CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH BỨC XẠ

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHỤP
ẢNH BỨC XẠ
2.1. CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA.
2.1.1. Sự ra đời của bức xạ tia X và sự phát triển của phương pháp chụp ảnh bức xạ :
Năm 1895 Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X trong lúc ông đang nghiên cứu hiện tượng
phóng điện qua không khí. Trong một thời gian thí nghiệm trên những loại tia mới và bí ẩn
này thì Roentgen đã chụp được một bức ảnh bóng của các vật thể khác nhau gồm có hộp đựng
các quả cầu và một khẩu súng ngắn nhìn thấy được rõ ràng. Những bức ảnh bóng này đã đánh
dấu sự ra đời của phương pháp chụp ảnh bức xạ. Trong khoảng một năm sau khi Roentgen đã
phát hiện ra bức xạ tia X thì phương pháp chụp ảnh bức xạ được áp dụng để kiểm tra các mối
hàn. Năm 1913 Collidge đã thiết kế một ống phát bức xạ tia X mới. Thiết bị này có khả năng
phát bức xạ tia X có năng lượng cao hơn và có khả năng xuyên sâu hơn. Năm 1917 phòng thí
nghiệm chụp ảnh bức xạ bằng tia X đã được thiết lập tại Royal Arsenal ở Woolwich. Bước
phát triển quan trọng kế tiếp là vào năm 1930 khi hải quân Mỹ đồng ý dùng phương pháp
chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các mối hàn của nồi hơi. Trong khoảng một vài năm sau đó bước
phát triển này đi đến sự chấp nhận rộng rãi là dùng phương pháp chụp ảnh bức xạ để kiểm tra
các mối hàn trong bình áp lực và bức xạ tia X đã tạo ra một sự phát triển bền vững như là một
công cụ dùng để kiểm tra các mối hàn và vật đúc. Cùng với sự bùng nổ chiến tranh thế giới
lần thứ hai, phương pháp chụp ảnh bức xạ bằng bức xạ tia X cho thấy có một sự thành công
lớn. Giá trị của phương pháp chụp ảnh bức xạ thấy được rất rõ ràng trong ngành công nghiệp
hàng không nhưng sau đó phương pháp này cũng được mở rộng sang các lĩnh vực khác như
kiểm tra các mối hàn trong các nhà máy điện, các nhà máy luyện kim, các cấu trúc của các
thiết bị vận chuyển và các phương tiện chiến tranh. Quá trình này đã đặt ra một cơ sở cho sự
phát triển liên tục của kỹ thuật kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ.
2.1.2. Bản chất của bức xạ tia X:
Bức xạ tia X là dạng bức xạ điện từ giống như ánh sáng. Giữa bức xạ tia X và ánh sáng bình

thường chỉ khác nhau về bước sóng. Bước sóng của bức xạ tia X nhỏ hơn vài ngàn lần so với
bước sóng của ánh sáng bình thường. Trong kiểm tra vật liệu bằng chụp ảnh bức xạ thường sử
0
0
0
dụng bức xạ tia X có bước sóng nằm trong khoảng 10-4 A đến 10 A trong đó 1 A = 10-8cm.
2.1.3. Nguồn gốc của bức xạ gamma:
2.1.3.1. Các đồng vị phóng xạ.
Một nguyên tử gồm có một hạt nhân và các electron quỹ đạo chuyển động xung quanh hạt
nhân. Hạt nhân chứa các hạt proton mang điện tích dương và các hạt neutron không mang
điện. Số proton tương ứng với nguyên tử số Z và tổng số các nucleon nghĩa là số proton cộng
với số neutron được xác định đó là số khối hoặc khối lượng nguyên tử A. Những nguyên tử có
cùng nguyên tử số Z nhưng có số khối A khác nhau được gọi là đồng vị của một nguyên tố.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

63

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Có một số đồng vị là bền vững trong khi đó cũng có một số đồng vị không bền vững. Những
đồng vị không bền vững này có khuynh hướng trở về trạng thái bền vững bằng cách phát ra
bức xạ và thường được gọi là sự phân rã phóng xạ.
m
10 km

104

1 km

103

100 m

102

10 m

101

1m

1

10 cm

10-1

1 cm

10-2

1 mm

10-3

100 µm

10-4

10 µm

10-5

1 µm

10-6

100 nm

10-7

10 nm

10-8

1 nm
1

10-9

0.1
0.01

Bức xạ nhiệt

Bức xạhồng ngoại
Ánh sáng nhìn thấy + Bức xạ tử ngoại (UV)
100 eV
1 KeV

10-10
10-11
10-12

100 fm

10-13

10 fm

10-14

1 fm

10-15

Bức xạ
Roentgen
Bức xạ gamma

10 KeV
100 KeV
1 MeV
10 MeV
100 MeV

1 GeV

Hình 2.1. Phổ bức xạ điện từ.
Một số đồng vị có trong tự nhiên như Radium, Radon và Uranium. Những đồng vị bền có thể
được chế tạo thành các đồng vị phóng xạ bằng cách dùng neutron trong lò phản ứng hạt nhân
kích hoạt vào chúng. Những đồng vị phóng xạ loại này được gọi là những đồng vị phóng xạ
nhân tạo như là Cobalt, Thulium và Iridium. Những đồng vị phóng xạ nhân tạo được dùng
phổ biến trong chụp ảnh bức xạ.
Những đồng vị phóng xạ phát ra các loại bức xạ như là các hạt alpha, beta và bức xạ gamma
thì đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma thường được dùng trong chụp ảnh bức xạ công
nghiệp.
2.1.3.2. Bức xạ gamma :

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

64

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Bức xạ gamma là một loại bức xạ sóng điện từ giống như bức xạ tia X nhưng chúng thường
có bước sóng ngắn hơn và có khả năng xuyên sâu hơn bức xạ tia X được phát ra từ các máy
phát bức xạ tia X mà được sử dụng rộng rãi trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp.
Một số bức xạ gamma có khả năng xuyên qua một lớp chì có bề dày đến 10cm. Bức xạ
gamma được phát ra từ bên trong hạt nhân của nguyên tử, khác với bức xạ tia X được phát ra
ở bên ngoài hạt nhân.

Bước sóng của bức xạ sóng điện từ được tính theo mét, centimet, millimet, micromet,
0
nanomet và angstron trong đó 1 A = 10-8cm. Hình 2.1 biểu diễn vị trí của bức xạ tia X và tia
gamma trong phổ bức xạ sóng điện từ.
2.1.4. Phổ bức xạ tia X và tia gamma:
Một yếu tố cơ bản là bức xạ tia X được phát ra khi các electron bị hãm lại. Khi các electron di
chuyển với vận tốc cao đến gần hạt nhân (hạt nhân mang điện tích dương), chúng chịu một
lực hút và chuyển động chậm lại. Trong quá trình chuyển động chậm hoặc bị hãm lại này thì
các electron này mất đi một phần động năng ban đầu của chúng và động năng mất đi đó được
phát ra dưới dạng bức xạ tia X. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng bức xạ tia X được phát ra là
một quá trình tiếp theo sau quá trình làm lệch hướng chuyển động của các electron ở cathode
bởi một trường lực mạnh nằm xung quanh hạt nhân của các phần tử bia. Đôi khi các electron
bị hãm lại đột ngột thì toàn bộ động năng của chúng được chuyển thành năng lượng bức xạ tia
X lớn nhất cùng với bước sóng nhỏ nhất. Nhưng trong thực tế toàn bộ phổ của bức xạ có dải
bước sóng dài hơn hoặc dải tần số thấp hơn được phát ra bởi các electron mà các electron này
chỉ mất đi một phần năng lượng của chúng trong một lần tương tác với hạt nhân và chịu nhiều
va chạm với các nguyên tử bia trước khi chúng dừng lại. Như vậy, phổ bức xạ tia X là một
dạng phổ liên tục với một bước sóng nhỏ nhất λmin có giá trị xác định. Ta có E = h.f trong đó h
là hằng số Plank và f là tần số.
Năng lượng của một electron có điện tích là (e) đi vào một hiệu điện thế V là e.V và sự hấp
thụ hoàn toàn (hoặc dừng lại hoàn toàn) thì năng lượng này xuất hiện như một lượng tử tia X
có năng lượng h.f = h.c/λ = e.V mà ta có λmin = h.c/e.V = 12.4/V. Trong đó c là vận tốc của
ánh sáng và V là hiệu điện thế được áp vào ống phát bức xạ tia X.

