Nghiên cứu công nghệ soi bằng tia x quang và cải thiện ứng dụng trong công tác phát hiện thuốc nổ

Hiện tại có 2 loại máy quét đang được triển khai là loại “Sóng milimet” dùng công nghệ vô tuyến điện với bức xạ không ion hóa nhằm tạo ra các hình ảnh 3 chiều và máy quét tán xạ ngược sử

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SOI BẰNG TIA X-QUANG VÀ CẢI THIỆN ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TÁC PHÁT HIỆN

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất cứ công trình nào

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

VƯƠNG VĂN HOÀNG

iv

LỜI CẢM ƠN

Qua luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Phùng – Viện Đại học Mở Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, động viên, định hướng, hướng dẫn tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn các giảng viên trong Viện Đại học Mở Hà Nội đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong hai năm học qua, cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu của mình, mặc dù được sự hướng dẫn rất nhiệt tình và đầy trách nhiệm của TS Lê Văn Phùng và các thầy cô giáo trong Viện Đại học Mở Hà Nội cùng với sự nỗ lực của cá nhân nhưng cũng không thể tránh được những thiếu sót Tác giả chân thành mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Quý Thầy, Cô và các bạn bè đồng nghiệp

Trân trọng cảm ơn

Vương Văn Hoàng

v

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU 2

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ soi chiếu 2

1.2 Các công nghệ soi chiếu phổ biến 5

1.2.1 Các phương pháp soi chiếu phổ biến 5

1.2.2 Các phương pháp kiểm tra không phá hủy - NDT 5

1.2.3 Kỹ thuật soi chiếu bằng chụp ảnh phóng xạ RT (Radio Graphic Test) 6

1.2.4 Hệ thống kiểm tra bằng tia X, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp có sự trợ giúp của máy tính (CT) 7

1.2.5 Nguyên lý của kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT 8

1.2.6 Phân loại các phương pháp quét ảnh theo thế hệ máy CT Scanner 8

1.2.7 Quá trình tái tạo và xử lý ảnh CT 12

1.3 Khả năng tương tác của bức xạ ion hóa đối với vật chất 14

1.3.1 Hiệu ứng quang điện 14

1.3.2 Hiệu ứng Compton 15

1.3.3 Hiệu ứng tạo cặp photon 17

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 18

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU BẰNG TIA X QUANG19 2.1 Những nét chung nhất về công nghệ soi chiếu bằng tia X quang 19

2.1.1 Tia X quang 19

2.1.2 Các đặc trưng của công nghệ soi chiếu bằng tia X quang 19

2.1.3 Ưu thế của công nghệ soi chiếu bằng tia X so với các phương tiện khác 21

2.1.4 Một số ứng dụng của tia X 26

vi

2.2 Công nghệ soi chiếu tán xạ ngược (Backscatter) 27

2.2.1 Khái niệm tán xạ ngược 27

2.2.2 Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ soi chiếu tán xạ ngược 28

2.3 Máy soi chiếu công nghệ tán xạ ngược 31

2.3.1 Cấu tạo của máy soi chiếu tán xạ ngược 32

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý của máy soi chiếu tán xạ ngược 36

2.3.3 Các chức năng phần mềm cài đặt trong máy soi chiếu tán xạ ngược 37

2.3.4 Mô tả các xử lý thông tin trong máy soi chiếu tán xạ ngược 52

KẾT LUẬN CHƯƠNG II 55

CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÁN XẠ NGƯỢC ĐỂ PHÁT HIỆN THUỐC NỔ TRONG CÔNG TÁC AN NINH 56

3.1 Công tác kiểm tra an ninh hành lý, người, địa điểm và phương tiện giao thông 56

3.1.1 Mục đích, yêu cầu 56

3.1.2 Công tác kiểm tra an ninh địa điểm 56

3.1.3 Công tác kiểm tra an ninh hành lý và người 58

3.1.4 Công tác kiểm tra an ninh phương tiện giao thông 59

3.2 Mục tiêu ứng dụng công nghệ tán xạ ngược để phát hiện thuốc nổ trong công tác an ninh 60

3.3 Các khả năng xử lý thông tin thông minh của phần mềm trong các máy soi chiếu sử dụng công nghệ tán xạ ngược 61

3.4 Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng công nghệ tia X quang trong công tác kiểm tra an ninh 61

3.5 Một số giải pháp nâng cao tính năng phát hiện chất nổ qua phần mềm soi chiếu bằng tia x quang 62

KẾT LUẬN CHƯƠNG III 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 94

Phụ lục I - Lịch sử của công nghệ soi chiếu 94

Phụ lục II - Một số ứng dụng của tia X 98

vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CT Computed Tomography Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp có

sự trợ giúp của máy tính

DT Destructive Testing Phương pháp kiểm tra phá hủy

ET Eddy Current Testing Phương pháp dòng xoáy

FAST Future Attribute Screening

Technology Công nghệ kiểm tra thuộc tính tương lai FIR Finite Impulse Response Bộ lọc thông thấp

IATA International Air Transport

Association Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế

MT Magnetic particle test Phương pháp hạt từ

MRI Magnetic

Resonance Imaging Ảnh cộng hưởng từ

NDT Non Destructive Testing Phương pháp kiểm tra không phá hủy

RT Radiographic test Phương pháp chụp ảnh phóng xạ

VT Visual testing Phương pháp kiểm tra bằng mắt

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng các chế độ của màn hình quét 39

Bảng 2 Bảng các chế độ của màn hình bộ sưu tập 41

Bảng 3 Bảng các chế độ xem hình ảnh của màn hình review 42

Bảng 4 Bảng chế độ tìm kiếm hình ảnh của màn hình review 43

Bảng 5 Bảng biểu thị Màn hình khôi phục 45

Bảng 6 Bảng biểu thị Màn hình sao lưu 46

Bảng 7 Bảng biểu thị Màn hình cài đặt chung 46

Bảng 8 Bảng biểu thị Màn hình cài đặt người dùng 47

Bảng 9 Bảng biểu thị Màn hình cài đặt chính sách 48

Bảng 10 Bảng biểu thị Màn hình trạng thái tổng quan 50

Bảng 11 Bảng biểu thị Màn hình trạng thái chi tiết 51

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Hành khách gần như "trần trụi" khi đi vào máy quét 2

