DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT NDT Non-Destructive Testing Kiểm tra không phá hủy RT Radiographic Testing Kiểm tra phóng xạ dùng phim UT Ultrasonic Testing Kiểm tra siêu âm PT Liquid Pene
CƠ SỞ LÝ THUY Ế T
Các loại bức xạ điện từ ion hóa
Bức xạ điện từ ion hóa là bức xạ điện từ (hay còn gọi là photon) có đủ năng lượng để loại bỏ các electron khỏi nguyên tử hoặc phân tử gây ion hóa nguyên tử 1 cách gián tiếp Bức xạ điện từ ion hóa có mức năng lượng lớn hơn khoảng 20eV hoặc có bước sóng thấp hơn 50nm Các loại bức xạ điện từ ion hóa là tia X và tia Gamma (hay còn được viết là tia γ) [1] [2]
Mặc dù hai tia X và tia Gamma đều là bức xạ điện từ ion hóa nhưng để phân biệt người ta quy định rằng với bức xạ có mức năng lượng thấp hơn 100 keV là tia
X và lớn hơn 100keV là tia Gamma.
S ự truy ề n qua v ậ t li ệ u c ủ a b ứ c x ạ
Khi bức xạ điện từ tương tác với vật liệu, nó chủ yếu chịu tác động bởi các tương tác với electron Trong quá trình tương tác, có bốn hiệu ứng chính xảy ra: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng tán xạ Rayleigh, hiệu ứng tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp Hình 1.1 mô tả nguyên lý cơ bản của từng hiệu ứng này.
Hình 1.1 : Mô tả các hiệu ứng a) Hiệu ứng quang điện, b) Tán xạ Rayleigh, c) Tán xạ Compton, d) Hiệu ứng tạo cặp a) b) c) d)
1.2.1 Các tương tác của bức xạ với vật liệu a.Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện xảy ra khi bức xạ tia X hoặc bức xạ tia Gamma tương tác với electron trong vật chất Nếu năng lượng của bức xạ lớn hơn năng lượng liên kết của electron thì [3]:
𝐸𝑒 : Năng lượng electron sau khi bị bật ra khỏi nguyên tử
𝐸 : Năng lượng bức xạ ban đầu
𝐸 𝑏 : Năng lượng liên kết của electron nguyên tử b.Hiệu ứng tán xạ Rayleigh
Tán xạ Rayleigh xảy ra khi năng lượng của bức xạ nhỏ hơn so với năng lượng liên kết của lớp vỏ mà nó tương tác Bức xạ năng lượng thấp như vậy làm cho tất cả các electron trong nguyên tử dao động ở tần số tương tự như photon tới Sau đó bức xạ bị tán xạ ra 1 góc khác với mức năng lượng không thay đổi [4] c.Hiệu ứng tán xạ Compton
Tán xạ Compton xảy ra khi năng lượng bức xạ tới lớn hơn năng lượng liên kết của lớp vỏ mà nó tương tác làm cho bức xạ bị lệch một góc so với ban đầu do tương tác với một electron Electron hấp thụ 1 phần năng lượng của bức xạ và bị bức ra khỏi nguyên tử Sau đó bức xạ bị tán xạ và mất một phần năng lượng do electron hấp thụ, phần năng lượng còn lại như sau [5]:
𝐸 ′ : Năng lượng của bức xạ sau tương tác
𝐸 : Năng lượng của bức xạ ban đầu φ : Góc tán xạ. d.Hiệu ứng tạo cặp
Bức xạ trong điện trường của electron hoặc hạt nhân có thể tạo ra cặp electron - positron Quá trình này chỉ có thể xảy ra nếu:
𝑚𝑒 : Khối lượng nghỉ của Electron c : Vận tốc ánh sáng
Lưu ý: Quá trình tạo cặp không thể xảy ra trong chân không vì không bảo đảm được định luật bảo toàn động lượng
1.2.2.Sự suy giảm của bức xạ khi qua vật liệu
Khi đi qua vật liệu, bức xạ chịu các tương tác do đó sẽ suy giảm về cường độ bức xạ khi đi qua vật liệu có bề dày xác định Theo đó sự suy giảm của bức xạ đi qua vật liệu tuân theo nguyên tắc suy giảm của vật liệu theo công thức sau :
I : Cường độ bức xạ sau khi truyền qua
𝐼 0 : Cường độ bức xạ tới à : Hệ số suy giảm x : Độ dày vật liệu.
