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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASME American Society of Mechanical

ASTM American Society for Testing and

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

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

LỜI CAM ĐOAN

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

- 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)

- 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

dm

dQ

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

dm

dE

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 (H T,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)

Một số giá trị trọng số bức xạ (WR) được cho trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Trọng số bức xạ (W R ) ứng với các loại bức xạ khác nhau

1 Tia gamma (photon) và điện tử với mọi năng lượng (trừ điện tử

2 Proton và các proton giật lùi có năng lượng > 2MeV 5

4 Neutron: E < 10 keV

10 - 100 keV

100 - 2 MeV

2 - 20 MeV > 20 MeV

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 (W T ) ứng với các cơ quan trong cơ thể

Vú Gan Tuyến giáp

Da Mặt xương Còn lại

0,05 0,05 0,05 0,01 0,01 0,005

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

 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

1.2.2.2 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:

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

Chùm tia tới Chùm tia truyền qua

Hình 1.1: Hấp thụ bức xạ

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:

2 2

2 1 2

1

r

r I

I

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:

2 1 2

1

E

E I

I

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:

2 1 2

1

D

D I

I

Trong đó D1, D2 là suất liều bức xạ tại khoảng cách r1,r2 tínhtừ 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

Bức xạ tới

Photon tán xạ

Compton Electron

Hình 1.3: Tán xạ Compton

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

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

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

Bức xạ tới

Điện tử quang điện Hình 1.2: Hiệu ứng hấp thụ quang điện

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

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

Khuyết tật

Phim

Mẫu vật

Ảnh khuyết tật Chùm tia

Nguồn

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

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):

t SFD

t d

U g



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 (mm)

Bề dày thép (mm)

Cao thế (kV)

SFD cực đại (mm)

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:

g U

d t

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

-

-

D4 – D4 D7 – D5 – D4 – D2 D7 – D5 – D4 D7 – D4

-

- D4 – D2 D7 – D5 – D4 D7 – D5 – D4 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:

ct cr

E E

E

E E

2.1.3.5 Phương pháp giản đồ liều chiếu

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

2.5

Hình 2.3: Đường đặc trưng đối với một loại phim nhất định

Khoảng cách từ nguồn đến phim : 600 mm

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

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

Nguồn bên ngoài,

phim bên trong

Nguồn bên trong, phim bên ngoài

SFF

Tập hợp tất cả các đường giản đồ ở các giá trị cao áp khác nhau sẽ thu được một giản đồ chiếu tổng thể với một loại vật liệu cho từng máy phát tia-X hoặc nguồn gamma cụ thể

Dải liều chiếu là giá trị liều chiếu cần thiết để phim chụp đạt được độ đen nằm trong dải chấp

nhận, ví dụ trong chụp ảnh phóng xạ công nghiệp một ảnh tốt có dải độ đen là 1,5 đến 3,3 và có thể thay đổi (chẳng hạn 1,7 đến 3,5) tùy thuộc vào độ sáng của đèn đọc phim Một liều chiếu để ảnh chụp có độ đen thấp hơn 1,5 gọi là một liều chiếu không đủ ngược lại liều chiếu cho độ đen cao hơn 3,3 gọi là chiếu quá liều

2.1.4 Kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ các mối hàn kim loại

2.1.4.1 Kỹ thuật đơn thành đơn ảnh (SWSI)

Trong kỹ thuật này phim có thể được gá lắp ở hai phía của mẫu vật Kỹ thuật này được minh họa trên Hình 2.5, nguồn được gá lắp bên ngoài, phim được gá lắp bên trong hoặc ngược lại và ở giữa là khu vực cần kiểm tra Kỹ thuật này thích hợp để kiểm tra những vật dạng đĩa, ống trụ, các ống có đường kính lớn

