Kiểm tra vật liêu bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ

báo cáo Kiểm tra vật liêu bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ

1 Kiểm tra chất l-ợng mối hàn bằng ph-ơng pháp chụp ảnh bức xạ 1. Nguyên lý của phép chụp ảnh bức xạ 1.1. Chụp ảnh gamma và chụp ảnh tia X Trong các kỹ thuật hàn, th-ờng hay gặp các khuyết tật d-ới dạng vết nứt, vết phồng, vết rỗ tổ ong, vết rò, vết lẹo và các dạng khuyết tật khác. Tuỳ theo vị trí của chúng trên tiết diện của mối hàn, ng-ời ta phân biệt các khuyết tật bên trong và các khuyết tật bên ngoài. Các khuyết tật bên trong chỉ có thể phát hiện đ-ợc bằng các ph-ơng pháp vật lý, trong đó ph-ơng pháp hữu hiệu nhất là ph-ơng pháp chụp ảnh bức xạ (Radiography). Theo ý nghĩa thông th-ờng chụp ảnh bức xạ gồm chụp ảnh gamma và chụp ảnh tia X. Về bản chất, tia X và tia gamma đều là bức xạ điện từ. Chúng chỉ khác nhau về b-ớc sóng (do đó khác nhau về năng l-ợng chúng mang theo) và nguồn gốc. Phép chụp ảnh phóng xạ trong công nghiệp th-ờng sử dụng tia X có năng l-ợng từ vài chục tới vài trăm keV (Kiloelectron-Volt) và tia gamma có năng l-ợng từ vài chục tới vài nghìn KeV. Tia X đ-ợc Roentgen phát minh ra vào năm 1895, nh-ng 20 năm sau phép chụp ảnh tia X mới bắt đầu đ-ợc áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tia gamma có nguồn gốc từ các chuyển đổi năng l-ợng ở hạt nhân nguyên tử, trên thực tế đ-ợc Becquerel phát hiện cùng với hiện t-ợng phóng xạ vào đầu năm 1896. Các nghiên cứu về chụp ảnh gamma cũng đ-ợc tiến hành ngay sau đó. 1.2. Nguyên lý chụp ảnh bức xạ Trong phép chụp ảnh bằng ánh sáng, các tia sáng phản xạ từ vật chụp, đi qua một hệ thống thấu kính trong máy ảnh để tạo nên một ảnh thực trên phim. Trong phép chụp ảnh bức xạ tia bức xạ từ nguồn bức xạ, đi qua vật chụp để lại hình ảnh của vật chụp trên phim vốn đ-ợc đặt ngay sau vật chụp (hình 1). 2 4 3 5 2 1 Hình 1: Nguyên lý chụp ảnh bức xạ: 1- Nguồn bức xạ; 2- Tia bức xạ; 3- Vật chụp; 4- Khuyết tật; 5- Phim. Sự khác nhau chủ yếu giữa phép chụp ảnh bằng ánh sáng và phép chụp ảnh bằng bức xạ là khâu xử lý phim. Sau khi chụp, phim đ-ợc đ-a vào phòng tối để xử lý: hiện ảnh và hãm ảnh. Tuy nhiên, trong phép chụp ảnh bức xạ ng-ời ta không cần in ảnh lên giấy ảnh; khi cần khảo sát, chỉ cần soi phim trên màn soi hoặc dùng các máy chiếu để khuếch đại ảnh. 2. Nguồn bức xạ Nguồn bức xạ là công cụ tạo ra các tia bức xạ. Nhờ sự t-ơng tác của tia bức xạ với vật chụp, mà ta thu đ-ợc các thông tin ở bên trong của vật chụp. Quá trình t-ơng tác này cũng nh- chất l-ợng thông tin thu đ-ợc, phụ thuộc vào chất l-ợng của bức xạ (năng l-ợng, loại bức xạ). 2.1. B-ớc sóng và năng l-ợng của bức xạ Bức xạ điện từ th-ờng có b-ớc sóng xác định và t-ơng ứng với nó là năng l-ợng xác định. Đơn vị để đo b-ớc sóng là mét (m) và các dẫn suất của mét. Đơn vị để đo năng l-ợng là electron - Volt (eV). 