CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ DÙNG TRONG CHỤP ẢNH BỨC XẠ

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II CHƯƠNG THIẾT BỊ DÙNG TRONG CHỤP ẢNH BỨC XẠ 3.1 THIẾT BỊ PHÁT BỨC XẠ TIA X Để tạo xạ tia X cần phải thoả mãn ba yêu cầu sau: phải có nguồn phát electron (dây tóc đốt nóng), định hướng gia tốc electron (tạo điện áp cao), bia để electron va đập vào (một loại kim loại nặng) Những yêu cầu phải có ống phát xạ tia X, bao gồm ống thủy tinh đặt hai điện cực: cathode anode Cathode có chức nguồn phát electron Đầu tiên electron gia tốc điện áp cao đặt vào cathode anode sau bị hãm đột ngột bia rắn đặt anode Các electron di chuyển với vận tốc cao bị hãm đột ngột tạo xạ tia X Hình 3.1 Biểu diễn sơ đồ ống phát xạ tia X điển hình Bia làm Tungsten Anode làm đồng Vỏ bọc thủy tinh Sợi dây đốt nóng Cathode Dây dẫn điện đến sợi dây đốt nóng Chùm xạ tia X hữu ích Hình 3.1 Một ống phát xạ tia X điển hình 3.1.1 Nguồn phát electron : Khi nung nóng vật liệu thích hợp, số electron vật liệu trở nên linh động bứt khỏi vật liệu electron tự Những electron tự bao quanh vật liệu đám mây electron Trong ống phát xạ tia X nguồn phát electron gọi cathode Cathode bao gồm cuộn dây dẫn (dây đốt nóng/dây tóc.) có chức phát electron Khi áp điện chạy qua sợi dây đốt nóng sinh dòng điện đốt nóng đến dải nhiệt độ phát electron Sợi dây đốt nóng nung nóng với dòng điện AC có cường độ dòng điện nằm khoảng từ đến ampere hiệu điện nằm khoảng từ đến 12 volt Dòng điện ống phát xạ tia X chạy qua cathode anode gần 0.1% dòng điện nung nóng dòng điện chạy sợi dây đốt nóng Dòng điện ống phát xạ tia X đặt đơn vị milliampere đo trực tiếp Dây đốt nóng đặt cốc hội tụ PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 91 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II thường chế tạo sắt nguyên chất nickel Cốc hội tụ có chức thấu kính tĩnh điện điều chỉnh hình dạng chùm electron 3.1.2 Quá trình gia tốc electron: Các electron phát cathode ống phát xạ tia X mang điện tích âm Theo định luật tính chất dòng điện chúng bị đẩy vật mang điện tích âm bị hút vật mang điện tích dương Bằng cách đặt vào anode ống phát xạ tia X điện tích dương cathode điện tích âm, electron tự chạy từ cathode đến anode Cấu tạo ống phóng tia X cho hội tụ dòng electron đến anode, chuẩn trực sau đến đập vào bia Để tạo xạ cần thiết dùng cho chụp ảnh xạ công nghiệp điện dùng để gia tốc electron phải nằm khoảng từ 30KV đến 30MV Các ống phát xạ tia X thường sử dụng điện gia tốc electron lên đến 420KV giá trị điện gia tốc electron lớn sử dụng cho máy gia tốc tuyến tính Năng lượng electron nhận tương đương với dải điện 3.1.3 Bia: Bức xạ tia X phát electron di chuyển với vận tốc cao va đập vào dạng vật chất dạng rắn, lỏng khí Vật liệu dùng để làm bia ống phát xạ tia X cần phải có tính chất cần thiết sau: nguyên tử số cao, điểm nóng chảy cao, độ dẫn nhiệt cao Nguyên tử số cao suất chuyển đổi lượng electron thành xạ tia X tốt Điểm nóng chảy cao cho phép dòng điện chạy qua ống cao cho tiêu điểm phát xạ có kích thước định nhờ cho hiệu suất phát xạ tia X lớn (chẳng hạn cường độ xạ) Độ dẫn nhiệt cao làm giảm lượng bốc kim loại làm bia, làm tăng tuổi thọ ống phát xạ tia X Tungsten kim loại có tất tính chất vật liệu làm bia ống phát xạ tia X thường chế tạo tungsten Bia gắn với cốc làm đồng có chức anode Việc giải nhiệt phát va đập electron vấn đề cần xem xét việc thiết kế ống phát xạ tia X Quá trình làm nguội cần thiết thực cách làm lưu thông chất lỏng nước dầu chạy qua ống Bia đặt ống thường đúc với lót đồng môi trường chân không trình tiếp xúc nhiệt để giải phóng nhiệt Mối nối đồng tungsten phải tốt Anode thường rỗng phép chất lỏng làm nguội lưu thông tuần hoàn Phần lớn ống phát xạ tia X đại anode đặt vào mũ Cái mũ khối kim loại trùm lên anode có khe hở phép chùm electron đến bia sau thoát khỏi bia mũ nhận nhiệt độ nóng giới hạn xạ tia X phát phía chùm xạ hiệu dụng trình hấp thụ Phần bia anode mà để chùm electron va đập vào gọi tiêu điểm phát xạ ống phát xạ tia X Để nhận ảnh bóng sắc nét, theo lý thuyết tiêu điểm phát xạ phải có kích thước nhỏ tốt Nhưng thực tế chế tạo tiêu điểm phát xạ có kích thước nhỏ, chẳng hạn × 1mm tuổi thọ ống bị giảm xuống bốc vật liệu làm bia Nếu diện tích tiêu điểm phát xạ mở rộng đến × 1mm, tuổi thọ ống tăng lên khoảng ba lần, không cho độ sắc nét ảnh bóng Để làm điều cách lý tưởng, bia thường đặt nghiêng với góc 71 so với hướng truyền chùm electron Kết làm giảm kích thước hiệu dụng tiêu điểm phát xạ mà không cần làm giảm kích thước thực tế tiêu điểm phát xạ Tiêu điểm phát xạ làm giảm xuống gọi tiêu điểm quang học PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 92 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II 710 Chùm electron Hình 3.2 Kích thước tiêu điểm phát xạ hiệu dụng so với tiêu điểm phát xạ thực tế Nếu kích thước thực tế tiêu điểm phát xạ 3mm × 1mm với góc nghiêng 710, hình 3.2 kích thước hiệu dụng tiêu điểm phát xạ : × Cos710 × 1mm = 0.98 × 1mm ≈ 1mm × 1mm Do hầu hết ống phát xạ tia X dùng công nghiệp có bia thường đặt nghiêng Các ống thiết kế với bia xoay chế tạo Các bia xoay làm cho tuổi thọ ống phát xạ tia X dài hơn, ống phát xạ tia X không sử dụng chụp ảnh xạ công nghiệp có dòng điện chạy qua ống thấp 3.1.4 Vỏ ống: Vỏ ống gồm có vỏ làm thủy tinh có gắn hai điện cực: cathode anode Phần dây đốt nóng cathode có chức nguồn electron tự anode bia mà có dòng electron va đập vào Vỏ ống chế tạo thủy tinh loại borosilicate có điểm nóng chảy cao nhiệt phát anode nóng Vỏ ống phải đủ bền để chịu áp lực chân không bên cao Bên vỏ ống đặt áp suất chân không 10 mmHg Trong ống phát xạ tia X cần có môi trường chân không cao để ngăn cản trình oxy hoá vật liệu làm điện cực, phép sẳn sàng truyền chùm electron không gây trình ion hoá không khí ống để cách điện điện cực 3.1.5 Đầu chiếu: Toàn ống phát xạ tia X đặt vỏ bọc kim loại lót với lớp chì đủ để giới hạn chùm xạ đến cổng phát Đầu chiếu thường chứa ống phát xạ tia X, biến đổi cao biến cho sợi dây đốt nóng cách điện dầu khí