Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Kiểm tra và giải đoán khuyết tật một số vật liệu kim loại trong sản phẩm công nghiệp bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia X

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

141
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Kiểm tra và giải đoán khuyết tật một số vật liệu kim loại trong sản phẩm công nghiệp bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia X bao gồm những nội dung về cơ sở vật lý của phương pháp chụp ảnh phóng xạ bằng tia X; thực nghiệm và kết quả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Kiểm tra và giải đoán khuyết tật một số vật liệu kim loại trong sản phẩm công nghiệp bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia X

THƯ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ------------------------ PHẠM QUANG TUYẾN KIỂM TRA VÀ GIẢI ĐOÁN KHUYẾT TẬT MỘT SỐ VẬT LIỆU KIM LOẠI TRONG SẢN PHẨM CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ TIA-X Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2010
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt American Society of Mechanical ASME Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ Engineer American Society for Testing and ASTM Hiệp hội kiểm tra và vật liệu Hoa Kỳ Materials BS British Standard Tiêu chuẩn Anh DIN Dentsche Industrie Norm Tiêu chuẩn công nghiệp Đức DWDI Double Wall Double Image Hai thành hai ảnh DWSI Double Wall Single Image Hai thành một ảnh FFD Focus to Film Distance Khoảng cách từ tiêu điểm phát bức xạ đến phim IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan Năng Lượng nguyên tử quốc tế IQI Image Quality Indicator Vật chỉ thị chất lượng ảnh ISO International Standards Organization Hệ thống tiêu chuẩn quốc tế JIS Japanese Industrial Standard Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản NDT Non-destructive Testing Kiểm tra không phá hủy OD Outer Diameter Đường kính ngoài OFD Object to Film Distance Khoảng cách từ mẫu vật đến phim SFD Source to Film Distance Khoảng cách từ nguồn đến phim SWSI Single Wall Single Image Một thành một ảnh RT Radioghaphy Testing Chụp ảnh phóng xạ HVT Half Value Thicknees Bề dày làm yếu một nửa TVT Ten Value Thicknees Bề dày làm yếu một phần mười
LỜI CAM ĐOAN ---o0o--- Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện, không lấy kết quả của người khác hoặc nhờ người khác làm giúp. Nếu có gì vi phạm, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Người cam đoan Phạm Quang Tuyến
LỜI MỞ ĐẦU ------ oOo ------ Việt Nam đang trong giai đoạn tiến lên công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chúng ta đang xây dựng một nền công nghiệp hiện đại như một tiền đề để đưa Việt Nam trở thành một quốc gia phát triển. Một nền công nghiệp được xem là mạnh, là hiện đại chỉ khi nó tạo ra được các sản phẩm công nghiệp với chất lượng tốt. Để có được một sản phẩm công nghiệp với chất lượng tốt nhất, ngoài các công đoạn thiết kế và gia công thì kiểm tra chất lượng sản phẩm là một công đoạn rất quan trọng. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ thì có rất nhiều phương pháp khác nhau để đánh giá chất lượng của một sản phẩm hoặc một chi tiết sản phẩm công nghiệp. Một trong những phương pháp đó là ứng dụng bức xạ trong kiểm tra sản phẩm công nghiệp. Chụp ảnh phóng xạ (Radiography Testing - RT) là một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing - NDT). Nó là phương pháp rất hữu ích để đảm bảo cho sự hoạt động tin cậy của thiết bị và các cụm chi tiết ở bất kì một sản phẩm công nghiệp nào. Nó hữu dụng bởi tính đa dạng và linh hoạt, không làm thay đổi hình dạng và cấu trúc của mẫu vật cần kiểm tra. Các sản phẩm cơ khí ở cả hai giai đoạn sản xuất và sử dụng qua phương pháp kiểm tra này có thể loại bỏ khi không đạt chất lượng yêu cầu. Kiểm tra các khuyết tật xuất hiện trong quá trình sử dụng để tránh rủi ro tai nạn xảy ra do chính các khuyết tật này. Xuất phát từ thực tế đó, luận văn này muốn đề cập nghiên cứu thực nghiệm một phương pháp kiểm tra NDT bằng chụp ảnh phóng xạ với máy phát tia-X công nghiệp “RF-200EGM” hiện đang có tại Trung tâm đào tạo – Viện Nghiên cứu hạt nhân (Đà Lạt) để kiểm tra, giải đoán khuyết tật hàn của một số vật liệu kim loại có cấu hình phức tạp khác nhau (dạng hình ống tròn và chữ T – là những dạng mẫu vật cần kiểm tra thường gặp nhưng phức tạp hơn dạng tấm phẳng) trong các sản phẩm công nghiệp. Ngoài ra, sau một thời gian hoạt động thì kích thước bia hiệu dụng của đầu phát tia-X trong máy “RF-200EGM” có thay đổi theo hướng giảm đi, nên việc khảo sát lại để có được kích thước chính xác hiện nay là việc làm cần thiết trong nội dung của luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Văn Hùng, Giám đốc Trung tâm đào tạo - Viện Nghiên cứu nạt nhân, là người trực tiếp hướng dẫn khoa học cho đề tài một cách tận tình, chu đáo và có khoa học. Tôi cũng xin chân thành cám ơn ThS. Nguyễn Minh Xuân, nghiên cứu viên thuộc Trung tâm Đào tạo - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và những cán bộ, nhân viên thuộc Trung tâm đã trực tiếp chỉ bảo những vấn đề mà bản thân tôi vướng mắc khi thực hiện luận văn này. Người thực hiện Phạm Quang Tuyến
