CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH BỨC XẠ

Những đồng vị phóng xạ phát ra các loại bức xạ như là các hạt alpha, beta và bức xạ gamma thì đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma thường được dùng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp.. B

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP

ẢNH BỨC XẠ

2.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA

2.1.1 Sự ra đời của bức xạ tia X và sự phát triển của phương pháp chụp ảnh bức xạ :

Năm 1895 Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X trong lúc ông đang nghiên cứu hiện tượng phóng điện qua không khí Trong một thời gian thí nghiệm trên những loại tia mới và bí ẩn này thì Roentgen đã chụp được một bức ảnh bóng của các vật thể khác nhau gồm có hộp đựng các quả cầu và một khẩu súng ngắn nhìn thấy được rõ ràng Những bức ảnh bóng này đã đánh dấu sự ra đời của phương pháp chụp ảnh bức xạ Trong khoảng một năm sau khi Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X thì phương pháp chụp ảnh bức xạ được áp dụng để kiểm tra các mối hàn Năm 1913 Collidge đã thiết kế một ống phát bức xạ tia X mới Thiết bị này có khả năng phát bức xạ tia X có năng lượng cao hơn và có khả năng xuyên sâu hơn Năm 1917 phòng thí nghiệm chụp ảnh bức xạ bằng tia X đã được thiết lập tại Royal Arsenal ở Woolwich Bước phát triển quan trọng kế tiếp là vào năm 1930 khi hải quân Mỹ đồng ý dùng phương pháp chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các mối hàn của nồi hơi Trong khoảng một vài năm sau đó bước phát triển này đi đến sự chấp nhận rộng rãi là dùng phương pháp chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các mối hàn trong bình áp lực và bức xạ tia X đã tạo ra một sự phát triển bền vững như là một công cụ dùng để kiểm tra các mối hàn và vật đúc Cùng với sự bùng nổ chiến tranh thế giới lần thứ hai, phương pháp chụp ảnh bức xạ bằng bức xạ tia X cho thấy có một sự thành công lớn Giá trị của phương pháp chụp ảnh bức xạ thấy được rất rõ ràng trong ngành công nghiệp hàng không nhưng sau đó phương pháp này cũng được mở rộng sang các lĩnh vực khác như kiểm tra các mối hàn trong các nhà máy điện, các nhà máy luyện kim, các cấu trúc của các thiết bị vận chuyển và các phương tiện chiến tranh Quá trình này đã đặt ra một cơ sở cho sự phát triển liên tục của kỹ thuật kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ

2.1.2 Bản chất của bức xạ tia X:

Bức xạ tia X là dạng bức xạ điện từ giống như ánh sáng Giữa bức xạ tia X và ánh sáng bình thường chỉ khác nhau về bước sóng Bước sóng của bức xạ tia X nhỏ hơn vài ngàn lần so với bước sóng của ánh sáng bình thường Trong kiểm tra vật liệu bằng chụp ảnh bức xạ thường sử dụng bức xạ tia X có bước sóng nằm trong khoảng 10-4 0

Có một số đồng vị là bền vững trong khi đó cũng có một số đồng vị không bền vững Những đồng vị không bền vững này có khuynh hướng trở về trạng thái bền vững bằng cách phát ra bức xạ và thường được gọi là sự phân rã phóng xạ.

Hình 2.1 Phổ bức xạ điện từ.

Một số đồng vị có trong tự nhiên như Radium, Radon và Uranium Những đồng vị bền có thể được chế tạo thành các đồng vị phóng xạ bằng cách dùng neutron trong lò phản ứng hạt nhân kích hoạt vào chúng Những đồng vị phóng xạ loại này được gọi là những đồng vị phóng xạ nhân tạo như là Cobalt, Thulium và Iridium Những đồng vị phóng xạ nhân tạo được dùng phổ biến trong chụp ảnh bức xạ

Những đồng vị phóng xạ phát ra các loại bức xạ như là các hạt alpha, beta và bức xạ gamma thì đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma thường được dùng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp

Ánh sáng nhìn thấy + Bức xạ tử ngoại (UV)

