Đề tài Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển trên máy tính pc để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát tia x đến 160kv

Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
oOo






Báo cáo tổng kết đề tài

m số: 141.11.rd/hĐ-KHCN





Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển
trên máy tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống
nguồn phát tia X đến 160kV






Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài

TS. Nguyễn Đức Mimh ThS. Nguyễn Chí Cờng




Hà nội 11/2011
Danh sách các thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên Học hàm, học vị Cơ quan công tác

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Nguyễn Chí Cờng

Phan Anh Dũng

Nguyễn Hữu Vĩnh

Phùng Văn Đông

Phạm Thanh Tú

Trần Văn Chung

Nguyễn Văn Đông

Nguyễn Hồng Giang

Nguyễn Văn Thoại

Dơng Văn Nghĩa


ThS. CNTT

ThS. Điện tử VT

KS CNTT

CN Vật lý hạt nhân

CN CĐT

CN CNTT

KS Điện Tử VT

KS Điện Tử VT

KS Tự động hóa

KS Tự động hóa


Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Viện máy và dụng cụ công nghiệp





2
Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
Cộng hoà x hội chủ nghĩa Việt nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Báo cáo tóm tắt
thực hiện đề tài 141.11.rd/HĐ-KHCN

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển trên
máy tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát
tia X đến 160kV
Cấp quản lý: Bộ Công Thơng
Cơ quan thực hiện: Viện máy và dụng cụ công nghiệp.

Theo tinh thần và nội dung của Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển
công nghệ số 141.11.RD/HĐ-KHCN, ký ngày 18/04/2011 với Bộ Công thơng, Viện
máy và dụng cụ công nghiệp đã hoàn thành đề tài Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng
phần mềm điều khiển trên máy tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát

tia X đến 160kV.
I.> Các nội dung nghiên cứu và tiến trình thực hiện:
1. Thời gian bắt đầu: 01/2011.
2. Nghiên cứu tổng quan về tia X và hệ thống nguồn phát tia X.
từ tháng 01/2011 đến tháng 02/2011
3. Thiết kế kỹ thuật tổng thể hệ thống nguồn phát tia X.
từ tháng 03/2011 đến tháng 04/2011
4. Xây dựng thuật toán cho phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống nguồn phát tia
X.
từ tháng 03/2011 đến tháng 05/2011
5. Xây dựng phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống nguồn phát tia X.
từ tháng 05/2011 đến tháng 09/2011
6. Báo cáo giữa kỳ về các kết quả đã thực hiện
tháng 06/2011

3
7. Tích hợp toàn bộ hệ thống điều khiển nguồn phát tia X bao gồm phần mềm điều
khiển trên PC và các thành phần của hệ thống nguồn phát tia X sẵn có của Phòng thí
nghiệm Kỹ thuật tia X IMI
từ tháng 09/2011 đến tháng 10/2011
8. Thử nghiệm, đánh giá tính năng, sự hoạt động của toàn bộ hệ thống.
từ tháng 10/2011 đến tháng 11/2011
9. Nghiệm thu cấp cơ sở và chuẩn bị hồ sơ để nghiệm thu cấp Bộ
tháng 11/2011
10. Báo cáo tổng kết đề tài.
tháng 12/2011
Kết quả: Đề tài đã tạo ra đợc bộ sản phẩm của đề tài đúng theo nh thuyết minh
đề tài, bao gồm:
+ Báo cáo tổng quan về tia X và hệ thống điều khiển nguồn phát tia X.
+ Bộ thuyết minh và thiết kế tổng thể hệ thống điều khiển nguồn phát tia X.

+ Phần mềm giám sát, điều khiển nguồn phát tia X trên máy tính PC.
+ Ghép nối, đồng bộ hệ thống điều khiển nguồn phát tia X trên cơ sỏ các thiết
bị X-Ray thuộc Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tia X IMI.
+ Báo cáo thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động của toàn bộ hệ thống

Qua các kết quả thu đợc trong quá trình thử nghiệm, thấy rằng hệ thống đợc
thiết kế, xây dựng và ghép nối đã đáp ứng đợc tất cả các yêu cầu đề ra của đề tài.
II.> Sử dụng kinh phí đề tài:
Kinh phí đợc cấp cho đề tài đã đợc sử dụng đúng mục đích, theo đúng nh
các hạng mục đã nêu trong dự toán ban đầu. Toàn bộ kinh phí từ nguồn NSNN của đề
tài (140.000.000 VNĐ - Một trăm bốn mơi triệu đồng) đã đợc sử dụng hết.
- Mua vật t, nguyên, nhiên, vật liệu, tài liệu, dụng cụ phục vụ cho công việc
thực hiện đề tài.
- Thuê khoán chuyên môn.
- Vật t, văn phòng phẩm, công tác phí.
III.> Kết luận và hớng phát triển:
Đề tài 141.11.RD/HĐ-KHCN đã đợc hoàn thành và đáp ứng đợc các mục
tiêu đặt ra ban đầu.