Nhận xét chương 1
Nh椃n chung, chương 1 đã cho biết những lý thuyết cơ sở cho phương pháp chụp ảnh phóng xạ, đó là lí thuyết về hai loại bức xạ được sử dụng: tia X và tia Gamma, và mô tả nguyên lý truyền qua vật chất của bức xạ Khi chiếu các tia bức xạ xuyên qua bề mặt vật liệu sẽ xảy ra các tương tác: quang điện, tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp và bức xạ truyền qua vật liệu theo nguyên tắc suy giảm.
TỔ NG QUAN V Ề PHƯƠNG PHÁP CHỤ P Ả NH PHÓNG X Ạ
Giới thiệu về phương pháp chụp ảnh phóng xạ
Kiểm tra không phá hủy (NDT) bao gồm các phương pháp dùng để phát hiện các hư hại, khuyết tật, kiểm tra đánh giá tính toàn vẹn của vật liệu, kết cấu, chi tiết hoặc xác định các đặc trưng của đối tượng mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của đối tượng kiểm tra
Chụp ảnh phóng xạ (RT) là một phương pháp kiểm tra không phá hủy sử dụng bức xạ điện từ ion hóa để kiểm tra khuyết tật bên trong vật liệu Kỹ thuật này cho phép phát hiện các lỗi, rạn nứt và lỗ hổng mà không cần phá hỏng mẫu thử.
H椃nh 2.1 Chụp ảnh phóng xạ trong thực tế
Vật tư và thiết bị
2.2.1.Nguồn phát bức xạ a.Hệ thống phát tia X
Hệ thống phát tia X gồm 2 phần chính là ống phát tia X và nguồn điện cao thế Ống phát tia X có tác dụng cung cấp môi trường và thành phần thích hợp để tạo tia X, nguồn điện cao thế có tác dụng cung cấp nguồn điện và kiểm soát việc cung cấp năng lượng cho ống phát tia X
Cấu tạo của ống phát tia X gồm hai bộ phận chính là sợi đốt (Filament) và bia đỡ được đặt trong một ống hút chân không Sợi đốt đóng vai trò như cực âm (cathode) phát ra electron khi bị làm nóng Bia đỡ đóng vai trò như cực dương (anode), là bia để electron đập vào
H椃nh 2.2 Cấu tạo của ống phát tia X
Bước 1: Tạo electron tự do: Dây tóc được làm nóng do điện trở của nó và phát ra electron (quá trình phát xạ electron) Dây tóc càng lớn càng tạo ra nhiều nhiệt, phát xạ ra nhiều electron và ngược lại
Bước 2: Gia tốc electron: Máy phát tia X cung cấp điện áp cao (thường dao động từ 50 –150 kV) đến cực âm và cực dương của ống phát Sau khi được kích hoạt, electrron lập tức được gia tốc đến cực dương dọc theo một con đường xác định bởi dây tóc và sự phát xạ electron liên tục từ bề mặt dây tóc phụ thuộc vào nhiệt độ dây tóc trong suốt quá trình tiếp xúc
Bước 3: Phát xạ tia X: Electron có động năng cao đập vào cực dương của ống phát tia X bị dừng đột ngột gây ra sự phát tia X b.Hệ thống phát tia Gamma
Nguồn phóng xạ thường có hoạt độ phóng xạ cao vì năng lượng liên kết hạt nhân không đủ mạnh để giữ các hạt nhân liên kết với nhau Do đó, các hạt nhân này không bền và trải qua phân rã phóng xạ theo một trong ba cách: phân rã alpha, phân rã beta hoặc phân rã gamma.