Cường độ

Các đỉnh của bức xạ
tia X đặc trưng

Tần số

Hình 2.2. Phổ bức xạ tia X đặc trưng.
Bức xạ tia X đặc trưng được phát ra hoàn toàn thao một cách khác. Đôi khi sự va chạm của
các electron có thể tạo ra một sự va chạm trực tiếp với một trong những electron ở lớp vỏ bên
trong của một nguyên tử bia và nếu năng lượng của các electron đủ lớn thì chúng có thể bứt
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

65

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

các electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử. Nguyên tử sau đó trở nên không bền vững và các
electron khác trong cùng một nguyên tử sẽ nhảy vào lấp lỗ trống thì nó sẽ mất năng lượng và
phát ra một lượng tử bức xạ. Nếu gọi E là năng lượng đã mất đi thì :

E = h.f = h.c/λ
⇒ λ =h.c/E
E là một đại lượng xác định được kết hợp với một sự thay đổi năng lượng nào đó trong
nguyên tử và vì vậy xem như dải bước sóng xác định. Một vài bước sóng có thể tồn tại và
chúng tạo nên một dải phổ đặc trưng, hình 2.2. Quá trình này giống với quá trình phát ánh
sáng. Nhưng đối với ánh sáng thì chỉ quan tâm đến các electron ở lớp vỏ ngoài cùng. Còn đối
với bức xạ tia X thì quan tâm đến các electron ở lớp vỏ bên trong K, L, M có lực liên kết
mạnh. Nếu một electron ở lớp K bị bứt ra và một electron dịch chuyển từ lớp L về lấp lỗ trống
lớp K thì tạo ra một vạch K (vạch bức xạ tia X ở lớp K). Nếu một electron ở lớp M dị chuyển
về lấp lỗ trống ở lớp K thì sẽ tạo ra vạch K yếu hơn. Chữ K biểu diễn lớp vỏ nguyên tử mà

electron dịch chuyển vào.
Ta sẽ thấy phổ bức xạ tia X đặc trưng của đồng giống như một đường liên tục trong hình 2.3.
Ở phía trên phổ trắng có hai đỉnh đặc trưng của đồng có nghĩa là K αCu & KβCu có các bước
0
0
sóng tương ứng là 1.40 A và 1.54 A . Đồng có nguyên tử số bằng 29 nếu như ta thay đổi bia
đồng bằng bia Nikel thì ta sẽ có một phổ mới như được biểu diễn trong đường nét đứt. Ta có
thể thấy rằng khi thay đổi bia từ chất có nguyên tử số cao sang chất có nguyên tử số thấp
(Nikel có nguyên tử số bằng 28) thì ta sẽ có phổ bức xạ tia X đặc trưng trở nên mềm hơn (λ
lớn hơn) nhưng không có bất kỳ sự thay đổi nào có thể thấy rõ trong phổ bức xạ tia X liên tục.
Bức xạ đặc trưng không thể tạo ra nếu ta sử dụng điện thế thấp hơn điện thế ngưỡng nhất định
do dải điện thế thấp nên không thể bứt electron ra được. Nếu điện thế sử dụng được tăng lên
vượt quá điện thế ngưỡng này thì sẽ làm thay đổi cường độ của bức xạ tia X đặc trưng nhưng
bước sóng của chúng không thay đổi.
KαCu
KαNi
KβCu
KβNi

I

λ
Hình 2.3. Phổ bức xạ tia X đặc trưng của Cu và Ni.
Khác với phổ bức xạ tia X là phổ liên tục thì phổ bức xạ gamma là phổ gián đoạn, ngưỡng giá
trị của bước sóng trong thực tế phụ thuộc vào sự phát xạ của hạt nhân nghĩa là nguồn phóng
xạ. Các đồng vị phóng xạ có thể phát ra bức xạ có một hoặc nhiều bước sóng. Ví dụ Caesium
– 137 chỉ phát ra bức xạ gamma có một bước sóng, Cobalt – 60 phát ra bức xạ gamma có hai
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

66

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Cường độ

bước sóng và Iridium – 192 phát ra bức xạ gamma có năm bước sóng trội. Tất cả các nguồn
phóng xạ phát bức xạ gamma có dạng phổ vạch (phổ gián đoạn) khác với phổ bức xạ tia X là
phổ liên tục, hình 2.4.

Hình 2.4. Phổ vạch của nguồn phóng xạ gamma.
Trong nhiều tài liệu đối với việc mô tả bức xạ gamma nào đó thường hay trình bày bằng năng
lượng bức xạ gamma hơn là trình bày theo bước sóng của nó. Năng lượng bức xạ được biểu
diễn theo đơn vị electron volt (eV) và thường có giá trị ở khoảng triệu electron volt (MeV).
Caesium – 137 phát ra bức xạ gamma có năng lượng là 0.66MeV và Cobalt – 60 phát ra hai
bức xạ gamma có năng lượng là 1.17MeV và 1.33MeV.
2.1.5. Tính chất của bức xạ tia X và bức xạ gamma :
Bức xạ tia X và bức xạ tia gamma có cùng một bản chất đó là bức xạ sóng điện từ, những tính
chất giống nhau của bức xạ tia X và tia gamma được trình bày tóm tắt dưới đây :
(i)
(ii)
(iii)

Không thể nhìn thấy được chúng.
Không thể cảm nhận được chúng bằng các giác quan của con người.
Chúng làm cho các chất phát huỳnh quang. Các chất phát huỳnh quang đó là kẽm

sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium platinocyanide, naphtalene, anthracene,
stillbene, thallium được kích hoạt natri iodide.
(iv)
Chúng truyền với một vận tốc bằng với vận tốc ánh sáng nghĩa là 3 × 1010 cm/s.
(v)
Chúng gây nguy hại cho tế bào sống.
(vi)
Chúng gây ra sự ion hoá, chúng có thể tách các electron ra khỏi các nguyên tử khí
để tạo ra các ion dương và ion âm.
(vii)
Chúng truyền theo một đường thẳng, là dạng bức xạ sóng điện từ nên bức xạ tia X
hoặc tia gamma cũng có thể bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ.
(viii)
Chúng tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà theo định
luật này thì cường độ bức xạ tia X hoặc tia gamma tại một điểm bất kỳ nào đó tỷ lệ
nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn đến điểm đó.
Theo toán học thì I ∼ 1/r2 trong đó I là cường độ bức xạ tại điểm cách nguồn phóng xạ
một khoảng cách r.
(ix)
Chúng có thể đi xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể đi xuyên qua
được. Độ xuyên sâu phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ, mật độ, bề dày của vật liệu.
Một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma đơn năng tuân theo định luật hấp thụ,

I = I0e(-µ x)
Trong đó:
I0 = Cường độ của bức xạ tia X hoặc tia gamma tới.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

67

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

I = Cường độ của bức xạ tia X hoặc tia gamma truyền qua vật liệu có bề dày là x và có
hệ số hấp thụ là µ.
(x)
Chúng tác động lên lớp nhũ tương phim ảnh và làm đen phim ảnh.
(xi)
Trong khi truyền qua vật liệu chúng bị hấp thụ hoặc bị tán xạ.
Những tính chất (vii), (viii), (ix), (x), (xi) là những tính chất thường được sử dụng trong chụp
ảnh bức xạ công nghiệp.
2.1.6. Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Cường độ bức xạ đi đến một điểm nào đó phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến
điểm đó. Cường độ bức xạ biến thiên theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách này.
Định luật này được minh họa trong hình 2.5. Trong ví dụ này ta giả sử rằng nguồn phát ra bức
xạ có cường độ không đổi mà khi bức xạ đi qua khe hở B toả ra một diện tích là 4cm 2 đi đến
bề mặt ghi nhận C1 cách nguồn 12cm nếu bề mặt ghi nhận được dịch chuyển đến vị trí cách
nguồn phóng xạ là 24cm tại C2 thì chùm bức xạ tia X tỏa ra một diện tích bằng 16cm 2. Diện
tích này lớn bằng bốn lần diện tích tại C1. Do đó, ta có bức xạ trên 1cm 2 ở bề mặt ghi nhận tại
điểm C2 chỉ bằng 1/4 bức xạ trên 1cm 2 ở bề mặt ghi nhận tại điểm C1. Quá trình này được
biết là định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách của bức xạ.
Trong thực tế, định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách có một tầm quan trọng
trong quá trình thực hiện chụp ảnh bức xa. Phim phải ghi nhận được một suất liều chiếu hoặc
liều chiếu nhất định để tạo ra một ảnh chụp bức xạ trên phim có một độ đen mong muốn. Nếu
do một số lý do nào đó mà khoảng cách từ nguồn đến phim có một sự thay đổi thì liều chiếu

cũng bị thay đổi theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Do vậy, liều chiếu có thể thích hợp tại C1 thì phải tăng lên bốn lần để tạo ra một ảnh chụp bức
xạ trên phim tại C2 có độ đen bằng với độ đen bằng với ảnh chụp bức xạ trên phim được chụp
tại C1.
A
B
r1

C1

r2

C2

Hình 2.5. Biểu đồ minh họa định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Trong thực tế điều này có thể thực hiện được bằng cách tăng thời gian chiếu hoặc cường độ
bức xạ lên vì liều chiếu trong chụp ảnh bức xạ là tích số giữa cường độ bức xạ và thời gian
chiếu.
Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách có thể biểu diễn bằng công thức toán học
như sau :
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

68

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

I1 (cường độ bức xạ tại C1)
I2 (cường độ bức xạ tại C2)

