KIỂM TRA VÀ GIẢI ĐOÁN KHUYẾT TẬT MỘT SỐ VẬT LIỆU KIM LOẠI TRONG SẢN PHẨM CÔNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ TIA-X. LUẬN VĂN THẠC SĨ

THƯ VIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHẠM QUANG TUYẾN KIỂM TRA VÀ GIẢI ĐOÁN KHUYẾT TẬT MỘT SỐ VẬT LIỆU KIM LOẠI TRONG SẢN PHẨM CƠNG NGHIỆP BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHĨNG XẠ TIA-X Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lượng cao Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2010 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ASME ASTM Tiếng Anh American Society of Mechanical Engineer Tiếng Việt Hiệp hội kỹ sư khí Hoa Kỳ American Society for Testing and Materials Hiệp hội kiểm tra vật liệu Hoa Kỳ BS British Standard Tiêu chuẩn Anh DIN Dentsche Industrie Norm Tiêu chuẩn công nghiệp Đức DWDI Double Wall Double Image Hai thành hai ảnh DWSI Double Wall Single Image Hai thành ảnh FFD Focus to Film Distance IAEA International Atomic Energy Agency IQI Image Quality Indicator Khoảng cách từ tiêu điểm phát xạ đến phim Cơ quan Năng Lượng nguyên tử quốc tế Vật thị chất lượng ảnh ISO International Standards Organization Hệ thống tiêu chuẩn quốc tế JIS Japanese Industrial Standard Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản NDT Non-destructive Testing Kiểm tra không phá hủy OD Outer Diameter Đường kính ngồi OFD Object to Film Distance Khoảng cách từ mẫu vật đến phim SFD Source to Film Distance Khoảng cách từ nguồn đến phim SWSI Single Wall Single Image Một thành ảnh RT Radioghaphy Testing Chụp ảnh phóng xạ HVT Half Value Thicknees Bề dày làm yếu nửa TVT Ten Value Thicknees Bề dày làm yếu phần mười LỜI CAM ĐOAN -o0o - Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thực hiện, không lấy kết người khác nhờ người khác làm giúp Nếu có vi phạm, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Người cam đoan Phạm Quang Tuyến LỜI MỞ ĐẦU oOo Việt Nam giai đoạn tiến lên cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Chúng ta xây dựng công nghiệp đại tiền đề để đưa Việt Nam trở thành quốc gia phát triển Một công nghiệp xem mạnh, đại tạo sản phẩm cơng nghiệp với chất lượng tốt Để có sản phẩm cơng nghiệp với chất lượng tốt nhất, ngồi cơng đoạn thiết kế gia cơng kiểm tra chất lượng sản phẩm công đoạn quan trọng Ngày nay, với phát triển khoa học cơng nghệ có nhiều phương pháp khác để đánh giá chất lượng sản phẩm chi tiết sản phẩm công nghiệp Một phương pháp ứng dụng xạ kiểm tra sản phẩm cơng nghiệp Chụp ảnh phóng xạ (Radiography Testing - RT) phương pháp kiểm tra khơng phá hủy (Non-Destructive Testing - NDT) Nó phương pháp hữu ích để đảm bảo cho hoạt động tin cậy thiết bị cụm chi tiết sản phẩm cơng nghiệp Nó hữu dụng tính đa dạng linh hoạt, khơng làm thay đổi hình dạng cấu trúc mẫu vật cần kiểm tra Các sản phẩm khí hai giai đoạn sản xuất sử dụng qua phương pháp kiểm tra loại bỏ không đạt chất lượng yêu cầu Kiểm tra khuyết tật xuất trình sử dụng để tránh rủi ro tai nạn xảy khuyết tật Xuất phát từ thực tế đó, luận văn muốn đề cập nghiên cứu thực nghiệm phương pháp kiểm tra NDT chụp ảnh phóng xạ với máy phát tia-X cơng nghiệp “RF-200EGM” có Trung tâm đào tạo – Viện Nghiên cứu hạt nhân (Đà Lạt) để kiểm tra, giải đoán khuyết tật hàn số vật liệu kim loại có cấu hình phức tạp khác (dạng hình ống tròn chữ T – dạng mẫu vật cần kiểm tra thường gặp phức tạp dạng phẳng) sản phẩm cơng nghiệp Ngồi ra, sau thời gian hoạt động kích thước bia hiệu dụng đầu phát tia-X máy “RF-200EGM” có thay đổi theo hướng giảm đi, nên việc khảo sát