H椃nh 2.3 Nguồn phát bức xạ Gamma
Sau khi xảy ra các phân rã alpha và beta hạt nhân phóng xạ mẹ biến thành hạt nhân con, khi hạt nhân con triệt tiêu năng lượng dư thùa để trở về trạng thái thấp hơn (thường là trạng thái cơ bản), hạt nhân con phát ra tia Gamma [6] [7] [8]
• Dây cáp Được dùng để dẫn bộ nguồn ra và rút bộ nguồn vào hộp phơi nhiễm bằng bộ điều khiển từ xa [9]
H椃nh 2.4 Cấu tạo của dây cáp
Buồng chứa được thiết kế cho phép sử dụng có kiểm soát bức xạ Gamma và bộ nguồn [9], theo hình 2.5
H椃nh 2.5 Cấu tạo của buồng chứa
Bộ phận kẹp cáp điều ể ỏ ắ
3 : Cáp điều khiển và vỏ chắn
2.2.2 Phim và các đặc điểm của phim a.Phim chụp
Phim chụp là tấm lưu trữ hình ảnh được tạo ra bởi bức xạ
- Lớp phủ/ lớp bảo vệ: Lớp gelatin mỏng, làm cứng có chức năng bao vệ nhũ tương bên trong khỏi tác nhân không đáng có từ bên ngoài, kiểm soát quá trình kết tủa Brom trong quá trình xử lí phim
- Lớp nhũ tương: Lớp chứa các hạt tinh thể AgBr rất mịn phân bố đều, lớp nhũ tương rất nhạy với các bức xạ và là thành phần chính để tạo hình ảnh nên nó là lớp quan trọng nhất và cần bảo vệ kĩ lưỡng
- Lớp nền: Lớp này thường làm bằng polyester, cellulose triacetate để dễ uốn, dẻo
Nguyên lí tạo ảnh của phim:
- Các bức xạ tương tác với tinh thể AgBr ở lớp nhũ tương làm cho giải phóng các ion Ag + và ion Br - , lúc này các cấu trúc tinh thể v椃 đã thay đổi nên tạo thành các hình ảnh ẩn (hình ảnh chưa được hiện)
Hình ảnh của phim phụ thuộc vào:
Hình 2.6 Minh họa hệ thống hoạt động phim chụp b.Các đặc điểm của phim
• Độ đen Độ đen của phim là mật độ điểm đen trên phim Độ đen của phim phụ thuộc vào: cường độ của tia bức xạ chiếu vào phim, cường độ bức xạ truyền qua phim do khả năng hấp thụ của nhũ tương, và một số tác nhân bên ngoài nếu có như: lọc phim, màn tăng cường Theo đó độđen bức xạđược được tính theo công thức sau:
D : Độ đen của bức xạ
I0 : Cường độ bức xạ tới
It : Cường độ bức xạ được hấp thụ
Độ mờ của phim, do bởi nền phim không trong suốt, chính là độ đen vốn có của phim do các nguyên tử bạc (AgBr) tự giải phóng ra ngay cả khi không có tác động chiếu sáng Độ mờ của phim có thể thay đổi tùy thuộc vào loại, tuổi và cách xử lý, bảo quản.
• Độ tương phản Độ tương phản thể hiện sự khác biệt mật độ từ khu vực này sang khu vực khác trên phim Các chi tiết trong hình ảnh có thể nhìn thấy là do tương phản giữa chúng và nền của chúng Độ tương phản càng lớn thì các chi tiết khác nhau chắc chắn sẽ nổi bật Tuy nhiên, nếu độ tương phản tăng quá nhiều, có thể khiến cho khả năng hiển thị chi tiết thực tế ở cả vùng dày và mỏng của vật thể và khuyết tật vì hình ảnh quá sáng hoặc quá tối để hiển thị độ tương phản hữu ích
• Độ nét Độ nét hay còn gọi là độ nét hình học là độ chi tiết, rõ ràng của hình ảnh trên phim Độ nét của phim phụ thuộc vào độ mờ của phim, khoảng cách từ vật thể tới phim, kích thước nguồn, khoảng cách từ nguồn tới vật thể Độ nét của phim được xác định cụ thể bởi công thức :
F : Kích thước nguồn d : Khoảng cách từ vật thể tới phim
D0 : Khoảng cách từ nguồn tới vật thể
Đường đặc trưng phim mô tả mối liên hệ giữa liều bức xạ mà phim hấp thụ và mức độ đen tối sau khi xử lý của ảnh chụp bức xạ Đường này rất quan trọng trong chụp ảnh y khoa vì nó giúp kỹ thuật viên tối ưu hóa phơi sáng, đảm bảo chất lượng hình ảnh tối ưu.
