CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ DÙNG TRONG CHỤP ẢNH BỨC XẠ

Bằng cách đặt vào anode của ống phát bức xạ tia X mộtđiện tích dương và ở cathode một điện tích âm, các electron tự do chạy từ cathode đến anode.Cấu tạo ống phóng tia X sao cho hội tụ dò

xạ tia X, bao gồm một ống bằng thủy tinh trong đó đặt hai điện cực: cathode và anode Cathode

có chức năng như là một nguồn phát electron Đầu tiên các electron được gia tốc bởi một điện ápcao đặt vào cathode và anode và sau đó bị hãm đột ngột bởi một bia rắn được đặt tại anode Cácelectron di chuyển với vận tốc cao bị hãm đột ngột sẽ tạo ra bức xạ tia X Hình 3.1 Biểu diễn sơ

đồ của một ống phát bức xạ tia X điển hình

Hình 3.1 Một ống phát bức xạ tia X điển hình.

3.1.1 Nguồn phát electron :

Khi nung nóng một vật liệu thích hợp, một số electron trong vật liệu trở nên linh động và bứt rakhỏi vật liệu như các electron tự do Những electron tự do này sẽ bao quanh vật liệu như một đámmây electron Trong ống phát bức xạ tia X thì nguồn phát electron được gọi là cathode Cathodebao gồm một cuộn dây dẫn (dây đốt nóng/dây tóc.) có chức năng phát ra electron Khi áp mộtđiện thế chạy qua sợi dây đốt nóng sẽ sinh ra một dòng điện đốt nóng nó đến dải nhiệt độ phát raelectron Sợi dây đốt nóng được nung nóng với một dòng điện AC có cường độ dòng điện nằmtrong khoảng từ 1 đến 5 ampere ở một hiệu điện thế nằm trong khoảng từ 4 đến 12 volt Dòngđiện trong ống phát bức xạ tia X chạy qua giữa cathode và anode gần bằng 0.1% dòng điện nungnóng hoặc dòng điện chạy trong sợi dây đốt nóng Dòng điện trong ống phát bức xạ tia X đượcđặt ở đơn vị milliampere và có thể đo được trực tiếp Dây đốt nóng được đặt trong một cốc hội tụ

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT CHƯƠNG 3 91

Vỏ bọc bằng thủy tinh Anode làm bằng đồng

X hữu ích

thường được chế tạo bằng sắt nguyên chất và nickel Cốc hội tụ này có chức năng như là mộtthấu kính tĩnh điện và điều chỉnh hình dạng của chùm electron.

3.1.2 Quá trình gia tốc electron:

Các electron được phát ra ở cathode của một ống phát bức xạ tia X mang điện tích âm Theo cácđịnh luật cơ bản về tính chất của dòng điện thì chúng bị đẩy bởi các vật mang điện tích âm và bịhút bởi các vật mang điện tích dương Bằng cách đặt vào anode của ống phát bức xạ tia X mộtđiện tích dương và ở cathode một điện tích âm, các electron tự do chạy từ cathode đến anode.Cấu tạo ống phóng tia X sao cho hội tụ dòng electron đi đến anode, nó được chuẩn trực và sau đó

đi đến đập vào bia Để tạo ra bức xạ cần thiết dùng cho chụp ảnh bức xạ trong công nghiệp thìđiện thế dùng để gia tốc các electron phải nằm trong khoảng từ 30KV đến 30MV Các ống phátbức xạ tia X thường sử dụng điện thế gia tốc các electron lên đến 420KV trong khi đó những giátrị điện thế gia tốc các electron lớn hơn được sử dụng cho các máy gia tốc tuyến tính Năng lượngcủa các electron nhận được tương đương với dải điện thế này

3.1.3 Bia:

Bức xạ tia X được phát ra khi các electron di chuyển với một vận tốc cao va đập vào bất kỳ mộtdạng vật chất nào đó có thể là dạng rắn, lỏng hoặc khí Vật liệu dùng để làm bia trong các ốngphát bức xạ tia X cần phải có những tính chất cần thiết sau: nguyên tử số cao, điểm nóng chảycao, độ dẫn nhiệt cao Nguyên tử số cao để cho năng suất chuyển đổi năng lượng electron thànhbức xạ tia X tốt nhất Điểm nóng chảy cao cho phép dòng điện chạy qua ống cao cho một tiêuđiểm phát bức xạ có kích thước nhất định nhờ vậy cho được hiệu suất phát bức xạ tia X lớn(chẳng hạn như cường độ bức xạ) Độ dẫn nhiệt cao làm giảm được lượng bốc hơi của kim loạilàm bia, do đó làm tăng được tuổi thọ của ống phát bức xạ tia X Tungsten là kim loại duy nhất

có tất cả các tính chất trên vì vậy vật liệu làm bia trong các ống phát bức xạ tia X thường đượcchế tạo bằng tungsten Bia được gắn với một cái cốc được làm bằng đồng có chức năng như làmột anode

