Nghiên cứu thử nghiệm hệ chụp ảnh huỳnh quang kĩ thuật số trong kiểm tra mối hàn phẳng

[Đồ án] Nghiên cứu thử nghiệm hệ chụp ảnh huỳnh quang kĩ thuật số trong kiểm tra mối hàn phẳng

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn tới KS Vũ Tiến Hà- Giám đốc trung tâm đánh giá không phá hủy, và KS. Trần Đăng Mạnh- trung tâm đánh giá không phá hủy- đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể tiếp cận và có những bước đi rất đúng đắn và hoàn thành được luận văn này. Xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân & Vật Lý Môi Trường-Đại Học Bách Khoa Hà Nội cũng đã tạo những điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện, xin cảm ơn các anh chị trong trung tâm đánh giá không phá hủy, đã hỗ trợ tôi về mọi mặt và giúp đỡ tôi rất nhiều về phương tiện cũng như kinh nghiệm để tôi hoàn thành luận văn của mình. 1 Nội dung khóa luận bao gồm: Phần 1 : Tổng quan Chương 1: Tia X và chụp ảnh phóng xạ Chương 2 : Liều chiếu và đánh giá về an toàn bức xạ. Phần 2. Chụp ảnh bức xạ kỹ thuật số bằng tia X Chương 3: Giới thiệu về hệ chụp ảnh bức xạ huỳnh quang kỹ thuật số Radio 5000 Phần 3: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Chương 4 : Chụp ảnh mối hàn phẳng và mẫu ống bậc DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh 1 R Rơn-ghen Roentgen 2 Bq Béc-cu-ren Becquerel 3 Ci Qui-ri Curie 4 Sv Si-vớt Sievert 5 DFR Chụp ảnh bức xạ huỳnh quang kỹ thuật số Digital-Fluoroscopy- Radiography Mục lục 2 PHẦN I: TỔNG QUAN 5 CHƯƠNG I 5 TIA X VÀ CHỤP ẢNH BỨC XẠ 5 1.2 Tương tác của bức xạ với vật chất 7 1.2.1 Hiện tượng hấp thụ 7 1.3.5 Độ nhạy của ảnh chụp bức xạ: 17 CHƯƠNG II 19 LIỀU CHIẾU VÀ ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN BỨC XẠ 19 2.2.2 Giới hạn sự chiếu xạ 24 PHẦN II: CHỤP ẢNH BỨC XẠ KỸ THUẬT SỐ BẰNG TIA X 26 CHƯƠNG III: 26 GIỚI THIỆU VỀ HỆ CHỤP ẢNH BỨC XẠ HUỲNH QUANG KỸ THUẬT SỐ RADIO 5000 26 PHẦN III : THỰC NGHIỆM VÀ GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ 35 CHƯƠNG IV 35 CHỤP ẢNH MỐI HÀN PHẲNG VÀ MẪU ỐNG CÓ BỀ DÀY THAY ĐỔI 35 42 3 LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT (Non Destructive Testing) được ứng dụng để kiểm tra đánh giá chất lượng các chi tiết, cấu kiện, thiết bị máy móc, các công trình trong quá trình xây dựng và vận hành nhằm đảm bảo độ an toàn, giảm thiểu và dự báo các sự cố của vật cần kiểm tra. Trên thế giới, các phương pháp NDT đã được dùng trong cuộc cách mạng công nghiệp từ đầu thế kỷ 18 và ngày càng phát triển và trở thành thành phần không thể thiếu. Ngân sách dành cho NDT chiếm tỷ trọng từ 1-5% ngân sách công trình. Ở nước ta, kỹ thuật NDT được bắt đầu biết đến từ những năm 1970 và được sử dụng rộng rãi từ những năm 1990 và hiện nay, tỉ trọng kinh phí cho NDT trong công trình chiếm 0.1-2%. Hoạt động NDT còn có mặt trong hầu hết cho các lĩnh vực như: Lọc hóa dầu, hóa chất, đóng tàu, thiết bị áp lực, cơ khí chế tạo, công trình kết cấu thép…Nước ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên, vai trò của NDT là không thể thiếu trong quá trình xây dựng và vận hành nhà máy. Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh, các kỹ thuật truyền thống ngày càng được thay thế bằng các kỹ thuật tiên tiến. Ngay cả các máy ảnh thông thường dần được thay thế bằng máy ảnh kỹ thuật số với nhiều tính năng hơn. Trong NDT, chủ yếu có 5 công nghệ ghi nhận ảnh chụp bức xạ: 1) Công nghệ tráng rửa phim thông thường (screen film) 2) Công nghệ quét tấm tạo ảnh (IP –Image plate) 3) Công nghệ CCD (Charge Couple Devices) 4) Công nghệ cảm biến phẳng chuyển đổi gián tiếp 5) Công nghệ cảm biến phẳng chuyển đổi trực tiếp Trong đó, các công nghệ từ 2 đến 5 đều là các công nghệ ghi nhận kỹ thuật số nhằm một mục đích là thay thế phim thường bằng hệ kỹ thuật số với nhiều ưu điểm :  Tiết kiệm thời gian  Xử lý ảnh được trên máy tính 4  Khả năng lưu trữ  Hiệu quả về kinh tế mà vẫn đảm bảo về chất lượng Mục tiêu của đề tài này nghiên cứu khả năng ứng dụng của hệ ghi nhận ảnh chụp bức xạ bằng công nghệ kỹ thuật số theo hướng