lại để có kích thước xác việc làm cần thiết nội dung luận văn Tôi xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Văn Hùng, Giám đốc Trung tâm đào tạo - Viện Nghiên cứu nạt nhân, người trực tiếp hướng dẫn khoa học cho đề tài cách tận tình, chu đáo có khoa học Tơi xin chân thành cám ơn ThS Nguyễn Minh Xuân, nghiên cứu viên thuộc Trung tâm Đào tạo - Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt cán bộ, nhân viên thuộc Trung tâm trực tiếp bảo vấn đề mà thân vướng mắc thực luận văn Người thực Phạm Quang Tuyến Chương 1: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ BẰNG TIA-X 1.1 Những nguyên lý kiểm tra không phá hủy 1.1.1 Định nghĩa tầm quan trọng phương pháp NDT  Định nghĩa chất NDT Kiểm tra không phá hủy (NDT) sử dụng phương pháp vật lý để kiểm tra khuyết tật bên cấu trúc vật liệu, sản phẩm, chi tiết máy, mà không làm tổn hại đến khả hoạt động sau chúng  Tầm quan trọng NDT Phương pháp đóng vai trị quan trọng việc kiểm tra chất lượng sản phẩm cơng đoạn q trình chế tạo sản phẩm Sử dụng phương pháp NDT công đoạn trình sản xuất mang lại số hiệu sau: - Làm tăng mức độ an toàn tin cậy sản phẩm làm việc Làm giảm giá thành sản phẩm giảm phế liệu bảo tồn vật liệu, cơng lao động lượng - Nó làm tăng danh tiếng cho nhà sản xuất - NDT sử dụng rộng rãi việc xác định định kì chất lượng thiết bị, máy móc cơng trình q trình vận hành Điều làm tăng độ an tồn q trình làm việc, mà cịn giảm thiểu trục trặc làm cho thiết bị ngưng hoạt động 1.1.2 Các phương pháp NDT Những phương pháp NDT có từ đơn giản đến phức tạp Những phương pháp NDT chia thành nhóm theo mục đích sử dụng khác là: - Phương pháp kiểm tra mắt hay gọi phương pháp quang học (Visual Testing - VT); - Phương pháp kiểm tra chất thấm lỏng (Liquiq Penetrant Testing – PT); - Phương pháp kiểm tra bột từ (Magnetic Particle Testing – MT); - Phương pháp kiểm tra dịng điện xốy (Eddy Current Testing – ET); - Phương pháp kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT); - Phương pháp kiểm tra chụp ảnh xạ (Radiography Testing – RT) Nhóm cịn lại dùng ứng dụng đặc biệt chúng có hạn chế việc sử dụng Trong phương pháp phương pháp kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT) lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật vật lý hạt nhân phát triển mạnh mẽ công nghiệp 1.1.3 Phương pháp chụp ảnh phóng xạ (RT) Phương pháp kiểm tra chụp ảnh phóng xạ dùng để xác định khuyết tật bên nhiều loại vật liệu có cấu hình khác Một phim chụp ảnh phóng xạ thích hợp đặt phía sau vật kiểm tra chiếu chùm tia-X tia γ qua Cường độ chùm tia-X tia γ qua vật thể tùy theo cấu trúc vật thể mà có thay đổi sau rửa phim chụp hình ảnh bóng, ảnh chụp phóng xạ sản phẩm Sau phim giải đốn để có thông tin khuyết tật bên sản phẩm Phương pháp dùng rộng rãi cho tất loại sản phẩm vật rèn, đúc hàn Bằng định hướng xác, khuyết tật mỏng, nhỏ phát từ phương pháp chụp ảnh phóng xạ Nó phù hợp cho việc phát thay đổi phép đo bề dày thành vật liệu, xác định vị trí khuyết tật ẩn chứa phần lắp ráp Thuận lợi việc ứng dụng xạ NDT nảy sinh từ thực tế kiểm tra vật thể với kích thước hay dạng hình cầu có đường kính cỡ micromet tới vật có kích thước khổng lồ kiểm tra cấu trúc phận nhà máy Ngồi cịn có khả ứng dụng cho nhiều vật liệu khác mà khơng cần chuẩn bị trước bề mặt mẫu vật Trở ngại chụp ảnh phóng xạ nguy hiểm cho nhân viên vận hành bị chiếu xạ gây nguy hại cho mơ thể Do cần u cầu vận hành xác thái độ nghiêm túc cao trình làm việc 1.1.4 An toàn xạ cho nhân viên 1.1.4.1 Đánh giá an toàn xạ Sự nguy hiểm xạ nhân viên