xây dựng bài thực tập phương pháp chụp x –ray trong xác định tính chất vật liệu

XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP PHƯƠNG PHÁP CHỤP X –RAY TRONG XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VẬT LIẸU Tóm tắt: Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng thiết bị X – Ray hiệu LEYBOLD để nghiên cứu về tia X trong

BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP PHƯƠNG PHÁP CHỤP X –RAY

TRONG XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VẬT LIỆU

Mã số:

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Mai Bảo Thy

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 03/Năm 2018

BỘ Y TẾ ĐẠI HỌC Y DƯỢC TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP PHƯƠNG PHÁP CHỤP X –RAY

TRONG XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VẬT LIỆU

Mã số:

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 03/Năm 2018

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NCKH

1 Nguyễn Mai Bảo Thy – Đơn vị công tác: BM Vật Lý – Khoa KHCB – Trường Đại học Y Dược TP Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

I Giới thiệu

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Cơ sở lý thuyết 5

1.2.1 Cách tạo ra tia X 6

1.2.1.1 Ống Rơnghen 6

1.2.1.2 Ống Coolidge 7

1.2.2 Bản chất tia X79 1.2.3 Tính chất tia X 9

1.2.4 Ứng dụng tia X 10

II Thiết bị - Phương pháp thực nghiệm 2.1 Thiết bị 11

2.2 Phương pháp thực nghiệm 14

2.2.1 Thí nghiệm 1 14

2.2.2 Thí nghiệm 2 15

2.2.3 Thí nghiệm 3 16

2.2.4 Thí nghiệm 4 17

III Kết quả - Thảo luận 3.1 Dò tia X bằng cách sử dụng màn phát huỳnh quang 22

3.2 Sử dụng tia X để xem cấu trúc bên trong của vật thể 25

3.3 Khảo sát sự ảnh hương của môi trường tương phản trong việc hấp thụ tia X 26

3.4 Phát hiện tia X bằng cách sử dụng buồng ion hóa 28

IV Kết luận – Hướng phát triển 34

XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP PHƯƠNG PHÁP CHỤP X –RAY TRONG XÁC

ĐỊNH TÍNH CHẤT VẬT LIẸU

Tóm tắt: Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng thiết bị X – Ray hiệu LEYBOLD để

nghiên cứu về tia X trong điều kiện thực tế Với tính chất đâm xuyên mạnh, bức xạ tia

X có khả năng xuyên qua vật thể, nên trước tiên, chúng tôi sẽ nghiên cứu về cách dò tia X Sau đó là tiến hành những thí nghiệm để tìm hiểu về sự suy giảm của tia X ở những điều kiện khác nhau Tìm hiểu về chất tạo môi trường tương phản và ảnh hưởng của môi trường tương phản về sừ hấp thụ của tia X Cuối cùng là cách phát hiện X-quang bằng cách sử dụng buồng ion hóa

Tổng hợp những kiến thức thu được từ thực nghiệm xây dựng bài thực tập mới

“PHƯƠNG PHÁP CHỤP X – RAY TRONG XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VẬT LIỆU” nhằm đáp ứng yêu cầu cải thiện, đổi mới phương pháp giảng dạy đối với sinh viên ngành Y – Dược trong giai đoạn mới

I Giới thiệu

1.1 Đặt vấn đề

Như chúng ta đã biết, tia X được sử dụng rất rộng rãi trong y khoa để thăm dò và chẩn đoán những cấu trúc bên trong cơ thể con người mà mắt thường không thể thấy Được phát hiện vào năm 1895 bởi nhà bác học Wilhelm Conrad Röntgen, tia X hay tia Röntgen sớm được phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế Khoa X quang là một lĩnh vực chuyên biệt trong y tế sử dụng ảnh tia X và các kĩ thuật khác để chẩn đoán bệnh bằng hình ảnh nên còn được gọi là Khoa chẩn đoán hình ảnh Qua hơn trăm năm, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, nhiều phương pháp tạo ảnh mới tiên tiến hơn, hiện đại hơn được phát minh và ứng dụng trong y khoa, tuy nhiên X-ray vẫn là phương pháp cơ bản được sử dụng khi chẩn đoán bước đầu, phục vụ đắc lực cho việc điều trị bệnh

