẽ thiết kế theo thế hệ b,

bị và ngược lại

Gồm một SBC trên mạch vi xử

lý, bộ nhớ ROM, RAM, giao diện I/O, các thiết bị ngoại vi rơle, chuyển mạch,

Khối này thực

sự là khối giao tiếp giữa con người với thiết

bị và ngược lại

Gồm một SBC trên mạch vi xử

lý, bộ nhớ ROM, RAM, giao diện I/O, các thiết bị ngoại vi rơle, chuyển mạch,

- Thế hệ a: Rất đơn giản, vận hành vất vả

Không còn phù hợp với hiện tại

Kiểm soát chế độ

tự động chế tạo đòi hỏi trình độcao kết hợp giữa công nghệ chế tạo phần cứng và phần mềm

Trong giai đoạn đầu việc chế tạo khối này có thể thực hiện ở thế hệ c, trong chiều hướng phát triển thì

sẽ tiến đến tiệm cận đến thế hệ b

phím bấm, màn hình chỉ thị đèn chỉ thị còi… và một chương trình mềm phức tạp, đa năng khá công phu

phím bấm, đèn chỉ thị còi… và một chương trình mềm đơn giản

- Thế hệ c: Chế tạo không quá phức tạp, phù hợp với các nước bắt đầu bước vào chế tạo thiết bị

là mạch chỉnh lưu nhân áp lên

10 lần

Sử dụng biến thế xung cao tần tăng thế

1000 lần

- Loại a, cồng kềnh, khó ổn định

- Loại b nhẹ nhàng, chính xác cao

- Loại c đơn giản đòi hỏi khả năng cách điện cao của biến thế

mua cả gói linh kiện là biến thế thế

hệ c sau đó trong quá trình phát triển có thể tiến đến việc chế tạo biến thế cho hai thế hệ b, c

7

Cách điện bằng

dầu

Cách điện bằng khí SF6 áp suất cao 6 at

Cách điện bằng khí SF6 áp suất cao 6 at

- Loại a cổ điển, khó thay thế

- Loại b, c khảnăng cách điện

dưỡng thay thế

Chế tạo theo công nghệ b,

Làm nguội bằng khí, bộ tản nhiệt, quạt

- Loại a: Rất phức tạp phiền phức lúc thay thế , bảo dưỡng

- Loại b, c Hiện

Chế tạo theo công nghệ b,

c

đại, dễ bảo dưỡng, thay thế

9

Đèn phát tia cả 03 loại đều dựa trên nguyên lý như

nhau Có hai loại đèn: loại vỏ kim loại và loại vỏ

gốm có cửa sổ Berili

Chưa có khả năng chế tạo tại Việt nam

10

Khối vỏ che chắn và bảo vệ dựa trên nguyên lý như

nhau

Có khả năng chế tạo tại Việt nam

11

chế tạo tại Việt nam

Như vậy: Mô hình khuyến cáo cho công việc thiết kế chế tạo các khối và

tổng thể của thiết bị như sau:

1 Chế tạo và nội địa hóa vỏ của thiết bị

2 Chế tạo mới và nội địa hóa cáp và thiết bị phụ trợ

3 Chế tạo mới khối điều khiển cao áp

4 Chế tạo mới khối điều khiển dòng

5 Chế tạo mới khối điều khiển chung (CPU), ngoại vi

Trong giai đoạn 1 sử dụng các khối nguồn, cao áp, đèn phát nguyên bản

tiến thành thử nghiệm, lắp ráp thay thế từng khối để đánh giá khả năng

thành công cụ thể, các khối được chế tạo mới theo mô hình của thế hệ máy

trung gian

Tiến hành chế tạo và lắp ráp các khối hỗn hợp giữa các khối có sẵn và các

khối chế tạo thay thế, viết phần mềm, thử nghiệm, xây dựng các chế độ

hoạt động đánh giá an toàn, hiệu suất phát, gốc mở và các tham số kỹ thuật

khác, thử nghiệm tất cả các chức năng của thiết bị theo thiết kế tại phòng

thí nghiệm và thực địa, hoàn thành để tài

III.2 Thiết kế chi tiết một máy chụp ảnh X quang công nghiệp theo hướng khả thi nhất

III.2.1 Thiết kế bộ đầu phát

Sau khi khảo sát đánh giá các công nghệ chế tạo máy X quang công nghiệp, kết hợp với điều kiện cụ thể, tập thể đề tài lựa chọn phương án chế tạo thiết bị

X quang công nghiệp thử nghiệm theo công nghệ trung gian ( Nhật Bản và Trung Quốc đang áp dụng) Theo công nghệ này dùng pha âm cao thế xoay chiều để gia tốc điện tử, cách điện cao thế bằng khí SF6, làm nguội bằng tấm tản nhiệt và quạt

Trên hai hình 3.1 trang sau là cấu trúc toàn cảnh phía ngoài khối đầu phát,

bao gồm các phần cơ bản sau: Vỏ hình trụ bằng nhôm, các ổ cắm điện và tín hiệu, van khí, đồng hồ đo áp suất, bộ tản nhiệt, quạt làm mát; và hình 3.2 cấu trúc bên trong khối đầu phát, gồm các phần cơ bản sau: Bộ phận cao áp, đèn phát tia X và cửa sổ tia X, phần cách điện cao áp, phần làm mát Sau đây sẽ trinh bày chi tiết cấu trúc và thông số các bộ phận trên

1 Phần vỏ

Lớp ngoài cùng là vỏ hình chuông ngược bằng nhôm dày 4 mm, có nắp hình

mâm tròn, đáy có cấu tạo hình nón cụt côn đều; lớp chì bảo vệ hình chuông ngược che chắn vùng phát tia X (các thông số như trên hình) Phía trong hình trụ chứa khí cách điện SF6 áp suất khoảng 5 at

Bên ngoài gắn các van xả và bơm khí, đồng hồ đo áp suất, các ổ cắm để truyền tín hiệu, điện áp nuôi

2 Phần cao áp

Phần cao áp của thiết bị này thực chất là một biến thế cao áp, công suất lớn trên lõi sắt từ chất lượng cao công suất 1500 watt, hệ số biến đổi tăng thế khoảng 1000 lần, biểu diễn trên hình 3.3 Biến thế có một cuộn dây vào nhận thế xung biên độ cực đại 200 v, dòng cực đại 5 Ampe, tần số khoảng từ 100Hz đến 1000 Hz Có hai lối ra: Lối ra cao thế xoay chiềú đáp lên ̉Catot của đèn phát tia X, cao thế xung này có biên độ cực đại khoảng 200 kV, dòng 5 mA; lối ra đốt dây phát điện tử tại Catot đèn phát tia X, thế đốt có điện áp tương đối thấp nhưng trên nền cao áp Chất lượng dây của biến thế, chất cách điện, công nghệ quấn dây, sấy, tẩm, hút chân không rất cao cấp

3 Đèn phát tia X và cửa sổ tia X

Đèn phát tia X thực chất là một bộ gia tốc điện tử trong buồng chân không

kín Đám mây điện tử tại Catot của đèn được bứt ra và gia tốc thẳng đến Anot trong điện trường hàng trăm kV Thực chất đây là thiết bị gia tốc tuyến tính điện tử (hình 3.4)