CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH BỨC XẠ

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II CHƯƠNG CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH BỨC XẠ 2.1 CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA 2.1.1 Sự đời xạ tia X phát triển phương pháp chụp ảnh xạ : Năm 1895 Roentgen phát xạ tia X lúc ông nghiên cứu tượng phóng điện qua không khí Trong thời gian thí nghiệm loại tia bí ẩn Roentgen chụp ảnh bóng vật thể khác gồm có hộp đựng cầu súng ngắn nhìn thấy rõ ràng Những ảnh bóng đánh dấu đời phương pháp chụp ảnh xạ Trong khoảng năm sau Roentgen phát xạ tia X phương pháp chụp ảnh xạ áp dụng để kiểm tra mối hàn Năm 1913 Collidge thiết kế ống phát xạ tia X Thiết bị có khả phát xạ tia X có lượng cao có khả xuyên sâu Năm 1917 phòng thí nghiệm chụp ảnh xạ tia X thiết lập Royal Arsenal Woolwich Bước phát triển quan trọng vào năm 1930 hải quân Mỹ đồng ý dùng phương pháp chụp ảnh xạ để kiểm tra mối hàn nồi Trong khoảng vài năm sau bước phát triển đến chấp nhận rộng rãi dùng phương pháp chụp ảnh xạ để kiểm tra mối hàn bình áp lực xạ tia X tạo phát triển bền vững công cụ dùng để kiểm tra mối hàn vật đúc Cùng với bùng nổ chiến tranh giới lần thứ hai, phương pháp chụp ảnh xạ xạ tia X cho thấy có thành công lớn Giá trị phương pháp chụp ảnh xạ thấy rõ ràng ngành công nghiệp hàng không sau phương pháp mở rộng sang lĩnh vực khác kiểm tra mối hàn nhà máy điện, nhà máy luyện kim, cấu trúc thiết bị vận chuyển phương tiện chiến tranh Quá trình đặt sở cho phát triển liên tục kỹ thuật kiểm tra chụp ảnh xạ 2.1.2 Bản chất xạ tia X: Bức xạ tia X dạng xạ điện từ giống ánh sáng Giữa xạ tia X ánh sáng bình thường khác bước sóng Bước sóng xạ tia X nhỏ vài ngàn lần so với bước sóng ánh sáng bình thường Trong kiểm tra vật liệu chụp ảnh xạ thường sử 0 dụng xạ tia X có bước sóng nằm khoảng 10-4 A đến 10 A A = 10-8cm 2.1.3 Nguồn gốc xạ gamma: 2.1.3.1 Các đồng vị phóng xạ Một nguyên tử gồm có hạt nhân electron quỹ đạo chuyển động xung quanh hạt nhân Hạt nhân chứa hạt proton mang điện tích dương hạt neutron không mang điện Số proton tương ứng với nguyên tử số Z tổng số nucleon nghĩa số proton cộng với số neutron xác định số khối khối lượng nguyên tử A Những nguyên tử có nguyên tử số Z có số khối A khác gọi đồng vị nguyên tố PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 63 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Có số đồng vị bền vững có số đồng vị không bền vững Những đồng vị không bền vững có khuynh hướng trở trạng thái bền vững cách phát xạ thường gọi phân rã phóng xạ m 10 km 104 km 103 100 m 102 10 m 101 1m 10 cm 10-1 cm 10-2 mm 10-3 100 µm 10-4 10 µm 10-5 µm 10-6 100 nm 10-7 10 nm 10-8 nm 10-9 0.1 0.01 Bức xạ nhiệt Bức xạhồng ngoại Ánh sáng nhìn thấy + Bức xạ tử ngoại (UV) 100 eV KeV 10-10 10-11 10-12 100 fm 10-13 10 fm 10-14 fm 10-15 Bức xạ Roentgen Bức xạ gamma 10 KeV 100 KeV MeV 10 MeV 100 MeV GeV Hình 2.1 Phổ xạ điện từ Một số đồng vị có tự nhiên Radium, Radon Uranium Những đồng vị bền chế tạo thành đồng vị phóng xạ cách dùng neutron lò phản ứng hạt nhân kích hoạt vào chúng Những đồng vị phóng xạ loại gọi đồng vị phóng xạ nhân tạo Cobalt, Thulium Iridium Những đồng vị phóng xạ nhân tạo dùng phổ biến chụp ảnh xạ Những đồng vị phóng xạ phát loại xạ hạt alpha, beta xạ gamma đồng vị phóng xạ phát xạ gamma thường dùng chụp ảnh xạ công nghiệp 2.1.3.2 Bức xạ gamma : PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 64 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Bức xạ gamma loại xạ sóng điện từ giống xạ tia X chúng thường có bước sóng ngắn có khả xuyên sâu xạ tia X phát từ máy phát xạ tia X mà sử dụng rộng rãi chụp ảnh xạ công nghiệp Một số xạ gamma có khả xuyên qua lớp chì có bề dày đến 10cm Bức xạ gamma phát từ bên hạt nhân nguyên tử, khác với xạ tia X phát bên hạt nhân Bước sóng xạ sóng điện từ tính theo mét, centimet, millimet, micromet, nanomet angstron A = 10-8cm Hình 2.1 biểu diễn vị trí xạ tia X tia gamma phổ xạ sóng điện từ 2.1.4 Phổ xạ tia X tia gamma: Một yếu tố xạ tia X phát electron bị hãm lại Khi electron di chuyển với vận tốc cao đến gần hạt nhân (hạt nhân mang điện tích dương), chúng chịu lực hút chuyển động chậm lại Trong trình chuyển động chậm bị hãm lại electron phần động ban đầu chúng động phát dạng xạ tia X Vì vậy, nói xạ tia X phát trình sau trình làm lệch hướng chuyển động electron cathode trường lực mạnh nằm xung quanh hạt nhân phần tử bia Đôi electron bị hãm lại đột ngột toàn động chúng chuyển thành lượng xạ tia X lớn với bước sóng nhỏ Nhưng thực tế toàn phổ xạ có dải bước sóng dài dải tần số thấp phát electron mà electron phần lượng chúng lần tương tác với hạt nhân chịu nhiều va chạm với nguyên tử bia trước chúng dừng lại Như vậy, phổ xạ tia X dạng phổ liên tục với bước sóng nhỏ λmin có giá trị xác định Ta có E = h.f h số Plank f tần số Năng lượng electron có điện tích (e) vào hiệu điện V e.V hấp thụ hoàn toàn (hoặc dừng lại hoàn toàn) lượng xuất lượng tử tia X có lượng h.f = h.c/λ = e.V mà ta có λmin = h.c/e.V = 12.4/V Trong c vận tốc ánh sáng V hiệu điện áp vào ống phát xạ tia X Cường độ Các đỉnh xạ tia X đặc trưng Tần số Hình 2.2 Phổ xạ tia X đặc trưng Bức xạ tia X đặc trưng phát hoàn toàn thao cách khác Đôi va chạm electron tạo va chạm trực tiếp với electron lớp vỏ bên nguyên tử bia lượng electron đủ lớn chúng bứt PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 65 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II electron quỹ đạo khỏi nguyên tử Nguyên tử sau trở nên không bền vững electron khác nguyên tử nhảy vào lấp lỗ trống lượng phát lượng tử xạ Nếu gọi E lượng : E = h.f = h.c/λ ⇒ λ =h.c/E E đại lượng xác định kết hợp với thay đổi lượng nguyên tử xem dải bước sóng xác định Một vài bước sóng tồn chúng tạo nên dải phổ đặc trưng, hình 2.2 Quá trình giống với trình phát ánh sáng Nhưng ánh sáng quan tâm đến electron lớp vỏ Còn xạ tia X quan tâm đến electron lớp vỏ bên K, L, M có lực liên kết mạnh Nếu electron lớp K bị bứt electron dịch chuyển từ lớp L lấp lỗ trống lớp K tạo vạch K (vạch xạ tia X lớp K) Nếu electron lớp M dị chuyển lấp lỗ trống lớp K tạo vạch K yếu Chữ K biểu diễn lớp vỏ nguyên tử mà electron dịch chuyển vào Ta thấy phổ xạ tia X đặc trưng đồng giống đường liên tục hình 2.3 Ở phía phổ trắng có hai đỉnh đặc trưng đồng có nghĩa K αCu & KβCu có bước 0 sóng tương ứng 1.40 A 1.54 A Đồng có nguyên tử số 29 ta thay đổi bia đồng bia Nikel ta có phổ biểu diễn đường nét đứt Ta thấy thay đổi bia từ chất có nguyên tử số cao sang chất có nguyên tử số thấp (Nikel có nguyên tử số 28) ta có phổ xạ tia X đặc trưng trở nên mềm (λ lớn hơn) thay đổi thấy rõ phổ xạ tia X liên tục Bức xạ đặc trưng tạo ta sử dụng điện thấp điện ngưỡng định dải điện thấp nên bứt electron Nếu điện sử dụng tăng lên vượt điện ngưỡng làm thay đổi cường độ xạ tia X đặc trưng bước sóng chúng không thay đổi KαCu KαNi KβCu KβNi I λ Hình 2.3 Phổ xạ tia X đặc trưng Cu Ni Khác với phổ xạ tia X phổ liên tục phổ xạ gamma phổ gián đoạn, ngưỡng giá trị bước sóng thực tế phụ thuộc vào phát xạ hạt nhân nghĩa nguồn phóng xạ Các đồng vị phóng xạ phát xạ có nhiều bước sóng Ví dụ Caesium – 137 phát xạ gamma có bước sóng, Cobalt – 60 phát xạ gamma có hai PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 66 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Cường độ bước sóng Iridium – 192 phát xạ gamma có năm bước sóng trội Tất nguồn phóng xạ phát xạ gamma có dạng phổ vạch (phổ gián đoạn) khác với phổ xạ tia X phổ liên tục, hình 2.4 Hình 2.4 Phổ vạch nguồn phóng xạ gamma Trong nhiều tài liệu việc mô tả xạ gamma thường hay trình bày lượng xạ gamma trình bày theo bước sóng Năng lượng xạ biểu diễn theo đơn vị electron volt (eV) thường có giá trị khoảng triệu electron volt (MeV) Caesium – 137 phát xạ gamma có lượng 0.66MeV Cobalt – 60 phát hai xạ gamma có lượng 1.17MeV 1.33MeV 2.1.5 Tính chất xạ tia X xạ gamma : Bức xạ tia X xạ tia gamma có chất xạ sóng điện từ, tính chất giống xạ tia X tia gamma trình bày tóm tắt : (i) (ii) (iii) Không thể nhìn thấy chúng Không thể cảm nhận chúng giác quan người Chúng làm cho chất phát huỳnh quang Các chất phát huỳnh quang kẽm sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium platinocyanide, naphtalene, anthracene, stillbene, thallium kích hoạt natri iodide (iv) Chúng truyền với vận tốc với vận tốc ánh sáng nghĩa × 1010 cm/s (v) Chúng gây nguy hại cho tế bào sống (vi) Chúng gây ion hoá, chúng tách electron khỏi nguyên tử khí để tạo ion dương ion âm (vii) Chúng truyền theo đường thẳng, dạng xạ sóng điện từ nên xạ tia X tia gamma bị phản xạ, khúc xạ nhiễu xạ (viii) Chúng tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà theo định luật cường độ xạ tia X tia gamma điểm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn đến điểm Theo toán học I ∼ 1/r2 I cường độ xạ điểm cách nguồn phóng xạ khoảng cách r (ix) Chúng xuyên qua vật liệu mà ánh sáng xuyên qua Độ xuyên sâu phụ thuộc vào lượng xạ, mật độ, bề dày vật liệu Một chùm xạ tia X tia gamma đơn tuân theo định luật hấp thụ, I = I0e(-µ x) Trong đó: I0 = Cường độ xạ tia X tia gamma tới PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 67 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II I = Cường độ xạ tia X tia gamma truyền qua vật liệu có bề dày x có hệ số hấp thụ µ (x) Chúng tác động lên lớp nhũ tương phim ảnh làm đen phim ảnh (xi) Trong truyền qua vật liệu chúng bị hấp thụ bị tán xạ Những tính chất (vii), (viii), (ix), (x), (xi) tính chất thường sử dụng chụp ảnh xạ công nghiệp 2.1.6 Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Cường độ xạ đến điểm phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến điểm Cường độ xạ biến thiên theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Định luật minh họa hình 2.5 Trong ví dụ ta giả sử nguồn phát xạ có cường độ không đổi mà xạ qua khe hở B toả diện tích 4cm đến bề mặt ghi nhận C1 cách nguồn 12cm bề mặt ghi nhận dịch chuyển đến vị trí cách nguồn phóng xạ 24cm C2 chùm xạ tia X tỏa diện tích 16cm Diện tích lớn bốn lần diện tích C1 Do đó, ta có xạ 1cm bề mặt ghi nhận điểm C2 1/4 xạ 1cm bề mặt ghi nhận điểm C1 Quá trình biết định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách xạ Trong thực tế, định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách có tầm quan trọng trình thực chụp ảnh xa Phim phải ghi nhận suất liều chiếu liều chiếu định để tạo ảnh chụp xạ phim có độ đen mong muốn Nếu số lý mà khoảng cách từ nguồn đến phim có thay đổi liều chiếu bị thay đổi theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Do vậy, liều chiếu thích hợp C1 phải tăng lên bốn lần để tạo ảnh chụp xạ phim C2 có độ đen với độ đen với ảnh chụp xạ phim chụp C1 A B r1 C1 r2 C2 Hình 2.5 Biểu đồ minh họa định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Trong thực tế điều thực cách tăng thời gian chiếu cường độ xạ lên liều chiếu chụp ảnh xạ tích số cường độ xạ thời gian chiếu Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách biểu diễn công thức toán học sau : PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 68 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II I1 (cường độ xạ C1) I2 (cường độ xạ C2) = (r2)2 (r1)2 Trong : r1 r2 tương ứng với khoảng cách từ nguồn đến C1 C2 Vì: I1 ∼ 1/E1 I2 ∼ 1/E2 nên E2/E1 = (r2)2/(r1)2 Trong : E1 liều chiếu C1 E2 liều chiếu C2 Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách trình bày theo cách khác nhằm giúp cho việc an toàn bảo vệ chống xạ làm việc vùng có phóng xạ Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách theo dạng biểu diễn theo công thức D1/D2 = (r2)2/(r1)2 Trong đó, D1 D2 suất liều chiếu khoảng cách r r2 tính từ nguồn phóng xạ D1 D2 có đơn vị r r2 có đơn vị Điều có nghĩa nguy hiểm phóng xạ (suất liều chiếu) giảm xuống nhanh ta đứng khoảng cách xa nguồn phóng xạ Ví dụ suất liều chiếu nguồn phóng xạ khoảng cách 10m tính từ nguồn lại (1/100 = 1/10 2) suất liều chiếu nguồn phóng xạ khoảng cách 1m tính từ nguồn Đây cách thực đơn giản để đảm bảo giữ cho người làm việc với nguồn phóng xạ hở nhận liều chiếu thấp 