Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên vật liệu không đồng nhất

[Đồ án] Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên vật liệu không đồng nhất

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

LỜI MỞ ĐẦU 7

Chương 1 : Cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp ảnh bức xạ 9

1.1 Khái niệm phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT) 9

1.2 Cơ sở vật lý của phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT) [1] 10

1.3 Nguồn bức xạ và đặc trưng của tia X và tia gamma [1] 12

1.3.1 Nguồn tia X 12

1.3.2 Các nguồn gamma 12

1.3.3 Các đặc trưng của bức xạ tia X và tia gamma 13

1.3.4 Tương tác của bức xạ tia X và gamma với vật chất 14

1.4 Phim và các đặc trưng của phim [1] 15

1.4.1 Cấu tạo của phim chụp ảnh bức xạ 15

1.4.2 Các đặc trưng của phim chụp ảnh bức xạ 16

1.4.3 Nguyên lý tạo ảnh trên phim 23

1.4.4 Màn tăng cường 24

1.5 Tính toán các thông số chiếu 25

1.5.1 Tính toán các thông số chiếu chụp 25

1.5.2 Xác định khoảng cách chụp nhỏ nhất (SFD min ) 26

1.5.3 Thời gian chụp: 27

1.6 Độ nhạy của ảnh chụp bức xạ 27

1.6.1 Độ nhạy phát hiện khuyết tật 27

1.6.2 Độ nhạy của ảnh chụp bức xạ 27

1.7 Vật chỉ thị chất lượng ảnh (IQI) 28

Chương 2 :Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển 30

2.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 30

2.1.1 Các phương pháp chụp ảnh bức xạ trên các mẫu vật có bề dày không đồng nhất 30 2.1.2 Hướng nghiên cứu của đề tài 35

2.2 Giải quyết vấn đề 36

2.2.1 Xây dựng phương pháp chụp 36

2.2.2 Tìm hiểu vi điều khiển 89C51 38

2.2.3 Điều chế PWM để điều khiển động cơ 1 chiều 42

2.2.4 Thiết kế sơ đồ khối bộ điều khiển chùm tia bức xạ 48

2.2.5 Thiết kế nguồn nuôi DC 49

2.2.6 Thiết kế mạch vi điều khiển 50

2.2.7 Thiết kế mạch cầu điều khiển Motor 51

2.2.8 Viết lưu đồ chương trình 53

2.2.9 Viết chương trình cho vi điều khiển 55

2.2.10 Nạp chương trình cho vi điều khiển 89C51 60

2.2.11 Thiết kế bộ cơ khí điều khiển điều khiển chùm tia bức xạ 61

2.2.12 Chế tạo và lắp ráp hoàn thiện 62

Chương 3 :Thực nghiệm kết quả 64

3.1 Khảo sát tốc độ của bộ điều khiển 64

3.2 Tính toán liều chiếu, bố trí hình học và tiến hành chụp phim 65

3.3 Các kết quả chụp phim 71

3.3.1 So sánh chất lượng hai phim khi có dùng và không dùng bộ điều khiển 71

3.3.2 Bảng tổng hợp kết quả đánh giá các phim 80

3.3.3 Nhận xét về kết quả 81

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 : Phân loại phim chụp ảnh bức xạ……… 17

Bảng 1.2: Đường kính của các dây trong bộ IQI loại dây……… 28

Bảng 2.1: Các giá trị thanh ghi IE……… 43

Bảng 2.2: Các giá trị thanh ghi TMOD……… 44

Bảng 2.3: Các giá trị thanh ghi TCON……… 45

Bảng 3.1: Tốc độ của bộ điều khiển………64

Bảng 3.2: Các kết quả đánh giá phim 1……… 75

Bảng 3.3: Các kết quả đánh giá phim 2……… 77

Bảng 3.4: Các kết quả đánh giá phim 3……… 79

Bảng 3.5: Các kết quả đánh giá phim 4……… 81

Bảng 3.6: Kết quả tổng hợp đánh giá các phim……… 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Quá trình chụp ảnh bức xạ

Hình 1.2: Cấu tạo ống phát tia X

Hình 1.3: Cấu tạo phim ảnh

Hình 1.4: Hình ảnh về máy đo độ đen

Hình 1.5a: Đường cong đặc trưng điển hình của một phim tia X, loại trực tiếp

Hình 1.5b: Đường cong đặc trưng điển hình của một phim tia X, màn tăng cường bằng muối

Hình 1.6a: Các đường cong đặc trưng của ba loại phim tiêu biểu, dùng trong công nghiệp