Ngoài ra, vỏ kim loại nối đất để loại trừ khả gây nguy hiểm dòng điện việc sử dụng điện cao 3.1.6 Cửa sổ ống: Chùm xạ tia X phát từ ống qua cổng cửa sổ Góc khối chùm xạ hình nón thường 400 – 500 Cửa sổ thường chế tạo vật liệu hấp thụ xạ thấp kim loại nhẹ có nguyên tử số thấp (chẳng hạn beryllium) Ngay bên cửa sổ PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 93 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II vùng chùm tia hiệu dụng chắn, trình mở che chắn cho phép thay đổi kích thước hiệu dụng chùm tia Trong hầu hết nhiều máy phát xạ tia X, lọc làm đồng gắn chặt vào chắn Bộ lọc đồng che chắn phần xạ tia X phát có lượng thấp, để tạo chùm tia hiệu dụng truyền qua mẫu vật kiểm tra có lượng gần đồng 3.1.7 Chu kỳ hoạt động: Chu kỳ hoạt động thường định nghĩa tỷ lệ phần trăm trình thực chiếu chụp tổng thời gian làm việc Ví dụ chu kỳ hoạt động 100% có nghĩa ống phát xạ tia X hoạt động liên tục; chu kỳ hoạt động 50% có nghĩa ta cần phải cho ống phát xạ ngưng hoạt động thời gian thời gian chiếu sau lần chiếu Tuổi thọ trung bình ống phát xạ tia X hoạt động điều kiện bình thường từ vài trăm lên đến ngàn Một yếu tố liên quan đến tuổi thọ ống phát xạ tia X hiệu trình làm nguội Nếu ống hoạt động tải tuổi thọ xem bị làm ngắn lại, tuổi thọ dài ống hoạt động điều kiện bình thường Cũng tuổi thọ ống phát xạ tia X làm tăng lên cách làm nóng trước điều chỉnh trình hoạt động lần bắt đầu cho hoạt động trở lại sau thời gian không dùng đến 3.1.8 Các thiết bị điện mạch điện: H.T R.V Mạch điện Kearsley Hình 3.3 Mạch tự chỉnh lưu PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 94 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II H.T R.V Ống phát xạ tia X Điện ống Cường độ dòng điện Điện khử Quá trình chỉnh lưu nửa chu kỳ - mạch điện dạng sóng Hình 3.4 Mạch điện valve đơn Trong ống phát xạ tia X có thiết bị điện khác bao gồm : (a) (b) (c) (d) Một biến đổi cao để cung cấp cao cần thiết Dụng cụ để điều chỉnh cao áp vào cathode anode (chẳng hạn núm điều chỉnh KV) Dụng cụ để điều chỉnh cường độ dòng điện chạy qua dây đốt nóng (chẳng hạn núm điều chỉnh mA) Hệ thống ngắt tự động để bảo vệ cho thiết bị khỏi hư hỏng nhiệt nóng, điện cao, cường độ dòng điện cao.v.v… Trong máy phát xạ tia X xách tay thường sử dụng mạch tự chỉnh lưu (hình 3.3) Trong mạch xạ tia X phát nửa chu kỳ điện áp Thông thường dòng điện từ anode ống phát xạ tia X đến cathode; nửa chu kỳ âm dòng điện xoay chiều không qua ống mà có nửa chu kỳ dương sử dụng Đối với mạch cường độ dòng điện chạy qua ống phải giữ thấp, anode trở nên nóng phát electron theo hướng ngược lại (tương tác ngược trở lại) gây hư hỏng dây đốt nóng cathode Trong mạch đèn điện tử, hình 3.4 không xảy nguy tương tác ngược ống chịu công suất tải lớn Hình 3.5 biểu diễn sơ đồ mạch cho mạch điện Villard Khi dòng điện chạy theo hướng đường mũi tên có nét đứt, điện tích nạp vào hai tụ điện Khi dòng điện chạy theo hướng ngược lại chạy qua ống phát xạ tia X bổ sung thêm trình phóng điện khỏi tụ điện Một dạng mạch khác dùng cho máy phát xạ tia X mạch Graetz (hình 3.6) Trong hai chu kỳ biến thế, dòng điện chạy qua ống phát xạ tia X có hướng PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 95 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Trong mạch Greinacher (hình 3.7), tụ điện C1 nạp điện nửa chu kỳ (đường mũi tên có nét liền) tụ điện C2 nạp điện nửa chu kỳ khác (đường mũi tên có nét đứt) Ống phát xạ tia X mắc song song với hai tụ điện này, mà thân hai tụ điện mắc nối tiếp với nhau; tạo điện gấp đôi dao động nhỏ V Điện ống Điện biến đổi điện R.V Dòng điện ống C T1 Hình 3.5 Mạch điện đôi Villard dạng sóng + - Hình 3.6 Mạch điện Graetz PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 96 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II + C1 C2 - Hình 3.7 Mạch điện Greinacher 3.1.9 Bảng điều khiển : Ở nơi có mạch điện sử dụng điện cao, phải có bảng điều khiển thay đổi đo điện áp cao cho ống phát xạ tia X dòng điện chạy qua ống Biến số thứ ba mà điều chỉnh liều chiếu Ở dải điện biết trước tổng hiệu suất phát từ thiết bị biết trước tỷ lệ với lượng dòng điện chạy qua ống, tổng số milliampere giây (mA.s) Trong số máy sử dụng dải điện lên đến megavoltage máy linac, buồng đo xạ đặt đầu máy nằm sát với bia mà đo liều tích lũy suất liều tức thời chuyển đổi liều thành liều hấp thụ bề mặt phim, thiết bị thấy thiết bị phát xạ tia X lượng thấp Một phương pháp đo trực tiếp liều hấp thụ xạ tia X tổng cộng mẫu vật phim sử dụng cho giá trị đáng kể Nó tự động bổ sung cho dải cao dao động nhỏ dòng điện chạy qua ống trình chiếu chụp Trong hầu hết loại máy phát xạ tia X cũ có núm điều chỉnh cao thế, cường độ dòng điện milliampere thời gian chiếu thao tác tay để lựa chọn thông số biết Tuy nhiên, máy phát xạ tia X thiết kế núm điều chỉnh điều khiển qua vi xử lý 3.1.10 Số lượng chất lượng xạ tia X: Cường độ Cường độ Phần lớn lượng electron va đập chuyển đổi thành nhiệt Trong ống phát xạ tia 100KV X sử dụng điện thấp có 0.1% lượng chùm electron chuyển đổi thành xạ tia X Các ống phát xạ tia X sử dụng điện 100KV hiệu suất phát xạ tia X tăng lên khoảng 1% Ở 2MV đạt đến 10% 15MV lớn 50% Hiệu suất chuyển đổi phụ thuộc vào vật liệu làm bia, vật liệu làm bia có nguyên tử số cao tungsten 50KV tốt nhất.v.v… 4mA Tóm lại, hiệu suất phát xạ tia X cho công thức E = K.V.Z V điện áp, Z nguyên tử số vật liệu làm bia K số có giá trị 10-7 tungsten Số lượng cường độ xạ tia X tạo phụ thuộc vào số electron va đập vào bia 20KV nghĩa cường độ dòng qua ống theo milliampere 2mAđiện chạy qua ống Cường độ dòng điện chạy điều chỉnh cách điều chỉnh số electron phát sợi dây đốt nóng nghĩa PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT Bước sóng 97 10KV Bước sóng CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II cách điều chỉnh nhiệt phát dòng điện chạy qua dây đốt nóng Khi tăng cường độ dòng điện milliampere làm tăng số electron mà sử dụng để va đập vào bia Điều làm tăng số lượng cường độ xạ tia X (hình 3.8) Khi thay đổi cường độ dòng điện milliampere