=

(r2)2
(r1)2

Trong đó :
r1 và r2 tương ứng với khoảng cách từ nguồn đến C1 và C2.
Vì: I1 ∼ 1/E1 và I2 ∼ 1/E2 nên E2/E1 = (r2)2/(r1)2.
Trong đó :
E1 là liều chiếu tại C1.
E2 là liều chiếu tại C2.
Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách cũng có thể được trình bày theo cách
khác nhằm giúp cho việc an toàn và bảo vệ chống bức xạ khi làm việc trong vùng có phóng
xạ.
Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách theo dạng này được biểu diễn theo công
thức D1/D2 = (r2)2/(r1)2. Trong đó, D1 và D2 suất liều chiếu tại khoảng cách r 1 và r2 tính từ
nguồn phóng xạ. D1 và D2 có cùng một đơn vị và r 1 và r2 cũng có cùng một đơn vị. Điều này
có nghĩa là sự nguy hiểm của phóng xạ (suất liều chiếu) sẽ giảm xuống rất nhanh khi ta đứng
ở một khoảng cách xa nguồn phóng xạ. Ví dụ như suất liều chiếu đối với một nguồn phóng xạ
ở khoảng cách 10m tính từ nguồn sẽ còn lại bằng (1/100 = 1/10 2) suất liều chiếu cũng của
nguồn phóng xạ đó tại khoảng cách 1m tính từ nguồn. Đây là một cách thực hiện đơn giản
nhất để đảm bảo có thể giữ cho một người làm việc với các nguồn phóng xạ hở nhận một liều
chiếu thấp.
2.2. HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ.
Như đã trình bày trong phần 2.1.3.1. thì có một số đồng vị của một nguyên tố là bền vững
ngược lại có một số đồng vị của một nguyên tố khác là không bền vững. Những nguyên tử

của các đồng vị không bền vững có thể trở về trạng thái bền vững bằng cách phát bức xạ. Quá
trình dịch chuyển về trạng thái bền vững của các đồng vị không bền vững đi kèm với quá
trình phát bức xạ thường được gọi là quá trình phân rã (sự phân rã phóng xạ) và hiện tượng
phân rã này của những nguyên tử của các đồng vị (có trong tự nhiên hay được tạo ra bằng
những phương pháp nhân tạo) của những nguyên tố được gọi là hiện tượng phóng xạ.
Những chất có sự biểu hiện của hiện tượng này được gọi là chất phóng xạ hoặc đồng vị phóng
xạ. Curie (Ci) là đơn vị dùng để đo hoạt độ phóng xạ và bằng một tốc độ phân rã là 3.7 ×
1010dps (phân rã/giây). Những đơn vị dùng để đo hoạt độ phóng xạ nhỏ hơn đó là millicurie
(mCi), micro curie (µ Ci) tương ứng với 1/10 3 và 1/106Ci. Hệ thống đơn vị cố định cho hoạt
độ phóng xạ mà đã được quốc tế công nhận và hiện nay được sử dụng trong tất cả những mục
đích khoa học và công nghệ ở nhiều nước đó là Bacquerel (Bq). Bacquerel được định nghĩa
là một phân rã trong một giây. Mối quan hệ giữa Curie và Bacquerel là :

1Ci = 3.7 × 1010 Bacquerel.
2.2.1. Sự phân rã phóng xạ :
Hoạt độ phóng xạ của bất kỳ một chất phóng xạ nào phụ thuộc vào độ tập trung của các
nguyên tử phóng xạ có trong chất phóng xạ. Sự phân rã phóng xạ theo quá trình này tuân theo
định luật hàm số mũ được gọi là định luật phân rã phóng xạ. Định luật này có thể được biểu
diễn theo toán học là: N = N0 × e-µ .t trong đó N0 là số nguyên tử phóng xạ ban đầu (ở thời
điểm t = 0), N là số nguyên tử phóng xạ còn lại sau một khoảng thời gian là t và λ được gọi là
hằng số phân rã phóng xạ và là một đặc trưng của chất phóng xạ. Các chất phóng xạ có giá trị
λ càng lớn thì phân rã càng nhanh và ngược lại. Trong những ứng dụng thực tế thì sự phân rã
của một chất phóng xạ thường được phát biểu theo thuật ngữ là chu kỳ bán rã của nó được ký
hiệu là T1/2. Chu kỳ bán rã được định nghĩa là thời gian cần thiết để cho số nguyên tử phóng
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

69

CHƯƠNG 2

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

xạ ban đầu giảm xuống còn một nửa. Theo một cách trình bày đơn giản là sau một chu kỳ bán
rã thì số nguyên tử phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ ban đầu (lúc t = 0) giảm xuống hai lần.
Chu kỳ bán rã là một đặc trưng của một đồng vị phóng xạ (nghĩa là sau một chu kỳ bán rã thì
số nguyên tử phóng xạ hoặc hoạt độ phóng xạ giảm xuống hai lần so với số nguyên tử phóng
xạ hoặc hoạt độ phóng xạ ban đầu (tại thời điểm t = 0). Chu kỳ bán rã là một đặc trưng riêng
của một đồng vị phóng xạ, các đồng vị phóng xạ khác nhau có chu kỳ bán rã khác nhau (sự
khác nhau chủ yếu của các đồng vị phóng xạ là sự khác nhau về chu kỳ bán rã). Có các đồng
vị phóng xạ có chu kỳ bán rã chỉ một phần nào đó của giây ngược lại có các đồng vị phóng xạ
có chu kỳ bán rã lên đến hàng triệu năm (chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ biến thiên từ
một phần nào đó của giây lên đến hàng triệu năm). Trong chụp ảnh bức xạ chúng ta sử dụng
những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khoảng vài ngày đến vài năm. Những đồng vị
phóng xạ có chu kỳ bán rã càng ngắn thì số nguyên tử phóng xạ và hoạt độ phóng xạ và hoạt
độ phóng xạ phân rã càng nhanh. Thay N = N0/2 và t = T/2 vào phương trình phân rã thì nó có
thể được chuyển đổi thành :

N 0 / 2 = N 0 × e − λ .T1 / 2 với T1/2 = 0.63/λ.
Theo lý thuyết thì phương trình phân rã chỉ ra rằng để một chất phóng xạ phân rã hoàn toàn
thì cần phải có một thời gian vô hạn. Khi vẽ phương trình phân rã lên một đồ thị thì trên đồ thị
sẽ cho ta một đường cong được gọi là đường cong phân rã như được biểu diễn trong hình 2.6.
2.2.2. Cường độ bức xạ và hoạt độ phóng xạ riêng:
Cường độ bức xạ được định nghĩa là số tia bức xạ đi đến tương tác trên một đơn vị diện
tích vuông góc với hướng truyền của chùm tia trong một giây. Bức xạ phát ra từ một
nguồn phóng xạ cho trước được đo theo đơn vị Roentgen trên giờ ở một khoảng cách là một
mét tính từ nguồn. Giá trị này được gọi là giá trị RHM của nguồn (bức xạ phát ra, công suất
phát bức xạ, suất liều chiếu hay suất liều phát). Bản thân Roentgen được định nghĩa là lượng

bức xạ tia X hoặc tia gamma đi qua một centimet khối không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn
(NTP) (1cm3 không khí khô có khối lượng 0.00129g) tạo ra một lượng ion tương đương với
một đơn vị điện tích e.s.u mỗi dấu. Roentgen cũng tương đương với một vật liệu bị chiếu xạ
hấp thụ một năng lượng 87.7 erg/g. Mỗi nguồn phóng xạ có một giá trị RHM trên Curie riêng.
Số roentgen trên giờ tại khoảng cách một mét tính từ một nguồn phát bức xạ gamma có hoạt
độ 1mCi được gọi là hệ số K (hằng số gamma) của một quá trình phát bức xạ gamma riêng
biệt. Cường độ bức xạ tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nghĩa là
khi khoảng cách tính từ nguồn phóng xạ được tăng gấp đôi thì cường độ bức xạ tại khoảng
cách đó sẽ bị giảm xuống bốn lần.
Hoạt độ phóng xạ riêng của một nguồn phóng xạ thường được đo theo đơn vị là số Curie
trong một gam và hoạt độ phóng xạ riêng đóng một vai trò quan trọng trong chụp ảnh bức xạ.
Một nguồn phóng xạ có hoạt động riêng càng cao nghĩa là có thể tạo ra một nguồn có cường
độ cho trước theo một kích thước vật lý nhỏ, điều này có một tầm quan trọng lớn đối với quan
điểm về độ xác định ảnh chụp bức xạ. Cũng với một nguồn được chế tạo với kích thước nhỏ
thì có độ tự hấp thụ nhỏ hơn và vì thế có suất liều chiếu hiệu dụng lớn hơn. Hoạt độ phóng xạ
riêng phụ thuộc vào lò phản ứng hạt nhân và thời gian mà chất bị chiếu xạ cũng như các đặc
tính của chất bị chiếu xạ như là khối lượng nguyên tử (số khối) và tiết diện kích hoạt. Một số
nguyên tố có thể được kích hoạt để cho một hoạt độ riêng rất cao ngược lại cũng có một số
nguyên tố khác không có khả năng đạt đến những giá trị hoạt độ riêng cao với một thông
lượng neutron thích hợp.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