Hình 1 2 Ảnh chụp X-quang tay người đeo nhẫn 4

Hình 1 3 Sơ đồ khối của hệ thống máy quét CT 8

Hình 1 4 Máy CT thế hệ thứ nhất 8

Hình 1 5 Máy CT thế hệ thứ hai 9

Hình 1 6 Máy CT thế hệ thứ ba 10

Hình 1 7 Máy CT thế hệ thứ tư 10

Hình 1 8 Sơ đồ quét của Spiral CT (thế hệ máy CT thứ năm) 11

Hình 1 9 Sự thay đổi của dạng chùm tia X 12

Hình 1 10 Mô hình hiệu ứng quang điện 15

Hình 1 11 Mô hình tán xạ compton 16

Hình 1 12 Sự phân tách photon 17

Hình 1 13 Mô hình hiệu ứng tạo cặp 17

Hình 1 14 Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng 17

Hình 2 1 Các loại sóng điện từ 19

Hình 2 2 Chụp ảnh X-quang hai bàn tay con người 21

Hình 2 3 Một số hình ảnh đồ vật soi chiếu đồ vật thực tế 23

Hình 2 4 Một số hình ảnh đồ vật của công nghệ soi chiếu bằng tia X 26

Hình 2 5 Sơ đồ tổng quan công nghệ tán xạ ngược 28

Hình 2 6 Hình ảnh tán xạ ngược trong kiểm tra an ninh 28

Hình 2 7 Hình ảnh công nghệ FAST 29

Hình 2 8 Hình ảnh công nghệ sinh trắc học 30

Hình 2 9 Hình ảnh hệ thống quản lý cơ sở hạ tầng 30

Hình 2 10 Hình ảnh minh họa mô hình đào tạo quân sự mô phỏng 31

Hình 2 11 Mức độ hiển thị hình ảnh của công nghệ tán xạ ngược 31

Hình 2 12 Thiết bị soi chiếu tán xạ ngược cố định 32

x

Hình 2 13 Thiết bị soi chiếu tán xạ ngƣợc xách tay 32

Hình 2 14 Thiết bị soi chiếu tán xạ ngƣợc di động 32

Hình 2 15 Nguồn phát tia X 33

Hình 2 16 Hình ảnh mặt soi quét 33

Hình 2 17 Máy quét 34

Hình 2 18 Máy tính bảng 34

Hình 2 19 Nguồn máy quét 35

Hình 2 20 Nguồn máy tính bảng 35

Hình 2 21 Một số biểu tƣợng cảnh báo trên thiết bị 36

Hình 2 22 Cảnh báo trạng thái thiết bị 36

Hình 2 23 Sơ đồ nguyên lý của máy soi chiếu tán xạ ngƣợc 37

Hình 2 24 Màn hình hiển thị của phần mềm 38

Hình 2 25 Phím chức năng change password 38

Hình 2 26 Phím chức năng logout 38

Hình 2 27 Phím chức năng exit 39

Hình 2 28 Phím chức năng scan screen 39

Hình 2 29 Màn hình chức năng scan 39

Hình 2 30 Màn hình chức năng gallery 41

Hình 2 31 Phím chức năng review screen 41

Hình 2 32 Màn hình chức năng review 42

Hình 2 33 Màn hình chức năng tìm kiếm 43

Hình 2 34 Phím chức năng delete screen 43

Hình 2 35 Màn hình chức năng delete 44

Hình 2 36 Phím chức năng restore screen 44

Hình 2 37 Màn hình chức năng restore 44

Hình 2 38 Phím chức năng backup screen 45

Hình 2 39 Màn hình chức năng backup 45

Hình 2 40 Phím chức năng settings screen 46

Hình 2 41 Màn hình chức năng setting general 46

Hình 2 42 Màn hình chức năng setting users 47

xi

Hình 2 43 Màn hình chức năng setting policies 48

Hình 2 44 Phím chức năng help applications 49

Hình 2 45 Phím chức năng wifi connection 49

Hình 2 46 Phím chức năng status screen 49

Hình 2 47 Màn hình chức năng status overview 50

Hình 2 48 Màn hình chức năng status details 51

Hình 2 49 Biểu tượng kết nối ethernet 52

Hình 2 50 Biểu tượng kết nối wifi 53

Hình 2 51 Sơ đồ kết nối cable Ethernet 53

Hình 2 52 Cable ethernet góc vuông 53

Hình 2 53 Màn hình kết nối wifi 54

Hình 3 1 Các toán tử gờ sai phân 67

Hình 3 2 Quá trình phát hiện và lưu trữ ảnh 69

Hình 3 3 Kỹ thuật lọc 70

Hình 3 4 Mô hình nơron nhân tạo 72

Hình 3 5 Ảnh máy sấy tóc ở chế độ soi chiếu thông thường 73

Hình 3 6 Ảnh âm bản của máy sấy tóc 74

Hình 3 7 Ảnh của cùng một máy sấy tóc được gán màu giả 74

Hình 3 8 Ảnh đa năng lượng 74

Hình 3 9 Ảnh X-quang của hợp chất và hỗn hợp có trong vali 75

Hình 3 10 Chức năng đảo ảnh âm bản 76

Hình 3 11 Chức năng tăng cường độ tương phản 76

Hình 3 12 Chức năng độ đâm xuyên cao 76

Hình 3 13 Chức năng biến đổi góc ảnh 77

Hình 3 14 Chức năng biến đổi màu sắc 77

Hình 3 15 Chức năng biến đổi độ đậm đặc 78

Hình 3 16 Chức năng phân biệt vô cơ 78

Hình 3 17 Ảnh chụp từ máy ảnh và ảnh chụp x quang 79

Hình 3 18 Ảnh chụp từ máy ảnh ở các vị trí khác nhau 79

Hình 3 19 Ảnh chụp từ máy ảnh ở các góc khác nhau 80

xii

Hình 3 20 Ảnh chụp x quang của máy ảnh ở các góc đặt khác nhau 80

Hình 3 21 Ảnh chụp x quang của máy nghe đĩa CD ở các góc đặt khác nhau 80

Hình 3 22 Ảnh chụp x quang của thú nhồi bông 81

Hình 3 23 Ảnh chụp x quang một số loại dao 81

Hình 3 24 Ảnh chụp x quang súng côn 81

Hình 3 25 Ảnh chụp x quang các loại súng 82

Hình 3 26 Ảnh chụp X-quang súng côn ở các góc chụp khác nhau 82

Hình 3 27 Ảnh chụp X-quang súng P64 ở các góc chụp khác nhau 82

Hình 3 28 Ảnh chụp X-quang súng dài ở các góc chụp khác nhau 83

Hình 3 29 Ảnh chụp X-quang súng bút ở các góc chụp khác nhau 83

Hình 3 30 Ảnh chụp X-quang súng AK ở các góc chụp khác nhau 83

Hình 3 31 Ảnh chụp X-quang súng dài ở các góc chụp khác nhau 83

Hình 3 32 Ảnh chụp X-quang các bẫy nổ 84

Hình 3 33 Ảnh chụp X-quang hành lý có bom 84

Hình 3 34 Ảnh chụp X-quang máy quay video 85

Hình 3 35 Hình ảnh mẫu 1 86

Hình 3 36 Hình ảnh mẫu 2 86

Hình 3 37 Hình ảnh mẫu 3 87

Hình 3 38 Hình ảnh mẫu 4 87

Hình 3 39 Hình ảnh mẫu 5 88

Hình 3 40 Hình ảnh mẫu 6 88

Hình 3 41 Hình ảnh mẫu 7 89

Hình 3 42 Hình ảnh mẫu 8 89

Hình 3 43 Hình ảnh mẫu 9 90

Hình 3 44 Hình ảnh mẫu 10 90

Hình 3 45 Hình ảnh mẫu 11 91

Hình 3 46 Hình ảnh mẫu 12 91

xiii

1

MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh tình hình an ninh trên thế giới và khu vực diễn biến rất phức tạp Các hoạt động khủng bố đã diễn ra tại nhiều nước trong khu vực: Inđônexia, Philippin, Thái Lan, và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia, nhất là sau sự kiện 11/09/2001 xảy ra tại Mỹ