Hình 1.6b: Đường cong đặc trưng điển hình cho phim tia X loại trực tiếp

Hình 2.3: Phương pháp chụp nhiều lần trên 1 phim

Hình 2.4: Phương pháp dùng nêm chì

Hình 2.5: Phương pháp dùng nêm ảo

Hình 2.6: Phương pháp để tạo nên nêm ảo

Hình 2.7: Cấu trúc 89C51 dạng sơ đồ khối tổng quát

Hình 2.8: Sơ đồ chân vi điều khiển 89C51

Hình 2.9: Dao động của thạch anh

Hình 2.10: Chương trình khi có ngắt và không có ngắt

Hình 2.11: Độ rộng xung

Hình 2.12: Sơ đồ khối bộ điều khiển chùm tia bức xạ

Hình 2.13: Sơ đồ nguồn nuôi DC

Hình 2.14: Sơ đồ mạch vi điều khiển

Hình 2.15: Mạch cầu điều khiển Motor

Hình 2.16: Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt

Hình 2.17: Lưu đồ chương trình chính

Hình 2.18 Mạch nạp cho vi điều khiển

Hình 2.19: Minh họa bộ truyền động

Hình 2.20: Mạch đã lắp ráp

Hình 2.21 Bộ cơ đã được chế tạo và lắp vào cửa sổ máy phát

Hình 3.1: Kích thước mẫu vật được chụp

Hình 3.2: Bố trí IQI trên mẫu vật

Hình 3.3: Bố trí hình học khi không dùng bộ điều khiển quét chùm tia

Hình 3.4: Bố trí hình học khi dùng bộ điều khiển quét chùm tia

Hình 3.5: Giản đồ liều chiếu của máy phát tia X

Hình 3.6: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 1

Hình 3.7: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 2

Hình 3.8: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 3

Hình 3.9: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 4

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin thì kỹ thuật hạt nhân được áp dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống, và mang lại nhiều lợi ích kinh tế - xã hội Trong sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân, kỹ thuật “kiểm trakhông phá hủy (NDT)” được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công

nghiệp trên khắp thế giới và Việt Nam Một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy ngày càng được chấp nhận sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quantrọng trong công nghiệp là: Phương pháp chụp ảnh bức xạ trong công nghiệp ( Radiography Testing – RT ) Nó đang ngày càng trở nên hữu hiệu và là sự lựa chọn của nhiều ngành công nghiệp trong việc kiểm tra chi tiết trên công trình yêu cầu độ an toàn cao Tuy nhiên trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên các mẫu vật có bề dày không đồng nhất còn gặp nhiều khó khăn, phải chụp nhiều lần, mất thời gian và tốn kém Để khắc phục vấn đề này, đề tài nghiên cứu xây dựng thiết kế, chế tạo một bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ điều chỉnh liều chiếu thích hợp với từng bề dày của vật để đảm bảo chỉ trong một phép chụp cho hình ảnh đạt yêu cầu các tiêu chuẩn NDT Bộ điều khiển được xây dựng dựa trên cơ

sở của hệ thống gồm vi điều khiển, các khóa điện tử và bộ hiển thị kết nối để điều khiển hệ cơ khí Bước đầu đề tài đã ứng dụng chụp ảnh bức xạ cho mẫu vật

có bề dày thay đổi tuyến tính và đã đạt được kết quả khả quan

Đề tài bao gồm các nội dung chính sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp ảnh bức xạ

- Tìm hiểu các khó khăn của kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên các mẫu vật có

bề dày không đồng nhất và đặt ra vấn đề cần nghiên cứu

- Giải quyết vấn đề

- Kiểm nghiệm khả năng ứng dụng thực tế và đưa ra một số kết quả

Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Th.S Lê Văn Miễn đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện nghiên cứu và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án

Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã hết lòng giảng dạy, quan tâm, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà Nội 06/2011

Chương 1 : Cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp ảnh

bức xạ

1.1Khái niệm phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT)

Phương pháp chụp ảnh bức xạ là một phương pháp được dùng để xác định khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau

Một phim chụp ảnh bức xạ thích hợp được đặt phía sau vật cần kiểm tra và được chiếu bởi một chùm tia X hoặc tia gamma khi đi qua vật thể bị thay đổi tùytheo cấu trúc bên trong của vật thể và như vậy sau khi rửa phim đã chụp sẽ hiện

ra hình ảnh bóng, đó là ảnh chụp bức xạ của sản phẩm Sau đó phim được giải đoán để có được những thông tin về khuyết tật bên trong sản phẩm

Phương pháp này được dùng rộng rãi cho tất cả các loại sản phẩm như vật rèn, đúc và hàn

 Một số ưu điểm của phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ:

 Có thể được dùng để kiểm tra những vật liệu có diện tích lớn chỉ trong một lần chụp

 Hữu hiệu đối với tất cả các vật liệu

 Có thể được dùng để kiểm tra sự sai hỏng bên trong cấu trúc vật liệu, sự lắp ráp sai các chi tiết, sự lệch hàng

 Cho kết quả kiểm tra lưu trữ được lâu

 Có các thiết bị để kiểm tra chất lượng phim bức xạ

 Quá trình giải đoán phim được thực hiện trong những điều kiện rất tiện nghi.

 Những hạn chế của phương pháp này:

 Chùm bức xạ tia X hoặc gamma gây nguy hiểm cho sức khỏe con người

 Không thể phát hiện được các khuyết tật dạng phẳng một cách dễ dàng

 Cần phải tiếp xúc được cả 2 mặt của vật thể kiểm tra

 Bị giới hạn về bề dày kiểm tra

 Có một số vị trí trong một số chi tiết không thể chụp được do cấu tạo hìnhhọc

 Độ nhạy kiểm tra giảm theo bề dày của vật thể kiểm tra

 Phương pháp này rất đắt tiền

 Không dễ tự động hóa

 Người thực hiện phương pháp này cần có nhiều kinh nghiệm trong việc giải đoán ảnh chụp trên phim

1.2 Cơ sở vật lý của phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT) [1]

Mục đích của chụp ảnh bức xạ tia X là chỉ ra sự hiện diện và loại khuyết tật bên trong của vật liệu cần kiểm tra Kỹ thuật chụp ảnh này nhằm tận dụng khả năng của tia X hoặc gamma với bước sóng cực ngắn khi đi vào các vật thể

