luận văn tốt nghiệp công nghệ hạt nhân 2011

Phân biệt chụp ảnh thường và chụp ảnh số. Trên thế giới, việc áp dụng và phát triển các kỹ thuật bức xạ ngày càng nhiều và ở quy mô lớn, một trong số các phương pháp được sử dụng nhiều nhất đó là chụp ảnh bức xạ. Đã từ lâu chụp ảnh bức xạ với vật ghi nhận là phim đã được sử dụng trong công nghiệp để kiểm tra khuyết tật mối hàn, tính ăn mòn hay bất liên tục của vật liệu… Tuy nhiên phương pháp trên cũng đã bộc lộ khá nhiều nhược điểm (ví dụ như phải có buồng tối với những điều kiện bị khống chế về nhiệt độ và độ ẩm để thao tác với phim, nơi pha chế thuốc rửa phim, phải có nguồn nước sạch…) nên vào năm 1981 hãng Fuji của Nhật đã cho ra đời dòng máy CR (computed radiography) đầu tiên, đánh dấu việc con người sử dụng tấm IP (image plate) thay thế phim để ghi nhận hình ảnh. Thông tin thu từ tấm IP sẽ được xử lý, lưu trữ bằng máy vi tính. Từ khi ra đời, phương pháp chụp ảnh số đã được nhiều người đón nhận. Tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có một tài liệu nào đầy đủ và chính xác để khẳng định phương pháp chụp ảnh số có ưu điểm hơn hay thay thế được chụp ảnh thông thường. Luận văn này với mục đích chỉ ra những ưu nhược điểm của mỗi phương pháp để chúng ta có suy nghĩ và quyết định đúng đắn hơn về vấn đề này.

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu 2

Chương 1 - TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NDT 6

1.1 Tổng quan về các phương pháp NDT 6

1.2 Tầm quan trọng của phương pháp NDT 8

Chương 2 - TỔNG QUAN CHỤP ẢNH BỨC XẠ 9

2.1 Nguyên lý chụp ảnh bức xạ 9

2.1.1 Tương tác của bức xạ tia X, tia gamma với vật chất 9

2.1.2 Nguyên lý chụp ảnh bức xạ 11

2.2 Nguồn bức xạ trong chụp ảnh 12

2.2.1 Máy phát tia X 12

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 12

2.2.1.2 Các đặc trưng khi chụp ảnh bằng máy phát tia X 13

2.2.1.3 Một số dạng máy phát tia X 14

2.2.2 Thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ 15

2.2.2.1 Các loại đồng vị phóng xạ trong chụp ảnh 15

2.2.2.2 Cấu tạo thiết bị và nguyên lý hoạt động 15

2.2.2.3 Các đặc trưng khi chụp ảnh bằng nguồn phóng xạ 16

2.2.2.4 Một số loại thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ 17

2.3 An toàn bức xạ 17

2.3.1 Các quy định pháp luật và tiêu chuẩn về an toàn bức xạ 17

2.3.2 Các biện pháp làm giảm liều chiếu 18

2.4 Thiết bị ghi nhận trong chụp ảnh bức xạ 18

2.4.1 Phim chụp ảnh bức xạ 18

2.4.1.1 Cấu tạo 18

2.4.1.2 Nguyên lý ghi nhận ảnh của phim chụp ảnh bức xạ 19

2.4.1.3 Các đặc trưng của phim và ảnh chụp 20

2.4.1.4 Các phụ kiện đi kèm 22

2.4.1.5 Xử lý phim chụp ảnh bức xạ 23

2.4.2 Tấm ghi nhận hình ảnh trong chụp ảnh kỹ thuật số CR 24

2.4.2.1 Cấu tạo 24

2.4.2.2 Nguyên lý ghi nhận ảnh của tấm IP 25

2.4.2.3 Các đặc trưng của tấm IP và ảnh chụp 27

2.4.2.4 Các phụ kiện đi kèm 28

2.4.2.5 Hệ thống quét ảnh kỹ thuật số CR 29

Chương 3 - CHỤP ẢNH BỨC XẠ SỬ DỤNG PHIM 31

3.1 Quy trình thực hiện 31

3.1.1 Yêu cầu về trang thiết bị 31

3.1.2 Các bước tiến hành 31

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chụp 31

3.2.1 Độ tương phản 31

3.2.2 Độ nhòe ảnh chụp 32

3.3 Thông số đánh giá chất lượng ảnh chụp bằng phim 33

Chương 4 - CHỤP ẢNH KĨ THUẬT SỐ SỬ DỤNG TẤM IP 35

4.1 Quy trình thực hiện 35

4.1.1 Yêu cầu về trang thiết bị 35

4.1.2 Các bước tiến hành 35

4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chụp trên tấm IP 35

4.2.1 Độ tương phản 35

4.2.2 Độ nhòe ảnh chụp 36

4.2.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu 36

4.2.4 Tốc độ chụp của tấm IP 37

4.3 Thông số đánh giá chất lượng ảnh chụp 37

4.3.1 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu 37

4.3.2 Độ nhòe ảnh chụp hệ thống CR 37

4.3.3 Độ nhạy chụp ảnh chụp của hệ thống 38

Chương 5 - SO SÁNH GIỮA HAI PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH 39