Ở Việt nam, an ninh chính trị cơ bản được giữ vững, ổn định Song lợi dụng bối cảnh quốc tế và khu vực xuất hiện nhiều yếu tố bất ổn, có những tác động nhất định đến tình hình trong nước, các thế lực thù địch, bọn phản động, các phần tử bất mãn được sự hậu thuẫn và kích động từ bên ngoài luôn có âm mưu và hoạt động chống phá Nhà nước ta, tổ quốc ta, nhằm gây mất ổn định chính trị, phá hoại môi trường phát triển kinh tế, phá hoại chính sách đối ngoại rộng mở của đất nước và là một thách thức nói chung của lực lượng An ninh

Mặt khác, quá trình ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu khoa học kỹ thuật và công nghệ vào lĩnh vực bảo vệ an ninh đã tăng thêm rất nhiều khả năng phòng ngừa, ngăn chặn các hoạt động phá hoại, khủng bố tại nhiều khu vực khác nhau Việc nghiên cứu, khai thác các thiết bị có công nghệ mới là yêu cầu đặt ra, đòi hỏi mang tính cấp thiết đối với lực lượng An ninh

Đề tài "Nghiên cứu công nghệ soi bằng tia X quang và cải thiện ứng

dụng trong công tác phát hiện thuốc nổ" được xây dựng trong bối cảnh với

mục tiêu trên nhằm giữ vững an ninh và sự phát triển ổn định cho đất nước

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU

1.1 Lịch sử phát triển công nghệ soi chiếu

Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người dần tiến bộ và hiện đại, kéo theo đó là sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật Các công trình nghiên cứu khoa học mới lần lượt ra đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu của con người Thời đại ngày nay - thời đại của tầm cao trí tuệ, mọi sản phẩm sinh hoạt của con người đều là những ứng dụng tinh tế của các phát minh khoa học Mỗi ngành khoa học đều có những ứng dụng cụ thể trong một số lĩnh vực nhất định Vật lý học là ngành

đã cống hiến cho nhân loại những phát minh mà tác dụng của nó đối với đời sống quả là không nhỏ

Đối với các chuyên gia an ninh bảo mật thì công nghệ an ninh tại các nơi công cộng (đặc biệt như ở sân bay, quảng trường…) ngày càng phải phát triển và việc soi chiếu chi tiết là điều cần thiết và được áp dụng một cách hợp lý Một số tổ chức nhân quyền như Privacy International của nước Anh cho rằng với hành động soi chiếu cơ thể con người đang bị đối xử thậm tệ tại các sân bay Công nghệ bảo mật và soi chiếu sàng lọc phải tiếp tục phát triển và thích ứng với nhiều rủi ro tiềm tàng và nhất là các mối đe dọa ngày càng tinh vi

Hình 1 1 Hành khách gần như "trần trụi" khi đi vào máy quét

Theo một cuộc khảo sát được tiến hành bởi Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc

tế (IATA), đối với các hành khách thì an ninh hàng không là một trong những điều được quan tâm hàng đầu trong hầu hết mọi chuyến đi Không chỉ các sân bay nhận ra điều này, nhiều công ty công nghệ đang nỗ lực mang đến những thay đổi mới trong việc hạn chế tiếp xúc với con người, khả năng soi chiếu hành lý chi tiết hơn trong khi vẫn duy trì được mức độ giám sát như trước đây

3

Máy quét toàn thân được đưa vào sử dụng nhằm giảm thời gian xếp hàng và cải thiện hệ thống an ninh Những thiết bị này được đưa vào sử dụng lần đầu tiên hồi năm 2007 nhằm thay thế hoặc bổ sung cho máy dò kim loại Hiện tại có 2 loại máy quét đang được triển khai là loại “Sóng milimet” dùng công nghệ vô tuyến điện với bức xạ không ion hóa nhằm tạo ra các hình ảnh 3 chiều và máy quét tán xạ ngược sử dụng công nghệ X-quang

Hầu hết các nước trên thế giới đang thay thế công nghệ cũ bằng máy “Sóng milimet” sử dụng phần mềm bảo mật được gọi là tự động bắt mục tiêu Thiết bị này tạo ra một hình ảnh cơ thể với các đường vẽ hoạt hình để xác định vị trí của những nhân tố đáng ngờ để nhân viên an ninh có thể thực hiện các thao tác rà soát bằng tay Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế - IATA cũng kì vọng thiết bị này mang đến biện pháp mới này sẽ làm giảm bớt những lo ngại của hành khách trên các chuyến bay Thêm nữa, các sân bay hiện nay đang đưa ra những biện pháp, thủ tục làm tối ưu hóa quy trình kiểm tra dựa trên các hệ thống an ninh thông minh được phát triển bởi IATA đó là các hoạt động tiền kiểm tra như hướng dẫn khách chuẩn

bị các thủ tục cần thiết trước khi di chuyển hành lý hay bước vào máy quét quang, băng truyền các khay nhựa chứa đồ cá nhân tại khu vực xếp hàng và hệ thông quét tự động hiện thị những đánh giá ban đầu Các hoạt động tiền kiểm tra khiến việc chuẩn bị hành lý có hiệu quả hơn và hệ thống kiểm tra an ninh lúc này có thể đảm bảo được sự chính xác, hạn chế được công đoạn can thiệp vào sự riêng tư của hành khách

X-Được biết đến là một trong những phát hiện quan trọng trong lịch sử, việc phát minh ra tia X và phương pháp chụp X-quang đã mang lại những ứng dụng tuyệt vời giúp phát hiện và hỗ trợ chẩn đoán, điều trị bệnh đạt hiệu quả và độ chính xác cao Không chỉ mang lại giá trị ứng dụng lớn trong y học, tia X còn được sử dụng trong việc kiểm tra an ninh tại các sân bay, các địa điểm quan trọng, các sự kiện chính trị lớn của mỗi quốc gia Tia X có thể cho kết quả phát hiện các đồ vật bằng kim loại chính xác, kiểm tra cấu trúc nguyên tử của các loại vật liệu, kể cả chất liệu nhân tạo và vật liệu tự nhiên

4

Lịch sử của công nghệ soi chiếu được bắt đầu và phát triển từ Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng 3 năm 1845 - 10 tháng 2 năm 1923) sinh ra tại Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, là một nhà vật lý học, giám đốc Viện Vật lý trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg

Ngày 22/12/1895, tấm hình chụp hình xương người đầu tiên dưới đây đã trở thành dấu ấn trong lịch sử y học

Hình 1 2 Ảnh chụp X-quang tay người đeo nhẫn

Thông tin về khám phá của Rơnghen được truyền đi như vũ bão và nhanh với tốc độ chẳng kém gì thời đại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước Tháng 3/1896, những ứng dụng của tia X trong lĩnh vực y khoa đầu tiên đã được công bố như một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằm trong một bàn tay bị thương, một tấm ảnh khác của tia X về vết thương chưa lành ở chân…

Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một “máy chụp huỳnh quang” với những tia X cực mạnh Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải quan cũng vào cuộc rất sớm) và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng trong năm 1896 có hơn 1.000 bài báo xung quanh chủ đề này Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Antoine Henri Becquerel về những tia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện tượng phóng xạ của ông và được đọc vào ngày 2/3/1896 (theo một bài viết của J.J Samueli trên trang web BibNum)