Hình 2.7 Mô tả vềđường đặc trưng với một số loại phim
Kỹ thuật chụp ảnh và xử lý ảnh
2.3.1.Kỹ thuật chụp ảnh a.Kỹ thuật một thành, một ảnh
Kỹ thuật một thành, một ảnh (SWSI) là kỹ thuật mà trong đó nguồn chụp ảnh bức xạ được đặt bên trong ống bằng một số phương pháp thích hợp, màng bọc quanh bên ngoài ống và phơi sáng Vật chỉ thị chất lượng ảnh (IQI) được đặt ở bên ngoài ống ngay bên dưới màn Phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất để kiểm tra các đường ống nơi mối hàn có thể được chụp X-quang trong một lần phơi sáng, giúp nhanh chóng và tiết kiệm chi phí [3]
Hình 2.12 Kỹ thuật một thành, một ảnh b.Kỹ thuật hai thành, một ảnh
Khi không thể tiếp cận lỗ khoan hoặc đường kính ống quá nhỏ để cho phép sử dụng nguồn bên trong thì kỹ thuật hai thành, một ảnh (DWSI) sẽ được sử dụng
Tấm phim được đặt ở bên ngoài ống phía xa nhất so với nguồn chụp ảnh phóng xạ Nguồn có thể dịch chuyển một chút để tránh hình ảnh phần trên mối hàn được chiếu lên phim Kỹ thuật này yêu cầu nhiều lần phơi sáng để có thể kiểm tra toàn bộ chu vi của đường ống [3]
Hình 2.13 Kỹ thuật hai thành, một ảnh c.Kỹ thuật hai thành, hai ảnh
Kỹ thuật hai thành, hai ảnh (DWDI) thường chỉ sử dụng cho các bộ phận có đường kính nhỏ hơn 3,5 inch Bằng cách bù nguồn từ đường tâm mối hàn và sử dụng nguồn dài đến khoảng cách phim, có thể chiếu hình ảnh lên phim của cả phần trên và phần dưới mối hàn Kỹ thuật này cũng cần có nhiều lần phơi sáng để đạt được phạm vi bao phủ hoàn chỉnh [3]
Hình 2.14 Kỹ thuật hai thành, hai ảnh
Tấm phim Mối hàn Tấm phim d.Kỹ thuật hai thành, chồng ảnh
Với việc lựa chọn phim và điều kiện chiếu sáng phù hợp thì các phần có độ dày lớn sẽ được ghi lại trên phim nhanh hơn và các phần có độ dày mỏng hơn sẽ được ghi lại chậm hơn Có thể được sử dụng kỹ thuật này dù có hoặc không có tấm chắn chì [3]
Hình 2.15 Kỹ thuật hai thành, chồng ảnh
2.3.2.Quy trình xử lí ảnh a.Quy trình chụp ảnh phóng xạ
- Bước 1: Chuẩn bị bề mặt kiểm tra Để hình ảnh chiếu chụp không bị lỗi do sự cản trở của các biến thể trên bề mặt, cần phải xác định và loại bỏ chúng Đối với các mối hàn tiếp đầu, bề mặt tinh chế nên được làm sạch bằng các vật liệu cơ bản
- Bước 2: Chọn nguồn và phim phóng xạ
Chọn nguồn phóng xạ: Nguồn bức xạ được xác định có thể là tia X hoặc tia Gamma dựa trên độ nhạy cảm với phóng xạ và độ dày của vật liệu
Chọn phim: Có thể chọn loại phim phóng xạ có độ nét cao và kết cấu mịn
- Bước 3: Chọn chỉ báo chất lượng hình ảnh
Loại chỉ báo chất lượng hình ảnh cần chọn là loại dây hoặc dạng lỗ theo các quy tắc và quy định
- Bước 4: Xác định kĩ thuật kiểm tra dựa trên loại chỉ báo đã chọn