5.1 Cách thức so sánh 39

5.2 Các thông số và yếu tố so sánh 39

5.2.1 Nguyên lý ghi nhận hình ảnh 39

5.2.2 Vấn đề an toàn bức xạ và bảo vệ môi trường 39

5.2.3 Điều kiện cơ sở vật chất, nhân sự 40

5.2.4 Độ tiện lợi (điều kiện làm việc, thời gian và thao tác) 41

5.2.5 Chất lượng hình ảnh 42

5.2.6 Chất lượng giải đoán, báo cáo 43

5.2.7 Tính linh động của phương pháp 43

5.2.8 Tuổi thọ thiết bị và tính kinh tế 43

Kết luận 45

Tài liệu tham khảo 46

MỞ ĐẦU

Trên thế giới, việc áp dụng và phát triển các kỹ thuật bức xạ ngày càng nhiều

và ở quy mô lớn, một trong số các phương pháp được sử dụng nhiều nhất đó là chụpảnh bức xạ Đã từ lâu chụp ảnh bức xạ với vật ghi nhận là phim đã được sử dụngtrong công nghiệp để kiểm tra khuyết tật mối hàn, tính ăn mòn hay bất liên tục củavật liệu… Tuy nhiên phương pháp trên cũng đã bộc lộ khá nhiều nhược điểm (ví dụnhư phải có buồng tối với những điều kiện bị khống chế về nhiệt độ và độ ẩm đểthao tác với phim, nơi pha chế thuốc rửa phim, phải có nguồn nước sạch…) nên vàonăm 1981 hãng Fuji của Nhật đã cho ra đời dòng máy CR (computed radiography)đầu tiên, đánh dấu việc con người sử dụng tấm IP (image plate) thay thế phim đểghi nhận hình ảnh Thông tin thu từ tấm IP sẽ được xử lý, lưu trữ bằng máy vi tính

Từ khi ra đời, phương pháp chụp ảnh số đã được nhiều người đón nhận Tuynhiên hiện nay vẫn chưa có một tài liệu nào đầy đủ và chính xác để khẳng địnhphương pháp chụp ảnh số có ưu điểm hơn hay thay thế được chụp ảnh thôngthường Luận văn này với mục đích chỉ ra những ưu nhược điểm của mỗi phươngpháp để chúng ta có suy nghĩ và quyết định đúng đắn hơn về vấn đề này

Hà Nội, ngày 27 tháng 5 năm 2011

Vũ Hải Nam

Một số phương pháp NDT thông dụng hiện nay:

- Kiểm tra ngoại quan (Visual Testing):

Kỹ thuật kiểm tra này là kỹ thuật kiểm tra NDT ra đời sớm nhất Các khuyếttật hay bất liên tục trên bề mặt đối tượng kiểm tra được quan sát, phát hiện bằng mắtthường hoặc có sự trợ giúp của các camera, máy nội soi

- Kiểm tra bằng thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing):

Kỹ thuật kiểm tra này chỉ áp dụng để kiểm tra các bất liên tục hở ra trên bềmặt của đối tượng kiểm tra Yêu cầu là vật liệu của đối tượng kiểm tra phải có tínhchất không xốp Nguyên tắc của phương pháp là chất thấm lỏng được phun lên bềmặt vật kiểm tra trong một thời gian nhất định, sau đó phần chất thấm còn dư đượcloại khỏi bề mặt Bề mặt sau đó được làm khô và phủ chất hiện lên nó Nếu bề mặtvật kiểm tra có các bất liên tục hở ra trên bề mặt thì chất thấm lỏng sẽ bị lớp chấthiện hút lên tạo thành chỉ thị kiểm tra, phản ánh vị trí và bản chất của bất liên tục.Các phương pháp thẩm thấu lỏng sử dụng chất thấm dạng huỳnh quang, quan sátdưới ánh sáng tia cực tím cho độ nhạy phát hiện bất liên tục bề mặt cao

- Kiểm tra bằng bột từ (Magnetic Particle Testing):

Kỹ thuật kiểm tra này chỉ áp dụng để phát hiện các bất liên tục hở ra bề mặthoặc các bất liên tục trong vật kiểm tra gần sát bề mặt Yêu cầu là vật liệu của đốitượng kiểm tra phải là các vật liệu dễ nhiễm từ Nguyên tắc của phương pháp là vậtkiểm tra được cho nhiễm từ bằng nam châm vĩnh cửu, nam châm điện hoặc chodòng điện đi qua vật kiểm tra Từ trường cảm ứng vào trong vật kiểm tra là cácđường sức từ liên tục giữa các cực từ Nếu trên bề mặt vật kiểm tra có các bất liêntục (hở ra trên bề mặt hoặc sát gần bề mặt) thì nó sẽ làm rối loạn các đường sức từ,một vài đường sức này đi ra và quay về vật thể tại các vị trí có bất liên tục Những

vị trí đó có khả năng hút các hạt bột từ tính khi rắc chúng lên bề mặt vật kiểm tra.