4
Sản phẩm của đề tài đã đợc đánh giá, thử nghiệm tại cơ sở, đạt đợc các chỉ
tiêu chất lợng, kỹ thuật mong muốn.
Kết quả của đề tài góp phần nâng cao tính an toàn, hiệu quả, tính đồng bộ, tự
động hóa trong việc sử dụng các thiết bị X-Ray của Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tia X
IMI.
Các kết quả nghiên cứu và sản phẩm của đề tài đã góp phần để Viện IMI làm
chủ công nghệ và chế tạo thành công Bộ điều khiển trong hệ thống nguồn phát tia X
cho máy chụp X quang thờng quy trong y tế.
Để kết quả của đề tài có thể đợc ứng dụng rộng rãi hơn, nhóm thực hiện đề tài
kiến nghị:

- Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện sản phẩm của đề tài để có thể triển khai, ứng
dụng rộng rãi Phần mềm điều khiển nguồn phát tia X trên máy tính PC cho
các thiết bị X-Ray cha có sự điều khiển, giám sát bằng máy tính.
- Mở rộng nghiên cứu trong các lĩnh vực liên quan tới nhóm thiết bị sử dụng tia
X để tiến tới làm chủ các công nghệ của thiết bị X-Ray và có thể chế tạo từng
phần hoặc toàn bộ hệ thống thiết bị X-Ray.
Đề nghị hội đồng nghiệm thu cấp cơ sở và cấp Bộ tiến hành nghiệm thu đề tài.
Chủ nhiệm đề tài


ThS. Nguyễn Chí Cờng

5
Báo cáo khoa học kỹ thuật
đề tài 141.11.rd/hđ-khcn

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển trên máy tính
PC để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát tia X đến 160kV

Nội dung báo cáo
Mở đầu
+ Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc.
+ Mục tiêu đề tài
Nội dung chính

Phần I:
Tổng quan về tia X và hệ thống nguồn phát tia X
Phần II:
Thiết kế kỹ thuật tổng thể cho hệ thống nguồn phát tia X
Phần III:

Cơ sở xây dựng, lu đồ hoạt động, sơ đồ thuật toán và các chức
năng của phần mềm điều khiển hệ thống nguồn phát tia X

Phần IV:
Tích hợp, thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống
nguồn phát tia


Kết luận và hớng phát triển
+ Các kết quả đạt đợc
+ Hớng phát triển



6
Mục lục

Nội dung
Trang
Mở đầu
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc
Mục tiêu nghiên cứu và các nội dung thực hiện chính của đề tài

nội dung chính


9
11

Phần I Tổng quan về tia X và hệ thống nguồn phát tia X

12
1. Tổng quan về tia X
12
1.1. Bản chất vật lý của tia X 12
1.2. Các tính chất đặc trng của tia X 13
1.3. Nguyên lý tạo tia X 14
2. Tổng quan về hệ thống nguồn phát tia X
14
2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống nguồn phát tia X 14
2.2. Nguyên lý hoạt động chung của các hệ thống nguồn phát tia X 16
Phần II Thiết kế kỹ thuật tổng thể cho hệ thống nguồn phát tia X
19
1 . Giới thiệu về các thiết bị trong hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI
19
1.1. Nguồn phát XRP-160/1000/2 19
1.2. Bộ điều khiển XRG Controller 20
1.3.
ống phát tia MXR-160/2
21
1.4. Bộ làm mát XRC-3000WA 22
1.5. Cáp cao áp HV cable N3-160/R24 23
2. Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI
23
2.1. Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI 23
2.2. Phơng thức điều khiển của hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI 24
Phần III Cơ sở xây dựng, lu đồ hoạt động, sơ đồ thuật toán và các chức
năng của phần mềm điều khiển hệ thống nguồn phát tia X
27

1. Cơ sở xây dựng phần mềm
27
1.1. Xác định các yêu cầu cho bài toán xây dựng phần mềm 27
1.2. Bộ lệnh hỗ trợ truyền thông của nhà sản xuất Gulmay Ltd 27
1.2.1. Yêu cầu truy vấn dữ liệu 28
1.2.2. Gói tin lệnh 31

7
2. Lu đồ hoạt động, cơ chế giao tiếp và sơ đồ thuật toán của phần mềm
32
2.1. Lu đồ hoạt động của phần mềm 32
2.2. Cơ chế giao tiếp giữa phần mềm điều khiển trên máy tính và bộ điều
khiển XRG Controller
32
2.3. Sơ đồ thuật toán của phần mềm 35
3. Các đặc điểm, chức năng chính và một số giao diện chính của phần mềm
36
3.1. Các đặc điểm, chức năng chính của phần mềm 36
3.2. Các giao diện chính của phần mềm 36
Phần IV Tích hợp, thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống
nguồn phát tia
42
1. Quá trình tích hợp hệ thống nguồn phát tia
42
2. Quá trình thử nghiệm, đánh giá tính năng hoạt động của toàn bộ hệ thống
44
* Đánh giá chung về quá trình và kết quả thử nghiệm 46
Kết luận và hớng phát triển
47
Tài liệu tham khảo