Hình 2.5: Kiểm tra đường ống bằng chụp ảnh phóng xạ truyền qua đơn thành

Ngoài ra, ta có khái niệm kỹ thuật toàn cảnh đó là kỹ thuật mà nguồn phóng xạ được giữ ở tâm ống, phim được bao phủ quanh mối hàn bên ngoài của ống Kỹ thuật này làm giảm thời gian kiểm tra vì toàn bộ chu vi mối hàn được chiếu cùng một thời gian Kỹ thuật này áp dụng khi khoảng cách hiệu dụng giữa nguồn và phim đủ lớn để có độ nhạy cần thiết, tùy trường hợp mà IQI có thể đặt phía trong hay ngoài thành ống

2.1.4.2 Kỹ thuật truyền qua hai thành

Kỹ thuật này ứng dụng ở những nơi mà không thể gá lắp phim hoặc nguồn bên trong ống, nguồn và phim được giữ bên ngoài, bức xạ xuyên qua cả hai thành ống Do sự hạn chế về vị trí cũng như đường kính ống, ba phương pháp khác nhau của kỹ thuật này được giới thiệu dưới đây

Hình 2.6: Kiểm tra đường ống bằng chụp ảnh xuyên qua hai thành ống

a) Ảnh đơn qua hai thành; b) Ảnh kép qua hai thành; c) Ảnh chồng chập

Nguồn Nguồn Nguồn

Phim Phim Phim

2.1.4.3 Kỹ thuật hai thành một ảnh (DWSI)

Nguồn được đặt bên trên thành ống rất gần với đường kính ngoài do vậy mối hàn nằm ở phía gần nguồn không phủ nhiều lên phần mối hàn nằm ở phía gần phim, chỉ mối hàn ở phía gần phim được giải thích (Hình 2.6a) Kỹ thuật này áp dụng với các đường ống có đường kính lớn hơn 90mm đường kính ngoài IQI được đặt ở bên cạnh phim Kỹ thuật này yêu cầu lượng chiếu xạ trên toàn bộ chiều dài mối hàn

2.1.4.4 Kỹ thuật hai thành hai ảnh (DWDI)

Ở đây nguồn phóng xạ được gá lệch nhau so với mặt phẳng mối hàn sao cho thu được ảnh mối hàn trên phim là một hình ellip và cả hai vùng mối hàn phía trên và phía dưới trục lớn của ellip đều được dùng để giải đoán kết quả (Hình 2.6b) Phương pháp này đặc biệt thích hợp cho những đường ống có đường kính nhỏ từ 90mm trở xuống, IQI được đặt ở phía nguồn

2.1.4.5 Kỹ thuật chồng chập

Kỹ thuật được minh họa như Hình 2.6c, nguồn được gá ở khoảng cách SFD nào đó bên ngoài khúc gấp do vậy trên phim sẽ thấy sự chồng chập của mối hàn phía nguồn lên mối hàn phía phim Điều này đỏi hỏi phải chụp tối thiểu ba lần mỗi lần 1200 để bao phủ toàn bộ chiều dài mối hàn xung quanh ống IQI được đặt ở phía nguồn Đặc biệt kỹ thuật này áp dụng bất cứ khi nào gặp sự gấp khúc mà không thể chụp được ảnh kép do sự giới hạn về vị trí đối với những ống có đường kính ngoài lên tới 90mm

2.1.4.5 Kỹ thuật chụp mẫu vật rộng

Dải mật độ của phim liên quan chặt chẽ tới độ tương phản của phim, được định nghĩa là một dải chiều dày vật liệu mà có thể được ghi nhận trên ảnh trong dải mật độ phim hiệu dụng chấp nhận được Dải chiều dày mẫu vật nằm trong khoảng giới hạn nhất định thỏa mãn cho mỗi loại phim chụp đơn ảnh, do đó để mở rộng dải chiều dày này và góp phần giảm số lần chụp, tiết kiệm thời gian ta sử