Việc giải nhiệt phát ra do sự va đập của các electron là một trong những vấn đề chính cần đượcxem xét trong việc thiết kế một ống phát bức xạ tia X Quá trình làm nguội cần thiết được thựchiện bằng cách làm lưu thông chất lỏng như là nước hoặc dầu chạy qua ống Bia đặt trong ốngthường được đúc với một tấm lót bằng đồng trong môi trường chân không để cho quá trình tiếpxúc nhiệt và để giải phóng nhiệt Mối nối giữa đồng và tungsten phải tốt Anode thường là rỗng

để cho phép chất lỏng làm nguội lưu thông tuần hoàn Phần lớn các ống phát bức xạ tia X hiệnđại thì anode được đặt vào một cái mũ Cái mũ này là một khối kim loại trùm lên anode có mộtkhe hở để cho phép chùm electron đi đến bia và sau đó thoát ra khỏi bia nếu mũ này nhận mộtnhiệt độ quá nóng và giới hạn bức xạ tia X phát ra phía ngoài chùm bức xạ hiệu dụng bằng quátrình hấp thụ Phần bia ở anode mà trên đó để chùm electron va đập vào được gọi là tiêu điểmphát bức xạ của ống phát bức xạ tia X

Để nhận được các ảnh bóng sắc nét, theo lý thuyết thì tiêu điểm phát bức xạ phải có kích thướccàng nhỏ càng tốt Nhưng trong thực tế nếu chế tạo một tiêu điểm phát bức xạ có kích thước nhỏ,chẳng hạn 1 × 1mm thì tuổi thọ của ống sẽ bị giảm xuống do sự bốc hơi của vật liệu làm bia Nếudiện tích của tiêu điểm phát bức xạ được mở rộng đến 3 × 1mm, tuổi thọ của ống có thể tăng lênkhoảng ba lần, nhưng nó không cho được độ sắc nét của ảnh bóng Để làm được điều này mộtcách lý tưởng, bia thường được đặt nghiêng với một góc 710 so với hướng truyền của chùmelectron Kết quả là làm giảm được kích thước hiệu dụng của tiêu điểm phát bức xạ mà khôngcần làm giảm kích thước thực tế của tiêu điểm phát bức xạ Tiêu điểm phát bức xạ được làm giảmxuống này được gọi là tiêu điểm quang học

Hình 3.2 Kích thước tiêu điểm phát bức xạ hiệu dụng so với tiêu điểm phát bức xạ thực tế.

Nếu kích thước thực tế của tiêu điểm phát bức xạ là 3mm × 1mm cùng với một góc nghiêng là

710, như trong hình 3.2 thì kích thước hiệu dụng của tiêu điểm phát bức xạ là :

6mmHg

Trong ống phát bức xạ tia X cần có một môi trường chân không cao để ngăn cản quá trình oxyhoá các vật liệu làm điện cực, để cho phép sẳn sàng truyền chùm electron không gây ra quá trìnhion hoá không khí ở trong ống và để cách điện giữa các điện cực

3.1.5 Đầu chiếu:

Toàn bộ ống phát bức xạ tia X được đặt trong một vỏ bọc bằng kim loại được lót với một lớp chì

đủ để giới hạn chùm bức xạ đi đến cổng phát Đầu chiếu thường chứa ống phát bức xạ tia X, bộbiến đổi cao thế và bộ biến thế cho sợi dây đốt nóng và được cách điện bằng dầu hoặc khí Ngoài

ra, vỏ kim loại được nối đất để loại trừ khả năng gây nguy hiểm bởi dòng điện do việc sử dụngđiện thế cao

3.1.6 Cửa sổ ống:

Chùm bức xạ tia X phát ra từ ống qua một cổng hoặc cửa sổ Góc khối của chùm bức xạ hình nónthường là 400 – 500 Cửa sổ thường được chế tạo bằng một vật liệu hấp thụ bức xạ thấp như là cáckim loại nhẹ có nguyên tử số thấp (chẳng hạn như là beryllium) Ngay bên dưới cửa sổ trong

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT CHƯƠNG 3 93 Chùm electron

71 0

vùng chùm tia hiệu dụng là một màn chắn, quá trình mở màn che chắn cho phép thay đổi đượckích thước hiệu dụng của chùm tia Trong hầu hết nhiều máy phát bức xạ tia X, một bộ lọc đượclàm bằng đồng có thể được gắn chặt vào màn chắn Bộ lọc bằng đồng này che chắn một phần bức

xạ tia X phát ra có năng lượng thấp, để tạo ra chùm tia hiệu dụng truyền qua mẫu vật kiểm tra cónăng lượng gần như đồng đều hơn

3.1.8 Các thiết bị điện và mạch điện:

Mạch điện Kearsley

Hình 3.3 Mạch tự chỉnh lưu.

H.T

R.V

Quá trình chỉnh lưu nửa chu kỳ - mạch điện và dạng sóng

Hình 3.4 Mạch điện valve đơn.