49
Phụ lục
50
Hợp đồng và các phụ lục hợp đồng của đề tài


8

9
Mở đầu

Ngày nay tia X đợc ứng dụng trong rất nhiều các nhiều lĩnh vực khác nhau
của đời sống xã hội nh: nghiên cứu khoa học, y tế, an ninh, quốc phòng, trong công
nghiệp, v.v Do tia X có tính chất đặc biệt là khả năng xuyên thấu qua vật chất nên
tia này rất hữu hiệu cho nghiên cứu khoa học cũng nh là các ứng dụng trong thực tế.
Do khả năng ứng dụng rất lớn của tia X, hiện nay có rất nhiều tập đoàn, công ty lớn
trên thế giới tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các máy móc, thiết bị sử
dụng tia X để áp dụng cho rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, nh: North Star
Imaging (Mỹ), Tomo Adour (Pháp), YXLON International X-ray (CHLB Đức),
Hamamatsu (Nhật bản), GE Inspection Technologies, NDT System, Viscom AG, X-
ItSystem, v.v Các sản phẩm của các công ty cũng rất đa dạng và cách thức tiến hành
chế tạo, lắp ráp các hệ thống thiết bị cũng rất khác nhau, nhng phần lớn các công ty
đều thực hiện theo cách thức: nghiên cứu, thiết kế, chế tạo từng module trong đó tập
trung nguồn lực cho việc nghiên cứu, chế tạo các module thuộc các phần, lĩnh vực thế
mạnh của công ty mình còn lại có thể liên kết, nhập, mua licence đối với các module
lõi từ các công ty khác. Ví dụ có công ty chuyên về cung cấp bộ nguồn phát tia X
(COMET Thụy sỹ), có công ty chuyên về cung cấp detector (Montek - Mỹ,
Hamamatsu Nhật) , có công ty chuyên về các board + phần mềm xử lý (Electron
Tube Anh), có công ty lại chuyên về phần mềm điều khiển (Screnning Control
Mỹ), v.v

Do các thiết bị tia X có công nghệ tơng đối phức tạp và đòi hỏi sự kết hợp của
nhiều lĩnh vực nh: vật lý, điện tử, điều khiển, cơ khí chính xác và CNTT nên hầu hết
các công ty trên thế giới sản xuất các module cho nhóm thiết bị này đều phải có quá
trình nghiên cứu, thử nghiệm rất lâu dài mới có thể đi tới sản xuất, chế tạo thành công
các sản phẩm. Thông thờng các công ty này đều có các know-how riêng để tạo ra sự
thành công cũng nh thế mạnh cho sản phẩm của mình. Do vậy nên việc phổ biến,
trao đổi thông tin khoa học về lĩnh vực công nghệ này là rất hạn chế. Bên cạnh đó các
hệ thống máy móc, thiết bị sử dụng tia X luôn luôn phải đáp ứng các yêu cầu rất cao
về an toàn. Vì các lý do này, nên việc nghiên cứu, chế tạo và phát triển nhóm sản
phẩm này thờng gặp phải nhiều khó khăn và điều này cũng làm cho các thiết bị

10
trong nhóm sản phẩm này có giá thành tơng đối cao, từ vài chục nghìn đô la cho
những thiết bị đơn giản, đến hàng vài trăm nghìn đô la cho các hệ máy phức tạp.
Tại Việt Nam việc nghiên cứu, ứng dụng các thiết bị sử dụng tia X chủ yếu tập
trung vào hớng: nhập khẩu đồng bộ các thiết bị của nớc ngoài để khai thác, ví dụ
nh : các máy soi hàng (kiểm tra hành lý) tại các sân bay/ cửa khẩu, các thiết bị y tế
sử dụng tia X (chụp X quang, CT Scanner), các máy kiểm tra không phá hủy (NDT)
sử dụng trong công nhiệp, v.v Qua đó tại một số công ty đã xây dựng đợc đội ngũ
cán bộ đợc trang bị kiến thức phục vụ cho công việc lắp ráp, khai thác, sửa chữa các
lỗi đơn giản cho nhóm thiết bị này. Bên cạnh đó cũng có một số công ty tiến hành chế
tạo một phần (chủ yếu là phần khung, sờn, bàn gá, các chi tiết cơ khí, v.v.) và lắp ráp
các thiết bị ứng dụng tia X (chủ yếu là các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực y tế) tại
Việt Nam, tuy nhiên các bí quyết công nghệ hay kiến thức kỹ thuật quan trọng về sản
phẩm đều rất khó tiếp cận.
Gần đây đã có một số đơn vị trong nớc tiếp cận vào lĩnh vực đầy tiềm năng
này nh : Trung tâm KHTN & CN Quốc gia, ĐH Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ
thuật Quân sự, Viện trang thiết bị Y tế, Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI), v.v
Các đơn vị này đã từng bớc xây dựng đội ngũ cán bộ nghiên cứu khoa học có kiến
thức chuyên sâu về lĩnh vực ứng dụng tia X, tiến hành thực hiện các nhiệm vụ khoa

học đợc giao, tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một số thành phần trong các hệ
thống thiết bị ứng dụng tia X.
Viện IMI Bộ Công thơng là đơn vị sớm tổ chức các nhóm nghiên cứu về các
hệ thống thiết bị tia X, mới đây Viện đã đợc đầu t PTN Cơ - Điện tử IMI Holding
trong đó có Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tia X, đây là cơ sở vật chất rất tốt để Viện IMI
tiến hành các nghiên cứu, chế tạo các module cho các thiết bị ứng dụng tia X. Việc
thực hiện nhiệm vụ Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển trên máy
tính PC để giám sát, điều khiển hệ thống nguồn phát tia X đến 160kV nhằm nâng
cao tính an toàn, hiệu quả sử dụng của hệ thống nguồn phát tia X. Bên cạnh đó các
nghiên cứu trong khuôn khổ của đề tài cũng tạo tiền đề để Viện IMI làm chủ các công
nghệ trong thiết bị X-Ray, tiến tới khả năng có thể chế tạo từng phần hoặc toàn bộ
thiết bị X-Ray (tập trung cho thiết bị X-Ray trong y tế).