vận hành chiếu xạ q trình chụp ảnh phóng xạ gây nguy hại cho mô thể Do địi hỏi hiểu biết an tồn xạ, vận hành xác thái độ nghiêm túc cao nhân viên trình làm việc Mục đích hiểu biết an toàn xạ đảm bảo an toàn cho thân, người xung quanh trì sức khỏe cho nhân viên sau làm việc Vấn đề quan trọng cần xem xét kiểm tra phương pháp chụp ảnh phóng xạ rủi ro gây hiệu ứng sinh học có hại cho thể người Hai vấn đề an tồn chụp ảnh phóng xạ kiểm sốt liều xạ bảo vệ người Những định nghĩa, khái niệm, đơn vị an toàn xạ khái quát sau 1.1.4.2 Các đại lượng đơn vị đo lường an toàn xạ Liều xạ đại lượng đánh giá khả ion hóa đơn vị khối lượng mơi trường vật chất cho Tác dụng xạ lên thể người phụ thuộc vào hai yếu tố cường độ loại xạ Các đại lượng đơn vị đo lường dùng an toàn xạ là: - Hoạt độ phóng xạ (A) số phân rã (N) đơn vị thời gian (t) A dN dt (1.1) Đơn vị Becquerel (Bq), 1Bq phân rã giây (dps) Đơn vị cũ Curie (Ci), 1Ci = 3,7*1010Bq - Liều chiếu (X) đại lượng tính số lượng ion hóa (Q) khối lượng khơng khí (m) gây xạ photon dQ dm X  (1.2) Đơn vị đo Coulomb/kg (C/kg), đơn vị cũ Roentgen (R), 1R =2,58*10-4C/kg Suất liều chiếu liều chiếu đơn vị thời gian - Liều hấp thụ (D) lượng trung bình (E) mà xạ truyền cho vật chất thể tích nguyên tố chia cho khối lượng (m) vật chất chứa thể tích D dE dm (1.3) Đơn vị liều hấp thụ là: Gray (Gy) hay Jun/kg (J/kg), đơn vị cũ Rad, Gy = 100 rad Suất liều hấp thụ liều hấp thụ đơn vị thời gian - Do liều hấp thụ loại xạ gây hiệu ứng sinh học khác (Xem chi tiết Phụ lục 1), nên người ta đưa khái niệm liều tương đương Liều tương đương (HT,R) liều hấp thụ nhân với hệ số đánh giá truyền lượng loại xạ vào mô gọi trọng số xạ (WR) HT,R = DT,R * WR (1.4) Một số giá trị trọng số xạ (WR) cho Bảng 1.1 Bảng 1.1: Trọng số xạ (WR) ứng với loại xạ khác Loại xạ khoảng lượng WR Tia gamma (photon) điện tử với lượng (trừ điện tử Auger) Proton proton giật lùi có lượng > 2MeV Alpha, mảnh phân hạch, hạt nhân nặng 20 Neutron: E < 10 keV 10 - 100 keV 10 100 - MeV 20 - 20 MeV 10 > 20 MeV Đơn vị liều tương đương Sievert (Sv), đơn vị cũ: Rem, Sv = 100 Rem Suất liều tương đương liều tương đương tính đơn vị thời gian - Liều hiệu dụng (E) tích liều tương đương với trọng số mơ (WT) Liều hiệu dụng liều tính cho tồn thể E = ∑TET = ∑TWT = ∑TWT∑RDT,RWR (1.5) Các trọng số mô đặc trưng cho quan (mô) thể cho Bảng 1.2 Bảng 1.2: Trọng số mô (WT) ứng với quan thể Cơ quan (mô) WT Cơ quan (mô) Thận 0,20 Tủy xương 0,12 Vú Phổi 0,12 Gan Dạ dày 0,12 Tuyến giáp Ruột kết 0,12 Da Thực quản 0,05 Mặt xương Bọng đái 0,05 Còn lại WT 0,05 0,05 0,05 0,01 0,01 0,005 Suất liều hiệu dụng liều hiệu dụng tính đơn vị thời gian - Liều giới hạn giá trị độ lớn liều quy định Quy phạm TCVN 6866: 2001 cho đối tượng (nhân viên xạ, dân chúng, học viên ) Trong trình làm việc với xạ đối tượng khơng chịu vượt q giá trị liều (giới hạn) quy định 1.1.4.3 Giới hạn chiếu xạ Dựa vào nghiên cứu khác nhau, Ủy ban quốc tế bảo vệ chống xạ (ICRP) đưa yêu cầu sau:  Chỉ tiếp xúc với xạ cần thiết  Giảm liều chiếu tới mức thấp chấp nhận (Qui tắc ALARA)  Liều giới hạn cho nhân viên xạ (trong trường hợp bình thường): Liều hiệu dụng năm (lấy trung bình năm liên tiếp) không vượt 20mSv, năm riêng lẻ không vượt 50mSv Điều có nghĩa liều hiệu dụng cho làm việc có tiếp xúc với nguồn nhân viên xạ 10μSv/h; liều tương đương thủy tinh thể mắt không vượt 150mSv/năm; liều tương đương tay, chân da không vượt 500mSv/năm  Liều giới hạn cho nhân viên xạ trường hợp khắc phục tai nạn cố (ngoại trừ hành động cứu mạng): Dưới lần mức liều