Do đó vị trí của các bất liên tục được phát hiện

- Kiểm tra bằng dòng điện xoáy (Eddy Current Testing):

Kỹ thuật kiểm tra này được áp dụng để kiểm tra, phát hiện các bất liên tụctrên bề mặt hoặc gần bề mặt vật kiểm tra Yêu cầu là vật kiểm tra làm bằng vật liệudẫn điện Nguyên tắc của phương pháp là tạo ra một dòng điện xoáy trên bề mặt vậtkiểm tra bằng cách cho vật kiểm tra tiếp xúc với một từ trường xoay chiều biến đổi.Dòng điện xoáy sinh ra một từ trường Từ trường này gây ảnh hưởng ngược lại với

từ trường xoay chiều biến đổi trên Bằng cách so sánh ảnh hưởng của từ trường dodòng điện xoáy gây ra trong trường hợp không có bất liên tục bề mặt và trongtrường hợp có bất liên tục bề mặt, ta có thể xác định được vị trí của bất liên tục củavật kiểm tra

- Chụp ảnh bức xạ (Radiographic Testing):

Kỹ thuật kiểm tra này được áp dụng để kiểm tra, phát hiện các bất liên tụckhông chỉ trên bề mặt mà ở sâu bên trong vật kiểm tra Nguyên tắc của phươngpháp là sử dụng một chùm tia bức xạ (tia X, tia gamma, tia neutron) cho đi xuyênqua vật kiểm tra đến vật ghi nhận bức xạ (phim, tấm IP, detector) Thông tin về hìnhảnh trên đường đi của tia bức xạ qua vật kiểm tra thể hiện trên vị trí ghi nhận bức xạcủa vật ghi nhận bức xạ, do đó hình ảnh các bất liên tục trong vật kiểm tra được thểhiện Yêu cầu với vật liệu kiểm tra và vật liệu của bất liên tục là độ chênh lệch vềkhả năng hấp thụ tia bức xạ đủ lớn để có thể tạo độ phân biệt trong hình ảnh trên vậtghi nhận bức xạ

- Kiểm tra bằng siêu âm (Ultrasonic Testing):

Kỹ thuật kiểm tra này được áp dụng để kiểm tra, phát hiện các bất liên tụckhông chỉ trên bề mặt mà ở sâu bên trong vật kiểm tra như trong trường hợp chụpảnh bức xạ Yêu cầu về vật liệu của vật kiểm tra là phải có khả năng cho lan truyềnsóng siêu âm Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng đầu phát siêu âm cho lantruyền sóng siêu âm trong vật kiểm tra Các sóng siêu âm khi gặp bề mặt phản xạ(bề mặt đáy hoặc bất liên tục) sẽ phản hồi ngược trở lại và được thu nhận bởi đầuthu siêu âm Bằng cách xác định thời gian ghi nhận xung phản xạ, ta có thể xác địnhđược vị trí của bề mặt phản xạ, từ đó xác định được vị trí của bất liên tục

- Chụp ảnh neutron (Neutron Radiography Testing):

Kỹ thuật này là một dạng của kỹ thuật chụp ảnh bức xạ, trong đó bức xạ sửdụng là chùm tia neutron Đặc tính của neutron là dễ bị làm chậm bởi vật liệu giàuhydro Do đó kỹ thuật chụp ảnh neutron được áp dụng để chụp các vật liệu nhẹ giàuhydro như plastic, vật liệu này rất khó chụp khi sử dụng phương pháp chụp tia Xhoặc tia gamma

1.2 Tầm quan trọng của phương pháp NDT

Các phương pháp kiểm tra không phá hủy đóng vai trò quan trọng trong việckiểm tra chất lượng sản phẩm, cụ thể:

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm trong quá trình chế tạo

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm khi hoàn thiện, xuất xưởng

- Kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng, sửa chữa trong quá trình sử dụng

Các phép kiểm tra bằng kỹ thuật NDT bao gồm:

- Phát hiện khuyết tật trong sản phẩm như: rỗ khí, ngậm xỉ, hàn không ngấu,không thấu, nứt…

- Xác định các tính chất vật liệu như mật độ, độ dẫn điện, độ cứng, cấu trúchạt…

- Đo kích thước, đo độ dày lớp phủ…

- Kiểm tra trực tiếp sản phẩm trên dây chuyền sản xuất (on-line monitor)

Chương 2.

TỔNG QUAN CHỤP ẢNH BỨC XẠ

2.1 Nguyên lý chụp ảnh bức xạ

2.1.1 Tương tác của tia X, tia gamma với vật chất

Khi bức xạ tia X, tia gamma đi qua một lớp vật chất, cường độ và nănglượng của chúng bị suy giảm Lượng bức xạ bị mất đi do tương tác của tia X, tiagamma với vật chất thông qua ba hiệu ứng: quang điện, tán xạ Compton và tạo cặp

2.1.1.1 Hiệu ứng quang điện

Trong hiệu ứng này, khi tia X tia gamma tương tác với nguyên tử vật chất,toàn bộ năng lượng của photon truyền cho electron để đẩy bật electron ra khỏinguyên tử tạo thành một lỗ trống Hiệu ứng thường xảy ra với các electron lớp trongcùng có liên kết bền vững (lớp K), không xảy ra với các electron tự do Electron ởlớp cao hơn nhảy vào chiếm chỗ trống, quá trình này phát ra bức xạ đặc trưng Hiệuứng xảy ra ở mức năng lượng thấp (< 100keV) Tiết diện hiệu ứng quang điện theocông thức:

σphoto ~ Z5/E7/2 khi E ≥ EK và σphoto ~ Z5/E7 khi E » EK

Kết quả của quá trình tạo ra electron và tia X đặc trưng Hiệu ứng quang điệnxảy ra với tiết diện lớn với vật liệu có nguyên tử số lớn (ví dụ chì) ngay cả ở vùngnăng lượng cao, còn các nguyên tử nhẹ (ví dụ nhôm) thì chỉ xảy ra ở vùng nănglượng thấp