Chương 1: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ BẰNG TIA-X 1.1 Những nguyên lý cơ bản của kiểm tra không phá hủy 1.1.1 Định nghĩa và tầm quan trọng của phương pháp NDT  Định nghĩa và bản chất của NDT. Kiểm tra không phá hủy (NDT) là sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra các khuyết tật bên trong cấu trúc của các vật liệu, các sản phẩm, các chi tiết máy,... mà không làm tổn hại đến khả năng hoạt động sau này của chúng.  Tầm quan trọng của NDT . Phương pháp này đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm và trong các công đoạn của quá trình chế tạo một sản phẩm. Sử dụng các phương pháp NDT trong các công đoạn của quá trình sản xuất mang lại một số hiệu quả sau: - Làm tăng mức độ an toàn và tin cậy của sản phẩm khi làm việc. Làm giảm giá thành sản phẩm bởi sự giảm phế liệu và bảo toàn vật liệu, công lao động và năng lượng. - Nó làm tăng danh tiếng cho nhà sản xuất. - NDT cũng được sử dụng rộng rãi trong việc xác định hoặc định kì chất lượng của các thiết bị, máy móc và các công trình trong quá trình vận hành. Điều này không những làm tăng độ an toàn trong quá trình làm việc, mà còn giảm thiểu được bất kì những trục trặc nào làm cho thiết bị ngưng hoạt động. 1.1.2 Các phương pháp NDT Những phương pháp NDT có từ đơn giản đến phức tạp. Những phương pháp NDT được chia thành từng nhóm theo những mục đích sử dụng khác nhau đó là: - Phương pháp kiểm tra bằng mắt hay còn gọi là phương pháp quang học (Visual Testing - VT); - Phương pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng (Liquiq Penetrant Testing – PT); - Phương pháp kiểm tra bằng bột từ (Magnetic Particle Testing – MT); - Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy (Eddy Current Testing – ET); - Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm (Ultrasonic Testing – UT); - Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ (Radiography Testing – RT). Nhóm còn lại chỉ được dùng trong những ứng dụng đặc biệt và do đó chúng có những hạn chế trong việc sử dụng. Trong các phương pháp trên thì phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ (RT) là một lĩnh vực ứng dụng của kỹ thuật vật lý hạt nhân hiện đang phát triển rất mạnh mẽ trong công nghiệp. 1.1.3 Phương pháp chụp ảnh phóng xạ (RT).
Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ được dùng để xác định khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau. Một phim chụp ảnh phóng xạ thích hợp được đặt phía sau vật kiểm tra và được chiếu bởi một chùm tia-X hoặc tia γ đi qua nó. Cường độ của chùm tia-X và tia γ khi đi qua vật thể tùy theo cấu trúc của vật thể mà có sự thay đổi và như vậy sau khi rửa phim đã chụp sẽ hiện ra hình ảnh bóng, đó là ảnh chụp phóng xạ của sản phẩm. Sau đó phim được giải đoán để có được những thông tin về khuyết tật bên trong sản phẩm. Phương pháp này được dùng rộng rãi cho tất cả các loại sản phẩm như vật rèn, đúc và hàn. Bằng sự định hướng chính xác, các khuyết tật mỏng, nhỏ cũng có thể phát hiện được từ phương pháp chụp ảnh phóng xạ. Nó cũng phù hợp cho việc phát hiện những thay đổi trong các phép đo bề dày thành vật liệu, xác định vị trí hoặc các khuyết tật ẩn chứa trong các phần lắp ráp. Thuận lợi cơ bản của việc ứng dụng bức xạ trong NDT nảy sinh từ thực tế là có thể kiểm tra các vật thể với kích thước hay dạng hình cầu có đường kính cỡ micromet tới những vật có kích thước khổng lồ hoặc kiểm tra cấu trúc các bộ phận trong các nhà máy. Ngoài ra nó còn có khả năng ứng dụng cho nhiều vật liệu khác nhau mà không cần bất kì một sự chuẩn bị trước nào đối với bề mặt mẫu vật. Trở ngại chính của chụp ảnh phóng xạ là sự nguy hiểm cho các nhân viên vận hành bị chiếu xạ có thể gây nguy hại cho các mô cơ thể. Do đó cần yêu cầu một sự vận hành chính xác và thái độ nghiêm túc cao trong quá trình làm việc. 1.1.4 An toàn bức xạ cho nhân viên. 1.1.4.1 Đánh giá về an toàn bức xạ. Sự nguy hiểm của bức xạ khi các nhân viên vận hành chiếu xạ trong quá trình chụp ảnh phóng xạ có thể gây nguy hại cho các mô của cơ thể. Do đó nó đòi hỏi sự hiểu biết về an toàn bức xạ, sự vận hành chính xác và thái độ nghiêm túc cao của nhân viên trong quá trình làm việc. Mục đích cơ bản về hiểu biết an toàn bức xạ là đảm bảo an toàn cho bản thân, những người xung quanh và duy trì sức khỏe cho nhân viên sau khi làm việc. Vấn đề quan trọng cần được xem xét trong kiểm tra bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ đó chính là có thể những rủi ro gây hiệu ứng sinh học có hại cho cơ thể người. Hai vấn đề chính của an toàn trong chụp ảnh phóng xạ là kiểm soát liều bức xạ và bảo vệ con người. Những định nghĩa, khái niệm, đơn vị cơ bản về an toàn bức xạ được khái quát như sau. 1.1.4.2 Các đại lượng và đơn vị đo lường trong an toàn bức xạ. Liều bức xạ là đại lượng đánh giá khả năng ion hóa trong một đơn vị khối lượng môi trường vật chất đã cho. Tác dụng của bức xạ lên cơ thể con người phụ thuộc vào hai yếu tố là cường độ và loại bức xạ. Các đại lượng và đơn vị đo lường được dùng trong an toàn bức xạ là: - Hoạt độ phóng xạ (A) là số phân rã (N) trong một đơn vị thời gian (t).