giới hạn năm (dưới 40mSv)  Liều giới hạn cho nhân viên xạ trường hợp khắc phục tai nạn cố (tính đến hành động cứu mạng): Dưới 10 lần mức liều giới hạn năm (dưới 200mSv), nhận liều xấp xỉ vượt 10 lần mức liều giới hạn năm (≥200mSv) áp dụng lợi ích đem lại cho người khác lớn hẳn so với nguy hiểm riêng  Liều giới hạn người học viên trẻ sinh viên (từ 16 đến 18 tuổi): Liều hiệu dụng 6mSv/năm; liều tương đương thủy tinh thể mắt 50mSv/ năm; liều tương đương tay, chân da 150mSv/năm  Liều giới hạn dân chúng: Liều hiệu dụng 1mSv/năm; liều tương đương thủy tinh thể mắt 15mSv/năm; liều tương đương da 50mSv/năm Với người săn sóc khách thăm bệnh nhân: Người lớn 5mSv trẻ em 1mSv suốt thời kỳ bệnh nhân làm xét nghiệm điều trị  Liều tương đương cá nhân có cố: Có thể cho phép chịu tới lần liều vụ việc sau phải giảm liều cho sau năm tổng liều tích lũy lại phù hợp với công thức D = 20*(N - 18); D liều chiếu tính mSv, N tuổi tính năm 1.1.4.4 Các phương pháp kiểm soát chiếu xạ Trong chụp ảnh, việc kiểm sốt chiếu xạ u cầu khơng thể bỏ qua Sau cách để kiểm sốt chiếu xạ:  Thời gian: Khơng gần nguồn xạ lâu chút không cần thiết Giảm thời gian tiếp xúc cách thao tác xác, quy trình kỹ thuật, tuân thủ quy tắc an toàn  Khoảng cách: Ở khoảng cách xa nguồn Sự suy giảm cường độ xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên lắp đặt thiết bị thủ tục vận hành phải tính đến thơng số  Che chắn bảo vệ: Một cách quan trọng để giảm liều đặt chắn bảo vệ nguồn người vận hành Dùng vật liệu có mật độ khối cao để che chắn tia-X gamma sắt, chì, bêtơng hay uran nghèo, v.v 1.1.4.5 Kiểm sốt xạ Kiểm soát xạ cần thiết nhằm tránh rủi ro bao gồm: Kiểm tra liều khu vực thực nghiệm đo liều cá nhân Kiểm tra khu vực máy đo liều cố định hay máy đo liều xách tay Kiểm tra liều cá nhân cách đo liều nhận suốt thời gian tiến hành công việc (dùng liều kế cá nhân) 1.2 Cơ sở vật lý kiểm tra không phá hủy 1.2.1 Các tính chất tia-X 1.2.1.1 Sự đời xạ tia-X phát triển phương pháp chụp ảnh phóng xạ Năm 1895 lúc tiến hành thực nghiệm nghiên cứu tượng phóng điện qua chất khí, Roentgen phát loại tia xạ mà ông đặt tên tia-X (người ta cịn gọi tia Roentgen) Thành cơng việc ứng dụng loại tia-X ông tiến hành chụp thu ảnh vật khác đựng hộp kín cân, súng v.v Chính kết ban đầu đánh dấu đời phương pháp RT, phương pháp có khả phát khuyết tật nằm sâu bên đối tượng kiểm tra Phương pháp ứng dụng rộng rãi đem lại nhiều lợi ích to lớn đời sống thực tế Kể từ phát hiện, tia X ứng dụng đa dạng như:  Khoảng năm sau tia X áp dụng cho kiểm tra mối hàn  Năm 1913, ống phát tia X thiết kế Colide tạo tia-X có cường độ khả xuyên thấu lớn  Năm 1917, phịng thí nghiệm X quang thiết lập Royal Arsenal Woolwich  Đến năm 1930, phương pháp chụp ảnh phóng xạ hải quân Mỹ thức áp dụng cho kiểm tra nồi hơi, nói phát triển quan trọng Những thành cơng khẳng định vai trị giá trị đặc biệt phương pháp chụp ảnh phóng xạ kiểm tra khuyết tật ngành cơng nghiệp như: Hàng không, kiểm tra khuyết tật mối hàn nhà máy điện, nhà máy tinh chế, kết cấu tàu thủy phương tiện chiến tranh,v.v Những thành tạo sở cho phát triển phương pháp ngày mạnh mẽ ngày 1.2.1.2 Bản chất tính chất xạ tia-X Tia X xạ điện từ giống ánh sáng, khác có bước sóng nhỏ bước sóng ánh sáng hàng nghìn lần Trong chụp ảnh phóng xạ tia X thường dùng có bước sóng khoảng từ 10-4A0 đến 10A0 (1A0 = 10-8 cm) Phổ tia X phổ liên tục với chiều dài bước sóng tương ứng với λ = c/γ với c vận tốc ánh sáng, γ tần số dao động riêng 1.2.1.3 Tính chất tia X  Tia X xạ khơng nhìn thấy khơng cảm nhận giác