Trong một ống phát bức xạ tia X còn có thiết bị điện khác bao gồm :

(a) Một bộ biến đổi cao thế để cung cấp cao thế cần thiết

(b) Dụng cụ để điều chỉnh cao thế được áp vào giữa cathode và anode (chẳng hạn như númđiều chỉnh KV)

(c) Dụng cụ để điều chỉnh cường độ dòng điện chạy qua dây đốt nóng (chẳng hạn như númđiều chỉnh mA)

(d) Hệ thống ngắt tự động để bảo vệ cho thiết bị khỏi hư hỏng do nhiệt quá nóng, điện thếquá cao, cường độ dòng điện quá cao.v.v…

Trong một máy phát bức xạ tia X xách tay thì thường sử dụng một mạch tự chỉnh lưu (hình 3.3).Trong mạch này bức xạ tia X chỉ được phát ra trong một nửa chu kỳ của điện áp

Thông thường không có dòng điện nào đi từ anode của một ống phát bức xạ tia X đến cathode;nửa chu kỳ âm của dòng điện xoay chiều không đi qua ống mà chỉ có nửa chu kỳ dương được sửdụng Đối với mạch này thì cường độ dòng điện chạy qua ống phải được giữ thấp, vì nếu anodetrở nên quá nóng thì nó sẽ phát ra các electron theo hướng ngược lại (tương tác ngược trở lại) vìvậy sẽ gây ra sự hư hỏng dây đốt nóng của cathode

Trong một mạch đèn điện tử, hình 3.4 không xảy ra nguy cơ tương tác ngược và vì thế ống cóthể chịu được một công suất tải lớn hơn Hình 3.5 biểu diễn một sơ đồ mạch cho một mạch điệnVillard Khi dòng điện chạy theo hướng được chỉ bởi các đường mũi tên có nét đứt, điện tíchđược nạp vào hai tụ điện Khi dòng điện chạy theo hướng ngược lại thì nó sẽ chạy qua ống phátbức xạ tia X và được bổ sung thêm bởi quá trình phóng điện ra khỏi tụ điện

Một dạng mạch khác cũng được dùng cho các máy phát bức xạ tia X đó là mạch Graetz (hình3.6) Trong cả hai chu kỳ của bộ biến thế, dòng điện chạy qua ống phát bức xạ tia X có cùng mộthướng

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT CHƯƠNG 3 95

H.T

R.V Ống phát

bức xạ tia X

Điện thế của ống Cường độ dòng điện Điện thế khử

Trong mạch Greinacher (hình 3.7), tụ điện C1 được nạp điện trong một nửa chu kỳ (đường mũitên có nét liền) trong khi đó tụ điện C2 được nạp điện trong một nửa chu kỳ khác (đường mũi tên

có nét đứt) Ống phát bức xạ tia X được mắc song song với hai tụ điện này, mà bản thân hai tụđiện này được mắc nối tiếp với nhau; tạo ra một điện thế gấp đôi và chỉ dao động rất nhỏ

Hình 3.5 Mạch điện thế đôi Villard và dạng sóng.

+

-Hình 3.7 Mạch điện Greinacher.

3.1.9 Bảng điều khiển :

Ở nơi có mạch điện sử dụng điện thế cao, phải có một bảng điều khiển nếu nó có thể thay đổi và

đo được điện áp cao cho một ống phát bức xạ tia X và dòng điện chạy qua ống Biến số thứ ba

mà điều chỉnh được đó là liều chiếu Ở dải điện thế biết trước tổng hiệu suất phát ra từ một thiết

bị biết trước tỷ lệ với lượng dòng điện chạy qua ống, đó là tổng số milliampere giây (mA.s).Trong một số máy sử dụng dải điện thế lên đến megavoltage như là các máy linac, một buồng đobức xạ được đặt ngay đầu của máy nằm sát với bia mà sẽ đo được cả liều tích lũy và suất liều tứcthời và chuyển đổi những liều này thành những liều hấp thụ trên bề mặt của phim, nhưng nhữngthiết bị như thế là rất hiếm thấy hơn các thiết bị phát bức xạ tia X năng lượng thấp hơn Mộtphương pháp đo trực tiếp liều hấp thụ bức xạ tia X tổng cộng trên một mẫu vật hoặc phim hiếmkhi được sử dụng nhưng có thể cho được giá trị đáng kể Nó có thể tự động bổ sung cho dải caothế dao động nhỏ và dòng điện chạy qua ống trong quá trình chiếu chụp

Trong hầu hết các loại máy phát bức xạ tia X cũ hơn có các núm điều chỉnh cao thế, cường độdòng điện milliampere và thời gian chiếu và có thể thao tác bằng tay để lựa chọn các thông số đãbiết Tuy nhiên, các máy phát bức xạ tia X được thiết kế hiện nay thì những núm điều chỉnh nàyđược điều khiển qua một bộ vi xử lý

3.1.10 Số lượng và chất lượng của bức xạ tia X:

Phần lớn năng lượng của electron va đập được chuyển đổi thành nhiệt Trong ống phát bức xạ tia

