Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte Carlo

Chúng giúp ta hiểu được ảnh hưởng của các tương tác vật lý như sự hấp thụ, tán xạ, hay quang điện của các phonton trong các vật liệu khác nhau dựa trên thông số là chất lượng hình ảnh Tr

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

BÙI THIỆN CHÁNH

MÔ PHỎNG HÌNH ẢNH X-QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 60520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 5 năm 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa–ĐHQG– HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: BÙI THIỆN CHÁNH MSHV: 12054879 Ngày, tháng, năm sinh: 20/02/1989 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 60520401

I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HÌNH ẢNH X-QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Nghiên cứu lý thuyết về các tương tác của photon năng lượng cao với vật chất  Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phát và nguyên lý tạo ảnh X-quang  Nghiên cứu về chương trình Penelope mô phỏng sự lan truyền photon và electron

năng lượng cao trong vật chất  Tiến hành mô phỏng và xác định hình ảnh của các vật liệu được tạo ra với các dạng

cơ bản: khối lập phương, khối trụ , khối cầu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 7/7/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 8/5/2015 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Quang Linh

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học cao học tại trường

Tôi xin được gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Huỳnh Quang Linh Thầy đã hướng dẫn tận tình, tạo cho tôi cách tư duy và làm việc khoa học, và hướng cho tôi thực hiện đề tài luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và ủng hộ, giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành đề tài

TP Hồ Chí Minh, 08/5/2015

Học viên

Bùi Thiện Chánh

TÓM TẮT

Kể từ khi Wilhelm Conrad Roentgen phát hiện ra tia X thì nhiều ứng dụng hữu ích của chúng cũng được khám phá ra Đặc biệt, tia X được dùng trong chụp ảnh X quang được sử dụng để chẩn đoán trong y tế Trong thời gian đầu, tính chất vật lý của tia X không được tìm hiểu kĩ Ngày nay, con người đã nắm rõ các quá trình tương tác của tia X một cách chính xác nhất Vì thế, ta có thể dự đoán được hình ảnh X quang bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo đã trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực của chụp ảnh X quang Chúng giúp ta hiểu được ảnh hưởng của các tương tác vật lý như sự hấp thụ, tán xạ, hay quang điện của các phonton trong các vật liệu khác nhau dựa trên thông số là chất lượng hình ảnh

Trong đề tài này , sử dụng chương trình Penmain trong Penelope để mô phỏng với ba mô hình riêng biệt Các mô hình được tạo thành bởi bên ngoài là khối mô, bên trong là khối xương với cấu trúc khác nhau : khối cầu, khối lập phương và khối trụ Hình ảnh được tạo bởi sự ghi nhận phân bố năng lượng 2D trong lớp đầu dò đặt sau vật thể Nếu đầu dò được xem là hấp thụ hoàn toàn bức xạ sau khi ra khỏi vật thể, cường độ các điểm ảnh được xem là tương đương với mật độ liều hấp thụ trong lớp đầu dò Ảnh được tạo ra bởi sự mô hình hóa quá trình lan truyền các photon quang tạo ra sau mỗi tương tác của tia X với lớp chất nhấp nháy

ABSTRACT

Since the discovery of X-rays by Wilhelm Conrad Roentgen many useful applications of ‗his‘ rays have been found Especially physicians have started to use X-rays for medical diagnostics In the early days of X-ray imaging the physical nature of X-rays was not well understood In contrast, nowadays we know the physical processes and laws of generation and interaction of X-rays very precisely It is even possible to predict the behavior of an X-ray imaging system with the Monte Carlo approach and current standard computers using a reasonable calculation time

Monte Carlo simulations have become crucial tools in many fields of X-ray imaging They help to understand the influence of physical effects such as absorption, scattering and fluorescence of photons in different detector materials on image quality parameters They allow studying new imaging concepts like photon counting, energy weighting or material reconstruction Additionally, they can be applied to the fields of nuclear medicine to define virtual setups studying new geometries or image reconstruction algorithms

In this project, program Penmain in Penelope was used to simulate the three separate models The models is formed by external tissue mass, bone mass inside with different structures: sphere, cube and cylinder Images are created by the 2D energy distribution recorded in detector placed behind objects If radiation is absorbed completely after it comes out of the object, the intensity of the pixels are considered equivalent to the density of the absorbed dose in detector Image generated by the modeling of the process spread of optical photons generated when X-rays interact with scintillator