Chính vì lẽ đó trong đề tài này chúng tôi đã chọn nghiên cứu về tia X trong điều kiện thực tế và tổng hợp những kiến thức đã nghiên cứu để xây dựng bài thực tập nhằm giúp sinh viên có thể tiếp cận sớm hơn với một trong những kĩ thuật hữu dụng nhất trong chẩn đoán này

1.2 Cơ sở lý thuyết

Năm 1895, khi cho một ống tia catốt hoạt động, Rơn-ghen nhận thấy từ vỏ thủy tinh đối diện với catốt có một bức xạ không thấy được phóng ra Bức xạ này tác dụng lên các tấm kính ảnh vốn được gói kín và được đặt trong hộp kín Ông gọi loại bức xạ này

là tia X Ngày nay, đôi khi người ta gọi đây là tia Rơn-ghen Kết luận rút ra từ các thí nghiệm tiếp theo của Rơn-ghen là:

Mỗi khi một chùm tia catốt - tức là một chùm electron có năng lượng lớn - đập vào một vật rắn thì vật đó phát ra tia X

Ống Rơn-ghen là một bình cầu (chứa khí áp suất thấp - gọi là khí kém) bên trong

có 3 điện cực:

 Catốt có dạng chõm cầu có tác dụng làm các electron bật ra tập trung tại tâm

của bình cầu

 Anốt là điện cực dương ở phía đối diện với catốt ở thành bình bên kia

 Đối catốt là một điện cực (thường được nối với anốt) Ở bề mặt của đối catốt là

một kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy

Hoạt động:

Đặt vào giữa anốt và catốt một hiệu điện thế không đổi (khoảng vài chục kV) thì

electron bứt ra từ catốt được tăng tốc rất mạnh Khi đập vào đối âm cực, các electron

bị đột ngột hãm lại và làm phát ra tia X Người ta gọi tia X là bức xạ hãm

Hình: Cấu tạo của ống phát tia X

1.2.1.2 Ống Coolidge

Hình: Ống Coolidge Cấu tạo:

Ban đầu, ống Cooligde có dạng một bình hình cầu bên trong là chân không và có 2

điện cực:

 Catốt là một chõm cầu có tác dụng làm tập trung các electron về phía tâm của

bình cầu

 Một dây tim để nung nóng catốt.(để catốt phát ra electron) được cấp điện nhờ

một nguồn điện riêng

 Anốt là điện cực dương Bề mặt của anốt là một lớp kim loại có nguyên tử

lượng lớn và khó nóng chảy Để giải nhiệt cho anốt người ta cho một dòng nước chảy luồn bên trong anốt nhờ một ống nhỏ

Hoạt động

Khi đặt một hiệu điện thế (xoay chiều hoặc một chiều) vào hai cực của ống

Coolidge thì electron được tăng tốc mạnh và đến đập vào anốt, xuyên sâu vào lớp vỏ nguyên tử của chất làm anốt, tương tác với các lớp electron ở các lớp trong cùng làm phát ra tia X

Hiệu điện thế ở hai cực của ống Cooldge từ vài chục kV đến khoảng 120 kV

Hiện nay người ta đã chế tạo các loại ống tia X có hình dạng khác nhau dù về nguyên tắc thì giống như ống Coolidge lúc đầu

Trong nha khoa:

Hình: Ống Coolidge sử dụng trong nha khoa

Trong máy chụp X quang thông thường:

 Những tia X có bước sóng từ 0,01 nm đến 0,1 nm có tính đâm xuyên mạnh hơn

nên gọi là tia X cứng Do có khả năng đâm xuyên, các tia X cứng được sử

dụng rộng rãi để nhìn thấy hình ảnh bên trong các vật thể, thường được dùng để chụp X quang trong y tế và kiểm tra hành lý tại an ninh sân bay Thuật ngữ X-quang được sử dụng để chỉ một hình ảnh được tạo bởi tia X Vì các bước sóng của tia X cứng tương đương với kích thước của các nguyên tử, nó rất hữu ích