Bức xạ gamma

Bức xạ Roentgen

Bức xạ gamma là một loại bức xạ sóng điện từ giống như bức xạ tia X nhưng chúng thường

có bước sóng ngắn hơn và có khả năng xuyên sâu hơn bức xạ tia X được phát ra từ các máy phát bức xạ tia X mà được sử dụng rộng rãi trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp

Một số bức xạ gamma có khả năng xuyên qua một lớp chì có bề dày đến 10cm Bức xạ gamma được phát ra từ bên trong hạt nhân của nguyên tử, khác với bức xạ tia X được phát ra

ở bên ngoài hạt nhân

Bước sóng của bức xạ sóng điện từ được tính theo mét, centimet, millimet, micromet, nanomet và angstron trong đó 1A = 100 -8cm Hình 2.1 biểu diễn vị trí của bức xạ tia X và tia gamma trong phổ bức xạ sóng điện từ

2.1.4 Phổ bức xạ tia X và tia gamma:

Một yếu tố cơ bản là bức xạ tia X được phát ra khi các electron bị hãm lại Khi các electron di chuyển với vận tốc cao đến gần hạt nhân (hạt nhân mang điện tích dương), chúng chịu một lực hút và chuyển động chậm lại Trong quá trình chuyển động chậm hoặc bị hãm lại này thì các electron này mất đi một phần động năng ban đầu của chúng và động năng mất đi đó được phát ra dưới dạng bức xạ tia X Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng bức xạ tia X được phát ra là một quá trình tiếp theo sau quá trình làm lệch hướng chuyển động của các electron ở cathode bởi một trường lực mạnh nằm xung quanh hạt nhân của các phần tử bia Đôi khi các electron

bị hãm lại đột ngột thì toàn bộ động năng của chúng được chuyển thành năng lượng bức xạ tia

X lớn nhất cùng với bước sóng nhỏ nhất Nhưng trong thực tế toàn bộ phổ của bức xạ có dải bước sóng dài hơn hoặc dải tần số thấp hơn được phát ra bởi các electron mà các electron này chỉ mất đi một phần năng lượng của chúng trong một lần tương tác với hạt nhân và chịu nhiều

va chạm với các nguyên tử bia trước khi chúng dừng lại Như vậy, phổ bức xạ tia X là một dạng phổ liên tục với một bước sóng nhỏ nhất λmin có giá trị xác định Ta có E = h.f trong đó h

Các đỉnh của bức xạ tia X đặc trưng

các electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử Nguyên tử sau đó trở nên không bền vững và các electron khác trong cùng một nguyên tử sẽ nhảy vào lấp lỗ trống thì nó sẽ mất năng lượng và phát ra một lượng tử bức xạ Nếu gọi E là năng lượng đã mất đi thì :

E = h.f = h.c/ λ

⇒ λ =h.c/E

E là một đại lượng xác định được kết hợp với một sự thay đổi năng lượng nào đó trong nguyên tử và vì vậy xem như dải bước sóng xác định Một vài bước sóng có thể tồn tại và chúng tạo nên một dải phổ đặc trưng, hình 2.2 Quá trình này giống với quá trình phát ánh sáng Nhưng đối với ánh sáng thì chỉ quan tâm đến các electron ở lớp vỏ ngoài cùng Còn đối với bức xạ tia X thì quan tâm đến các electron ở lớp vỏ bên trong K, L, M có lực liên kết mạnh Nếu một electron ở lớp K bị bứt ra và một electron dịch chuyển từ lớp L về lấp lỗ trống lớp K thì tạo ra một vạch K (vạch bức xạ tia X ở lớp K) Nếu một electron ở lớp M dị chuyển

về lấp lỗ trống ở lớp K thì sẽ tạo ra vạch K yếu hơn Chữ K biểu diễn lớp vỏ nguyên tử mà electron dịch chuyển vào

Ta sẽ thấy phổ bức xạ tia X đặc trưng của đồng giống như một đường liên tục trong hình 2.3