11
* Mục tiêu của đề tài:
Với các điều kiện thuận lợi của mình, Viện IMI đã tập trung nhiều nguồn lực
để hoàn thành các mục tiêu mà đề tài đã đề ra. Cụ thể các mục tiêu đó là :
+ Nâng cao tính an toàn, hiệu quả sử dụng của hệ thống nguồn phát tia X đến
160kV- thiết bị hiện có tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật tia X IMI.
+ Nắm bắt và làm chủ việc thiết kế, xây dựng phần mềm điều khiển trên máy
tính PC để giám sát, điều khiển các hệ thống nguồn phát tia X nói chung.
+ Nâng cao tính đồng bộ, tự động hóa trong quá trình hoạt động của các thành
phần của các hệ thống nguồn phát tia X.
* Các nội dụng thực hiện chính của đề tài:
Căn cứ theo các mục tiêu mà đề tài đã đặt ra và căn cứ theo các nội dung đăng
ký thực hiện trong thuyết minh đề tài. Nhóm đề tài đã xác định cụ thể các nội dung
công việc cần thực hiện là :
+ Tiến hành nghiên cứu tổng quan về tia X và hệ thống nguồn phát tia X.
+ Tiến hành thiết kế kỹ thuật tổng thể hệ thống nguồn phát tia X.

+ Tiến hành thiết kế xây dựng thuật toán cho phần mềm điều khiển, giám sát hệ
thống nguồn phát tia X.
+ Thực hiện xây dựng phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống nguồn phát tia
X.
+ Tích hợp toàn bộ hệ thống điều khiển nguồn phát tia X bao gồm phần mềm
điều khiển trên PC và các thành phần của hệ thống nguồn phát tia X sẵn có của Phòng
thí nghiệm Kỹ thuật tia X IMI.
+ Thử nghiệm, đánh giá tính năng, sự hoạt động của hệ thống nguồn phát tia X.
Phần I
Tổng quan về tia X và hệ thống nguồn phát tia X
1. Tổng quan về tia X:
1.1. Bản chất vật lý của tia X:
Tia X là bức xạ điện từ xuyên thấu, có bớc sóng ngắn hơn ánh sáng. Tia X
đợc phát hiện năm 1895 bởi nhà vật lí Wilhelm Conrad Rơngen.

12







1. Sóng radio AM
2. Sóng radio ngắn
3. Sóng vô tuyến,FM
4. Radar vi sóng
5. Sóng milimets
6. Sóng siêu âm
7. ánh sáng nhìn thấy

8. Tia cực tím
9. Tia X
10. Tia Gamma
Hình 1.1: Phổ sóng điện từ
Tia X là sự bức xạ điện từ có tần số cao hơn 3 x 10
16
Hz, chiều dài bớc sóng
trong khoảng 100 A tới 0.01 A (1 A tong ứng với 10
-8
cm ~ 10nm (nanometer),
năng lợng quang tử E=120eV ữ1,2MeV.
Hình 1.1 thể hiện phổ của các sóng điện từ. Sóng tia X càng ngắn thì năng
lợng xuyên thấu của nó càng lớn. Những sóng dài hơn, gần phổ điện từ của dải của
tia cực tím UV (ultraviolet) đợc gọi là các tia X mềm (soft X rays). Những tia
sóng ngắn, gần hoặc chờm lên vùng sóng của tia gama () đợc gọi là tia X cứng
(hard X rays). Hỗn hợp của nhiều chiều dài sóng khác nhau đợc gọi là tia X trắng.
Nếu chỉ gồm một loại sóng thì tia X đợc gọi là tia X đơn sắc. Cả ánh sáng và tia X
đều đợc sinh ra bởi sự chuyển trạng thái của các điện tử di chuyển theo quỹ đạo
quanh hạt nhân. ánh sáng đợc sinh bởi sự chuyển trạng thái của các điện tử ở lớp
bên ngoài còn tia X bởi các điện tử ở lớp bên trong. Trong trờng hợp bức xạ tia bị
hãm, tia X đợc sinh bởi sự chậm trễ hoặc lệch hớng của các điện tử tự do qua một
trờng điện từ mạnh.
1.2. Các tính chất đặc trng của tia X:
Tia X có đặc điểm nổi bật là khả năng xuyên thấu qua vật chất. Khi tia X tác
động vào các phần tử vật chất và xuyên qua chúng, hình ảnh nhận đợc ở phía sau là
các vùng sáng tối khác nhau (hình 1.2). Sự hấp thụ bức xạ tia X của các chất phụ
thuộc vào tỷ trọng và nguyên tử lợng của chất ấy. Đối với một chiều dài bớc sóng
cho trớc, vật liệu có nguyên tử lợng nhẹ hơn thì sẽ trong hơn. Ví dụ nhu, khi
chiếu tia X vào cơ thể ngời thì
phần có cấu tạo nguyên tử nặng

hơn (mô mềm) sẽ hấp thụ bức
xạ nhiều hơn, vì vậy tạo nên
bóng mầu sẫm hơn trên các ảnh
chụp còn phần có cấu tạo
nguyên tử nhẹ hơn (xơng đợc
cấu tạo bởi các nguyên tử canxi)
sẽ có mầu trắng nhạt.
Ngoài ra tia X còn có một sô tính chất đặc trng khác nh:
H
ình 1.2: Ví dụ về sự hấp thụ tia X của các phần
tử v
ậ
t chấ
t
+ Phát huỳnh quang: Các tia X gây sự phát huỳnh quang trên một số vật liệu nh
barium platinocyanide và zincsulfide. Nếu một màn hình phủ vật liệu huỳnh quang
thay cho phim chụp, thì cấu trúc của vật thể đợc tia X chiếu qua sẽ đợc nhận thấy
trực tiếp trên màn huỳnh quang. Kỹ thuật này gọi là phép nghiệm huỳnh quang
(fluoroscopy).
+ Ion hoá: Một đặc tính quan trọng khác của tia X là khả năng ion hoá của chúng,
phụ thuộc vào chiều dài bớc sóng của tia. Khả năng ion hoá của tia X đơn sắc tỉ lệ
thuận với năng lợng của nó. Đặc tính này tạo nên một phơng pháp đo năng lợng
của tia X. Khi tia X đi qua một buồng ion hoá, một dòng điện đợc sinh ra, tỉ lệ thuận
với năng lợng của tia tới. Nếu bổ sung vào buồng ion các thiết bị có độ nhạy cao nh
mạch đếm Geiger-Myxller (Geiger-Myxller counter) và bộ đếm scintillation
(scintillation counter), năng lợng của tia X có thể đo đợc trên cơ sở của sự ion hoá.
+ Nhiễu xạ: Tia X có thể bị nhiễu về phía xuyên qua hoặc ngợc lại (trong trờng
hợp phản xạ) khi chiếu qua một tinh thể có các mạng nguyên tử đều. Các dạng giao

13

thoa do nhiễu xạ có thể đợc chụp lại và phân tích để xác định sóng của tia tới X hoặc
khoảng cách giữa các nguyên tử của mạng tinh thể. Các tia X có thể bị nhiễu bởi các
mạng hợp chuẩn nếu khoảng cách giữa các nguyên tử xấp xỉ với bớc sóng của tia X
(tia tới).
1.3. Nguyên lý tạo tia X:
Tia X đợc tạo ra khi một chùm tia điện tử có vận tốc khá lớn đập vào bề mặt
một đối âm cực làm bằng kim loại nặng (nh vonfram). Khi ấy một phần năng lợng
của điện tử bị mất mát do nhiệt, phần còn lại tạo tia X nhờ sự va đập, gây các thay đổi
động năng của điện tử trong vật đối tợng. Cốt lõi của quá trình tạo ra tia X là ống
phát tia X
ống phát X-Ray bao gồm một
Cathode và một Anode. Với điện áp
giữa hai cực là hàng trăm kV (điện áp
của hệ thống nguồn phát sử dụng
trong đề tài là 160kV). Cathode đợc
đốt nóng sinh ra các điện tử, và các
điện tử này đợc gia tốc bởi điện trờng do cao áp đặt ở hai đầu Cathode và Anode,
điện tử chuyển động với gia tốc lớn đến đập vào bề mặt anode. Phần lớn năng lợng
này sẽ bị chuyển hoá thành nhiệt làm nóng bề mặt anode, khoảng 99 % năng lợng, vì
vậy cần có một hệ thống làm mát anode. Chỉ có một phần năng lợng rất nhỏ (khoảng
1%) đợc chuyển hoá sinh ra photon X-Ray, bớc sóng của photon X-Ray là bớc
sóng ngắn khoảng 9 pm. Tia X đợc bức xạ theo mọi hớng, để tạo ra chùm X- Ray
hẹp hình rẻ quạt, điện cực anode phải đợc che, và sẻ rãnh, biên dạng của rãnh sẽ tạo
ra đợc chùm tia X hẹp hình rẻ quạt.

Hình 1.3 Cấu tạo của ống phát X-ray
2. Tổng quan về hệ thống nguồn phát tia X:
2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống nguồn phát tia X:
Từ các yêu cầu về kỹ thuật, an toàn v sự thuận tiện cho quá trình vận hành,
ngày nay ngời ta thờng xây dựng hệ thống nguồn phát tia X theo sơ đồ cấu trúc nh

hình 1.4.



14

ng phỏt tia X
Cỏp HV
Ngun cao ỏp
B lm mỏt
T in
(Chuyn i
Tớn hiu v
ngun cp)
Ngun Cp 220/
380 VAC
B iu khin
Khúa Ca
ốn C

nh bỏo
GND
Tớn hiu
N
g
un
n
g
tru
y

n dun
g
dch lm mỏt















Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống nguồn phát tia X
Trong đó:
- ống phát tia: bộ phận trực tiếp tạo ra tia X, gồm Cathode và Anode
- Nguồn cao áp: bộ phận tạo ra nguồn cao áp
- Bộ làm mát: có chức năng làm mát ống phát. Ngoài cơ chế làm mát ngoài nh
theo hình 1.4, còn cách thức làm mát kín trong (sử dụng hộp kín chứa dung
dịch làm mát và ống phát đợc đặt trong hộp đó).
- Bộ điều khiển: bộ phận điều khiển chung cho cả hệ thống và là thiết bị để
giao tiếp, vận hành hệ thống.
- Tủ điện: chuyển đổi tín hiện và cung cấp nguồn.
- Cáp cao áp: nối nguồn cao áp với ống phát.
- ống làm mát: tuần hoàn dung dịch làm mát giữa bộ làm mát và ống phát

- Cữ đóng cửa, đèn cảnh báo: Để đảm bảo sự an toàn khi vận hành hệ thống. Ví
dụ: chỉ khi cữ báo đóng thì hệ thống mới có thể START.