1 eV là động năng của electron thu đ-ợc khi nó chuyển động trong một điện tr-ờng có hiệu điện thế là 1 Volt. Bội số của eV là keV (1.000 eV), MeV (1.000.000 eV). Bảng 1. Giới thiệu bảng b-ớc sóng và năng l-ợng của bức xạ tia X và gamma th-ờng dùng để kiểm tra chất l-ợng mối hàn. 3 Bảng 1. Giới thiệu bảng b-ớc sóng và năng l-ợng của bức xạ tia X và gamma th-ờng dùng để kiểm tra chất l-ợng mối hàn 2.2. Tia X và tia gamma 2.2.1. Các đặc điểm chung - Là các tia không nhìn thấy gồm từ các photon - Chúng di chuyển với vận tốc ánh sáng - Không bị lệch h-ớng bởi thấu kính, do đó trong thiết bị chụp ảnh bức xạ không có các hệ thấu kính để tạo ảnh nh- máy ảnh thông th-ờng. - Có thể xuyên qua vật chất, nh-ng c-ờng độ yếu đi chủ yếu do quá trình hấp thụ và một phần nhỏ khác bị tán xạ. Mức độ đâm xuyên phụ thuộc vào loại vật chất, bề dầy và cấu trúc của nó, cũng nh- năng l-ợng của chùm tia. - Là bức xạ ion hoá, nghĩa là có thể giải phóng electron trong vật chất. - Có thể làm biến đổi hoặc phá huỷ tế bào của cơ thể sống. 2.2.2. Các đặc điểm riêng Tia X th-ờng đ-ợc tạo ra trong các đèn phát tia X khi electron gia tốc đập vào anot; phổ năng l-ợng của nó có dạng liên tục. Tia gamma phát ra khi hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ bị phân rã. Phổ năng l-ợng là gián đoạn và c-ờng độ phát xạ không điều khiển đ-ợc. Bức xạ B-ớc sóng, m Năng l-ợng, keV Tia X và gamma Tia gamma 10 -10 10 -11 10 -12 10 100 1000 4 2.3. Các đặc tr-ng của nguồn bức xạ 2.3.1. Các đặc tr-ng chung - C-ờng độ bức xạ: C-ờng độ bức xạ là số photon trong một đơn vị thời gian đập vào một đơn vị diện tích nằm vuông góc với chùm hạt. Đơn vị đo của c-ờng độ bức xạ là photon/cm 2 .s. - Hệ số hấp thụ tuyến tính: Hệ số hấp thụ tuyến tính chỉ khả năng hấp thụ của vật chất với bức xạ có năng l-ợng xác định khi xuyên qua nó. Nó đ-ợc xác định bằng công thức: trong đó I o và I t-ơng ứng với c-ờng độ bức xạ tr-ớc và sau khi đi qua lớp vật chất có bề dày là d. - Bề dày nửa giá trị (HVT - Half Value Thickness) và bề dày 1 phần 10 giá trị (TVT - Tenth Value Thickness).: HVT và TVT là bề dày của một lớp vật liệu nào đó làm suy giảm c-ờng độ bức xạ xuống t-ơng ứng còn một nửa và 1/10 giá trị. Chúng có mối liên hệ với hệ số hấp thụ tuyến tính nh- sau: HVT = 0,693/ (2) TVT = 2,303/ (3) HVT không phải là một hằng số đối với một chùm bức xạ. - Bề dày chụp tối đa: Ng-ời ta quy định bề dày chụp tối đa có thể chụp đ-ợc, d max bằng 4 lần giá trị HTV: d max = 4HVT (4) - C-ờng độ bức xạ tỷ lệ nghịch với bình ph-ơng khoảng cách: C-ờng độ bức xạ tại một điểm nào đó phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm đó tới nguồn và tỷ lệ nghịch với bình