Nghiên cứu công nghệ soi bằng tia x quang và cải thiện ứng dụng trong công tác phát hiện thuốc nổ

VƢƠNG VĂN HOÀNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI CÔNG NGHỆ THÔNG TIN LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SOI BẰNG TIA X-QUANG VÀ CẢI THIỆN ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TÁC PHÁT HIỆN THUỐC NỔ VƢƠNG VĂN HOÀNG 2016 - 2018 HÀ NỘI - 2018 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SOI BẰNG TIA X-QUANG VÀ CẢI THIỆN ỨNG DỤNG TRONG CƠNG TÁC PHÁT HIỆN THUỐC NỔ VƢƠNG VĂN HỒNG CHUN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: 848.02.018 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ VĂN PHÙNG HÀ NỘI - 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình TÁC GIẢ LUẬN VĂN VƢƠNG VĂN HỒNG iii LỜI CẢM ƠN Qua luận văn này, xin chân thành cảm ơn TS Lê Văn Phùng – Viện Đại học Mở Hà Nội tận tình giúp đỡ, động viên, định hƣớng, hƣớng dẫn tơi nghiên cứu hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn giảng viên Viện Đại học Mở Hà Nội giảng dạy giúp đỡ hai năm học qua, cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình bạn đồng nghiệp Trong trình nghiên cứu mình, đƣợc hƣớng dẫn nhiệt tình đầy trách nhiệm TS Lê Văn Phùng thầy cô giáo Viện Đại học Mở Hà Nội với nỗ lực cá nhân nhƣng tránh đƣợc thiếu sót Tác giả chân thành mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ Quý Thầy, Cô bạn bè đồng nghiệp Trân trọng cảm ơn Vƣơng Văn Hoàng iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU .2 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ soi chiếu 1.2 Các công nghệ soi chiếu phổ biến 1.2.1 Các phƣơng pháp soi chiếu phổ biến 1.2.2 Các phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy - NDT 1.2.3 Kỹ thuật soi chiếu chụp ảnh phóng xạ RT (Radio Graphic Test) 1.2.4 Hệ thống kiểm tra tia X, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp có trợ giúp máy tính (CT) 1.2.5 Nguyên lý kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT 1.2.6 Phân loại phƣơng pháp quét ảnh theo hệ máy CT Scanner 1.2.7 Quá trình tái tạo xử lý ảnh CT 12 1.3 Khả tƣơng tác xạ ion hóa vật chất .14 1.3.1 Hiệu ứng quang điện .14 1.3.2 Hiệu ứng Compton 15 1.3.3 Hiệu ứng tạo cặp photon 17 KẾT LUẬN CHƢƠNG I .18 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU BẰNG TIA X QUANG19 2.1 Những nét chung công nghệ soi chiếu tia X quang 19 2.1.1 Tia X quang .19 2.1.2 Các đặc trƣng công nghệ soi chiếu tia X quang 19 2.1.3 Ƣu công nghệ soi chiếu tia X so với phƣơng tiện khác 21 2.1.4 Một số ứng dụng tia X 26 v 2.2 Công nghệ soi chiếu tán xạ ngƣợc (Backscatter) 27 2.2.1 Khái niệm tán xạ ngƣợc 27 2.2.2 Các kỹ thuật sử dụng công nghệ soi chiếu tán xạ ngƣợc .28 2.3 Máy soi chiếu công nghệ tán xạ ngƣợc 31 2.3.1 Cấu tạo máy soi chiếu tán xạ ngƣợc 32 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý máy soi chiếu tán xạ ngƣợc 36 2.3.3 Các chức phần mềm cài đặt máy soi chiếu tán xạ ngƣợc .37 2.3.4 Mô tả xử lý thông tin máy soi chiếu tán xạ ngƣợc 52 KẾT LUẬN CHƢƠNG II 55 CHƢƠNG 3: CẢI THIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÁN XẠ NGƢỢC ĐỂ PHÁT HIỆN THUỐC NỔ TRONG CÔNG TÁC AN NINH 56 3.1 Công tác kiểm tra an ninh hành lý, ngƣời, địa điểm phƣơng tiện giao thơng 56 3.1.1 Mục đích, u cầu 56 3.1.2 Công tác kiểm tra an ninh địa điểm 56 3.1.3 Công tác kiểm tra an ninh hành lý ngƣời 58 3.1.4 Công tác kiểm tra an ninh phƣơng tiện giao thông 59 3.2 Mục tiêu ứng dụng công