5

1.2 Các công nghệ soi chiếu phổ biến

1.2.1 Các phương pháp soi chiếu phổ biến

Các phương pháp kiểm tra được chia thành hai nhóm là: nhóm các phương

pháp kiểm tra không phá hủy - NDT (Non Destructive Testing) và nhóm các phương pháp kiểm tra phá hủy - DT (Destructive Testing)

Trong hai nhóm này thì nhóm các phương pháp kiểm tra không phá hủy - NDT có các ưu điểm như:

- NDT không làm ảnh hưởng tới khả năng sử dụng của vật kiểm tra sau này

- NDT có thể kiểm tra 100% sản phẩm trong khi DT chỉ có thể kiểm tra xác suất

- NDT có thể kiểm tra ngay khi vật kiểm tra nằm trên dây chuyền sản xuất

mà không phải dừng dây chuyền kiểm soát an ninh

Do nhóm phương pháp NDT có một số ưu điểm như trên so với nhóm phương pháp DT nên hiện nay phần lớn các dây chuyền sản xuất đều áp dụng phương pháp kiểm tra NDT

1.2.2 Các phương pháp kiểm tra không phá hủy - NDT

Kiểm tra không phá hủy là việc sử dụng các phương pháp khác nhau để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt vật kiểm tra mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng

Kiểm tra không phá hủy dùng để phát hiện các khuyết tật như là nứt, rỗ, xỉ, tách lớp, hàn không ngấu, không thấu trong các mối hàn , kiểm tra độ cứng của vật liệu, kiểm tra độ ẩm của bê tông (trong cọc khoan nhồi), đo bề dày vật liệu trong trường hợp không tiếp xúc được hai mặt (thường ứng dụng trong tàu thủy), đo cốt thép (trong các công trình xây dựng ), v.v

Kiểm tra không phá hủy gồm nhiều phương pháp khác nhau (từ phương pháp đơn giản nhất là phương pháp kiểm tra bằng mắt đến các phương pháp phức tạp như chụp cắt lớp bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân) tuy nhiên có thể tạm chia thành hai nhóm phương pháp đó là:

- Nhóm phương pháp kiểm tra NDT thông thường: bao gồm các phương pháp kiểm tra không phá hủy thông dụng:

+ Phương pháp kiểm tra bằng mắt (VT)

+ Phương pháp dòng xoáy (ET)

- Nhóm phương pháp kiểm tra NDT đặc biệt:

1.2.3 Kỹ thuật soi chiếu bằng chụp ảnh phóng xạ RT (Radio Graphic Test)

Đối với các hệ thống kiểm tra trong các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp (vật kiểm tra là các chi tiết máy, sản phẩm đúc hoặc các mối hàn) thì phương pháp thường được áp dụng là phương pháp chụp ảnh phóng xạ RT

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ RT dựa trên nguyên lý cơ bản là chụp ảnh bức xạ của vật kiểm tra đối với tia X hoặc tia ɤ, vì là ảnh bức xạ do đó nó không chỉ phản ánh tính chất bề mặt mà sẽ cho thấy rõ tính chất của vật liệu và đặc tính bên trong của vật kiểm tra

Phương pháp RT có khá nhiều ưu điểm như: nhanh, không tiêu hao vật tư, không ô nhiễm môi trường, có thể số hóa kết quả, v.v Các thiết bị kiểm tra khuyết tật các sản phẩm trong công nghiệp bằng tia X đã được một số các hãng nổi tiếng trên thế giới tập trung vào nghiên cứu và chế tạo như: North Star Imaging (Mỹ), Tomo Adour (Pháp), YXLON International X-ray (CHLB Đức), Hamamatsu (Nhật bản), GE Inspection Technologies, NDT System, Viscom AG, X-ItSystem, v.v… Sản phẩm của các hãng cũng rất đa dạng từ những máy trạm lớn cố định tới những

hệ máy nhỏ xách tay, từ các máy chuyên dùng được thiết kế riêng cho việc kiểm tra các đối tượng đặc biệt đến những loại phổ thông áp dụng được cho nhiều đối tượng kiểm tra

7

Các thiết bị RT cũng được tập trung nghiên cứu, phát triển theo hướng số hóa, điều này giúp cho tiện lợi hơn về mặt kỹ thuật, trao đổi thông tin, kết quả và công tác lưu trữ cũng như quản lý

Công nghệ chụp ảnh X-quang kỹ thuật số ra đời đã loại bỏ được nhiều nhược điểm của chụp X-quang dùng phim như: tốn thời gian chụp, chiếu, rửa phim, cũng như vật tư tiêu hao trong quá trình sử dụng đồng thời lại phát huy được thế mạnh của kỹ thuật điện tử số và công nghệ phần mềm xử lý ảnh do đó trong phương pháp

RT thì việc dùng X-quang kỹ thuật số đang dần thay thế việc dùng phim cổ điển

1.2.4 Hệ thống kiểm tra bằng tia X, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp có

sự trợ giúp của máy tính (CT)

Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của máy tính đặc biệt ở khả năng, tốc độ

tính toán đã tạo cơ sở cho việc xây dựng các hệ thống kiểm tra theo phương pháp

chụp ảnh phóng xạ RT, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp có sự trợ giúp của máy tính (computer aided tomography hay Computed Tomography - gọi tắt là CT) Các

hệ thống với cấu hình này cho phép đưa ra nhiều bức ảnh phóng xạ của vật kiểm tra theo nhiều lớp với các góc chiếu khác nhau thay vì chỉ là một bức ảnh phóng xạ của vật kiểm tra, do vậy nâng cao độ chính xác của hệ thống kiểm tra

Các hệ thống kiểm tra theo phương pháp RT mà có ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT thì hệ thống xử lý CT Scanner đóng vai trò chính trong việc quyết định tính chính xác của hệ thống Đây là hệ thống phức tạp bao gồm từ các thiết bị phần cứng: bộ phát tia, các detectors, bộ truyền động, hệ thống thu nhận ảnh, phần mềm phân tích và xử lý ảnh, phần mềm nhận đánh dấu - nhận dạng hình ảnh,…

Chụp ảnh cắt lớp CT là một kỹ thuật tạo ảnh lớp cắt cùng với sự hỗ trợ của máy tính tạo ra các hình ảnh chụp cắt lớp sắc nét, rõ ràng Công việc này được thực hiện thông qua việc thực hiện một thủ tục hay một chuỗi hoạt động được gọi là sự tái tạo hình ảnh từ các hình chiếu, một kỹ thuật hoàn toàn dựa trên các cơ sở toán học

8

1.2.5 Nguyên lý của kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT

Hình 1 3 Sơ đồ khối của hệ thống máy quét CT

Về nguyên tắc, người ta chiếu một tia X mảnh vào vật cần kiểm tra theo một hướng nhất định rồi bố trí detector để đo sẽ biết được tia X chiếu theo hướng đó bị hấp thụ mạnh/yếu như thế nào (tức là biết được mật độ vật chất tổng cộng của các thể tích phần tử nằm dọc theo một hướng) Người ta lần lượt thay đổi hướng chiếu (hướng quét tia X) để lần lượt thu được mật độ vật chất tổng cộng của các thể tích phần tử nằm dọc theo những hướng đó Từ đó, người ta tính toán ra mật độ vật chất của từng thể tích phần tử Muốn vậy thì phải xây dựng những thuật toán phức tạp và thực hiện một khối lượng tính toán rất lớn nên phải dùng máy tính tốc độ cao mới thực hiện nhanh được Đó chính là nguyên nhân dẫn đến kỹ thuật CT ra đời