Ở phía trên phổ trắng có hai đỉnh đặc trưng của đồng có nghĩa là KαCu & KβCu có các bước sóng tương ứng là 1.40A và 1.540 A Đồng có nguyên tử số bằng 29 nếu như ta thay đổi bia 0đồng bằng bia Nikel thì ta sẽ có một phổ mới như được biểu diễn trong đường nét đứt Ta có thể thấy rằng khi thay đổi bia từ chất có nguyên tử số cao sang chất có nguyên tử số thấp (Nikel có nguyên tử số bằng 28) thì ta sẽ có phổ bức xạ tia X đặc trưng trở nên mềm hơn (λ

lớn hơn) nhưng không có bất kỳ sự thay đổi nào có thể thấy rõ trong phổ bức xạ tia X liên tục Bức xạ đặc trưng không thể tạo ra nếu ta sử dụng điện thế thấp hơn điện thế ngưỡng nhất định

do dải điện thế thấp nên không thể bứt electron ra được Nếu điện thế sử dụng được tăng lên vượt quá điện thế ngưỡng này thì sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ tia X đặc trưng nhưng bước sóng của chúng không thay đổi

Hình 2.3 Phổ bức xạ tia X đặc trưng của Cu và Ni.

Khác với phổ bức xạ tia X là phổ liên tục thì phổ bức xạ gamma là phổ gián đoạn, ngưỡng giá trị của bước sóng trong thực tế phụ thuộc vào sự phát xạ của hạt nhân nghĩa là nguồn phóng

xạ Các đồng vị phóng xạ có thể phát ra bức xạ có một hoặc nhiều bước sóng Ví dụ Caesium – 137 chỉ phát ra bức xạ gamma có một bước sóng, Cobalt – 60 phát ra bức xạ gamma có hai

bước sóng và Iridium – 192 phát ra bức xạ gamma có năm bước sóng trội Tất cả các nguồn phóng xạ phát bức xạ gamma có dạng phổ vạch (phổ gián đoạn) khác với phổ bức xạ tia X là phổ liên tục, hình 2.4.

Hình 2.4 Phổ vạch của nguồn phóng xạ gamma.

Trong nhiều tài liệu đối với việc mô tả bức xạ gamma nào đó thường hay trình bày bằng năng lượng bức xạ gamma hơn là trình bày theo bước sóng của nó Năng lượng bức xạ được biểu diễn theo đơn vị electron volt (eV) và thường có giá trị ở khoảng triệu electron volt (MeV) Caesium – 137 phát ra bức xạ gamma có năng lượng là 0.66MeV và Cobalt – 60 phát ra hai bức xạ gamma có năng lượng là 1.17MeV và 1.33MeV

2.1.5 Tính chất của bức xạ tia X và bức xạ gamma :

Bức xạ tia X và bức xạ tia gamma có cùng một bản chất đó là bức xạ sóng điện từ, những tính chất giống nhau của bức xạ tia X và tia gamma được trình bày tóm tắt dưới đây :

(ii) Không thể cảm nhận được chúng bằng các giác quan của con người

(iii) Chúng làm cho các chất phát huỳnh quang Các chất phát huỳnh quang đó là kẽm sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium platinocyanide, naphtalene, anthracene, stillbene, thallium được kích hoạt natri iodide

(iv) Chúng truyền với một vận tốc bằng với vận tốc ánh sáng nghĩa là 3 × 1010 cm/s.(v) Chúng gây nguy hại cho tế bào sống

(vi) Chúng gây ra sự ion hoá, chúng có thể tách các electron ra khỏi các nguyên tử khí

để tạo ra các ion dương và ion âm

(vii) Chúng truyền theo một đường thẳng, là dạng bức xạ sóng điện từ nên bức xạ tia X hoặc tia gamma cũng có thể bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ

(viii) Chúng tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà theo định luật này thì cường độ bức xạ tia X hoặc tia gamma tại một điểm bất kỳ nào đó tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn đến điểm đó

Theo toán học thì I ∼ 1/r2 trong đó I là cường độ bức xạ tại điểm cách nguồn phóng xạ một khoảng cách r

(ix) Chúng có thể đi xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể đi xuyên qua được Độ xuyên sâu phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ, mật độ, bề dày của vật liệu Một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma đơn năng tuân theo định luật hấp thụ,

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

(x) Chúng tác động lên lớp nhũ tương phim ảnh và làm đen phim ảnh

(xi) Trong khi truyền qua vật liệu chúng bị hấp thụ hoặc bị tán xạ

Những tính chất (vii), (viii), (ix), (x), (xi) là những tính chất thường được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp

2.1.6 Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.