để xác định các cấu trúc tinh thể bằng tinh thể học tia X

 Những tia X có bước sóng từ 0,1 nm đến khoảng vài nm có tính đâm xuyên yếu

hơn được gọi là tia X mềm Tia X mềm bị hấp thụ dễ dàng trong không khí; độ dài suy giảm khoảng 600 eV (~ 2 nm) Các tia X trong môi trường nước nhỏ hơn 1 micromet

1.2.3 Tính chất của tia X:

Các photon tia X khi mang đủ năng lượng có thể ion hóa nguyên tử và phá vỡ liên kết phân tử Điều này làm cho nó trở thành một loại bức xạ ion hoá, do đó gây hại cho mô sống cơ thể Liều bức xạ cao trong một khoảng thời gian ngắn gây ra bệnh nhiễm xạ, trong khi liều thấp hơn có thể làm tăng nguy cơ ung thư do xạ trị chụp X-quang trong

y tế có nguy cơ làm tăng bị ung thư mặc dù nó có nhiều lợi ích của việc kiểm tra Khả năng ion hoá của tia X có thể được sử dụng trong điều trị ung thư để diệt tế bào ác tính bằng cách sử dụng phương pháp xạ trị Nó cũng được sử dụng để xác định đặc tính vật liệu bằng cách sử dụng quang phổ tia X

Tia X có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng nhìn thấy, nó có thể đượccấu trúc nhỏ hơn nhiều so với những gì có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi bình thường Điều này có thể được sử dụng trong kính hiển vi X-quang để có được hình ảnh có độ phân giải cao và xác định vị trí các nguyên tử trong tinh thể

Các tia X cực mạnh có thể đi qua các vật thể dày mà không bị hấp thu hoặc phân tán nhiều Vì lý do này, tia X được sử dụng rộng rãi để thu hình ảnh bên trong các đối tượng bọc kín Các ứng dụng thường thấy nhất là trong chụp X quang y tế và máy quét

an ninh sân bay, nhưng các kỹ thuật tương tự cũng quan trọng trong công nghiệp (ví

dụ chụp X quang công nghiệp và CT công nghiệp) và nghiên cứu (ví dụ CT động vật nhỏ) Độ sâu thâm nhập thay đổi theo một vài bậc độ lớn so với phổ tia X Điều này cho phép điều chỉnh năng lượng photon cho ứng dụng để truyền tải đầy đủ thông qua đối tượng và đồng thời có độ tương phản tốt trong hình ảnh

 Dùng để diệt khuẩn

 Dùng trong điều trị ung thư nông, gần da

 Dùng để nghiên cứu cấu trúc của mạng tinh thể

1.2.5Thang sóng điện từ

Sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng thấy được, tia tử ngoại, tia X, tia gamma đều

có bản chất là sóng điện từ chỉ khác nhau ở bước sóng dẫn đển sự thể hiện khác nhau Một bảng sắp xếp các loại sóng điện từ này theo thứ tụ bước sóng tăng dần (hoặc giảm dần) gọi là thang sóng điện từ

Hình: Thang sóng điện từ

II Thiết bị – phương pháp thực nghiệm:

2.1 Thiết bị:

Trong đề tài này, thiết bị chính ma2 chúng tôi sử dụng trong tất cả các thí nghiệm là:

Máy X – ray hiệu Leybold

Hình: Máy X ray hiệu LEYBOLD

Ống Mo: Ống phát tia X bằng Molybden

Molypden (tiếng La tinh: molybdenum, từ tiếng Hy Lạp molybdos nghĩa là "giống như chì", trong tiếng Việt được đọc là Mô lip đen), là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm 6 với ký hiệu Mo và số nguyên tử 42 Nó có điểm nóng chảy cao hàng thứ 6 trong số mọi nguyên tố đã biết và vì thế thường được sử dụng trong các loại hợp kim thép có sức bền cao

Người ta đã biết 35 đồng vị của molypden với nguyên tử lượng trong khoảng từ 83 tới

117, cũng như bốn đồng phân hạt nhân Bảy đồng vị có nguồn gốc tự nhiên, với nguyên tử lượng là 92, 94, 95, 96, 97, 98 và 100 Trong số này có 5 đồng vị ổn định (nguyên tử lượng từ 94 tới 98) Tất cả các đồng vị không ổn định của molypden phân

rã thành các đồng vị của niobi, tecneti, rutheni

Mo92 và Mo100 là hai đồng vị tự nhiên không ổn định Mo100 có chu kỳ bán rã khoảng 1×1019 năm và trải qua phân rã beta képthành Ru100 Mo98 là đồng vị phổ biến nhất, chiếm 24,14% khối lượng tất cả các đồng vị molypden Các đồng vị molypden với nguyên tử lượng từ 111 tới 117 đều có chu kỳ bán rã ở mức 15 μs

Connection for cathode

Thread: matches heat sink in tube

Buồng tia X

2.2 Phương pháp thực nghiệm

2.2.1 Thí nghiệm 1: Dò tia X bằng cách sử dụng màng phát huỳnh quang

Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng vật mẫu là một chiếc máy tính, bằng phương pháp chiếu xuyên qua mẫu vật để kiểm tra xem có sự xuất hiện của tia X hay không Sau đó, thay đổi những thông số về dòng phát I và điện thế ống U để nghiên cứu về tính chất hấp thụ khác nhau của mẫu vật và sự phụ thuộc của độ sáng, độ tương phản của màn hình huỳnh quang đối với dòng phát và điện thế trong ống

Thiết bị sử dụng trong phần này là:

 Máy X – ray hiệu Leybold

 Ống Mo: Ống phát tia X bằng Molybden

 Máy tính Casio

2.2.1.1 Cách thức tiến hành thí nghiệm dò tia X

1 Kiểm tra buồng thí nghiệm phải trống

2 Tháo bỏ tấm che màn huỳnh quang

3 Đặt chiếc máy tính vào trong buồng thí nghiệm và để máy tính dựa vào màn huỳnh quang

4 Sử dụng tấm vải đen che buồng thí nghiệm tạo thành buồng tối

5 Thiết đặt thông số trên bảng điều khiển: điện thế trong ống U= 35 kV, dòng phát I= 1.00 mA

6 Xem hình ảnh (kết quả) trên màn huỳnh quang

2.2.2 Thí nghiệm 2: Sử dụng tia X để xem cấu trúc bên trong của vật thể

Tia X với khả năng đâm xuyên mạnh, được sử dụng rộng rãi để nhìn thấy hình ảnh bên trong các vật thể, nên trong thí nghiệm này chúng tôi sử dụng tia X để chiếu qua mẫu vật và kiểm tra xem phần bên trong của mẫu vật đó

Mẫu vật là một khối gỗ, giấu bên trong khối gỗ là một thanh kim loại mà chúng ta không nhìn thấy được thanh kim loại Sử dụng tia X để chiếu xuyên qua khối gỗ để tìm kích thước thanh kim loại đó

Thiết bị sử dụng:

 Máy X – ray hiệu Leybold

 Ống Mo: Ống phát tia X bằng Molybden

 Khối gỗ có gắn thanh kim loại bên trong

 Đế giữ

2.2.2.1 Cách thức tiến hành thí nghiệm

Hình: Thí nghiệm Sử dụng tia X để xem cấu trúc bên trong của khối gỗ

Kiểm tra buồng thí nghiệm phải trống

Tháo bỏ tấm che màn huỳnh quang

Đặt đế giữ vào buồng thí nghiệm, đặt khối gỗ lên đế giữ

Thiết đặt thông số trên bảng điều khiển: điện thế trong ống U= 35 kV, dòng phát I= 1.00 mA

Dùng tấm vải đen che buồng lại và sau đó mở máy

Quan sát hình ảnh trên màn

Xoay khối gỗ 90o rồi lại thực hiện các thao tác trên để quan sát hình ảnh mới trên màn Sau khi có được những hình ảnh ta sẽ tiến hành đo đạc để sát định kích thước của thanh kim loại ẩn bên trong khối gỗ mà ta không thể thấy được