Màn chì

Mẫu vật

Phim

Hình 2.7: Kỹ thuật chụp hai phim

dụng kỹ thuật chụp đồng thời hai phim có tốc độ khác nhau cho cùng một vật thể trong cùng một lần chụp Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật hai phim (Hình 2.7)

Với sự lựa chọn chính xác phim, điều kiện chụp sẽ góp phần làm giảm giá thành Phần mẫu vật dày hơn sẽ được ghi nhận trên phim nhanh hơn phần mỏng Kỹ thuật hai phim có thể sử dụng với loại phim có hoặc không có màng chì

2.1.5 Qui trình an toàn khi vận hành chụp ảnh phóng xạ tia-X

2.1.5.1 Công tác chuẩn bị

Trước khi bắt đầu thực hiện công việc chụp ảnh bức xạ cần phải chuẩn bị những công tác sau:

- Liên hệ với người chịu trách nhiệm sử dụng nguồn hoặc máy phát tia X để đưa ra những chỉ dẫn cần thiết cho công tác an toàn khi vận hành

- Phải có sổ tay ghi chép qui trình vận hành Sổ phải được ghi những thông tin như tên của ngời phụ trách, những qui trình công việc, yêu cầu công việc, liệt kê những thiết bị cần thiết

- Tất cả những nhân viên làm việc với nguồn chụp ảnh bức xạ phải mang thường xuyên những liều kế cá nhân thích hợp trong quá trình chụp ảnh bức xạ

- Phải có máy đo liều bức xạ để kiểm soát liều bức xạ phát ra từ nguồn

- Khu vực vận hành phải có tín hiệu và dấu cảnh báo bức xạ Đặc biệt khi máy phát đang vận hành thì phải có đèn và chuông báo hiệu

- Kiểm tra những thiết bị khác trước khi sử dụng chúng

2.1.5.2 Khi máy vận hành

Khi máy vận hành, nhân viên chụp ảnh bức xạ phải chú ý:

- Kiểm tra bức xạ xung quanh phòng chụp, đặc biệt là ngay tại cửa ra vào và các lỗ dùng để luồn cáp để đảm bảo rằng không có bức xại rò rỉ ra ngoài

- Trong khi thực hiện chiếu chụp phải đảm bảo rằng cửa ra vào đã được đóng

- Bất kì lúc nào khi vào phòng chiếu phải mang theo máy đo liều để kiểm tra suất liều trước khi vào phòng

- Khi công việc đã được hoàn tất, phải kiểm tra lại những thiết bị đã sử dụng có sai hỏng hay

không, nếu có thì phải sửa chữa hoặc báo cho người có trách nhiệm biết để sửa ngay, không được trì hoãn

2.2 Phim và chất lượng ảnh chụp phóng xạ

2.2.1 Cấu tạo của phim chụp ảnh phóng xạ

Tương tự phim ánh sáng, phim X quang có cấu tạo gồm: Lớp nền, lớp nhũ tương, lớp bảo vệ

Lớp kết dính được tạo từ hỗn hợp gelatin và chất kết dính nhằm đảm bảo cho chất nhũ tương mỏng bám chặt vào lớp nền

Lớp bảo vệ phía ngoài là một lớp mỏng gelatin nhằm giữ cho lớp nhũ tương bên trong khỏi bị

hư hỏng trong các thao tác và xử lý

Trong cấu trúc phim, lớp nhũ tương là lớp đóng vai trò quan trọng nhất Vốn rất nhạy với tia X, tia gamma, ánh sáng, nhiệt độ và một số hóa chất v.v nên cần thận trọng khi bảo quản phim chưa chụp

2.2.2 Các đặc trưng của phim chụp ảnh phóng xạ

Phim được sản suất bởi các hãng khác nhau, có các tính chất khác nhau, nhằm đảm bảo những yêu cầu cụ thể và đa dạng trong thực tế theo yêu cầu của từng phép chụp, nó phụ thuộc vào các yếu

Cường độ bức xạ;