Xác định khoảng cách từ nguồn đến đối tượng: Được xác định trước, Kĩ thuật phơi sáng: Thường chọn kĩ thuật phơi sáng một thành hoặc hai thành
Màn chì Tấm phim Mối hàn
- Bước 5: Kiểm tra và khắc phục lỗi
Kiểm tra các sai sót hoặc khiếm khuyết trên ảnh phóng xạ và khắc phục lỗi khi nghi nhận được
- Bước 6: Ghi lại kết quả đo b.Quy trình xử lý phim
Sau khi phim được chụp, tấm phim được tiếp xúc với một số dung dịch hóa học trong 1 khoảng thời gian được xác định trước Sau đó tấm phim được xử lí qua năm bước sau:
• Quá trình hiện ảnh: Người rửa phim thêm một số hóa chất để tăng cường hình ảnh đồng thời kiểm soát nồng độ và nhiệt độ thích hợp Các ion Ag được xúc tác với các hóa chất hiện hình ảnh ẩn
• Quá trình dừng hiện ảnh: Quá tr椃nh này đơn giản là giảm nồng độ hóa chất để dừng quá trình hiện ảnh
• Xử lí: Các AgBr được loại bỏ bằng cách sử dụng các hóa chất có chức năng hòa tan chỉ để lại các kim loại bạc trên phim
• Rửa: Tấm phim được rửa với nước để loại bỏ các hóa chất xử lí
• Phơi khô: Tấm phim được phơi khô
2.3.3 Đánh giá a.Một số khuyết tật mối hàn
- Hàn không thấu (không xuyên qua đầy đủ)
Hình 2.16 Các khuyết tật trong mối hàn b.Các yếu tốảnh hưởng đến kết quả
- Quang phổ của bức xạ tạo bởi thiết bị chiếu tia X
- Cường độ dòng điện được dùng để tạo ra tia X (mA)
- Khoảng cách giữa nguồn và phim
- Thành phần của vật liệu
- Độ dày của vật liệu để bức xạ có thể xuyên qua
- Lượng bức xạ tán xạ tới tấm phim
- Tấm phim được dùng để chụp ảnh
- Dùng tấm chì hay tấm huỳnh quang
- Nồng độ của hóa chất xử lý màng và thời gian tương tác.
Nhận xét chương 2
Chương 2 cho cái nh椃n tổng quan về phương pháp chụp ảnh phóng xạ, một phương pháp kiểm tra không hủy thể Chi tiết hơn là những vật tư, thiết bị được sử dung và cách thức hoạt động của chúng Ngoài ra, chương 2 cũng bao gồm các quá trình chụp ảnh, xử lý ảnh và quy tr椃nh đánh giá ảnh chụp.
ƯU NHƯỢC ĐIỂ M VÀ Ứ NG D Ụ NG
Ứng dụng của phương pháp chụp ảnh phóng xạ
Phương pháp RT được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:
• Ứng dụng trong xây dựng, công nghiệp, hóa dầu:
➢ Kiểm tra và đánh giá chất lượng các mối hàn ống và mối hàn kim loại
➢ Phát hiện ăn mòn và xói mòn
• Ứng dụng trong kỹ thuật vũ trụ
➢ Kiểm tra các mối hàn, vỏ, vật liệu tàu bay, tên lửa, động cơ tên lửa, động cơ phản lực, buồng đẩy, các liên kết thành phần vật liệu
➢ Chụp ảnh kiểm tra, chẩn đoán các vết nứt, gãy xương
➢ Chụp ảnh kiểm tra cắt lớp vi tính ở các bộ phận cơ thể
• Ứng dụng trong khảo cổ
➢ Kiểm tra toàn vẹn, tính chất của các tác phẩm khảo cổ
➢ Xác định nguyên tố, nguồn gốc cấu thành các tác phẩm.