dN A (1.1) dt Đơn vị là Becquerel (Bq), 1Bq bằng một phân rã trong một giây (dps). Đơn vị cũ là Curie (Ci), 1Ci = 3,7*1010Bq. - Liều chiếu (X) là đại lượng được tính bằng số lượng ion hóa (Q) trong một khối lượng không khí (m) gây bởi bức xạ photon. dQ X  (1.2) dm Đơn vị đo là Coulomb/kg (C/kg), đơn vị cũ là Roentgen (R), 1R =2,58*10-4C/kg. Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian. - Liều hấp thụ (D) là năng lượng trung bình (E) mà bức xạ truyền cho vật chất ở trong một thể tích nguyên tố chia cho khối lượng (m) của vật chất chứa trong thể tích đó. dE D (1.3) dm Đơn vị mới của liều hấp thụ là: Gray (Gy) hay Jun/kg (J/kg), đơn vị cũ là Rad, 1 Gy = 100 rad. Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ trong 1 đơn vị thời gian. - Do cùng một liều hấp thụ như nhau của các loại bức xạ có thể gây ra các hiệu ứng sinh học khác nhau (Xem chi tiết ở Phụ lục 1), nên người ta đưa ra khái niệm liều tương đương. Liều tương đương (HT,R) bằng liều hấp thụ nhân với một hệ số đánh giá sự truyền năng lượng của từng loại bức xạ vào mô gọi là trọng số bức xạ (WR). HT,R = DT,R * WR (1.4) Một số giá trị trọng số bức xạ (WR) được cho trong Bảng 1.1. Bảng 1.1: Trọng số bức xạ (WR) ứng với các loại bức xạ khác nhau Loại bức xạ và khoảng năng lượng WR 1 Tia gamma (photon) và điện tử với mọi năng lượng (trừ điện tử 1 Auger). 2 Proton và các proton giật lùi có năng lượng > 2MeV 5 3 Alpha, mảnh phân hạch, hạt nhân nặng 20 4 Neutron: E < 10 keV 5 10 - 100 keV 10 100 - 2 MeV 20 2 - 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Đơn vị của liều tương đương là Sievert (Sv), đơn vị cũ: Rem, 1 Sv = 100 Rem.
Suất liều tương đương là liều tương đương tính trong một đơn vị thời gian. - Liều hiệu dụng (E) là tích của liều tương đương với trọng số mô (WT). Liều hiệu dụng chính là liều được tính cho toàn cơ thể. E = ∑TET = ∑TWT = ∑TWT∑RDT,RWR (1.5) Các trọng số mô đặc trưng cho cơ quan (mô) trong cơ thể được cho ở Bảng 1.2 Bảng 1.2: Trọng số mô (WT) ứng với các cơ quan trong cơ thể Cơ quan (mô) WT Cơ quan (mô) WT Thận 0,20 0,05 Tủy xương 0,12 Vú 0,05 Phổi 0,12 Gan 0,05 Dạ dày 0,12 Tuyến giáp 0,01 Ruột kết 0,12 Da 0,01 Thực quản 0,05 Mặt xương 0,005 Bọng đái 0,05 Còn lại Suất liều hiệu dụng là liều hiệu dụng tính trong một đơn vị thời gian. - Liều giới hạn là giá trị về độ lớn của liều được quy định trong Quy phạm TCVN 6866: 2001 cho từng đối tượng (nhân viên bức xạ, dân chúng, học viên ...). Trong quá trình làm việc với bức xạ thì từng đối tượng đó không được chịu vượt quá giá trị liều (giới hạn) quy định. 1.1.4.3 Giới hạn sự chiếu xạ. Dựa vào những nghiên cứu khác nhau, Ủy ban quốc tế về bảo vệ chống bức xạ (ICRP) đã đưa ra các yêu cầu sau:  Chỉ được tiếp xúc với bức xạ khi cần thiết.  Giảm liều chiếu tới mức thấp nhất có thể chấp nhận được (Qui tắc ALARA).  Liều giới hạn cho nhân viên bức xạ (trong trường hợp bình thường): Liều hiệu dụng trong 1 năm (lấy trung bình trong 5 năm liên tiếp) không vượt quá 20mSv, trong từng năm riêng lẻ không vượt quá 50mSv. Điều này có nghĩa là liều hiệu dụng cho từng giờ làm việc có tiếp xúc với nguồn của nhân viên bức xạ là 10μSv/h; liều tương đương đối với thủy tinh thể của mắt không vượt quá 150mSv/năm; liều tương đương đối với tay, chân và da không vượt quá 500mSv/năm.  Liều giới hạn cho nhân viên bức xạ trong trường hợp khắc phục tai nạn sự cố (ngoại trừ hành động cứu mạng): Dưới 2 lần mức liều giới hạn năm (dưới 40mSv).  Liều giới hạn cho nhân viên bức xạ trong trường hợp khắc phục tai nạn sự cố (tính đến hành động cứu mạng): Dưới 10 lần mức liều giới hạn năm (dưới 200mSv), có thể nhận liều xấp xỉ hoặc