70

CHƯƠNG 2


Phân rã phóng xạ, mR/h

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

200mR/h

Trong 7 chu kỳ bán
rã thì hoạt độ của
chất phóng xạ đã bị
phân rã xuống còn
nhỏ hơn 1%

100mR/h

50mR/h
25mR/h
3.12mR/h
24h

24h

24h

24h

24h

1

24h

1.56mR/h

24h

2 phân rã của
3 một chất4phóng xạ có
5 chu kỳ bán
6 rã 24 giờ.7
Hình 2.6. Sự

Ngày

Đường cong phân rã điển hình của nguồn Ir – 192 được biểu diễn trong hình 2.7 và 2.8 còn
cường cong phân rã của nguồn Co – 60 và các đồng vị phóng xạ quan tâm khác có thể vẽ
được dễ dàng nếu biết được chu kỳ bán rã của chúng (hình 2.9)
2.2.3.Những loại bức xạ khác phát ra từ các đồng vị phóng xạ:
Ngoài việc sử dụng bức xạ tia X và tia gamma trong chụp ảnh bức xạ, hiện nay trong thực tế
đã tìm thấy và phát triển ứng dụng và kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ sử dụng các loại bức xạ
có khả năng xuyên sâu khác mà sự suy giảm của chúng đôi khi biểu hiện khác nhau hoàn
toàn. Sự biểu hiện khác nhau này cũng là một cách để phát hiện những tính chất đặc biệt.
Những loại bức xạ này có tính hạt khác với bức xạ tia X hoặc tia gamma (đó là có tính sóng)
là bức xạ sóng điện từ. Theo nguyên tắc thì tất cả các loại bức xạ chỉ có giới hạn về độ xuyên
sâu vào trong vật liệu mà cũng có thể bị hấp thụ hoàn toàn. Sự hấp thụ này phụ thuộc chi tiết
vào loại điện tích và động năng của hạt. Những loại bức xạ này là các hạt alpha, beta, proton
và neutron.
Do bức xạ alpha gồm có các hạt tương đối lớn và mang điện tích dương (hạt nhân Helium) :
hai hạt proton cộng với hai hạt neutron nên có khả năng xuyên sâu tương đối thấp và vì vậy
chúng không được quan tâm đặc biệt cho những mục đích sử dụng trong chụp ảnh bức xạ.
Bức xạ beta có khả năng xuyên sâu lớn hơn bức xạ alpha một chút (xem như phụ thuộc vào

năng lượng của hạt riêng biệt). Nó là các hạt electron mang điện tích âm (tất nhiên cũng được
sử dụng khi thực hiện quá trình phát bức xạ tia X). Để xuyên qua những độ sâu mong muốn
(chẳng hạn trong các kim loại) thì ta cần bức xạ beta có dải năng lượng rất cao. Do đó, việc sử
dụng chúng phần lớn là giới hạn trong quá trình kiểm tra các mẫu vật mỏng. Những điều kiện
tương tự cũng được áp dụng đối với bức xạ các hạt proton (các hạt mang điện tích dương).

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

71

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Ví dụ nguồn Ir – 192

100%

Hoạt độ phóng xạ ban đầu
là 80Ci (100%).

a

HL là chu kỳ bán rã.

50%

25%
12.5%
0
0

74 ngày

148 ngày

222 ngày

1 HL

2 HL

3 HL

Thời gian

Ngày xuất nguồn
Hoạt độ (log)
100
80

b

60
50
40
30

20

10
8
0

74 ngày

148 ngày

222 ngày

Thời gian

Hình 2.7. Các đường cong phân rã của nguồn phóng xạ, chẳng hạn Ir – 192 (a) sự suy giảm
hoạt độ theo thời gian. (b) sự suy giảm hoạt độ sử dụng thang hoạt độ logarit.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

72

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

1.0
0.9

0.8
0.7
0.6

Sự phân rã nguồn Ir - 192

0.5
0.4
0.3

0.2

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06

Phần còn lại

0.05
0.04
0.03

0.02

0.01
0.009
0.008
0.007

0.006
0.005
0.004
0.003

0.002

0.001

100

200

300
400
Thời gian (ngày)

500

600

Hình 2.8. Sự phân rã của nguồn Ir – 192.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

73

CHƯƠNG 2

700

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

1.0
0.9
0.8
0.7

Sự phân rã nguồn Co - 60

0.6
0.5
0.4
0.3

0.2

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06

Phần còn lại

0.05
0.04

0.03

0.02

0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003

0.002

0.001

10

20

40

30

50

60

Thời gian (năm)

Hình 2.9. Sự phân rã của nguồn Co – 60.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

74

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Chụp ảnh bức xạ kiểm tra vật liệu bằng neutron chiếm một vị trí đặc biệt vì neutron không
mang điện do đó không chịu sự tác dụng của bất cứ những lực hút và lực đẩy nào, chúng chỉ
bị làm yếu khi va chạm trực tiếp với các nguyên tử. Khối lượng giữa hạt nhân bị tương tác và
neutron khác nhau càng nhỏ thì năng lượng neutron bị mất đi càng lớn (nghĩa là sự suy giảm
càng lớn). Do đó, những vật liệu có nguyên tử số nhỏ như là hyđro và các hợp chất hoá học
của nó như là nước, các hợp chất hữu cơ cũng tương tự như các nguyên tố khác có khối lượng
nguyên tử (số khối) nhỏ làm suy giảm năng lượng của bức xạ neutron lớn hơn nhiều so với
những nguyên tố có hạt nhân nguyên tử (số khối) lớn hơn chẳng hạn như chì. Điều này được
xem như sự biểu hiện suy giảm nghịch lý đã dẫn đến kỹ thuật kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ
neutron trở nên quan trọng trong ngày nay.
2.3. QÚA TRÌNH TƯƠNG TÁC BỨC XẠ VỚI VẬT CHẤT.
Khi một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma đi qua vật chất thì có một số tia được truyền qua,
một số tia bị hấp thụ và một số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau. Sự hiểu biết về
những hiện tượng này là rất quan trọng cho một nhân viên chụp ảnh bức xạ và những khía
cạnh khác nhau của nó được trình bày dưới đây:
2.3.1. Hiện tượng hấp thụ:

Một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma khi đi qua vật chất thì cường độ của chúng bị suy
giảm. Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma trong vật chất.
Lượng bức xạ bị suy giảm phụ thuộc vào chất lượng của chùm bức xạ, vật liệu, mật độ của
mẫu vật và bề dày của mẫu vật mà chùm tia bức xạ đi qua. Tính chất này của bức xạ tia X
hoặc tia gamma được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp. Nếu có một khuyết tật nằm
bên trong cấu trúc của một mẫu vật nghĩa là có sự thay đổi về bề dày (chẳng hạn như lỗ rỗng)
hoặc sự thay đổi theo mật độ (chẳng hạn như các tạp chất của các vật liệu khác ở bên ngoài).
Sự hiện diện của những khuyết tật này sẽ tạo ra những thay đổi tương ứng với cường độ của
chùm bức xạ truyền qua và chùm bức xạ truyền qua này được ghi nhận trên phim tạo ra được
một ảnh chụp bức xạ trên phim. Hiện tượng này có một tính chất rất quan trọng nên chúng ta
cần phải xem xét một cách chi tiết.

Chùm tia bức xạ
truyền qua

Chùm tia
bức xạ tới

Hình 1.10. Quá trình hấp thụ bức xạ.
Xét một mẫu vật dạng tấm có bề dày là “X” và truyền một chùm bức xạ đơn năng song song
qua nó, hình 2.10. Nếu gọi cường độ của chùm bức xạ tới là I 0 và cường độ của chùm bức xạ
truyền qua là I thì ta có I = I0 × e-µ.X trong đó µ được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính, hệ số này
phụ thuộc vào năng lượng của chùm bức xạ tới và vật liệu hay mật độ của mẫu vật. Sự suy
giảm cường độ của chùm bức xạ tới xảy xa theo ba hiệu ứng cơ bản đó là: Sự hấp thụ quang
điện, sự hấp thụ và tán xạ Compton. Một cơ chế thứ tư là sự tạo cặp, hiệu ứng này xảy ra khi
năng lượng bức xạ tia X hoặc tia gamma tới lớn hơn 1.02MeV và là tương đối ít quan trọng
hơn. Để đưa vào tính toán cho tất cả các hiệu ứng này thì giá trị µ có thể được viết như sau : µ
= (ι + σ + k) trong đó µ là hệ số hấp thụ tổng cộng hay còn gọi là hệ số suy giảm tuyến tính, ι