thứ 2 đã nêu ở trên (công nghệ CCD). Qua tham khảo tài liệu và được sự góp ý của thầy hướng dẫn em quyết định chọn đề tài : “ Nghiên cứu thử nghiệm hệ chụp ảnh huỳnh quang kỹ thuật số trong kiểm tra mối hàn phẳng ” PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG I TIA X VÀ CHỤP ẢNH BỨC XẠ 1.1. Tia X 5 1.1.1 Lịch sử phát hiện và ứng dụng Năm 1895 trong lúc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu hiện tượng phóng điện qua chất khí, Roentgen đó phát hiện ra một loại tia bức xạ mới mà ông đặt tên là tia X (người ta cũn gọi là tia Roentgen). Thành công đầu tiên của việc ứng dụng loại tia X này là ông đó tiến hành chụp và thu được ảnh của những vật khác nhau đựng trong hộp kín: Những quả cân, khẩu súng v.v Chính những kết quả ban đầu này đó đánh dấu sự ra đời của phương pháp chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing- 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. 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 đó 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. 1.1.2 Bản chất của 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 -4 A 0 đến 10A 0 (1A 0 = 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. 1.1.3 Tính chất của tia X - Tia X có tính chất giống như ánh sáng: không màu, không mùi, không vị, không nhìn thấy được do đó không cảm nhận được bằng giác quan con người. 6 - Có khả năng làm một số chất phát quang như Zine Sulfide, Calcium, Tungstate, Diamon, Barium, Platinocyamide, Sodiumlodide - Chúng gây ion hóa vật chất (đặc biệt với chất khí rất dễ bị ion hóa trở thành các điện tử và ion dương), là bức xạ điện từ và gây nguy hại cho cơ thể sống - Tia X truyền theo đường thẳng - 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. - Khi đi qua lớp vật chất chúng bị hấp thụ, phản xạ và tán xạ. 1.2 Tương tác của bức xạ với vật chất Khi một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma đi qua vật chất thì có một số tia được truyền qua, một số tia bị hấp thụ và một số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau. Các hiện tượng đó bao gồm: 1.2.1 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 1.1) 7 Chùm tia tới Chùm tia truyền qua Hình 1.1: Hấp thụ bức xạ Bức xạ tới Photon tán xạ Compton Electron Hình 1.3: Tán xạ Compton 1.2.1.1 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. 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/ E 3,5 và Z 5 . 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 tốt. 1.2.1.2 Tán xạ Compton Hiện tượng tán xạ của photon có năng lượng cỡ vài MeV hoặc lớn hơn (tương đương với bước sóng λ ≤ 1A o ) 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. 8 Bức xạ tới Điện tử quang điện Hình 1.2: Hấp thụ quang điện Bức xạ tới electron positron Hình 1.4: Sự tạo cặp 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. 1.2.1.3 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 hν ≥ 2m 0 c 2 = 2*0,511MeV = 1,022 MeV; λ ≤ 0,01 A 0 , ν = 3*10 20 s -1 ) chuyển động tới gần hạt nhân. 9 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. 1.2.2 Chiều dày 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 chiều dày một nửa để đánh giá khả năng làm suy giảm bức xạ của mỗi loại vật chất có nghĩa là chiều dày của một lớp vật chất có thể làm giảm một nửa cường độ bức xạ khi đi qua chất đó, d 1/2 = 0,693/ μ (cm). 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 10 [...]... nghệ các công nghệ chụp ảnh bức xạ kỹ thuật số trực tiếp đã cung cấp chất lượng hình ảnh tuyệt vời, khắc phục được nhiều nhược điểm của phương pháp chụp ảnh thông thường, đặc biệt trong việc lưu trữ và quản lý dữ liệu lớn Có thể nói trong tương lai gần, công nghệ chụp ảnh bức xạ kỹ thuật số sẽ thay thế chụp ảnh bức xạ thông thường 3.2 Giới thệu hệ chụp ảnh bức xạ tia X huỳnh quang kỹ thuật số (Digital... v.v Kiểm soát bức xạ là cần thiết nhằm tránh rủi ro bao gồm: Kiểm tra khu vực thực nghiệm và đo liều cá nhân Kiểm tra khu vực có thể bằng các máy đo lắp đặt trước 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 25 