không làm thay đổi bước sóng xạ tia X phát 100 KV 50 KV 4mA Cường độ Cường độ 20 KV 2mA 10 KV Bước sóng Bước sóng Hình 3.8 Ảnh hưởng mA KV lên hiệu suất phát xạ tia X Chất lượng hay lượng xạ tia X phát phụ thuộc vào lượng chùm electron va đập vào bia Năng lượng electron tương tác điều chỉnh điện gia tốc tính theo đơn vị kilovolt (KV) Khi tăng điện (KV) lên, kết phát xạ tia X mạnh (có khả xuyên sâu hơn) (hình 3.8) 3.1.11 Thiết bị phát xạ tia X đại: Nhiều trình phát triển đổi nhằm hướng tới việc sản xuất nhiều thiết bị phát xạ tia X khác Nhiều loại máy phát xạ tia X phổ biến có sẵn thị trường kết hợp với cách chặt chẽ (a) (b) (c) (d) (e) Làm tăng xạ tia X phát với kích thước tiêu điểm phát xạ nhỏ Có khả phát xạ tia X có lượng thấp cao với việc điều chỉnh lượng xạ tia X phát Thiết bị gọn nhẹ xách tay di chuyển Có khả định hướng bao quát phạm vi rộng xạ tia X phát Thiết bị vận hành dễ dàng an toàn Thiết bị phát xạ tia X sản xuất nhiều hãng khác phân loại sau : i) Thiết bị phát xạ tia X định hướng : Toàn hệ máy xách tay di động có dải điện nằm khoảng từ 100KV đến 400KV có sẵn thị trường Cao áp thay đổi liên tục bậc Góc phát chùm tia thường 400 thị trường có loại ống phát xạ tia X có góc phát chùm tia khác Kích thước hiệu dụng tiêu điểm phát xạ thường thay đổi từ 0.5 PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 98 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II × 0.5 đến × 4mm Dòng điện chạy qua ống nằm dải từ đến 20mA phụ thuộc vào kích thước tiêu điểm phát xạ Thông thường, độ ổn định cao áp cường độ dòng điện tương ứng với 1% 0.5% Các ống phát xạ tia X có hai tiêu điểm phát xạ xuất thị trường mà cho tiêu điểm phát xạ có kích thước nhỏ sử dụng sử dụng cường độ dòng điện chạy qua ống thấp tiêu điểm phát xạ có kích thước sử dụng cường độ dòng điện chạy qua ống cao Hiện thị trường xuất chương trình điều khiển thiết bị phát xạ tia X Điều khiển chương trình thực thẻ chương trình Các thiết bị chiếu chụp tự động sử dụng chung với thiết bị không cần biết bề dày mẫu vật vật liệu ii) Các thiết bị phát xạ tia X toàn phương : Các ống phát xạ tia X toàn phương sử dụng cao áp lên đến 300KV thường có góc phát chùm tia 3600 × 300 Tiêu điểm phát xạ có dạng hình ellip tiêu điểm phát xạ có kích thước hiệu dụng × 1, 4.8 × 1, × 1.5mm.v.v… với cường độ chạy qua ống lên đến 15mA Những ống phát xạ tia X đặc biệt hữu dụng cho chụp ảnh xạ kiểm tra mối hàn vòng ống có đường kính lớn Cũng tạo chùm tia định hướng cách sử dụng vòng chắn thường kèm với ống phát xạ tia X Hiện có loại ống phát xạ tia X toàn phương sử dụng anode Nó tạo góc định hướng chùm tia 900, 1200, 1800 3600 (được định hướng vuông góc với anode) cách sử dụng chắn gắn chặt với ống phát xạ tia X Kích thước tiêu điểm phát chùm xạ có đường kính 5mm có dòng chạy qua ống 6mA iii) Các máy gia tốc tuyến tính dùng chụp ảnh xạ : Để chụp ảnh xạ kiểm tra mẫu vật dày, cần phải có xạ tia X có lượng đến MeV Hiện yêu cầu đáp ứng với khả sử dụng máy gia tốc để chụp ảnh xạ Năng lượng xạ tia X thay đổi cách dễ dàng từ 1MeV đến 2.5MeV thích hợp cho kiểm tra mẫu vật thép có bề dày nằm khoảng từ đến 20cm Tiêu điểm phát xạ có kích thước 2.5 × 2.5mm chụp ảnh mẫu vật thép có bề dày 10cm phút Có thể chụp ảnh xạ góc phát chùm tia 15 0, 300, 450 3600 Dòng điện tạo chùm electron thay đổi từ 0.01 đến 0.25mA (cho liều hấp thụ cực đại 170rad/phút 1m) Các máy gia tốc tuyến tính khác dùng chụp ảnh xạ sản xuất có lượng xạ tia X phát 4MeV 8MeV thích hợp cho việc chụp ảnh xạ kiểm tra mẫu vật thép có bề dày lên đến 38cm Có thể phát xạ tia X nằm góc hình nón 150 400 Đường kính tiêu điểm phát xạ cực đại 2mm Thế hệ sau máy gia tốc tuyến tính cải tiến (Linatron 2000) chọn lựa lượng xạ tia X 5,5MeV, 8MeV 10MeV từ núm điều chỉnh bảng điều khiển Bức xạ tia X phát có lượng 8MeV cho liều hấp thụ 2000 rad phút mét iv) Máy phát xạ tia X có tiêu điểm phát xạ cực nhỏ : Độ nét hình học (độ xác định ảnh chụp xạ phim) bị ảnh hưởng xấu điều kiện chụp ảnh mà không cho phép FSD lớn (khoảng cách từ nguồn đến phim) OFD nhỏ (khoảng cách từ mẫu vật đến phim) Điều khắc phục cách đáng kể cách sử dụng ống phát xạ tia X có tiêu điểm phát chùm xạ nhỏ Hãng Magnaflux sản xuất máy phát xạ tia X có tiêu điểm phát xạ cực nhỏ Ống phát xạ tia X làm ceramic nhẹ nhỏ cho phép tiêu điểm phát xạ có kích thước biến thiên từ PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 99 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II 0.05mm đến 0.5mm Chùm electron làm hội tụ bia tungsten trợ giúp điện cực làm hội tụ Kích thước tiêu điểm phát xạ thay đổi cách làm thay đổi điện dịch điện cực làm hội tụ Máy phát xạ tia X 100KV hoạt động với cường độ dòng điện cực đại 1mA Ống dễ dàng di chuyển qua khe hở có đường kính 10cm Thiết bị sử dụng để kiểm tra mối hàn hàn chùm electron nằm thân máy đặt động phản lực TFE31 v) Các ống phát xạ tia X dạng xung (Flash X-ray): Một chùm electron có cường độ cao tạo trường phát xạ từ cathode kim loại có bán kính nhỏ cách áp vào xung điện cao khoảng thời gian ngắn Chiều dài xung phải đặt vài micro giây xung phát tụ điện, chuyển đổi xung khoảng đánh lửa áp suất cao, với mạch điện có độ tự cảm thấp Xung xạ tia X va đập vào bia phát xung xạ tia X ngắn mạnh Ống máy phát xạ tia X chế tạo cho mục đích hoạt động dải điện 100 – 200KV tạo xung xạ tia X lên đến 1R khoảng cách là1m Thiết bị tạo có trọng lượng nhẹ xách tay ống cho có tuổi thọ 106 xung Nhiều thiết bị phát xạ tia X dạng xung lớn chế tạo cho mục đích đặc biệt nghiên cứu đạn đạo học Có số máy hoạt động đến dải điện megavolt sử dụng ống phát xạ tia X “một lần chụp” Quá trình làm tăng điện thực tụ điện dùng để tích mắc song song với để phóng điện chúng mắc nối tiếp với Khoảng đánh lửa sử dụng để nối từ tụ điện từ mắc song song sang tụ điện mắc nối tiếp Một hai khoảng đánh lửa kích phát tín hiệu điện thấp phần lại nạp tải mức điện xuất tức thời chạy máy phát Các tụ điện, khoảng cách đánh lửa hệ thống nạp điện được lắp vào thùng thép nối đất Thùng thép điều áp để làm tăng khả cách điện điều chỉnh để hạ thấp điện cho khoảng đánh lửa đặt cố định Các số liệu điển hình cho loại máy phát xạ tia X : Phát điện 250 – 600KV, cường độ đỉnh dòng điện 10000A, độ dài xung 20ns, khối lượng 300kg Hệ thống điện cực sử dụng loại cổ điển để phát xạ tia X tức thời có tiêu điểm nhỏ, gồm có anode làm tungsten có dạng hình nón cathode phát xung làm thép không rỉ có dạng hình nhẫn rỗng Các ống thường hoạt động áp suất không khí dư nhỏ 10-6torr vi) Betatron : Nguyên tắc hoạt động máy để gia tốc electron theo quỹ đạo tròn cách sử dụng từ trường biến đổi Các electron gia tốc buồng chân không hình vành khăn hình xuyến mà đặt hai cực nam châm điện mạnh Một dòng điện xoay chiều áp vào cuộn dây đốt nóng nam châm điện xuất từ thông qua giá trị thời gian ngắn electron sinh đột ngột phóng vào ống Khi từ thông tăng lên electron gia tốc định hướng chuyển động theo quỹ đạo tròn Từ trường có hai chức gia tốc electron định hướng electron chuyển động theo quỹ đạo thích hợp electron luôn chuyển động theo quỹ đạo ổn định Hai yếu tố cần cân xứng cho từ trường định hướng quỹ đạo tăng lên đến tốc độ thích hợp Quá trình gia tốc liên tục giữ vững với điều kiện từ thông tăng lên đạt đến đỉnh sóng, điểm electron chuyển động khỏi quỹ đạo, bên bên đường tròn hình xuyến trước va đập vào bia, cho chiều dài quãng đường gia tốc lớn điều kiện chân không yêu cầu theo PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 100 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II gamma sử dụng để kiểm tra loại hợp kim nhẹ thường bị giới hạn độ nhạy Hầu hết khái niệm liên quan đến đồng vị phóng xạ như: chúng gì, chúng tạo nào, hoạt độ phóng xạ, phân rã phóng xạ, chu kỳ bán rã, hoạt độ riêng đồng vị phóng xạ, loại xạ phát ra, trình tương tác trình hấp thụ xạ vật chất tính chất chung loại xạ Những khái niệm trình bày chương Trong chương trình bày loại đồng vị phóng xạ sử dụng chụp ảnh xạ chúng sử dụng 3.2.1 Các nguồn phát xạ gamma: Các đồng vị phóng xạ sử dụng phổ biến liệt kê theo đặc tính chúng nhằm để so sánh Dải bề dày gần vật liệu kiểm tra chụp ảnh xạ, sử dụng loại nguồn phóng xạ cho Mặc dù nguồn phát xạ gamma xuyên qua mẫu vật có bề dày lớn phải cần thời gian chiếu dài 3.2.1.1 Các đồng vị phóng xạ có tự nhiên : Trước xuất loại nguồn phóng xạ chế tạo phương pháp nhân tạo, radium loại nguồn phóng xạ tự nhiên sử dụng phổ biến để chụp ảnh xạ gamma Nó có chu kỳ bán rã dài : 1590 năm có hiệu suất phát xạ tương đối lớn Ngày thay hoàn toàn đồng vị phóng xạ nhân tạo rẽ tiền nhiều việc sử dụng công nghiệp mang ý nghĩa lịch sử Tuy nhiên, nguồn radium chứa khoảng 200 đến 250mg nguyên tố có dạng muối kim loại, hàn kín vỏ bọc làm bạch kim Phát xạ ưu tiên có lượng 0.6, 1.12 1.76MeV có khả chụp ảnh xạ tương đương với máy tia X hoạt động dải điện 1000 – 2000KV Chu kỳ bán rã 1590 năm nguồn sử dụng để chụp ảnh xạ cho mẫu vật thép dày từ đến 15cm Một Curie nguồn phát liều chiếu 0.83 roentgen mét 3.2.1.2 Các nguồn đồng vị tạo phương pháp nhân tạo : Các đồng vị phóng xạ sử dụng chụp ảnh xạ đồng vị phóng xạ tạo phương pháp nhân tạo Một số đồng vị phóng xạ tạo cách dùng neutron lò phản ứng hạt nhân kích hoạt vào Hầu hết nguồn phóng xạ gamma tạo theo phản ứng (n,γ) Phản ứng (n,γ) chủ yếu phản ứng neutron nhiệt Hạt nhân nguyên tố bị kích hoạt bắt neutron chất tạo đồng vị phóng xạ nguyên tố ban đầu Ví dụ : 27 Co59 + 0n1 → 27Co60 + γ Iridium – 192, Thulium – 170 Ytterbium – 169 tạo theo phương pháp Hoạt độ riêng đồng vị phóng xạ tạo phương pháp kích hoạt neutron tính theo công thức: ( 0.6 × Φ × σ × − e −0.693 t / T1 / a= 3.7 × 1010 × A Trong đó: a Φ ) hoạt độ riêng (Ci/g) thông lượng neutron lò phản ứng (n/cm2) PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 103 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM  A t T1/2 TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II tiết diện kích hoạt (barn) (1barn = 10-24cm2) số khối nguyên tố bị chiếu xạ thời gian chiếu xạ chu kỳ bán rã Caesium – 137 chiết tách từ sản phẩm phân hạch nhiên liệu uranium lò phản ứng hạt nhân Những đồng vị phóng xạ trình bày chi tiết 3.2.1.2.1 Cobalt – 60: Cobalt kim loại cứng có mật độ 8.9g/cm3 xuất tự nhiên đồng vị bền Cobalt – 59 Bằng phản ứng (n,γ) cobalt – 59 kích hoạt thành cobalt – 60 có trình phân rã cách phát hạt β có lượng 1.33MeV, theo sau phát hai xạ gamma theo thứ tự có lượng 1.17MeV 1.33MeV Chu kỳ bán rã cobalt – 60 5.3 năm suất liều phát 1.3RHM/Ci Cobalt có tiết diện bắt neutron lượng thấp cao đặc trưng hấp thụ neutron thường chế tạo dạng viên nhỏ dạng đĩa mỏng theo nguồn phóng xạ đơn lớn Sau kích hoạt nguồn dạng viên đĩa chúng sản xuất thành nguồn phóng xạ có hoạt độ cần thiết dùng nickel để làm vỏ bọc Do nguồn cobalt – 60 phát xạ có lượng cao nên cần phản quan tâm đến vấn đề che chắn an toàn hợp lý Một container (buồng chứa) thích hợp cho nguồn có hoạt độ 30Ci thường có khối lượng nhỏ 150kg Một vài nguồn cobalt –60 có hoạt độ từ 1000 – 3000Ci dùng máy phát xạ cố định; sử dụng thay cho máy gia tốc linac betatron để chụp ảnh xạ mẫu vật thép có bề dày lớn, từ 100 – 200mm Dĩ nhiên, chúng rẽ thiết bị phát xạ tia X có điện đến MV nhiều, suất liều phát xạ chúng nhỏ nhiều cần thời gian chiếu dài Vì cần xem xét hiệu ứng tự hấp thụ xạ chế tạo nguồn có cường độ cao 3.2.1.2.2 Iridium – 192 : Iridium kim loại cứng thuộc dòng họ platinum; có mật độ 22.4g/cm 3, tồn tự nhiên hai dạng đồng vị Iridium – 191 (38%) Iridium – 193 (62%) Kích hoạt Iridium tự nhiên lò phản ứng hạt nhân thực theo phản ứng (n,γ) tạo hai đồng vị phóng xạ tương ứng Ir - 192 có chu kỳ bán rã 74.4 ngày Ir - 194 có chu kỳ bán rã 19 Người ta thường để nguồn sau kích hoạt vài ngày trước tiến hành đo đạc để loại bỏ hầu hết thành phần Ir - 194 có thời gian sống ngắn Ir - 192 phân rã chủ yều việc phát β để trở thành Platinum-192, có trình phân rã thứ cấp bắt điện tử để trở thành Osmium-192 (Os - 192) Cả hai sản phẩm trạng thái bền Phổ lượng γ phát phức tạp, chứa 24 vạch phổ với số vạch chiếm ưu 0.13; 0.29; 0.58; 0.6 0.61 MeV Về phương diện chụp ảnh xạ, Ir - 192 cạnh tranh với