2.2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ Như trình bày phần 2.1.3.1 có số đồng vị nguyên tố bền vững ngược lại có số đồng vị nguyên tố khác không bền vững Những nguyên tử đồng vị không bền vững trở trạng thái bền vững cách phát xạ Quá trình dịch chuyển trạng thái bền vững đồng vị không bền vững kèm với trình phát xạ thường gọi trình phân rã (sự phân rã phóng xạ) tượng phân rã nguyên tử đồng vị (có tự nhiên hay tạo phương pháp nhân tạo) nguyên tố gọi tượng phóng xạ Những chất có biểu hiện tượng gọi chất phóng xạ đồng vị phóng xạ Curie (Ci) đơn vị dùng để đo hoạt độ phóng xạ tốc độ phân rã 3.7 × 1010dps (phân rã/giây) Những đơn vị dùng để đo hoạt độ phóng xạ nhỏ millicurie (mCi), micro curie (µ Ci) tương ứng với 1/10 1/106Ci Hệ thống đơn vị cố định cho hoạt độ phóng xạ mà quốc tế công nhận sử dụng tất mục đích khoa học công nghệ nhiều nước Bacquerel (Bq) Bacquerel định nghĩa phân rã giây Mối quan hệ Curie Bacquerel : 1Ci = 3.7 × 1010 Bacquerel 2.2.1 Sự phân rã phóng xạ : Hoạt độ phóng xạ chất phóng xạ phụ thuộc vào độ tập trung nguyên tử phóng xạ có chất phóng xạ Sự phân rã phóng xạ theo trình tuân theo định luật hàm số mũ gọi định luật phân rã phóng xạ Định luật biểu diễn theo toán học là: N = N0 × e-µ t N0 số nguyên tử phóng xạ ban đầu (ở thời điểm t = 0), N số nguyên tử phóng xạ lại sau khoảng thời gian t λ gọi số phân rã phóng xạ đặc trưng chất phóng xạ Các chất phóng xạ có giá trị λ lớn phân rã nhanh ngược lại Trong ứng dụng thực tế phân rã chất phóng xạ thường phát biểu theo thuật ngữ chu kỳ bán rã ký hiệu T1/2 Chu kỳ bán rã định nghĩa thời gian cần thiết số nguyên tử phóng PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 69 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II xạ ban đầu giảm xuống nửa Theo cách trình bày đơn giản sau chu kỳ bán rã số nguyên tử phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ ban đầu (lúc t = 0) giảm xuống hai lần Chu kỳ bán rã đặc trưng đồng vị phóng xạ (nghĩa sau chu kỳ bán rã số nguyên tử phóng xạ hoạt độ phóng xạ giảm xuống hai lần so với số nguyên tử phóng xạ hoạt độ phóng xạ ban đầu (tại thời điểm t = 0) Chu kỳ bán rã đặc trưng riêng đồng vị phóng xạ, đồng vị phóng xạ khác có chu kỳ bán rã khác (sự khác chủ yếu đồng vị phóng xạ khác chu kỳ bán rã) Có đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã phần giây ngược lại có đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã lên đến hàng triệu năm (chu kỳ bán rã đồng vị phóng xạ biến thiên từ phần giây lên đến hàng triệu năm) Trong chụp ảnh xạ sử dụng đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khoảng vài ngày đến vài năm Những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn số nguyên tử phóng xạ hoạt độ phóng xạ hoạt độ phóng xạ phân rã nhanh Thay N = N0/2 t = T/2 vào phương trình phân rã chuyển đổi thành : N / = N × e − λ T1 / với T1/2 = 0.63/λ Theo lý thuyết phương trình phân rã để chất phóng xạ phân rã hoàn toàn cần phải có thời gian vô hạn Khi vẽ phương trình phân rã lên đồ thị đồ thị cho ta đường cong gọi đường cong phân rã biểu diễn hình 2.6 2.2.2 Cường độ xạ hoạt độ phóng xạ riêng: Cường độ xạ định nghĩa số tia xạ đến tương tác đơn vị diện tích vuông góc với hướng truyền chùm tia giây Bức xạ phát từ nguồn phóng xạ cho trước đo theo đơn vị Roentgen khoảng cách mét tính từ nguồn Giá trị gọi giá trị RHM nguồn (bức xạ phát ra, công suất phát xạ, suất liều chiếu hay suất liều phát) Bản thân Roentgen định nghĩa lượng xạ tia X tia gamma qua centimet khối không khí khô điều kiện tiêu chuẩn (NTP) (1cm3 không khí khô có khối lượng 0.00129g) tạo lượng ion tương đương với đơn vị điện tích e.s.u dấu Roentgen tương đương với vật liệu bị chiếu xạ hấp thụ lượng 87.7 erg/g Mỗi nguồn phóng xạ có giá trị RHM Curie riêng Số roentgen khoảng cách mét tính từ nguồn phát xạ gamma có hoạt độ 1mCi gọi hệ số K (hằng số gamma) trình phát xạ gamma riêng biệt Cường độ xạ tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nghĩa khoảng cách tính từ nguồn phóng xạ tăng gấp đôi cường độ xạ khoảng cách bị giảm xuống bốn lần Hoạt độ phóng xạ riêng nguồn phóng xạ thường đo theo đơn vị số Curie gam hoạt độ phóng xạ riêng đóng vai trò quan trọng chụp ảnh xạ Một nguồn phóng xạ có hoạt động riêng cao nghĩa tạo nguồn có cường độ cho trước theo kích thước vật lý nhỏ, điều có tầm quan trọng lớn quan điểm độ xác định ảnh chụp xạ Cũng với nguồn chế tạo với kích thước nhỏ có độ tự hấp thụ nhỏ có suất liều chiếu hiệu dụng lớn Hoạt độ phóng xạ riêng phụ thuộc vào lò phản ứng hạt nhân thời gian mà chất bị chiếu xạ đặc tính chất bị chiếu xạ khối lượng nguyên tử (số khối) tiết diện kích hoạt Một số nguyên tố kích hoạt hoạt độ riêng cao ngược lại có số nguyên tố khác khả đạt đến giá trị hoạt độ riêng cao với thông lượng neutron thích hợp PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 70 CHƯƠNG Phân rã phóng xạ, mR/h TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II 200mR/h Trong chu kỳ bán rã hoạt độ chất phóng xạ bị phân rã xuống nhỏ 1% 100mR/h 50mR/h 25mR/h 3.12mR/h 24h 24h 24h 24h 24h 24h 1.56mR/h 24h phân rã chất4phóng xạ có chu kỳ bán rã 24 giờ.7 Hình 2.6 Sự Ngày Đường cong phân rã điển hình nguồn Ir – 192 biểu diễn hình 2.7 2.8 cường cong phân rã nguồn Co – 60 đồng vị phóng xạ quan tâm khác vẽ dễ dàng biết chu kỳ bán rã chúng (hình 2.9) 2.2.3.Những loại xạ khác phát từ đồng vị phóng xạ: Ngoài việc sử dụng xạ tia X tia gamma chụp ảnh xạ, thực tế tìm thấy phát triển ứng dụng kiểm tra chụp ảnh xạ sử dụng loại xạ có khả xuyên sâu khác mà suy giảm chúng biểu khác hoàn toàn Sự biểu khác cách để phát tính chất đặc biệt Những loại xạ có tính hạt khác với xạ tia X tia gamma (đó có tính sóng) xạ sóng điện từ Theo nguyên tắc tất loại xạ có giới hạn độ xuyên sâu vào vật liệu mà bị hấp thụ hoàn toàn Sự hấp thụ phụ thuộc chi tiết vào loại điện tích động hạt Những loại xạ hạt alpha, beta, proton neutron Do xạ alpha gồm có hạt tương đối lớn mang điện tích dương (hạt nhân Helium) : hai hạt proton cộng với hai hạt neutron nên có khả xuyên sâu