vượt quá 10 lần mức liều giới hạn năm (≥200mSv) nhưng chỉ áp dụng nếu lợi ích đem lại cho người khác lớn hơn hẳn so với nguy hiểm riêng của chính mình.  Liều giới hạn đối với người học viên trẻ và sinh viên (từ 16 đến 18 tuổi): Liều hiệu dụng là 6mSv/năm; liều tương đương đối với thủy tinh thể của mắt là 50mSv/ năm; liều tương đương đối với tay, chân và da là 150mSv/năm.  Liều giới hạn đối với dân chúng: Liều hiệu dụng là 1mSv/năm; liều tương đương đối với thủy tinh thể của mắt là 15mSv/năm; liều tương đương đối với da là 50mSv/năm. Với người săn sóc và khách thăm bệnh nhân: Người lớn là 5mSv và trẻ em là 1mSv trong suốt thời kỳ bệnh nhân làm xét nghiệm hoặc điều trị.  Liều tương đương cá nhân khi có sự cố: Có thể cho phép chịu tới 2 lần liều trong một vụ việc nhưng sau đó phải giảm liều sao cho sau 5 năm tổng liều tích lũy lại phù hợp với công thức D = 20*(N - 18); trong đó D là liều chiếu tính bằng mSv, N là tuổi tính bằng năm. 1.1.4.4 Các phương pháp kiểm soát sự chiếu xạ Trong chụp ảnh, việc kiểm soát sự chiếu xạ là một yêu cầu không thể bỏ qua. Sau đây là 3 cách cơ bản để kiểm soát sự chiếu xạ:  Thời gian: Không ở gần nguồn bức xạ lâu hơn một chút nào nếu không cần thiết. Giảm thời gian tiếp xúc bằng cách thao tác chính xác, đúng quy trình kỹ thuật, tuân thủ quy tắc an toàn.  Khoảng cách: Ở khoảng cách xa nguồn nhất có thể được. Sự suy giảm cường độ bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên khi lắp đặt thiết bị và thủ tục vận hành phải tính đến thông số này.  Che chắn bảo vệ: Một cách quan trọng để giảm liều là đặt tấm chắn bảo vệ giữa nguồn và người vận hành. Dùng vật liệu có mật độ khối cao để che chắn tia-X và gamma như sắt, chì, bêtông hay uran nghèo, v.v. 1.1.4.5 Kiểm soát bức xạ Kiểm soát bức xạ là cần thiết nhằm tránh rủi ro bao gồm: Kiểm tra liều khu vực thực nghiệm và đo liều cá nhân. Kiểm tra khu vực có thể bằng các máy đo liều cố định hay máy đo liều xách tay. Kiểm tra liều cá nhân bằng cách đo liều nhận được trong suốt thời gian tiến hành công việc (dùng liều kế cá nhân). 1.2 Cơ sở vật lý của kiểm tra không phá hủy 1.2.1 Các tính chất cơ bản của tia-X 1.2.1.1 Sự ra đời của bức xạ tia-X và sự phát triển của phương pháp chụp ảnh phóng xạ Năm 1895 trong lúc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu hiện tượng phóng điện qua chất khí, Roentgen đã phát hiện ra một loại tia bức xạ mới mà ông đặt tên là tia-X (người ta còn gọi là tia Roentgen). Thành công đầu tiên của việc ứng dụng loại tia-X này là ông đã tiến hành chụp và thu
được ảnh của những vật khác nhau đựng trong hộp kín như quả cân, khẩu súng v.v.. Chính những kết quả ban đầu này đã đánh dấu sự ra đời của phương pháp RT, đây là một phương pháp có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong đối tượng kiểm tra. Phương pháp này đã và đang được ứng dụng rộng rãi đem lại nhiều lợi ích to lớn trong đời sống thực tế. Kể từ khi được phát hiện, tia X được ứng dụng rất đa dạng như:  Khoảng một năm sau tia X này được áp dụng cho kiểm tra mối hàn.  Năm 1913, ống phát tia X được thiết kế bởi Colide tạo ra những tia-X có cường độ và khả năng xuyên thấu lớn.  Năm 1917, phòng thí nghiệm X quang đã được thiết lập tại Royal Arsenal ở Woolwich.  Đến năm 1930, phương pháp chụp ảnh phóng xạ được hải quân Mỹ chính thức áp dụng cho kiểm tra nồi hơi, có thể nói đây là một sự phát triển quan trọng. Những thành công đã khẳng định vai trò và giá trị đặc biệt của phương pháp chụp ảnh phóng xạ kiểm tra khuyết tật trong các ngành công nghiệp như: Hàng không, kiểm tra khuyết tật mối hàn trong các nhà máy điện, nhà máy tinh chế, các kết cấu tàu thủy và phương tiện chiến tranh,v.v.. Những thành quả ấy tạo cơ sở cho sự phát triển phương pháp này ngày càng mạnh mẽ cho đến ngày nay. 1.2.1.2 Bản chất và các tính chất của bức xạ tia-X. Tia X là bức xạ điện từ giống như ánh sáng, chỉ khác là nó có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ánh sáng hàng nghìn lần. Trong chụp ảnh phóng xạ thì những tia X thường dùng có bước sóng trong khoảng từ 10-4A0 đến 10A0 (1A0 = 10-8 cm). Phổ của tia X là phổ liên tục với chiều dài bước sóng tương ứng với λ = c/γ với c là vận tốc ánh sáng, γ là tần số dao động riêng. 1.2.1.3 Tính chất của tia X  Tia X là bức xạ không nhìn thấy được do đó không cảm nhận được bằng giác quan con người.  Nó có khả năng làm phát quang một số chất như Zine Sulfide, Calcium, Tungstate, Diamon, Barium, Platinocyamide, Sodiumlodide được kích hoạt bởi Thalium.  Các tia X chuyển động với vận tốc ánh sáng.  Là tia bức xạ nên chúng có thể gây nguy hại cho tế bào sống  Chúng gây ion hóa vật chất (đặc biệt với chất khí rất dễ bị ion hóa trở thành các điện tử và ion dương).  Tia X truyền theo một đường thẳng, chúng là bức xạ điện từ.  Nó tuân theo định luật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