Mức độ kiểm tra

Việc chọn lựa phim sử dụng dựa vào các điều kiện được chỉ định nhằm kết hợp một cách hiệu quả nhất giữa kỹ thuật chụp và loại phim để đạt được kết quả mong muốn Khi chọn phim thì việc xem xét các thông số như: Tốc độ, độ tương phản, kích thước hạt là không thể thiếu Các thông số này có mối quan hệ chặt chẽ với nhau Các phim có hạt lớn hơn sẽ có tốc độ lớn hơn những phim có

cỡ hạt nhỏ hơn, tương tự những phim có độ tương phản cao thường là phim có hạt mịn hơn và tốc

độ chậm hơn phim có độ tương phản thấp Cần chú ý rằng độ hạt ảnh hưởng đến độ nét của chi tiết ảnh Đối với cùng độ tương phản thì một phim cỡ hạt nhỏ có khả năng phân giải tốt hơn phim có cỡ hạt tương đối lớn

2.2.2.1 Độ đen

Một cách định lượng, mật độ quang học của ảnh chụp bức xạ được định nghĩa như là mức độ làm đen một ảnh chụp bức xạ sau khi xử lý tráng rửa phim Ảnh chụp bức xạ càng đen thì ta nói rằng độ đen của ảnh chụp bức xạ càng lớn

Theo một cách định lượng thì độ đen, kí hiệu D được xác định theo mối quan hệ sau:

0 10

log

t

I D

Trong đó: I0: cường độ ánh sáng tới phim; It: cường độ ánh sáng truyền qua phim

Tỷ số I0/It được gọi là độ cản sáng của ảnh chụp bức xạ và ngược lại, tỉ số It/I0 được gọi là độ truyền ánh sáng qua ảnh chụp bức xạ

Độ đen của một ảnh chụp có thể được xác định bằng cách so sánh với một tấm nêm độ đen hoặc dùng máy đo độ đen Những thiết bị đo độ đen quang học thường kém chính xác hơn khi ta so sánh cả hai phim trong cùng điều kiện, trái lại những thiết bị đo độ đen quang điện thì chính xác hơn

vì có sử dụng một ampe kế nhỏ có thang được chuẩn theo đơn vị độ đen Dải mật độ phim chấp nhận trong chụp ảnh phóng xạ công nghiệp là từ 1,5 đến 3,3

2.2.2.2 Đường cong đặc trưng của phim ảnh

Đường cong đặc trưng của phim, hay còn gọi là đường cong độ nhạy, biểu diễn mối quan hệ giữa liều chiếu cho một phim chụp ảnh bức xạ với độ đen của ảnh đạt được sau khi xử lý tráng rửa Đường cong này được xây dựng bằng cách chiếu lên mỗi phim một liều chiếu biết trước, sau khi tráng rửa các phim sẽ xác định các giá trị độ đen và vẽ một đường cong độ đen theo thanh logarit của liều chiếu tương đối Hình 2.9 là đường cong đặc trưng của các phim do hãng Agfa sản xuất

Hình 2.9: Các đường cong đặc trưng phim của hãng Agfa

Liều chiếu tương đối được sử dụng vì không có những đơn vị thuận lợi phù hợp với tất cả các dải điện thế và các điều kiện tán xạ mà trong đó để biểu diễn các liều chiếu chụp ảnh bức xạ Do vậy, liều chiếu cho một phim sẽ được biểu diễn theo một số thuật ngữ của một số liều chiếu riêng biệt Việc sử dụng thang logarit của liều chiếu tương đối thích hợp hơn là liều chiếu tương đối vì có những ưu điểm như giảm được thang đo dài, xác định tỉ số giữa các liều chiếu một cách dẽ dàng bằng cách sử dụng phép trừ logarit đơn giản

2.2.2.3 Độ mờ

Độ mờ của phim chính là độ đen vốn có của phim Độ mờ tạo nên bởi hai nguyên nhân sau:

Độ đen có sẵn trong lớp nền của phim vì lớp nền của phim không hoàn toàn trong suốt, độ mờ hóa học gây bởi một số hạt có khả năng tự giải phóng ra các nguyên tử bạc ngay cả khi không bị chiếu

Độ mờ của phim là khác nhau theo từng loại và tuổi của phim, nó thường có giá trị từ 0,2 đến 0,3

2.2.2.4 Tốc độ phim

Tốc độ phim được định nghĩa là nghịch đảo của liều chiếu toàn phần tính bằng Roentgen của một phổ bức xạ đặc trưng tạo ra một độ đen cho trước trên phim Tốc độ phim thường phụ thuộc vào kích thước hạt và năng lượng bức xạ, phim có kích thước hạt càng lớn thì có tốc độ càng cao và khi năng lượng bức xạ tăng lên thì tốc độ phim sẽ bị giảm xuống Kích thước hạt của phim ảnh hưởng đến thời gian chiếu và chất lượng ảnh Phim có hạt cực mịn hoặc mịn cho chất lượng tốt hơn Phim mà các hạt của nó bắt đầu tham gia vào phản ứng khi bị chiếu xạ sớm hơn những phim khác thì đó là những phim có tốc độ cao, những phim này có kích thước hạt lớn hơn nên độ nét giảm Các hạt của phim có tốc độ cao sẽ cho ra mật độ yêu cầu sớm hơn phim có vận tốc thấp

Trên thực tế, xác định tốc độ phim rất khó khăn và phức tạp nên để thuận tiện người ta thường dùng khái niệm tốc độ tương đối của phim Đại lượng này liên quan đến vị trí đường cong đặc trưng của phim dọc theo trục logE so với các đường cong của những phim khác

Từ những đường cong này liều chiếu tương đối để tạo ra một độ đen nhất định có thể đọc được, tốc độ tương đối là nghịch đảo của các liều chiếu này

Hình 2.10: Các đường đặc trưng của 3 loại phim công nghiệp tiêu biểu

2.2.2.5 Độ nhòe hình học

Các nguồn thực tế dùng trong chụp ảnh phóng xạ theo phương pháp cổ điển thường không phải là nguồn điểm mà thường có kích thước nào đó Do vậy, hình ảnh cho ra thường rộng hơn kích thước thực của vật thể đó là do có sự đóng góp của độ nhòe hình học Ug

Hình 2.11: Độ nhòe hình học của ảnh phóng xạ

Độ nhòe hình học được tính theo biểu thức sau:

c Sfd

c F

U g



(2.3) Trong đó: Ug là độ nhòe hình học

F là kích thước nguồn

LogE

0,5 1,0 1,5

2,5 2,0

3,5 3,0

Vật kiểm

Phim

F

c b

Ảnh Ug

Logarit cơ số 10 của liều chiếu

OFD hay c là khoảng từ nguồn đến vật

SFD là khoảng cách từ nguồn đến phim

Trong thực tế độ nhòe hình học càng nhỏ thì chất luợng ảnh càng tốt do vậy nguyên tắc sau đưa ra để giảm độ nhòe hình học đến mức tối thiểu:

Nguồn hay kích thước bia nhỏ nhất có thể có trong thực tế, nguồn lý tưởng là

nguồn điểm

Khoảng cách giữa nguồn và vật thể lớn nhất có thể được

Phim gần như tiếp xúc với vật thể

Vị trí nguồn đặt sao cho bức xạ xuyên qua toàn bộ chiều dày vật thể

Phim phải được đặt sát với bề mặt của vật kiểm về phía đối diện với nguồn

2.2.2.6 Độ tương phản của phim (Gd)

Độ tương phản hay Gradient của phim được xác định từ đường đặc trưng của phim qua việc tìm độ dốc của đường tại độ đen ấy (Hình 2.12) Độ tương phản của ảnh được xác định từ hiệu số độ đen của hai phần cạnh nhau của một ảnh