tương đối thấp chúng không quan tâm đặc biệt cho mục đích sử dụng chụp ảnh xạ Bức xạ beta có khả xuyên sâu lớn xạ alpha chút (xem phụ thuộc vào lượng hạt riêng biệt) Nó hạt electron mang điện tích âm (tất nhiên sử dụng thực trình phát xạ tia X) Để xuyên qua độ sâu mong muốn (chẳng hạn kim loại) ta cần xạ beta có dải lượng cao Do đó, việc sử dụng chúng phần lớn giới hạn trình kiểm tra mẫu vật mỏng Những điều kiện tương tự áp dụng xạ hạt proton (các hạt mang điện tích dương) PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 71 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Ví dụ nguồn Ir – 192 100% Hoạt độ phóng xạ ban đầu 80Ci (100%) a HL chu kỳ bán rã 50% 25% 12.5% 0 74 ngày 148 ngày 222 ngày HL HL HL Thời gian Ngày xuất nguồn Hoạt độ (log) 100 80 b 60 50 40 30 20 10 74 ngày 148 ngày 222 ngày Thời gian Hình 2.7 Các đường cong phân rã nguồn phóng xạ, chẳng hạn Ir – 192 (a) suy giảm hoạt độ theo thời gian (b) suy giảm hoạt độ sử dụng thang hoạt độ logarit PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 72 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II 1.0 0.9 0.8 0.7 Sự phân rã nguồn Co - 60 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 Phần lại 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 10 20 40 30 50 60 Thời gian (năm) Hình 2.9 Sự phân rã nguồn Co – 60 PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 74 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Chụp ảnh xạ kiểm tra vật liệu neutron chiếm vị trí đặc biệt neutron không mang điện không chịu tác dụng lực hút lực đẩy nào, chúng bị làm yếu va chạm trực tiếp với nguyên tử Khối lượng hạt nhân bị tương tác neutron khác nhỏ lượng neutron bị lớn (nghĩa suy giảm lớn) Do đó, vật liệu có nguyên tử số nhỏ hyđro hợp chất hoá học nước, hợp chất hữu tương tự nguyên tố khác có khối lượng nguyên tử (số khối) nhỏ làm suy giảm lượng xạ neutron lớn nhiều so với nguyên tố có hạt nhân nguyên tử (số khối) lớn chẳng hạn chì Điều xem biểu suy giảm nghịch lý dẫn đến kỹ thuật kiểm tra chụp ảnh xạ neutron trở nên quan trọng ngày 2.3 QÚA TRÌNH TƯƠNG TÁC BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT Khi chùm xạ tia X tia gamma qua vật chất có số tia truyền qua, số tia bị hấp thụ số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác Sự hiểu biết tượng quan trọng cho nhân viên chụp ảnh xạ khía cạnh khác trình bày đây: 2.3.1 Hiện tượng hấp thụ: Một chùm xạ tia X tia gamma qua vật chất cường độ chúng bị suy giảm Hiện tượng gọi hấp thụ xạ tia X tia gamma vật chất Lượng xạ bị suy giảm phụ thuộc vào chất lượng chùm xạ, vật liệu, mật độ mẫu vật bề dày mẫu vật mà chùm tia xạ qua Tính chất xạ tia X tia gamma sử dụng chụp ảnh xạ công nghiệp Nếu có khuyết tật nằm bên cấu trúc mẫu vật nghĩa có thay đổi bề dày (chẳng hạn lỗ rỗng) thay đổi theo mật độ (chẳng hạn tạp chất vật liệu khác bên ngoài) Sự diện khuyết tật tạo thay đổi tương ứng với cường độ chùm xạ truyền qua chùm xạ truyền qua ghi nhận phim tạo ảnh chụp xạ phim Hiện tượng có tính chất quan trọng nên cần phải xem xét cách chi tiết Chùm tia xạ truyền qua Chùm tia xạ tới Hình 1.10 Quá trình hấp thụ xạ Xét mẫu vật dạng có bề dày “X” truyền chùm xạ đơn song song qua nó, hình 2.10 Nếu gọi cường độ chùm xạ tới I cường độ chùm xạ truyền qua I ta có I = I0 × e-µ.X µ gọi hệ số hấp thụ tuyến tính, hệ số phụ thuộc vào lượng chùm xạ tới vật liệu hay mật độ mẫu vật Sự suy giảm cường độ chùm xạ tới xảy xa theo ba hiệu ứng là: Sự hấp thụ quang điện, hấp thụ tán xạ Compton Một chế thứ tư tạo cặp, hiệu ứng xảy lượng xạ tia X tia gamma tới lớn 1.02MeV tương đối quan trọng Để đưa vào tính toán cho tất hiệu ứng giá trị µ viết sau : µ = (ι + σ + k) µ hệ số hấp thụ tổng cộng hay gọi hệ số suy giảm tuyến tính, ι PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 75 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II hệ số suy giảm hấp thụ quang điện, σ hệ số tán xạ, có hai thành phần σa hệ số hấp thụ Compton σr hệ số tán xạ Compton k gọi hệ số tạo cặp 2.3.1.1 Sự hấp thụ quang điện : Trong trình xảy tượng hấp thụ quang điện xạ tia X tia gamma truyền toàn lượng chúng cho electron nằm lớp vỏ nguyên tử để bứt electron khỏi nguyên tử Trong trình xạ tia X tia gamma biến Năng lượng xạ tia X tia gamma sử dụng để bứt electron khỏi lớp vỏ nguyên tử truyền cho electron động (hình 2.11) Bức xạ tia X đặc trưng e- Quang electron Chùm xạ tới Hình 2.11 Sự hấp thụ quang điện Sự hấp thụ quang điện xảy chủ yếu electron nằm nguyên tử liên kết bền vững hấp thụ quang điện không xảy electron tự (liên kết yếu) Điều định luật bảo toàn lượng xung lượng không cho phép Do đó, hấp thụ quang điện thường xảy electron nằm lớp K nguyên tử Khi lượng xạ tia X tia gamma gần lượng liên kết electron lớp vỏ nguyên tử có gia tăng đột ngột trình hấp thụ Năng lượng mà xuất hấp thụ gia tăng đột ngột rõ nét gọi cạnh hấp thụ K (giới hạn hấp thụ K) hiển thị vị trí mà động electron bay Mặt khác lượng xạ tia X tia gamma tăng lên làm cho hấp thụ giảm xuống với lượng chúng Cạnh hấp thụ xuất dải lượng xạ thấp 115KeV Quá trình thường kèm với trình phát xạ quang electron xạ tia X đặc trưng Sự hấp thụ quang điện xảy chủ yếu xạ tia X tia gamma có lượng (E) thấp nguyên tố có nguyên tử số (Z) cao, electron nguyên tử liên kết bền vững Xác suất xảy hấp thụ quang điện biến thiên gần với tỷ lệ 1/E3.5 Z5 Qua ta hiểu thực tế chì (Z = 82) Uranium (Z = 92) dùng để che chắn chống xạ tia X tia gamma hiệu 2.3.1.2 Sự tán xạ Compton : Khi lượng photon tăng lên vượt khỏi vạch K (cạnh hấp thụ K hay giới hạn hấp thụ K) trình hấp thụ chủ yếu thay đổi từ hiệu ứng quang điện sang hiệu ứng Compton Bức xạ tia X tia gamma giống hạt truyền phần lượng cho electron bứt electron khỏi nguyên tử chuyển động với vận tốc thân xạ tia X tia gamma bị tán xạ xa theo góc với suy giảm lượng, hình 2.12 PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 76 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Bức xạ tán xạ Bức xạ tới e- Electron Compton Hình 2.12 Tán xạ Compton Tán xạ Compton xảy chủ yếu electron tự