Bước sóng càng ngắn thì khả năng xuyên thấu càng lớn Không phải tất cả cáctia bức xạ đều xuyên qua vật liệu mà một phần bị hấp thụ bởi chính vật liệu đó Lượng bị hấp thụ là một hàm theo mật độ hay chiều dày của mỗi loại vật liệu:

I = Ioe(-µx) (1.1)

Trong đó:

I : Cường độ của bức xạ tia X hoặc gamma tới

I: Cường độ của bức xạ tia X hoặc tia gamma truyền qua vật liệu có bề dày là

x và có hệ số hấp thụ là µ

Hình 1.1: Quá trình chụp ảnh bức xạ Nếu có khuyết tật rỗng hay tính không liên tục của vật liệu thì cần chùm tia bức xạ nhỏ hơn chùm tia khi xuyên qua vật liệu rắn đồng nhất Do vậy có sự khác nhau của các bức xạ bị hấp thụ giữa chỗ có và không có khuyết tật

Nếu ghi nhận hiện tượng trên bằng phim tia X hay gamma sẽ cho ta một ảnh chỉ ra có hay không sự hiện diện của khuyết tật Ảnh này có bóng tối tạo bởi tia

X hay gamma khác nhau giữa chỗ có và không có khuyết tật

Như vậy, chụp ảnh bức xạ có độ nhạy dựa vào nguyên lý hấp thụ của bức xạ khi đi qua vật liệu Sự khác nhau của các vùng hấp thụ được dịch ra các thông tin liên quan đến cấu trúc bên trong của vật liệu

Về bản chất cơ bản hệ chụp ảnh gồm: nguồn phóng xạ, vật thể cần kiểm tra,

bộ phận ghi là phim cùng hệ thống xử lý và đọc phim

1.3 Nguồn bức xạ và đặc trưng của tia X và tia gamma [1]

1.3.1 Nguồn tia X

Hình 1.2: Cấu tạo ống phát tia XNguồn phát tia X dùng cho chụp ảnh công nghiệp là ống phát tia X Ống phát tia X kinh điển là một ống thủy tinh chân không chứa điện cực dương anode và điện cực âm cathode Cathode bao gồm các sợi dây tóc được đốt nóng bởi dòng điện cỡ vài ampe để phát ra các điện tử Dưới tác dụng của điện trường giữa anode và cathode các điện tử từ cathode sẽ chạy về anode Dòng điện tử này được tập trung thành một chùm bởi một ống hình trụ và chén hội tụ Bia là một miếng lót kim loại hàn điểm cắm vào anode ở chỗ mà chùm điện tử đập vào Sự

va đập này sẽ làm bia phát ra tia X

Về bản chất, phần diện tích của bia bị va đập bởi thông lượng electron phải đủrộng để tránh bị đốt nóng cục bộ gây nguy hiểm và cho phép tản nhiệt nhanh

1.3.2 Các nguồn gamma

Khác với máy phát tia X phát một dải rộng độ dài sóng, nguồn gamma chỉ phát ra một hoặc vài vạch riêng biệt Nguồn gamma có thuận lợi là dễ chế tạo,

có kết cấu chắc chắn và không phụ thuộc vào năng lượng bên ngoài Dễ dàng kiểm tra các đường ống, các thiết bị có áp suất có lối vào bên trong khó khăn.Các tia gamma là bức xạ điện từ phát ra từ những hạt nhân không bền, mỗi đồng vị có mức năng lượng hạt nhân đặc trưng riêng cũng như cường độ bức xạ phát ra khác nhau Các mức năng lượng gamma là hằng số đối với từng loại riêng nhưng cường độ phân rã giảm theo thời gian và được đặc trưng bởi thời gian bán rã Do vậy chỉ một số ít các đồng vị phóng xạ được sản xuất từ các lò phản ứng hạt nhân được lựa chọn dùng cho mục đích chụp ảnh phóng xạ vì sự đáp ứng thỏa đáng của các thông số : thời gian sống, hoạt độ và giá thành có thể chấp nhận được …

Bốn loại nguồn dùng trong chụp ảnh phóng xạ thông dụng nhất là Co-60,

Ir-192, Cs-137 và Th-170 Tất cả các đồng vị trên đều được sản xuất bằng phản ứng (n,gamma) ngoại trừ Cs-137 sinh ra từ các sản phẩm phân hạch của nhiên liệu trong lò phản ứng bị chiếu xạ Co-60 và Ir-192 thường có hoạt độ riêng cao nên nguồn có kích thước nhỏ cũng cho ra hoạt độ bức xạ cần thiết cho mục đích

sử dụng

1.3.3 Các đặc trưng của bức xạ tia X và tia gamma

Bức xạ tia X là dạng bức xạ điện từ giống như ánh sáng Giữa tia X và ánh sáng thường chỉ khác nhau về bước sóng Trong kiểm tra vật liệu bằng chụp ảnh bức xạ thường sử dụng bức xạ tia X có bước sóng từ 10-4 A0 đến 10 A0

(1 A0 = 10-10 m) Tần số dao động riêng f, bước sóng xác định tính chất đặctrưng của bức xạ lan truyền trong không gian λ với tốc độ ánh sáng c liên hệ với nhau theo :

Khi giảm bước sóng λ năng lượng bức xạ E tăng lên Do vậy tính chất hạt trội hơn tính chất sóng nên khả năng đâm xuyên mạnh hơn