CHƯƠNG 1 - TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1

1.1 Bản chất của tian gamma 1

1.1.1 Tia gamma 1

1.1.2 Tính chất của tia gamma 3

1.2 Tương tác của tia gamma với vật chất 4

1.2.1 Hiệu ứng quang điện 4

1.2.2 Hiệu ứng Compton 7

1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 9

1.2.4 Tán xạ Rayleigh 11

1.3 Sự suy giảm cảu chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất 13

1.3.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp 14

1.3.2 Sự suy giảm của chùm gamma rộng Hệ số tích lũy 15

1.3.2.1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 16

1.3.2.2 Hệ số suy giảm khối lượng 17

CHƯƠNG 2 - CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X 19

2.1 Cấu tạo máy phát X – quang thông thường 19

2.1.1.Cấu tạo ống phát tia X 19

2.1.1.1 Âm cực (cathode) 20

2.1.1.2 Dương cực (anode) 22

2.1.2 Vỏ ống chân không, dầu tản nhiệt, vỏ kim loại, cửa sổ ống phát tia X 25

2.1.2.1 Vỏ ống chân không 25

2.1.2.3 Vỏ kim loại 26

2.1.2.4 Cửa sổ ống 26

2.1.3 Bộ lọc tia 27

2.1.4 Hệ chuẩn trực đầu đèn (collimator) 29

2.2 Tương tác tạo ra tia X 31

2.2.1 Bức xạ hãm 31

2.2.2 Bức xạ đặc trưng 33

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát X- quang 35

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra tia X 36

2.5 Nguyên lý tạo ảnh X- quang 40

3.1 Chương trình mô phỏng PENELOPE 43

3.1.1 Giới thiệu về phương pháp mô phỏng Monte Carlo 43

3.1.2 Tính toán liều với Monte Carlo 44

3.1.3 Các yếu tố cơ bản trong tính toán liều Monte Carlo 45

3.1.3.1 Mô hình vật lý 45

3.1.3.2 Bảng dữ liệu tương tác 45

3.1.3.3 Bộ phát số ngẫu nhiên 45

3.1.3.4 Cấu trúc hình học 46

3.1.3.5 Cấu tạo vật liệu 46

3.1.3.6 Đặc điểm của nguồn 46

3.1.3.7 Scoring 46

3.1.3.8 Làm giảm sự thăng giáng và làm xấp xỉ 47

3.2 Tổng quan về chương trình PENELOPE 47

3.2.1 Hệ thống code PENELOPE 49

3.2.2 Cơ sở dữ liệu và file đầu vào 51

3.2.3 Giới thiệu các chương trình chính (MAIN) 54

DANH MỤC CÁC HÌNH – ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phổ của một nguồn gamma 3

Hình 1.2 Quá trình xảy ra hiện tượng quang điện 5

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng photon 6

Hình 1.4 Quá trình tương tác Compton 7

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào năng lượng 9

Hình 1.6 Quá trình tạo cặp 10

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của tiết diện tạo cặp vào năng lượng gamma 10

Hình 1.8 Tán xạ Reyleigh 11

Hình 1.9 Sự phụ thuộc tiết diện tương tác của lượng tử gamma vào năng lượng 14

Hình 1.10 Sự suy giảm của chùm tia gamma khi đi qua vật chất 15

Hình 2.1 Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường 19

Hình 2.2 Cấu trúc cathode của ống tia X gồm sợi đốt Vonfram nằm trong chén hội tụ 20

Hình 2.3 Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron của chén hội tụ 21 Hình 2.4 Các thành phần của ống tia X có anode cố định 22

Hình 2.5 Cấu tạo anode quay 24

Hình 2.6 Mặt cắt của một anode RTM 24

Hình 2.7 Sự phân bố chùm tia X theo phương pháp song song với trục cathode-anode 25

Hình 2.8 Bộ lọc hấp thụ các photon năng lượng thấp 27

Hình 2.9 Phổ tia X ở điện áp đỉnh 150 kVp đối với anode làm bằng Volfram 28

Hình 2.10 Collmator có tác dụng điều chỉnh kích thước hình học của chùm tia X 29

Hình 2.11 Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn 30

Hình 2.12 Mặt cắt ngang bộ phận chuẩn trực loại R20-J của hãng Shimadzu 31

Hình 2.13 Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia 32

Hình 2.14 Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp

trong trường hợp không có bộ lọc (đường đứt nét) và có bộ lọc tia (liền nét) 32

Hình 2.18 Ảnh hưởng của dòng qua ống (mA) lên hiệu suất phát tia X 38

Hình 2.19 Cường độ phổ bức xạ ở cùng giá trị điện áp (kVp), cùng giá trị dòng qua ống (mA), cùng thời gian chiếu với điện 1 pha và 3 pha 40

Hình 3.1 Penelope version 2003 48

Hình 3.2 Cây thư mục của hệ thống code Penelope 49

Hình 3.3 Mô tả cấu trúc hình học phẳng trong Penslab 55

Hình 3.4.Mô tả cấu trúc bên trong vật liệu 1 58

Hình 3.5 Hình ảnh vật liệu 1 được tạo trong file Gviewc 60

Hình 3.6 Hình ảnh vật liệu 1 tại mặt phẳng Oxz 62

Hình 3.7.Mô tả cấu trúc bên trong vật liệu 2 63

Hình 3.8 Hình ảnh vật liệu 2 được tạo trong file Gviewc 65

Hình 3.9 Hình ảnh vật liệu 2 tại mặt phẳng Oxz 67

Hình 3.10.Mô tả cấu trúc bên trong vật liệu 3 68

Hình 3.11 Hình ảnh vật liệu 3 được tạo trong file Gviewc 70

Hình 3.12 Hình ảnh vật liệu 3 tại mặt phẳng Oxz 72

Hình 3.13 Hình ảnh một số cấu hình quay 73

Năm 1895 Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X trong lúc ông đang nghiên cứu hiện tượng phóng điện trong không khí Trong thời gian làm thí nghiệm trên loại tia mới bí ẩn này thì ông đã chụp được một bức ảnh bóng của các vật thể khác nhau Những bức ảnh này đánh dấu sự ra đời của phương pháp chụp ảnh bức xạ Phương pháp chụp ảnh bức xạ được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như y tế, công nghiệp, hàng không và các lĩnh vực khác như kiểm tra các mối hàn trong nhà máy điện, nhà máy luyện kim, cấu trúc của thiết bị vận chuyển

Tạo ảnh bằng X quang là một trong những kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh sử dụng phổ biến trong y học và kỹ thuật Nguyên lý tạo ảnh dựa trên sự lan truyền và hấp thụ của tia X trong quá trình đi qua môi trường vật chất không đồng nhất Để hiểu rõ bản chất vật lý sự tương tác của tia X với vật chất, người ta có thể sử dụng mô phỏng quá trình lan truyền của photon tia X thông qua các dạng tương tác đặc trưng cơ bản như hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và Rayleigh cũng như hiệu ứng tạo cặp Cơ sở thuật toán mô phỏng sự lan truyền này cũng là một công cụ đắc lực giúp giải quyết bài toán tương tác hạt cơ bản với vật chất trong vật lý hạt nhân