Cường độ bức xạ đi đến một điểm nào đó phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến điểm đó Cường độ bức xạ biến thiên theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách này Định luật này được minh họa trong hình 2.5 Trong ví dụ này ta giả sử rằng nguồn phát ra bức

xạ có cường độ không đổi mà khi bức xạ đi qua khe hở B toả ra một diện tích là 4cm2 đi đến

bề mặt ghi nhận C1 cách nguồn 12cm nếu bề mặt ghi nhận được dịch chuyển đến vị trí cách nguồn phóng xạ là 24cm tại C2 thì chùm bức xạ tia X tỏa ra một diện tích bằng 16cm2 Diện tích này lớn bằng bốn lần diện tích tại C1 Do đó, ta có bức xạ trên 1cm2 ở bề mặt ghi nhận tại điểm C2 chỉ bằng 1/4 bức xạ trên 1cm2 ở bề mặt ghi nhận tại điểm C1 Quá trình này được biết là định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của bức xạ

Trong thực tế, định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách có một tầm quan trọng trong quá trình thực hiện chụp ảnh bức xa Phim phải ghi nhận được một suất liều chiếu hoặc liều chiếu nhất định để tạo ra một ảnh chụp bức xạ trên phim có một độ đen mong muốn Nếu

do một số lý do nào đó mà khoảng cách từ nguồn đến phim có một sự thay đổi thì liều chiếu cũng bị thay đổi theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách

Do vậy, liều chiếu có thể thích hợp tại C1 thì phải tăng lên bốn lần để tạo ra một ảnh chụp bức

xạ trên phim tại C2 có độ đen bằng với độ đen bằng với ảnh chụp bức xạ trên phim được chụp tại C1

Hình 2.5 Biểu đồ minh họa định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.

Trong thực tế điều này có thể thực hiện được bằng cách tăng thời gian chiếu hoặc cường độ bức xạ lên vì liều chiếu trong chụp ảnh bức xạ là tích số giữa cường độ bức xạ và thời gian chiếu

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách có thể biểu diễn bằng công thức toán học như sau :

A B

C 1

C 2

r 1

r 2

=

Trong đó :

r1 và r2 tương ứng với khoảng cách từ nguồn đến C1 và C2

Vì: I1∼ 1/E1 và I2∼ 1/E2 nên E2/E1 = (r2)2/(r1)2

Trong đó :

E1 là liều chiếu tại C1

E2 là liều chiếu tại C2

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách cũng có thể được trình bày theo cách khác nhằm giúp cho việc an toàn và bảo vệ chống bức xạ khi làm việc trong vùng có phóng

xạ

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách theo dạng này được biểu diễn theo công thức D1/D2 = (r2)2/(r1)2 Trong đó, D1 và D2 suất liều chiếu tại khoảng cách r1 và r2 tính từ nguồn phóng xạ D1 và D2 có cùng một đơn vị và r1 và r2 cũng có cùng một đơn vị Điều này

có nghĩa là sự nguy hiểm của phóng xạ (suất liều chiếu) sẽ giảm xuống rất nhanh khi ta đứng

ở một khoảng cách xa nguồn phóng xạ Ví dụ như suất liều chiếu đối với một nguồn phóng xạ

ở khoảng cách 10m tính từ nguồn sẽ còn lại bằng (1/100 = 1/102) suất liều chiếu cũng của nguồn phóng xạ đó tại khoảng cách 1m tính từ nguồn Đây là một cách thực hiện đơn giản nhất để đảm bảo có thể giữ cho một người làm việc với các nguồn phóng xạ hở nhận một liều chiếu thấp

2.2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

Như đã trình bày trong phần 2.1.3.1 thì có một số đồng vị của một nguyên tố là bền vững ngược lại có một số đồng vị của một nguyên tố khác là không bền vững Những nguyên tử của các đồng vị không bền vững có thể trở về trạng thái bền vững bằng cách phát bức xạ Quá trình dịch chuyển về trạng thái bền vững của các đồng vị không bền vững đi kèm với quá trình phát bức xạ thường được gọi là quá trình phân rã (sự phân rã phóng xạ) và hiện tượng phân rã này của những nguyên tử của các đồng vị (có trong tự nhiên hay được tạo ra bằng những phương pháp nhân tạo) của những nguyên tố được gọi là hiện tượng phóng xạ