Bức xạ tia X và gamma là bức xạ điện từ giống như ánh sáng, nên có những tính chất giống nhau như :

 Khi bức xạ tia X hay gamma chiếu qua không nhìn thấy được

 Không thể cảm nhận được bằng giác quan của con người

 Chúng gây nguy hại cho tế bào sống

 Chúng truyền với một vận tốc bằng với vận tốc ánh sáng

 Chúng làm cho các chất phát huỳnh quang Các chất phát huỳnh quang

đó là kẽm sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium, thallum được kích hoạt natri iodide

 Chúng gây sự ion hoá, chúng có thể tách các electron ra khỏi các nguyên tử khí để tạo các ion dương, ion âm

 Chúng tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách

Đó là, cường độ bức xạ tia X hoặc gamma tại một điểm bất kỳ nào đó tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn đến điểm đó:

với I: cường độ bức xạ, r : khoảng cách

 Chúng truyền theo một đường thẳng, là dạng sóng điện từ nên có thể bịphản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ

 Chúng có thể xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể xuyên qua được Độ xuyên sâu phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ, mật độ, chiều dày của vật liệu

 Chúng tác động lên lớp nhũ tương phim

1.3.4 Tương tác của bức xạ tia X và gamma với vật chất

Khi một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma đi qua vật chất thì có một số tia được truyền qua, một số tia bị hấp thụ và một số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau Bốn loại tương tác chính đóng vai trò quan trọng đối với chụp ảnh bức xạ Đó là:

1.4 Phim và các đặc trưng của phim [1]

1.4.1 Cấu tạo của phim chụp ảnh bức xạ

Hình 1.3: Cấu tạo phim ảnh

1 – lớp nền 3 – lớp bảo vệ

2 – lớp nhũ tương 4 – lớp kết dínhPhim là một công cụ thường được dùng để thu và ghi nhận bức xạ tia X hoặc gamma khi chụp ảnh Ghi nhận bằng phim có kết quả cố định và lưu giữ được lâu dài Phim chụp ảnh thường gồm các lớp sau:

 Lớp nền nằm ở giữa gọi là nền phim, dẻo, dễ uốn, trong suốt bằng chất cellulose sạch hoặc chất tương tự

 Lớp glatin là một hỗn hợp chất glatine và chất kết dính, để đảm bảo lớp nhũ tương mỏng dính chặt vào lớp nền trong quá trình xử lý tráng rửa phim

 Lớp nhũ tương bao gồm một số lượng lớn các hạt bromua bạc nhỏ li ti (muối bạc halogen) dày khoảng 0.025 mm được phủ lên môi trường nền là lớp glatin Muối bạc halogen được phân bố đều trong lớp nhũ tương dưới dạng tinh thể rất mịn và cấu trúc vật lý của nó sẽ bị biến đổi với các quá trình chiếu xạ, như bức xạ tia X, tia gamma hoặc ánh sáng nhìn thấy Lớp nhũ tương là lớp quan trong nhất của phim do nó nhạy với bức xạ tia X, tia gamma, ánh sáng, nhiệt độ, áp suất và một số chất hóa học khác

 Lớp phủ (bảo vệ) ngoài cùng của phim là một lớp mỏng glatin sạch được làm cứng để bảo vệ cho lớp nhũ tương nằm bên dưới khỏi bị xước (hư hỏng) trong quá trình cầm nắm bình thường

1.4.2 Các đặc trưng của phim chụp ảnh bức xạ

Việc lựa chọn phim dựa vào các yêu cầu cụ thể nhằm kết hợp một cách có hiệu quả giữa phương pháp chụp với loại phim để nhận được kết quả mong muốn

Mỗi loại phim được thiết kế để đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật nhất định và chúng được chỉ định bởi các tình huống kiểm tra như : (a) mẫu vật kiểm tra, (b) loại bức xạ được sử dụng, (c) năng lượng của bức xạ, ( d) cường độ của bức xạ và (e) mức độ kiểm tra yêu cầu

Những hệ số phim phải xét đến khi lựa chọn phim đó là : Tốc độ, độ tương phản, kích thước và độ hạt Cả bốn hệ số này có liên quan chặt chẽ với nhau, mỗi hệ số là một hàm của ba hệ số còn lại

Bảng 1.1 : Phân loại phim chụp ảnh bức xạ

hạt

ĐộtươngphảnLOẠI I:

Dùng cho quá trình kiểm tra với điện thế

cao và các kim loại nhẹ cùng với hợp kim

của nó

Rấtchậm

Cực kỳmịn

Cao

LOẠI II:

Dùng kiểm tra các vật liệu kim loại nhẹ ở

dải điện thế thấp và các chi tiết thép nặng

hơn ở điện thế 1000 và 2000 kV

LOẠI III:

Khi sử dụng nguồn tia X hoặc gamma có

khả năng cho tốc độ cao, nhưng màn tăng

cường có thể hoặc không phải là chì

Trungbình

Trungbình

Trungbình

LOẠI IV:

Có khả năng cho tốc độ, độ tương phản cao

khi sử dụng với màn tăng cường huỳnh

quang, và thấp hơn khi được sử dụng trực

tiếp hoặc cùng với màn tăng cường bằng chì

bình

Trungbình

Ví dụ : Những loại phim có kích thước hạt lớn thì tốc độ cao hơn so với

phim có kích thước hạt mịn hơn Những loại phim có độ tương phản cao

thường có kích thước hạt mịn hơn và có tốc độ chậm hơn với những loại phim có độ tương phản thấp Độ hạt có ảnh hưởng tới độ xác định chi tiết hình ảnh Đối với các loại phim có cùng độ tương phản thì phim có kích thước hạt nhỏ hơn sẽ có khả năng phân giải chi tiết hơn loại phim có kích thước hạt lớn hơn