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

75

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

là hệ số suy giảm do sự hấp thụ quang điện, σ là hệ số tán xạ, nó có hai thành phần σa là hệ số
hấp thụ Compton và σr là hệ số tán xạ Compton và k được gọi là hệ số tạo cặp.
2.3.1.1. Sự hấp thụ quang điện :
Trong quá trình xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện thì bức xạ tia X hoặc tia gamma truyền
toàn bộ năng lượng của chúng cho một electron nằm ở lớp vỏ trong cùng của một nguyên tử
để bứt electron này ra khỏi nguyên tử. Trong quá trình này thì bức xạ tia X hoặc tia gamma
biến mất. Năng lượng bức xạ tia X hoặc tia gamma được sử dụng để bứt electron ra khỏi lớp
vỏ nguyên tử và truyền cho electron một động năng nào đó (hình 2.11).
Bức xạ tia X
đặc trưng
e-

Quang electron

Chùm bức xạ tới

Hình 2.11. Sự hấp thụ quang điện.
Sự hấp thụ quang điện xảy ra chủ yếu đối với các electron nằm trong nguyên tử liên kết càng
bền vững và sự hấp thụ quang điện không xảy ra đối với các electron tự do (liên kết yếu).
Điều này là do định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng không cho phép. Do đó, sự hấp

thụ quang điện thường xảy ra đối với các electron nằm ở lớp K của nguyên tử. Khi năng
lượng của bức xạ tia X hoặc tia gamma gần bằng năng lượng liên kết của các electron trong
lớp vỏ của nguyên tử thì có một sự gia tăng đột ngột quá trình hấp thụ. Năng lượng mà tại đó
xuất hiện sự hấp thụ gia tăng đột ngột rõ nét này được gọi là cạnh hấp thụ K (giới hạn hấp thụ
K) và hiển thị vị trí mà tại đó động năng của electron bay ra bằng 0. Mặt khác năng lượng của
bức xạ tia X hoặc tia gamma tăng lên sẽ làm cho sự hấp thụ giảm xuống cùng với năng lượng
của chúng. Cạnh hấp thụ xuất hiện ở dải năng lượng bức xạ thấp hơn 115KeV. Quá trình này
thường đi kèm với quá trình phát xạ quang electron và bức xạ tia X đặc trưng.
Sự hấp thụ quang điện xảy ra chủ yếu đối với bức xạ tia X hoặc tia gamma có năng lượng (E)
thấp và các nguyên tố có nguyên tử số (Z) cao, do các electron trong những nguyên tử này
liên kết bền vững hơn. Xác suất xảy ra sự hấp thụ quang điện biến thiên gần đúng với tỷ lệ
1/E3.5 và Z5.
Qua đó ta có thể hiểu rằng tại sao trong thực tế thì chì (Z = 82) và Uranium (Z = 92) dùng để
che chắn chống bức xạ tia X hoặc tia gamma rất hiệu quả.
2.3.1.2. Sự tán xạ Compton :
Khi năng lượng của photon được tăng lên vượt ra khỏi vạch K (cạnh hấp thụ K hay giới hạn
hấp thụ K) thì quá trình hấp thụ chủ yếu thay đổi từ hiệu ứng quang điện sang hiệu ứng
Compton.
Bức xạ tia X hoặc tia gamma cũng giống như một hạt có thể truyền một phần năng lượng của
nó cho một electron và bứt electron ra khỏi nguyên tử và chuyển động với một vận tốc nào đó
còn bản thân bức xạ tia X hoặc tia gamma cũng bị tán xạ ra xa theo một góc nào đó và cùng
với sự suy giảm năng lượng, hình 2.12.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

76

CHƯƠNG 2

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Bức xạ tán xạ
Bức xạ tới

e-

Electron Compton

Hình 2.12. Tán xạ Compton.
Tán xạ Compton xảy ra chủ yếu đối với các electron tự do và các electron liên kết yếu nằm ở
lớp ngoài cùng của nguyên tử do những electron này có thể xem như là tự do đối với bức xạ
tia X hoặc tia gamma có năng lượng cao.
Xác suất xảy ra tán xạ Compton tăng lên theo một cách tuyến tính với nguyên tử số của vật
liệu bị tương tác và giảm xuống chậm khi năng lượng của bức xạ tia X hoặc tia gamma tăng
lên. Đối với dải năng lượng bức xạ được dùng trong chụp ảnh bức xạ thì trong dải năng lượng
trung bình hiệu ứng Compton là quá trình suy giảm quang trọng nhất. Thực tế sự tác động của
bức xạ tán xạ mà phần lớn những bức xạ tán xạ đi đến phim có một hướng khác với hướng
truyền của bức xạ sơ cấp. Bức xạ sơ cấp tạo ra ảnh chụp bức xạ trên phim còn bức xạ tán xạ
compton có khuynh hướng là mờ ảnh chụp bức xạ trên phim. Khi năng lượng của bức xạ sơ
cấp tăng lên thì tỷ lệ phần trăm bức xạ tán xạ Compton lớn hơn sẽ hướng về phía trước gần
trùng với hướng truyền chùm bức xạ sơ cấp.
Nếu bức xạ tia X hoặc tia gamma bị tán xạ có năng lượng không thay đổi thì quá trình này
được gọi là quá trình tán xạ kết hợp hay còn gọi là tán xạ Rayleigh.
2.3.1.3. Sự tạo cặp :
Khi chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma có năng lượng đủ lớn (≥ 1.02MeV) thì quá trình tương
tác chính của bức xạ lên vật chất là tạo ra một cặp ion đó là electron (mang điện tích âm) và
positron (mang điện tích dương) trong điện trường của hạt nhân. Trong quá trình này bức xạ

biến mất và tạo ra một cặp electron và positron, hình 2.13.

e+

Chùm bức xạ tới

e-

Cặp electron và positron

Hình 2.13. Sự tạo cặp.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

77

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Khác với sự hấp thụ quang điện, tán xạ Compton thì sự tạo cặp không gây ra quá trình ion
hoá nguyên tử nhưng hạt nhân phải giữ một số xung lượng (động lượng). Sự tạo cặp chiếm ưu
thế hơn các dạng tương tác khác đối với bức xạ ở dải năng lượng càng cao. Xác suất xảy ra
hiệu ứng này tăng lên nhanh cùng với năng lượng bức xạ.
2.3.2. Hệ số hấp thụ:
Trong phương trình biểu diễn quá trình hấp thụ thì µ được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính. Hệ
số hấp thụ tuyến tính là phần cường độ bức xạ bị suy giảm trên một đơn vị bề dày của

vật hấp thụ. Bề dày vật hấp thụ thường được tính theo centimet (cm) và µx không có đơn vị
nên µ sẽ có đơn vị là (cm -1). Khoảng cách 1/µ đôi khi được gọi là quãng đường tự do trung
bình của bức xạ và để tính toán độ xuyên sâu thì độ xuyên sâu thường được biểu diễn theo
chiều dài hồi phục và trong đó x = 1/µ ; µx = 1 được gọi là một chiều dài hồi phục.
Giá trị của µ = Kλ3Z3 chỉ ra rằng µ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ sơ cấp và do đó
những bức xạ mềm hay bức xạ có năng lượng thấp sẽ có hệ số hấp thụ lớn hơn. µ cũng phụ
thuộc vào nguyên tử số (Z) của chất hấp thụ và tăng lên theo nguyên tử số (Z). Do đó những
vật liệu có nguyên tử số (Z) cao sẽ hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma nhiều hơn so với
những chất có nguyên tử số (Z) thấp. Trong phương trình của µ thì K là hằng số phụ thuộc
vào mật độ vật lý của chất hấp thụ.

(a)
I0

(b)

I = I0.e-µx

lg (100.I/I0)

I, Cường độ bức xạ

Như đã trình bày ở trên sự hấp thụ bức xạ trong vật chất là tổng hợp của những hiệu ứng của
các quá trình tương tác khác nhau của bức xạ với những nguyên tử của chất hấp thụ. Những
quá trình tương tác này là: Sự hấp thụ quang điện, sự tán xạ Compton và sự tạo cặp. Do
đó hệ số suy giảm toàn phần là tổng của từng hệ số suy giảm tạo ra bởi sự hấp thụ quang điện
(ι), sự tán xạ Compton (σ) và sự tạo cặp (k). Nếu ta vẽ một đồ thị về hệ số suy giảm theo năng
lượng bức xạ thì nhận được những đồ thị như được biểu diễn trong hình 2.15 và 2.16. Trong
hình 2.15 biểu diễn đường cong những số hạng khác nhau của µ đối với chì còn hình 2.16
biểu diễn sự thay đổi của µ đối với nhôm, chì và sắt. Phương trình biểu diễn sự hấp thụ có thể

được biểu diễn bằng đồ thị như trong hình 2.14 mà trong đó hình 2.14a biểu diễn theo thang
đo tuyến tính còn trong hình 2.14b biểu diễn theo thang semilog là một đường thẳng và độ
dốc của nó cho ta hệ số suy giảm.

2

Lg(100) = 2 – 0.434µx

1

Hình 2.14. x,
Đường
suy thụ
giảm (a)
0 tuyến
Bề dàycong
chất hấp
(x)theo thang
x, Bềtính
dày(b)
chấttheo
hấp thang
thụ logarit.
(x)

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

78

CHƯƠNG 2

µ, ι, K và σ các hệ số suy giảm (cm-1)

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

3

Pb
ι
µ Hệ số hấp thụ tuyến tính tổng.