Có thể sử dung phim để chụp thay vì dùng màn huỳnh quang

2.2.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát sự ảnh hưởng của môi trường tương phản trong việc hấp thụ tia X

Như chúng ta đã biết, khi chụp X quang, phần xương sẽ hiện ra rõ nhất Điều này có thể được giải thích là: Khi tia X đi qua một lớp vật chất thì chùm tia X này sẽ bị yếu dần Đối với những môi trường khác nhau thì sự hấp thụ đối với tia X cũng khác nhau Môi trường nào có mật độ phân tử càng lớn thì sự hấp thụ càng lớn Điều đó được chứng minh là trong cơ thể tia X có thể dễ dàng truyền qua mô mềm nhưng lại khó truyền qua Xương nơi có mật độ vật chất cao hơn nhiều

Vì vậy sự khác biệt về mật độ vật chất trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến độ hấp thụ năng lượng tia X chiếu qua Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến những hình ảnh sáng tối trên phim chụp

Chính vì vậy, trong thí nghiệm này chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường tương phản trong việc hấp thụ tia X

2.2.3.1 Mô tả thí nghiệm

Sử dụng một một tấm nhựa mỏng, ẩn phía trong tấm nhựa có những ống rỗng (giống như mạch máu trong cơ thể) mà mắt ta không thấy được

Bơm dung dịch kali iot vào ống tạo môi trường tương phản (do khác biệt lớn về mật

độ phân tử) ta sẽ thấy được cấu trúc bên trong của tấm nhựa bằng tia X

Thiết bị - hóa chất sử dụng:

 Máy X – ray hiệu Leybold

 Ống Mo: Ống phát tia X bằng Molybden

 Tấm nhựa mỏng, đục, có những ống rỗng bên trong

 Ống truyền dịch: dùng để bơm duong dịch vào trong tấm nhựa

Chuẩn bị dung dịch kali iod: Hòa tan 25g kali iod vào 50g nước cất

Kiểm tra buồng thí nghiệm phải trống

Tháo bỏ tấm che màn huỳnh quang

Đặt tấm nhựa vào buồng thí nghiệm, nối ống vào tấm nhựa để bơm dung dịch vào Thiết đặt thông số trên bảng điều khiển: điện thế trong ống U= 35 kV, dòng phát I= 1.00 mA

Dùng tấm vải đen che buồng lại và sau đó mở máy

Quan sát hình ảnh trên màn

2.2.4 Thí nghiệm 4: Phát hiện tia X bằng cách sử dụng buồng ion hóa

Trong thí nghiệm này, chúng tôi sẽ lần lượt tiến hành:

a Phát hiện bức xạ tia X bằng cách sử dụng buồng ion hóa không khí và đo dòng ion hóa IC

b Tìm hiểu mối quan hệ giữa dòng ion hóa IC và điện áp tụ UC, từ đó xây dựng đồ thị về đặc trưng độ bão hòa

c Tìm hiểu mối quan hệ giữa dòng ion hóa bão hòa và dòng phát xạ I của ống tia X tại điện thế ống không đổi U

d Tìm hiểu mối quan hệ giữa dòng ion hóa bão hòa và dòng điện áp cao U tại dòng phát không đổi I

2.2.4.1 Mô tả thí nghiệm

Bức xạ tia X được phát hiện bởi các hiệu ứng vật lý của nó Ví dụ, tia X có khả năng làm mờ phim ảnh và gây nên sự dẫn điện trong không khí và các loại khí khác, hiệu ứng quang học của tia X sẽ làm bề mặt kim loại, và một số chất huỳnh quang phát quang Tất cả những hiện tượng này đều do sự ion hóa các nguyên tử hoặc các phân tử của chất chuyển tiếp

Trong việc phát hiện định lượng các tia X, chúng ta có thể khai thác hiệu ứng ion hoá của nó bằng cách đo dòng ion hóa trong một tấm tụ chứa đầy không khí hoặc khí khác

và đây có thể coi như là buồng ion hóa