Chú ý rằng, mỗi loại bức xạ cần những loại nhũ tương khác nhau Bảng 1.1 đưa ra các loại phim dùng cho tia X và gamma với tốc độ và độ tương phản tương đối chỉ áp dụng cho phép chụp trực tiếp hoặc có màn chì

1.4.2.1 Độ đen

Về định tính, độ đen là mức độ làm đen một ảnh chụp bức xạ sau khi xử lýtráng rửa phim Độ đen của ảnh chụp bức xạ càng lớn khi ảnh chụp bức xạ càng đen

Về định lượng, độ đen được định nghĩa theo biểu thức:

Độ đen: D = log10 (1.4)

Trong đó :

I0 : Là cường độ bức xạ tới trên phim

It : Là cường độ sau khi truyền qua phim

I0/It : Là độ chắn sáng của phim It/I0 : Là độ truyền qua của phim

Biểu thức trên cũng cho thấy rõ mối quan hệ giữa độ chắn sáng hoặc

độ truyền qua và độ đen của phim

Độ đen của ảnh chụp bức xạ có thể đo được bằng cách so sánh với một tấm phim chuẩn (thang đo độ đen) hoặc dùng thiết bị gọi là máy đo độ đen

Dùng thang đo độ đen kiểm tra thì chính xác nhưng không được cao, và

có khả năng gây sai số ảnh hưởng đến kết quả nhận được vì ta dùng bằng mắt

để so sánh hai phim

Ví dụ : Đối với một tấm ảnh bức xạ kích thước lớn, có vùng kiểm tra nằm

ở giữa, ta không thể đặt tấm phim chuẩn sát vùng đó được, nó sẽ chồng lên những vùng khác trong tấm ảnh, làm phim bị dính lại, vì vậy kết quả so sánh không chính xác Tuy nhiên, sử dụng tấm phim chuẩn trong trường hợp không thể dùng máy đo độ đen

Hình 1.4: Hình ảnh về máy đo độ đen(1), (4a), (4b) : Máy đo độ đen, (2): Đồng hồ đo thời gian, ( 3): Đèn soi

phim

1.4.2.2 Đường cong đặc trưng

Đường cong đặc trưng còn gọi là đường cong độ nhạy, để thể hiện mối

tương quan giữa liều chiếu và độ đen của phim sau khi xử lý tráng rửa Ta chiếu một số liều chiếu cụ thể lên phim, xác định giá trị độ đen của nó, rồi vẽ đường cong độ đen theo thang logarit của liều chiếu tương đối Dùng liều chiếu tương đối để phù hợp với các dải điện thế và các điều kiện tán xạ Đặc điểm của đường cong đặc trưng không xuất phát từ giá trị 0, do khi không bị

chiếu thì phim đã có một giá trị độ đen nào đó nếu xử lý tráng rửa Đường cong có một khoảng gần như đường thẳng Độ đen tăng theo liều chiếu, đến một giới hạn nào đó, liều chiếu vẫn tiếp tục tăng, còn độ đen lại giảm dần, vùng này gọi là vùng vai (vùng trên cùng) Đối với loại phim trực tiếp thì vùng này xuất hiện ở độ đen khoảng 10 hoặc lớn hơn, đối với loại phim dùng màn tăng cường thì vùng này xuất hiện ở độ đen nằm trong khoảng 2 – 3.

Hình 1.5a: Đường cong đặc trưng điển hình của một phim tia X, loại trực tiếp

Hình 1.5b: Đường cong đặc trưng điển hình của một phim tia X, màn tăngcường bằng muối

1.4.2.3 Độ mờ

Khi phim không bị chiếu vẫn có một độ đen nào đó sau khi xử lý tráng rửa phim được gọi là độ mờ Nó gây bởi hai nguyên nhân : Độ đen có sẵn tronglớp nền của phim vì lớp nền của phim không trong suất hoàn toàn, và độ mờ hóa học do một số hạt có khả năng tự hiện ảnh ngay cả khi không bị chiếu Độ

mờ của phim biến đổi theo loại và tuổi của phim chụp ảnh bức xạ Các giá trị

độ mờ nằm trong khoảng từ 0.2 đến 0.3

1.4.2.4 Tốc độ phim

Là nghịch đảo của liều chiếu toàn phần tính bằng roenghen, của một phổ bức xạ đặc trưng mà có thể tạo ra một độ đen cho trước trên phim Tốc độ phimtrong một điều kiện bình thường phụ thuộc vào kích thước hạt và năng lượng bức xạ Nhìn chung, phim có kích thước hạt càng lớn thì có tốc độ càng cao Tốc độ phim giảm xuống khi năng lượng bức xạ tăng lên Phim có tốc độ cao

là phim mà các hạt của nó bắt đầu tham gia vào phản ứng khi bị chiếu xạ sớm hơn những phim khác Sự thực là sự chiếu xạ có tác dụng theo thời gian và cường độ Đối với cường độ không đổi, các hạt của phim có tốc độ cao sẽ cho

ra mật độ yêu cầu sớm hơn phim có tốc độ thấp Và nữa, phim có tốc độ nhanh hơn thì có số hạt nhũ lớn hơn và do vậy nó không thể sản ra các chi tiết nhỏ Kích thước hạt của phim ảnh hưởng đến chất lượng và thời gian chiếu phim có các hạt cực mịn hoặc mịn cho chất lượng tốt hơn và cần thời gian chiếu dài hơn