electron liên kết yếu nằm lớp nguyên tử electron xem tự xạ tia X tia gamma có lượng cao Xác suất xảy tán xạ Compton tăng lên theo cách tuyến tính với nguyên tử số vật liệu bị tương tác giảm xuống chậm lượng xạ tia X tia gamma tăng lên Đối với dải lượng xạ dùng chụp ảnh xạ dải lượng trung bình hiệu ứng Compton trình suy giảm quang trọng Thực tế tác động xạ tán xạ mà phần lớn xạ tán xạ đến phim có hướng khác với hướng truyền xạ sơ cấp Bức xạ sơ cấp tạo ảnh chụp xạ phim xạ tán xạ compton có khuynh hướng mờ ảnh chụp xạ phim Khi lượng xạ sơ cấp tăng lên tỷ lệ phần trăm xạ tán xạ Compton lớn hướng phía trước gần trùng với hướng truyền chùm xạ sơ cấp Nếu xạ tia X tia gamma bị tán xạ có lượng không thay đổi trình gọi trình tán xạ kết hợp hay gọi tán xạ Rayleigh 2.3.1.3 Sự tạo cặp : Khi chùm xạ tia X tia gamma có lượng đủ lớn (≥ 1.02MeV) trình tương tác xạ lên vật chất tạo cặp ion electron (mang điện tích âm) positron (mang điện tích dương) điện trường hạt nhân Trong trình xạ biến tạo cặp electron positron, hình 2.13 e+ Chùm xạ tới e- Cặp electron positron Hình 2.13 Sự tạo cặp PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 77 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Khác với hấp thụ quang điện, tán xạ Compton tạo cặp không gây trình ion hoá nguyên tử hạt nhân phải giữ số xung lượng (động lượng) Sự tạo cặp chiếm ưu dạng tương tác khác xạ dải lượng cao Xác suất xảy hiệu ứng tăng lên nhanh với lượng xạ 2.3.2 Hệ số hấp thụ: Trong phương trình biểu diễn trình hấp thụ µ gọi hệ số hấp thụ tuyến tính Hệ số hấp thụ tuyến tính phần cường độ xạ bị suy giảm đơn vị bề dày vật hấp thụ Bề dày vật hấp thụ thường tính theo centimet (cm) µx đơn vị nên µ có đơn vị (cm -1) Khoảng cách 1/µ gọi quãng đường tự trung bình xạ để tính toán độ xuyên sâu độ xuyên sâu thường biểu diễn theo chiều dài hồi phục x = 1/µ ; µx = gọi chiều dài hồi phục Giá trị µ = Kλ3Z3 µ phụ thuộc vào bước sóng xạ sơ cấp xạ mềm hay xạ có lượng thấp có hệ số hấp thụ lớn µ phụ thuộc vào nguyên tử số (Z) chất hấp thụ tăng lên theo nguyên tử số (Z) Do vật liệu có nguyên tử số (Z) cao hấp thụ xạ tia X tia gamma nhiều so với chất có nguyên tử số (Z) thấp Trong phương trình µ K số phụ thuộc vào mật độ vật lý chất hấp thụ (a) I0 (b) I = I0.e-µx lg (100.I/I0) I, Cường độ xạ Như trình bày hấp thụ xạ vật chất tổng hợp hiệu ứng trình tương tác khác xạ với nguyên tử chất hấp thụ Những trình tương tác là: Sự hấp thụ quang điện, tán xạ Compton tạo cặp Do hệ số suy giảm toàn phần tổng hệ số suy giảm tạo hấp thụ quang điện (ι), tán xạ Compton (σ) tạo cặp (k) Nếu ta vẽ đồ thị hệ số suy giảm theo lượng xạ nhận đồ thị biểu diễn hình 2.15 2.16 Trong hình 2.15 biểu diễn đường cong số hạng khác µ chì hình 2.16 biểu diễn thay đổi µ nhôm, chì sắt Phương trình biểu diễn hấp thụ biểu diễn đồ thị hình 2.14 mà hình 2.14a biểu diễn theo thang đo tuyến tính hình 2.14b biểu diễn theo thang semilog đường thẳng độ dốc cho ta hệ số suy giảm Lg(100) = – 0.434µx Hình 2.14 x, Đường suy thụ giảm (a) tuyến Bề dàycong chất hấp (x)theo thang x, Bềtính dày(b) chấttheo hấp thang thụ logarit (x) PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 78 CHƯƠNG µ, ι, K σ hệ số suy giảm (cm-1) TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Pb ι µ Hệ số hấp thụ tuyến tính tổng µ σ Hệ số tán xạ Compton Hình 2.15 Hệ số suy giảm thành phần chúng phụ thuộc vào lượng xạ K Hệ số tạo cặp σ Những phương trình đồ thị liên quan đến dạng xạ tia X tia K gamma đơn Nếu chùm xạ có phổ lượng chứa nhiều vạch phổ Hệ số lượng hấp thụbức quang (đồng vị phóng xạ) phổ liên tục (bức xạ hãm) mỗiι xạ điện áp dụng hệ số suy giảm khác 0nhau Đối với xạ có phổ lượng phức tạp ta áp dụng hệ số 0.1 mà thay suy giảm tương đương đổi theo10bề dày của100 chất làm suy giảm xạ Quá trình Năng lượng xạ (MeV) minh họa hình 2.17 Trong đồ thị hệ số suy giảm chùm xạ cho trước gồm có hai lượng khác hệ số suy giảm tương ứng µ1 = 0.7cm-1 µ2 = 3.5cm-1 Các đường cong suy giảm cho xạ đơn đường thẳng, ngược lại đường cong tổng hợp đường cong đường thẳng Hệ số suy giảm tương đương nhận từ độ dốc đường cong suy giảm Như ta thấy đường cong suy giảm chùm xạ có phổ lượng phức tạp tiến đến dạng đường thẳng tăng bề dày vật liệu làm giảm lên Điều cho tất loại xạ có phổ lượng phức tạp (bức xạ tia X tia gamma) Điều thực tế thành phần xạ có lượng thấp (hệ số suy giảm lớn hơn) có khả bị hấp thụ nhiều đặc biệt có xạ có lượng cao xuyên qua lớp chất hấp thụ dày Những giá trị hệ số hấp thụ tuyến tính số vật liệu quan tâm cho bảng 2.1 PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 79 CHƯƠNG Hệ số hấp thụ tuyến tính tổng (µcm-1) TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II µ Hình 2.16 Sự biến thiên hệ số hấp suy giảm µ, Al, Pb Fe với lượng xạ 11 0.8 0.6 Al 0.4 Pb µ = 0.7cm-1 Fe µ = µ1 + µ2 100 1µ = 3.5cm-1 10 Năng lượng xạ (MeV) 00.2 0.1 0.1 0.08 0.06 0.05 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Bề dày cm 1.8 2.0 2.2 Hình 2.17 Hệ số suy giảm chùm xạ có hai dải lượng khác Đôi khi, ta dùng µm = µ/ρ để thay cho µ ρ mật độ vật liệu hấp thụ (che chắn), µm gọi hệ số hấp thụ khối có đơn vị cm 2/g Trong hầu hết tài tiệu, giá trị trình bày theo µm sử dụng giá trị từ tài liệu cho phương trình I = I × e-µ.x µ tính cách lấy µm nhân với ρ vật liệu tương ứng 2.3.2.1 Hệ số tích lũy : Phương trình hấp thụ đơn giản dựa giả thiết xạ tán xạ bị loại bỏ hoàn toàn khỏi chùm tia Tuy nhiên, thực tế không hoàn toàn đặc biệt trường hợp vật liệu dày Đối với vật liệu che chắn mỏng phương trình có giá trị xác suất để xạ tán xạ đến điểm quan sát (hoặc detector) sau lần va chạm nhỏ Ngược lại, vật liệu dày số xạ tán xạ cuối phát với xạ không bị làm yếu Khi xảy điều cường độ xạ đo sau xạ qua vật liệu che chắn cao đáng kể so với cường độ xạ tính toán PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 80 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II cách sử dụng phương trình hấp thụ đơn giản Hiện tượng gọi tượng tích luỹ xạ chuổi trình tán xạ Vì vậy, thực tế phương trình hấp thụ thay