Trong những ngày đầu mới phát hiện ra tia X, tính chất vật lý của tia X và hình ảnh X-quang chưa được hiểu một cách rõ ràng nhất Ngày nay, chúng ta đã hiểu rõ về đặc điểm tương tác của bức xạ tia X với vật chất, thậm chí có thể dự đoán hình ảnh X-quang của vật thể thông qua phương pháp mô phỏng Monte Carlo Mô phỏng Monte Carlo đã trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực của hình ảnh X-quang Chúng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các hiệu ứng vật lý của photon trên các vật liệu khác nhau thông qua các thông số của chất lượng ảnh Phương pháp số Monte Carlo được sử dụng rộng rãi để giải các bài toán Vật lý và Toán học phức tạp (James, 1980; Rubinstein, 1981; Kalos và Whitlock, 1986) bao gồm ứng dụng cơ bản trong vận chuyển bức xạ, lí thuyết thống kê và lí thuyết lượng tử hệ nhiều hạt

Do vậy, việc khảo sát hình ảnh X- quang bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo sẽ phát triển thêm nhiều ứng dụng to lớn của ảnh x-quang không chỉ bằng các phương pháp thực nghiệm

Ảnh X-quang trong y học có nhiều ứng dụng to lớn Việc chụp x-quang định kì trở thành cần thiết cho việc theo dõi sức khoẻ Trước kia, ảnh X-quang được lưu trên phim, ngày nay chúng là những tập tin kĩ thuật số rất thuận tiện cho việc xem và lưu trữ Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác như kiểm tra nồi hơi, khuyết tật vật liệu, khuyết tật các mối hàn… Những thành quả ấy tạo cơ sở cho việc phát triển mạnh mẽ phương pháp này cho đến ngày nay.[8]

Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là an toàn bức xạ tia X khi sử dụng phương pháp này Với liều lượng khá lớn, bức xạ ion hoá có thể gây ra các tác động có hại cấp tính tới sức khoẻ và có thể dẫn tới tử vong đối với con người Bên cạnh đó còn có những tác dụng phụ ảnh hưởng tới hệ thống thần kinh trung ương, hệ thống tiêu hoá, hệ thống hô hấp Với liều lượng nhỏ, bức xạ ion hoá có thể gây ra những tác động lâu dài mang tính ngẫu nhiên ảnh hưởng đến việc tạo đột biến trên bản thân người bị chiếu như gây ung thư, bất hoạt cơ quan hoặc ảnh hưởng di truyền về sau Trong trường hợp y học hạt nhân, phương pháp này khi mô phỏng năng lượng cao cho phép tính toán liều chiếu xạ đối với bệnh nhân ung thư

Đặc biệt trong những năm gần đây, khi máy tính phát triển, phương pháp mô phỏng Monte Carlo ngày càng trở nên tinh vi hơn và được sử dụng rộng rãi hơn Các phiên bản đầu tiên được viết theo mã máy, nhưng vào những năm 1960, ngôn ngữ FORTRAN được sử dụng để thay thế (Fortran- Formula Translation được phát hành bởi hãng IBM- International Bussiness Machines, được tiêu chuẩn hoá vào năm 1966, 1977 và 1990) Hiện nay, bốn chương trình phổ biến của Monte Carlo được sử dụng để mô phỏng tính liều phân bố trong xạ trị đó là: EGS (Nelson et al, 1985; Kawrakow và Rogers, 2000), MCNP (Briesmeister, 2000; Waters, 2002), PENELOPE (Salvat et al, 2003), và GEANT (Agostinelli et al, 2003)

là một chuỗi ngẫu nhiên của các lần bay tự nhiên kết thúc với sự kiện tương tác mà ở đó các hạt thay đổi hướng chuyển động của nó, mất năng lượng, hay tạo ra hạt thứ cấp Nếu số vết được tạo ra đủ lớn thì thông tin định lượng quá trình vận chuyển có thể thu được bằng cách lấy trung bình trên lịch sử mô phỏng Mô phỏng Monte Carlo – chương trình PENELOPE được vận hành trên giao diện DOS, sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran 77 Vì thế nó có thể chạy trên bất kỳ nền tảng nào có ngôn ngữ Fortran 77 hoặc 90 Quan trọng và thuận lợi là PENELOPE cho phép người sử dụng thực hiện mô phỏng dạng hình học và giới hạn tuỳ ý mà không cần lý thuyết phức tạp của sự tán xạ và truyền qua PENELOPE 2006 là kết quả tiến hoá liên tục từ phiên bản đầu tiên năm 1996, kết hợp những thay đổi đáng kể và bổ sung các phiên bản trước (1996, 2000, 2001, 2003, 2006) nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy và tổng quát của hệ thống mã

Chính vì vậy, việc khảo sát hình ảnh x-quang bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo có thể giúp tìm thấy các hình ảnh tối ưu, hạn chế tối đa những ảnh hưởng của bức xạ tia X đối với một đối tượng X-quang, có thể so sánh với kết quả thực nghiệm thu được

Với tổng quan trên , đề tài ― Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte Carlo‖ được thực hiện với mục tiêu và nhiệm vụ đề ra như sau:

- Mục tiêu để tài: Thực hiện mô phỏng hình ảnh X – quang một số vật thể đơn giản bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo qua chương trình PENELOPE

- Các nhiệm vụ của đề tài:

* Tổng quan về các quá trình tương tác chủ yếu của gamma với vật chất * Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phát tia X và nguyên lý tạo ảnh X-quang

* Giới thiệu về chương trình mô phỏng sự lan truyền photon và electron năng lượng cao trong vật chất PENELOPE

* Sử dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng một số hình ảnh X-quang

1 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

CHƯƠNG I TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1 Bản chất của tia gamma [1]

