Phân biệt chụp ảnh thường và chụp ảnh số. Trên thế giới, việc áp dụng và phát triển các kỹ thuật bức xạ ngày càng nhiều và ở quy mô lớn, một trong số các phương pháp được sử dụng nhiều nhất đó là chụp ảnh bức xạ. Đã từ lâu chụp ảnh bức xạ với vật ghi nhận là phim đã được sử dụng trong công nghiệp để kiểm tra khuyết tật mối hàn, tính ăn mòn hay bất liên tục của vật liệu… Tuy nhiên phương pháp trên cũng đã bộc lộ khá nhiều nhược điểm (ví dụ như phải có buồng tối với những điều kiện bị khống chế về nhiệt độ và độ ẩm để thao tác với phim, nơi pha chế thuốc rửa phim, phải có nguồn nước sạch…) nên vào năm 1981 hãng Fuji của Nhật đã cho ra đời dòng máy CR (computed radiography) đầu tiên, đánh dấu việc con người sử dụng tấm IP (image plate) thay thế phim để ghi nhận hình ảnh. Thông tin thu từ tấm IP sẽ được xử lý, lưu trữ bằng máy vi tính. Từ khi ra đời, phương pháp chụp ảnh số đã được nhiều người đón nhận. Tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có một tài liệu nào đầy đủ và chính xác để khẳng định phương pháp chụp ảnh số có ưu điểm hơn hay thay thế được chụp ảnh thông thường. Luận văn này với mục đích chỉ ra những ưu nhược điểm của mỗi phương pháp để chúng ta có suy nghĩ và quyết định đúng đắn hơn về vấn đề này.
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội dạy em suốt bốn năm học qua Xin cảm ơn cô chú, anh chị Trung tâm Đánh giá khơng phá hủy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Xin cảm ơn gia đình bạn bè giúp đỡ, ủng hộ suốt thời gian học tập làm khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC .Trang Mở đầu .2 Chương - TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP NDT 1.1 Tổng quan phương pháp NDT 1.2 Tầm quan trọng phương pháp NDT Chương - TỔNG QUAN CHỤP ẢNH BỨC XẠ 2.1 Nguyên lý chụp ảnh xạ .9 2.1.1 Tương tác xạ tia X, tia gamma với vật chất 2.1.2 Nguyên lý chụp ảnh xạ .11 2.2 Nguồn xạ chụp ảnh 12 2.2.1 Máy phát tia X 12 2.2.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động .12 2.2.1.2 Các đặc trưng chụp ảnh máy phát tia X 13 2.2.1.3 Một số dạng máy phát tia X 14 2.2.2 Thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ 15 2.2.2.1 Các loại đồng vị phóng xạ chụp ảnh .15 2.2.2.2 Cấu tạo thiết bị nguyên lý hoạt động 15 2.2.2.3 Các đặc trưng chụp ảnh nguồn phóng xạ 16 2.2.2.4 Một số loại thiết bị chụp ảnh sử dụng nguồn phóng xạ 17 2.3 An toàn xạ 17 2.3.1 Các quy định pháp luật tiêu chuẩn an toàn xạ 17 2.3.2 Các biện pháp làm giảm liều chiếu 18 2.4 Thiết bị ghi nhận chụp ảnh xạ 18 2.4.1 Phim chụp ảnh xạ .18 2.4.1.1 Cấu tạo 18 2.4.1.2 Nguyên lý ghi nhận ảnh phim chụp ảnh xạ 19 2.4.1.3 Các đặc trưng phim ảnh chụp .20 2.4.1.4 Các phụ kiện kèm .22 2.4.1.5 Xử lý phim chụp ảnh xạ 23 2.4.2 Tấm ghi nhận hình ảnh chụp ảnh kỹ thuật số CR 24 2.4.2.1 Cấu tạo 24 2.4.2.2 Nguyên lý ghi nhận ảnh IP .25 2.4.2.3 Các đặc trưng IP ảnh chụp 27 2.4.2.4 Các phụ kiện kèm .28 2.4.2.5 Hệ thống quét