X sử dụng điện thế thấp có 0.1% năng lượng của chùm electron được chuyển đổi thành bức xạ tia

X Các ống phát bức xạ tia X sử dụng điện thế 100KV hiệu suất phát bức xạ tia X tăng lên đượckhoảng 1% Ở 2MV thì nó có thể đạt đến 10% và ở 15MV có thể lớn hơn 50% Hiệu suất chuyểnđổi cũng phụ thuộc vào vật liệu làm bia, những vật liệu làm bia có nguyên tử số cao như tungsten

là tốt nhất.v.v…

Tóm lại, hiệu suất phát bức xạ tia X được cho bởi công thức E = K.V.Z trong đó V là điện áp, Z

là nguyên tử số của vật liệu làm bia và K là hằng số có giá trị bằng 10-7 đối với tungsten

Số lượng hoặc cường độ của bức xạ tia X được tạo ra phụ thuộc vào số electron va đập vào bianghĩa là cường độ dòng điện chạy qua ống Cường độ dòng điện chạy qua ống theo milliampere

có thể điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh số electron phát ra bởi sợi dây đốt nóng nghĩa là

bằng cách điều chỉnh nhiệt phát ra bởi dòng điện chạy qua dây đốt nóng Khi tăng cường độ dòngđiện milliampere sẽ làm tăng số electron mà có thể sử dụng để va đập vào bia Điều này sẽ làmtăng số lượng hoặc cường độ bức xạ tia X (hình 3.8) Khi thay đổi cường độ dòng điệnmilliampere sẽ không làm thay đổi bước sóng của bức xạ tia X được phát ra.

Hình 3.8 Ảnh hưởng của mA và KV lên hiệu suất phát bức xạ tia X.

Chất lượng hay năng lượng của bức xạ tia X phát ra phụ thuộc vào năng lượng của chùm electron

va đập vào bia Năng lượng của electron tương tác được điều chỉnh bởi một điện thế gia tốc tínhtheo đơn vị kilovolt (KV) Khi tăng điện thế (KV) lên, kết quả sẽ phát ra bức xạ tia X mạnh hơn(có khả năng xuyên sâu hơn) (hình 3.8)

3.1.11 Thiết bị phát bức xạ tia X hiện đại:

Nhiều quá trình phát triển đổi mới nhằm hướng tới việc sản xuất ra nhiều thiết bị phát bức xạ tia

X khác nhau

Nhiều loại máy phát bức xạ tia X phổ biến hiện nay có sẵn trên thị trường được kết hợp với nhaumột cách chặt chẽ

(a) Làm tăng bức xạ tia X phát ra cùng với kích thước tiêu điểm phát bức xạ nhỏ

(b) Có khả năng phát ra bức xạ tia X có năng lượng rất thấp và rất cao cùng với việc điềuchỉnh năng lượng bức xạ tia X được phát ra

(c) Thiết bị gọn nhẹ có thể xách tay và di chuyển được

(d) Có khả năng định hướng và bao quát một phạm vi rộng bức xạ tia X phát ra

(e) Thiết bị vận hành được dễ dàng và an toàn

Thiết bị phát bức xạ tia X được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau và có thể được phân loại nhưsau :

i) Thiết bị phát bức xạ tia X được định hướng :

Toàn bộ các thế hệ máy xách tay và di động có dải điện thế nằm trong khoảng từ 100KV đến400KV có sẵn trên thị trường Cao áp có thể thay đổi được liên tục hoặc từng bậc Góc phát củachùm tia thường là 400 nhưng trên thị trường cũng có các loại ống phát bức xạ tia X có các gócphát chùm tia khác nhau Kích thước hiệu dụng của tiêu điểm phát bức xạ thường thay đổi từ 0.5

Bước sóng Bước sóng

× 0.5 đến 4 × 4mm Dòng điện chạy qua ống nằm trong dải từ 5 đến 20mA phụ thuộc vào kíchthước của tiêu điểm phát bức xạ Thông thường, độ ổn định của cao áp và cường độ dòng điện đi

ra tương ứng với 1% và 0.5%

Các ống phát bức xạ tia X có hai tiêu điểm phát bức xạ cũng đã xuất hiện trên thị trường mà chotiêu điểm phát bức xạ có kích thước nhỏ sử dụng được sử dụng ở cường độ dòng điện chạy quaống thấp và tiêu điểm phát bức xạ có kích thước được sử dụng ở cường độ dòng điện chạy quaống cao Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện chương trình điều khiển các thiết bị phát bức xạ tia

X Điều khiển chương trình được thực hiện bằng một thẻ chương trình Các thiết bị chiếu chụp tựđộng có thể được sử dụng chung với những thiết bị này và không cần biết về bề dày mẫu vật vàvật liệu

ii) Các thiết bị phát bức xạ tia X toàn phương :