Tia gamma là các sóng điện từ có bước sóng cực ngắn phát ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử Cần chú ý là tia gamma và tia Rơnghen đều là các sóng điện từ nhưng gamma có bước sóng ngắn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn (có thể

xuyên qua lớp vật liệu dày như xuyên qua 10cm Pb) Điểm khác biệt cơ bản, bản chất của 2 loại tia ở chỗ: Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia rơnghen phát ra bởi

sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử Tia rơnghen được tạo ra khi các điển tử bị hãm, những điện tử có tốc độ cao đến gần (bay ngang qua) hạt nhân mang điện dương chúng chịu một sức hút và chuyển động chậm lại Trong quá trình bị làm chậm hoặc bị hãm chúng bị mất đi một phần động năng ban đầu dưới dạng tia Rơnghen (theo điện động lực học cổ điển) Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó toàn bộ năng lượng

2 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh của chúng được chuyển thành năng lượng cực đại của bức xạ Rơnghen (có bước sóng cực tiểu)

Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong trường Culông của các nguyên tử bia hay nói cách khác năng lượng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát ra có bước sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phổ của nó là một phổ liên tục

Các đồng vị phóng xạ phát ra một hoặc nhiều loại sóng Do vậy trong phổ của nó có cách vạch khác nhau tương ứng với các sóng đó

Am(T=432,2 năm) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV

Tất cả các nguồn gamma đều có dạng phổ vạch (Tức là có năng lượng xác định và có các đỉnh đặc trưng cho năng lượng của chúng là rời rạc) khác với phổ của tia rơnghen

Thường người ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng lượng của nó hơn là biểu diễn nó theo chiều dài bước sóng Ví dụ như phổ của một nguồn gamma có dạng như sau :

3 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

Hình 1.1 : Phổ của một nguồn gamma 1.1.2 Tính chất của tia gamma

- Không nhìn thấy được bằng mắt thường - Không cảm nhận được bằng các giác quan của con người - Có khả năng làm cho một số chất phát quang Một số có tính chất như vậy là Canxi, Bari, Kim cương…

- Chúng chuyển động với vận tốc của ánh sáng - Có hại đối với các tế bào sống, nói chung nó nguy hiểm đối với sức khoẻ của con người cần phải rất cẩn thận khi làm việc, tiếp xúc với nó

- Có thể ion hoá vật chất (Đặc biệt với chất khí, chất khí rất dễ bị Ion hoá để trở thành các điện tử và Ion dương)

- Tuân theo các định luật cơ bản của ánh sáng (Phản xạ, khúc xạ, truyền theo đường thẳng)

- Tuân theo qui luật : Cường độ của nó tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa nguồn phát và một điểm xác định trong không gian

4 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh - Có thể xuyên qua những vật mà ánh sáng không thể xuyên qua được Độ đâm xuyên của nó phụ thuộc vào năng lượng của phôtôn gamma, mật độ và chiều dày lớp vật chất Qui luật hấp thụ của phôtôn gamma có dạng tổng quát như sau:

0. x.

I I e  B

Trong đó: I, I0 µ, x, B lần lượt là cường độ chùm tia tại vị trí x, cường độ chùm

tia ban đầu, hệ số hấp thụ, chiều dày lớp vật chất mà phôtôn đã xuyên qua (mà tại đó

gamma có cường độ I), hệ số buildup

- Chúng tác dụng lên lớp nhũ tương của phim ảnh

1.2 Tương tác của tia gamma với vật chất

Có bốn loại tương tác chính của photon năng lượng cao (từ vài chục keV đến vài MeV – tương ứng với bức xạ X - quang hoặc tia gamma) với vật chất: tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo cặp Trong đó ba loại đầu tiên đóng vai trò quan trọng trong tương tác tia X với vật chất trong ngành X - quang chẩn đoán và y học hạt nhân

1.2.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma với electron liên kết trong nguyên tử

Trong hiệu ứng quang điện photon va chạm không đàn hồi với nguyên tử của vật chất và nó truyền toàn bộ năng lượng của mình cho electron kiên kết của nguyên tử (photon gamma bị biến mất) Năng lượng ấy một phần để chiến thắng sự liên kết với hạt nhân nguyên tử , phần còn lại biến thành động năng của electron bay ra

Về mặt năng lượng :

Wdlk

h E (1.2.1) Đặc điểm của hiệu ứng quang điện là chỉ xảy ra khi năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn năng lượng liên kết của electron (E Ee) Hiệu ứng quang điện xảy ra càng mạnh khi liên kết của electron trong nguyên tử bền vững và hầu như không xảy ra

5 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh với electron có liên kết yếu, đặc biệt là khi năng lượng liên kết của lượng tử gamma

e

E E Điều này định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng của các hạt tham gia phản ứng không cho phép Nói chung, hiệu ứng quang điện thường xảy ra ở các lớp electron phía trong

Hình 1.2 : Quá trình xảy ra hiện tượng quang điện

Khi phát ra electron quang điện, nguyên tử bị giật lùi một chút để bảo toàn xung lượng nhưng vì khối lượng của nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của electron nên động năng giật lùi này có thể bỏ qua trong phương trình (1.2.1)

Có thể có thêm một số electron phát ra cùng một electron quang điện nhất là ở

các nguyên tử nặng Quá trình đó đuợc gọi là hiệu ứng Auger Trong đó khi electron

quang điện phát ra từ các lớp trong (lớp K chẳng hạn) thì nguyên tử nằm ở trạng thái kích thích và năng lượng kích thích này biến mất bằng cách giải phóng thêm một hay vài electron liên kết yếu (được gọi là electron Auger)

Sự phân bố không gian (phân bố góc) của các electron trong hiệu ứng quang điện rất đặc trưng Khi các photon gamma có năng lượng nhỏ thì các electron quang

6 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh điện bay ra chủ yếu theo phương vuông góc với phương truyền của tia gamma tới Khi tăng năng lượng của gamma hình ảnh phân bố thay đổi Các electron quang điện ưu tiên bay về phía trước theo hướng tạo với hướng truyền của gamma một góc càng nhỏ nếu năng lượng của gamma càng lớn

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng gamma khá phức tạp:

+ Đối với mỗi lớp electron, khuynh hướng chung của sự phụ thuộc là 13

Hình 1.3 : Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu ứng quang điện vào năng lượng

của photon gamma

Ta thấy rõ ràng khi đi qua các giá trị biên hấp thụ có sự nhảy bậc của tiết diện hiệu ứng quang điện Hay có sự nhảy bậc của hệ số hấp thụ (ở những năng lượng của

7 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh gamma có tiết diện hiệu ứng quang điện lớn tức là hiện tượng quang điện xảy ra mạnh thì ở đó gamma bị hấp thụ mạnh hay hệ số hấp thụ lớn) Quá trình này đi kèm với việc phát ra quang điện tử và các tia X đặc trưng (do các electron lớp khác nhảy vào chiếm chỗ của electron quang điện vừa bay ra, kết quả là phát ra photon tia X đặc trưng)

Hình 1.4 : Quá trình tương tác Compton

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng cho hệ ta có phương trình sau:

8 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

,

201(1os )

hh

h

cm c







Đây là hệ thức liên hệ giữa năng lượng photon tới h, năng lượng photon tán xạ ,

h và góc tán xạ 

Tán xạ Compton xảy ra trên các điện tử tự do và điện tử lớp ngoài có liên kết yếu với hạt nhân bởi vì những điện tử này thực sự được coi như tự do với photon năng lượng cao

Xác suất tương tác Compton tăng một cách tuyến tính với nguyên tử số của chất gây tán xạ và giảm chậm khi tăng năng lượng của photon

Sự phụ thuộc của tiết diện hiệu dụng vào năng lượng trong hiệu ứng Compton có dạng khác nhau tuỳ theo vùng năng lượng của lượng tử gamma

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ Compton vào năng lượng của gamma:

9 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

10 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

11 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh Ngoài ra do e+ và e- được sinh ra trong điện trường của hạt nhân nên e+ bị đẩy ra xa hạt nhân còn e- bị làm chậm lại Do đó phổ năng lượng đo được sẽ khác nhau với 2 loại hạt này Sự khác nhau càng tăng với hạt nhân có nguyên tử số Z lớn vì ở đó tác dụng của hạt nhân lên 2 loại hạt ấy mạnh mẽ hơn, nên sự lệch của phổ năng lượng rõ hơn.Tiết diện thành phần và thiết diện tổng hợp của cả 3 quá trình được giới thiệu trên hình 1.9

1.2.4 Tán xạ Rayleigh

Hình 1.8 : Tán xạ Reyleigh

Trong tán xạ Rayleigh, còn gọi là tán xạ kết hợp (coherent), các photon tới tương tác và kích thích với toàn bộ nguyên tử, còn trong tán xạ Compton và hiệu ứng quang điện, photon tương tác và kích thích với từng electron riêng lẻ Sự tương tác này xảy ra chủ yếu ở những tia X dùng trong chẩn đoán có năng lượng thấp, như sử dụng trong lĩnh vực Chụp X quang ngực (15-30 keV) (mammography) Trong quá trình tán xạ Rayleigh, năng lượng của photon tới truyền cho toàn bộ các electron trong nguyên tử bia dao động đồng bộ và bức xạ năng lượng, phát ra một photon có cùng năng lượng với photon tới nhưng theo một hướng khác Ở sự tương tác này, electron không bị bứt ra ngoài, vì vậy không xảy ra sự ion hoá Một cách đơn giản, có thể xem tán xạ

12 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh Rayleigh là tán xạ chỉ làm thay đổi hướng của photon tới, mà không có sự thay đổi năng lượng

Tiết diện vi phân của tán xạ Rayleigh :

F(X,Z) là thừa số hình thức (form factor), F(X,Z) hay F(h,,Z) phụ thuộc vào môi trường (Z) và năng lượng của photon tới thông qua thông số X

sin2

X



 (1.2.3)

 

0

sin[(2 / )rs]

(2 / ) (1.2.4) Với: - (r) là mật độ electron

- r là khoảng cách từ electron đến hạt nhân - s = 2sin(/2)

Ta có: d sin d d   (1 2.5) Từ (1-1) ta suy ra:

Trong đó  



Th

d ( )d là hàm phân bố Thompson theo góc  và có giá trị:

13 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh Tỷ số 



dd đóng vai trò là hàm phân phối f() Ta dùng công thức này để mô phỏng tìm góc tán xạ  của photon ứng với từng giá trị của năng lượng h của photon tới (hay ứng với thông số X)

Tích phân (1.2.2) theo toàn bộ góc khối ta được tiết diện toàn phần của tán xạ Rayleigh:

 

00 0

1 r (1 cos ) F(x,Z) sin d d2 (1.2.9)

2

0

1 r (1 cos ) F(x,Z) 2 d(cos )2



       (1.2.10)

1.3 Sự suy giảm của chùm bức xạ gamma khi đi qua vật chất

Khi một chùm tia gamma xuyên qua một lớp vật chất nào đó thì nó sẽ tương tác với vật chất và bị suy giảm cường độ

Lượng bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc : - Lượng bức xạ gamma tới

- Mật độ của lớp vật chất mà nó đi qua - Chiều dày lớp vật chất đó

Trong thực tế tính chất này của tia gamma được sử dụng trong chụp ảnh công nghiệp: Để phát hiện các khuyết tật bên trong của mẫu vật hay sự thay đổi về tỉ trọng bên trong của mẫu vật Khuyết tật bên trong của mẫu vật tức là sự thay đổi về độ dày (lỗ trống chẳng hạn) hoặc là sự thay đổi về tỉ trọng của nó (nếu bên trong mẫu vật có ngậm xỉ chất khác), thì khi tia gamma xuyên qua các chỗ ấy sẽ có sự thay đổi tương ứng về cường độ so với khi xuyên qua những chỗ khác của mẫu vật, và điều này được ghi nhận trên ảnh chụp Dựa vào ảnh chụp ấy người ta biết được những khuyết tật bên trong của mẫu vật để có cách khắc phục nó