ảnh kỹ thuật số CR 29 Chương - CHỤP ẢNH BỨC XẠ SỬ DỤNG PHIM 31 3.1 Quy trình thực 31 3.1.1 Yêu cầu trang thiết bị 31 3.1.2 Các bước tiến hành 31 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chụp 31 3.2.1 Độ tương phản 31 3.2.2 Độ nhòe ảnh chụp 32 3.3 Thông số đánh giá chất lượng ảnh chụp phim 33 Chương - CHỤP ẢNH KĨ THUẬT SỐ SỬ DỤNG TẤM IP 35 4.1 Quy trình thực 35 4.1.1 Yêu cầu trang thiết bị 35 4.1.2 Các bước tiến hành 35 4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chụp IP .35 4.2.1 Độ tương phản 35 4.2.2 Độ nhòe ảnh chụp 36 4.2.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu 36 4.2.4 Tốc độ chụp IP 37 4.3 Thông số đánh giá chất lượng ảnh chụp 37 4.3.1 Tỉ số tín hiệu nhiễu 37 4.3.2 Độ nhòe ảnh chụp hệ thống CR .37 4.3.3 Độ nhạy chụp ảnh chụp hệ thống 38 Chương - SO SÁNH GIỮA HAI PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH 39 5.1 Cách thức so sánh 39 5.2 Các thông số yếu tố so sánh 39 5.2.1 Nguyên lý ghi nhận hình ảnh 39 5.2.2 Vấn đề an toàn xạ bảo vệ môi trường 39 5.2.3 Điều kiện sở vật chất, nhân 40 5.2.4 Độ tiện lợi (điều kiện làm việc, thời gian thao tác) 41 5.2.5 Chất lượng hình ảnh 42 5.2.6 Chất lượng giải đoán, báo cáo 43 5.2.7 Tính linh động phương pháp .43 5.2.8 Tuổi thọ thiết bị tính kinh tế .43 Kết luận 45 Tài liệu tham khảo 46 MỞ ĐẦU Trên giới, việc áp dụng phát triển kỹ thuật xạ ngày nhiều quy mô lớn, số phương pháp sử dụng nhiều chụp ảnh xạ Đã từ lâu chụp ảnh xạ với vật ghi nhận phim sử dụng công nghiệp để kiểm tra khuyết tật mối hàn, tính ăn mịn hay bất liên tục vật liệu… Tuy nhiên phương pháp bộc lộ nhiều nhược điểm (ví dụ phải có buồng tối với điều kiện bị khống chế nhiệt độ độ ẩm để thao tác với phim, nơi pha chế thuốc rửa phim, phải có nguồn nước sạch…) nên vào năm 1981 hãng Fuji Nhật cho đời dòng máy CR (computed radiography) đầu tiên, đánh dấu việc người sử dụng IP (image plate) thay phim để ghi nhận hình ảnh Thơng tin thu từ IP xử lý, lưu trữ máy vi tính Từ đời, phương pháp chụp ảnh số nhiều người đón nhận Tuy nhiên chưa có tài liệu đầy đủ xác để khẳng định phương pháp chụp ảnh số có ưu điểm hay thay chụp ảnh thông thường Luận văn với mục đích ưu nhược điểm phương pháp để có suy nghĩ định đắn vấn đề Hà Nội, ngày 27 tháng năm 2011 Vũ Hải Nam Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NDT 1.1 Tổng quan phương pháp NDT Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (viết tắt tiếng Anh NDT - Non Destructive Testing) kỹ thuật sử dụng phương pháp vật lý để kiểm tra, phát bất liên tục bên trong, bề mặt vật liệu, chi tiết máy… mà không gây phá hủy ảnh hưởng tới tính sử dụng chúng Một số phương pháp NDT thông dụng nay: - Kiểm tra ngoại quan (Visual Testing): Kỹ thuật kiểm tra kỹ thuật kiểm tra NDT đời sớm Các khuyết tật hay bất liên tục bề mặt đối tượng kiểm tra quan sát, phát mắt thường có trợ giúp camera, máy nội soi - Kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing): Kỹ thuật kiểm tra áp dụng để kiểm tra bất liên tục hở bề mặt đối tượng kiểm tra Yêu cầu vật liệu đối tượng kiểm tra phải có tính chất khơng xốp Ngun tắc phương pháp chất thấm lỏng phun lên bề mặt vật kiểm tra thời gian định, sau phần chất thấm dư loại khỏi bề mặt Bề mặt sau làm khơ phủ chất lên Nếu bề mặt vật kiểm tra có bất liên tục hở bề mặt chất thấm lỏng bị lớp chất hút lên tạo thành thị kiểm tra, phản ánh vị trí chất bất liên tục Các phương pháp thẩm thấu lỏng sử dụng chất thấm dạng huỳnh quang, quan sát ánh sáng tia cực tím cho độ nhạy phát bất liên tục bề mặt cao - Kiểm tra bột từ (Magnetic Particle Testing): Kỹ thuật kiểm tra áp dụng để phát bất liên tục hở bề mặt bất liên tục vật kiểm tra gần sát bề mặt Yêu cầu vật liệu đối tượng kiểm tra phải vật liệu dễ nhiễm từ Nguyên tắc phương pháp vật kiểm tra cho nhiễm từ nam châm vĩnh cửu, nam châm điện cho dòng điện qua vật kiểm tra Từ trường cảm ứng vào vật kiểm tra đường sức từ liên tục cực từ Nếu bề mặt vật kiểm tra có bất liên tục (hở bề mặt sát gần bề mặt) làm rối loạn đường sức từ, vài đường sức quay vật thể vị trí có bất liên tục Những vị trí có khả hút hạt bột từ tính rắc chúng lên bề mặt vật kiểm tra Do vị trí bất liên tục phát - Kiểm tra dòng điện xoáy (Eddy Current Testing): Kỹ thuật kiểm tra áp dụng để kiểm tra, phát bất liên tục bề mặt gần bề mặt vật kiểm tra Yêu cầu vật kiểm tra làm vật liệu dẫn điện Nguyên tắc phương pháp tạo dịng điện xốy bề mặt vật kiểm tra cách cho vật kiểm tra tiếp xúc với từ trường xoay chiều biến đổi Dòng điện xoáy sinh từ trường Từ trường gây ảnh hưởng ngược lại với từ trường xoay chiều biến đổi Bằng cách so sánh ảnh hưởng từ trường dịng điện xốy gây trường hợp khơng có bất liên tục bề mặt trường hợp có bất liên tục bề mặt, ta xác định vị trí bất liên tục vật kiểm tra - Chụp ảnh xạ (Radiographic Testing): Kỹ thuật kiểm tra áp dụng để kiểm tra, phát bất liên tục không bề mặt mà sâu bên vật kiểm tra Nguyên tắc phương pháp sử dụng chùm tia xạ (tia X, tia gamma, tia neutron) cho xuyên qua vật kiểm tra đến vật ghi nhận xạ (phim, IP, detector) Thơng tin hình ảnh đường tia xạ qua vật kiểm tra thể vị trí ghi nhận xạ vật ghi nhận xạ, hình ảnh bất liên tục vật kiểm tra thể Yêu cầu với vật liệu kiểm tra vật liệu bất liên tục độ chênh lệch khả hấp thụ tia xạ đủ lớn để tạo độ phân biệt hình ảnh vật ghi nhận xạ - Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing): Kỹ thuật kiểm tra áp dụng để kiểm tra, phát bất liên tục không bề mặt mà sâu bên vật kiểm tra trường hợp chụp ảnh xạ Yêu cầu vật liệu vật kiểm tra phải có khả cho lan truyền sóng siêu âm Nguyên tắc phương pháp sử dụng đầu phát siêu âm cho lan truyền sóng siêu âm vật kiểm tra Các sóng siêu âm gặp bề mặt phản xạ (bề mặt đáy bất liên tục) phản hồi ngược trở lại thu nhận đầu thu siêu âm Bằng cách xác định thời gian ghi nhận xung phản xạ, ta xác định vị trí bề mặt phản xạ, từ xác định vị trí