Mặc dù độ tương phản của phim là hữu dụng nhưng cũng khó xác định chính xác Trong thực tế người ta thường tính độ tương phản trung bình theo biểu thức:

)(lglg

1 2

E

D E

E

D D

Hình 2.12: Đường đặc trưng tiêu biểu của phim tia X loại trực tiếp

Độ tương phản của phim phụ thuộc vào độ đen của phim (Hình 2.13)

4.2.7 Độ nét của phim

Độ nét của ảnh ghi được trên phim phụ thuộc vào sự phân bố kích thước các hạt trên nhũ tương Nói chung các hạt càng nhỏ thì càng có nhiều thành phần mịn tham gia vào quá trình tạo ảnh Có hai yếu tố ảnh hưởng đến độ nét của phim là độ hạt và hiệu ứng của các điện tử thứ cấp Độ nét phụ thuộc vào:

Loại phim sử dụng: Nhanh, chậm hay thô;

Chất lượng của bức xạ chiếu;

Loại màng tăng cường;

Chế độ xử lý phim

2.2.2.8 Màn tăng cường

Dùng để tăng cường khả năng nhạy cảm với phim của tia bức xạ Có ba loại màn tăng cường thường được sử dụng: màn chì, màn huỳnh quang và màn kim loại Ở đây sẽ giới thiệu về màn chì Màn chì là những lá chì mỏng dán trên miếng giấy Độ dày của tấm chì thường là 0,01; 0,02 và 0,03 mm Các tấm màn chì thường được đặt trước và sau một tấm phim để trong cassette khi chụp Tấm màn chì phía trước có hai chức năng: Lọc các bức xạ năng lượng thấp, tăng cường hiệu suất quang điện lên phim từ hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton, màn chì phía sau phim thường dày hơn và có chức năng hấp thụ các năng lượng tán xa Hiệu ứng tăng cường màn chì có hiệu quả hơn khi năng lượng bức xạ trên 150kV, dưới 150kV hiệu ứng phản xạ sẽ vượt trội hiệu ứng tăng

Hình 2.13: Sự phụ thuộc của độ tương phản theo độ đen đối với các loại

phim khác nhau (A) Phim có màng tăng cường bằng muối; (B) Phim loại trực tiếp

có tốc độ trung bình; (C) Phim trực tiếp hạt mịn

cường Màn chì cần bảo quản tốt, tránh bị trầy xước, xây xát, các nếp gấp, … Những màn chì không tốt cần phải loại bỏ

2.2.3 Vật chỉ thị chất lượng ảnh (IQI)

Tùy theo tiêu chuẩn quy định của mỗi quốc gia mà người ta dùng những loại IQI với các tính năng khác nhau để đánh giá xác định độ nhạy ảnh chụp, đặc tính cơ bản của IQI là vật liệu chuẩn, nói chung càng phải giống với mẫu vật kiểm tra càng tốt, kích thước phải chính xác IQI loại dây là một bộ các sợi dây thẳng (dài ít nhất 25mm) của cùng loại vật liệu với mẫu vật chụp, các đường kính dây được lựa chọn theo các giá trị được trình bày trong Bảng 2.4

Bảng 2.4: Các đường kính dây IQI loại DIN

Dung sai 3,20

2,50 2,0

±0,03

1

2

3 1,60

1,25 1,00

±0,02

4

5

6 0,80

0,63

7

8 0,50

0,40 0,32

±0,01

9

10

11 0,25

0,20 0,16

12

13

14 0,125

15

16 Đường kính dây có dung sai ± 5%

Các dây được đặt song song cách nhau 5mm và được ép giữa hai lớp vật liệu có độ hấp thụ

tia-X thấp như lớp polyethylene Nếu dùng bộ dây có đường kính nhỏ thì chỉ cần căng trực tiếp lên một khung thép, tuy nhiên nó không được chắc chắn Trên IQI cần bố trí rõ các chữ cái đặc trưng cho

loại vật liệu kiểm tra, số dây và đường kính của nó Trong số các mẫu IQI loại dây thì loại DIN là thông dụng nhất