14 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của tiết diện tương tác của lượng tử gamma vào

1.3.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp

Xét chùm gamma hẹp truyền vuông góc với một lớp vật chất dày x, sự tương tác của bức xạ gamma với vật chất có đặc trưng sau: Mỗi một photon tách ra khỏi chùm tới bởi một hành động tương tác đơn độc tức là một photon sẽ tách ra khỏi chùm tia khi nó tương tác với vật chất (bị vật chất hấp thụ) Do đó số photon tách ra khỏi chùm tia ΔN sẽ tỉ lệ với chiều dày lớp vật chất Δx và tỉ lệ với số photon tới N

  N  .N x (1.3.1) µ là hệ số làm yếu hay hệ số hấp thụ

Mà năng lượng của photon là như nhau  số photon sẽ tỉ lệ với cường độ dòng bức xạ

   I  .I x (1.3.2) Nếu là bức xạ đơn năng thì µ là hằng số với mọi photon

 Tích phân biểu thức (1.3.2) ta được:

I

Ln I   x  II e (1.3.3) Trong đó : I0 là cường độ chùm tới

15 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh I là cường độ chùm qua X là chiều dày lớp vật chất mà tia gamma xuyên qua µ là hệ số hấp thụ tuyến tính

Hình 1.10: Sự suy giảm của chùm tia gamma khi đi qua vật chất 1.3.2 Sự suy giảm của chùm gamma rộng Hệ số tích lũy

Khi lượng tử gamma đi qua vật chất dưới dạng một chùm bức xạ rộng, trong thành phần của chùm ngoài các tia đi thẳng, còn có các thành phần tán xạ Vì phương trình hấp thụ đơn giản được dựa trên giả thuyết rằng bức xạ tán xạ hoàn toàn tách ra khỏi chùm Tuy nhiên trong thực tế không hoàn toàn như vậy, đặc biệt trong vật chất có độ dày lớn

Đối với lớp chắn mỏng phương trình trên có giá trị vì: Xác suất để bức xạ tán xạ tới điểm quan sát (hoặc đầu dò) sau một lần va chạm là rất nhỏ Ngược lại đối với lớp dày thì một số bức xạ tán xạ sẽ đến được đầu dò cùng với bức xạ không bị làm yếu Vì thế, cường độ đo được của bức xạ sau khi đi qua lớp chắn sẽ cao hơn đáng kể so với cường độ được tính toán qua phương trình hấp thụ đơn giản

16 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh Hiện tượng nêu trên được biết đến như hiện tượng tích luỹ bức xạ do tán xạ nhiều lần Vì vậy trong thực tế phương trình hấp thụ cần được thay đổi bằng cách đưa thêm một hệ số mới được gọi là hệ số tích luỹ, ký hiệu là E

B (h, , )Z x Cường độ của chùm bức xạ rộng được mô tả bằng công thức:

0( ). x. E(, ,)

I x I e Bh Z x (1.3.4) Trong đó: µ là hệ số suy giảm tuyến tính của chùm hẹp

E

B (h Z, ,x) hệ số tích lũy năng lượng có tính tới đóng góp của bức xạ tán xạ Đối với chùm hẹp hệ số này bằng 1, và khi đó ta có phương trình hấp thụ đơn giản

Đối với chùm rộng E

B (h, ,Z x) > 1 và nó phụ thuộc vào năng lượng của tia

gamma h, nguyên tử số Z, và bề dày x của vật liệu

Do năng lượng hấp thụ không hoàn toàn tỷ lệ với tác động sinh học (với cùng một liều lượng hấp thụ đối với các loại bức xạ khác nhau nhưng lại không gây các tổn thương sinh học như nhau, hay nói cách khác cùng một hiệu ứng sinh học nhưng đối với các loại bức xạ khác nhau cần có các liều hấp thụ khác nhau) nên người ta phân

biệt hệ số tích luỹ năng lượng và hệ số tích lũy liều lượng D

B (h, ,Z x) Khi đó ta có các biểu thức tương tự đối với liều lượng:

cm Sau khi đi qua chiều dày x của vật chất, cường độ của chùm tia X còn lại là I Sự suy giảm này tuân theo định luật Lambert:

17 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

.

dI

dxI   (1.3.6) Lấy tích phân trên toàn chiều dày x ta được:

0 x

I I e  (1.3.7)

01

photon (vì khi xx0 1

  thì I I0 tức là photon ― chạy‖ trong quãng đường đó không bị suy giảm cường độ tức là không tương tác với vật chất, không bị vật chất hấp thụ hay trong quãng đường đó nó chuyển động tự do)

Và để tính độ xuyên sâu thì độ sâu thường được biểu thị bằng một chiều dài hồi phục

 phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Chiều dài bước sóng sơ cấp : Những tia năng lượng thấp sẽ dễ bị hấp thụ hơn những tia năng lượng cao

- Nguyên tử số Z của chất hấp thụ : Những chất có Z lớn sẽ hấp thụ nhiều bức xạ hơn những chất có Z nhỏ

- Mật độ vật chất của chất hấp thụ

1.3.2.2 Hệ số suy giảm khối lượng

Đôi khi để tiện lợi người ta dùng đại lượng m 

 thay cho ( là mật

độ của chất che chắn) mđược gọi là hệ số hấp thụ khối Dùng hệ số suy giảm khối có

nhiều thuận lợi vì có thể áp dụng cho bất kì dạng nào (rắn, lỏng, khí) của chất được khảo sát

18 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh Đơn vị của hệ số hấp thụ khối suy ra từ đơn vị của  1

19 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X

2.1.1 Cấu tạo ống phát tia X

Ống phát tia X là thiết bị có chức năng chuyển đổi điện năng thành hai dạng năng lượng khác là năng lượng tia X và nhiệt Trong đó nhiệt tạo ra là phần năng lượng không mong muốn (hao phí), do đó ống phát tia X được thiết kế sao cho lượng nhiệt tạo ra là ít nhất và tiêu tán càng nhanh càng tốt Hình 2.1 Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường

Ống phát tia X hiện đại gồm 2 thành phần chính là âm cực (cathode), dương cực (anode) và các bộ phận phụ như: động cơ quay dương cực (rotor và stator), vỏ ống, hộp chứa, dầu tản nhiệt, cổng giao tiếp…Về nguyên tắc, bản cực âm (cathode) là

một dây tóc kim loại, nơi bức xạ ra các electron nhiệt do tác dụng của dòng điện chạy

qua và một bản cực dương (anode) là nơi các electron đập vào để sinh ra bức xạ hãm

Ống tia X được hút chân không để electron không bị mất năng lượng do va chạm với

các phân tử khí khi đi từ âm cực đến dương cực

Hình 2.1 Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường

20 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

Đa phần cathode các bóng X-quang hiện nay đều có 2 chén hội tụ với 2 sợi tóc nhằm đáp ứng các chế độ chụp khác nhau Sợi tóc lớn thường có kích thước dày 1,2 mm dùng để chụp những cơ quan lớn, dày, ở sâu trong cơ thể, cần công suất cao; sợi tóc nhỏ thường có kích thước dày 0,6 mm sử dụng cho những cơ quan nhỏ, mỏng, ở

21 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh gần ngoài da, cần công suất thấp Hai sợi tóc này được nung nóng bằng mạch điện với hiệu điện thế khoảng 10V, dòng điện qua sợi tóc có cường độ thay đổi từ 3 đến 7A

Chùm electron phát ra từ cathode được gia tốc bởi một hiệu điện thế lớn đến đập vào anode là chùm phân kỳ, chùm tia này sẽ đập vào anode trên diện tích rộng, làm giảm hiệu suất phát tia X và làm mờ hình ảnh X-quang Để khắc phục tình trạng trên, người ta đưa vào một điện cực bổ sung có hình dạng đặc biệt bao quanh cathode giữ vai trò hội tụ chùm electron phát ra đập vào anode, điện cực này chính là chén hội tụ còn được gọi là điện cực Wehnelt (hình 2.3)

Hình 2.3 Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron của

chén tội tụ

Để hội tụ được chùm electron phát ra từ cathode, chén hội tụ phải được tích điện thế âm Sự chênh lệch điện thế giữa chén hội tụ và cathode càng lớn thì khả năng làm hội tụ chùm electron sẽ càng cao Ví dụ như trong hình 2.3: chén hội tụ làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron khi nó có cùng giá trị điện áp với sợi tóc và chén hội tụ được tích điện thế âm có giá trị lệch khoảng 100 V so với sợi tóc có tác dụng giảm bề rộng chùm electron mạnh hơn

22 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

Anode là một tấm kim loại cứng có mật độ phân tử cao, là nơi các electron chuyển động từ cathode tới đập vào và phát tia X Anode có nhiệm vụ chuyển một phần năng lượng của electron thành bức xạ tia X và làm tiêu tán nhiệt lượng được tạo ra trong quá trình phát tia X Anode có 2 loại là anode cố định có công suất thấp và anode quay có công suất cao

Anode cố định bao gồm 1 tấm bia Volfram được gắn chặt vào một khối đồng như hình 2.4 Tấm Volfram là nơi chùm electron đập vào để phát ra tia X còn khối đồng có vai trò tiêu tán nhiệt cho bia Volfram vì đồng dẫn nhiệt rất tốt

Anode cố định thường được đặt nghiêng một góc từ 150- 200 so với mặt phẳng thẳng đứng, góc nghiêng này quyết định diện tích hội tụ của chùm electron (là phần diện tích của anode bị chùm electron đập vào) Nhược điểm của loại anode này là diện tích bia bị bắn phá nhỏ nên giới hạn sự tiêu tán nhiệt do đó giới hạn dòng cực đại qua ống và hạn chế hiệu suất phát tia, ngoài ra còn làm bia Volfram mau mòn và làm giảm tuổi thọ của anode cũng như của ống phát tia X

Hình 2.4 Các thành phần của ống tia X có anode cố định

Loại bóng này thường dùng trong các máy quang công suất nhỏ như máy

X-quang nha, máy X-X-quang di động, máy chiếu (fluoro)

Như đã trình bày, đối với anode cố định thì chùm electron chỉ đập vào 1 vị trí cố định làm nhiệt độ vị trí này rất cao đồng thời làm giảm công suất của bóng và làm giảm

23 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh tuổi thọ của anode Để khắc phục những nhược điểm trên người ta sử dụng anode quay để thay đổi liên tục điểm tiếp xúc của anode và chùm electron, làm cho diện tích vết hội tụ rất bé so với diện tích giải nhiệt Chuyển động quay làm cho vị trí đập của electron lên anode thay đổi liên tục, điều này làm cho anode mòn đều nên không ảnh hưởng đến góc phát tia Chuyển động quay còn có tác dụng tiêu tán lượng nhiệt sinh ra trong quá trình phát tia X làm tăng công suất bóng, tăng tuổi thọ anode Với những ưu điểm trên, anode quay được sử dụng phổ biến trong các thiết bị chụp X-quang hiện nay