 Nó có thể xuyên qua những vật mà ánh sáng không truyền qua được và khả năng xuyên thấu phụ thuộc vào năng lượng của photon, mật độ và chiều dày của lớp vật chất.  Nó tác dụng lên lớp nhũ tương của phim ảnh.  Khi đi qua lớp vật chất chúng bị hấp thụ, phản xạ và tán xạ. 1.2.2 Tương tác của bức xạ với vật chất Khi một chùm bức xạ tia-X hoặc gamma truyền qua một vật nào đó thì một số tia sẽ truyền qua, một số bị hấp thụ và tán xạ theo những hướng khác nhau. Những kiến thức về hiện tượng này rất quan trọng đối với những người làm công việc chụp ảnh phóng xạ, do vậy từng hiện tượng nêu trên sẽ được trình bày cụ thể dưới đây. 1.2.2.1 Hiện tượng hấp thụ Khi một chùm bức xạ truyền qua một vật nào đó thì sẽ bị suy giảm cường độ. Hiện tượng này gọi là sự hấp thụ bức xạ trong vật chất (Hình 2.1) Chùm tia tới Chùm tia truyền qua Hình 1.1: Hấp thụ bức xạ Tính chất của hiện tượng này được áp dụng trong chụp ảnh phóng xạ công nghiệp. Nếu có khuyết tật ở bên trong mẫu vật nghĩa là có sự thay đổi về độ dày. Sự hiện diện của chúng tạo nên sự thay đổi tương ứng về cường độ của chùm tia truyền qua, điều này được ghi nhận trên ảnh chụp. Do tầm quan trọng của nó mà chúng ta sẽ xem xét hiện tượng này một cách kỹ lưỡng. 1.2.2.2 Hệ số hấp thụ Tiến hành thí nghiệm trên một mẫu có chiều dày x, cường độ chùm tia tới là I0, cường độ chùm tia truyền qua là I và chùm tia tới ở đây là đơn năng thì ta có: I = I0exp(-μx) (1.6) Trong đó μ là hệ số hấp thụ tuyến tính Trong biểu thức trên, hệ số hấp thụ tuyến tính μ là đại lượng đánh giá sự suy giảm cường độ bức xạ theo chiều dày vật liệu và có thứ nguyên là (đơn vị độ dài)-1 và được tính theo biểu thức: μ = k λ3z3 (1.7) Với k là một hằng số phụ thuộc vào mật độ vật lý của chất hấp thụ, λ là chiều dài bước sóng sơ cấp, Z là nguyên tử số của chất hấp thụ. Khoảng cách 1/μ được gọi là quãng chạy tự do trung bình của photon.
Từ biểu thức trên ta thấy μ phụ thuộc nhiều vào chiều dài bước sóng sơ cấp (những tia năng lượng thấp và mềm dễ bị hấp thụ hơn), ngoài ra nó cũng phụ thuộc nhiều vào nguyên tử số Z của chất hấp thụ và tăng cùng với Z. Đôi khi để tiện lợi người ta dùng khái niệm hệ số suy giảm khối μm : μ m = μ/ ρ Ở đây ρ là mật độ của vật chất. 1.2.2.3 Bề dày hấp thụ một nửa Bức xạ bị hấp thụ khi đi qua vật chất phụ thuộc vào cường độ và năng lượng. Trong thực tế người ta thường dùng khái niệm bề dày làm yếu một nửa (HVT) để đánh giá khả năng làm suy giảm bức xạ của mỗi loại vật chất. Một HVT là bề dày của một lớp vật chất có thể làm giảm một nửa cường độ bức xạ khi đi qua chất đó, HVT = 0,693/μ. Trong chụp ảnh phóng xạ, lớp một nửa được định nghĩa là chiều dày của vật kiểm mà chùm bức xạ đi qua nó bị làm yếu và tạo ra cùng một độ đen trên phim như được tạo ra bởi chùm không bị làm yếu nhưng thời gian chụp chỉ bằng một nửa. Về khía cạnh che chắn HVT là chiều dày vật liệu che chắn cần thiết để giảm suất liều bức xạ tới còn một nửa. Ngoài ra còn có khái niệm bề dày làm yếu một phần mười (TVT) được định nghĩa là chiều dày của lớp vật liệu che chắn để giảm cường độ bức xạ hoặc suất liều đi 10 lần, TVT = 2,30/μ 1.2.2.4 Định luật tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách Cường độ của bức xạ tại một điểm nào đó phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đó tới nguồn. Cường độ thay đổi tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách này. Nguyên lý được biểu diễn theo biểu thức đại số sau: I 1 r12  (1.8) I 2 r22 Với I1, I2 lần lượt là cường độ bức xạ tại các điểm C1, C2 tại khoảng cách r1, r2. Vì I1 ~ E1, I2 ~ E2 nên định luật có thể viết lại: I 1 E1  (1.9) I 2 E2 Với E1, E2 lần lượt là liều chiếu tại C1, C2 . Trong lĩnh vực an toàn bức xạ thì biểu thức trên được viết như sau: I 1 D1  (1.10) I 2 D2 Trong đó D1, D2 là suất liều bức xạ tại khoảng cách r1, r2 tính từ nguồn. Điều này có nghĩa là suất liều sẽ giảm rất nhanh khi ta di chuyển nguồn ra xa. Nếu khoảng cách tăng lên gấp 10 lần thì suất liều sẽ giảm 100 lần. 1.2.2.5 Hấp thụ quang điện.