1.2.6 Phân loại các phương pháp quét ảnh theo thế hệ máy CT Scanner

Kể từ khi được đưa vào sử dụng, người ta đã cố gắng cải thiện, nâng cao hiệu quả của hệ thống thiết bị CT đặc biệt trong việc giảm thời gian tạo ảnh bằng cách cải tiến hệ thống quét Những hệ thống quét này khác nhau chủ yếu về số lượng và cách bố trí các cảm biến, mỗi hệ thống quét đều có những ưu và nhược điểm riêng

a, Máy CT thế hệ thứ nhất

Bộ thu chỉ gồm một đầu dò, chùm tia phát ra hẹp và song song dạng một cái bút chì

Hình 1 4 Máy CT thế hệ thứ nhất

9

Phương thức quét: bóng X quang và đầu dò dịch chuyển song song theo hướng vuông góc với chùm tia và bao trùm toàn bộ mặt phẳng lớp cắt, sau đó cả hệ thống quay một góc rồi tiếp tục dịch chuyển song song, tại những khoảng cách đều đặn tia được phát và thu Quá trình tiếp diễn cho tới khi số lượng tín hiệu thu được

đủ lớn để tái tạo ảnh

Hệ thống này hiện tại hầu như không được ứng dụng vì chỉ sử dụng một phần năng lượng rất nhỏ, không đáng kể của nguồn bức xạ từ bóng X quang trong khi năng lượng bức xạ từ Anode của bóng có thể bao trùm một góc nên công suất của bóng X quang bị hạn chế và do nhu cầu cần thiết phải tạo được liều bức xạ tại cảm biến đủ để đo nên máy không thể chuyển động với vận tốc cao Với hệ thống này để tạo ảnh một lớp cắt cần một thời gian dài cỡ vài phút Tuy nhiên, trong thực

tế việc giảm thời gian tạo ảnh chỉ có thể đạt được nhờ tăng số lượng kênh đo cho một lớp cắt, các máy CT đã được phát triển theo hướng này

Với cách bố trí hệ thống đo này, nguồn bức xạ tia X từ bóng X quang được

sử dụng hiệu quả hơn nhiều, có thể thực hiện được nhiều phép chiếu tương ứng với

số lượng cảm biến và thu được nhiều dữ liệu đo đồng thời Vì vậy góc quay và khoảng giửa hai lần chiếu theo mặt sẽ tăng, kết quả giảm tổng số bước quét phẳng

và số lần quay của hệ thống đo

10

Với hệ thống này, tuỳ thuộc vào số cảm biến thời gian tạo ảnh một lớp cắt trong khoảng từ 10-60 giây Tuy nhiên do quá trình cơ học khi chuyển động ngang hay quay nên việc giảm thời gian tạo ảnh xuống thấp hơn nữa đối với hệ thống đo này không thể thực hiện được

c, Máy CT thế hệ thứ ba

Hình 1 6 Máy CT thế hệ thứ ba

Cấu trúc: Số lượng đầu dò tăng đến vài trăm cái và được bố trí trên một vòng cung đối diện và gắn cố định với bóng X quang Chùm tia X phát ra theo hình rẻ quạt với góc từ 30-60o tuỳ theo số lượng đầu dò và bao trùm toàn bộ tiết diện lớp cắt

Phương pháp quét: Hệ thống đo quay quanh đối tượng một góc 3600 để thực hiện một lớp cắt Khi quay tia X có thể hoặc được phát thành xung tại những góc cố định hoặc được phát liên tục

Với cấu trúc này, nguồn bức xạ tia X được sử dụng tối ưu, hơn nữa hệ thống

đo chỉ thực hiện một kiểu chuyển động quay và quay liên tục chứ không phải từng bước Thời gian chụp ngắn nhất giảm xuống chỉ còn cỡ một vài giây

d, Máy CT thế hệ thứ tư

Hình 1 7 Máy CT thế hệ thứ tư

11

Cấu trúc: khác với những máy thuộc thế hệ trước, bóng X quang và đầu dò gắn chặt với nhau, cùng dịch chuyển hoặc quay Máy CT thế hệ thứ tư có hệ thống đầu dò tách biệt với bóng X quang, đó là một tập hợp nhiều đầu dò được bố trí trên một vòng tròn bao quanh khoang chiếu

Phương pháp quét: Bóng X quang quay tròn quanh vật thể chiếu, chùm tia phát thành hình rẻ quạt bao phủ vùng cần kiểm tra, các phần tử cảm biến sẽ được đóng/ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng Bóng quay tròn, các bộ cảm biến tạo thành vòng tròn đứng yên

Ưu điểm của loại máy thuộc thế hệ thứ tư: Thời gian chụp ngắn nhất tương

tự như thế hệ thứ ba, cỡ một đến vài giây và không bị nhiễu hình ảnh tròn (ring artifact) như thường xảy ra đối với máy thuộc thế hệ thứ ba Tuy nhiên máy có cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dò lớn hơn rất nhiều

e, Máy CT thế hệ thứ năm

Thế hệ máy CT thứ năm đang được sử dụng phần lớn ngày nay là Helical CT (Spiral CT) với dạng quét hình xoắn ốc Kỹ thuật Slip-ring (chổi quét - cổ góp) được áp dụng vào máy CT giúp quá trình quét được thực hiện nhiều vòng liên tục

mà các thế hệ trước không làm được Do đó, tốc độ quét và không gian quét được cải thiện rất nhiều

Hình 1 8 Sơ đồ quét của Spiral CT (thế hệ máy CT thứ năm)

Kỹ thuật Slip-ring là một cải tiến về mặt cơ điện dùng cổ góp và chổi quét Tất cả năng lượng và tín hiệu điều khiển của phần tĩnh được truyền đến phần động thông qua hệ thống Slip-ring có các slip-ring riêng lẻ song song dành cho detector, tube, truyền dữ liệu

Không chỉ phát triển về cấu hình quét, công nghệ CT còn có nhiều cải tiến quan trọng khác Chùm tia X ban đầu chỉ là chùm hẹp dạng mỏng (Fan Beam), càng

12

về sau càng lớn hơn thành chùm dạng nón (Cone Beam), tăng thể tích chiếu và giảm thời gian thực hiện phép chụp Thể tích chiếu tăng lên đồng nghĩa với lượng dữ liệu lớn hơn nhiều, cần đường truyền và bộ nhớ lớn hơn, đem lại độ chính xác cao hơn

Hình 1 9 Sự thay đổi của dạng chùm tia X

1.2.7 Quá trình tái tạo và xử lý ảnh CT

Trong hệ thống chụp ảnh cắt lớp CT thì phần mềm thu nhận và tái tạo ảnh

CT rất quan trọng Quá trình tái tạo ảnh CT đóng vai trò như là quá trình xây dựng

dữ liệu đầu vào cho tính toán, xử lý của phần mềm (đầu vào dữ liệu cho cả hệ thống chụp ảnh cắt lớp CT) Do vậy việc chọn lựa, xây dựng thuật toán tái tạo ảnh CT là khâu quan trọng và quyết định tới sự hoạt động của cả hệ thống

Ảnh CT khác với ảnh X quang ở vài chi tiết cụ thể như khác nhau ở cách tạo ảnh, định dạng của ảnh CT phải trải qua nhiều bước