Các ống phát bức xạ tia X toàn phương sử dụng cao áp lên đến 300KV thường có góc phát chùmtia là 3600 × 300 Tiêu điểm phát bức xạ có dạng hình ellip và tiêu điểm phát bức xạ có các kíchthước hiệu dụng có thể là 4 × 1, 4.8 × 1, 5 × 1.5mm.v.v… cùng với cường độ chạy qua ống lênđến 15mA Những ống phát bức xạ tia X này đặc biệt hữu dụng cho chụp ảnh bức xạ kiểm tra cácmối hàn vòng trong các ống có đường kính lớn Cũng có thể tạo ra chùm tia được định hướngbằng cách sử dụng các vòng chắn thường đi kèm với những ống phát bức xạ tia X này

Hiện nay còn có các loại ống phát bức xạ tia X toàn phương sử dụng anode thanh Nó có thể tạo

ra các góc định hướng chùm tia là 900, 1200, 1800 và 3600 (được định hướng vuông góc vớianode) bằng cách sử dụng một màn chắn gắn chặt với các ống phát bức xạ tia X như vậy Kíchthước của tiêu điểm phát chùm bức xạ có đường kính là 5mm có dòng chạy qua ống là 6mA.iii) Các máy gia tốc tuyến tính dùng trong chụp ảnh bức xạ :

Để chụp ảnh bức xạ kiểm tra các mẫu vật dày, cần phải có các bức xạ tia X có năng lượng đếnMeV Hiện nay yêu cầu này có thể đáp ứng được với khả năng sử dụng các máy gia tốc để chụpảnh bức xạ Năng lượng của bức xạ tia X có thể được thay đổi một cách dễ dàng từ 1MeV đến2.5MeV thích hợp cho kiểm tra các mẫu vật bằng thép có bề dày nằm trong khoảng từ 2 đến20cm Tiêu điểm phát bức xạ có kích thước là 2.5 × 2.5mm và có thể chụp ảnh được một mẫu vậtbằng thép có bề dày 10cm trong một phút Có thể chụp ảnh bức xạ ở các góc phát chùm tia 150,

300, 450 và 3600 Dòng điện tạo ra chùm electron có thể thay đổi được từ 0.01 đến 0.25mA (choliều hấp thụ cực đại là 170rad/phút ở tại 1m) Các máy gia tốc tuyến tính khác dùng trong chụpảnh bức xạ cũng được sản xuất ra có năng lượng bức xạ tia X phát ra 4MeV và 8MeV thích hợpcho việc chụp ảnh bức xạ kiểm tra các mẫu vật bằng thép có bề dày lên đến 38cm Có thể phát rabức xạ tia X nằm trong các góc hình nón 150 và 400 Đường kính tiêu điểm phát bức xạ cực đại là2mm Thế hệ sau máy gia tốc tuyến tính được cải tiến (Linatron 2000) có thể chọn lựa được nănglượng bức xạ tia X hoặc là 5,5MeV, 8MeV hoặc 10MeV từ núm điều chỉnh ở trên bảng điềukhiển Bức xạ tia X phát ra có năng lượng 8MeV cho liều hấp thụ là 2000 rad trong một phút ởtại 1 mét

iv) Máy phát bức xạ tia X có tiêu điểm phát bức xạ cực nhỏ :

Độ nét hình học (độ xác định của ảnh chụp bức xạ trên phim) bị ảnh hưởng xấu trong các điềukiện chụp ảnh mà không cho phép FSD lớn (khoảng cách từ nguồn đến phim) và OFD nhỏ(khoảng cách từ mẫu vật đến phim) Điều này có thể khắc phục được một cách đáng kể bằngcách sử dụng các ống phát bức xạ tia X có tiêu điểm phát chùm bức xạ rất nhỏ Hãng Magnaflux

đã sản xuất ra một máy phát bức xạ tia X có tiêu điểm phát bức xạ cực nhỏ Ống phát bức xạ tia

X làm bằng ceramic nhẹ và nhỏ cho phép tiêu điểm phát bức xạ có kích thước biến thiên từ

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT CHƯƠNG 3 99

0.05mm đến 0.5mm Chùm electron được làm hội tụ trên bia tungsten bởi sự trợ giúp của điệncực làm hội tụ Kích thước của tiêu điểm phát bức xạ có thể thay đổi được bằng cách làm thayđổi điện thế dịch trên điện cực làm hội tụ Máy phát bức xạ tia X 100KV mới này có thể hoạtđộng với cường độ dòng điện cực đại là 1mA Ống chính có thể dễ dàng di chuyển qua một khe

hở có đường kính 10cm Thiết bị này được sử dụng để kiểm tra các mối hàn được hàn bằng chùmelectron nằm trong thân máy được đặt trong các động cơ phản lực TFE31

v) Các ống phát bức xạ tia X dạng xung (Flash X-ray):