nghệ tán xạ ngƣợc để phát thuốc nổ công tác an ninh .60 3.3 Các khả xử lý thông tin thông minh phần mềm máy soi chiếu sử dụng công nghệ tán xạ ngƣợc 61 3.4 Thuận lợi khó khăn việc sử dụng cơng nghệ tia X quang công tác kiểm tra an ninh .61 3.5 Một số giải pháp nâng cao tính phát chất nổ qua phần mềm soi chiếu tia x quang 62 KẾT LUẬN CHƢƠNG III 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .93 PHỤ LỤC 94 Phụ lục I - Lịch sử công nghệ soi chiếu 94 Phụ lục II - Một số ứng dụng tia X .98 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Hệ thống quản lý kiểm tra sở hạ tầng CIIMS Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp có CT Computed Tomography DT Destructive Testing Phƣơng pháp kiểm tra phá hủy ET Eddy Current Testing Phƣơng pháp dòng xốy FAST FIR IATA MT trợ giúp máy tính Future Attribute Screening Cơng nghệ kiểm tra thuộc tính tƣơng lai Technology Bộ lọc thông thấp Finite Impulse Response International Air Transport Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế Association Phƣơng pháp hạt từ Magnetic particle test Magnetic MRI Ảnh cộng hƣởng từ Resonance Imaging Non Destructive Testing Phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy PT Penetrant test Phƣơng pháp thẩm thấu RT Radiographic test Phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ NDT Công nghệ sinh trắc học SEEK UT Ultrasonic test Phƣơng pháp siêu âm VT Visual testing Phƣơng pháp kiểm tra mắt vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng chế độ hình quét 39 Bảng Bảng chế độ hình sƣu tập 41 Bảng Bảng chế độ xem hình ảnh hình review 42 Bảng Bảng chế độ tìm kiếm hình ảnh hình review 43 Bảng Bảng biểu thị Màn hình khơi phục 45 Bảng Bảng biểu thị Màn hình lƣu 46 Bảng Bảng biểu thị Màn hình cài đặt chung 46 Bảng Bảng biểu thị Màn hình cài đặt ngƣời dùng 47 Bảng Bảng biểu thị Màn hình cài đặt sách 48 Bảng 10 Bảng biểu thị Màn hình trạng thái tổng quan 50 Bảng 11 Bảng biểu thị Màn hình trạng thái chi tiết 51 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Hành khách gần nhƣ "trần trụi" vào máy quét Hình Ảnh chụp X-quang tay ngƣời đeo nhẫn .4 Hình Sơ đồ khối hệ thống máy quét CT .8 Hình Máy CT hệ thứ .8 Hình Máy CT hệ thứ hai .9 Hình Máy CT hệ thứ ba .10 Hình Máy CT hệ thứ tƣ .10 Hình Sơ đồ quét Spiral CT (thế hệ máy CT thứ năm) 11 Hình Sự thay đổi dạng chùm tia X .12 Hình 10 Mơ hình hiệu ứng quang điện 15 Hình 11 Mơ hình tán xạ compton 16 Hình 12 Sự phân tách photon .17 Hình 13 Mơ hình hiệu ứng tạo cặp .17 Hình 14 Xác suất tƣơng đối xảy hiệu ứng 17 Hình Các loại sóng điện từ 19 Hình 2 Chụp ảnh X-quang hai bàn tay ngƣời .21 Hình Một số hình ảnh đồ vật soi chiếu đồ vật thực tế 23 Hình Một số hình ảnh đồ vật cơng nghệ soi chiếu tia X 26 Hình Sơ đồ tổng quan công nghệ tán xạ ngƣợc 28 Hình Hình ảnh tán xạ ngƣợc kiểm tra an ninh 28 Hình Hình ảnh cơng nghệ FAST .29 Hình Hình ảnh cơng nghệ sinh trắc học 30 Hình Hình ảnh hệ thống quản lý sở hạ tầng 30 Hình 10 Hình ảnh minh họa mơ hình đào tạo qn mơ .31 Hình 11 Mức độ hiển thị hình ảnh cơng nghệ tán xạ ngƣợc 31 Hình 12 Thiết bị soi chiếu tán xạ ngƣợc cố định 32 ix Hình 13 Thiết bị soi chiếu tán xạ ngƣợc xách tay 32 Hình 14 Thiết bị soi chiếu tán xạ ngƣợc di động 32 Hình 15 Nguồn phát tia X 33 Hình 16 Hình ảnh mặt soi quét 33 Hình 17 Máy quét .34 Hình 18 Máy tính bảng 34 Hình 19 Nguồn máy quét .35 Hình 20 Nguồn máy tính bảng .35 Hình 21 Một số biểu tƣợng cảnh báo thiết bị .36 Hình 22 