ph-ơng khoảng cách đó. Ví dụ tại điểm 1 cách nguồn là r 1 mét c-ờng độ bức xạ đo đ-ợc là I 1 ; tại điểm 2 cách nguồn là r 2 mét c-ờng độ bức xạ đo đ-ợc là I 2 , thì ta có: )1(, lnln d II o )5( 2 1 2 2 2 1 r r I I 5 2.3.2. Các đặc tr-ng của nguồn phóng xạ gamma Một nguồn phóng xạ gamma th-ờng gồm một lõi chất phóng xạ đ-ợc đặt trong buồng kín bằng chì hoặc uranium và bộ phận điều khiển để đ-a nguồn vào vị trí chiếu. Hình 2. Giới thiệu sơ đồ của gamma và chụp ảnh 1 . 3 2 Hình 2. Sơ đồ của nguồn gamma chụp ảnh: 1- Buồng bảo vệ; 2- lõi nguồn; 3- Bộ phận điều khiển nguồn ra vào. - Hoạt độ phóng xạ: Mỗi nguồn phóng xạ đ-ợc đặc tr-ng bằng hoạt độ phóng xạ. Đại l-ợng này cho ta khái niệm khả năng phát xạ mạnh hay yếu. Hoạt độ phóng xạ đ-ợc đo bằng số lần phân rã của đồng vị phóng xạ diễn ra trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel (Bq) hoặc Curie (Ci). 1Bq = 1 phân rã/s (6) 1Ci = 3,7 x 10 10 Bq (7) - Hằng số phân rã và chu kỳ bãn rã T 1/2 : Các chất phóng xạ phân rã theo định luật hàm mũ: N(t) = N o e - t (8) Trong đó N o và N(t) t-ơng ứng là số hạt nhân chất phóng xạ tại thời điểm t o và t; là hằng số phân rã; nó có giá trị không đổi với một chất đồng vị phóng xạ. Chu kỳ bán rã T 1/2 của một đồng vị phóng xạ đ-ợc xác định bằng công thức: T 1/2 = 0,693/ (9) T 1/2 là khoảng thời gian trong đó hoạt độ phóng xạ của đồng vị phóng xạ giảm đi một nửa. 6 - Năng l-ợng bức xạ: Mỗi nguồn phóng xạ gamma dùng trong phép chụp ảnh phát ra các tia gamma mang năng l-ợng nhất định. Bảng d-ới đây giới thiệu đặc tr-ng của một số nguồn gamma th-ờng dùng trong chụp ảnh công nghiệp: Bảng 2. Đặc tr-ng của một số nguồn gamma 2.3.3. C á c đ ặ c tr-ng của máy phát tia X Thông th-ờng sơ đồ nguyên lý của một máy phát phát tia X gồm một đèn phát tia X, một biến thế điều áp cao và một bảng điều khiển (Hình 3). Đèn phát tia X có cấu tạo từ catot, nơi phát ra điện tử và anot, nơi phát ra tia X. Hình 3. Sơ đồ của máy phát tia X: 1- Đèn phát tia X; 2- Biến thế điện áp cao; 3- Bảng điều khiển; 4- Anot; 5- Catot. - Dòng đốt: Catot hay còn gọi là filamăng là một dây đốt phát ra điện tử. Dòng đốt một chiều đ-ợc nối với filamăng có điện áp từ 1 tới 5A. Dòng điện tử giữa catot và anot th-ờng nhỏ hơn, có giá trị cỡ miliampe (mA) và có thể đo trực Đồng vị T 1/2 Năng l-ợng, MeV HVT đối với chì, mm 137 Cs 60 Co 192 Ir 169 Yb 170 Tm 30 năm 5,3 năm 74 ngày 31 ngày 127 ngày 0,66 1,17 ; 1,33 0,13 ; 0,9 0,06 ; 0,31 0,052 ; 0,084 8,4 13 2,8 0,88 - 3 2 5 1 4 7 tiếp trên bảng điều khiển. C-ờng độ phát tia X phụ thuộc vào dòng đốt và dòng điện tử. - Điện áp gia tốc: Để gia tốc điện tử tới một năng l-ợng nhất định tr-ớc khi đập vào catot, ng-ời ta đặt một điện áp cao cỡ từ vài chục tới vài trăm kilovolt giữa anot và catot. Điện áp này do