Một chùm electron có cường độ rất cao được tạo ra bởi một trường phát xạ từ một cathode kimloại có bán kính nhỏ bằng cách áp vào một xung điện thế cao trong một khoảng thời gian rấtngắn Chiều dài xung phải được đặt là một vài micro giây và các xung được phát ra bởi một tụđiện, bộ chuyển đổi xung và khoảng đánh lửa áp suất cao, cùng với một mạch điện có độ tự cảmrất thấp Xung bức xạ tia X này va đập vào bia phát ra những xung bức xạ tia X rất ngắn nhưngrất mạnh Ống và máy phát bức xạ tia X đã được chế tạo cho mục đích này hoạt động ở dải điệnthế 100 – 200KV tạo ra được các xung bức xạ tia X lên đến 1R ở tại khoảng cách là1m Thiết bịđược tạo ra có trọng lượng nhẹ và xách tay được và ống được cho có tuổi thọ là 106 xung

Nhiều thiết bị phát bức xạ tia X dạng xung lớn hơn cũng đã được chế tạo cho các mục đích đặcbiệt như là nghiên cứu về đạn đạo học Có một số máy hoạt động đến dải điện thế megavolt và sửdụng ống phát bức xạ tia X “một lần chụp” Quá trình làm tăng điện thế được thực hiện bởinhững tụ điện dùng để tích khi được mắc song song với nhau và để phóng điện thì chúng đượcmắc nối tiếp với nhau Khoảng đánh lửa được sử dụng để nối từ các tụ điện từ mắc song songsang các tụ điện được mắc nối tiếp Một hoặc hai trong các khoảng đánh lửa được kích phát bởimột tín hiệu điện thế thấp và phần còn lại được nạp tải quá mức bởi những điện thế xuất hiện tứcthời chạy trong máy phát Các tụ điện, khoảng cách đánh lửa và hệ thống nạp điện được được lắpvào một thùng bằng thép được nối đất Thùng thép có thể được điều áp để làm tăng khả năngcách điện và điều chỉnh để hạ thấp điện thế cho khoảng đánh lửa được đặt cố định Các số liệuđiển hình cho các loại máy phát bức xạ tia X này là : Phát ra một điện thế 250 – 600KV, cường

độ đỉnh của dòng điện 10000A, độ dài xung 20ns, khối lượng 300kg

Hệ thống điện cực được sử dụng là một loại cổ điển để phát ra bức xạ tia X tức thời có tiêu điểmrất nhỏ, gồm có một anode làm bằng tungsten có dạng hình nón và một cathode phát xung làmbằng thép không rỉ có dạng hình nhẫn rỗng Các ống này thường hoạt động tại một áp suất khôngkhí dư nhỏ hơn 10-6torr

vi) Betatron :

Nguyên tắc hoạt động của máy này là để gia tốc các electron theo một quỹ đạo tròn bằng cách sửdụng một từ trường biến đổi Các electron được gia tốc trong một buồng chân không hình vànhkhăn hoặc hình xuyến mà được đặt giữa hai cực của một nam châm điện mạnh Một dòng điệnxoay chiều được áp vào trong các cuộn dây đốt nóng của một nam châm điện và khi đó xuất hiện

từ thông đi qua giá trị 0 của nó trong một thời gian ngắn các electron sinh ra đột ngột phóng vàoống Khi từ thông tăng lên thì các electron được gia tốc và được định hướng chuyển động theoquỹ đạo tròn Từ trường có hai chức năng đó là gia tốc các electron và định hướng electronchuyển động theo một quỹ đạo thích hợp và vì thế các electron luôn luôn chuyển động theo mộtquỹ đạo ổn định Hai yếu tố này cần được cân xứng sao cho từ trường định hướng tại quỹ đạotăng lên đến một tốc độ thích hợp Quá trình gia tốc liên tục được giữ vững với điều kiện là từthông tăng lên cho đến khi đạt đến đỉnh của sóng, tại điểm này các electron chuyển động ra khỏiquỹ đạo, hoặc bên trong hoặc bên ngoài đường tròn của hình xuyến trước khi va đập vào bia, saocho chiều dài quãng đường gia tốc rất lớn và những điều kiện chân không được yêu cầu theo các

kết quả rất nghiêm ngặt Bức xạ được phát ra từ các máy gia tốc betatron theo một chuổi cácxung ngắn Để tăng cường độ trung bình của bức xạ lên thì một số máy hoạt động ở một tần sốcao hơn tần số trung bình Hầu như tất cả các máy gia tốc betatron được thiết kế để sử dụng trongcông nghiệp phát ra bức xạ có năng lượng nằm trong khoảng 15 đến 31MeV Thông thường, cácmáy gia tốc betatron có kích thước phát bức xạ nhỏ điển hình là khoảng 0.2mm nhưng suất liềuphát bức xạ tia X thấp Các máy được thiết kế có dải năng lượng cao hơn để nhận được suất liềuphát cao hơn, nhưng các máy này có những nhược điểm là kích thước trường phát xạ tia X bị giớihạn.

vii) Microtron :