2
µ

σ Hệ số tán xạ Compton.

Hình 2.15. Hệ số suy giảm và các thành phần của chúng phụ thuộc vào năng lượng của bức
xạ.
1
K Hệ số tạo cặp.

σ
Những phương trình và những
đồ thị ở trên chỉ liên quan đến các dạng bức xạ tia X hoặc tia
K
gamma đơn năng. Nếu một chùm bức xạ có phổ
năng lượng chứa nhiều hơn một vạch phổ

Hệ số lượng
hấp thụbức
quang
(đồng vị phóng xạ) hoặc phổ liên tục (bức xạ hãm) thì mỗiι năng
xạ điện.
áp dụng một hệ
số suy giảm khác 0nhau. Đối với bức xạ có phổ năng lượng phức tạp thì ta có thể áp dụng hệ số
0.1 mà sẽ thay
1
suy giảm tương đương
đổi theo10bề dày của100
chất làm suy giảm bức xạ. Quá trình
Năng
lượng
bức
xạ
(MeV)
này được minh họa trong hình 2.17. Trong đó những đồ thị hệ số suy giảm đối với một chùm
bức xạ cho trước gồm có hai năng lượng khác nhau và hệ số suy giảm tương ứng là µ1 =
0.7cm-1 và µ2 = 3.5cm-1.

Các đường cong suy giảm cho những bức xạ đơn năng là những đường thẳng, ngược lại
đường cong tổng hợp của những đường cong này không phải là đường thẳng. Hệ số suy giảm
tương đương có thể nhận được từ độ dốc của đường cong suy giảm. Như ta đã thấy đường
cong suy giảm của một chùm bức xạ có phổ năng lượng phức tạp càng tiến đến dạng đường
thẳng khi tăng bề dày vật liệu làm giảm lên. Điều này đúng cho tất cả các loại bức xạ có phổ
năng lượng phức tạp (bức xạ tia X hoặc tia gamma). Điều này là do trong thực tế các thành
phần bức xạ có năng lượng thấp (hệ số suy giảm lớn hơn) có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn
và đặc biệt chỉ có bức xạ có năng lượng cao hơn mới có thể xuyên qua những lớp chất hấp thụ
dày hơn. Những giá trị của hệ số hấp thụ tuyến tính đối với một số vật liệu quan tâm được cho

trong bảng 2.1.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

79

CHƯƠNG 2


Hệ số hấp thụ tuyến tính tổng (µcm-1)

TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

3

µ

2

Hình 2.16. Sự biến thiên về hệ số hấp suy giảm µ, Al, Pb và Fe cùng với năng lượng bức xạ.
2
11
0.8
0.6
Al
0.4

Pb

µ 1 = 0.7cm-1

Fe

µ = µ1 + µ2
100
1µ = 3.5cm-1 10
2
Năng lượng bức xạ (MeV)

00.2
0.1
0.1
0.08
0.06
0.05

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Bề dày cm

1.8 2.0 2.2

Hình 2.17. Hệ số suy giảm của một chùm bức xạ có hai dải năng lượng khác nhau.
Đôi khi, ta có thể dùng µm = µ/ρ để thay thế cho µ trong đó ρ là mật độ của vật liệu hấp thụ
(che chắn), µm được gọi là hệ số hấp thụ khối và có đơn vị là cm 2/g. Trong hầu hết những tài
tiệu, những giá trị được trình bày theo µm và khi sử dụng những giá trị này từ những tài liệu
đó cho phương trình I = I 0 × e-µ.x thì µ được tính bằng cách lấy µm nhân với ρ của vật liệu

tương ứng.
2.3.2.1. Hệ số tích lũy :
Phương trình hấp thụ đơn giản dựa trên giả thiết rằng bức xạ tán xạ bị loại bỏ hoàn toàn ra
khỏi chùm tia. Tuy nhiên, trong thực tế không hoàn toàn như vậy và đặc biệt đối với trường
hợp các vật liệu dày. Đối với những vật liệu che chắn mỏng thì phương trình trên có giá trị do
xác suất để bức xạ tán xạ đi đến điểm quan sát (hoặc detector) sau một lần va chạm là nhỏ.
Ngược lại, đối với những vật liệu dày thì một số bức xạ tán xạ cuối cùng được phát ra cùng
với bức xạ không bị làm yếu. Khi xảy ra điều này thì cường độ bức xạ đo được sau khi bức xạ
đi qua một vật liệu che chắn sẽ cao hơn đáng kể so với cường độ bức xạ được tính toán bằng
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

80

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

cách sử dụng phương trình hấp thụ đơn giản. Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng tích luỹ
bức xạ do một chuổi các quá trình tán xạ. Vì vậy, trong thực tế thì phương trình hấp thụ được
thay đổi bằng cách đưa thêm vào một đại lượng khác được gọi là hệ số tích luỹ mà hệ số này
là một hàm theo vật liệu che chắn, bề dày (x) và năng lượng bức xạ. Phương trình hấp thụ bây
giờ trở thành :
I = I0.B.e-µ.x
Trong đó : B là hệ số tích luỹ. Như vậy hệ số tích luỹ B có thể được định nghĩa là tỷ số của
thông lượng bức xạ trong thực tế trên thông lượng bức xạ được tính toán bằng cách sử dụng
hệ số chùm tia hẹp.
Nghĩa là B = (thông lượng bức xạ thực/thông lượng bức xạ được tính toán) = I/I0.e-µ.x.

Khi đưa hệ số tích luỹ vào trong phương trình hấp thụ thì ta sẽ nhận thấy rằng liều chiếu thực
tế lớn hơn đáng kể so với liều chiếu được tính toán khi sử dụng định luật hàm số mũ đơn giản.
Điều này có một tầm quan trọng đáng kể trong việc tính toán độ nhạy cho việc chụp ảnh bức
xạ. Theo định nghĩa thì cường độ bức xạ phát ra trực tiếp là thành phần cường độ bức xạ đi
đến phim theo một đường thẳng từ nguồn đến phim. Do đó, bức xạ này tạo ra được hình ảnh
của các khuyết tật nằm bên trong mẫu vật lên phim. Bức xạ tán xạ là thành phần bức xạ đi đến
một điểm trên phim theo mọi hướng khác với hướng truyền chùm tia bức xạ trực tiếp (hướng
truyền chùm tia bức xạ theo đường thẳng từ nguồn đến phim). Do đó, bức xạ tán xạ không thể
tạo ra một hình ảnh của một khuyết tật ở một vị trí chính xác trên phim và khi bức xạ tán xạ đi
đến bất kỳ điểm nào trên phim được tập trung bao phủ trên một góc rộng nên sự tác động của
bức xạ tán xạ sẽ làm cho toàn bộ hình ảnh ghi nhận được trên phim bị mờ. Cho nên, bức xạ
tán xạ không có chức năng tạo ảnh và sự tác động của bức xạ tán xạ này sẽ làm giảm đi độ
tương phản của ảnh chụp bức xạ trên phim. Như vậy tỷ lệ bức xạ (không tạo ảnh/tạo ảnh) đi
đến phim sẽ là một đại lượng hữu dụng có thể điều chỉnh được vì nếu giảm được cường độ
bức xạ phát ra sẽ cho độ nhạy bề dày tốt hơn.
2.3.3. Bề dày làm yếu một nửa
Chất lượng bức xạ có thể được đặc trưng bởi bề dày một nửa hay còn gọi là bề dày làm yếu
một nửa (HVL). Bề dày làm yếu một nửa (HVL) được định nghĩa là bề dày của một vật liệu
cho trước mà sẽ làm cho cường độ của chùm bức xạ phát ra khi đi qua nó giảm xuống còn
một nửa (năng lượng bức xạ được biết trước). Thay I = I 0/2 vào phương trình hấp thụ ta được
HVL = 0.693/µ. Còn trong chụp ảnh bức xạ thì bề dày làm yếu một nửa có thể được định
nghĩa là bề dày của một mẫu vật kiểm tra mà bức xạ đi qua nó bị suy giảm sẽ tạo ra một
ảnh chụp bức xạ trên phim có độ đen bằng với độ đen của ảnh chụp bức xạ trên phim
mà được tạo ra bởi chùm bức xạ không được làm giảm nhưng chỉ sử dụng một nửa liều
chiếu (chỉ chiếu một nửa thời gian) so với liều chiếu (thời gian chiếu) được sử dụng để chụp
ảnh mẫu vật trên.
Trong việc che chắn bảo vệ chống bức xạ thì bề dày làm yếu một nửa (HVL) là bề dày của
một vật liệu che chắn cần thiết để làm giảm liều chiếu bức xạ xuống hai lần.
Đôi khi còn sử dụng một một thuật ngữ nữa đó là bề dày làm yếu một phần mười (TVL) và bề
dày làm yếu một phần mười (TVL) được định nghĩa là bề dày của vật liệu che chắn mà làm

giảm được cường độ bức xạ hay liều chiếu xuống mười lần. Như vậy, thay I = I 0/10 vào
phương trình hấp thụ ta được TVL = 2.30/µ. Một ý tưởng về bức xạ tán xạ từ các vật liệu
khác nhau được quan tâm trong chụp ảnh bức xạ khi sử dụng một chùm bức xạ sơ cấp có
năng lượng 400KeV và một bộ lọc làm bằng beryllium có khích thước là 1.5mm có thể nhận
được từ bảng 2.2.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