Trong quá trình này một photon mất hết năng lượng để giải phóng một điện tử lớp quỹ đạo ra khỏi nguyên tử. Photon biến mất, năng lượng của photon được dùng để đánh bật điện tử ra khỏi quỹ đạo và cung cấp cho nó một động năng nào đó. Quá trình hấp thụ quang điện có hiệu suất cao nhất khi tương tác xảy ra với những điện tử liên kết chặt nhất trong nguyên tử và không xảy ra với những điện tử tự do. Chính vì vậy mà những điện tử thuộc lớp K tham gia vào quá trình này là mạnh nhất. Bức xạ tới Điện tử quang điện Hình 1.2: Hiệu ứng hấp thụ quang điện Hiện tượng quang điện khả dĩ nhất đối với các photon năng lượng (E) thấp và các nguyên tố có nguyên tử số lớn. Xác suất hiện tượng quang điện thay đổi gần đúng theo tỉ lệ 1/E3,5 và Z5. Đó là lý do tại sao ta có thể hiểu được chì (Pb) và uran (U) là những chất che chắn bức xạ gama hay tia-X rất tốt. 1.2.2.6 Tán xạ Compton. Hiện tượng tán xạ của photon có năng lượng cỡ vài MeV hoặc lớn hơn (tương đương với bước sóng   1Ao) khi va chạm đàn hồi với một điện tử tự do của nguyên tử tạo ra một điện tử chuyển động gọi là điện tử compton. Photon truyền một phần năng lượng của mình cho một điện tử làm nó tách ra khỏi nguyên tử và chuyển động với vận tốc nào đó trong khi photon tới bị tán xạ và lệch đi một góc so với phương ban đầu và năng lượng của nó cũng giảm đi. Photon tán xạ Bức xạ tới Compton Electron Hình 1.3: Tán xạ Compton Không giống như hiện tượng quang điện tán xạ Compton xảy ra trên các điện tử tự do và điện tử lớp ngoài có liên kết yếu hơn. Trong chụp ảnh cỡ trung bình thì hiệu ứng Compton là quá trình suy giảm quan trọng nhất, do đó cần chú trọng tới những ảnh hưởng của hiệu ứng Compton trong quá trình chụp ảnh vì hiện tượng này có thể đóng góp vào độ nhòe ảnh. 1.2.2.7 Hiệu ứng tạo cặp
Sự tạo cặp là quá trình biến đổi của photon thành hai hạt cơ bản là positron và electron. Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng của photon tới vượt quá hai lần khối lượng nghỉ của một electron, nghĩa là h  2m0c2 = 2*0,511MeV = 1,022 MeV;   0,01 A0,  = 3*1020s-1) chuyển động tới gần hạt nhân. electron Bức xạ tới positron Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp Chú ý: Quá trình này chiếm ưu thế khi gamma tới có năng lượng cao và chuyển động tới gần hạt nhân có nguyên tử số cao. Positron bị làm chậm dần bởi sự hấp thụ trung gian và biến mất sau đó, như vậy cả hai photon đều biến mất do tương tác thứ cấp với vật chất. 1.2.3 Nguyên lý ghi nhận ảnh bằng phim. Phim là công cụ được dùng để thu và ghi nhận bức xạ gamma hoặc tia-X khi chụp ảnh. Ghi nhận bằng phim có ưu điểm cho kết quả cố định, giữ được lâu dài. Do tính chất “trong suốt“ đối với bức xạ gamma hoặc tia-X của từng phần đối tượng kiểm tra là khác nhau nên dựa vào ảnh dễ dàng thấy được sự không đồng đều về mật độ của vật liệu chiếu cũng như sự khác nhau về bề dày của vật liệu đồng nhất. Giống như ánh sáng nhìn thấy được, tia-X và tia gamma cũng gây nên những thay đổi quang hoá trong nhũ tương phim ảnh. Vì vậy tạo nên những thay đổi về độ đen của phim ảnh. Độ đen của phim phụ thuộc cả vào số lượng lẫn năng lượng của bức xạ đạt tới phim. Khi bức xạ đập vào lớp nhũ tương của phim ảnh sẽ tạo ra một ảnh gọi là ảnh ẩn. Nhũ tương phim chứa những tinh thể Bromua bạc nhỏ. Dưới tác dụng của phôtôn bức xạ năng lượng hγ, một ion âm Br- giải phóng bớt điện tử của nó và trở về trạng thái trung hòa: Br- + hγ -> Br + e- Điện tử được giải phóng sẽ trung hoà ion bạc dương Ag+. Ag+ + e- -> Ag Ag+ + Br- -> Ag + Br Các nguyên tử Bromua trung hoà cũng liên kết để tạo nên các hạt Br và để lại các tinh thể AgBr. Vì vậy các nguyên tử bạc tự do được đọng lại. Trong quá trình hiện, ảnh ẩn trở thành nhìn thấy được.
Chương 2: KỸ THUẬT CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ TIA-X 2.1. Nguyên lý và kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia-X 2.1.1 Nguyên lý của chụp ảnh phóng xạ tia-X Nguyên lý của chụp ảnh phóng xạ tia-X được mô tả ở Hình 2.1. Kỹ thuật này sử dụng khả năng xuyên thấu của tia-X khi truyền qua vật chất. Nguồn Chùm tia Khuyết tật Mẫu vật Phim Ảnh khuyết tật Hình 2.1: Nguyên lý kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ Bức xạ có năng lượng cao hơn thì có khả năng xuyên thấu lớn hơn. Không phải tất cả các tia bức xạ đều xuyên qua vật liệu mà một phần bị hấp thụ bởi chính vật liệu đó. Nếu có khuyết tật rỗng hay tính không liên tục của vật liệu thì cần chùm tia bức xạ nhỏ hơn chùm tia xuyên qua vùng vật liệu đồng nhất. Nếu ghi nhận hiện tượng này bằng phim tia-X hay gamma sẽ cho ta một ảnh chỉ ra có hay không sự hiện diện của khuyết tật. Ảnh này có bóng tối tạo bởi tia X hay gamma khác nhau giữa chỗ có và không có khuyết tật. Như vậy, độ nhạy của ảnh chụp phóng xạ dựa vào nguyên lý che “tối, sáng” của bức xạ trên phim sau khi đi qua vật liệu. Sự khác nhau của các vùng tối sáng được dịch ra các thông tin liên quan đến cấu trúc bên trong của vật liệu. Tóm lại, phương pháp chụp ảnh phóng xạ có thể kiểm tra các vật thể với kích thước và hình dạng khác nhau từ cỡ micro mét tới những vật có kích thước lớn hoặc kiểm tra cấu trúc các bộ phận trong nhà máy. Khác với những phương pháp NDT khác chụp ảnh phóng xạ còn ứng dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau mà không cần bất kỳ một sự chuẩn bị nào đối với bề mặt mẫu vật. Phương pháp chụp ảnh phóng xạ cho kết quả kiểm tra tin cậy, số liệu kiểm tra có thể lưu lại được. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định là có thể gây nguy hiểm cho con người do phải sử dụng nguồn bức xạ, khi tiến hành ở hiện trường có thể làm gián đoạn quá trình sản xuất. 2.1.2 Lựa chọn các thông số kỹ thuật. 2.1.2.1 Giới thiệu chung.