đổi cách đưa thêm vào đại lượng khác gọi hệ số tích luỹ mà hệ số hàm theo vật liệu che chắn, bề dày (x) lượng xạ Phương trình hấp thụ trở thành : I = I0.B.e-µ.x Trong : B hệ số tích luỹ Như hệ số tích luỹ B định nghĩa tỷ số thông lượng xạ thực tế thông lượng xạ tính toán cách sử dụng hệ số chùm tia hẹp Nghĩa B = (thông lượng xạ thực/thông lượng xạ tính toán) = I/I0.e-µ.x Khi đưa hệ số tích luỹ vào phương trình hấp thụ ta nhận thấy liều chiếu thực tế lớn đáng kể so với liều chiếu tính toán sử dụng định luật hàm số mũ đơn giản Điều có tầm quan trọng đáng kể việc tính toán độ nhạy cho việc chụp ảnh xạ Theo định nghĩa cường độ xạ phát trực tiếp thành phần cường độ xạ đến phim theo đường thẳng từ nguồn đến phim Do đó, xạ tạo hình ảnh khuyết tật nằm bên mẫu vật lên phim Bức xạ tán xạ thành phần xạ đến điểm phim theo hướng khác với hướng truyền chùm tia xạ trực tiếp (hướng truyền chùm tia xạ theo đường thẳng từ nguồn đến phim) Do đó, xạ tán xạ tạo hình ảnh khuyết tật vị trí xác phim xạ tán xạ đến điểm phim tập trung bao phủ góc rộng nên tác động xạ tán xạ làm cho toàn hình ảnh ghi nhận phim bị mờ Cho nên, xạ tán xạ chức tạo ảnh tác động xạ tán xạ làm giảm độ tương phản ảnh chụp xạ phim Như tỷ lệ xạ (không tạo ảnh/tạo ảnh) đến phim đại lượng hữu dụng điều chỉnh giảm cường độ xạ phát cho độ nhạy bề dày tốt 2.3.3 Bề dày làm yếu nửa Chất lượng xạ đặc trưng bề dày nửa hay gọi bề dày làm yếu nửa (HVL) Bề dày làm yếu nửa (HVL) định nghĩa bề dày vật liệu cho trước mà làm cho cường độ chùm xạ phát qua giảm xuống nửa (năng lượng xạ biết trước) Thay I = I 0/2 vào phương trình hấp thụ ta HVL = 0.693/µ Còn chụp ảnh xạ bề dày làm yếu nửa định nghĩa bề dày mẫu vật kiểm tra mà xạ qua bị suy giảm tạo ảnh chụp xạ phim có độ đen với độ đen ảnh chụp xạ phim mà tạo chùm xạ không làm giảm sử dụng nửa liều chiếu (chỉ chiếu nửa thời gian) so với liều chiếu (thời gian chiếu) sử dụng để chụp ảnh mẫu vật Trong việc che chắn bảo vệ chống xạ bề dày làm yếu nửa (HVL) bề dày vật liệu che chắn cần thiết để làm giảm liều chiếu xạ xuống hai lần Đôi sử dụng một thuật ngữ bề dày làm yếu phần mười (TVL) bề dày làm yếu phần mười (TVL) định nghĩa bề dày vật liệu che chắn mà làm giảm cường độ xạ hay liều chiếu xuống mười lần Như vậy, thay I = I 0/10 vào phương trình hấp thụ ta TVL = 2.30/µ Một ý tưởng xạ tán xạ từ vật liệu khác quan tâm chụp ảnh xạ sử dụng chùm xạ sơ cấp có lượng 400KeV lọc làm beryllium có khích thước 1.5mm nhận từ bảng 2.2 PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 81 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II BẢNG 2.2 : BỨC XẠ TÁN XẠ TẠI NĂNG LƯỢNG 400 Kv VÀ SỬ DỤNG BỘ LỌC BẰNG BERYLLIUM DÀY 1,5 mm Vật thể gây tán xạ Điện ước tính tương đương Chì Paraffin Bê tông – Baryt Nhôm Bê tông Thép Sự suy giảm không khí HVL không TVL không khí khí 1.5 4.8 1.6 5.2 1.7 5.6 1.8 5.9 1.8 5.9 2.0 6.5 125 150 175 210 210 225 2.4 QUÁ TRÌNH ION HOÁ Các nguyên tử phân tử thường trung hoà điện Nếu trình mà electron nguyên tử hay phân tử bị tách khỏi khối trung hoà điện điện tích dương giữ lại chúng Những nguyên tử, phân tử hạt nằm bên nguyên tử mang điện tích dương điện tích âm gọi ion Các electron tự không liên kết chặt với nguyên tử mẹ nào, electron tự ion mang điện tích âm hạt tự mang điện tích dương ion dương Bất kỳ tác động mà làm cân điện nguyên tử mà hình thành nên vật chất gọi ion hóa Bức xạ hạt hay xạ điện từ có khả ion hóa Một hạt có vận tốc cao hay xạ điện từ có lượng cao qua vật chất phá vỡ xếp nguyên tử vật chất Ví dụ hạt alpha tương tác với electron qũy đạo nguyên tử làm cho electron chuyển động lệch khỏi qũy đạo Các electron tự thân liên kết với nguyên tử Đầu tiên nguyên tử mang điện tích dương sau nguyên tử mang điện tích âm điện tích gọi ion dương ion âm cặp ion Do trình ion hóa nên số lượng electron qũy đạo bị thay đổi không làm thay đổi hạt nhân Hạt nhân hạt nhân nguyên tử nguyên tố ban đầu Bức xạ gamma xạ tia X xem khối lượng kích thước Chúng di chuyển với vận tốc với vận tốc ánh sáng không gây trình ion hóa trực tiếp qua trình va chạm Khi qua vật chất xạ gamma xạ tia X truyền lượng chúng cho nguyên tử thông qua ba trình ion hóa trình bày phần 2.3 Sự hấp thụ quang điện, trình tán xạ Compton tạo cặp Hình 2.18 mô tả buồng ion hóa mà buồng ion hóa phận quan trọng dùng máy dò xạ (detector) dựa vào tượng ion hóa Khi xạ tương tác với chất khí chất khí bị ion hóa trở thành chất dẫn điện Đây nguyên lý dùng để phát xạ tất máy dò xạ (detector) dựa vào tượng ion hóa Khi xuất trình ion hóa chất khí tùy thuộc vào tác dụng điện trường điện tích tự tập hợp lại sau tập hợp điện tích tự tỷ lệ với cường độ xạ tới Nếu trình ion hóa xảy điện trường ion sinh hạt mang điện điện trường dịch chuyển ion đến điện cực cực trái dấu Một buồng ion hóa chủ yếu buồng chứa đầy khí đặt điện trường nằm hai điện cực mà hai điện cực áp vào hiệu điện PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 82 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Thể tích chứa đầy khí Bức xạ gamma B Electron C Ion dương R Thành buồng Dòng điện mạch Hình 2.18 Buồng ion hoá Các hạt mang điện tập hợp lại điện cực trái dấu chúng thiết lập dòng điện chạy qua mạch mà ta đo Giá trị dòng điện đo tỷ lệ với cường độ xạ tới Có nhiều loại máy phát xạ (detector) khác dựa nguyên lý tượng ion hóa Các buồng ion hóa luôn hoạt động điện thấp Ban đầu có hiệu điện chạy qua buồng ion hóa xạ tạo phóng điện buồng ion hóa xuất dòng điện mạch mà dòng điện phụ thuộc vào cường độ xạ vào buồng Mối quan hệ theo hiệu điện đo sau lúc Quá trình ion hóa đơn vị thể tích không khí tỷ lệ với cường độ xạ bị hấp thụ vào buồng Dựa sở mà ta đưa định nghĩa Roentgen Một Roentgen định nghĩa lượng xạ gây tượng ion hoá đơn vị thể tích không khí khô điều kiện tiêu chuẩn (ở nhiệt độ 0C áp suất 760mmHg) tạo ion mang điện tích 1e.s.u dấu Các máy đo liều bỏ túi dùng để đo liều chiếu xạ loại buồng ion hóa Biên độ xung Số cặp ion tạo trình ion hóa xạ tới phụ thuộc vào điện áp Quá trình biểu diễn hình 2.19 Vùng ống đếm Geiger Vùng ống đếm tỷ lệ Vùng buồng ion hoá a PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT b c Điện áp 83 d e f CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Hình 2.19 Biên độ xung hàm theo điện áp buồng ion hoá chứa khí Đường cong hình 2.19 biểu diễn vùng hoạt động buồng ion hóa khác theo điện áp sử dụng Trong vùng “a” có số cặp ion tái hợp Quá trình ion hóa bị giới hạn mặt phẳng mà tạo cặp ion Biên độ xung tỷ lệ với lượng lượng tử gây trình ion hóa Trong vùng “b”số xung ghi nhận giây không đổi Mỗi ion tập trung điện cực trước xuất trình tái hợp điện đủ cao Điện mà vừa đủ để tập hợp electron gọi điện bão hòa điện lớn điện bão hòa đến giới hạn định biên độ xung điện không phụ thuộc vào hiệu điện Vùng vùng buồng ion hóa Khi ta tiếp tục tăng hiệu điện lên ta vào vùng “c” Bây tốc độ electron tăng lên chúng có đủ lượng để tạo thêm electron cách ion hóa nguyên tử khí lần (ion hóa thứ cấp) Cả biên độ xung lẫn số xung điện giây tăng lên đặn ta tăng điện Đối với hiệu điện làm việc cho trước biên độ xung tỷ lệ với số ion tạo trình xạ ion hoá lần với hệ số khuếch đại khí M nghĩa số electron giải phóng trính tương tác (ion hóa) Hệ số khuếch đại khí M biến thiên từ vùng ion hóa đến 10 đỉnh phía vùng tỷ lệ Số ion tạo ban đầu phụ thuộc vào dạng xạ nghĩa phụ thuộc vào độ ion hóa riêng xạ Do đó, ống đếm tỷ lệ ghi nhận riêng biệt loại xạ tới khác Do ống đếm tỷ lệ có dòng ion hóa lớn nên ống đếm tỷ lệ cho tín hiệu xung điện mạnh nhiều mà cần thiết bị khuếch đại bên đơn giản nghĩa cần hệ số khuếch đại mạch mgoài nhỏ Ống đếm tỷ lệ có tốc độ ghi nhận xạ nhanh so với buồng ion hóa nghĩa ống đếm tỷ lệ có tốc độ đếm cao buồng ion hóa Vùng gọi vùng ống đếm tỷ lệ Trong vùng “d” số xung điện tạo giây tăng lên liên tục độ tuyến tính biên độ xung điện hệ số khuếch đại không trì Điều electron tạo ban đầu có đủ lượng để ion hóa nguyên tử khí lần Sự phóng điện có khuynh hướng lan truyền ion khắp ống Vùng “e” vùng ống đến Geiger Do có điện cao nên phóng điện không bị giới hạn vùng thể tích khí nhỏ mà phóng điện truyền toàn thể tích khí điện cực (khắp ống) Đối với điện buồng cho trước biên độ xung điện không đổi nghĩa biên độ xung không phụ thuộc vào số ion tạo trình ion hóa biên độ tuyệt đối xung điện tăng lên liên tục theo điện có tổng số xung điện cho số đo cường độ xạ Xung điện lớn ghi nhận không cần phải khuếch đại cần khuếch đại nhỏ Đoạn thẳng nằm ngang đường cong gọi đoạn Plateau vượt khỏi đoạn Plateau số xung giây tăng lên nhanh ống xảy trình phóng điện liên tục Bên ống đếm G.M electron có khối lượng nhỏ nên chúng tập hợp lại dễ dàng Ngược lại ion dương di chuyển chậm cathode Như vậy, có hai loại ion tồn thể tích hoạt động ống đếm Nếu vận tốc hai ion đủ lớn chúng bứt electron khác khỏi nguyên tử khí (quá trình ion hóa thứ cấp) đến đập vào cathode mà điều làm cho ống xảy trình phóng điện liên tục Xu hướng phóng điện liên tục ống đếm G.M phải ngăn chặn dập tắt Việc dập tắt trình phóng điện liên tục thực theo hai cách sau : (i) Sử dụng mạch điện đặt bên mà sau ghi nhận xung điện hạ thấp điện xuống nhỏ điện ống đếm mà cần thiết ion dương giải phóng electron cathode toàn ion giải phóng khỏi chất khí (ii) Thêm vào buồng chất khí đa nguyên tử thích hợp Ống gọi ống đếm G.M tự tắt Chất khí tắt thường chứa 10/90% hỗn hợp cồn/Argon (nghĩa chất khí tắt hỗn hợp gồm có 10% cồn 90% Argon) áp suất tổng 10cmHg Các chất khí Halogen có tính chất tự tắt Các ion dương ion hóa dương PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 84 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II buồng giảm xuống cách sử dụng phương pháp làm tắt trình hoạt động vỏ bọc ion hóa dương +Ve ống đếm tự tắt khoảng thời gian ống đếm G.M không nhạy với xạ Khoảng thời gian gọi thời gian chết ống đếm Sau khoảng thời gian chết ống đếm phát xung điện bé xung điện bình thường sau phát xung điện lớn trở lại bình thường thời gian tính từ lúc xạ tạo ống đếm xung điện có biên độ bé biên độ xung hồi phục hoàn toàn gọi thời gian phục hồi Giá trị thời gian chết điển hình × 10-4s thời gian phục hồi 2.5 đến × 10-4s Các buồng ion hoá dùng để đo suất liều hấp thụ mRem/h; Rem/h có dải đo từ phần mRem/h đến vài ngàn Rem/h Như vậy, detector, máy kiểm tra xạ, máy đo liều (liều kế) dựa vào nguyên lý hoạt động buồng ion hóa hoạt động pin Chúng gồm có loại xách tay loại không xách tay Chúng dùng máy cảnh báo ngưỡng suất liều cá nhân máy đo liều xạ khu vực từ xa máy kiểm soát xạ trường Các ống đếm G.M nhạy đặc biệt dùng tốt để phát xạ có cường độ thấp, chẳng hạn độ nhiễm bẫn phóng xạ Các ống đếm G.M dùng máy đo suất liều nhằm để thiết kế thiết bị thích hợp Các ống đếm G.M chế tạo theo nhiều dạng có nhiều kích thước khác Các ống đếm G.M có thành mỏng cho phép hạt beta có lượng thấp vào ống Các ống đếm G.M có thành mỏng dùng để phát hạt alpha hạt beta có lượng thấp (khả xuyên thấu thấp) Những ống thường chế tạo với thành có bề dày vừa phải ngoại trừ đầu ống Trong trường hợp có đầu mỏng ống sử dụng đầu dò (detector) Các ống thường gọi ống đếm G.M có cửa sổ đầu Khi áp vào ống đếm G.M điện cao nhiều so với điện áp vào buồng ion hóa số ion tạo trình ion hóa trực tiếp (ion hóa sơ cấp) xạ tới khuếch đại lên để tiếp tục gây trình ion hóa thứ cấp electron tạo trình ion hóa trực tiếp (quá trình ion hóa sơ cấp) lý để giải thích ống đếm G.M nhạy với xạ buồng ion hóa Ống đếm G.M nối với mạch đếm xung điện mà mạch đếm phát đếm đến xạ ion hóa riêng biệt xung điện mà chúng tạo 2.4.1 Liều chiếu xạ : Liều chiếu xạ hay suất liều chiếu thuật ngữ dùng để mô tả tổng cường độ xạ nhận khối chất vị trí Có số yếu tố liên quan đến trình đánh giá liều chiếu Cường độ xạ phát nguồn phóng xạ yếu tố quan trọng cường độ xạ thay đổi theo khoảng cách vật liệu che chắn chúng Yếu tố quan trọng thứ hai thời gian tồn cường độ xạ nói Liều chiếu hay suất liều chiếu định nghĩa theo dạng toán học E = I.t Trong E liều chiếu, I cường độ xạ t thời gian mà khối chất bị chiếu xạ Liều chiếu đo Roentgen Roentgen định nghĩa phần trước để thuận tiện việc giải thích định nghĩa trình bày