81

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

BẢNG 2.2 : BỨC XẠ TÁN XẠ TẠI NĂNG LƯỢNG 400 Kv VÀ SỬ DỤNG BỘ LỌC
BẰNG BERYLLIUM DÀY 1,5 mm
Vật thể gây tán xạ

Điện thế ước tính
tương đương của bức

Chì
Paraffin
Bê tông – Baryt
Nhôm
Bê tông
Thép

Sự suy giảm trong không khí
HVL của không
TVL của không khí
khí
1.5
4.8
1.6
5.2
1.7
5.6
1.8
5.9
1.8
5.9
2.0
6.5

125
150
175
210
210
225

2.4. QUÁ TRÌNH ION HOÁ.
Các nguyên tử và các phân tử thường là trung hoà về điện. Nếu vì một quá trình nào đó mà
các electron trong nguyên tử hay phân tử bị tách ra khỏi khối trung hoà điện này thì các điện
tích dương vẫn còn được giữ lại trong chúng. Những nguyên tử, phân tử và các hạt nằm bên
trong nguyên tử mang điện tích dương hoặc điện tích âm được gọi là các ion. Các electron tự

do không liên kết chặt với bất kỳ một nguyên tử mẹ nào, các electron tự do là các ion mang
điện tích âm và các hạt tự do mang điện tích dương là các ion dương. Bất kỳ một tác động nào
mà làm mất đi sự cân bằng về điện của các nguyên tử mà hình thành nên vật chất được gọi là
sự ion hóa. Bức xạ hạt hay bức xạ điện từ đều có khả năng ion hóa. Một hạt có vận tốc cao
hay một bức xạ điện từ có năng lượng cao khi đi qua vật chất sẽ phá vỡ sự sắp xếp nguyên tử
trong vật chất. Ví dụ một hạt alpha có thể tương tác với một electron qũy đạo trong một
nguyên tử và làm cho electron này chuyển động lệch ra khỏi qũy đạo của nó. Các electron có
thể tự bản thân nó liên kết với một nguyên tử. Đầu tiên nguyên tử mang một điện tích dương
và sau cùng nguyên tử mang một điện tích âm và những điện tích này được gọi là các ion
dương và các ion âm hoặc là một cặp ion.
Do quá trình ion hóa nên số lượng các electron qũy đạo có thể bị thay đổi nhưng không làm
thay đổi hạt nhân. Hạt nhân vẫn là hạt nhân của một nguyên tử của cùng một nguyên tố ban
đầu. Bức xạ gamma và bức xạ tia X được xem như không có khối lượng và cũng không có
kích thước. Chúng di chuyển với một vận tốc bằng với vận tốc của ánh sáng và không gây ra
quá trình ion hóa trực tiếp qua quá trình va chạm. Khi đi qua vật chất bức xạ gamma hoặc bức
xạ tia X truyền năng lượng của chúng cho các nguyên tử thông qua ba quá trình ion hóa đã
được trình bày trong phần 2.3 đó là Sự hấp thụ quang điện, quá trình tán xạ Compton và sự
tạo cặp.
Hình 2.18 mô tả một buồng ion hóa mà buồng ion hóa này là một bộ phận quan trọng được
dùng trong các máy dò bức xạ (detector) dựa vào hiện tượng ion hóa. Khi bức xạ tương tác
với chất khí thì chất khí sẽ bị ion hóa và trở thành một chất dẫn điện. Đây là một nguyên lý cơ
bản dùng để phát hiện bức xạ của tất cả các máy dò bức xạ (detector) dựa vào hiện tượng ion
hóa. Khi xuất hiện quá trình ion hóa trong chất khí như vậy tùy thuộc vào sự tác dụng của một
điện trường thì các điện tích tự do có thể được tập hợp lại và sau đó sự tập hợp của các điện
tích tự do này tỷ lệ với cường độ của bức xạ tới. Nếu quá trình ion hóa xảy ra trong một điện
trường thì các ion được sinh ra là các hạt mang điện thì điện trường này sẽ dịch chuyển các
ion đến điện cực của cực trái dấu. Một buồng ion hóa chủ yếu là một buồng chứa đầy khí
được đặt trong một điện trường nằm giữa hai điện cực mà giữa hai điện cực này được áp vào
một hiệu điện thế.

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

82

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Thể tích chứa
đầy khí

Bức xạ gamma
B
Electron
C

Ion dương

R
Thành buồng

Dòng điện mạch ngoài

Hình 2.18. Buồng ion hoá.
Các hạt mang điện được tập hợp lại tại một bản điện cực trái dấu chúng thiết lập một dòng
điện chạy qua mạch ngoài mà ta có thể đo được. Giá trị dòng điện đo được này tỷ lệ với
cường độ bức xạ tới. Có nhiều loại máy phát hiện bức xạ (detector) khác nhau đều là dựa trên

nguyên lý của hiện tượng ion hóa. Các buồng ion hóa luôn luôn hoạt động ở điện thế thấp.
Ban đầu có một hiệu điện thế chạy qua buồng ion hóa và bức xạ sẽ tạo ra sự phóng điện trong
buồng ion hóa và sẽ xuất hiện một dòng điện ở mạch ngoài mà dòng điện này phụ thuộc vào
cường độ bức xạ đi vào buồng. Mối quan hệ theo hiệu điện thế này được đo sau một lúc nào
đó. Quá trình ion hóa trên một đơn vị thể tích không khí tỷ lệ với cường độ bức xạ bị hấp thụ
đi vào buồng.
Dựa trên cơ sở này mà ta đã đưa ra được một định nghĩa cơ bản về Roentgen. Một Roentgen
được định nghĩa là lượng bức xạ gây ra hiện tượng ion hoá trên một đơn vị thể tích không khí
khô ở điều kiện tiêu chuẩn (ở nhiệt độ 0 0C và áp suất 760mmHg) tạo ra các ion mang một
điện tích 1e.s.u mỗi dấu. Các máy đo liều bỏ túi được dùng để đo liều chiếu của bức xạ cũng
là một loại buồng ion hóa.

Biên độ xung

Số cặp ion được tạo ra trong quá trình ion hóa bởi bức xạ tới là phụ thuộc vào điện áp. Quá
trình này được biểu diễn trong hình 2.19.

Vùng ống
đếm Geiger
Vùng
ống
đếm tỷ
lệ

Vùng buồng
ion hoá

a

PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

b

c
Điện áp

83

d

e

f

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Hình 2.19. Biên độ xung là một hàm theo điện áp trong buồng ion hoá chứa khí.
Đường cong trong hình 2.19 biểu diễn các vùng hoạt động của các buồng ion hóa khác nhau
theo điện áp được sử dụng. Trong vùng “a” có một số cặp ion tái hợp. Quá trình ion hóa bị
giới hạn trong mặt phẳng mà trong đó tạo ra các cặp ion. Biên độ xung tỷ lệ với năng lượng
của lượng tử gây ra quá trình ion hóa. Trong vùng “b”số xung ghi nhận được trong một giây
là không đổi. Mỗi ion tập trung về các điện cực trước khi xuất hiện quá trình tái hợp nếu điện
thế đủ cao. Điện thế mà vừa đủ để tập hợp mọi electron được gọi là điện thế bão hòa và khi
điện thế lớn hơn điện thế bão hòa này đến một giới hạn nhất định nào đó thì biên độ xung điện
sẽ không còn phụ thuộc vào hiệu điện thế nữa. Vùng này là vùng của buồng ion hóa. Khi ta