Những chất có sự biểu hiện của hiện tượng này được gọi là chất phóng xạ hoặc đồng vị phóng

(mCi), micro curie (µ Ci) tương ứng với 1/103 và 1/106Ci Hệ thống đơn vị cố định cho hoạt

độ phóng xạ mà đã được quốc tế công nhận và hiện nay được sử dụng trong tất cả những mục đích khoa học và công nghệ ở nhiều nước đó là Bacquerel (Bq) Bacquerel được định nghĩa

1Ci = 3.7 × 1010 Bacquerel.

2.2.1 Sự phân rã phóng xạ :

Hoạt độ phóng xạ của bất kỳ một chất phóng xạ nào phụ thuộc vào độ tập trung của các nguyên tử phóng xạ có trong chất phóng xạ Sự phân rã phóng xạ theo quá trình này tuân theo định luật hàm số mũ được gọi là định luật phân rã phóng xạ Định luật này có thể được biểu diễn theo toán học là: N = N0 × e- µ .t trong đó N0 là số nguyên tử phóng xạ ban đầu (ở thời điểm t = 0), N là số nguyên tử phóng xạ còn lại sau một khoảng thời gian là t và λ được gọi là hằng số phân rã phóng xạ và là một đặc trưng của chất phóng xạ Các chất phóng xạ có giá trị

λ càng lớn thì phân rã càng nhanh và ngược lại Trong những ứng dụng thực tế thì sự phân rã của một chất phóng xạ thường được phát biểu theo thuật ngữ là chu kỳ bán rã của nó được ký hiệu là T1/2 Chu kỳ bán rã được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho số nguyên tử phóng

xạ ban đầu giảm xuống còn một nửa Theo một cách trình bày đơn giản là sau một chu kỳ bán

rã thì số nguyên tử phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ ban đầu (lúc t = 0) giảm xuống hai lần Chu kỳ bán rã là một đặc trưng của một đồng vị phóng xạ (nghĩa là sau một chu kỳ bán rã thì

số nguyên tử phóng xạ hoặc hoạt độ phóng xạ giảm xuống hai lần so với số nguyên tử phóng

xạ hoặc hoạt độ phóng xạ ban đầu (tại thời điểm t = 0) Chu kỳ bán rã là một đặc trưng riêng của một đồng vị phóng xạ, các đồng vị phóng xạ khác nhau có chu kỳ bán rã khác nhau (sự khác nhau chủ yếu của các đồng vị phóng xạ là sự khác nhau về chu kỳ bán rã) Có các đồng

vị phóng xạ có chu kỳ bán rã chỉ một phần nào đó của giây ngược lại có các đồng vị phóng xạ

có chu kỳ bán rã lên đến hàng triệu năm (chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ biến thiên từ một phần nào đó của giây lên đến hàng triệu năm) Trong chụp ảnh bức xạ chúng ta sử dụng những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khoảng vài ngày đến vài năm Những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã càng ngắn thì số nguyên tử phóng xạ và hoạt độ phóng xạ và hoạt

thể được chuyển đổi thành :

sẽ cho ta một đường cong được gọi là đường cong phân rã như được biểu diễn trong hình 2.6

2.2.2 Cường độ bức xạ và hoạt độ phóng xạ riêng:

Cường độ bức xạ được định nghĩa là số tia bức xạ đi đến tương tác trên một đơn vị diện

nguồn phóng xạ cho trước được đo theo đơn vị Roentgen trên giờ ở một khoảng cách là một mét tính từ nguồn Giá trị này được gọi là giá trị RHM của nguồn (bức xạ phát ra, công suất phát bức xạ, suất liều chiếu hay suất liều phát) Bản thân Roentgen được định nghĩa là lượng bức xạ tia X hoặc tia gamma đi qua một centimet khối không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn (NTP) (1cm3 không khí khô có khối lượng 0.00129g) tạo ra một lượng ion tương đương với một đơn vị điện tích e.s.u mỗi dấu Roentgen cũng tương đương với một vật liệu bị chiếu xạ hấp thụ một năng lượng 87.7 erg/g Mỗi nguồn phóng xạ có một giá trị RHM trên Curie riêng