lại Một Roentgen định nghĩa cường độ xạ mà tạo đơn vị thể tích không khí khô nhiệt độ 00C áp suất 760mmHg điện tích 1e.s.u dấu Roentgen áp dụng cho xạ tia X tia gamma cho môi trường không khí Liều hấp thụ Roentgen (Rad) định nghĩa cường độ xạ tương đương với lượng hấp thụ 100erg/g vật liệu bị chiếu xạ PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 85 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Hệ số hiệu suất sinh học tương đối (RBE) tác động xạ dạng mà gây hủy hoại mô sinh học tương đương với hủy hoại xạ tia X có lượng 250KV RBE = Cường độ xạ tia X có lượng 250KV gây nên hiệu ứng sinh học định Cường độ xạ ( mà có RBE cần thiết) gây nên hiệu ứng sinh học giống với cường độ xạ tia X có lượng 250KV RBE gọi hệ số chất lượng ký hiệu Q.F Hiệu ứng sinh học gây dạng xạ riêng biệt phụ thuộc vào liều hấp thụ mà phụ thuộc vào giá trị RBE xạ Đơn vị dùng để tính liều hấp thụ RBE Rem (Roentgen Equivelent Man) (liều tính Roentgen tương đương người đàn ông) liều tính theo Rem định nghĩa : Liều tính theo Rem = Liều tính theo Rad × RBE Ta cần phải ghi nhớ dạng xạ khác có liều hấp thụ có giá trị liều tính theo Rem lại khác khác giá trị RBE 1Rad xạ alpha 20Rad xạ gamma xạ alpha xạ gamma 20Rem (giá trị RBE xạ alpha 20 giá trị RBE xạ gamma 1) Đơn vị chuẩn quốc tế (SI) cho liều tương đương Sievert (Sv) định nghĩa Rem = 10-2 Sv Những đơn vị nhỏ Sv milli – sievert (mSv) micro – sievert (µSv) Roentgen Giờ Mét (RHM) suất liều chiếu tính theo đơn vị Roentgen/giờ từ nguồn có hoạt độ 1Ci khoảng cách 1m tính từ tâm hiệu dụng nguồn 2.5 NGUYÊN LÝ GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA 2.5.1 Ghi nhận xạ phim Giống ánh sáng nhìn thấy, xạ tia X tia gamma gây thay đổi quang hóa lớp nhũ tương chụp ảnh phim, chúng tạo thay đổi mật độ quang học (độ đen) phim tia X Quá trình làm đen phim phụ thuộc vào số lượng chất lượng xạ đến tương tác với phim Khi xạ đến tương tác với lớp nhũ tương chụp ảnh phim hình thành hình ảnh gọi “ảnh ẩn” Quá trình xảy theo cách sau : Lớp nhũ tương chụp ảnh phim có chứa tinh thể bạc bromua nhỏ li ti Dưới tác động xạ có lượng hν ion âm bromua (Br -) giải phóng bớt electron để trở trạng thái trung hoà Nghĩa : Br- + hν Br + e- Electron giải phóng trung hoà ion dương bạc (Ag +) để trở thành nguyên tử Ag phản ứng Bằng phản ứng : Ag+ + eAg Toàn trình biểu diễn sau : Ag+ + Br- Ag + Br Các nguyên tử bromua trung hòa kết hợp lại với để hình thành nên hạt brom (Br) thoát khỏi tinh thể bạc bromua (AgBr), ngược lại nguyên tử bạc tự lắng xuống Sau xử lý tráng rữa phim “ảnh ẩn” trở nên nhìn thấy PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 86 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Phim sử dụng phổ biến phương pháp phát ghi nhận xạ tia X tia gamma chụp ảnh xạ Phương pháp sử dụng phim để phát ghi nhận xạ tia X tia gamma phương pháp nhạy bên cạnh nhiều phương pháp phát ghi nhận xạ tia X tia gamma khác phương pháp có ưu điểm cho kết ghi nhận lưu giữ lâu dài Những loại phim khác tính chất chúng trình bày chi tiết chương 2.5.2 Ghi nhận xạ chất phát huỳnh quang : Có vài chất cadmium sulphate, barium platinocyanide calcium sulphate phát ánh sáng nhìn thấy ánh sáng tử ngoại chúng bị chiếu xạ xạ tia X tia gamma Nếu trình phát ánh sáng xuất khoảng thời gian chiếu xạ Quá trình gọi trình phát huỳnh quang Quá trình phát huỳnh quang sử dụng soi ảnh huỳnh quang (hình ảnh mẫu vật kiểm tra nhìn thấy huỳnh quang) chụp ảnh xạ mà tăng cường huỳnh quang sử dụng để làm tăng hiệu ứng quang hóa phim mà tạo xạ Các tăng cường kim loại huỳnh quang dùng chụp ảnh xạ sử dụng hiệu ứng nhằm để tăng cường hình ảnh Việc sử dụng tăng cường huỳnh quang trình soi ảnh huỳnh quang chụp ảnh xạ có số ưu điểm giúp làm giảm thời gian kiểm tra làm cho việc kiểm tra chụp ảnh xạ kinh tế Nhìn chung tăng cường muối tăng cường huỳnh quang đặc biệt thích hợp chụp ảnh xạ y học mà có yêu cầu để nhận ảnh chụp xạ thích hợp với liều chiếu sử dụng cho bệnh nhân nhỏ Tuy nhiên, kỹ thuật soi ảnh huỳnh quang định lượng thường không khuyết tật nguy hiểm Chất lượng hình ảnh nhìn chung Các tăng cường huỳnh quang có khuynh hướng bão hòa với cường độ xạ nhỏ mà sau trình phát sáng không thay đổi độ tương phản hình ảnh cải tiến thêm 2.5.3 Ghi nhận xạ đầu dò (detector) điện tử : Tất detector điện tử sử dụng hầu hết detector nhấp nháy mà detector nhấp nháy hoạt động dựa nguyên lý giống nguyên lý ghi nhận huỳnh quang mở rộng theo cách khác Một detector nhấp nháy gồm có tinh thể nhấp nháy ống nhân quang điện Bản tinh thể nhấp nháy chứa nhiều chất nhấp nháy khác nhau, số chất nhấp nháy rhodium làm tăng hoạt tính lithium iodides Bản tinh thể nhấp nháy thường phủ lớp beryllium mỏng bên lớp baryllium lớp mỏng nhôm Baryllium chất chắn ánh sáng cho phép xạ tia X xuyên qua Nhôm có chức chất làm phản xạ ánh sáng Giữa tinh thể nhấp nháy ống nhân quang điện chất silicon, chất silicon có hiệu suất phát sáng nhấp nháy tinh thể nhấp nháy cao Trong ống nhân quang điện xuất dòng quang electron phát từ photocathode ống khuếch đại lên lớn Khi xạ đến tương tác vào tinh thể nhấp nháy (NaI LiI làm tăng hoạt tính chất thallium hay germanium tương ứng), xạ phần hay toàn lượng chúng trình hấp thụ phát ánh sáng nhấp nháy bên tinh thể nhấp nháy (theo tính chất huỳnh quang ánh sáng thường nhìn thấy màn) Cường độ ánh sáng phát hàm theo lượng xạ đến tương tác với tinh thể Ánh sáng truyền đến photocathode (photocathode chất mà phát electron bị ánh sáng nhìn thấy tương tác vào) ống nhân quang điện Ánh sáng làm giải phóng electron khỏi cathode Những electron sau va đập vào dynode thứ ống nhân quang điện Trên dynode có khuếch đại số lượng electron va đập vào cho trình khuếch đại đạt đến 10 Những PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 87 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II electron khuếch đại cuối đập vào anode, từ tạo xung điện khuếch đại qua tiền khuếch đại sau đưa qua phân tích hay phân tách đến đo tốc độ đếm hay mạch đếm PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 88 CHƯƠNG