2.1.1.2 Hiệu ứng tán xạ Compton

Trong hiệu ứng này, khi tia X tia gamma tương tác với nguyên tử vật chất,photon tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo ngoài Photon thay đổi phương bay(góc tán xạ từ 0 đến 180o) và mất một phần năng lượng Electron được giải phóngthoát ra ngoài nguyên tử Hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ tia X hay gammarất lớn so với năng lượng liên kết của hạt nhân với electron lớp ngoài cùng Hiệuứng Compton chiếm ưu thế ở mức năng lượng từ 100keV đến 10MeV

Tiết diện hiệu ứng tán xạ Compton theo công thức: σcomp ~ Z/E

Công thức trên cho thấy tán xạ Compton xảy ra tiết diện lớn với vật liệu cónguyên tử số lớn ở vùng năng lượng thấp

Kết quả của quá trình tán xạ Compton là: electron lớp vỏ bị bắn ra ngoài, bức

xạ tia X hay gamma bị tán xạ, suy giảm năng lượng Quá trình tán xạ Compton rấtquan trọng đối với chụp ảnh bức xạ Bức xạ tán xạ Compton sẽ làm giảm chất lượnghình ảnh của ảnh chụp Vì thế khi chụp ảnh bức xạ người ta cần có các biện pháp đểlàm giảm bức xạ tán xạ như đặt tấm chì dưới phim chụp để tránh hiện tượng tán xạngược, đặt mẫu chụp cách xa tường

2.1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Trong hiệu ứng này, khi tia X tia gamma có năng lượng lớn hơn 1.02MeVtương tác với nguyên tử vật chất, khi photon đi qua điện trường của hạt nhân, nóbiến đổi thành một cặp electron – positron Positron nhanh chóng kết hợp electroncủa nguyên tử và bị hủy thành hai photon bay ngược chiều nhau có năng lượng mỗiphoton 511keV

Tiết diện của hiệu ứng tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2.lnE

Tiết diện hiệu ứng tạo cặp gần tỉ lệ với Z2 nên có giá trị lớn với chất hấp thụ

có nguyên tử số lớn Kết quả quá trình là cặp electron – positron được tạo thành,electron ion hóa nguyên tử môi trường còn positron kết hợp electron trong nguyên

tử để trở thành hai photon có năng lượng 511keV Hiệu ứng tạo cặp cần quan tâmkhi chụp ảnh bức xạ sử dụng năng lượng lớn hơn 1,02MeV, ví dụ năng lượnggamma của nguồn Co-60

2.1.1.4 Mối quan hệ giữa cường độ bức xạ và hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu

Cường độ bức xạ tia X, tia gamma suy giảm tuân theo quy luật hàm mũ:

I = B.I0.e -µx

Trong đó: I0 và I là cường độ bức xạ trước và sau khi đi qua lớp vật chất; µ là

hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu (cm-1); x là quãng đường bức xạ đi trong lớpvật chất (chính là bề dày lớp vật chất nếu chùm tia đến vuông góc với bề mặt) (cm);

B là hệ số mở rộng chùm tia do tán xạ

Như đã trình bày, cường độ bức xạ tia X, tia gamma suy giảm do ba hiệu ứngquang điện, tán xạ Compton, tạo cặp Hệ số suy giảm vật liệu bằng tổng các hệ sốsuy giảm do ba hiệu ứng trên Do đó:

µ = σphoto + σcomp + σpair

Hệ số mở rộng chùm tia B có nguồn gốc do tán xạ và ảnh hưởng tới chấtlượng ảnh chụp do làm giảm độ tương phản.

2.1.2 Nguyên lý chụp ảnh bức xạ

Hình 1 Tổng quan chụp ảnh bức xạ

Một hệ thống kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ bao gồm:

- Nguồn phát bức xạ: máy phát tia X, nguồn đồng vị gamma

- Vật kiểm tra trong chụp ảnh bức xạ: trong y tế là con người, trong côngnghiệp là thép, bê tông, trong lĩnh vực kiểm soát an ninh là hành lý…

- Vật ghi nhận bức xạ: phim, tấm IP, detector ghi nhận bức xạ Đi kèm là hệthống xử lý, ghi nhận hình ảnh

- Thiết bị đánh giá, vật chỉ thị chất lượng hình ảnh: IQI, máy đo độ đen

- Hệ thống tiêu chuẩn áp dụng: tiêu chuẩn thực hành, tiêu chuẩn đánh giá.Nguyên lý chung: tia bức xạ tia X hoặc tia gamma từ nguồn phát bức xạ đixuyên qua vật kiểm tra Năng lượng của chùm tia bức xạ phụ thuộc vào độ dày vàvật liệu của vật kiểm tra Kích thước của tiêu điểm phát bức xạ càng nhỏ càng tốt,

để giảm độ nhòe hình học Khi đi qua vật kiểm tra cường độ tia bức xạ giảm đi do

bức xạ tia X hoặc tia gamma bị hấp thụ trong vật liệu kiểm tra, độ hấp thụ bức xạphụ thuộc vào bề dày và loại vật liệu (hệ số suy giảm bức xạ) Sau đó tia bức xạtương tác với vật chất trong vật ghi nhận bức xạ Vật ghi nhận bức xạ có thể làphim, tấm IP, detector Vật ghi nhận sau khi nhận tương tác với bức xạ, trải qua quátrình xử lý đặc trưng sẽ cho các hình ảnh thể hiện các thông tin trên đường truyềntia bức xạ Độ không đồng đều về bề dày, mật độ vật chất, hay sự tồn tại của các bấtliên tục trong vật kiểm tra sẽ được thể hiện trên ảnh Các tiêu chuẩn được áp dụng