- Ảnh CT được bắt đầu với việc quét pha Trong pha đó, một chùm tia X mỏng có hướng chiếu khi xuyên qua những cạnh (edges) của vật thể chiếu để tạo hình viền của ảnh Để có thể tạo nên một ảnh đầy đủ, chùm tia X quay vòng hoặc quét xung quanh vật thể chiếu để tạo nên đường viền từ những góc độ khác nhau Hàng trăm vùng tạo được và dữ liệu đường viền của mỗi vùng được lưu trữ trong

bộ nhớ máy tính Tổng thời gian quét cho một lớp cắt khoảng từ 0.35s tới 15s phụ thuộc vào việc thiết kế máy quét và người điều khiển chọn kiểu quét thay đổi Chất lượng của ảnh có thể cải tiến bằng cách tăng thời gian quét

- Pha thứ 2 của việc tạo ảnh là dựng ảnh được thực hiện bằng máy tính số, nó

là một phần của hệ thống CT Dựng ảnh là thực hiện bằng một quá trình toán học tức là chuyển đổi dữ liệu quét của các vùng (views) riêng lẻ về dạng số hóa hoặc số

 Quá trình chụp ảnh cắt lớp bao gồm:

a, Quét thăm dò hoặc quét toàn cảnh

Bóng phát tia X và đầu dò được lắp trên một khung có vị trí cố định đối nhau, bộ gá vật thể chiếu di chuyển trên một khoảng cách bao trùm vùng kiểm tra Một ảnh chiếu được tạo nên từ việc đo các mức suy giảm “line-byline” Hình ảnh tạo ra là tập hợp của rất nhiều ảnh xếp chồng, rộng bằng bề dày của lớp cắt Dựa trên hình ảnh toàn cảnh này để lập chương trình tạo ảnh cắt lớp

b, Quét cắt lớp

Bóng phát tia X và đầu dò quay quanh vật thể chiếu một góc 360o để thực hiện một lớp cắt Bộ gá vật thể chiếu dịch chuyển một khoảng cách bằng bề dày lớp cắt sau mỗi lớp cắt theo phương thức quét gián đoạn hoặc di chuyển liên tục với một tốc độ cố định theo phương thức quét xoắn ốc (tốc độ chuyển động tịnh tiến của bộ gá vật thể chiếu phải phù hợp với tốc độ quay tròn của giàn quay để xác định khoảng cách giữa các lớp cắt) Đo cường độ đường viền với những mức cường độ của những detector Mỗi hướng chiếu sẽ có một cường độ đường viền tương ứng

Lựa chọn chiều dày lớp cắt bằng cách sử dụng máy tính điều khiển bộ chuẩn trực ở bóng phát tia Trong quá trình quét, bóng phát tia có thể hoạt động theo hai phương thức: phát tia liên tục hoặc phát tia theo xung Hiện nay, hầu hết máy CT đều được thực hiện theo phương thức phát tia theo xung vì giảm công suất phát tia, tránh cho bóng phát tia phải hoạt động liên tục và quá mức cho phép

c, Tiền xử lý và hậu xử lý

Xử lý ảnh của quá trình dựng ảnh CT được thực hiện qua 3 bước bắt đầu từ việc đo cường độ những đường viền Đường viền được chuyển đổi để định dạng theo yêu cầu của việc tính toán, xử lý ở bước này chính là tiền xử lý

14

Dữ liệu tín hiệu thô trải qua quá trình xử lý trước khi đưa vào để tái tạo ảnh

và lúc này việc dựng ảnh thì tự nó có thể xử lý để nâng cấp những nét đặc trưng cho

nó hoặc loại bỏ nhiễu, sự sai lệch các mức suy giảm hoặc do công nghệ còn chưa hoàn hảo (như hiệu ứng chùm tia cứng và lỗi đường thẳng)

Quá trình xử lý thường tuân theo quy trình sau:

+ Xử lý tín hiệu dữ liệu - Signal data processing

+ Xử lý ảnh - Image processing

+ Chế độ chiếu phẳng - Planar projection view (topogram or scout view) + Phép biến đổi Fourier nhanh - Fast Fourier Transforms

1.3 Khả năng tương tác của bức xạ ion hóa đối với vật chất

Bức xạ ion hoá khi đi vào vật chất sẽ truyền năng lượng, kích thích và ion hoá các nguyên phân tử Kích thích là quá trình nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ năng lượng, chuyển về trạng thái năng lượng mới không bền vững (trạng thái kích thích) mà không có bất cứ điện tử nào bị bứt ra khỏi nguyên phân tử Nguyên tử hoặc phân tử kích thích dễ dàng và nhanh chóng phát xạ năng lượng đã hấp thụ được dưới dạng photon, bức xạ nhiệt hoặc phản ứng hoá học để trở về trạng thái ban đầu Ion hoá là quá trình làm bật điện tử quỹ đạo của nguyên tử hoặc phân tử, tạo ra một cặp ion: ion âm (hoặc điện tử) và ion dương (phần còn lại của nguyên tử hoặc phân tử) Với những photon thường dùng trong y học, mức năng lượng từ 50keV đến 5MeV, sẽ có ba quá trình tương tác xảy ra: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton và hiệu ứng tạo cặp

1.3.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện

tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện còn được gọi là Hiệu ứng Hertz (do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra)

Photon tương tác với điện tử quỹ đạo lớp trong (K hoặc L) và truyền toàn bộ năng lượng (hn) làm cho điện tử bị bắn ra khỏi nguyên tử (gọi là quang điện tử) với động năng Ed: Eg = hn = Eq - Ed (Eq là công thoát; Ed là động năng) Chỗ trống trên lớp

15

điện tử được lấp đầy bởi các điện tử ở lớp quỹ đạo có năng lượng cao hơn Quá trình này kèm theo bức xạ tia X đặc trưng hoặc phát ra điện tử Auger

Hình 1 10 Mô hình hiệu ứng quang điện

Quang điện tử có thể đóng vai trò hạt điện tích và tiếp tục ion hoá các nguyên phân tử khác Hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào số khối Z và năng lượng của photon, xác suất hiệu ứng sphoto ~ Z5/E7/2, dễ xảy ra với các photon có năng lượng không lớn (£ 0,1MeV) Hiệu ứng quang điện được lưu ý để thiết kế các thiết

bị ghi đo trong y học hạt nhân

Hiệu ứng quang điện đặc biệt có ý nghĩa đối với chất có số Z lớn, khi đó xác suất hiệu ứng đáng kể ngay cả ở năng lượng cao Còn ở những chất có số Z bé, hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa với năng lượng thấp Những nhân phóng xạ có tia ɤ

có năng lượng thấp không ứng dụng được trong đo lường vì chúng bị làm yếu ngay

do hiệu ứng quang điện

Hấp thu quang điện là hiện tượng rất thuận lợi cho việc ghi hình y học hạt nhân, vì có thể chặn các photon đó để tạo ra dòng điện tử một cách dễ dàng Tinh thể NaI, các collimator chì đều làm dừng các photon, các điện tử bật ra được thu nhận và khuếch đại trong hệ thống ghi hình của máy SPECT