máy phát tia X điện 500 KV Nguồn Iridium – 192 có hoạt độ curie, cho suất liều phát đạt tới 0.5 R/h khoảng cách mét Nguồn Ir192 sử dụng để kiểm tra mẫu vật thép có dải bề dày khoảng 100mm Nguồn thường đặt vỏ bọc làm hợp kim nhôm có kích thước khác thay đổi từ 0.5×0.5 mm đến 6×6 mm Nguồn Ir - 192 sử dụng chụp ảnh xạ công nghiệp có hoạt độ từ 500mCi đến 50 Ci, có nguồn có cường độ lớn lên đến 100 Ci nguồn 60 Ci chế tạo với kích thước nhỏ đến × mm 3.2.1.2.3 Caesium-137 : PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 104 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Caesium - 137 sản phẩm phân hạch chứa nhiều nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân chiết dạng sulphate cloride phương pháp kết tủa hóa học Muối phóng xạ nén tới mật độ 3.5g/cm hoạt độ riêng bị giới hạn nhiều có mặt đồng vị caesium khác nguồn Do caesium chloride dạng bột hòa tan nên phải sử dụng phương pháp bọc kép đặc biệt Cs - 137 phân rã cách phát xạ β để trở thành trạng thái đồng phân Ba 137 (β có lượng 0.52 MeV chiếm 92%; β có lượng 1.17 MeV chiếm 8%) phát xạ γ có lượng 0.662 MeV Chu kỳ bán rã nguồn caesium 30 năm suất liều phát đạt đến 0.33 RHM/Ci Cs - 137 sử dụng chủ yếu để chụp ảnh xa mẫu vật thép từ 40 đến 100mm Cùng kích thước vật lý, lại suất liều phát Ir - 192 giá thành đắt bù lại có chu kỳ bán rã dài nhiều, quan tâm từ người sử dụng không thuờng xuyên sử dụng liên tục 3.2.1.2.4 Thulium – 170: Đồng vị đưa vào sử dụng vào năm 1953, cần nguồn đồng vị phóng xạ phát xạ gamma có lượng thấp thích hợp cho việc chụp ảnh xạ mẫu vật mỏng thép loại hợp kim nhẹ Thulium – 170 có chu kỳ bán rã 127 ngày Thulium nguyên tố đất kim loại khó chế tạo, thường sử dụng dạng thulium oxide bột có mật độ khoảng 4g/cm3 nung kết thành dạng viên có mật độ 7g/cm Đồng vị thulium – 169 tồn tự nhiên bắt neutron nhiệt để chuyển đổi thành thulium – 170 Quá trình phân rã cách phát xạ β có lượng 0.968 Mev 0.884MeV Hạt nhân từ trạng thái kích thích trở trạng thái bền vững cách phát xạ gamma có lượng 0.084MeV trình biến hoán (biến đổi nội tại); có 3.1% trình phân rã dẫn đến phát xạ gamma Từ trình biến hoán (biến đổi nội tại) phát xạ gamma có lượng 0.052MeV từ 5% trình phân rã Chỉ khoảng 8% tổng số hiệu suất phân rã xạ hiệu dụng đến điểm ảnh chụp xạ phim Thulium – 170 phát xạ gamma có lượng 0.84MeV so sánh với xạ tia X phát từ máy phát tia X 120KV Nguồn thulium –170 cho suất liều phát có giá trị 0.0045 RMH/1Ci Nguồn sử dụng để chụp ảnh xạ kiểm tra mẫu vật nhôm có bề dày từ 0.2 đến 1.2cm mẫu vật thép có bề dày lên đến 0.5cm Nguồn sử dụng thường có dạng viên nhỏ, kích thước × 3mm × 3mm, bọc vỏ hợp kim nhôm 3.2.1.2.5 Ytterbium – 169 : Nguồn sử dụng năm gần Ytterbium tạo kích hoạt neutron vào hỗn hợp vài đồng vị bền lò phản ứng hạt nhân Yb –168 kích hoạt thành Yb-169 Nhiều đồng vị Yb-174 bền kích hoạt thành Yb-175 Sau phát lượng thấp chu kỳ bán rã 4.2 ngày Trong Yb-169 có chu kỳ bán rã 31ngày Do đó, nguồn kích hoạt nguồn có hỗn hợp hai đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khác nhau, có phổ phát xạ khác tỷ lệ tương đối hai đồng vị phóng xạ biến đổi nhanh theo thời gian Sau khoảng thời gian tương đối ngắn đồng vị phóng xạ Yb-175 bị phân rã hết nguồn lại chủ yếu Yb – 169 Ytterbium-169 có phổ gamma chứa vài vạch phổ, chủ yếu xạ gamma có lượng : 0.063, 0.198, 0.177 0.109MeV Liều phát xạ nguồn 0.125RMH/Ci khoảng cách 1m Gần nguồn chế tạo từ 24% ytterbium tự nhiên làm giàu để tăng tỷ lệ Yb – 169 lên nguồn kích hoạt, làm tăng hoạt độ phóng xạ kích thước vật lý cho trước Đối PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 105 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II với trình làm giàu, nguồn kích hoạt để có hoạt độ – 3Ci kích thước tương đương 0.6 × 0.6mm hoạt độ 100 đến 500mCi có kích thước 0.3 × 0.3mm theo dạng viên nhỏ Ytterbium kim loại hiếm, trình làm giàu khó nguồn tương đối đắt tiền Vấn đề nguồn Ytterbium việc ứng dụng cung cấp Các thí nghiệm đo độ nhạy ảnh chụp xạ chứng tỏ đạt tới độ nhạy mong muốn độ tương phản ảnh chụp xạ thực với nguồn Yb – 169 gần tương đương với ảnh chụp từ nguồn tia X lọc 250 350kV, phụ thuộc vào bề dày mẫu vật BẢNG 3.2 ĐẶC TRƯNG CÁC NGUỒN ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ SỬ DỤNG CHỤP ẢNH BỨC XẠ TRONG CÔNG NGHIỆP Đồng vị phóng xạ Chu kỳ bán rã Dạng hoá học Co – 60 5.3 năm Kim loại Ir – 192 74 ngày Kim loại Cs – 137 30 năm Cs - Ce 0.66 Th – 170 127 ngày Kim loại Tm2O3 0.87 0.052 Mật độ (g/cm3) Năng lượng xạ gamma phát (MeV) 8.9 1.17 1.33 3.5 Tiết diện kích hoạt (barn) Hoạt độ riêng (Ci/g) 36 1100 22.4 0.31 0.47 0.64 370 10000 Hoạt độ riêng thực tế (Ci/g) 300 RHM/Ci Dải bề dày thép kiểm tra tối ưu (mm) Hoạt độ nguồn chụp ảnh xạ thực tế (Ci) Đường kính gần nguồn phóng xạ (mm) Khối lượng che chắn (Kg) Lớp bề dày hấp thụ nửa chì (mm) Yb – 169 30 ngày YbO3 25 130 6300 450 25 1500 1.33 50 – 150 100 0.5 10 – 70 0.37 20 – 100 0.0025 2.5 – 12 5500 Phụ thuộc vào trình làm giàu đồng vị Yb - 168 2.5 – 3.5Ci kích thước × 1mm 0.125 – 12 50 75 50 2.5 – 3.5 3 100 13 20 2.8 50 8.4 - 0.88 0.17 – 0.2 3.2.2 Đầu bọc nguồn đồng vị phóng xạ: Nguồn phóng xạ dùng chụp ảnh xạ nhỏ thường bọc lớp vỏ kim loại bảo vệ kín Hình 3.9 biểu diễn nguồn điển hình Hầu hết đồng vị sử dụng chụp ảnh xạ có dạng hình trụ vuông với đường kính chiều cao gần Dạng nguồn cho phép sử dụng bề mặt làm tiêu điểm phát xạ, tất bề mặt hướng đến mẫu vật có diện tích gần PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 106 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Vỏ bọc bên Tấm nêm Nguồn phóng xạ dạng viên Vỏ bọc bên Mối hàn Hình 3.9 Mô hình cấu trúc bên nguồn chụp ảnh xạ điển hình Đường kính nguồn hình trụ khác thay đổi khoảng từ 0.5 đến 20mm chiều dài chúng thay đổi khoảng từ 0.5 đến 8mm Đôi nguồn chế tạo theo dạng hình cầu Đường kính phần có phóng xạ nằm khoảng đến 20mm Các nguồn cung cấp kèm theo thẻ (nhãn) Các nguồn Cs 137 có hoạt độ lên đến 3Ci chứa đồng vị phóng xạ giống hạt thủy tinh caesium Những nguồn lớn chứa viên caesium chlorride nhỏ nén