quan người  Nó có khả làm phát quang số chất Zine Sulfide, Calcium, Tungstate, Diamon, Barium, Platinocyamide, Sodiumlodide kích hoạt Thalium  Các tia X chuyển động với vận tốc ánh sáng  Là tia xạ nên chúng gây nguy hại cho tế bào sống  Chúng gây ion hóa vật chất (đặc biệt với chất khí dễ bị ion hóa trở thành điện tử ion dương)  Tia X truyền theo đường thẳng, chúng xạ điện từ  Nó tuân theo định luật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách  Nó xun qua vật mà ánh sáng khơng truyền qua khả xuyên thấu phụ thuộc vào lượng photon, mật độ chiều dày lớp vật chất  Nó tác dụng lên lớp nhũ tương phim ảnh  Khi qua lớp vật chất chúng bị hấp thụ, phản xạ tán xạ 1.2.2 Tương tác xạ với vật chất Khi chùm xạ tia-X gamma truyền qua vật số tia truyền qua, số bị hấp thụ tán xạ theo hướng khác Những kiến thức tượng quan trọng người làm công việc chụp ảnh phóng xạ, tượng nêu trình bày cụ thể 1.2.2.1 Hiện tượng hấp thụ Khi chùm xạ truyền qua vật bị suy giảm cường độ Hiện tượng gọi hấp thụ xạ vật chất (Hình 2.1) Chùm tia truyền qua Chùm tia tới Hình 1.1: Hấp thụ xạ Tính chất tượng áp dụng chụp ảnh phóng xạ cơng nghiệp Nếu có khuyết tật bên mẫu vật nghĩa có thay đổi độ dày Sự diện chúng tạo nên thay đổi tương ứng cường độ chùm tia truyền qua, điều ghi nhận ảnh chụp Do tầm quan trọng mà xem xét tượng cách kỹ lưỡng 1.2.2.2 Hệ số hấp thụ Tiến hành thí nghiệm mẫu có chiều dày x, cường độ chùm tia tới I0, cường độ chùm tia truyền qua I chùm tia tới đơn ta có: I = I0exp(-μx) (1.6) Trong μ hệ số hấp thụ tuyến tính Trong biểu thức trên, hệ số hấp thụ tuyến tính μ đại lượng đánh giá suy giảm cường độ xạ theo chiều dày vật liệu có thứ nguyên (đơn vị độ dài)-1 tính theo biểu thức: μ = k λ3z3 (1.7) Với k số phụ thuộc vào mật độ vật lý chất hấp thụ, λ chiều dài bước sóng sơ cấp, Z nguyên tử số chất hấp thụ Khoảng cách 1/μ gọi quãng chạy tự trung bình photon Từ biểu thức ta thấy μ phụ thuộc nhiều vào chiều dài bước sóng sơ cấp (những tia lượng thấp mềm dễ bị hấp thụ hơn), ngồi phụ thuộc nhiều vào nguyên tử số Z chất hấp thụ tăng với Z Đôi để tiện lợi người ta dùng khái niệm hệ số suy giảm khối μm : μ m = μ/ ρ Ở ρ mật độ vật chất 1.2.2.3 Bề dày hấp thụ nửa Bức xạ bị hấp thụ qua vật chất phụ thuộc vào cường độ lượng Trong thực tế người ta thường dùng khái niệm bề dày làm yếu nửa (HVT) để đánh giá khả làm suy giảm xạ loại vật chất Một HVT bề dày lớp vật chất làm giảm nửa cường độ xạ qua chất đó, HVT = 0,693/μ Trong chụp ảnh phóng xạ, lớp nửa định nghĩa chiều dày vật kiểm mà chùm xạ qua bị làm yếu tạo độ đen phim tạo chùm không bị làm yếu thời gian chụp nửa Về khía cạnh che chắn HVT chiều dày vật liệu che chắn cần thiết để giảm suất liều xạ tới cịn nửa Ngồi cịn có khái niệm bề dày làm yếu phần mười (TVT) định nghĩa chiều dày lớp vật liệu che chắn để giảm cường độ xạ suất liều 10 lần, TVT = 2,30/μ 1.2.2.4 Định luật tỷ lệ nghịch bình phương khoảng cách Cường độ xạ điểm phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm tới nguồn Cường độ thay đổi tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Nguyên lý biểu diễn theo biểu thức đại số sau: I r12  I r22 (1.8) Với I1, I2 cường độ xạ điểm C1, C2 khoảng cách r1, r2 Vì I1 ~ E1, I2 ~ E2 nên định luật viết lại: I E1  I E2 (1.9) Với E1, E2 liều chiếu C1, C2 Trong lĩnh vực an tồn xạ biểu thức viết sau: I D1  I D2 (1.10) Trong D1, D2 suất liều xạ khoảng cách r1, r2 tính từ nguồn Điều có nghĩa suất liều giảm nhanh ta di chuyển nguồn xa Nếu khoảng cách tăng lên gấp 10 lần suất liều giảm 100 lần 1.2.2.5 Hấp thụ quang