để hướng dẫn việc thực hiện quá trình chụp ảnh và đánh giá xem một bất liên tục cóđược coi là một khuyết tật hay không

2.2 Nguồn bức xạ trong chụp ảnh

2.2.1 Máy phát tia X

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Về mặt cấu tạo máy phát tia X bao gồm các bộ phận chính sau:

- Bộ làm mát: làm mát bia của ống phóng tia X Cách thức làm mát bằngnước, dầu hoặc không khí

Nguyên tắc hoạt động:

- Ống phóng tia X là bộ phận quan trọng nhất của máy phát tia X được làm từmột ống thủy tinh bên trong là chân không, có bộ phận chính là hai điện cựccatot và anot thường làm bằng tungsten

- Điện cực dương (anot) hay còn gọi là bia của ống phóng, được đặt nghiêng

70o so với trục nằm ngang để thu hẹp kích thước của điểm phát tia X, đượcgắn với bộ tản nhiệt Bia được chế tạo bằng các kim loại nặng (thường làtungsten) vì ba yếu tố sau: nguyên tử số lớn để tăng hiệu suất phát bức xạhãm; điểm nóng chảy cao (tránh hiện tượng bốc hơi của bia, cho phép cường

độ dòng electron lớn đến tiêu điểm phát xạ); độ dẫn nhiệt cao (để tăng cườngkhả năng tản nhiệt)

- Điện cực âm (catot) là một sợi dây mảnh được đốt nóng bằng dòng điện cỡ1-5A với hiệu điện thế 4-12VAC Catot có vai trò như nguồn phát electron vìkhi catot bị đốt nóng, các electron của nguyên tử tungsten trở lên linh động

và dễ dàng bị bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do

- Electron được tăng tốc bởi một hiệu điện thế đặt giữa anot và catot tới tươngtác với bia.Tia X phát ra gồm hai thành phần:

2.2.1.2 Các đặc trưng khi chụp ảnh bằng máy phát tia X

- Năng lượng tia X:

Phổ tia X có mức năng lượng liên tục từ cỡ 6keV tới năng lượng ứng với cao

áp (kV) lựa chọn Năng lượng tia X tăng khi cao áp đặt vào ống phóng tăng Lựachọn cao áp (kV) tùy thuộc vào bề dày và vật liệu chụp Việc thay đổi cao áp đượcthực hiện bởi bộ điều khiển Do đó lựa chọn được giá trị cao áp hợp lý với độ dàychụp, góp phần làm tăng chất lượng ảnh chụp Điều này khác với việc sử dụngnguồn gamma vì mức năng lượng tùy thuộc vào loại đồng vị sử dụng và không thểthay đổi

Phổ năng lượng tia X là phổ liên tục Điều này là ưu điểm của kỹ thuật chụpảnh bức xạ bằng tia X vì nó làm tăng độ tương phản của ảnh chụp do chùm tia X cónhiều mức năng lượng

- Tiêu điểm phát xạ: yêu cầu đủ nhỏ để hạn chế độ nhòe hình học Với cácmáy chụp thông thường thì kích thước tiêu điểm trong khoảng 1.2 đến3.0mm.

- Chu kỳ hoạt động của ống phóng tia X: là tỷ lệ giữa thời gian chiếu chụp trêntổng thời gian hoạt động của thiết bị Thông thường có hai loại chu kỳ là50% (nghĩa là 50% thời gian phát tia và 50% thời gian nghỉ làm nguội ốngphóng) và 100% Mặt khác thiết bị tia X yêu cầu phải được bảo quản, hoạtđộng trong môi trường đáp ứng về yêu cầu độ ẩm, nhiệt độ, lưu thông khôngkhí để đảm bảo độ bền của thiết bị

- Thiết bị tia X thường có kích thước công kềnh so với nguồn gamma, yêu cầuphải có nguồn điện ổn định, một số thiết bị yêu cầu về biện pháp làm mát,dây dẫn cao áp Do đó khả năng cơ động ngoài hiện trường kém

2.2.1.3 Các loại máy phát tia X

- Loại định hướng: điện thế từ 50 đến 400kV; góc phát chùm tia thường là

60o; kích thước tiêu điểm từ 0,5×0,5mm đến 4×4mm; dòng qua ống phóng

từ 5 đến 20mA

- Loại toàn phương: điện thế đến 300kV; góc phát chùm tia 360o×30o; tiêuđiểm phát xạ là dạng hình elip có kích thước là: 4×1mm, 5×1,5mm; dòng quaống phóng đến 15mA; có thể tạo chùm định hướng bằng các vòng chắn.

Bảng 1: Thông số của một số đồng vị phóng xạ dùng trong chụp ảnh công nghiệp

Stt Đồng vị Chu kỳ bán hủy Năng lượng (keV) Dải bề dày chụp

2.2.2.2 Cấu tạo thiết bị và nguyên lý hoạt động

Thiết bị chụp ảnh công nghiệp sử dụng nguồn phóng xạ có cấu tạo chung baogồm:

- Container che chắn an toàn cho nguồn phóng xạ Vật liệu che chắn thường làUran nghèo (DU), chì Độ dày che chắn tùy thuộc vào hoạt độ tối đa nguồn

phóng xạ chứa bên trong Thiết kế che chắn và giới hạn suất liều trên bề mặttuân thủ yêu cầu của tiêu chuẩn an toàn bức xạ.