lại Chúng đặt vỏ bao hình trụ trơn vỏ bao có nhãn dạng phẳng 3.2.3 Các đầu chiếu: Các nguồn γ phát xạ lúc, nơi, theo phương, nên không an toàn sử dụng chúng cho công việc chụp ảnh xạ, chúng dạng vỏ bọc Các nguồn đặt container (buồng chứa) thiết kế đặc biệt gọi đầu chiếu xạ gamma máy chiếu xạ gamma Các container (buồng chứa) nói chung thường chế tạo từ kim loại có khả hấp thụ xạ tốt chì, tungsten, uranium nghèo để làm giảm cường độ xạ phát xuống đến mức cho phép Việc thiết kế container cần có bề dày phù hợp để bảo đảm an toàn nguồn không sử dụng tạo chùm xạ mong muốn cần thiết Các đầu chiếu xạ gamma có sẵn thị trường theo vài dạng thiết kế thích hợp với nhiều ứng dụng khác Ta lựa chọn nhiều thiết bị khác thích hợp cho yêu cầu ta Những điểm lưu ý thiết kế container (buồng chứa) nguồn chiếu là: i) Thuận tiện cho việc sạc thay đổi vỏ bọc nguồn cách dễ dàng nhanh chóng ii) Container (buồng chứa) phải bền chắc: Nếu bất ngờ lớp bảo vệ bị hư hỏng container (buồng chứa) mở đóng lại nên vấn đề lưu giữ với nguồn lớn trở nên nguy hiểm Quá trình tác động chất bẩn ẩm lên máy chiếu cần phải xem xét trước tiên iii) Việc thiết kế an toàn bị hỏng hóc quan trọng; nghĩa chi tiết bị hư hỏng, bị rớt trình chiếu nguồn trở lại vị trí an toàn iv) Cần phải có báo rõ ràng vị trí xác nguồn PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 107 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II v) Trừ container (buồng chứa) đặt giá đỡ vĩnh cửu, kích thước khối lượng yếu tố quan trọng vi) Các container (buồng chứa) phải thiết kế cho điều chỉnh hướng phát chùm xạ; cần phải có thiết bị dự phòng để thực trình chiếu chụp toàn phương vii) Bức xạ tán xạ, xạ gamma vấn đề gây ảnh hưởng so với xạ tia X, cần phải giữ mức thấp Do đó, ta cần phải quan tâm để điều chỉnh độ rộng chùm tia cho phù hợp với kích thước mẫu vật phim Dưới trình bày sơ lược vài đầu chiếu máy chiếu xạ gamma sử dụng phổ biến: 3.2.3.1 Thiết bị dạng chốt đóng mở: Hình 3.10 mô tả đầu chiếu đơn giản phù hợp cho việc chiếu chụp định hướng Các thiết bị dạng có hoạt độ tới 2Ci cho nguồn Co - 60 100Ci cho nguồn Ir - 192 Một chốt hình nón bậc đóng mở khỏi thân cần chiếu chụp Ở vị trí mở, chốt giữ cố định để không che khuất chùm xạ Các bậc chốt làm chắn để tránh việc bị sút (tuột) Thiết bị dùng cho việc chiếu chụp toàn phương cách đẩy nguồn khỏi container (buồng chứa) nhờ dẫn hướng có chia độ Chốt vị trí mở Vỏ che chắn Nguồn Dịch chuyển chốt để chiếu chụp Chốt vị trí đóng Thanh giữ nguồn Hình 3.10 Thiết bị chụp ảnh xạ gamma dạng chốt đóng mở PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 108 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II 3.2.3.2 Thiết bị dạng chữ D: Tay điều khiển Vỏ che chắn Cửa sổ có kích thước nhỏ Thanh giữ nguồn che chắn đằng sau Nguồn vị trí che chắn Hình 3.11 Container chiếu chụp dạng trập quay Hình 3.11 mô tả máy chiếu gamma dạng chữ D thích hợp cho việc chụp ảnh xạ kiểm tra ống (hai thành ảnh) Các thiết bị có sẵn thị trường có hoạt độ lên đến 7.5Ci (Ir – 192) 1Ci ( nguồn Cs – 137) Thiết bị kẹp chặt vào ống nhờ sợi dây xích quay đến vị trí mong muốn cần thiết Khi cần phát chùm xạ khối hình trụ giữ nguồn bên quay quanh trục cho nguồn đến phía trước cửa sổ nhỏ nằm bên container (buồng chứa) che chắn Khi không sử dụng nguồn nằm tâm container (buồng chứa) che chắn 3.2.3.3 Thiết bị có dạng đuốc: Tay nắm tháo rời Nơi cất giữ tay nắm Lò xo nén Bộ gá dạng đuốc che chắn Vỏ che chắn Nguồn vị trí nghỉ Hình 3.12 Container chiếu dạng đuốc Loại thiết bị dùng để kiểm tra mối hàn đường ống, gá lắp thường chế tạo để sử dụng cho công việc kiểm tra khác Đối với trình chụp ảnh xa ống, thiết bị có dạng đuốc lấy từ container (buồng chứa) đặt PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 109 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II vào hộp che chắn gắn tiếp xúc với ống Hộp che chắn thiết bị dạng đuốc bảo vệ nhân viên kiểm tra trình chiếu chụp Dạng thiết bị minh họa hình 3.12 3.2.3.4 Thiết bị chụp ảnh gamma điều khiển từ xa: Thiết bị điều khiển hoạt động từ khoảng cách xa, chúng thích hợp cho loại nguồn có hoạt độ lớn Nguồn phóng xạ đưa container (buồng chứa) đến vị trí chiếu mong muốn theo ống dẫn đưa trở lại trình chiếu chụp hoàn thành Có nhiều loại thiết bị chứa nguồn Ir192 Co60 mạnh có hoạt độ lên đến 500Ci Màn trập quay Điều khiển trập Ống dẫn nguồn (ở vị trí đóng) Đầu nối ống dẫn nguồn Ống dẫn nguồn (ở vị trí mở) Đầu nối cáp điều khiển Thanh giữ nguồn dạng khớp nối linh động che chắn đằng sau Vỏ che chắn Đầu nối ống dẫn nguồn Vỏ che chắn Nguồn nằm vị trí che chắn Hộp chứa nguồn linh động Đầu nối cáp điều khiển Hình 3.13 Nguyên lý máy chụp ảnh xạ gamma điều khiển từ xa Có hai loại thiết bị chụp ảnh xạ gamma sử dụng phổ biến nay: * Loại nguồn dây cáp có khớp nối ly hợp: Gồm có container (buồng chứa) che chắn có khoá an toàn phụ tùng khác.v.v… hệ thống điều khiển từ xa để điều khiển dịch chuyển nguồn nhờ dây cáp có khớp nối ly hợp (hình 3.13) Nguồn đẩy khỏi container tới vị trí chiếu chụp cách sử dụng PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 110 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II tay quay phận thao tác theo hướng kéo nguồn trở lại container (buồng chứa) hoàn thành trình chiếu chụp cách quay tay quay theo hướng ngược lại * Dạng áp lực: Thiết bị gồm có container (buồng chứa) che chắn bảo vệ, hệ thống điều khiển từ xa vận hành khí nén Nguồn đẩy khỏi container (buồng chứa) đến vị trí chụp nhờ lực nén đưa trở lại container nhờ lực hút Các đầu chiếu xạ gamma có thị trường thiết kế theo số đặc trưng quan trọng tóm tắt bảng 3.3 BẢNG 3.3 CÁC THIẾT BỊ CHIẾU BỨC XẠ GAMMA THƯƠNG MẠI Tên thiết bị Đồng vị Hoạt độ (Ci) Vật liệu che chắn Khối luợng (Kg) Tech/Ops Model 660 Ir – 192 100 Uranium nghèo 20 Iriditron (Sperry) Model – 520 Gammat Model TI Ir – 192 100 18.18 Ir – 192 40 Uranium nghèo Uranium kim loại Model TI – F Ir – 192 100 Uranium kim loại 15 Gamma indus Model – 35 Pipeliner Model Ir – 192 35 11.36 Ir – 192 100 Tech/Ops Model 684 Co – 60 10 Uranium nghèo