Anode quay được thiết kế dạng hình đĩa có gờ vát nghiêng một góc θ so với mặt phẳng thẳng đứng, có tác dụng hướng phần lớn tia X ló ra phía cổng của ống phát Đường phân giác của góc vát phải nằm trong vùng ló ra của tia X, góc vát được thiết kế sao cho phù hợp với mục đích sử dụng Góc vát càng nhỏ thì độ phân giải không gian càng lớn nhưng lại làm giảm diện tích hiệu dụng của tiêu điểm và diện tích bao phủ của vùng tia X phát xạ Anode với góc vát nhỏ (70 – 90) thích hợp với các thiết bị thu nhận c nhỏ như máy chụp X-quang động mạch, chụp dây thần kinh… Các máy X-quang thường quy thông dụng yêu cầu vùng chụp lớn thì thường sử dụng anode có góc vát lớn (120 -160). Kích thước của đĩa anode nằm trong khoảng từ 5cm – 12,5cm và kích thước này quyết định khả năng chịu nhiệt của anode Góc vát ảnh hưởng đến suất liều chiếu lên bệnh nhân do ảnh hưởng đến hiệu suất phát ra tia X Ngoài ra góc vát còn ảnh hưởng đến nhiệt độ của anode do ảnh hưởng đến phần diện tích trên anode mà chùm electron đập vào, diện tích này càng nhỏ thì nhiệt độ càng cao [3]

Do phần lớn năng lượng electron đập vào anode được chuyển hóa thành nhiệt năng (trên 99 ) nên anode phải có khả năng chịu nhiệt cao Hầu hết các ống tia X đều sử dụng Volfram (Z =74) làm vật liệu anode vì Volfram là một kim loại nặng, dẫn nhiệt tốt và chịu được nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy lên đến 33700

C), khả năng bay hơi rất thấp

24 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

Hình 2.5 Cấu tạo anode quay [2]

Những năm gần đây người ta dùng nguyên liệu hỗn hợp Rheni Molypden (RTM) để chế tạo anode, trong đó hợp kim của Volfram và Rheni được sử dụng làm vật liệu bề mặt anode Mặt cắt ngang của anode RTM được thể hiện trong hình 2.6 Lớp hợp kim Rheni-Volfram trên bề mặt anode dày khoảng 1,3mm, bên trong là lớp Molybdenum dày 5-11mm (một số hãng sản xuất sử dụng Graphit thay cho Molybdenum) Hợp kim Rheni-Volfram có tỉ lệ khối lượng tùy thuộc vào mỗi hãng sản xuất, ví dụ như: W-Re 3%, W-Re 5%, W-Re 25%, W-Re 26% [4]

(Re)-Volfram-Hình 2.6 Mặt cắt của một anode RTM

Vì anode được bố trí nghiêng góc nên cường độ chùm tia X phát ra dọc theo trục ống tia X sẽ khác nhau, tức là có sự phân bố không đồng đều dọc theo hướng song

25 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh

song với trục cathode-anode Ảnh hưởng này được gọi là hiệu ứng chân (Heel effect)

Sự khác nhau này là do bia anode hấp thụ chính photon mà nó phát ra [3]

Hình 2.7 Sự phân bố chùm tia X theo phương song song với trục

cathode-anode 2.1.2 Vỏ ống chân không, dầu tản nhiệt, vỏ kim loại, cửa sổ ống phát tia X

Vỏ chân không bao bọc lấy cathode, anode, rotor để duy trì môi trường gần như chân không (áp suất dưới 10-5 mmHg) có các tác dụng sau: hỗ trợ cách điện cho anode và cathode; hạn chế sự mất mát năng lượng của dòng electron do va chạm với các phân tử khí trong ống khi di chuyển từ cathode đến anode; hạn chế sự oxi hóa các thiết bị kim loại bên trong ống khi làm việc ở nhiệt độ cao do đó tăng tuổi thọ của bóng X-quang

26 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh

HVTH :Bùi Thiện Chánh Vỏ ống thường làm bằng thủy tinh borosilicate là loại thủy tinh chống nhiệt có ít nhất 5 oxit boron (B2O3) Vỏ thủy tinh có bề dày khoảng 1-2 mm tùy theo thiết kế của mỗi hãng, một số hãng chế tạo loại thủy tinh borisilicat có pha chì trừ phần thủy tinh ở lối ra nhằm ngăn chùm tia X đi ra theo các hướng khác

Dầu tản nhiệt hay dầu biến áp là dung dịch được đổ đầy vào vùng không gian

giữa vỏ kim loại ngoài cùng của ống (tube housing) và vỏ ống thủy tinh rút chân không

nhằm chiếm chỗ không khí trong các thiết bị điện áp cao, có tác dụng cách ly vỏ thủy tinh với nguồn cao thế để cách điện Ngoài ra dầu còn có tác dụng làm mát, tăng cường thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và trong lõi thép máy biến áp sinh ra và tăng tuổi thọ của các thiết bị trong ống

Bao bọc ngoài cùng ống phát tia X là vỏ kim loại (housing) có chức năng bảo vệ

vỏ thủy tinh bên trong, hấp thụ các bức xạ phát ra trừ bức xạ hữu dụng và làm tiêu tán hầu hết nhiệt tạo ra trong ống do dầu tản nhiệt mang tới Vỏ kim loại có 2 lớp: lớp chì bên trong nhằm hấp thụ tia ló bất thường bao gồm tia X chệch hướng từ anode, tia X sinh ra khi điện tử thứ cấp va chạm với các linh kiện kim loại khác trong ống phát Bên ngoài lớp chì là lớp thép không gỉ hoặc barit có tác dụng hỗ trợ bảo vệ ống Vỏ kim

loại có bề dày khác nhau tùy theo thiết kế của từng hãng

2.1.2.4 Cửa sổ ống

Cửa sổ ống là nơi chùm tia X hiệu dụng phát ra từ ống đi ra ngoài Bán kính của cửa sổ ống phụ thuộc vào góc khối của chùm bức xạ hình nón (vào khoảng 400-500) Cửa sổ thường được chế tạo bằng một vật liệu hấp thụ bức xạ thấp như là các kim loại nhẹ có số hiệu nguyên tử thấp (chẳng hạn như là Beryllium) Một số loại bóng X-quang còn sử dụng cửa sổ làm bằng nhựa bakelite Ngay bên dưới cửa sổ trong vùng chùm tia hiệu dụng là một màn chắn, quá trình mở màn che chắn cho phép thay đổi được kích thước hiệu dụng của chùm tia