Số roentgen trên giờ tại khoảng cách một mét tính từ một nguồn phát bức xạ gamma có hoạt

độ 1mCi được gọi là hệ số K (hằng số gamma) của một quá trình phát bức xạ gamma riêng biệt Cường độ bức xạ tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nghĩa là khi khoảng cách tính từ nguồn phóng xạ được tăng gấp đôi thì cường độ bức xạ tại khoảng cách đó sẽ bị giảm xuống bốn lần

Hoạt độ phóng xạ riêng của một nguồn phóng xạ thường được đo theo đơn vị là số Curie trong một gam và hoạt độ phóng xạ riêng đóng một vai trò quan trọng trong chụp ảnh bức xạ Một nguồn phóng xạ có hoạt động riêng càng cao nghĩa là có thể tạo ra một nguồn có cường

độ cho trước theo một kích thước vật lý nhỏ, điều này có một tầm quan trọng lớn đối với quan điểm về độ xác định ảnh chụp bức xạ Cũng với một nguồn được chế tạo với kích thước nhỏ thì có độ tự hấp thụ nhỏ hơn và vì thế có suất liều chiếu hiệu dụng lớn hơn Hoạt độ phóng xạ riêng phụ thuộc vào lò phản ứng hạt nhân và thời gian mà chất bị chiếu xạ cũng như các đặc tính của chất bị chiếu xạ như là khối lượng nguyên tử (số khối) và tiết diện kích hoạt Một số nguyên tố có thể được kích hoạt để cho một hoạt độ riêng rất cao ngược lại cũng có một số nguyên tố khác không có khả năng đạt đến những giá trị hoạt độ riêng cao với một thông lượng neutron thích hợp

Hình 2.6 Sự phân rã của một chất phóng xạ có chu kỳ bán rã 24 giờ.

Đường cong phân rã điển hình của nguồn Ir – 192 được biểu diễn trong hình 2.7 và 2.8 còn cường cong phân rã của nguồn Co – 60 và các đồng vị phóng xạ quan tâm khác có thể vẽ được dễ dàng nếu biết được chu kỳ bán rã của chúng (hình 2.9)

2.2.3.Những loại bức xạ khác phát ra từ các đồng vị phóng xạ:

Ngoài việc sử dụng bức xạ tia X và tia gamma trong chụp ảnh bức xạ, hiện nay trong thực tế

đã tìm thấy và phát triển ứng dụng và kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ sử dụng các loại bức xạ

có khả năng xuyên sâu khác mà sự suy giảm của chúng đôi khi biểu hiện khác nhau hoàn toàn Sự biểu hiện khác nhau này cũng là một cách để phát hiện những tính chất đặc biệt Những loại bức xạ này có tính hạt khác với bức xạ tia X hoặc tia gamma (đó là có tính sóng)

là bức xạ sóng điện từ Theo nguyên tắc thì tất cả các loại bức xạ chỉ có giới hạn về độ xuyên sâu vào trong vật liệu mà cũng có thể bị hấp thụ hoàn toàn Sự hấp thụ này phụ thuộc chi tiết vào loại điện tích và động năng của hạt Những loại bức xạ này là các hạt alpha, beta, proton

và neutron

Do bức xạ alpha gồm có các hạt tương đối lớn và mang điện tích dương (hạt nhân Helium) : hai hạt proton cộng với hai hạt neutron nên có khả năng xuyên sâu tương đối thấp và vì vậy chúng không được quan tâm đặc biệt cho những mục đích sử dụng trong chụp ảnh bức xạ Bức xạ beta có khả năng xuyên sâu lớn hơn bức xạ alpha một chút (xem như phụ thuộc vào năng lượng của hạt riêng biệt) Nó là các hạt electron mang điện tích âm (tất nhiên cũng được

sử dụng khi thực hiện quá trình phát bức xạ tia X) Để xuyên qua những độ sâu mong muốn (chẳng hạn trong các kim loại) thì ta cần bức xạ beta có dải năng lượng rất cao Do đó, việc sử dụng chúng phần lớn là giới hạn trong quá trình kiểm tra các mẫu vật mỏng Những điều kiện tương tự cũng được áp dụng đối với bức xạ các hạt proton (các hạt mang điện tích dương)

Hình 2.7 Các đường cong phân rã của nguồn phóng xạ, chẳng hạn Ir – 192 (a) sự suy giảm

hoạt độ theo thời gian (b) sự suy giảm hoạt độ sử dụng thang hoạt độ logarit.