bất liên tục - Chụp ảnh neutron (Neutron Radiography Testing): Kỹ thuật dạng kỹ thuật chụp ảnh xạ, xạ sử dụng chùm tia neutron Đặc tính neutron dễ bị làm chậm vật liệu giàu hydro Do kỹ thuật chụp ảnh neutron áp dụng để chụp vật liệu nhẹ giàu hydro plastic, vật liệu khó chụp sử dụng phương pháp chụp tia X tia gamma 1.2 Tầm quan trọng phương pháp NDT Các phương pháp kiểm tra khơng phá hủy đóng vai trò quan trọng việc kiểm tra chất lượng sản phẩm, cụ thể: - Kiểm tra chất lượng sản phẩm trình chế tạo - Kiểm tra chất lượng sản phẩm hoàn thiện, xuất xưởng - Kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng, sửa chữa trình sử dụng Các phép kiểm tra kỹ thuật NDT bao gồm: - Phát khuyết tật sản phẩm như: rỗ khí, ngậm xỉ, hàn khơng ngấu, khơng thấu, nứt… - Xác định tính chất vật liệu mật độ, độ dẫn điện, độ cứng, cấu trúc hạt… - Đo kích thước, đo độ dày lớp phủ… - Kiểm tra trực tiếp sản phẩm dây chuyền sản xuất (on-line monitor) Chương TỔNG QUAN CHỤP ẢNH BỨC XẠ 2.1 Nguyên lý chụp ảnh xạ 2.1.1 Tương tác tia X, tia gamma với vật chất Khi xạ tia X, tia gamma qua lớp vật chất, cường độ lượng chúng bị suy giảm Lượng xạ bị tương tác tia X, tia gamma với vật chất thông qua ba hiệu ứng: quang điện, tán xạ Compton tạo cặp 2.1.1.1 Hiệu ứng quang điện Trong hiệu ứng này, tia X tia gamma tương tác với nguyên tử vật chất, toàn lượng photon truyền cho electron để đẩy bật electron khỏi nguyên tử tạo thành lỗ trống Hiệu ứng thường xảy với electron lớp có liên kết bền vững (lớp K), không xảy với electron tự Electron lớp cao nhảy vào chiếm chỗ trống, trình phát xạ đặc trưng Hiệu ứng xảy mức lượng thấp (< 100keV) Tiết diện hiệu ứng quang điện theo công thức: σphoto ~ Z5/E7/2 E ≥ EK σphoto ~ Z5/E7 E » EK Kết trình tạo electron tia X đặc trưng Hiệu ứng quang điện xảy với tiết diện lớn với vật liệu có ngun tử số lớn (ví dụ chì) vùng lượng cao, nguyên tử nhẹ (ví dụ nhơm) xảy vùng lượng thấp 2.1.1.2 Hiệu ứng tán xạ Compton Trong hiệu ứng này, tia X tia gamma tương tác với nguyên tử vật chất, photon tán xạ đàn hồi lên electron quỹ đạo Photon thay đổi phương bay (góc tán xạ từ đến 180o) phần lượng Electron giải phóng nguyên tử Hiệu ứng xảy lượng xạ tia X hay gamma lớn so với lượng liên kết hạt nhân với electron lớp Hiệu ứng Compton chiếm ưu mức lượng từ 100keV đến 10MeV Tiết diện hiệu ứng tán xạ Compton theo công thức: σcomp ~ Z/E Công thức cho thấy tán xạ Compton xảy tiết diện lớn với vật liệu có nguyên tử số lớn vùng lượng thấp Kết trình tán xạ Compton là: electron lớp vỏ bị bắn ngoài, xạ tia X hay gamma bị tán xạ, suy giảm lượng Quá trình tán xạ Compton quan trọng chụp ảnh xạ Bức xạ tán xạ Compton làm giảm chất lượng hình ảnh ảnh chụp Vì chụp ảnh xạ người ta cần có biện pháp để làm giảm xạ tán xạ đặt chì phim chụp để tránh tượng tán xạ ngược, đặt mẫu chụp cách xa tường 2.1.1.3 Hiệu ứng tạo cặp Trong hiệu ứng này, tia X tia gamma có lượng lớn 1.02MeV tương tác với