Hình 2.14 là mẫu IQI dùng cho chụp thép theo tiêu chuẩn của Đức gồm bảy dây từ dây số 10 đến dây số 16, kích thước dây nêu trong Bảng 2.4

IQI theo chuẩn DIN được chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm bao gồm 7 dây có chiều dài 25mm hoặc 50mm được đặt song song cách nhau 5mm (Bảng 2.5)

Bảng 2.5: Các thông số về IQI theo chuẩn DIN

Ký hiệu Số của dây tương đương với

Bảng 2.4

dùng để kiểm tra

Chiều dài

Vật liệu DIN

Sắt hoặc các sản phẩm thép

50

50 hoặc

25 Đồng

Đồng thiết hoặc các hợp kim của chúng

50

50 hoặc

25

Nhôm

Nhôm

và các hợp kim nhôm

IQI sử dụng khi chụp ảnh phải được đặt trên vật kiểm, cạnh vùng quan tâm và dây có đường kính lớn nhất nằm gần vùng quan tâm

2.2.4 Các bước tráng rửa phim

Việc xử lý phim ảnh đóng vai trò quyết định đến chất lượng ảnh Quá trình xử lý gồm các giai đoạn cơ bản sau:

- Khuấy toàn bộ dung dịch trước khi dùng

- Kiểm tra nhiệt độ của các dung dịch trong thùng, càng gần 200C càng tốt

- Kiểm tra mức dung dịch trong thùng và nước rửa một cách cẩn thận, nếu thiếu phải bù thêm

- Đảm bảo chắc chắn rằng có dòng nước chảy liên tục trong thùng rửa

- Tiến hành xử lý phim theo quy trình

- Lau sạch các bề mặt làm việc và rửa tay

- Mọi công việc phải được tiến hành trong điều kiện ánh sáng an toàn

2.2.4.1 Hiện ảnh (Developer)

Khi đưa phim vào dung dịch hiện những tinh thể không bị chiếu sẽ không bị ảnh hưởng và bị giải phóng đi ở giai đoạn này Những tinh thể bị chiếu thì sẽ bị tác động của thuốc hiện, tách bạc ra khỏi hỗn hợp và lắng đọng thành các hạt bạc kim loại nhỏ bé, các hạt này tạo ra hình ảnh của bạc màu đen Nhiệt độ càng cao thì việc hiện ảnh được thực hiện càng nhanh, tuy nhiên ở nhiệt độ 200C

ta thu được kết quả tối ưu Trong quá trình hiện ảnh “rung, lắc” là quan trọng nhất và được thực hiện bằng tay Rung lắc làm phim dao động trong dung dịch như vậy thì dung dịch được tiếp xúc tốt với bề mặt của phim sao cho phản ứng hợp lý được xảy ra giữa nhũ tương của phim và dung dịch Nếu không rung lắc thì phim thu được sẽ không đạt chất lượng và có thể có đường sọc Quá trình này thực hiện trong khoảng thời gian khoảng 5 phút

2.2.4.2 Giũ phim (Fixer)

Sau khi hiện, phim được giũ trong thùng khoảng 30-60 giây Trong thùng chứa một dung dịch 2,5% Glacial acetic acid, tác dụng của acid này là để dừng tác động của chất hiện đến phim đồng thời nó cũng ngăn được việc truyền chất hiện vào thùng chứa dung dịch hãm và làm hỏng chất hãm

Ngoài việc sử dụng dung dịch acid trên ta có thể sử dụng nước sạch đang chảy ít nhất là 1 đến 2 phút để thay thế