Ưu điểm và nhược điểm
Phương pháp RT được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực vì tính tiện lợi của nó, cụ thể:
- Rất linh hoạt và có thể được sử dụng để kiểm tra nhiều hình dạng và kích
- Rất nhạy, với điều kiện rằng sự không liên tục gây ra sự giảm đáng kể của độ
- Cho phép xác định tính chất của sự không liên tục
- Được sử dụng rộng rãi và đã được kiểm chứng qua thời gian
Bên cạnh những ưu điểm kể trên, phương pháp chụp ảnh phóng xạ vẫn tồn tại một số khuyết điểm nhất định:
- Chùm bức xạ tia X hoặc tia Gamma gây nguy hiểm cho sức khỏe con người
- Bị giới hạn về bề dày kiểm tra
- Độ nhạy kiểm tra giảm theo bề dày của vật thể kiểm tra
- Thiết bị chụp cồng kềnh và đòi hỏi phải bảo quản tốt.
An toàn bức xạ
3.3.1.Các nguyên lý an toàn
Sự nguy hại của bức xạ trong các cơ quan sinh học là do các hiệu ứng ion hóa trong tế bào, cụ thể là các chức năng hoạt động b椃nh thường của tế bào có thể bị phá vỡ do sự ion hóa của bức xạ Ví dụ: gãy mối liên kết, thay đổi cấu trúc phân tử DNA Liều bức xạ lớn cực kỳ nguy hiểm, nó dẫn đến các hậu quả khôn lường như: ung thư, các bệnh về di truyền [7]
Liều hấp thụ là năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ [5]
Liều chiếu của bức xạ là phần năng lượng của bức xạ bị mất đi để biến đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí [5]
Liều tương đương là liều thể hiện sự tương đương về tác dụng sinh học khi các loại bức xạ khác nhau tác dụng vào mô hoặc cơ quan Dưới đây là bảng thể hiện trọng số mô đặc trung cho các mô trong cơ thể do ICRP đề nghị đưa ra [5]
Bảng 3.1 Các trọng sốmô đặc trung cho các mô trong cơ thể (1990).
Tủy xương, ruột, phổi, dạ dày 0.12
Bàng quang, vú, gan, thực quản, tuyến giáp 0.05
3.3.2.Nguyên tắc an toàn bức xạ
Hình 3.1 Các nguyên tắc an toàn bức xạ
Bức xạ bị hấp thụ bởi các mô tăng theo thời gian Càng giảm thời gian tiếp xúc, càng ít tác hại do bức xạ gây ra [10]
Khoảng cách xa hơn với nguồn bức xạ có thể làm giảm mức độ tiếp xúc với bức xạ Lượng bức xạ tiếp xúc tỷ lệ nghịch với khoảng cách đến nguồn bức xạ mà tỷ lệ nghịch với b椃nh phương khoảng cách [10]
Có nhiều thiết bị che chắn như mũ, kính ch椃, thiết bị bảo vệ tuyến giáp, găng tay giảm bức xạ Tác dụng bảo vệ là đủ một phần nào đó để đảm bảo an toàn bức xạ khỏi sự tác hại [10].
Nhận xét chương 3
Chương 3 tổng hợp các ưu, nhược điểm cũng như ứng dụng của chụp ảnh phóng xạ Ngoài ra, chương còn đề cập đến các lưu ý đảm bảo an toàn bức xạ, bao gồm các nguyên lý xác định những nguyên tắc này.
Bài báo cáo có mục tiêu giới thiệu về chủ đề kiểm tra không phá hủy bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ, cụ thể đã nêu ra những nội dung sau:
- Nêu ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp ảnh phóng xạ theo nguyên tắc suy giảm và bốn tương tác của bức xạ với vật liệu: hiện tượng quang điện, tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp
- Chi tiết về phương pháp chụp ảnh phóng xạ, các vật tư, thiết bị, kỹ thuật, quy trình chụp ảnh và xử lý ảnh
- Các ứng dụng, ưu nhược điểm, và các nguyên tắc an toàn bức xạ