15
2.2. Nguyên lý hoạt động chung của các hệ thống nguồn phát tia X:
2.2.1. Nguyên lý hoạt động:
+ Các hệ thống nguồn phát tia X hoạt động đều dựa trên nguyên lý chung là: bộ phận
điều khiển sẽ chuyển các thông số điều khiển sang nguồn phát để lu, Khi có yêu cầu
START hệ thống sẽ kiểm tra các tín hiệu báo an toàn, nếu OK, lệnh START đợc gửi
sang nguồn phát, nguồn phát sẽ tạo ra và truyền sang ống phát một dòng cao áp với
các thông số điều khiển đã lu trên nguồn phát.
+ Đối với tất cả các hệ thống nguồn phát tia X thì bộ thông số điều khiển là: điện áp
(cỡ kV), cờng độ dòng (cỡ mA) và thời gian phát tia (cỡ mS). Trong đó:
- Điện áp: quyết định độ cứng của tia X (hay còn gọi là độ đâm xuyên).
- Dòng: quyết định đến mật độ của tia X phát ra.
- Thời gian phát tia: quy định thời gian duy trì phát tia.
Các giá trị của bộ thông số điều khiển trên đợc thay đổi tuỳ thuộc vào yêu cầu
sử dụng và dải phát tia của thiết bị. Trong các máy X quang công suất bé thì mạch
điều chỉnh mA đợc thay đổi độc lập sao cho ứng với mỗi giá trị mA ta có các giá trị
kV tơng ứng sao cho bóng X quang không vợt quá tải cho phép. Trong các máy X
quang công suất lớn thì việc thay đổi giá trị mA thờng đợc đồng chỉnh với thời gian
phát tia X.
2.2.2. Sơ đồ mạch điều chỉnh các thông số điều khiển cho hệ thống nguồn phát tia X:
+ Điều chỉnh điện áp kV:
Để thay đổi điện áp đặt lên ống anốt bóng X quang, thờng ngời ta thực hiện ở
sơ cấp biến thế cao thế, có thể liên tục hoặc từng nấc.

Hình 1.5. Mạch điều chỉnh điện áp liên tuc

16

Hình 1.6. Mạch điều chỉnh điện áp từng nấc
Giá trị kV là một thông số rất quan trọng. Để chỉ thị giá trị kV trong máy X
quang, ngời ta thờng dùng đồng hồ chỉ thị kim, hoặc khắc độ ngay trên núm điều
chỉnh kV. Hiện nay, trong các máy X quang hiện đại, ngời ta dùng mạch số để chỉ
thị thông số này. Việc chỉ thị ở đây thờng đợc đo ở sơ cấp biến thế theo phơng
pháp tỷ lệ.
+ Điều chỉnh dòng mA:
Việc điều chỉnh thông số dòng qua bóng X quang (gọi là mA) thông qua một
mạch điều chỉnh. Mạch này cung cấp nguồn cho sợi đốt bóng X quang để sinh ra các
giá trị mA phù hợp với từng yêu cầu sử dụng.

Hình 1.6. Mạch điều chỉnh dòng mA
Để thay đổi giá trị dòng qua bóng ngời ta thờng thay đổi điện áp đốt hoặc
dòng đốt. Nguồn điện áp sợi đốt phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- ổn định
- Thay đổi phù hợp với các giá trị kV khác nhau

17

18
Cũng nh giá trị kV, giá trị mA đợc chỉ thị trên mặt máy. Để chỉ thị giá trị mA
ngời ta có thể dùng đồng hồ điện từ chỉ thị kim, có thể khắc độ trực tiếp trên núm
điều chỉnh mA. Trong các máy X quang hiện đại ngời ta dùng các mạch chỉ thị số.


phần II
thiết kế kỹ thuật tổng thể cho hệ thống nguồn phát tia X
1. Giới thiệu về các thiết bị trong hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI

Hệ thống nguồn phát tia X XRS, điện áp 160 kV, công suất 1000W, đợc
trang bị tại Phòng kỹ thuật tia X Viện IMI là sản phẩm của hãng COMET AG
(Switzerland). Hệ thống bao gồm các thiết bị sau:
- Nguồn phát XRP-160/1000/2
- ống phát tia X MXR-160/20
- Bộ làm mát XRC-1000WA
- Bộ điều khiển XRG
- HV cable dài 5m (N3/160-R24-R24-5)
1.1. Nguồn phát XRP-160/1000/2

Hình 2.1 Nguồn phát XRP-160/1000/2
Thông số kỹ thuật nguồn phát XRP-160/1000/2
- Bộ phát dạng đơn cực
- Dải điện áp : 10 160kV
- Dải dòng điện : 0 8 mA
- Công suất cực đại : 1000W
- Hiệu điện thế kết nối dạng : R24
- Nguồn dây tóc : 4.5A@9V
- Tính ổn định : +/-0.1%
- Hiệu điện thế đầu vào : 220VAC +/- 10% 47-63Hz
- Nguồn điện yêu cầu : 2.2kVA 1pha

19
- Trọng lợng : 102kg
- Kích thớc : 360 x 613 x 482 (mm)
1.2. Bộ điều khiển XRG Controller

Hình 2.2 Bộ điều khiển XRG Controller
- Thông số kỹ thuật bộ điều khiển COMET XRG controller
+ Trọng lợng : 5,3Kg