- Hệ thống điều khiển nguồn phóng xạ ra vào container từ xa (cơ cấu khóa antoàn, bộ kết nối trên container, cáp nối, tay quay, bộ khu trú chùm tia)

- Thanh nguồn phóng xạ

Nguyên tắc hoạt động: khi không sử dụng, nguồn phóng xạ nằm bên trongcontainer tại vị trí được che chắn an toàn, cơ cấu khóa an toàn khóa container đảmbảo nguồn phóng xạ không rơi ra ngoài Khi sử dụng để chiếu chụp, cơ cấu khóa antoàn mở, nguồn phóng xạ được đẩy ra khỏi container theo ống dẫn nguồn bằng cáccáp nối và tay quay đến vị trí cần chiếu chụp Kết thúc việc chiếu chụp, nguồnphóng xạ được kéo về vị trí an toàn

2.2.2.3 Các đặc trưng khi chụp ảnh bằng nguồn phóng xạ

- Năng lượng: Phụ thuộc vào từng loại đồng vị sử dụng và phổ tia gamma gồmmột số mức năng lượng nhất định Do đó không thay đổi được năng lượngxuyên tia cho phù hợp với độ dày vật chụp Chất lượng ảnh chụp nói chungkém hơn so với chụp bằng tia X

- Hoạt độ nguồn phóng xạ suy giảm theo thời gian, do đó phải hiệu chỉnh thờigian chụp để đảm bảo liều chiếu chụp

- Hoạt độ riêng của nguồn phóng xạ: liên quan đến kích thước hiệu dụng củanguồn, do đó ảnh hưởng đến độ nhòe hình học của ảnh chụp Thông thường,kích thước hiệu dụng của nguồn phóng xạ (từ 2 đến 3mm) thường lớn hơnkích thước của tiêu điểm ống phóng tia X

- Chu kì bán hủy: dài hay ngắn liên quan đến độ ổn định của liều chiếu chụp

do hoạt độ phóng xạ thay đổi Liên quan đến việc đầu tư thay thế nguồnphóng xạ do thời gian sử dụng ngắn hay dài

- Thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ nhỏ gọn, dễ thao tác, thích hợpvới chụp ảnh ngoài hiện trường, thích hợp chụp các chi tiết có kích thướcnhỏ ở vị trí góc khuất

- Vấn đề an toàn bức xạ đối với chụp ảnh bằng nguồn phóng xạ phức tạp hơnkhi sử dụng máy phát tia X vì: bức xạ gamma phát ra liên tục, yêu cầu đảmbảo an ninh đối với nguồn phóng xạ nghiêm ngặt hơn, khả năng gây ra sự cốnhư rơi nguồn, kẹt nguồn…

2.2.2.4 Một số loại thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ

Thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ được chia làm hai loại theonguyên lý điều khiển thanh nguồn phóng xạ:

- Điều khiển thanh nguồn bằng dây cáp có khớp nối ly hợp

- Điều khiển thanh nguồn bằng ống khí nén

2.3 An toàn bức xạ

2.3.1 Các quy định pháp luật và tiêu chuẩn về an toàn bức xạ

- Văn bản pháp lý cao nhất quy định về an toàn bức xạ tại Việt Nam là LuậtNăng lượng nguyên tử có hiệu lực từ 1/1/2009

- Giới hạn liều bức xạ quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6866: 2001như sau:

 Liều hiệu dụng đối với nhân viên bức xạ không vượt quá 20

mSv trong một năm lấy trung bình trong 5 năm liên tục

 Liều hiệu dụng đối với dân chúng không vượt quá 1 mSv trong

một năm

- Một số quy định cụ thể:

 Khi chụp ảnh bằng nguồn phóng xạ, vấn đề an ninh nguồn

phóng xạ phải được đảm bảo bằng các biện pháp như: phải lậpkho chứa nguồn, tiến hành kiểm đếm, phân công người giámsát

 Khi tiến hành chụp ảnh bức xạ, nhân viên bức xạ phải sử dụng

liều kế cá nhân, máy đo suất liều, đặt biển báo, lập rào chắn,che chắn an toàn

 Giá trị suất liều tại vị trí làm việc khống chế theo yêu cầu của

giới hạn liều và phụ thuộc vào tổng thời gian làm việc trongmột năm Tính trung bình một năm làm việc có 2000 giờ thìsuất liều tối đa cho phép là 10µSv/h tại vị trí nhân viên làmviệc và 0,5µSv/h tại vị trí lập hàng rào cách ly với dân chúngxung quanh

 Nhân viên chụp ảnh bức xạ phải được tập huấn về an toàn bức

xạ và có chứng chỉ cho phép tiến hành công việc bức xạ do cơquan có thẩm quyền cấp

2.3.2 Các biện pháp làm giảm liều chiếu

- Giảm thời gian tiếp xúc với bức xạ: Nếu tại vị trí làm việc suất liều bức xạ là

H thì tổng liều nhận được E trong thời gian làm việc t là: H = E×t Từ côngthức thấy rằng để giảm liều bức xạ cần giảm thời gian t tiếp xúc

- Tăng khoảng cách đến nguồn bức xạ: Mối quan hệ giữa suất liều và khoảngcách tuân theo công thức sau: E1/ E2 = r1 /r2

Trong đó: E1, E2là suất liều tại vị trí tương ứng với khoảng cách r1, r2 đếnnguồn bức xạ Như vậy tăng khoảng cách đến nguồn bức xạ sẽ làm giảm suất liềutheo giá trị bình phương

- Sử dụng che chắn: ta biết rằng bức xạ tia X hay gamma sẽ bị suy giảm khi điqua vật chất bằng công thức: I = I0.e -µx

Một số vật liệu che chắn thường sử dụng là chì, thép, bê tông

2.4 Thiết bị ghi nhận trong chụp ảnh bức xạ

2.4.1 Phim chụp ảnh bức xạ

2.4.1.1 Cấu tạo

Hình 4 Cấu tạo phim chụp ảnh bức xạ.

Phim chụp ảnh bức xạ có cấu tạo bao gồm các lớp như trong hình vẽ trên:

Lớp bảo vệ (1µm)Lớp nhũ tương (10- 15µm)

Lớp bảo vệ (1µm)Lớp nhũ tương (10-15µm)

Lớp nền (175- 200µm)

- Lớp nền là lớp vững chắc để đặt các lớp khác lên nó Vật liệu làm lớp nềnthường là plastic.

- Lớp nhũ tương là lớp quan trọng nhất trong quá trình tạo ảnh Nó là nhữngtinh thể muối AgBr nhỏ li ti Khi bị chiếu xạ, quá trình tạo ảnh “ẩn” sẽ xảy

ra Thông qua quá trình rửa phim, hình ảnh về mẫu vật sẽ hiện ra

- Giữa lớp nhũ tương và lớp nền là hỗn hợp glatine có tính chất giống keo dính

để gắn chặt lớp nhũ tương với lớp nền

- Lớp phủ ngoài cùng bảo vệ lớp nhũ tương Thường làm bằng plastic

2.4.1.2 Nguyên lý ghi nhận ảnh của phim chụp ảnh bức xạ

Khi bức xạ tương tác với lớp nhũ tương sẽ hình thành một hình ảnh “ẩn” trênphim Quá trình trên diễn ra như sau:

- Lớp nhũ tương có tinh thể muối bạc bromua nhỏ li ti (các loại phim khácnhau có kích thước hạt tinh thể khác nhau) Dưới tác động bức xạ tia X, tiagamma, ánh sáng với các photon có năng lượng h thì electron trong ion âmbromua (Br -) được giải phóng:

2Br - + h → Br2 + 2e

Electron được giải phóng kết hợp với ion dương bạc (Ag+) tạo ra nguyên tử

Ag trung hòa Có thể coi các nguyên tử Ag này tạo ra hình ảnh “ẩn”

- Dưới tác dụng của chất oxy hóa trong thuốc hiện phản ứng trung hòa ion bạc

Ag+ + e- → Ag được tăng thêm Đồng thời nguyên tử bạc bị oxy hóa tạothành bạc oxit có màu đen kết tủa lên lớp nền

2Ag + [O] → Ag2O  (kết tủa đen)

- Sau khi quá trình hiện ảnh kết thúc, phim được tiếp tục được xử lý với thuốchãm Các phân tử AgBr không chịu tác động của sự chiếu xạ sẽ bị thuốc hãm

rửa trôi ra khỏi tấm phim Sau khi hãm, trên tấm phim lúc này chỉ có cácphân tử Ag2O màu đen kết tủa trên bề mặt phim tạo ra hình ảnh trên phim.

2.4.1.3 Các đặc trưng của phim và ảnh chụp

- Độ đen: hay còn gọi mật độ quang học là mức độ làm đen ảnh chụp bức xạ

sau khi tráng rửa Công thức tính: D = lg(A0 /A)

Trong đó: D là độ đen của phim (không thứ nguyên); A0, A là cường độ ánhsáng của máy đo độ đen trước và sau khi đi qua ảnh chụp Theo tiêu chuẩn ASMEV- Article 2, độ đen của ảnh chụp yêu cầu:

 Từ 1,8 tới 4,0 đối với phim chụp bằng tia X

 Từ 2,0 tới 4,0 đối với phim chụp bằng tia gamma

Độ đen của ảnh chụp phụ thuộc vào: loại phim, thời gian sử dụng phim, liềuchiếu bức xạ, năng lượng bức xạ, điều kiện tráng rửa phim (loại thuốc hiện hãm,nồng độ thuốc hiện, nhiệt độ dung dịch, rung lắc)

- Độ mờ: phim chụp ảnh bức xạ không bị chiếu mà vẫn có độ đen nào đó sau

khi tráng rửa được gọi là độ mờ của phim Độ mờ thông thường trongkhoảng từ 0,2 tới 0,3 Độ mờ do các nguyên nhân:

 Độ mờ cố hữu do lớp nền không trong suốt tuyệt đối

 Độ mờ hóa học do một số hạt bạc bromua (AgBr) tự hiện ngay

cả không bị chiếu

Độ mờ biến đổi theo nhiệt độ thuốc rửa, loại và thời gian sử dụng phim Thờigian hiện trung bình khoảng 5 phút Nếu nhiệt độ tăng thì thời gian hiện giảm xuống