1.3.2 Hiệu ứng Compton

Năm 1923, Arthur Holly Compton - một chuyên gia về tia X của trường Đại học Washington ở bang St.Louis - đã thực hiện một thí nghiệm và phát hiện ra một hiệu ứng đặc biệt là hiệu ứng Compton (tán xạ Compton) và mang lại giải Nobel về vật lí vào năm 1927 cho Compton

Tán xạ compton xảy ra khi photon tương tác với một điện tử ở lớp ngoài của nguyên tử và bị chuyển hướng Photon sẽ truyền cho điện tử năng lượng đủ để điện

tử bật ra khỏi nguyên tử còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng với một góc q nhất định

Hiệu ứng Compton là thủ phạm gây ra xung điện từ EMP trong các vụ nổ nhiệt hạch trên cao trong khí quyển Các tia X và tia ɤ được phát ra trong các vụ nổ nhiệt hạch va chạm Compton với các electron ở tầng cao khí quyển làm cho chúng chuyển động dồn dập đột ngột của một lượng lớn điện tích tạo nên một trường điện

từ có thể làm hư hại các mạch điện không được che chắn ở mặt đất

Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện khi lưới điện và các mạng thông tin trên không ở Hawaii bị hư hỏng trong thời gian thử nghiệm vũ khí nhiệt hạch trên không ở Thái Bình Dương cách đó nhiều dặm Hiện nay, nhiều quốc gia lớn trên thế giới đang ứng dụng hiệu ứng này để chế tạo các loại vũ khí tối tân như bom EMP…

Ngoài ra, để quan sát và phát hiện lỗ đen, các nhà thiên văn sử dụng rất nhiều hiệu ứng khác nhau trong đó có hiệu ứng Compton - hay chính xác hơn là hiệu ứng Compton ngược

Đối với những lỗ đen hình thành từ một hệ sao đôi, khi một ngôi sao trở thành

lỗ đen thì nó sẽ hút vật chất của ngôi sao đồng hành với nó Trong quá trình này, vật chất - trong đó có các electron - được gia tốc đến những vận tốc rất lớn Các electron lúc này có thể được gia tốc đến ngưỡng tương đối tính Lúc này, chỉ cần những bức

xạ điện từ năng lượng thấp tương tác với các electron này thì sẽ phát ra các bức xạ

17

điện từ tán xạ có năng lượng cao - cỡ tia X Dựa vào việc quan sát các bức xạ tia X này mà các nhà thiên văn có thể xác định được ở đâu có khả năng có lỗ đen

1.3.3 Hiệu ứng tạo cặp photon

Khi photon đi vào vùng điện trường của nhân nguyên tử, sẽ chuyển từ dạng sóng sang dạng hạt và hạt được tạo thành là: electron, positron, có động năng:

Hình 1 13 Mô hình hiệu ứng tạo cặp

Hình 1 14 Xác suất tương đối xảy ra các hiệu ứng

18

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học (tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh soi chiếu đầu tiên đến ảnh cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging - MRI), kết hợp với những kỹ thuật số hoá các kết quả đo đạc và khả năng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử

Dựa vào các công nghệ soi chiếu, thế giới đã giải thích được sự tương tác của bức xạ ion hóa đối với các vật chất, từ đó đã mở ra các hướng ứng dụng công nghệ x quang mới vào cuộc sống, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế đã mang lại những ứng dụng tuyệt vời giúp phát hiện, hỗ trợ chẩn đoán, điều trị bệnh đạt hiệu quả và

độ chính xác cao Ngoài ra, không chỉ mang lại giá trị ứng dụng lớn trong y học, công nghệ soi chiếu còn được sử dụng trong lĩnh vực an ninh như trong việc kiểm tra an ninh tại các sân bay, các địa điểm quan trọng, các hội nghị lớn mang tầm cỡ quốc gia, quốc tế,…

19

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU BẰNG TIA X QUANG

2.1 Những nét chung nhất về công nghệ soi chiếu bằng tia X quang

Thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công trình quan trọng liên quan tới tia X đáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện từ của các tia này cũng như sự hiện diện của chúng trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tia ɤ, là các sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím Năm 1901, Rơnghen là nhà vật

lý học đầu tiên vinh dự nhận giải thưởng Nôben với việc tìm ra tia X hay tia Rơnghen mở ra một thời đại mới cho sự phát triển của khoa học - kĩ thuật

2.1.2 Các đặc trưng của công nghệ soi chiếu bằng tia X quang

- Tia X không nhìn thấy được: chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc xạ, phân cực và nhiễu xạ như ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được)

- Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác như proton)

bị hãm với vật chất bởi một vật chắn và trong quá trình tương tác giữa các bức xạ

- Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 10-11m đến 10-8m Người ta quy ước chia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài (bức xạ mềm)

+ Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý hiệu điện thế càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì chùm tia X bị suy giảm càng nhiều Trong

cơ thể con người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa không khí nên tia X

dễ xuyên qua Số lượng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đi qua bóng X-Quang: cường độ dòng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều

- Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị hấp thụ trong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác động lên phim ảnh cũng yếu hơn

+ Đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra được liều lượng tia X Rọi vào các vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật

+ Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm biến đổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh Đặc tính này được ứng dụng trong chụp phim X quang

+ Người ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể Tinh thể bao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn toàn xác định Do ảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở thành các tâm phát sóng cầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp Các sóng cầu do các nguyên tử phát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo hướng này nhưng lại tăng cường nhau theo hướng khác

- Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất Tia X làm phát sáng chất huỳnh quang đặt trong buồng tối Người ta ứng dụng đặc tính này để chế tạo máy chiếu X quang: tùy mức độ cản tia X khác nhau của từng bộ phận, năng lượng của tia X còn lại sau khi đi qua cơ thể sẽ tác động lên màn huỳnh quang (đặt trong buồng tối) với mức độ khác nhau để tạo nên hình ảnh

21

- Tia X có tác dụng sinh lí mạnh

+ Tia X có tác dụng hủy hoại các tế bào ung thư: được sử dụng trong X quang điều trị (radiotherapy)

+ Với liều cao kéo dài, tia X có tác dụng làm biến đổi một số cấu trúc của các

tế bào tế bào kém biệt hoá như: tinh trùng, tế bào tủy xương Đặc biệt tia X làm biến đổi nhiễm sắc thể của nhân tế bào gây những đột biến về di truyền Do đó đối với phụ nữ có thai trong những tháng đầu tuyệt đối không được chụp, chiếu X quang Đối với nhân viên X quang cần có các biện pháp an toàn phóng xạ khi làm việc

Hình 2 2 Chụp ảnh X-quang hai bàn tay con người

Năm 1917, phòng thí nghiệm chụp ảnh bức xạ tia X đầu tiên được xây dựng tại Royal Arsenal, ở phía đông nam thủ đô London của nước Anh

Năm 1930, Hải quân Mỹ đã áp dụng phương pháp chụp ảnh phóng xạ vào việc kiểm tra các mối hàn, vật đúc bằng kim loại bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ đã được áp dụng rộng rãi hơn Đây thực sự là một công cụ hữu hiệu trong việc kiểm tra khuyết tật vật liệu ngày càng phát triển và đối tượng kiểm tra cũng ngày càng được mở rộng