Cảnh báo trạng thái thiết bị 36 Hình 23 Sơ đồ nguyên lý máy soi chiếu tán xạ ngƣợc 37 Hình 24 Màn hình hiển thị phần mềm 38 Hình 25 Phím chức change password 38 Hình 26 Phím chức logout 38 Hình 27 Phím chức exit .39 Hình 28 Phím chức scan screen 39 Hình 29 Màn hình chức scan .39 Hình 30 Màn hình chức gallery 41 Hình 31 Phím chức review screen .41 Hình 32 Màn hình chức review 42 Hình 33 Màn hình chức tìm kiếm .43 Hình 34 Phím chức delete screen 43 Hình 35 Màn hình chức delete 44 Hình 36 Phím chức restore screen .44 Hình 37 Màn hình chức restore 44 Hình 38 Phím chức backup screen 45 Hình 39 Màn hình chức backup 45 Hình 40 Phím chức settings screen .46 Hình 41 Màn hình chức setting general 46 Hình 42 Màn hình chức setting users 47 x Hình 45 Hình ảnh mẫu 11 Hình a: Hình ảnh valy đựng đồ vật trƣớc soi chiếu: đồ vật thông dụng dùng cho cá nhân nhƣ máy sấy tóc, đèn pin, kéo, chai nƣớc… (trong có bố trí 01 gói thuốc nổ TNT dạng chấu 01 gói thuốc nổ C4 đƣợc bọc kín) Hình b: Hình ảnh thu đƣợc hình máy soi: hình ảnh hiển thị khối màu cam nhạt dễ nhận biết 01 khối màu cam đậm nằm phía đèn pin máy sấy tóc đáng nghi ngờ Hình c: Hình ảnh nhận biết đồ vật hữu nghi ngờ thuốc nổ đƣợc đánh dấu khung đỏ khối có màu cam đậm Hình 46 Hình ảnh mẫu 12 Hình a: Hình ảnh valy đựng đồ vật trƣớc soi chiếu: đồ vật thông dụng dùng cho cá nhân nhƣ kéo, cuộn băng dính, đèn pin, kéo, máy vặn ốc vít… (trong có bố trí 01 gói thuốc nổ TNT dạng chấu 01 gói thuốc nổ C4 đƣợc bọc kín) Hình b: Hình ảnh thu đƣợc hình máy soi: hình ảnh hiển thị khối màu cam nhạt dễ nhận biết 01 khối màu cam đậm nằm phía đầu mũi kéo đáng nghi ngờ Hình c: Hình ảnh nhận biết đồ vật hữu nghi ngờ thuốc nổ đƣợc đánh dấu khung đỏ khối có màu cam đậm 91 KẾT LUẬN CHƢƠNG III Việc nhận dạng xử lý ảnh nhờ kỹ thuật phân tích hình ảnh X-quang thu đƣợc qua máy soi chiếu hành lý công tác đảm bảo an ninh ngày ứng dụng phổ biến Để đối phó với phƣơng thức thủ đoạn có nguy xâm hại ngày cao nhƣ kẻ địch liều lĩnh đột nhập đƣa bom, mìn, chất nổ loại vũ khí khác vào khu vực cần đảm bảo an ninh, hành động khơng đƣợc phép tìm hiểu, tò mò để lấy tin diễn khu vực diễn kiện quan trọng, giấu đồ vật cấm thiết bị thơng dụng nhằm mục đích khủng bố, chống phá nhà nƣớc, không củng cố, nâng cao ý thức ngƣời mà cần phải đƣợc tiếp cận, đƣợc trang bị thiết bị kiểm tra an ninh đại, sử dụng thành tựu công nghệ tiên tiến Việc ứng dụng máy soi chiếu tia X-quang, đặc biệt công nghệ tán xạ ngƣợc để ứng dụng công tác kiểm tra an ninh có hiệu quả, bƣớc tăng cƣờng khả phòng chống, phát hiện, ngăn chặn vơ hiệu hóa hoạt động phá hoại, góp phần giữ vững an ninh trị, ổn định cho đất nƣớc phát triển 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] American Science & Engineering, Inc., Mini Z Operator Manual (333-90001 Rev A), 2012 [2] American Science & Engineering, Inc., Mini Z Field Service Manual (3339000-1 Rev A), 2012 [3] American Science & Engineering, Inc., Gemini 6040 Operator Manual (2999002-1 Rev A), 2012 [4] American Science & Engineering, Inc., Gemini Field Service Manual Parcel X-ray Inspection System (286-9200-1 Rev A), 2012 [5] American Science & Engineering, Inc., Z Backscatter Van Operator Manual (276-9304-1 Rev A), 2012 [6] American Science & Engineering, Inc., Z Backscatter Van Operator Manual (276-9304-2 Rev A), 2012 [7] American Science & Engineering, Inc., Z Backscatter Van Field Service Manual (276-9304-1 Rev A), 2012 [8] American Science & Engineering, Inc., Z Backscatter Van Field Service Manual (276-9304-2 Rev A), 2012 [9] Smiths Detetion, Hi-scan 6046SI X-ray Inspection System Operator Manual, 2016 [10] Smiths Detetion, Hi-scan 6046SI X-ray Inspection System Service Manual, 2016 [11] https://vi.wikipedia.org/wiki/Tia_X, truy nhập ngày 01/09/2018 [12] Ứng dụng huỳnh quang tia X khoa học kỹ thuật luanvan.net, 2014 Truy cập 05/09/2018 [13] http://vietq.vn/phat-minh-cong-nghe-trong-cuoc-chien-chong-khung-bod52119.html, truy cập ngày 11/09/2018 [14] http://hwc.com.vn/cac-phuong-phap-kiem-tra-khong-pha-huy-ndt/ truy cập ngày 05/09/2018 93 PHỤ LỤC Phụ lục I - Lịch sử công nghệ soi chiếu Lịch sử công nghệ soi chiếu đƣợc bắt đầu phát triển từ Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng năm 1845 - 10 tháng năm 1923) sinh Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, nhà vật lý học, giám đốc Viện Vật lý trƣờng Đại học Tổng hợp Wurtzbourg Thế kỉ XIX đƣợc coi thời đại ơng Thời đó, động nƣớc đƣợc coi phát minh kiệt xuất nhân loại, tiếp sau sáng chế nhƣ: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại… Những môn khoa học nhƣ: Tốn, Lý, Hóa, Sinh… biệt lập cách xa Những kiến thức lý thuyết phát triển chậm, nhà nghiên cứu trƣớc hết nhà thực nghiệm giỏi Vào thời kỳ này, vào năm 1890, nhà vật lý tên tuổi đổ xơ vào tìm hiểu phát minh Faraday Hittorf “Hiện tƣợng phóng điện khơng khí lỗng” Tia điện đề tài hấp dẫn “mốt” theo đuổi nhiều nhà khoa học, có Rơnghen Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trƣờng Đại học Tổng hợp Wurtzbourg (cách Berlin 300 km phía tây nam), Giám đốc Rơnghen “chong đèn” thâu đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển ống chân khơng, gọi ống Crookes - Hittorf, (đó tên nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội đồng Hoàng Gia Anh sáng chế Crookes đời cách ngày 40 năm) Rơnghen có ý định làm lại bƣớc thí nghiệm với ống chân khơng Một thiết bị mà Rơnghen ý đến ống tia âm cực Đó ống thuỷ tinh chân khơng có hai điện cực (anode cathode) hai đầu, đƣợc cung cấp điện áp cao từ cuộn dây Ruhmkorff áp suất ống thấp, chúng tạo phát sáng huỳnh quang (phosphorescence) tác động chùm electron phát sinh từ âm cực Ông đặt chắn ống tia âm cực với thủy tinh (trong có tráng lớp hỗn hợp phát quang) Khi bật cơng tắc điện chắn có chứa 94 barium plation - cyamit (ta thƣờng gọi Xyanuabari) đặt trƣớc ống chân không phát thứ ánh sáng xanh nhè nhẹ, nhƣng lại khác lạ so với tia điện thƣờng biết đến? Khi rút phích điện khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ biến Ông kiểm tra lại nơi phát sáng, tình cờ ơng thấy bìa tẩm platinocyanure de baryum Ơng suy đốn: từ ống Crookes phát đó, lại kích thích chất huỳnh quang hình Rơnghen tự hỏi: Hay bìa phát sáng? Hoặc khúc xạ tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng? Ơng làm lại thí nghiệm cách thử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem Rơnghen lên: Lạ thật! Kết nhƣ cũ Ơng dự đốn: tia Nó xuyên qua giấy đen Bà Bertha - ngƣời vợ thân yêu ông thấy chồng đăm chiêu ngày Ngồi ăn cơm bên mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ chồng bị ngắt quãng Cả đêm hơm ơng khơng thể chợp mắt đƣợc Ơng muốn lao sang phòng thí nghiệm tức khắc Ơng suy đốn miên man khơng ngủ đƣợc Rồi đột nhiên, ông lên thành lời Phải rồi! May có giấy ảnh kiểm chứng đƣợc khả xuyên qua giấy đen thứ tia lạ Trời vừa sáng, ơng sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ ngăn kéo tập giấy ảnh mua Ơng bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh Rồi giao cho Marstaller - nhân viên phòng mang in thành ảnh Chỉ phút sau thấy Marstaller quay trở lại, anh tỏ ấp úng: “Tơi…tơi… trót mở tung gói giấy làm cho chúng đen lại” Nhƣng Rơnghen nhìn kỹ lại thấy khơng đen Ơng quan sát kỹ thấy: có in hình chữ nhật hình tròn tựa nhƣ nhẫn Nhìn vào ngăn kéo, ơng thấy có bìa cứng kích thƣớc hình chữ nhật đặt nhẫn ơng Ơng nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin Gabriel (ngƣời Anh) 15 năm trƣớc có lần nói đến số tia lẫn tia điện Phải đây? Nhƣng suốt 15 năm qua khơng tìm nó? Ơng ngồi nhìn lại hình giấy ảnh Rồi lại đặt lên bàn, tập trung đến cao độ để giải thích tƣợng Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25 năm bà chƣa thấy ông vui vẻ, rạng rỡ đến nhƣ Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhƣng ông định thử 95 nghiệm lại lần Lần này, Rơnghen đƣa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo rèm cửa lại để làm phòng tối Gần ống nghiệm có huỳnh quang Khi công tắc bật lên, tia lửa điện xuất ống huỳnh quang lại phát sáng Rơnghen bịt ống nghiệm ống giấy, chuyển hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ Ngăn cách hẳn cánh cửa gỗ, nhƣng huỳnh quang sáng, có yếu trƣớc đơi chút Lần ông bỏ ống giấy ra, nhƣng đặt thêm sách dày trƣớc hình Ơng thận trọng bật cơng tắc Chà! Kết khơng thay đổi Ơng mừng rỡ thật Suy tính giây lát, tay ơng nâng hình lên, tay đƣa vào tầm huỳnh quang Thật sửng sốt! Ơng nhìn thấy đốt xƣơng bàn tay mình, đƣờng gân mạch máu Thú vị thay xƣơng sống, chuyển động theo điều khiển ông Rơnghen lại tiếp tục đƣa vào vật cản khác, nhiều chất liệu, cuối ông rút kết luận: “Tia đặc biệt có khả xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm thể Nhƣng không qua đƣợc kim loại, kim loại có tỷ trọng lớn, không qua đƣợc số phận thể, phận có chứa nguyên tố nặng nhƣ xƣơng Mặt khác, khơng bị ảnh hƣởng từ trƣờng, hay điện trƣờng, làm cho khơng khí trở nên dẫn điện lên phim ảnh” Nhà phát minh cảm thấy cần phải chia sẻ với ngƣời vợ thân u Ơng đặt bàn tay bà lên kính ảnh Ống nghiệm ơng để dƣới gầm bàn Ơng dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đặt bàn Thế ảnh tia chƣa kịp đặt tên đƣợc ơng chụp cho bàn tay mềm mại ngƣời vợ thân yêu Tấm ảnh chƣa kịp khô, Rơnghen lấy cho vợ xem Những đốt xƣơng tay bà Bertha lên thật rõ nét, nhẫn mà bà đeo ngón tay trỏ nữa, chúng lên rõ mồn Ngày 22/12/1895, hình chụp hình xƣơng ngƣời vào lịch sử y học: 96 Từ đây, khám phá Rơnghen làm ngƣời kinh ngạc giúp cho ngƣời thấy đƣợc quan nội tạng mà trƣớc khơng có cách thấy đƣợc Ngày 28/12/1895, ơng mang nộp báo cáo học thuật tia cho Hội vật lý học y học Wurtzbourg cho in luận văn tên “Bản báo cáo sơ loại tia mới” Nội dung báo đƣợc ơng trình bày buổi thuyết trình Hội vật lý học y học Wurtzbourg vào ngày 23/1/1896 97 Phụ lục II - Một số ứng dụng tia X a Tia X sử dụng lĩnh vực Y tế Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng việc xác định bệnh lý xƣơng nhƣng giúp ích việc tìm bệnh phần mềm khác thể Ví dụ: khảo sát vùng ngực dùng để chẩn đốn bệnh phổi nhƣ viêm phổi, ung thƣ phổi hay phù nề phổi; khảo sát vùng bụng phát bệnh tắc ruột, tắc thực quản, tràn khí thủng ruột, trần dịch khoang bụng Ảnh chụp tia X hộp sọ ngƣời Tia X đƣợc sử dụng kỹ thuật soi trực tiếp "thời gian thực" nhƣ thăm khám thành mạch máu hay nghiên cứu độ cản quang tạng rỗng nội tạng (chất lỏng cản quang quai ruột lớn hay nhỏ) cách sử dụng máy chiếu huỳnh quang Hình ảnh giải phẫu mạch máu nhƣ can thiệp y tế qua hệ thống động mạch dựa vào máy soi X quang để định vị thƣơng tổn tiềm tàng chữa trị Liều xạ khoảng thời gian ngắn gây bệnh nhiễm xạ liều thấp làm tăng nguy ung thƣ xạ trị Việc chụp X-Quang y tế có nguy làm tăng bị ung thƣ có nhiều lợi ích việc kiểm tra Khả ion hóa tia X đƣợc sử dụng điều trị ung thƣ để diệt tế bào ác tính cách sử dụng phƣơng pháp xạ trị Hình ảnh chiếu xạ lĩnh vực y tế 98 Xạ trị tia X can thiệp y tế, dùng chuyên biệt cho bệnh ung thƣ cách dùng tia X có lƣợng mạnh diệt tế bào ung thƣ Tuy nhiên, tia X có khả gây ion hóa phản ứng khác gây nguy hiểm cho sức khỏe ngƣời Do đó, bƣớc sóng, cƣờng độ thời gian chụp ảnh y tế đƣợc điều chỉnh cẩn thận để tránh tác hại cho sức khỏe Do thân tia X loại tia điện từ sóng ngắn có mang lƣợng Do hấp thụ vào thể ngƣời, chúng phát phóng xạ ion hố làm thay đổi cấu tạo phân tử tế bào sống thể, cụ thể làm thay đổi DNA tế bào sống, kết làm gia tăng nguy tế bào đột biến dẫn tới bệnh ung thƣ Tại Mỹ, nhà khoa học nƣớc đo đƣợc mức độ phóng xạ tiếp xúc với tia X vào khoảng vài millisieverts (msv) Trung bình chụp Xquang tồn vùng ngực, bệnh nhân tiếp xúc với tia X có mức phóng xạ 0,1msv Mức độ phóng xạ trung bình ngƣời tiếp xúc năm vào khoảng 3msv từ nhiều nguồn khác nhau, có phóng xạ tự tự nhiên Tuy nhiên, theo so sánh Hiệp hội Chuyên ngành Xquang Bắc Mỹ, lần chụp Xquang vùng ngực khiến cho ngƣời bị nhiễm mức phóng xạ tƣơng đƣơng với 10 ngày tiếp nhận phóng xạ tự từ môi trƣờng tự nhiên Nhƣ vậy, chụp Xquang nhiều lần năm, nguy bị nhiễm phóng xạ nồng độ cao xảy b Tia X sử dụng lĩnh vực xây dựng Cơng tác thí nghiệm vật liệu xây dựng kiểm định chất lƣợng cơng trình hai cơng tác đóng vai trò quan trọng việc kiểm sốt chất lƣợng đảm bảo cơng trình đạt tiêu chuẩn chất lƣợng q trình thi cơng xây dựng vận hành an tồn đƣa vào nghiệm thu sử dụng Mơ hình kiểm tra chất lƣợng cơng trình 99 Cơng tác kiểm định chất lƣợng cơng trình xây dựng giúp chủ đầu tƣ quản lý giám sát chất lƣợng thi cơng nhà thầu xây dựng có đảm bảo theo tiêu chuẩn hồ sơ thiết kế xây dựng hay khơng có đảm bảo thực tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hay không? Kiểm tra chất lƣợng mối hàn đƣờng ống Ngoài ra, giải pháp thí nghiệm kiểm định giúp chủ đầu tƣ xác định đƣợc nguyên nhân xác cố xảy cơng trình hỗ trợ chủ đầu tƣ đƣa giải pháp khắc phục cố cách hiệu an toàn Tia X đƣợc sử dụng để xác định đặc tính vật liệu xây dựng tia X cực mạnh qua vật thể dày mà không bị hấp thụ phân tán nhiều Độ sâu thâm nhập thay đổi theo vài bậc độ lớn so với phổ tia X nên cho phép điều chỉnh lƣợng photon cho ứng dụng để thu đƣợc ảnh bên đối tƣợng đồng thời có độ tƣơng phản tốt hình ảnh thu đƣợc nhƣ chụp X quang công nghiệp chụp CT công nghiệp c Tia X sử dụng lĩnh vực thiên văn học Thiên văn học tia X nghiên cứu vật thể vũ trụ bƣớc sóng tia X Nó xác định đối tƣợng phát xạ nhiệt có nhiệt độ 107 độ Kelvin, hay vùng khí dày (đƣợc gọi phát xạ vật đen tuyệt đối) Vì tia X bị khí Trái Đất hấp thụ mạnh nên việc quan sát phải đƣợc thực khí cầu độ cao lớn, tên lửa hay tàu vũ trụ d Tia X sử dụng lĩnh vực hóa phân tích Phổ tán xạ lƣợng tia X hay Phổ tán sắc lƣợng (viết tắt EDX hay EDS - tiếng Anh Energy - Dispersive X-ray Spectroscopy) kỹ thuật phân tích thành phần hóa học vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát từ 100 