Sự lựa chọn một kỹ thuật chụp ảnh bức xạ phải dựa trên độ nhạy của yêu cầu đặt ra. Để có được hình ảnh của các gián đoạn nhỏ hiện rõ trên phim thì phải sử dụng một kỹ thuật chụp ảnh bức xạ đặc thù cho loại mẫu vật đó. Kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ bị chi phối bởi các thành phần:  Loại nguồn bức xạ;  Loại phim được sử dụng;  Khoảng cách từ nguồn tới phim;  Sự bố trí chùm tia bức xạ. Để lựa chọn một kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ đặc thù phải dựa vào các đại lượng sau:  Vật liệu và cấu hình của mẫu vật;  Quá trình chế tạo (đúc, hàn…);  Vùng biết trước có khuyết tật và bản chất của khuyết tật;  Diện tích của vùng kiểm tra;  Độ nhạy được yêu cầu… 2.1.2.2. Nguồn bức xạ Khi sử dụng nguồn bức xạ là máy phát tia-X thì dễ dàng thay đổi năng lượng của tia-X phát ra và rất phù hợp cho việc kiểm tra các vật liệu kim loại nhẹ hoặc có bề dày nhỏ. Đặc biệt, ảnh chụp phóng xạ tia-X cho độ tương phản cao. Bề dày thép cực đại ứng với các cao thế khác nhau được nêu ở Bảng 2.1. Bảng 2.1: Bề dày thép cực đại khi dùng nguồn tia-X Bề dày thép cực đại (mm) Nguồn (kV) Độ nhạy cao Độ nhạy thấp 100 10 25 150 15 50 200 25 75 400 75 115 1000 125 165 2000 200 250 5000 300 350 2.1.2.3. Sự bố trí hình học. Ảnh chụp phóng xạ tạo trên phim được tạo ra nhờ quá trình tạo bóng. Sự biến dạng ảnh trên phim so với hình dạng thật của các gián đoạn trên vật được quyết định bởi các yếu tố như kích thước nguồn, SFD, OFD, hướng của chùm tia phóng xạ…
S Nguồn SFD t d Độ đen Ug Hình 2.2: Độ nhòe hình học Ug Độ nhòe hình học (Ug) là một đại lượng có thể điều chỉnh được thông qua công thức sau (được thành lập từ Hình 2.2): d *t Ug  (2.1) SFD  t Trong đó: d là kích thước nguồn (mm); t là bề dày của mẫu vật. Như vậy, để có được một ảnh chụp bức xạ sắc nét thì kích thước nguồn phải nhỏ, khoảng cách giữa nguồn với mẫu vật kiểm tra lớn và khoảng cách giữa mẫu vật tới phim nhỏ. Tuy nhiên, mỗi phim có một độ nhòe nguyên thủy nên ta không thể tăng khoảng cách giữa nguồn với vật quá lớn sẽ vô ích và ảnh hưởng tới thời gian chiếu. Bảng 2.2: Các giá trị SFD hữu ích cực đại Kích thước nguồn Bề dày thép Cao thế SFD cực đại (mm) (mm) (kV) (mm) 2 6 100 250 2 12 150 380 2 25 220 530 2 50 350 760 4 12 150 750 4 25 220 1040 4 50 350 1500
Giá trị SFD hữu ích cực đại được nêu trong Bảng 2.2. Ngược lại, để giảm được thời gian chiếu thì giảm SFD nhưng phải thỏa mãn giá trị Ug theo yêu cầu của ảnh chụp bức xạ đặt ra. Từ công thức 2.1, ta có:  d  SFDmin  t  1    (2.2)  U g max  2.1.2.4. Lựa chọn phim Tùy theo yêu cầu đặt ra của ảnh chụp bức xạ mà ta chọn loại phim cho phù hợp. Sự lựa chọn phim dựa trên sự phân loại của các tiêu chuẩn khác nhau. Theo tiêu chuẩn của DIN thì phim được phân thành 4 nhóm, trong đó nhóm G1 có độ tương phản cao nhất. Đối với tiêu chuẩn ASTM thì phim được phân thành 3 loại: loại đặc biệt, loại 1 và loại 2. Thông thường, đối với yêu cầu không nghiêm ngặt thì loại phim được sử dụng là G3 (theo DIN) hay loại 2 (theo ASTM). Mặt khác, để lựa chọn và sử dụng phim tốt thì cần phải dựa vào bảng hướng dẫn lựa chọn phim của hãng phim đó. Bảng 2.3 hướng dẫn cách sử dụng phim Structurix của hãng Agfa. Bảng 2.3: Hướng dẫn cách sử dụng phim Structurix của hãng Agfa Bề dày thép Dải năng lượng tia X và phim đề nghị sử dụng (inch) 80 – 120kV 120 – 150kV 150 – 250kV 250 – 400kV 0–¼ D7 D7 – D5 – D4 D4 – D4 - ¼-½ - D7 – D5 – D4 D7 – D5 – D4 – D2 D4 – D2 ½-1 - D7 D7 – D5 – D4 D7 – D5 – D4 1–2 - - D7 – D4 D7 – D5 – D4 2–4 - - - D7 2.1.3 Liều chiếu dùng trong chụp ảnh phóng xạ tia-X. Hiểu biết về liều chiếu trong chụp ảnh phóng xạ là cần thiết nhằm tính toán được giá trị thích hợp về liều và thời gian để thu được ảnh chụp có chất lượng theo yêu cầu. 2.1.3.1 Định nghĩa liều chiếu. Về mặt toán học, liếu chiếu có thể được định nghĩa là E = I * t, trong đó E là liều chiếu, I là cường độ bức xạ, t là thời gian mà vật được chiếu bởi bức xạ. Liều chiếu được đo bằng Roentgen (R). Về phép chiếu xạ chụp ảnh liều chiếu được xem như là sự kết hợp của cường độ nguồn và thời gian để sao cho phim được chiếu xạ thích hợp. Nên liều chiếu ứng với mỗi trường hợp khác nhau: - Đối với máy phát tia X: Liều chiếu = Dòng phóng (mA) * thời gian (giây) - Đối với nguồn gamma:
Liều chiếu = Hoạt độ (Ci) * thời gian (giờ) 2.1.3.2 Các phương pháp xác định liều chiếu. Việc xác định liều chiếu thích hợp đối với một mẫu vật cụ thể là rất cần thiết để tiết kiệm thời gian lao động và các vật tư thiết bị mà vẫn cho ra những ảnh chụp đạt yêu cầu. Có một số phương pháp xác định liều chiếu như sau. 2.1.3.3 So sánh với các số liệu đã có trước. Các kết quả xác định trong những lần đo trước chúng ta ghi chép thành bảng sẵn và nếu cần chúng ta có thể sử dụng ngay bảng đã có sẵn để so sánh mà không cần phải tính toán. Chú ý chỉ áp dụng với những trường hợp tương tự nhau. 2.1.3.4 Sử dụng đường đặc trưng. Đường đặc trưng của phim là đường cong đã được xây dựng trước cho mỗi một máy phát hoặc nguồn đối với một loại vật liệu cụ thể để đạt được độ đen theo yêu cầu (thường là D = 2,0). Nguyên lý này như sau: Gọi liều chiếu thử là Et, cho độ đen là Dt và độ đen yêu cầu nhận được phải là Dr, Ect là liều chiếu tương ứng với độ đen Dt, Ecr là liều chiếu tương ứng với độ đen Dr. Các giá trị độ đen đọc được trên đường đặc trưng của phim (Hình 2.3) và liều chiếu E được xác định để thu được độ đen yêu cầu là: E Ecr  (2.3) Et Ect E Hay E  Et cr (2.4) Ect 2.5 2,0 Độ đen 1,5 1,4 1,0 0,5 150 200 0,0 10 50 100 E ct E cr 500 1000 Liều chiếu tương đối 2.1.3.5 Phương pháp giản đồ liều chiếu. Hình 2.3: Đường đặc trưng đối với một loại phim nhất định Giản đồ liều chiếu tức là mô tả mối quan hệ giữa thời gian chiếu với bề dày vật liệu ở một giá trị cường độ, điện áp, khoảng cách SFD và các điều kiện xử lý phim để đạt được giá trị độ đen nào đó (ví dụ D = 2,0) đối với từng loại phim cụ thể. Một giản đồ chiếu thường được xây dựng cho một
máy phát tia-X hoặc một nguồn gamma đối với một loại vật liệu cụ thể, các phương pháp chuẩn bị giản đồ cũng khác nhau. Khi xây dựng giản đồ chiếu phải ghi chú rõ những thông tin cần thiết như: Loại máy, loại phim, độ đen phim, quy trình xử lý phim (loại thuốc hiện, thời gian hiện, nhiệt độ của thuốc hiện), loại vật liệu, loại màn tăng cường (nếu có), khoảng cách từ nguồn tới phim. GIẢN ĐỒ LIỀU CHIẾU CỦA MÁY PHÁT TIA-X “RF-200EGM” Phim : Fuji #100 Màng tăng cường : Mànchì 0,03 mm Khoảng cách từ nguồn đến phim : 600 mm 5,0 Thời gian chiếu (phút) 3,0 2,0 1,0 0,5 Chiều dày thép (mm) Hình 2.4: Giản đồ chiếu dành cho máy phát tia-X “RF-200EGM” dùng cho chụp vật liệu thép ở các giá trị cao áp khác nhau. Một trong những phương pháp xây dựng giản đồ chiếu đó là phương pháp sử dụng một nêm dạng bậc làm từ vật liệu cần thiết ứng dụng trong thực tế, nêm có dải bề dày phù hợp với từng loại tia-X hoặc gamma. Ví dụ: Đối với loại tia-X cao áp 150kV thì dùng một nêm bằng thép với các bậc là 2mm và bề dày lớn nhất cỡ 4cm là phù hợp, một nêm dạng bậc bằng nhôm với các bậc dày 5,0mm và bề dày lớn nhất là 8,0mm cũng là phù hợp. Việc chụp ảnh phóng xạ nêm dạng bậc bằng thép được tiến hành ở những vùng khác nhau của các đường trên giản đồ liều chiếu phải được lựa chọn phù hợp để thu được phổ độ đen đầy đủ trên ảnh phóng xạ và việc tráng rửa phim phải nghiêm khắc tuân theo quy trình chuẩn mới thu được giản đồ chiếu chính xác. Ở đây, việc đo độ đen của những bậc khác nhau được thực hiện trên máy đo độ đen và được xếp theo các bề dày bậc tương ứng. Mỗi giá trị cao áp sẽ ghi kết quả vào một bảng. Các liều chiếu được vẽ theo từng bề dày tương ứng với mỗi giá trị cao áp để thu được một đường giản đồ chiếu.