2.2.4.3 Hãm phim (Stopper)

Chức năng của giai đoạn này là làm ngừng quá trình hiện ảnh, giải phóng tất cả các halide bạc không được chiếu khỏi nhũ tương và giữ lại hạt bạc đã được chiếu trở thành một ảnh thực Khoảng thời gian từ khi đặt phim vào dung dịch hãm đến khi biến mất màu sữa vàng ban đầu được gọi là thời gian làm sạch, thời gian hãm khoảng 5 phút đồng thời thao tác rung lắc cũng được tiến hành Chất hãm phải giữ ở nhiệt độ giống nhiệt độ của chất hiện và trong thùng giũ (180C đến240C)

2.2.4.4 Rửa phim (Washer)

Nhũ tương của phim mang theo một số hóa chất từ thùng hãm sang thùng nước rửa Nếu hóa chất này bị giữ lại trên phim nó sẽ làm cho phim bị biến màu và bị ố sau một thời gian lưu giữ Để tránh điều này thì phim phải được rửa sạch những hóa chất này Cần lưu ý là nước trong thùng phải sạch, đang chảy, các thanh và kẹp của giá treo phải đảm bảo được nhúng vào nước Thời gian rửa ít nhất là 30 phút, nhiệt độ của nước trong khoảng 200C đến 250C để nhũ tương không bị làm mềm hay rửa đi mất

2.2.4.5 Làm khô phim(Dryer)

Giai đoạn này đơn thuần chỉ để làm khô phim trước khi đọc và giải đoán kết quả Thông thường trong các công việc chụp ảnh trong công nghiệp người ta thường phơi phim kẹp trên những giá treo ở những nơi khô ráo thoáng mát không bụi bẩn và chờ cho đến khi phim khô hoặc có thể dùng tủ sấy nhằm làm cho phim nhanh khô hơn nhưng nhiệt độ của tủ dùng sấy phim không được vượt quá 500C

2.2.4.6 Dung dịch xử lý phim

- Pha dung dịch xử lý phim (dùng khay):

 Thuốc hiện phim (Developer): Lấy 1 lít nước và:

½ chai = 0,875lít Hi-Rendol A

½ chai = 0,125lít dung dịch B trong lúc đang khuấy

Thêm 0,5 lít nước và khuấy đều; Tổng = 2,5lít dung dịch dùng cho 25 - 40 phim (25,4cm x 30,5cm)

Ghi chú: Tỷ lệ pha chế tương tự nếu sử dụng Hi-Rendol I Replenisher nhưng loại này bảo quản

phim lâu dài hơn

 Thuốc giũ phim (Stop bath): Dùng 30ml + 1l nước, khuấy đều (Axít chai 1l)

 Thuốc hãm phim (fixer): 1lít nước + ½ chai Hi-Renfix I = 0,875lít, khuấy đều 1lít dung dịch dùng cho 20 phim (24cm x 30cm)

 Rửa phim (Washer): Dùng nước sạch

Ghi chú: Nếu dùng gói Fuji QW (Quick Washer): Đổ từ từ một gói Fuji QW vào 2lít nước, khuấy

thành dung dịch

 Dung dịch Dry well: Dùng 10ml hòa với 2lít nước

2.2.4.7 Tráng rửa phim: Theo các bước đã quy định

 Hiện ảnh: Phim sau khi chụp mang vào phòng tối, sau đó nhúng vào dung dịch hiện (thùng số 5) trong khoảng thời gian là 5 phút

 Giũ phim: Giũ phim trong thùng (số 4) khoảng 30giây đến 60giây

 Hãm phim: Trong dung dịch hãm (thùng số 2) để khoảng thời gian 5 phút để đến khi phim mất

đi màu vàng sữa ban đầu

 Rửa phim: Rửa phim bằng nước sạch (thùng số 3) và ít nhất là rửa trong 30 phút

Lưu ý: Tất cả các công đoạn nêu trên phải được tiến hành trong phòng tối và nhiệt độ từ 18 đến

220C

 Làm khô phim: Sấy phim ở nhiệt độ 500C trong khoảng thời gian là 15 phút đến 30phút