Hình 1.6a: Các đường cong đặc trưng của ba loại phim tiêu biểu, dùng trong công nghiệp

Hình 1.6b: Đường cong đặc trưng điển hình cho phim tia X loại trực tiếpTrong (hình 2.5 ) biểu diễn đường cong đặc trưng cho những loại phim chụp

ảnh bức xạ khác nhau, nằm cách nhau theo trục LgX Khoảng cách của những đường cong này chỉ ra sự khác biệt về tốc độ tương đối – đường cong của các loại phim có tốc độ nhanh hơn nằm về phía bên trái Từ những đường cong này

sẽ cho ra giá trị độ đen cố định có thể đọc được

thời gian chiếu trên phim A ít hơn phim B, nên độ đen của phim B lớn hơn phim A, do đó ảnh chụp bức xạ trên phim B có độ tương phản lớn hơn ảnh chụp bức xạ trên phim A.

Vậy khi chụp ảnh bức xạ nên chọn các giá trị độ đen nằm trên phần đường thẳng tuyến tính của đường cong đặc trưng, vì độ tương phản của phim tăng khi độ đen tăng dần theo phần đường thẳng tuyến tính đó

1.4.2.6 Độ nét

Độ nét của hình ảnh ghi nhận được trên phim sẽ phụ thuộc vào kích thước và

sự liên kết của các hạt bạc được thể hiện trong lớp nhũ tương Các hạt nhỏ mịn thì độ nét trên phim ảnh được thể hiện rõ ràng hơn

Khi một hình ảnh được tạo ra bởi ánh sáng và các dạng bức xạ khác như tia gamma hay tia X, các tính chất của hai loại bức xạ sau cùng là đặc trưng khác biệt và do đó lớp nhũ tương của phim sử dụng với các loại bức xạ này khác hẳn với lớp nhũ tương của phim được sử dụng với các loại bức xạ khác trong chụp ảnh bức xạ Tất cả các loại phim chụp ảnh bức xạ có thể được phân nhóm dựa trên bốn hệ số đã được trình bày ở trên

1.4.3 Nguyên lý tạo ảnh trên phim

Khi tia X hoặc gamma chiếu đến phim sẽ làm thay đổi độ đen của phim, nên

độ đen của phim phụ thuộc vào số lượng, chất lượng của chúng

Khi bức xạ đi đến tương tác với nhũ tương chụp ảnh của phim sẽ tạo ra một ảnh ảo Quá trình này xảy ra theo các bước sau:

 Lớp nhũ tương của phim chứa những tinh thể bạc bromua nhỏ li ti Dưới tương tác của tia X hoặc gamma có năng lượng hv thì giải phóng một electron của một ion âm bromua (Br - ) để trở về trạng thái trung hòa

Br - + hv  Br + e- (1.5)

 Electron được giải phóng trung hòa ion dương bạc ( Ag +) để trở thành nguyên tử Ag bằng phản ứng:

1.4.4 Màn tăng cường

Khi bức xạ tia X tác động lên phim thì ảnh chụp phụ thuộc vào độ lớn của năng lượng bức xạ bị hấp thụ bởi lớp nhũ tương nhạy sáng trên phim Quá trìnhnày chỉ cần khoảng 1% lượng bức xạ xuyên qua vật kiểm tra để tạo ảnh Còn lại 99% lượng bức xạ sẽ xuyên qua phim mà không dùng để làm gì cả Để tránh sự lãng phí này thì phim phải được kẹp giữa hai màn tăng cường Những màn tăng cường này có chức năng là phát ra các chùm electron (màn tăng cường bằng chì) hoặc phát huỳnh quang (màn tăng cường huỳnh quang), sẽ tạo

ra một quá trình chụp ảnh phụ tác động lên các lớp nhũ tương của phim

Để nhận được những hình ảnh rõ nét thì phim và màn tăng cường cần phải có

sự tiếp xúc tốt Có ba loại màn tăng cường chính được sử dụng phổ biến : Màn tăng cường bằng lá chì, màn tăng cường bằng muối hoặc huỳnh quang, màn tăng cường bằng kim loại huỳnh quang

1.5 Tính toán các thông số chiếu

1.5.1 Tính toán các thông số chiếu chụp

 Bố trí hình học trong ảnh chụp bức xạ:

S(d) – nguồn bức xạ có kích thước hiệu dụng là d

f – khoảng cách từ nguồn đến mẫu kiểm tra

t - bề dày của mẫu kiểm tra

A, B – các điểm đánh dấu khoảng chụp

Mẫu

Phim Nguôn tia X

Dựa vào công thức tính độ nhòe hình học (Ug)

(1.8)

Trong đó: S – kích thước hiệu dụng của nguồn chụp

d – khoảng cách từ mẫu đến phim

Ug – độ nhòe hình học (Ug = 0,5mm)

Khoảng cách nhỏ nhất từ nguồn đến phim (SFD) được tính theo độ nhòe hình học U ≤ 0,5mm, đó là giới hạn mà mắt người không phân giải được hai điểm khác nhau Khoảng cách nhỏ nhất từ nguồn đến phim được xác định theo công thức:

Nếu khoảng cách từ phim đến mẫu chụp chưa biết thì có thể lấy bằng một nửa

bề dày của mẫu chụp d=T/2

SFDmin = (S+0,5)T (1.10)

Thông thường để giảm độ nhòe hình học thì ta thường chụp với khoảng cách

xa hơn so khoảng cách SFDmin tính được

1.5.3 Thời gian chụp:

Thời gian chụp là một đại lượng cần quan tâm và khống chế chặt chẽ vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phim chụp Nếu thời tian chụp quá lâu thì phim sẽ bị đen, thời gian quá ngắn thì phim chưa đủ độ tương phản để quan sát.Đối với máy chụp tia X thời gian chiếu được xác định là:

1.6.1 Độ nhạy phát hiện khuyết tật

Một cách định lượng thì độ nhạy của quá trình phát hiện khuyết tật Sf có thể được xác định qua công thức:

Sf = x 100 (1.12)

1.6.2 Độ nhạy của ảnh chụp bức xạ

Độ nhạy của một ảnh chụp bức xạ là một chỉ thị gián tiếp chỉ khả năng phát hiện ra các khuyết tật của nó hoặc sự thay đổi bề dày trong mẫu vật được kiểm tra Do đó, nó đo được chất lượng ảnh chụp bức xạ Độ nhạy được biễu diễn

bằng tổng số lượng về các biến đổi nhỏ nhất có thể phát hiện trong mẫu, theo tỷ

lệ phần trăm của bề dày tổng cộng:

1.7 Vật chỉ thị chất lượng ảnh (IQI)

Độ nhạy của ảnh chụp bức xạ thường được đo dưới dạng một số chuẩn nhân tạo mà không cần phải thật giống với một khuyết tật nằm bên trong mẫu vật Vì vậy có hai phương pháp được sử dụng phổ biến là:

 Xác định độ nhạy về mặt khả năng phát hiện được một dây bằng vật liệu giống như vật liệu của mẫu kiểm tra, khi dây được đặt trên bề mặt mẫu cách xa phim Đường kính của dây nhỏ nhất có thể phát hiện được, xem như là độ nhạy đánh giá Những dụng cụ này là những bộ dây có đường kính khác nhau

Bảng 1.2: Đường kính của các dây trong bộ IQI loại dây [1]

Chương 2 :Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển

đã dùng các phương pháp sau để khắc phục khó khăn trên:

 Phương pháp làm giảm độ tương phản của ảnh chụp bức xạ bằng cách sử dụng:

 Bức xạ tia X có cao áp lớn hay bức xạ tia gamma có năng lượng cao

 Các bộ lọc nằm giữa ống phát bức xạ tia X và mẫu vật kiểm tra

 Phim có độ tương phản thấp

 Hạn chế: Phương pháp làm giảm độ tương phản có hiệu quả không cao, chỉ giải quyết được các bề dày chênh lệch nhỏ

 Phương pháp thêm lớp vật liệu không khuyết tật ( dùng nêm thật ) :

Trường hợp vật kiểm tra có một số các bề dày, đặc biệt là hình học, sự khácnhau về bề dày được bù bằng cách thêm một vật liệu không khuyết tật Để đưa

về đồng nhất việc chiếu chụp sẽ dựa vào bề dày cực đại

Phương pháp này dựa trên việc xem xét độ đen tối ưu cho tất cả các bề dày được kể đến

 Hạn chế: Phương pháp thêm lớp vật liệu không khuyết tật có thể giải quyết triệt để vấn đề nhưng với mỗi một vật kiểm tra lại phải chế tạo một nêm rất mất thời gian, tốn kém và không khả thi khi làm thực tế ngoài công trường

Hình 2.1: Phương pháp dùng nêm thật.

 Phương pháp dùng nhiều phim:

Một sự kết hợp các phim có tốc độ khác nhau có thể được sử dụng để chụp mẫu vật có bề dày không đồng nhất Phần dày được ghi bởi phim nhanh, phần mỏng được ghi bởi phim chậm, phần dày trung bình được ghi bởi phim trung bình

 Hạn chế: Phương pháp dùng nhiều phim mang tính tương đối và tốn kém

vì phải dùng nhiều phim khác nhau cho một vật kiểm tra

S

Nêm Mẫu

Phim

Hình 2.2: Phương pháp dùng nhiều phim

 Phương pháp chụp nhiều lần trên 1 phim:

Phương pháp này là phương pháp chia nhỏ tương đối Nếu độ chênh lệch

bề dày của vật kiểm là không lớn ta chia vật kiểm ra các khoảng nhỏ có bề dày chênh lệch ít cho phép chụp trong một lần chụp

VD: dùng vật mẫu làm bằng thép có kích thước dài x rộng = 200 x 100 mm,

bề dày nhỏ nhất là 6 mm, bề dày lớn nhất là 30 mm Chia vật kiểm tra ra 5

khoảng nhỏ mỗi khoảng cách nhau 5 mm rồi dùng bút đánh dấu lại (các khoảng

từ 30-25, 25-20, 20-15, 15-10, 10-6) Sau đấy với mỗi khoảng, chúng ta tính toán liều chiếu, cao áp Khi chụp chỉ chụp từng khoảng một, các khoảng khác được che bởi chì không cho tia X đi qua

 Hạn chế: Phương pháp chụp nhiều lần trên 1 phim chỉ mang tính tương đối và không áp dụng được cho tất cả các vật liệu không đồng nhất khác nhau, đồng thời cũng tốn kém về thời gian để có một ảnh chụp bức xạ đầy đủ