vật rắn tƣơng tác với xạ mà chủ yếu chùm điện tử có lƣợng cao kính hiển vi điện tử Kỹ thuật EDX đƣợc phát triển từ năm 1960 thiết bị thƣơng phẩm xuất vào đầu năm 1970 với việc sử dụng Detector dịch chuyển Si, Li Ge Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhƣng chủ yếu EDX đƣợc phát triển kính hiển vi điện tử mà phép phân tích đƣợc thực nhờ chùm điện tử có lƣợng cao đƣợc thu hẹp nhờ hệ thống thấu kính điện tử - Nguyên lý EDX: Kỹ thuật EDX chủ yếu đƣợc thực kính hiển vi điện tử mà ảnh vi cấu trúc vật rắn đƣợc ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn Khi chùm điện tử có lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn tƣơng tác với lớp điện tử bên nguyên tử Tƣơng tác dẫn đến việc tạo tia X có bƣớc sóng đặc trƣng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) nguyên tử theo định luật Mosley[1]: f v me qe4   2 15   Z  1   2.48*10 Hz   Z  1  8h 0   Có nghĩa là, tần số tia X phát đặc trƣng với nguyên tử chất có mặt chất rắn Việc ghi nhận phổ tia X phát từ vật rắn cho ta thông tin tỉ phần nguyên tố Một số dạng biến thể EDX sau: * Phổ điện tử Auger (AES, Auger Electron Spectroscopy): phổ dùng để nghiên cứu thành phần cấu tạo nhƣ định lƣợng chất bề mặt với độ nhạy cao với lớp bề mặt khoảng 0.5 -10 nm; thay phát tia X đặc trƣng, 101 điện tử có lƣợng lớn tƣơng tác với lớp điện tử sâu bên nguyên tử khiến số điện tử lớp phía ngồi bị bật tạo phổ AES Phổ điện tử Auger nhà khoa học Pierre Auger phát năm 1923 đến năm 1953 J.J.Lander thu đƣợc phổ điện tử Auger nghiên cứu phổ điện tử thứ cấp Năm 1967 Larry Harri dùng ứng dụng nghiên cứu bề mặt, từ năm 1970 đến với công nghệ khoa học phát triển đặc biệt cơng nghệ nano phổ AES đƣợc dùng nghiên cứu màng mỏng công nghệ nano - Một số ứng dụng: + Nghiên cứu bề mặt mẫu + Phát nguyên tố định tính + Xác định hàm lƣợng gần có mẫu + Cho biết thơng tin hóa học, nồng độ ngun tố có mẫu * Phổ huỳnh quang tia X (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy): kĩ thuật phân tích tính chất bề mặt vật liệu thơng qua phổ Nó thƣờng đƣợc dùng để xác định thành phần bản, trạng thái hóa học, trang thái điện tử nguyên tố bề mặt vật liệu; tƣơng tác điện tử chất rắn gây phát phổ huỳnh quang tia X, có thêm thơng tin lƣợng liên kết Nguyên lý phát huỳnh quang tia X Cấu tạo vật chất bao gồm nguyên tử, vật thể bị bắn phá chùm electron tia X tia X với bƣớc sóng (năng lƣợng) xác định phát từ vật thể Khi vật liệu bị bắn phá chùm electron chùm tia X, phát chùm tia X mới, đặc tính tia X Huỳnh quang tia X đặc tính tia X, đƣợc sinh vật liệu bị bắn phá tia X 102 Các thành phần hệ XPS - Phổ huỳnh quang tia X dùng để xác định: + Độ dày hay nhiều lớp mỏng vật liệu khác + Tạp chất có bề mặt bên khối mẫu + Năng lƣợng kiên kết trạng thái điện tử + Trạng thái hóa học nguyên tố mẫu + Mật độ trang thái điện tử + Những nguyên tố hàm lƣợng nguyên tố bề mặt mẫu có kích thƣớc ~10nm - Những vật liệu phân tích với XPS: + Các hợp chất vơ cơ, hợp kim, chất bán dẫn, polime, chất xúc tác, thủy tinh, ceramic, sơn, giấy, mực, gỗ, răng, xƣơng, dầu nhớt, chất keo + Vật liệu hữu không đƣợc phân tích với XPS + Những phân tích gần amino axit cho thấy XPS phải đƣợc dùng để đo nhiều axit trƣớc giảm cách đáng kể - Giới hạn XPS: XPS ghi nhận đƣợc tất nguyên tố với Z từ  103 Giới hạn có nghĩa XPS khơng thực đƣợc với H He nguyên tố khơng có obitan lõi mà có obitan hóa trị - Độ xác phép định lượng: Độ xác phụ thuộc vào vài tham số