để giảm độ mờ Đối với loại phim Agfa thì phim D7 có độ mờ lớn nhất

- Độ hạt: liên quan đến kích thước hạt tinh thể AgBr trong lớp nhũ tương Độ

hạt càng nhỏ thì độ sắc nét của ảnh chụp càng lớn nhưng thời gian chiếuchụp lại tăng lên Các loại phim khác nhau có độ hạt khác nhau Phim củahãng Agfa thì độ hạt tăng từ theo loại phim D2→ D3→D4→D5→D7

- Tốc độ phim: tốc độ phim là nghịch đảo của giá trị liều chiếu yêu cầu để ảnh

chụp đạt được độ đen nhất định, thông thường tốc độ phim chuẩn ứng với độđen bằng 2,0 Tốc độ phim phụ thuộc vào:

 Kích thước hạt: hạt muối bạc bromua (AgBr) càng lớn thì tốc

độ phim càng lớn

 Năng lượng bức xạ: tốc độ phim giảm khi năng lượng tăng lên.

Hình 5 Đồ thị biểu diễn tốc độ phim

- Đường cong đặc trưng (đường cong D&H):

Hình 6 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa log liều chiếu bức xạ tới phim và

độ đen của ảnh chụp

Đường cong đặc trưng cung cấp thông tin về:

 Tốc độ phim

 Độ tương phản phim của ảnh chụp

Những đặc tính quan trọng của đường cong đặc trưng:

 Đường cong bắt đầu xuất phát từ giá trị khác không, chính là

độ mờ của phim

 Có vùng chân, vùng gần như đường thẳng, vùng vai

 Độ đen lớn nhất cỡ 4.0

 Nếu tiếp tục tăng liều chiếu thì độ đen phim sẽ giảm.

- Độ tương phản là sự khác biệt về độ đen giữa hai vùng kế cận nhau trên một

ảnh chụp bức xạ Trong thực tế thì độ tương phản được tính theo công thức:

GD = ΔD/ΔlgED/ΔD/ΔlgElgE

Trong đó: GD là độ tương phản ảnh chụp, ΔD/ΔlgED là độ chênh lệch của độ đentrên hai vùng của ảnh chụp, ΔD/ΔlgElgE: độ chênh lệch của liều chiếu tương đối để tạo rahai vùng độ đen khác nhau

Hình 7 Đồ thị biểu diễn độ tương phản của ảnh chụp.

2.4.1.4 Các phụ kiện đi kèm

2.4.1.4.1 Màn tăng cường

Sau khi bức xạ đi qua vật kiểm tra, chỉ có 1% cường độ bức xạ tương tác vớilớp nhũ tương để tạo ra ảnh ẩn, 99% cường độ còn lại xuyên qua phim mà không cótác dụng tạo ảnh Để tăng cường cho quá trình tạo ảnh ẩn người ta sử dụng màntăng cường Màn tăng cường thường có hai mặt, khi sử dụng màn tăng cường phải

áp sát vào tấm phim Việc không áp sát giữa màn tăng cường và tấm phim hoặcmàn tăng cường bị xước có thể gây lỗi trên ảnh chụp

Có hai loại màn tăng cường là màn tăng cường chì và màn muối

- Màn tăng cường chì có một lớp bìa cứng có phủ lớp chì mỏng (chiều dày từ0,05 đến 0,1mm) có hai vai trò chính sau:

 Khi bức xạ chiếu vào nó sinh ra các electron bởi hiệu ứng

quang điện, tạo ra quá trình chụp ảnh phụ tác động lên lớp nhũtương của phim Kết quả là Ag2O tạo thành nhiều làm tăng độ

đen của ảnh chụp Do đó chỉ cần liều chiếu thấp vẫn được độđen mong muốn.

 Màn chì còn hấp thụ những bức xạ có năng lượng làm giảm

quá trình tán xạ Góp phần làm cho ảnh chụp bức xạ có độtương phản cao hơn

Hệ số tăng cường của màn chì phụ thuộc vào chiều dày của lớp chì, nănglượng bức xạ

- Màn tăng cường bằng muối thường có thành phần là các tinh thể calciumvonframat (CaWO4), Barium lead sulphate (BaPbSO4) Hệ số tăng cường củamàn muối lớn nhưng chất lượng hình ảnh không được tốt Màn tăng cườngbằng chì thương được sử dụng trong thực tế hơn Đặc biệt khi chụp ảnh bằngmáy phát tia X có điện thế lớn hơn 120kV (hoặc nguồn gamma có nănglượng tương đương)

2.4.1.4.2 Bao đựng phim (cassette)

Cassette có tác dụng bảo vệ phim không bị chiếu sáng, tránh cho phim bịtrầy xước và cố định màn tăng cường với phim Nó có thể làm bằng chất chất dẻohoặc bằng bìa cứng

- Cassette bằng chất dẻo làm từ PVC, bền lại thích hợp với hình dạng, tiết diệnmẫu vật nên thích hợp cho chụp ảnh ở hiện trường Cassette loại này có haidạng có loại dán nắp hoặc loại có khóa kéo

- Cassette đựng phim bằng bìa cứng gồm một tấm nhôm mỏng đằng trướccùng một kẹp ép để giữ phim và màn tăng cường tiếp xúc tốt với nhau

 Hóa chất hiện thường bao gồm các thành phần sau trong dung

dịch: monomethyl paraminol phenol sulphate, natri sulphate,hidroquinone, natri carbonate, kali bromine