điện Trong trình photon hết lượng để giải phóng điện tử lớp quỹ đạo khỏi nguyên tử Photon biến mất, lượng photon dùng để đánh bật điện tử khỏi quỹ đạo cung cấp cho động Q trình hấp thụ quang điện có hiệu suất cao tương tác xảy với điện tử liên kết chặt nguyên tử không xảy với điện tử tự Chính mà điện tử thuộc lớp K tham gia vào trình mạnh Bức xạ tới Điện tử quang điện Hình 1.2: Hiệu ứng hấp thụ quang điện Hiện tượng quang điện photon lượng (E) thấp nguyên tố có nguyên tử số lớn Xác suất tượng quang điện thay đổi gần theo tỉ lệ 1/E3,5 Z5 Đó lý ta hiểu chì (Pb) uran (U) chất che chắn xạ gama hay tia-X tốt 1.2.2.6 Tán xạ Compton Hiện tượng tán xạ photon có lượng cỡ vài MeV lớn (tương đương với bước sóng   1Ao) va chạm đàn hồi với điện tử tự nguyên tử tạo điện tử chuyển động gọi điện tử compton Photon truyền phần lượng cho điện tử làm tách khỏi nguyên tử chuyển động với vận tốc photon tới bị tán xạ lệch góc so với phương ban đầu lượng giảm Photon tán xạ Bức xạ tới Compton Electron Hình 1.3: Tán xạ Compton Không giống tượng quang điện tán xạ Compton xảy điện tử tự điện tử lớp ngồi có liên kết yếu Trong chụp ảnh cỡ trung bình hiệu ứng Compton q trình suy giảm quan trọng nhất, cần trọng tới ảnh hưởng hiệu ứng Compton trình chụp ảnh tượng đóng góp vào độ nhịe ảnh 1.2.2.7 Hiệu ứng tạo cặp Sự tạo cặp trình biến đổi photon thành hai hạt positron electron Quá trình xảy lượng photon tới vượt hai lần khối lượng nghỉ electron, nghĩa h  2m0c2 = 2*0,511MeV = 1,022 MeV;   0,01 A0,  = 3*1020s-1) chuyển động tới gần hạt nhân electron Bức xạ tới positron Hình 1.4: Hiệu ứng tạo cặp Chú ý: Q trình chiếm ưu gamma tới có lượng cao chuyển động tới gần hạt nhân có nguyên tử số cao Positron bị làm chậm dần hấp thụ trung gian biến sau đó, hai photon biến tương tác thứ cấp với vật chất 1.2.3 Nguyên lý ghi nhận ảnh phim Phim công cụ dùng để thu ghi nhận xạ gamma tia-X chụp ảnh Ghi nhận phim có ưu điểm cho kết cố định, giữ lâu dài Do tính chất “trong suốt“ xạ gamma tia-X phần đối tượng kiểm tra khác nên dựa vào ảnh dễ dàng thấy không đồng mật độ vật liệu chiếu khác bề dày vật liệu đồng Giống ánh sáng nhìn thấy được, tia-X tia gamma gây nên thay đổi quang hố nhũ tương phim ảnh Vì tạo nên thay đổi độ đen phim ảnh Độ đen phim phụ thuộc vào số lượng lẫn lượng xạ đạt tới phim Khi xạ đập vào lớp nhũ tương phim ảnh tạo ảnh gọi ảnh ẩn Nhũ tương phim chứa tinh thể Bromua bạc nhỏ Dưới tác dụng phôtôn xạ lượng hγ, ion âm Br- giải phóng bớt điện tử trở trạng thái trung hịa: Br- + hγ -> Br + eĐiện tử giải phóng trung hoà ion bạc dương Ag+ Ag+ + e- -> Ag Ag+ + Br- -> Ag + Br Các nguyên tử Bromua trung hoà liên kết để tạo nên hạt Br để lại tinh thể AgBr Vì nguyên tử bạc tự đọng lại Trong trình hiện, ảnh ẩn trở thành nhìn thấy Chương 2: KỸ THUẬT CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ TIA-X 2.1 Nguyên lý kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia-X 2.1.1 Nguyên lý chụp ảnh phóng xạ tia-X Nguyên lý chụp ảnh phóng xạ tia-X mơ tả Hình 2.1 Kỹ thuật sử dụng khả xuyên thấu tia-X truyền qua vật chất Nguồn Chùm tia Khuyết tật Mẫu vật Phim Ảnh khuyết tật Hình 2.1: Nguyên lý kiểm tra khuyết tật phương pháp chụp ảnh phóng xạ Bức xạ có lượng cao có khả xun thấu lớn Không phải tất tia xạ xuyên qua vật liệu mà phần bị hấp thụ vật liệu Nếu có khuyết tật rỗng hay tính khơng liên tục vật liệu cần chùm tia xạ nhỏ chùm tia xuyên qua vùng vật liệu đồng Nếu ghi nhận tượng phim tia-X hay gamma cho ta ảnh có hay khơng diện khuyết tật Ảnh có bóng tối tạo tia X hay gamma khác