Ngày xuất nguồn

Thời gian (ngày)

Hình 2.8 Sự phân rã của nguồn Ir – 192.

Chụp ảnh bức xạ kiểm tra vật liệu bằng neutron chiếm một vị trí đặc biệt vì neutron không mang điện do đó không chịu sự tác dụng của bất cứ những lực hút và lực đẩy nào, chúng chỉ

bị làm yếu khi va chạm trực tiếp với các nguyên tử Khối lượng giữa hạt nhân bị tương tác và neutron khác nhau càng nhỏ thì năng lượng neutron bị mất đi càng lớn (nghĩa là sự suy giảm càng lớn) Do đó, những vật liệu có nguyên tử số nhỏ như là hyđro và các hợp chất hoá học của nó như là nước, các hợp chất hữu cơ cũng tương tự như các nguyên tố khác có khối lượng nguyên tử (số khối) nhỏ làm suy giảm năng lượng của bức xạ neutron lớn hơn nhiều so với những nguyên tố có hạt nhân nguyên tử (số khối) lớn hơn chẳng hạn như chì Điều này được xem như sự biểu hiện suy giảm nghịch lý đã dẫn đến kỹ thuật kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ neutron trở nên quan trọng trong ngày nay

2.3 QÚA TRÌNH TƯƠNG TÁC BỨC XẠ 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 Sự hiểu biết về những hiện tượng này là rất quan trọng cho một nhân viên chụp ảnh bức xạ và những khía cạnh khác nhau của nó được trình bày dưới đây:

2.3.1 Hiện tượng hấp thụ:

Một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma khi đi qua vật chất thì cường độ của chúng bị suy giảm Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma trong vật chất Lượng bức xạ bị suy giảm phụ thuộc vào chất lượng của chùm bức xạ, vật liệu, mật độ của mẫu vật và bề dày của mẫu vật mà chùm tia bức xạ đi qua Tính chất này của bức xạ tia X hoặc tia gamma được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp Nếu có một khuyết tật nằm bên trong cấu trúc của một mẫu vật nghĩa là có sự thay đổi về bề dày (chẳng hạn như lỗ rỗng) hoặc sự thay đổi theo mật độ (chẳng hạn như các tạp chất của các vật liệu khác ở bên ngoài)

Sự hiện diện của những khuyết tật này sẽ tạo ra những thay đổi tương ứng với cường độ của chùm bức xạ truyền qua và chùm bức xạ truyền qua này được ghi nhận trên phim tạo ra được một ảnh chụp bức xạ trên phim Hiện tượng này có một tính chất rất quan trọng nên chúng ta cần phải xem xét một cách chi tiết

Hình 1.10 Quá trình hấp thụ bức xạ.

Xét một mẫu vật dạng tấm có bề dày là “X” và truyền một chùm bức xạ đơn năng song song qua nó, hình 2.10 Nếu gọi cường độ của chùm bức xạ tới là I0 và cường độ của chùm bức xạ truyền qua là I thì ta có I = I0× e- µ X trong đó µ được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính, hệ số này phụ thuộc vào năng lượng của chùm bức xạ tới và vật liệu hay mật độ của mẫu vật Sự suy giảm cường độ của chùm bức xạ tới xảy xa theo ba hiệu ứng cơ bản đó là: Sự hấp thụ quang điện, sự hấpthụ và tán xạ Compton Một cơ chế thứ tư là sự tạo cặp, hiệu ứng này xảy ra khi năng lượng bức xạ tia X hoặc tia gamma tới lớn hơn 1.02MeV và là tương đối ít quan trọng hơn Để đưa vào tính toán cho tất cả các hiệu ứng này thì giá trị µ có thể được viết như sau : µ

= (ι + σ + k) trong đó µ là hệ số hấp thụ tổng cộng hay còn gọi là hệ số suy giảm tuyến tính, ι

Chùm tia bức xạ tới

Chùm tia bức xạ truyền qua