Hình 2.3: Phương pháp chụp nhiều lần trên 1 phim

 Phương pháp dùng nêm chì:

Một phương pháp nữa để giải quyết vấn đề này là dùng nêm chì gắn vào ống phát tia X Bề dày của nêm chì sẽ được tính toán sao cho cường độ tia X khi xuyên qua nêm là tuyến tính và phần dày nhất của nêm nằm cùng chiều với phầnmỏng nhất của vật kiểm tra

Hình 2.4: Phương pháp dùng nêm chì

Từ cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm thu được ta thấy bằng phương pháp dùng nêm chì làm vật liệu che chắn khi tiến hành chiếu chụp vật liệu có bề dày không đồng nhất có thể giải quyết sự chênh lệch về bề dày là 30 mm Các bềdày từ 10 mm đến 40 mm,từ 15mm đến 45mm,từ 20mm đến 50mm đều cho kết quả đạt yêu cầu khi dùng nêm chì Độ đen, độ nhạy thu được trên phim đảm bảo tiêu chuẩn để đánh giá

 Hạn chế: Phương pháp này tuy khá hiệu quả nhưng không phù hợp với trường hợp phải chụp nhiều mẫu khác nhau, vì mỗi mẫu chụp khác nhau lại phảithiết kế một nêm chì tương ứng, gây mất thời gian, tốn kém và không khả thi khilàm thực tế ngoài công trường

S

Mẫu

Phim

Nêm

2.1.2 Hướng nghiên cứu của đề tài

Tận dụng ưu điểm và khắc phục hạn chế của các phương pháp trên, ta đưa ra hướng nghiên cứu mới đó là sử dụng nêm ảo, dựa trên nguyên lý của phương pháp dùng nêm chì hoặc chụp nhiều lần trên 1 phim Ta tính toán bề dày và và thời gian chiếu phù hợp sau đó khống chế cho tia X chiếu xuống vật kiểm theo thời gian khác nhau, như vậy mỗi phần trên mẫu vật có bề dày không đồng nhất cần chụp sẽ được nhận liều chiếu thích hợp tùy theo bề dày của chúng Bước đầu đề tài nghiên cứu áp dụng cho các mẫu vật có bề dày thay đổi tuyến tính.Phương pháp dùng nêm ảo được minh họa như trên Hình 2.5 Với I0 là cường

độ chùm tia bức xạ từ nguồn, D1 và D2 là liều chiều tương ứng ở phần dày nhất

và mỏng nhất sau khi đi qua nêm (D1>>D2) D được xác định theo công thức:

D = I x t (2.1)

với I là cường độ chùm tia bức xạ tới mẫu vật và t là thời gian chiếu

Hình 2.5: Phương pháp dùng nêm ảoNguyên lý của phương pháp dùng nêm chì là để thay đổi liều chiếu (D) thì giữ nguyên thời gian chiếu (t) và thay đổi cường độ chùm tia bức xạ tới (I) Còn nguyên lý của phương pháp dùng nêm ảo là để thay đổi liều chiếu (D) thì giữ nguyên cường độ chùm tia bức xạ tới (I) và thay đổi thời gian chiếu (t).

2.2 Giải quyết vấn đề

2.2.1 Xây dựng phương pháp chụp

Phương pháp chúng ta sử dụng ở đây để tạo nên một chiếc nêm ảo, tức là dùng một cửa sổ chì lắp thêm vào để điều khiển tốc độ, thời gian đóng mở và phát chùm tia của máy phát Bắt đầu từ phần dày nhất của vật cho đến phần mỏng nhất, ngay khi bắt đầy quá trình chụp, cửa sổ sẽ dần dần được mở ra theo một tốc độ nhất định cho đến lúc được mở hết, như vậy là mỗi phần dày mỏng

khác nhau sẽ được nhận liều chiếu thích hợp, nhiều ít khác nhau Phần dày nhận được liều chiếu nhiều nhất do thời gian chiếu nhiều nhất, sau đó sẽ giảm dần, các phần mỏng sẽ nhận liều thấp do thời gian chiếu ít.

Hình 2.6: Phương pháp để tạo nên nêm ảoVận tốc mở của cửa sổ được tính theo công thức:

Ở đây:

tmax: thời gian cần chiếu cho bề dày lớn nhất

tmin: thời gian cần chiếu cho bề dày mỏng nhất

d1: quãng đường để chạy từ điểm dày nhất đến điểm mỏng nhất chiếu lên cửa sổ

Bộ điều khiển ở đây sẽ được thiết kế dựa trên hệ thống mạch điện tử, gồm có

vi điều khiển ( AT89C51), các phím điều khiển, khóa điện tử công suất

(transistor) và bộ hiển thị (led 7 thanh đôi) Mạch này sẽ được dùng để điều khiển động cơ lắp trong bộ cơ khí gắn với cửa sổ bằng chì được lắp vào máy phát

2.2.2 Tìm hiểu vi điều khiển 89C51

2.2.2.1 Họ vi điều khiển 8051

Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biến thể được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kể đến các nhà sản xuất lớn trong lĩnh vực bán dẫn như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit Do đó, bộ điều khiển sẽ dùng vi điều khiển 89C51 do tính thông dụng cũng như các đặc tính của nó

Hình 2.7: Cấu trúc 89C51 dạng sơ đồ khối tổng quát

2.2.2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển 89C51 [4]

Hình 2.8: Sơ đồ chân vi điều khiển 89C51