Một máy gia tốc thứ ba thay thế cho betatron và linac nhằm để phát ra các electron năng lượngcao đó là máy gia tốc microtron Đây là một dạng máy gia tốc các electron theo quỹ đạo tròn màtrong đó các electron được gia tốc bởi một từ trường trong một bộ cộng hưởng sóng cực ngắn(sóng vi ba) (bộ phát dao động điện cao tần) mà được đặt trong một từ trường đồng nhất sao chocác vòng quỹ đạo của electron hình thành một họ vòng tròn các vòng tròn này thường có đườngtiếp tuyến theo bộ cộng hưởng Súng electron được đặt sát với hốc đi vào của bộ cộng hưởng vàtạo ra các xung electron Từ trường, tần số sóng cực ngắn (sóng vi ba) và năng lượng khuếch đạitrên quỹ đạo phải có mối quan hệ mật thiết với nhau sao cho các electron quay lại đến bộ cộnghưởng theo pha để nhận được một quá trình gia tốc khác Trong máy gia tốc Klystron hoạt động

ở năng lượng 8MeV thì đạt được một suất liều phát là 6000R/phút tại 1mét, nhưng mặc dù vậymột số máy gia tốc microtron được chế tạo vào những năm 1960 rất ít được dùng trong côngnghiệp so với số lượng máy gia tốc linac

Cườngđộdòngđiện(mA)

Tiêu điểmphát bức

xạ (mm)

Suất liềuphát(R/phút)tại 1m

Bề dày kiểm tracực đại (cm)

Cườngđộdòngđiện(mA)

Tiêu điểmphát bức

xạ tại 1m(mm)

Suất liềuphát(R/phút)

Bề dày kiểm tracực đại

(HT Cable)

Laboratory

G.E Resonance

Van de - Graaf 3000 3600 0.35 2.5 × 2.5 350 30

-Linatron 400 4000 900 - 2 500 30

-Linatron 2000A 3000 990 - 2 2000 38

-Linatron 6000 15000 3900 - 3 6000 46

-Betatron 18000 2000 - 0.2 × 0.2 100 50

-3.1.13 Phân loại và lựa chọn thiết bị phát bức xạ tia X :

Thiết bị phát bức xạ tia X thường được phân loại theo hiệu điện thế của nó Vì năng lượng hoặc khả năng xuyên sâu là một hàm theo hiệu điện thế, do đó điện thế là chỉ ra năng suất của thiết bị Theo quan điểm thực tế, quá trình phân loại thiết bị phát bức xạ tia X có thể được phân loại theo loại dùng trong phòng thí nghiệm, loại di động, loại xách tay và loại được đóng kín Những thiết

bị dùng trong phòng thí nghiệm có khuynh hướng được đặt trong một phòng ngăn cách với các tường bê tông hoặc ngăn cách bằng chì lâu dài Thường có hiệu điện thế không đổi Thiết bị di động được thiết kế để di chuyển bên trong hoặc giữa những công trình Thiết bị xách tay được thiết kế để vận chuyển đến hầu hết bất cứ vị trí nào bằng nhiều cách Thiết bị này thường nhỏ và

có khối lượng nhẹ Đầu chiếu chứa biến áp cao thế và ống phát bức xạ tia X Trong đầu chiếu người ta sử dụng dầu hoặc khí cách điện, nếu sử dụng dầu nó sẽ được bơm vào xung quanh đầu chiếu để giải nhiệt Trong hầu hết các máy phát bức xạ tia X đều dự trù sẵn một thiết bị làm nguội thứ cấp bằng nước để làm nguội dầu biến áp trong đầu chiếu Một số máy phát bức xạ tia

X có chu kỳ làm việc gián đoạn do đó không cần đến thiết bị làm nguội phụ này Các máy phát bức xạ tia X loại kín gồm một vỏ chì chứa ống phát tia X và kèm theo một màn huỳnh quang cho quá trình kiểm tra bằng kỹ thuật soi ảnh trên màn huỳnh quang

Sự lựa chọn một thiết bị phát bức xạ tia X phụ thuộc chủ yếu bởi loại công việc cần thực hiện Một số khía cạnh cần phải quan tâm đến khi lựa chọn thiết bị, sẽ được trình bày tóm tắt dưới đây Chất lượng bức xạ phát ra từ máy hoặc hiệu điện thế kV sẽ xác định được nó có thích hợp để kiểm tra một vật liệu có một bề dày nào đó hay không Cường độ bức xạ hoặc cường độ dòng điện mA sẽ xác định được khoảng thời gian chiếu chụp trong bao lâu cần để kiểm tra một vật liệu mong muốn Kích thước tiêu điểm phát bức xạ sẽ quyết định được khả năng phát hiện được các khuyết tật nhỏ của máy phát bức xạ tia X đối với các quá trình cần có ảnh bức xạ chất lượng tốt Chu kỳ làm việc và dạng làm nguội sẽ xác định được tuổi thọ và hiệu suất làm việc của máy Khối lượng, kích thước của máy và hình dạng của chùm tia bức xạ phát ra là các yếu tố quan trọng khác cần được xem xét thêm Những yếu tố này sẽ xác định được bất cứ các loại máy phát bức xạ tia X nào thích hợp trong việc đưa vào các vị trí cần chụp ảnh bức xạ mong muốn Độ mở rộng của chùm tia xác định được diện tích trên mẫu vật kiểm tra được trong một lần chiếu chụp Giá thành của thiết bị có thể là điều quan tâm cuối cùng trong quá trình lựa chọn thiết bị