+ Kích thớc : 482x133x240 (mm)
+ Chuẩn kết nối : - Kết nối với nguồn phát 25 chân I/O chuẩn D
- Giao tiếp qua cổng RS232
+ Lựa chọn chuyển đổi ống phát / nguồn phát : tối đa 125
+ Chơng trình khởi động cho mỗi lựa chọn : tối đa 4
+ Bộ nhớ lu trữ : 600
+ Thời gian cảnh báo trớc : 0.1 30 giây ( có thể điều chỉnh)
+ Công suất khởi động : 10-100% ( có thể điều chỉnh )
+ Đồng hồ thời gian thực : kiểu tiêu chuẩn
+ Thời gian hoạt động của ống phát tia X : trên 99999,9 giờ
+ Số câu lệnh qua RS232: 7
+ Tự động làm ấm.
- Điều kiện làm việc:
o Nhiệt độ môi trờng: 1 - 70
0
C
o Độ ẩm môi trờng: 10 - 98%
o áp suất môi trờng: 500 - 1060 hPa
o Để tránh hiện tợng chập mạch trong khi cài đặt thì phải đảm bảo rằng
không có nớc hoặc chất lỏng lọt vào trong bộ điều khiển
- Cấu trúc bộ XRG:

20
o Vùng 1: vừa có phần hiển thị (có các ô hiển thị kV, mA và thời gian) và các
núm điều chỉnh tơng ứng.
o Vùng 2: bàn phím chơng trình dùng để lập trình các điểm hoạt động khác
nhau của XRS và có một ô để hiển thị đáp ứng. Trong hệ thống phím bấm
này, có thể thực hiện kiểm tra cấu hình, kiểm tra xem loại ống phù hợp, và
chọn ống phát tia mới khi thay đổi ống phát tia hiện thời bằng loại ống khác.
o Vùng 3: Các công tắc chính với các công tắc khoá và các đèn điều khiển,

công tắc khoá có thể đặt đợc ba vị trí.
Vị trí thứ nhất của công tắc khoá là ở vị trí có số 0 (No power switched
on in the unit). Tại vị trí này thì bộ điều khiển không làm việc.
Vị trí thứ hai của công tắc chính là khi khoá chỉ ở vị trí có dấu hình sin (
~ hay còn gọi là Mains on). Tại vị trí này thì cho phép ngời sử dụng
kiểm tra tất cả các điều kiện quy định cho việc bật tia X.
Mỗi lần bật, bộ điều khiển tự động vào chế độ warm-up (mã 101). Điều
này có nghĩa là thiết bị không phát tia X trong ít nhất 24 giờ.
Hv on enable. Vị trí nguồn phát đã sẵn sàng để chạy.
1.3. ống phát tia X MXR-160/20

Hình 2.3: ống phát tia X - MXR-160/20
Thông số kỹ thuật
- Điện áp danh nghĩa : 160kV
- Công suất liên tục : 640W
- Điểm tiêu cự : d = 0.1mm
- Dòng điện dây tóc thông thờng/ cực đại : 4.1A/4.1A
- Điện áp dây tóc : 4.2V
- Góc tác dụng : 20
0

- Góc bức xạ : 40
0


21
- Mức độ rò rỉ bức xạ tối đa : 2.5mSv/h
- Làm mát : nớc
- Lu lợng làm mát trên phút : 4l/phút
- Nhiệt độ tối đa : 35

0
C
- Trọng lợng : 8Kg
- Kết nối đầu cuối dạng : R24
1.4. Bộ làm mát XRC-3000WA

Hình 2.4 Bộ làm mát XRC-3000WA
Thông số kỹ thuật:
- Kiểu làm mát : nớc làm mát không khí
- Công suất làm mát : 3000W
- Lu lợng nớc : tối đa 5.4l/phút
- áp suất tối đa : 7 bar
- Điện áp : 220/230V 50/60Hz
- Lu lợng chuyển đổi : điều chỉnh đợc, 4l/phút +/- 0.3l/phút
- áp suất : hiển thị qua áp kế gắn trong hê thống.
- Nhiệt độ làm việc : +5
0
C 40
0
C
- Nhiệt độ bảo quản : -10
0
C 60
0
C
- Độ ẩm không khí : 30% - 70%
- Độ ồn : 64 dB(A) @ khoảng cách 1m
- Trọng lợng : 30kg
- Kích thớc : 354x404x498 (mm)

22
1.5. Cáp cao áp: HV cable N3-160/R24

Hình 2.5a Đầu cáp N3-160/R24 Hình 2.5b Cáp N3-160/R24 dài 5m
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp : 160kVDC
- Đờng kính danh nghĩa : 29mm
- Trở kháng dây dẫn trần ở 20
0
C : 6.6m/m
- Trở kháng dây dẫn trắng và đỏ ở 20
o
C : 11 m/m
- Bán kính uốn cong nhỏ nhất : 120mm
- Điện trở cách điện : 1x10
12
.m
- Điện dung : 126 pF/m
- Nhiệt dộ làm việc tối đa : + 70
0
C
2. Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI
2.1. Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI:
Từ các thiết bị riêng lẻ đợc trang bị cho Phòng thí nghiệm kỹ thuật tia X
IMI, và với sự chuyển giao công nghệ từ hãng COMET AG (Switzerland), nhóm thực
hiện đề tài đã xây dựng đợc sơ đồ ghép nối các thiết bị (hình 2.6) để hình thành hệ
thống nguồn phát tia X.