biến thế điện áp cao cung cấp. Năng l-ợng cực đại của tia X bằng năng l-ợng của electron gia tốc. Khi điện tử đập vào anot, làm anot nóng lên, ng-ời ta dùng n-ớc hoặc không khí làm nguội bia. Hiệu suất làm nguội bia càng lớn thì tuổi thọ của bia càng cao. Thông th-ờng một đèn phát tia X có tuổi thọ từ vài trăm tới vài nghìn giờ. - Công suất lối ra của thiết bị đ-ợc coi là liều chiếu của thiết bị đ-ợc tính bằng R/min tại khoảng cách một mét cách đầu phát. 2.4. Các đơn vị đo liều bức xạ 2.4.1. Liều chiếu Liều chiếu của một nguồn bức xạ tại một vị trí nào đó đ-ợc coi là một l-ợng điện tích do bức xạ tạo ra của 1kg không khí tại vị trí đó. Đơn vị liều chiếu ngoại hệ là Culongb/kilogam (C/kg). Đơn vị liều chiếu ngoại hệ là Rơnghen (R). 1R = 2,58x10 -4 C/kg (10) hay 1C/kg = 4000R (11) 2.4.2. Liều hấp thụ Liều hấp thụ của chất nào đó đ-ợc xác định bằng số năng l-ợng của bức xạ đ-ợc 1 kg của chất đó hấp thụ. Đơn vị đo liều hấp thụ là Gray (Gy) 1 Gy = 1 J/kg (12) Đơn vị đo liều hấp thụ ngoại hệ là rad 1 rad = 1/100 Gy (13) 2.4.3. Liều t-ơng đ-ơng Liều t-ơng đ-ơng: Liều t-ơng đ-ơng th-ờng đ-ợc sử dụng để đo hiệu ứng sinh học của bức xạ đối với cơ thể con ng-ời. Đơn vị đo liều t-ơng đ-ơng là Sievert (Sv). Đối với bức xạ gamma và tia X 1 Gy = 1 Sv (14) 8 2.4.4. Đo liều bức xạ Để đo liều l-ợng bức xạ ng-ời ta th-ờng sử dụng các liều kế bức xạ. Một liều kế bức xạ đơn giản th-ờng bao gồm một đầu dò phóng xạ đ-ợc nối với một điện áp là một miliampe kế để đo dòng điện (Hình 4). 1 3 2 Hình 4. Sơ đồ nguyên lý của một thiết bị đo liều bức xạ: 1. Đầu dò phóng xạ; 2- Nguồn điện áp một chiều; 3- Ampe kế. Khi bức xạ đập vào đầu dò, chúng tạo ra hiện t-ợng ion hoá vật chất chứa trong đầu dò. Do anot và catot của đầu dò đ-ợc nối với điện tích d-ơng và âm t-ơng ứng nên các điện tích trong đầu dò chuyển động về các điện cực trái dấu. C-ờng độ của dòng điện do ampe kế ghi đ-ợng tỷ lệ với liều chiếu và liều hấp thụ. 3. Phim và đặc tr-ng của phim 3.1. Cấu tạo của phim Phim dùng trong phép chụp ảnh bức xạ th-ờng có 4 lớp: lớp nền, lớp đệm, lớp nhũ t-ơng (lớp nhạy bức xạ) và lớp bảo vệ. - Lớp nền: Lớp nền là lớp cơ sở để gắn lớp vật liệu nhạy bức xạ. Nó đ-ợc làm từ vật liệu polyme trong suốt, có tính chất bền cơ học bền hoá học và bền bức xạ cao. Polyester là loại vật liệu th-ờng dùng làm lớp nền. - Lớp đệm: Lớp đệm là lớp rất mỏng giúp lớp nhũ t-ơng gắn vào lớp nền. - Lớp nhũ t-ơng: Thành phần chính của lớp nhũ t-ơng là các tinh thể bạc treo lơ lửng trong chất gelatin. Nhũ t-ơng đ-ợc tạo ra bằng cách cho AgNO 3 tác dụng với KBr để thu đ-ợc AgBr sau đó đ-ợc trộn với chất keo (gelatin) để thu đ-ợc thể huyền phù. 9 - Lớp bảo vệ: Lớp bảo vệ th-ờng đ-ợc làm từ getalin, có tác dụng bảo vệ lớp nhũ t-ơng khỏi các tác động cơ học. Một