2.1.3 Ưu thế của công nghệ soi chiếu bằng tia X so với các phương tiện khác

Hiện nay, công nghệ soi chiếu bằng tia X được áp dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội và đặc biệt trong lĩnh vực an ninh thì công nghệ soi chiếu bằng tia X đã phát huy tối đa những ưu điểm vượt trội của mình so với các phương tiện khác, mang lại hiệu quả to lớn giúp cho lực lượng an ninh hoàn thành tốt các nhiệm vụ được giao, bảo vệ ổn định nền chính trị của đất nước

 Ví dụ về một số ưu điểm của thiết bị soi chiếu bằng tia X so với máy

dò chất nổ hiện nay:

22

1 Về điều kiện môi trường

Trong cùng điều kiện triển khai, thiết bị soi chiếu bằng tia X không phụ thuộc vào điều kiện môi trường so với thiết bị dò chất nổ hiện nay phải đặc biệt chú

ý đến điền kiện môi trường; khi thời tiết quá khắc nghiệt như nóng trên 450C hoặc lạnh dưới 80C thì thiết bị dò chất nổ sẽ không hoạt động được; khi trời mưa hoặc có gió to thì thiết bị dò chất nổ hoạt động không hiệu quả còn thiết bị soi chiếu vẫn hoạt động bình thường

2 Về thời gian thực hiện

Thiết bị soi chiếu bằng tia X giúp cán bộ an ninh không tốn thời gian có thể nhanh chóng nhận biết những mối nghi ngờ nguy hiểm từ các chất nổ thông qua hình dạng các đồ vật soi chiếu và các thao tác xử lý hình ảnh nâng cao còn đối với máy dò chất nổ thì cán bộ an ninh phải mất thời gian mở các đồ vật và kiểm tra bên trong các đồ vật đó

3 Về độ ổn định

Thiết bị soi chiếu bằng tia X hoạt động ổn định, không bị nhiễu loạn từ môi trường xung quanh còn máy dò chất nổ thường có độ nhạy rất cao cỡ ppm (đơn vị phần triệu) nên rất dễ bị nhiễu loạn, hoạt động không ổn đinh, xuất hiện các cảnh báo sai

ổn định như trong phòng thí nghiệm

23

Hình 2 3 Một số hình ảnh đồ vật soi chiếu đồ vật thực tế

 Công nghệ soi chiếu bằng tia X có 2 công nghệ phổ biến hiện nay là công nghệ truyền qua và công nghệ tán xạ ngƣợc Cả hai công nghệ đều rất hiệu quả trong việc soi chiếu các đồ vật, hàng hóa và hành lý; đặc biệt là công nghệ tán

2 Về cấu tạo thiết bị:

Bộ phận phát tia X của công nghệ tán xạ ngược có nhiều khối và phức tạp hơn so với bộ phận phát tia X của công nghệ truyền qua do phải phân tách từ 1 chùm tia x thành 1 tia x để chiếu vào đồ vật

Quá trình chiếu tia X với công nghệ truyền qua từ đầu phát tia X đến vật cần kiểm tra sẽ đi qua một khe định hướng hẹp tạo thành một dải tín hiệu tia X hình dẻ quạt chiếu vào vật cần kiểm tra Hệ thống cảm biến thu tia X sẽ thu tín hiệu cắt lớp của vật cần kiểm tra, chuyển đổi thành tín hiệu điện gửi về trung tâm xử lý và xây dựng hình ảnh

Quá trình chiếu tia X với công nghệ tán xạ ngược từ đầu phát tia X đến vật cần kiểm tra sẽ đi qua một khe định hướng hẹp và một bộ phận định hướng tia X (bộ phận quay đều có tác dụng chỉ cho 1 tia X đi xuyên qua trong một thời điểm nhất định) tạo thành một tín hiệu tia X chiếu vào vật cần kiểm tra Hệ thống cảm biến thu tia X sẽ thu tín hiệu tia X phản hồi từ vật cần kiểm tra, chuyển đổi thành tín hiệu điện gửi về trung tâm xử lý và xây dựng hình ảnh

Hệ thống cảm biến thu tia X của công nghệ truyền qua được đặt phía sau đối tượng soi chiếu còn hệ thống cảm biến thu tia X của công nghệ tán xạ ngược được

bị điện tử bắn vào)

Nguồn phát tia X của công nghệ truyền qua thường có công suất nhỏ hơn so với nguồn phát tia X của công nghệ tán xạ ngược (tức là nguồn phát tia X của công nghệ truyền qua có mức năng lượng thấp còn nguồn phát tia X của công nghệ tán xạ ngược có mức năng lượng cao)

3 Về hình ảnh soi chiếu:

Hình ảnh soi chiếu thu được của công nghệ truyền qua hiển thị rõ nét các vật chất vô cơ và kim loại (vật chất có số nguyên tử Z cao) còn hình ảnh soi chiếu thu được của công nghệ tán xạ ngược hiển thị rõ nét các vật chất hữu cơ (vật chất có số nguyên tử Z thấp)

4 Về hiệu quả sử dụng:

Công nghệ tán xạ ngược soi chiếu các vật chất hữu cơ (vật chất có số nguyên

tử Z thấp) hiệu quả hơn so với công nghệ truyền qua còn công nghệ truyền qua soi chiếu các đồ vật kim loại và vô cơ (vật chất có số nguyên tử Z cao) hiệu quả hơn công nghệ tán xạ ngược

c Trong lĩnh vực thiên văn học

d Trong lĩnh vực hóa phân tích

e Trong lĩnh vực kiểm tra an ninh

Chi tiết về các ứng dụng này được trình bày trong phụ lục 2

Thổ hay các vật chất vi mô như các hạt bụi

Trong quá trình tán xạ thuần túy, năng lượng photon không thay đổi mà chỉ thay đổi hướng ngẫu nhiên theo một hàm mật độ xác suất nhất định gọi là hàm tán xạ

Tuy nhiên trên thực tế, khi photon gặp các vật chất thì không những hướng

đi của nó thay đổi mà có thể cả năng lượng thay đổi (giảm bởi hiện tượng hấp thụ hay tăng bởi hiện tượng bức xạ) đồng thời cùng lúc đó xảy ra tán xạ thuần túy

và hấp thụ/bức xạ thuần túy

Trong các thí nghiệm tán xạ của vật lý hạt, người ta bắn các chùm hạt (thường là electron, proton hay neutron) vào một mẫu vật liệu và đếm số lượng hạt bay ra tại các hướng khác nhau Sự phân bố các hạt bay ra theo hướng sẽ cho biết thông tin về tương tác giữa mẫu vật liệu và các hạt bắn vào

Tán xạ ngược là hiện tượng tán xạ với các hạt photon bay ngược trở lại hướng đi của chùm hạt photon sau khi va chạm vào vật chất

Tán xạ ngược trong công nghệ soi chiếu là khi truyền một chùm tia X vào đối tượng soi chiếu thì người ta sẽ sử dụng các cảm biến thu tia X phản xạ ngược trở lại để tổng hợp và xây dựng hình ảnh của đối tượng soi chiếu

Hình ảnh soi chiếu thu được phụ thuộc vào các yếu tố:

- Số nguyên tử Z

- Độ dày của đối tượng soi chiếu

- Mật độ của các đối tượng soi chiếu

- Khoảng cách từ thiết bị dò quét đến đối tượng soi chiếu

- Sự che chắn giữa đối tượng soi chiếu, thiết bị dò và nguồn tia Xray