Hình 2.6 Sơ đồ ghép nối hệ thống nguồn phát tia X

23

24
Việc ghép nối các thiết bị đợc tuân thủ theo quy trình và một số yêu cầu nh sau:
- HV cable (High voltage cable): cáp cao áp luôn phải đợc nối giữa thiết bị
phát tia X và ống phát tia trớc khi lắp bộ phận làm mát với ống phát tia.
- Nối bộ phận làm mát (Cooler XRC) với ống phát tia X (X-ray tube): ống
truyền dung dịch làm mát phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật: tối thiểu 22,
loại cứng, chịu đợc áp lực cao. Ngoài ra tại các điểm nối phải đảm bảo thực
sự chắc chắn.
- ống phát tia X đợc nối với nguồn phát cao áp (Generator XRP) thông qua
cáp cao áp (HV cable thiết bị ở mục 1.5)
- Máy phát tia X đợc nối với bộ điều khiển thông qua cáp D-plug 25 chân.
Thông qua cáp kết nối này mà các thông tin cần biết của hệ thống điều khiển
đợc gửi về và thể hiện trên các màn hình hiển thị của bộ điều khiển.
- Cấp nguồn 220V xoay chiều cho các thiết bị.
- Hệ thống nối đất GND là đặc biệt quan trọng trong hệ thống nguồn phát tia
X: cần phải đảm bảo nguồn tiếp đất tốt và dây dẫn GND theo đúng yêu cầu
của hãng COMET AG.
- Toàn bộ hệ thống nguồn phát tia X sau khi đợc ghép nối và tích hợp vào
thiết bị chụp X-Quang phải đợc lắp đặt trong Phòng đảm bảo các yêu cầu về
an toàn bức xạ
2.2. Phơng thức điều khiển của hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI:
Hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI đợc vận hành thông qua bộ điều khiển
XRG Controller (đợc nêu trong mục 1.2). Việc điều khiển đợc thực hiện trực tiếp
bằng các nút trên bộ điều khiển. Ngoài ra bộ điều khiển XRG Controller còn cho phép
vận hành với một số chế độ chơng trình định sẵn nh:
- Chế độ Radiographic: đây là chế độ sử dụng chủ yếu để chụp ảnh cho các ứng
dụng cơ bản. Trong trờng hợp này thì thời gian phát tia đợc giới hạn và sẽ
đợc xác định bởi bộ định thời (timer) để chỉ ra thời gian đặt tr

ớc.
- Chế độ Fluoro: đây là chế độ sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng thời gian
thực. Thời gian phát tia là không giới hạn và sẽ chỉ đợc xác định bằng cách

25
tắt nguồn phát tia X. Thời gian này đợc xác định bằng cách đặt/ hiển thị bộ
định thời gian
- Chế độ Auto watt: là chế độ mà dòng đầu ra đợc giới hạn tới mức cho phép
lớn nhất của ống phát tia X. Dòng đầu ra giới hạn có thể đợc lập trình sẵn
hoặc đặt thủ công khi ngời vận hành chọn tải cao hơn mức cho phép của ống
phát tia X.
Nh vậy bản thân bộ điều khiển XRG Controller đã đợc thiết kế để hoạt động
độc lập, việc thao tác vận hành và theo dõi đợc thực hiện qua bộ khóa/phím/nút xoay
và màn hình hiển thị LCD để hiển thị các thông số điều khiển và chế độ. Tuy nhiên,
khi thực hiện điều khiển trực tiếp nh vậy thì sẽ có một số hạn chế:
- Không thể kiểm soát đợc ngời vận hành.
- Bộ điều khiển thao tác đặt các chế độ phức tạp.
- Các số liệu về ngời vận hành, thời gian đặt các thông số điều khiển, thời gian
vận hành hệ thống nguồn phát tia sẽ không đợc quản lý/in ấn.
- Do hệ thống nguồn phát tia X ở đây có công suất tơng đối lớn
(160kV/1000W), do vậy nếu có sai sót trong quá trình vận hành hoặc có lỗi ở
phần cảnh báo/an toàn thì đó sẽ là một mối nguy hại lớn cho ngời vận hành.
- Không chủ động về công nghệ khi muốn mở rộng các chức năng cho bộ điều
khiển.
Do các hệ thống nguồn phát tia X mà nhóm thực hiện đề tài hớng tới là các hệ
thống có công xuất phát tơng đối lớn (tới 160kV), do vậy việc điều khiển gián tiếp
(thông qua phần mềm điều khiển trên máy tính) để nâng cao hiệu quả sử dụng và đảm
bảo an toàn là cần thiết. Nhiệm vụ chính của đề tài là xây dựng phần mềm điều khiển
trên máy tính để gián tiếp điều khiển hệ thống nguồn phát tia X hiện có tại Viện IMI,
tiến tới có thể ứng dụng cho mọi hệ thống nguồn phát tia X (tới 160kV) có nhu cầu

điều khiển nâng cấp phần điều khiển.
Bộ điều khiển XRG Controller của hệ thống nguồn phát tia X tại Viện IMI
đợc thiết kế với một số tính năng phục vụ cho việc kết nối với máy tính, cụ thể là:
+ Cổng kết nối D-9 pin, chuẩn giao tiếp RS-232.
+ Bộ giao thức truyền thông kèm bộ lệnh.