phim chụp bức xạ có thể từ 2 lớp nhũ t-ơng để tăng độ nhạy và độ t-ơng phản của phim 3.2. Các đặc tr-ng của phim Phim sau khi chụp ảnh bức xạ đ-ợc xử lý để nhận đ-ợc ảnh của vật chụp. Mức độ tối sáng của ảnh đ-ợc đặc tr-ng bởi mật độ quang có thể đo đạc đ-ợc. 3.2.1. Độ đen hay mật độ quang học của phim (film density) Độ đen của phim OD đ-ợc định nghĩa là logarit cơ số 10 của tỷ số giữa c-ờng độ bức xạ tới phim đó I o và c-ờng độ bức xạ sau khi đi qua phim I. OD =log (I o /I) (15) Độ đen của phim có thể cảm nhận bằng mắt th-ờng thông qua độ tối, sáng khác nhau trên phim. Để đo độ đen của phim ng-ời ta dùng một thiết bị gọi là mật độ kế (densitometer) hay máy đo mật độ quang. Các yếu tố chủ yếu ảnh h-ởng tới độ đen của phim là loại phim, năng l-ợng bức xạ, liều chiếu và chế độ rửa phim. 3.2.2. Liều chiếu E (Exposure) Liều chiếu của bức xạ tác dụng lên lớp nhũ t-ơng đ-ợc xác định bằng tích của c-ờng độ bức xạ tới I với thời gian chiếu T: E = IT (16) 3.2.3. Độ t-ơng phản - Độ t-ơng phản của một hình ảnh trên phim là độ sáng t-ơng đối của ảnh so với nền. Nó chỉ sự khác biệt về độ đen giữa chúng và đ-ợc gọi là độ t-ơng phản ảnh. - Độ t-ơng phản phim hay gradient phim G xác định độ nhạy của phim và biểu thị bằng công thức: 10 trong đó OD 2 và OD 1 là mật độ phim tại liều chiếu t-ơng ứng E 2 và E 1 . Hai phim chiếu cùng một chế độ E 2 và E 1 , phim nào có độ t-ơng phản lớn hơn (hiệu số OD 2 - OD 1 lớn hơn) phim ấy đ-ợc coi là phim có độ nhậy cao hơn. - Độ t-ơng phản vật chụp. Độ t-ơng phản vật chụp là tỷ số giữa c-ờng độ bức xạ truyền qua giữa hai vùng trên vật chụp. Độ t-ơng phản vật chụp phụ thuộc vào sự khác biệt về bề dày, mật độ, nguyên tử số của vật liệu tại hai vùng so sánh; nó cũng phụ thuộc vào tính chất của bức xạ. Bức xạ có năng l-ợng càng thấp độ t-ơng phản của vật chụp càng cao. Độ t-ơng phản ảnh là tác dụng tổng hợp của độ t-ơng phản phim và độ t-ơng phản của vật chụp. 3.2.4. Đ-ờng đặc tr-ng phim Độ đen của phim tỷ lệ tuyến tính với liều chiếu chỉ là một khái niệm gần đúng. Sự phụ thuộc của độ đen của phim vào liều hấp thụ (hoặc liều chiếu) đ-ợc gọi là đ-ờng đặc tr-ng phim. Sự phụ thuộc này mang tích chất bão hoà (dạng hình chữ S nghiêng - hình 5) và đ-ợc biểu diễn bằng công thức: (OD) D = (OD) o x (1-e -koD ) (18) trong đó (OD) o và (OD) D là độ đen của phim ở liều hấp thụ của phim t-ơng ứng bằng không và bằng D, k o - hệ số xác định độ nhậy của phim. )17( loglog 12 12 EE ODOD G . Kiểm tra nhiệt độ của hai loại thuốc. Tốt nhất thuốc đ-ợc duy trì ở nhiệt độ 20 o C - Kiểm tra dòng n-ớc l-u thông ở các bề tráng và giữ phim - Có bảng tra. độ đen xác định nhanh hơn (ít thời gian hơn) phim đó có tốc độ lớn hơn. Với khái niệm tốc độ phim, ng-ời ta phân biệt các loại phim nhanh và phim chậm.