nguyên tử vật chất, photon qua điện trường hạt nhân, biến đổi thành cặp electron – positron Positron nhanh chóng kết hợp electron nguyên tử bị hủy thành hai photon bay ngược chiều có lượng photon 511keV Tiết diện hiệu ứng tạo cặp có dạng: σpair ~ Z2.lnE Tiết diện hiệu ứng tạo cặp gần tỉ lệ với Z nên có giá trị lớn với chất hấp thụ có ngun tử số lớn Kết q trình cặp electron – positron tạo thành, electron ion hóa ngun tử mơi trường cịn positron kết hợp electron nguyên tử để trở thành hai photon có lượng 511keV Hiệu ứng tạo cặp cần quan tâm chụp ảnh xạ sử dụng lượng lớn 1,02MeV, ví dụ lượng gamma nguồn Co-60 2.1.1.4 Mối quan hệ cường độ xạ hệ số suy giảm tuyến tính vật liệu Cường độ xạ tia X, tia gamma suy giảm tuân theo quy luật hàm mũ: I = B.I0.e -µx Trong đó: I0 I cường độ xạ trước sau qua lớp vật chất; µ hệ số suy giảm tuyến tính vật liệu (cm -1); x quãng đường xạ lớp vật chất (chính bề dày lớp vật chất chùm tia đến vng góc với bề mặt) (cm); B hệ số mở rộng chùm tia tán xạ Như trình bày, cường độ xạ tia X, tia gamma suy giảm ba hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp Hệ số suy giảm vật liệu tổng hệ số suy giảm ba hiệu ứng Do đó: µ = σphoto + σcomp + σpair 10 - - Độ tương phản vật độ chênh lệch cường độ xạ tương tác lên phim Những thay đổi lượng xạ bị hấp thụ khác mẫu vật Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tương phản vật bao gồm: ο Năng lượng xạ: lượng xạ tăng lên độ tương phản vật giảm Sử dụng phổ xạ tia X cho độ tương phản lớn so với sử dụng xạ gamma Tuy nhiên lựa chọn lượng phải tính đến độ đâm xuyên qua vật liệu ο Bức xạ tán xạ: tán xạ tăng làm giảm độ tương phản Do phải có biện pháp hạn chế tán xạ ví dụ dùng chì để che chắn tán xạ nguợc, sử dụng phin lọc để loại bỏ thành phần tia xạ có lượng yếu, sử dụng tăng cường ο Mẫu kiểm tra: vật dày tán xạ lớn làm giảm độ tương phản vật Độ chênh lệch bề dày mẫu kiểm tra lớn độ tương phản lớn Độ chênh lệch hệ số suy giảm vật liệu vật kiểm tra bất liên tục lớn độ tương phản lớn Độ tương phản phim khả tương tác lớp nhũ tuơng phim với cường độ xạ đến đặc tính phim cho trước ο Loại phim: loại phim có độ hạt lớn cho độ tương phản cao ngược lại ο Độ đen: Dựa vào đường cong đặc trưng ta nhận thấy tăng độ đen độ tương phản tăng ο Quá trình hiện: Thời gian, nồng độ, nhiệt độ thuốc ảnh hưởng đến độ tương phản Nếu thông số đạt giá trị tối ưu cho độ tương phản lớn ο Độ mờ: độ mờ tăng lên làm giảm độ tương phản phim ngược lại 3.2.2 Độ nhòe ảnh chụp Độ nhịe ảnh chụp độ khơng sắc nét ảnh chụp nguyên nhân sau: - Độ nhịe hình học: mối liên hệ độ nhịe hình học (Ug), kích thước tiêu điểm phát xạ (f), khoảng cách từ nguồn đến phim (SFD), khoảng cách từ mặt trước vật chụp đến phim (OFD) sau: 32 Ug = f / (SFD/OFD – 1) Muốn giảm Ug giảm f, tăng SFD giảm OFD Bảng 2: Độ nhịe hình học cho phép qui định tiêu chuẩn ASME V- Article sau: Stt Chiều dày vật liệu (mm) Độ nhịe hình học lớn (mm)