Uranium nghèo Uranium nghèo Model 741 Co – 60 30 Uranium nghèo 136 Model 680 (Sperry) Co – 60 100 Uranium nghèo 184 Unitron Gammat Model – 110 AB Co – 60 10 Chì 272.72 PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 111 12 14.5 102.3 Mức xạ rò rỉ Dưới mức phép cực đại cho IAEA & USNRC 50mR 200mR/h bề mặt 200mR/h bề mặt 50mR/h cách bề mặt 6” 50mR/h cách bề mặt 6” Dưới mức phép cực đại cho IAEA & USNRC Dưới mức phép cực đại cho IAEA & USNRC Thấp 200mR/h bề mặt Thấp 200mR/h CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Model 151, 161 Ir – 192 Co – 60 300 200 Gammat Model TK 10 Co – 60 Model TK 30 Chì 1363.63 10 Uranium nghèo 95 Co – 60 30 Uranium nghèo 120 Model TK 100 Co – 60 100 Uranium nghèo 140 Gamma Indust Gammatron Model 20A Co – 60 20 136.36 Gammatron Model 50A Co – 60 50 Gammatron Model 100A Co – 60 100 Uranium nghèo bọc Polyurethane Uranium nghèo bọc Polyurethane Uranium nghèo bọc Polyurethane bề mặt Thấp 200mR/h bề mặt Thấp 200mR/h bề mặt Thấp 200mR/h bề mặt Thấp 200mR/h bề mặt Thấp 200mR/h bề mặt 152.27 Thấp 200mR/h bề mặt 204.54 Thấp 200mR/h bề mặt 3.2.4 Lựa chọn nguồn phát xạ gamma: Để đánh giá khả sử dụng nguồn phát xạ gamma khác cho công việc đó, số tính chất cần phải xem xét Những dẫn tóm tắt trình bày : 3.2.4.1 Chu kỳ bán rã: Nguồn phải có chu kỳ bán rã đủ dài để thực hoàn tất công việc Tuy nhiên, lựa chọn nguồn có thời gian sống ngắn cần phải xem xét tính chất cần thiết khác hoạt độ xuất xưởng phải cao Ví dụ nguồn Radon có chu kỳ bán rã 3,825 ngày phân rã nhanh nguồn mà có hoạt độ ban đầu khoảng chừng 150mCi có khả sử dụng để chụp ảnh xạ lên đến hai tuần lễ 3.2.4.2 Năng lượng xạ gamma: Năng lượng xạ gamma phát từ nguồn phải đủ lớn để xuyên qua bề dày mẫu kiểm tra Dải bề dày kim loại thông dụng tương ứng với loại nguồn gamma khác có tài liệu kỹ thuật Thực tế thường giới hạn bề dày dải định để giảm thiểu khả làm chất lượng ảnh chụp xạ Năng lượng xạ phát từ nguồn phóng xạ gamma thay đổi được, để có lượng xạ phát khác có cách sử dụng nguồn phóng xạ gamma khác PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 112 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II 3.2.4.3 Kích thước nguồn: Kích thước nguồn cần phải nhỏ để làm giảm bóng mờ (Unsharpness – Ug) ảnh chụp xạ phim đến mức nhỏ nhất, làm tăng chất lượng ảnh chụp xạ Trong kỹ thuật chụp ảnh xạ kiểm tra mối hàn ống, ví dụ nguồn đặt bên ống phim đặt bên ống, ống có đường kính 30cm bề dày thành 1.2cm kiểm tra cách sử dụng nguồn phóng xạ gamma có kích thước 2mm × 2mm đặt tâm ống ống có đường kính 5cm có bề dày thành 0.5cm kiểm tra chụp ảnh xạ cách sử dụng nguồn phóng xạ gamma có kích thước 1mm × 1mm cần phải giữ Ug ảnh chụp xạ giới hạn cho phép (< [Ug]) 3.2.4.4 Hoạt độ riêng cao: Để giữ thời gian chiếu chụp ngắn cần phải có lượng xạ phát thích hợp (nghĩa hoạt độ cao) Để có độ xác định ảnh (image definition) tối ưu nguồn phải có hoạt độ cao ép thành khối nhỏ Hoạt độ riêng nguồn phóng xạ gamma định nghĩa hoạt độ đơn vị khối lượng (Ci/g; Bq/g) 3.2.4.5 Tính thích hợp: Nguồn phải tìm kiếm dễ dàng thị trường, giá rẻ chế tạo dể dàng Cuối cần lưu ý Co-60, Ir-192 chế tạo dễ dàng cách kích hoạt chúng với neutron lò phản ứng hạt nhân Cs-137 không 3.2.5 Ưu điểm nhược điểm việc sử dụng chất đồng vị: a i) ii) iii) iv) v) b i) ii) iii) Ưu điểm: Giá thành thiết bị nguồn rẽ nhiều so với giá thành máy phát xạ tia X có dải lượng tương đương Thiết bị dùng cho chất đồng vị dễ vận chuyển so với thiết bị phát xạ tia X Bản thân vật liệu nguồn đồng vị đủ nhỏ để di chuyển qua khe hở có đường kính nhỏ Thiết bị chắn dễ vận hành bảo quản Bức xạ phát từ số nguồn đồng vị phóng xạ có khả xuyên thấu cao Nhờ đồng vị phóng xạ mà ta có ảnh chụp xạ mẫu vật dày cách thỏa mãn Nhược điểm : Điều điều quan trọng từ quan điểm an toàn xạ tắt Nói chung, ảnh chụp xạ dùng xạ gamma có độ tương phản thấp so với ảnh chụp xạ tia X Khả xuyên sâu phụ thuộc vào nguồn đồng vị phóng xạ sử dụng thay đổi điều chỉnh mà không cần thay đổi nguồn đồng vị phóng xạ Giá thành cao thay nguồn đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn 3.2.6 Kỹ thuật chụp ảnh xạ gamma: PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 113 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Nhiều khía cạnh kỹ thuật chụp ảnh xạ với xạ gamma giống hệt với kỹ thuật chụp ảnh xạ xạ tia X kỹ thuật trình bày chi tiết chương sau Một vấn đề đặc biệt kỹ thuật chụp ảnh xạ gamma ta điều chỉnh lượng xạ gamma theo cách giống điều chỉnh cao ống phát xạ tia X để phù hợp với bề dày mẫu vật kiểm tra Chỉ có phương pháp thay đồi lượng xạ gamma chọn đồng vị phóng xạ khác Ba đồng vị phóng xạ sử dụng phổ biến Ir – 192; Cs – 137; Co – 60 phát xạ gamma có lượng tương đối cao Vì ảnh chụp xạ xạ gamma thường có độ tương phản ảnh chụp xạ tia X mẫu vật Sự khác độ tương phản trở nên thấp bề dày mẫu vật kiểm tra tăng lên Do điều nên kỹ thuật chụp ảnh xạ xạ gamma thực tốt cần phải cố gắng bổ sung vào mát xạ tạo nên độ tương phản cách đảm bảo chắn độ tương phản phim nhận cao tốt Bức xạ gamma thường dùng nhiều để thực chụp ảnh xạ kiểm tra chi tiết trường mà sử dụng máy phát xạ tia X cần phải có điện, nước điều gây rắc rối làm tốn nhiều thời gian cho công việc thao tác Đối với mẫu vật làm thép có bề dày nhỏ 50mm đặc biệt mẫu vật có bề dày nhỏ 25mm, độ nhạy đạt ảnh chụp xạ phim nguồn phát xạ gamma độ nhạy ảnh chụp xạ phim tốt chiếu chụp với xạ tia X mát độ nhạy phải có cân xứng với tiện lợi việc sử dụng xạ gamma Ví dụ để chụp ảnh xạ kiểm tra mối hàn ống sử dụng xạ tia X tia gamma việc chọn lựa nguồn phát xạ thường dựa vào khả tiếp cận áp lực công việc Đối với đường ống chịu áp lực cao việc thực chụp ảnh xạ kiểm tra xạ tia X ưu tiên sử dụng được, đường ống dẫn đặc biệt địa hình phức tạp việc chụp ảnh xạ gamma nhiều chuyên gia chấp nhận Hình 3.4 biểu diễn số ví dụ việc dùng đồng vị phóng xạ để chụp ảnh kiểm tra đường ống Bức xạ gamma sử dụng rộng rãi để kiểm tra cho vật đúc kim loại Đối với loại công việc đạt độ nhạy tốt thực chụp ảnh xạ tia X Một nguồn Co – 60 phát xạ gamma có cường độ trung bình hữu nhỏ nhiều so với máy phát xạ tia X có điện cỡ megavolt để thực kiểm tra chi tiết có bề dày nằm khả thực máy phát xạ tia X nhỏ PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 114 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Phim Phim (a) Nguồn Phim Mối hàn Nguồn (b) Nguồn Mối hàn Nguồn Phim (c) Hình 3.14 Những kỹ thuật chụp ảnh xạ gamma kiểm tra mối hàn ống Dĩ nhiên, thời gian chiếu chụp dài nhiều so với máy phát xạ tia X có điện cỡ megavolt khối lượng công việc nhận nhỏ hơn, công việc bổ sung cách lập kế hoạch chu đáo; nhiều vật đúc có bề dày giống kiểm tra chụp ảnh xạ vật đúc đặt xung quanh hướng vào nguồn phát xạ gamma để chiếu chụp suốt đêm Bằng cách sử dụng vài vật đúc có bề dày xếp thành bậc có số ảnh chụp xạ khoảng trăm nhiều chiếu chụp lúc chiếu chụp suốt đêm; vật đúc đặt phòng khoá chặt cần phải xạ nguy hiểm phát không cần giám sát Do đó, toàn thời gian vào ban ngày dùng để xử lý tráng rửa, giải đoán phim đặt thực chụp loạt vật đúc Ta thực quay mẫu vật vòng quanh theo vòng tròn Thời gian chiếu cần phải điều chỉnh đến vòng quay bảng Các mẫu vật phim thay đổi điểm cố định nằm đằng sau khối che chắn Theo cách tương tự toàn chu vi vòng tròn bồn hình trụ chụp ảnh kiểm tra lần chụp với nguồn phóng xạ đặt đường tâm bồn 3.3 KIỂM TRA VÀ BẢO QUẢN CÁC THIÊT BỊ CHỤP ẢNH BỨC XẠ GAMMA Các thiết bị chụp ảnh xạ có mặt thị trường thường đưa theo bước cho phép vận hành không xảy cố khoảng thời gian dài Tuy nhiên, hư hỏng thay đổi xảy lúc nên thiết bị phát xạ tia X tia gamma cần phải bảo dưỡng kiểm tra thường xuyên PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 115 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II Đối với máy phát xạ tia X phần mà khả dễ xảy hỏng hóc là: việc mát độ chân không ống, thay đổi kích thước tiêu điểm phát xạ, suy giảm hiệu suất phát xạ, hư hỏng cáp đầu nối, hư hỏng núm điều khiển, phận phát xạ tia X hệ thống làm nguội Ngược lại, hầu hết hỏng hóc xuất hệ thống tắt lập tức, ví dụ thay đổi chiều dài tiêu điểm phát xạ thiết lập theo cách gián tiếp Sự trục trặc xấu thường quan tâm hỏng hóc ống xảy thao tác thực sai, trình làm nguội không đủ già hoá Trong trường hợp tải hỏng hóc hệ thống làm nguội anode thường bị phá hủy trước tiên (tấm đặt anode bị bong tróc ra, làm thủng anode), nhiệt độ làm chảy cuộn dây Do việc thay ống đắt tiền (giá thành thay gần 30% giá toàn thiết bị) nên ta cần phải ý xác đến quy trình vận hành ống cho Việc làm cho ống trở nên tải thường tránh cách sử dụng mạch điện làm hạn chế mức điện cao, dòng điện cao nhiệt độ cao, điều kiện làm nguội không thường xuyên đo (chẳng hạn trình tạo bọt diện tích anode) Một cách mà thiết bị hoạt động gây ảnh hưởng lớn đến suy giảm tuổi thọ máy Bộ phận chủ yếu pha khởi động Cụ thể sau thời gian dài không làm việc tốc độ tích tụ điện áp dòng đến mức hoạt động (xem phần hướng dẫn cách vận hành) không vượt mức Các ống phát xạ tia X cần phải chạy thử Lý xảy suy giảm mức chân không sau thời gian độ suy giảm bổ sung từ từ sau ống phát xạ tia X đưa vào hoạt động Nếu sau thời gian ngưng sử dụng, điện cấp cho ống phát xạ tia X đẩy lên nhanh đến mức hoạt động dẫn đến tải bên ống điều gây thay đổi bất thường giá trị mA Do đó, việc kiểm tra quan trọng kiểm tra mức thể tích dầu (trong vỏ bọc ống phát xạ tia X, biến đổi cao thế) nước làm nguội (không phải cần thiết trường hợp thiết bị dạng bể), độ rò rỉ ống làm nguội kiểm tra áp suất khí ống cách ly Một sách hướng dẫn vận hành cần phải thường xuyên mang theo Những hỏng hóc sai lệch chức thường nguyên nhận vô tình Nếu có sai hỏng phần cấp cao bàn điều khiển cần phải kiểm tra không núm điều khiển dây cáp mà cần kiểm tra cầu chì (được lắp bảng điều khiển thường khó nhận – xem hướng dẫn cách vận hành) Nếu có điện vào máy không bật cáp nối vào ống hai đầu cắm (hay xảy ra) Kiểm tra riêng cáp nhanh chóng giải vấn đề dây cáp dẫn cao áp không bẻ cong Yêu cầu nên có cáp dự phòng thích hợp để thay cho cáp nối hay sử dụng Những hỏng hóc phần điều khiển thường thiết bị hay điều chỉnh, cần chuyên gia tới kiểm tra Những thay đổi tiêu điểm phát xạ hiệu suất phát xạ (những thay đổi phổ tán xạ (xem phân bố lượng hiệu suất liều tổng cộng) khó phát Việc xảy cách bất ngờ, nghĩa thông qua trôi cuộn cathode (dồn lại dời ra) hỏng hóc anode Dạng, đường kính lớn tiêu điểm phát xạ điều kiện kiểm tra tương đối đơn giản cách sử dụng máy chiếu có lỗ nhỏ Điều kiến nghị ống phát xạ tia X kiểu cũ (không quên đặc trưng tiêu điểm phát xạ có hiệu ứng trực tiếp đến chất lượng ảnh) Cũng kiểm tra đơn giản cách sử dụng liều kế với đầu dò riêng biệt (dạng ống đếm) đặt đường chùm xạ sơ cấp Nó bị ảnh hưởng phụ thuộc liều kế vào lượng vào phân bố lượng thay đổi theo thời gian dạng phổ nghĩa thông qua tượng tự lọc, dạng mạch thiết kế Cũng PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 116 CHƯƠNG TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II dùng liều kế có khoảng đo rộng hợp lý (ví dụ liều kế dạng đo đến 20R 50R) ; lưu ý điều kiện đo giữ cố định suốt thời gian đo Phân bố lượng kiểm nghiệm cách chụp ảnh mẫu dạng bậc thang đưới điều kiện xác định trước so sánh độ tương phản bậc với bậc khác Điều cần ý sử dụng máy phát tia X làm việc theo chế độ thủy lực, dùng tương đối liên tục giá đở có khuynh hướng bị tụt xuống từ từ Điều dẫn đến thay đổi độ nhòe khoảng thời gian chiếu chụp dài Trong trường hợp thiết bị nguồn phóng xạ gamma, quy trình kiểm tra bảo dưỡng giới hạn chủ yếu vào hệ thống điều khiển từ xa khoá… vào việc đảm bảo an toàn xạ (việc đảm bảo an toàn xạ đề cập thực chụp ảnh xạ kiểm tra xạ tia X) Các dây cáp, ống dẫn nguồn, bề mặt tiếp xúc… cần phải thường xuyên làm bổ sung thêm dầu mỡ vào nơi cần thiết (một số thiết bị cấm cho dầu mỡ vào phận tay quay) Thường kiến nghị nên dùng graphite (hoặc MoS 2) thay dầu mỡ chúng có xu hướng bị lão hoá tác động xạ Một nguyên nhân trục trặc dây cáp ống dẫn nguồn bị bẻ cong mức làm nghẽn đường di chuyển nguồn PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT 117 CHƯƠNG