PHẦN II: CHỤP ẢNH BỨC XẠ KỸ THUẬT SỐ BẰNG TIA X CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ HỆ CHỤP ẢNH BỨC XẠ HUỲNH QUANG KỸ THUẬT SỐ RADIO... được ghi nhận bởi tấm phim mỏng 15 transistor(TFT-thin film transistor) tạo thành các tín hiệu điện,sử dụng phần mềm ghi nhận và tái tạo ảnh cho ra hình kỹ thuật số Trong các công nghệ nêu trên,các công nghệ từ thứ hai đến thứ năm đều cho ra ảnh kỹ thuật số. Trong những năm gần đây trên thế giới đã nghiên cứu ứng dụng các công nghệ thông tin hiện đại hóa các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy,nhằm mục đích... cho ta bức ảnh của vật kiểm tra • Các yếu tố quyết định tới chất lượng CCD camera : - Số điểm ảnh - Giới hạn quang phổ - Tốc độ ghi nhận - Độ phân giải của màn hình - Góc thu nhận 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ : Các yếu tố gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng ảnh gọi là nhiễu ảnh Các nhiễu ảnh thường đến từ : 3.3.3.1 Màn huỳnh quang: Tùy vào chất lượng và cấu tạo của màn huỳnh quang sẽ... 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 1.3.3 Các phương pháp ghi nhận ảnh chụp ảnh bức xạ Các phương pháp ghi nhận ảnh trong chụp ảnh bức xạ đến... laser trong máy quét chuyên dụng,ánh sáng này được ghi nhận và chuyển sang tín hiệu điện, nhờ phần mềm ghi nhận và tái tạo ảnh cho ra hình ảnh kỹ thuật số. Tấm tạo ảnh sẽ được xóa hết dữ liệu và tái sử dụng nhiều lần 3) Công nghệ CCD(Charge Couple Devices) :Trong công nghệ này,một màn huỳnh quang được sử dụng thay thế phim và màn tăng quang. Màn huỳnh quang có tác dụng hấp thụ tia X chuyển đổi thành ánh... 100 lần 1.3 Chụp ảnh bức xạ 1.3.1 Định nghĩa Chụp ảnh phóng xạ là quá trình hướng các tia phóng xạ tới vật cần kiểm tra, xuyên qua nó và tạo ảnh trên phim Sau khi xử lý phim sẽ chứa hình ảnh vật kiểm với các vùng “tối, sáng” khác nhau chứa đựng các thông tin có hay không có sự tồn tại của khuyết tật trong vật kiểm Đây là một trong những kỹ thuật chủ yếu của các phương pháp NDT để kiểm tra xác định... 3.1 Tổng quan về chụp ảnh bức xạ kỹ thuật số Trong hơn 25 năm qua kỹ thuật NDT trong đó có phương pháp chụp ảnh bức xạ thông thường - RT (Radiographic Testing) đã trở thành một công cụ thiết yếu của đảm bảo chất lượng trong công nghiệp, mặc dù những ưu điểm của kỹ thuật RT đã được khẳng định, nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề của chính nó đó là cần phải có lượng bức xạ lớn trong chiếu chụp liên quan... Độ nhạy ảnh chụp (chất lượng ảnh chụp) phụ thuộc vào độ nét và độ tương phản của ảnh Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nét và độ tương phản được liệt kê trong bảng 1.1 Bảng 1.1: Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của ảnh chụp Độ nhạy chụp ảnh FX / Chất lượng chụp ảnh FX Độ tương phản ảnh chụp phóng xạ Tương phản vật Độ nét ảnh chụp phóng xạ Độ nhòe hình Độ nhòe cố phim 1 Năng lượng Tương phản học hữu 1 Loại... Radiography-Radio 5000 ) Hệ Radio 5000 của trung tâm đánh giá không phá hủy là hệ thiết bị ghi nhận ảnh chụp theo hướng số hóa sử dụng màn huỳnh quang thay thế phim thông thường và màn tăng quang kết hợp với CCD camera, phần mềm ghi nhận ảnh V2 Đây là công nghệ tuy không mới và tiên tiến trên thế giới nhưng ở Việt Nam chưa từng được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp Trong khuôn khổ các công . em quyết định chọn đề tài : “ Nghiên cứu thử nghiệm hệ chụp ảnh huỳnh quang kỹ thuật số trong kiểm tra mối hàn phẳng ” PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG I TIA X VÀ CHỤP ẢNH BỨC XẠ 1.1. Tia X 5 1.1.1. CHỤP ẢNH BỨC XẠ HUỲNH QUANG KỸ THUẬT SỐ RADIO 5000 26 PHẦN III : THỰC NGHIỆM VÀ GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ 35 CHƯƠNG IV 35 CHỤP ẢNH MỐI HÀN PHẲNG VÀ MẪU ỐNG CÓ BỀ DÀY THAY ĐỔI 35 42 3 LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật. X và chụp ảnh phóng xạ Chương 2 : Liều chiếu và đánh giá về an toàn bức xạ. Phần 2. Chụp ảnh bức xạ kỹ thuật số bằng tia X Chương 3: Giới thiệu về hệ chụp ảnh bức xạ huỳnh quang kỹ thuật số Radio