chẳng hạn nhƣ: cƣờng độ đỉnh, độ xác hệ số nhạy cảm, tính đồng thể tích bề mặt… 103 - Thời gian phân tích: + 1-10 phút cho lần quét tổng quát để xác định tất nguyên tố + 1-10 phút cho việc quét phân giải lƣợng cao để phát trạng thái hóa học khác + 1-4 cho chụp mặt nghiêng theo chiều sâu để đo 4-5 nguyên tố nhƣ hàm chiều sâu ăn mòn - Giới hạn thiết diện phân tích: Thiết diện phân tích phụ thuộc vào thiết kế dụng cụ Phân tích nhỏ khoảng 10-200µm Kích thƣớc rộng cho chùm tia X đơn sắc 15mm Chùm không đơn sắc 10-50mm - Giới hạn kích thước mẫu: Các dụng cụ cũ chấp nhận mẫu từ 1x1cm đến 3x3cm Các hệ thống gần chấp nhận wafer 300mm mẫu có kích thƣớc 30x30 mm * Phổ tán sắc bƣớc sóng tia X (WDS, X-ray Wavelength - Dispersive Spectroscopy): phƣơng pháp đƣợc sử dụng để đếm số lƣợng tia X bƣớc sóng cụ thể bị nhiễu xạ tinh thể Bƣớc sóng tia X-quang bị tác động khoảng cách tinh thể mạng tinh thể có liên quan đến định luật Bragg tạo nhiễu giao thoa chúng phù hợp với tiêu chí định luật Bragg WDS sử dụng tia X đặc trƣng đƣợc tạo yếu tố riêng lẻ phép phân tích định lƣợng (xuống đến mức nguyên tố vi lƣợng) đƣợc đo điểm có kích thƣớc nhỏ nhƣ vài micromet WDS đƣợc sử dụng để tạo đồ tổng hợp X-quang thành phần khu vực rộng cách chùm tia quét mành Thêm nữa, khả cung cấp thông tin tổng hợp định lƣợng cho loạt vật liệu rắn Kỹ thuật bổ sung cho quang phổ phân tán sắc lƣợng (EDS) phổ kế WDS có độ phân giải phổ cao đáng kể tăng cƣờng khả định lƣợng WDS đọc đếm tia X bƣớc sóng thời điểm, không tạo phổ rộng bƣớc sóng lƣợng cách đồng thời Tƣơng tự nhƣ phổ EDX nhƣng có độ tinh cao hơn, có thêm thông tin nguyên tố nhẹ, nhƣng lại có khả loại nhiễu tốt EDS phân tích đƣợc 104 nguyên tố cho lần ghi phổ WDS đƣợc sử dụng chủ yếu phân tích hóa học, máy quang phổ huỳnh quang tia X, micrơ điện tử, đƣợc sử dụng kính hiển vi điện tử quét e Tia X sử dụng lĩnh vực kiểm tra an ninh Chiếu chùm tia X vào hàng hóa, hành lý để thu đƣợc hình ảnh đồ vật bên hàng hóa, hành lý gói kín đƣợc thực địa điểm có yêu cầu bảo vệ an ninh an toàn cao nhƣ cửa lên máy bay, cửa sang nƣớc khác, đại sứ quán nƣớc, địa điểm diễn hội nghị quan trọng, kiện văn hóa xã hội mang tầm quốc gia quốc tế với tham gia nhà lãnh đạo cấp cao, ngun thủ quốc gia, có đơng ngƣời tham gia số nhà giam đặc biệt Hệ thống soi quét an ninh thƣờng tích hợp chiếu tia X với qt dò kim loại để thu đƣợc thơng tin tin cậy đối tƣợng đƣợc quét Tại Mỹ, nhiều năm trở lại đây, thiết bị quét Xquang đƣợc sử dụng nhằm phát vũ khí đồ vật nguy hiểm không đƣợc phép mang lên máy bay Tia X cho kết phát đồ vật kim loại xác Bằng cách sử dụng thiết bị gia tốc phân tử làm tăng tốc độ chuyển động electron đạt mức tốc độ ánh sáng chúng phát tia phóng xạ Cũng cách chiếu tia X này, nhà khoa học sử dụng để kiểm tra cấu trúc nguyên tử loại vật liệu, kể chất liệu nhân tạo vật liệu tự nhiên 105 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SOI BẰNG TIA X- QUANG VÀ CẢI THIỆN ỨNG DỤNG TRONG CƠNG TÁC PHÁT HIỆN THUỐC NỔ VƢƠNG VĂN HỒNG CHUN NGÀNH: CÔNG NGHỆ... CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SOI CHIẾU BẰNG TIA X QUANG1 9 2.1 Những nét chung công nghệ soi chiếu tia X quang 19 2.1.1 Tia X quang .19 2.1.2 Các đặc trƣng công nghệ soi chiếu tia X quang ... nghiên cứu, khai thác thiết bị có cơng nghệ yêu cầu đặt ra, đòi hỏi mang tính cấp thiết lực lƣợng An ninh Đề tài "Nghiên cứu công nghệ soi tia X quang cải thiện ứng dụng công tác phát thuốc nổ"