chỗ có khơng có khuyết tật Như vậy, độ nhạy ảnh chụp phóng xạ dựa vào nguyên lý che “tối, sáng” xạ phim sau qua vật liệu Sự khác vùng tối sáng dịch thông tin liên quan đến cấu trúc bên vật liệu Tóm lại, phương pháp chụp ảnh phóng xạ kiểm tra vật thể với kích thước hình dạng khác từ cỡ micro mét tới vật có kích thước lớn kiểm tra cấu trúc phận nhà máy Khác với phương pháp NDT khác chụp ảnh phóng xạ ứng dụng cho nhiều loại vật liệu khác mà không cần chuẩn bị bề mặt mẫu vật Phương pháp chụp ảnh phóng xạ cho kết kiểm tra tin cậy, số liệu kiểm tra lưu lại Tuy nhiên, phương pháp có hạn chế định gây nguy hiểm cho người phải sử dụng nguồn xạ, tiến hành trường làm gián đoạn q trình sản xuất 2.1.2 Lựa chọn thông số kỹ thuật 2.1.2.1 Giới thiệu chung Sự lựa chọn kỹ thuật chụp ảnh xạ phải dựa độ nhạy u cầu đặt Để có hình ảnh gián đoạn nhỏ rõ phim phải sử dụng kỹ thuật chụp ảnh xạ đặc thù cho loại mẫu vật Kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ bị chi phối thành phần:  Loại nguồn xạ;  Loại phim sử dụng;  Khoảng cách từ nguồn tới phim;  Sự bố trí chùm tia xạ Để lựa chọn kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ đặc thù phải dựa vào đại lượng sau:  Vật liệu cấu hình mẫu vật;  Quá trình chế tạo (đúc, hàn…);  Vùng biết trước có khuyết tật chất khuyết tật;  Diện tích vùng kiểm tra;  Độ nhạy yêu cầu… 2.1.2.2 Nguồn xạ Khi sử dụng nguồn xạ máy phát tia-X dễ dàng thay đổi lượng tia-X phát phù hợp cho việc kiểm tra vật liệu kim loại nhẹ có bề dày nhỏ Đặc biệt, ảnh chụp phóng xạ tia-X cho độ tương phản cao Bề dày thép cực đại ứng với cao khác nêu Bảng 2.1 Bảng 2.1: Bề dày thép cực đại dùng nguồn tia-X Bề dày thép cực đại (mm) Nguồn (kV) Độ nhạy cao Độ nhạy thấp 100 10 25 150 15 50 200 25 75 400 75 115 1000 125 165 2000 200 250 5000 300 350 2.1.2.3 Sự bố trí hình học Ảnh chụp phóng xạ tạo phim tạo nhờ q trình tạo bóng Sự biến dạng ảnh phim so với hình dạng thật gián đoạn vật định yếu tố kích thước nguồn, SFD, OFD, hướng chùm tia phóng xạ… S d t SFD Nguồn Độ đen Ug Hình 2.2: Độ nhịe hình học Ug Độ nhịe hình học (Ug) đại lượng điều chỉnh thông qua công thức sau (được thành lập từ Hình 2.2): Ug  d *t SFD  t (2.1) Trong đó: d kích thước nguồn (mm); t bề dày mẫu vật Như vậy, để có ảnh chụp xạ sắc nét kích thước nguồn phải nhỏ, khoảng cách nguồn với mẫu vật kiểm tra lớn khoảng cách mẫu vật tới phim nhỏ Tuy nhiên, phim có độ nhịe nguyên thủy nên ta tăng khoảng cách nguồn với vật q lớn vơ ích ảnh hưởng tới thời gian chiếu Bảng 2.2: Các giá trị SFD hữu ích cực đại Kích thước nguồn (mm) Bề dày thép (mm) Cao (kV) SFD cực đại (mm) 2 2 4 12 25 50 12 25 50 100 150 220 350 150 220 350 250 380 530 760 750 1040 1500 Giá trị SFD hữu ích cực đại nêu Bảng 2.2 Ngược lại, để giảm thời gian chiếu giảm SFD phải thỏa mãn giá trị Ug theo yêu cầu ảnh chụp xạ đặt Từ công thức 2.1, ta có:  d SFDmin  t  1   U g max     (2.2) 2.1.2.4 Lựa chọn phim Tùy theo yêu cầu đặt ảnh chụp xạ mà ta chọn loại phim cho phù hợp Sự lựa chọn phim dựa phân loại tiêu chuẩn khác Theo tiêu chuẩn DIN phim phân thành nhóm, nhóm G1 có độ tương phản cao Đối với tiêu chuẩn ASTM phim phân thành loại: loại đặc biệt, loại loại Thông thường, yêu cầu không nghiêm ngặt loại phim sử dụng G3 (theo DIN) hay loại (theo ASTM) Mặt khác, để lựa chọn sử dụng phim tốt cần phải dựa vào bảng hướng dẫn lựa chọn phim hãng phim Bảng 2.3 hướng dẫn cách sử dụng phim Structurix hãng Agfa Bảng 2.3: Hướng dẫn cách sử dụng phim Structurix hãng Agfa Bề dày thép (inch) Dải lượng tia X phim đề nghị sử dụng 80 – 120kV 120 – 150kV 150 – 250kV 250 – 400kV 0–¼ D7 D7 – D5 – D4 D4 – D4 - ẳ-ẵ - D7 D5 D4 D7 – D5 – D4 – D2 D4 – D2 ½-1 - D7 D7 – D5 – D4 D7 – D5 – D4 1–2 - - D7 – D4 D7 – D5 – D4 2–4 - - - D7 2.1.3 Liều chiếu dùng chụp ảnh phóng xạ tia-X Hiểu biết liều chiếu chụp ảnh phóng xạ cần thiết nhằm tính tốn giá trị thích hợp liều thời gian để thu ảnh chụp có chất lượng theo yêu cầu 2.1.3.1 Định nghĩa liều chiếu Về mặt tốn học, liếu chiếu định nghĩa E = I * t, E liều chiếu, I cường độ xạ, t thời gian mà vật chiếu xạ Liều chiếu đo Roentgen (R) Về phép chiếu xạ chụp ảnh liều chiếu xem kết hợp cường độ nguồn thời gian để cho phim chiếu xạ thích hợp Nên liều chiếu ứng với trường hợp khác nhau: - Đối với máy phát tia X: Liều chiếu = Dịng phóng (mA) * thời gian (giây) - Đối với nguồn gamma: Liều chiếu = Hoạt độ (Ci) * thời gian (giờ) 2.1.3.2 Các phương pháp xác định liều chiếu Việc xác định liều chiếu thích hợp mẫu vật cụ thể cần thiết để tiết kiệm thời gian lao động vật tư thiết bị mà cho ảnh chụp đạt yêu cầu Có số phương pháp xác định liều chiếu sau 2.1.3.3 So sánh với số liệu có trước Các kết xác định lần đo trước ghi chép thành bảng sẵn cần sử dụng bảng có sẵn để so sánh mà khơng cần phải tính tốn Chú ý áp dụng với trường hợp tương tự 2.1.3.4 Sử dụng đường đặc trưng Đường đặc trưng phim đường cong xây dựng trước cho máy phát nguồn loại vật liệu cụ thể để đạt độ đen theo yêu cầu (thường D = 2,0) Nguyên lý sau: Gọi liều chiếu thử Et, cho độ đen Dt độ đen yêu cầu nhận phải Dr, Ect liều chiếu tương ứng với độ đen Dt, Ecr liều chiếu tương ứng với độ đen Dr Các giá trị độ đen đọc đường đặc trưng phim (Hình 2.3) liều chiếu E xác định để thu độ đen yêu cầu là: Hay E Ecr  Et Ect E E  Et cr Ect (2.3) (2.4) 2.5 Độ đen 2,0 1,5 1,4 1,0 0,5 0,0 10 50 150 200 E E ct cr 100 500 1000 Liều chiếu tương đối 2.1.3.5 Phương pháp giản đồ liều chiếu Hình 2.3: Đường đặc trưng loại phim định Giản đồ liều chiếu tức mô tả mối quan hệ thời gian chiếu với bề dày vật liệu giá trị cường độ, điện áp, khoảng cách SFD điều kiện xử lý phim để đạt giá trị độ đen (ví dụ D = 2,0) loại phim cụ thể Một giản đồ chiếu thường xây dựng cho máy phát tia-X nguồn gamma loại vật liệu cụ thể, phương pháp chuẩn bị giản đồ khác Khi xây dựng giản đồ chiếu phải ghi rõ thông tin cần thiết như: Loại máy, loại phim, độ đen phim, quy trình xử lý phim (loại thuốc hiện, thời gian hiện, nhiệt độ thuốc hiện), loại vật liệu, loại tăng cường (nếu có), khoảng cách từ nguồn tới phim GIẢN ĐỒ LIỀU CHIẾU CỦA MÁY PHÁT TIA-X “RF-200EGM” Phim : Fuji #100 Màng tăng cường : Mànchì 0,03 mm Khoảng cách từ nguồn đến phim : 600 mm Thời gian chiếu (phút) 5,0 3,0 2,0 1,0 0,5 Chiều dày thép (mm) Hình 2.4: Giản đồ chiếu dành cho máy phát tia-X “RF-200EGM” dùng cho chụp vật liệu thép giá trị cao áp khác Một phương pháp xây dựng giản đồ chiếu phương pháp sử dụng nêm dạng bậc làm từ vật liệu cần thiết ứng dụng thực tế, nêm có dải bề dày phù hợp với loại tia-X gamma Ví dụ: Đối với loại tia-X cao áp 150kV dùng nêm thép với bậc 2mm bề dày lớn cỡ 4cm phù hợp, nêm dạng bậc nhôm với bậc dày 5,0mm bề dày lớn 8,0mm phù hợp Việc chụp ảnh phóng xạ nêm dạng bậc thép tiến hành vùng khác đường giản đồ liều chiếu phải lựa chọn phù hợp để thu phổ độ đen đầy đủ ảnh phóng xạ việc tráng rửa phim phải nghiêm khắc tuân theo quy trình chuẩn thu giản đồ chiếu xác Ở đây, việc đo độ đen bậc khác thực máy đo độ đen xếp theo bề dày bậc tương ứng Mỗi giá trị cao áp ghi kết vào bảng Các liều chiếu vẽ theo bề dày tương ứng với giá trị cao áp để thu đường giản đồ chiếu