3.2 THIẾT BỊ VÀ CÁC NGUỒN PHÁT BỨC XẠ GAMMA

Hầu hết các nguồn đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma có khả năng xuyên thấu lớn, chúng đặc biệt rất có lợi khi thực hiện chụp ảnh bức xạ kiểm tra các mẫu vật có bề dày lớn và mật độ cao vượt ra khỏi dải mà các thiết bị phát bức xạ tia X thường thực hiện Các nguồn phát bức xạ

gamma ít khi được sử dụng để kiểm tra các loại hợp kim nhẹ và thường bị giới hạn về độ nhạy.Hầu hết các khái niệm liên quan đến các đồng vị phóng xạ như: chúng là gì, chúng được tạo ranhư thế nào, hoạt độ phóng xạ, sự phân rã phóng xạ, chu kỳ bán rã, hoạt độ riêng của các đồng vịphóng xạ, loại bức xạ được phát ra, quá trình tương tác và sao đó là quá trình hấp thụ các bức xạnày bởi vật chất và các tính chất chung của các loại bức xạ này Những khái niệm này đã đượctrình bày trong chương 2.

Trong chương này sẽ trình bày về các loại đồng vị phóng xạ được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ

và chúng được sử dụng ra sao

3.2.1 Các nguồn phát bức xạ gamma:

Các đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến được liệt kê ở dưới đây theo các đặc tính của chúngnhằm để so sánh Dải bề dày gần đúng của các vật liệu kiểm tra được bằng chụp ảnh bức xạ, sửdụng một loại nguồn phóng xạ nào đó cũng được cho dưới đây Mặc dù các nguồn phát bức xạgamma có thể xuyên qua các mẫu vật có bề dày lớn hơn nhưng phải cần một thời gian chiếu rấtdài

3.2.1.1 Các đồng vị phóng xạ có trong tự nhiên :

Trước khi xuất hiện các loại nguồn phóng xạ được chế tạo bằng phương pháp nhân tạo, thìradium là loại nguồn phóng xạ tự nhiên được sử dụng phổ biến nhất để chụp ảnh bức xạ gamma

Nó có chu kỳ bán rã rất dài : 1590 năm và có hiệu suất phát bức xạ tương đối lớn Ngày nay nó

đã được thay thế hoàn toàn bởi các đồng vị phóng xạ nhân tạo rẽ tiền hơn nhiều và việc sử dụng

nó trong công nghiệp chỉ còn mang ý nghĩa lịch sử Tuy nhiên, một nguồn radium chứa khoảng

200 đến 250mg một nguyên tố có dạng muối kim loại, được hàn kín trong một vỏ bọc làm bằngbạch kim Phát ra bức xạ ưu tiên có năng lượng là 0.6, 1.12 và 1.76MeV có khả năng chụp ảnhbức xạ tương đương với các máy tia X hoạt động trong dải điện thế 1000 – 2000KV Chu kỳ bán

rã là 1590 năm và nguồn này có thể sử dụng để chụp ảnh bức xạ cho các mẫu vật bằng thép dày

từ 5 đến 15cm Một Curie của nguồn phát ra một liều chiếu 0.83 roentgen trên 1 giờ tại một mét

3.2.1.2 Các nguồn đồng vị tạo ra bằng phương pháp nhân tạo :

Các đồng vị phóng xạ sử dụng trong chụp ảnh bức xạ là những đồng vị phóng xạ được tạo rabằng phương pháp nhân tạo Một số trong những đồng vị phóng xạ này được tạo ra bằng cáchdùng neutron ở trong lò phản ứng hạt nhân kích hoạt vào nó Hầu hết các nguồn phóng xạ gammađược tạo ra theo phản ứng (n,γ) Phản ứng (n,γ) này chủ yếu là phản ứng neutron nhiệt

Hạt nhân của nguyên tố bị kích hoạt sẽ bắt neutron và chất được tạo ra là một đồng vị phóng xạcủa nguyên tố ban đầu Ví dụ :

Iridium – 192, Thulium – 170 và Ytterbium – 169 cũng được tạo ra theo phương pháp này Hoạt

độ riêng của các đồng vị phóng xạ được tạo ra bằng phương pháp kích hoạt neutron được tínhtheo công thức:

( )

A 10 7 3

e 1 6

0

× Φ

×

Trong đó:

a là hoạt độ riêng (Ci/g)

Φ là thông lượng neutron của lò phản ứng (n/cm2)

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT CHƯƠNG 3 103