tiếp tục tăng hiệu điện thế lên thì ta sẽ đi vào vùng “c”. Bây giờ tốc độ các electron được tăng
lên và chúng có đủ năng lượng để tạo ra thêm các electron bằng cách ion hóa các nguyên tử
khí một lần nữa (ion hóa thứ cấp). Cả biên độ xung lẫn số xung điện trong một giây tăng lên
đều đặn khi ta tăng điện thế. Đối với một hiệu điện thế làm việc cho trước thì biên độ xung tỷ
lệ với số ion được tạo ra bởi quá trình bức xạ ion hoá lần đầu tiên và cả với hệ số khuếch đại
khí M nghĩa là số electron được giải phóng do quá trính tương tác (ion hóa). Hệ số khuếch đại
khí M biến thiên từ một trong vùng ion hóa đến 10 4 tại đỉnh ở phía trên của vùng tỷ lệ. Số ion
được tạo ra ban đầu phụ thuộc vào dạng bức xạ nghĩa là phụ thuộc vào độ ion hóa riêng của
bức xạ. Do đó, một ống đếm tỷ lệ có thể ghi nhận riêng biệt giữa các loại bức xạ tới khác
nhau. Do ống đếm tỷ lệ có dòng ion hóa lớn nên ống đếm tỷ lệ cho được những tín hiệu xung
điện mạnh hơn rất nhiều mà chỉ cần những thiết bị khuếch đại bên ngoài đơn giản nghĩa là chỉ
cần hệ số khuếch đại ở mạch mgoài nhỏ. Ống đếm tỷ lệ cũng có tốc độ ghi nhận bức xạ nhanh
hơn so với buồng ion hóa nghĩa là ống đếm tỷ lệ có tốc độ đếm cao hơn buồng ion hóa. Vùng
này được gọi là vùng ống đếm tỷ lệ. Trong vùng “d” số xung điện được tạo ra trong một giây
được tăng lên liên tục nhưng độ tuyến tính giữa biên độ xung điện và hệ số khuếch đại không
còn được duy trì nữa. Điều này là do các electron được tạo ra ban đầu có đủ năng lượng để
ion hóa các nguyên tử khí một lần nữa. Sự phóng điện có khuynh hướng lan truyền các ion đi
khắp ống. Vùng “e” là vùng của ống đến Geiger. Do có điện thế cao nên sự phóng điện không
còn bị giới hạn trong một vùng thể tích khí nhỏ nữa mà sự phóng điện làn truyền ra toàn bộ
thể tích khí giữa các điện cực (khắp ống). Đối với một điện thế trong buồng được cho trước
thì biên độ xung điện là không đổi nghĩa là biên độ xung không phụ thuộc vào số ion được tạo
ra do quá trình ion hóa đầu tiên mặc dù biên độ tuyệt đối của xung điện được tăng lên liên tục
theo điện thế và chỉ có tổng số xung điện là cho số đo về cường độ bức xạ. Xung điện ra là rất
lớn và có thể ghi nhận được không cần phải khuếch đại hoặc chỉ cần khuếch đại nhỏ.
Đoạn thẳng nằm ngang của đường cong được gọi là đoạn Plateau và vượt ra khỏi đoạn
Plateau thì số xung trên một giây tăng lên nhanh và trong ống sẽ xảy ra quá trình phóng điện
liên tục. Bên trong ống đếm G.M do các electron có khối lượng nhỏ nên chúng có thể được
tập hợp lại dễ dàng. Ngược lại các ion dương di chuyển rất chậm về cathode. Như vậy, có hai
loại ion tồn tại trong thể tích hoạt động của ống đếm. Nếu vận tốc của hai ion này đủ lớn thì
chúng cũng có thể bứt các electron khác ra khỏi nguyên tử khí (quá trình ion hóa thứ cấp) đi

đến đập vào cathode mà điều này cũng có thể làm cho ống xảy ra quá trình phóng điện liên
tục. Xu hướng phóng điện liên tục trong ống đếm G.M phải được ngăn chặn hoặc dập tắt.
Việc dập tắt quá trình phóng điện liên tục được thực hiện theo hai cách sau :
(i)

Sử dụng một mạch điện đặt ở bên ngoài mà ngay sau khi ghi nhận được xung điện
thì hạ thấp điện thế xuống nhỏ hơn điện thế của ống đếm mà cần thiết để cho các ion
dương giải phóng các electron ở cathode cho đến khi toàn bộ các ion được giải phóng ra
khỏi chất khí.
(ii)
Thêm vào buồng một chất khí đa nguyên tử thích hợp. Ống này được gọi là ống
đếm G.M tự tắt. Chất khí tắt thường chứa 10/90% hỗn hợp cồn/Argon (nghĩa là chất khí
tắt là một hỗn hợp gồm có 10% cồn và 90% Argon) ở một áp suất tổng là 10cmHg. Các
chất khí Halogen cũng có tính chất tự tắt. Các ion dương là thế ion hóa dương trong
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

84

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

buồng được giảm xuống bằng cách sử dụng phương pháp làm tắt quá trình hoạt động
hoặc bằng vỏ bọc thế ion hóa dương +Ve trong ống đếm tự tắt và đối với khoảng thời
gian này thì ống đếm G.M không còn nhạy với bức xạ nữa. Khoảng thời gian này được
gọi là thời gian chết của ống đếm. Sau một khoảng thời gian chết thì ống đếm có thể
phát hiện được một xung điện bé hơn xung điện bình thường và sau đó phát hiện được

xung điện lớn trở lại bình thường thì thời gian tính từ lúc bức xạ tạo ra trong ống đếm
một xung điện nhưng có biên độ bé cho đến khi biên độ xung được hồi phục hoàn toàn
được gọi là thời gian phục hồi.
Giá trị thời gian chết điển hình là bằng 2 × 10-4s và thời gian phục hồi là bằng 2.5 đến 5
× 10-4s.
Các buồng ion hoá được dùng để đo suất liều hấp thụ mRem/h; Rem/h có dải đo từ một phần
của mRem/h đến vài ngàn Rem/h. Như vậy, các detector, các máy kiểm tra bức xạ, các máy
đo liều (liều kế) dựa vào nguyên lý hoạt động của buồng ion hóa và hoạt động bằng pin.
Chúng gồm có cả loại xách tay và loại không xách tay. Chúng cũng được dùng như các máy
cảnh báo ngưỡng suất liều cá nhân và các máy đo liều bức xạ ở một khu vực từ xa và các máy
kiểm soát bức xạ ở hiện trường.
Các ống đếm G.M rất nhạy và đặc biệt dùng rất tốt để phát hiện bức xạ có cường độ thấp,
chẳng hạn như độ nhiễm bẫn phóng xạ. Các ống đếm G.M cũng được dùng trong các máy đo
suất liều nhằm để thiết kế các thiết bị thích hợp. Các ống đếm G.M được chế tạo theo nhiều
dạng và có nhiều kích thước khác nhau. Các ống đếm G.M có thành mỏng cho phép các hạt
beta có năng lượng thấp có thể đi vào ống. Các ống đếm G.M có thành rất mỏng cũng có thể
dùng để phát hiện được ngay cả các hạt alpha và các hạt beta có năng lượng rất thấp (khả
năng xuyên thấu rất thấp). Những ống như vậy thường được chế tạo với các thành có bề dày
vừa phải ngoại trừ ở một đầu của ống. Trong những trường hợp như vậy chỉ có đầu mỏng của
ống được sử dụng như là một đầu dò (detector). Các ống như vậy thường gọi là các ống đếm
G.M có cửa sổ ở đầu. Khi áp vào ống đếm G.M một điện thế cao hơn rất nhiều so với điện thế
được áp vào buồng ion hóa thì số ion được tạo ra do quá trình ion hóa trực tiếp (ion hóa sơ
cấp) bởi bức xạ tới được khuếch đại lên để tiếp tục gây ra quá trình ion hóa thứ cấp bởi các
electron được tạo ra trong quá trình ion hóa trực tiếp (quá trình ion hóa sơ cấp) và đây là lý do
để giải thích tại sao các ống đếm G.M nhạy với bức xạ hơn các buồng ion hóa. Ống đếm G.M
được nối với một mạch đếm xung điện mà mạch đếm này có thể phát hiện và đếm sự đi đến
của bức xạ ion hóa riêng biệt bằng xung điện mà chúng tạo ra.
2.4.1. Liều chiếu bức xạ :
Liều chiếu bức xạ hay suất liều chiếu là thuật ngữ được dùng để mô tả tổng cường độ bức xạ
nhận được bởi một khối chất nào đó ở tại một vị trí nào đó. Có một số yếu tố liên quan đến

quá trình đánh giá liều chiếu.
Cường độ bức xạ được phát ra bởi một nguồn phóng xạ và yếu tố quan trọng đó là cường độ
bức xạ thay đổi theo khoảng cách và các vật liệu che chắn chúng. Yếu tố quan trọng thứ hai là
thời gian đối với sự tồn tại của cường độ bức xạ nói trên. Liều chiếu hay suất liều chiếu có thể
được định nghĩa theo dạng toán học đó là E = I.t Trong đó E là liều chiếu, I là cường độ bức
xạ và t là thời gian mà đối với một khối chất nào đó đã bị chiếu xạ. Liều chiếu được đo bằng
Roentgen.
Roentgen đã được định nghĩa trong phần trước nhưng để thuận tiện trong việc giải thích thì
định nghĩa này được trình bày lại ở đây. Một Roentgen được định nghĩa đó là cường độ bức
xạ mà tạo ra trong một đơn vị thể tích không khí khô ở nhiệt độ 00C và áp suất 760mmHg một
điện tích 1e.s.u mỗi dấu. Roentgen có thể áp dụng cho bức xạ tia X hoặc tia gamma và chỉ
cho trong môi trường không khí. Liều hấp thụ Roentgen (Rad) được định nghĩa là cường độ
bức xạ tương đương với một năng lượng hấp thụ là 100erg/g của vật liệu bị chiếu xạ.
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

85

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Hệ số hiệu suất sinh học tương đối (RBE) là sự tác động của bất kỳ bức xạ dạng nào mà gây
ra sự hủy hoại các mô sinh học tương đương với sự hủy hoại của bức xạ tia X có năng lượng
250KV.

RBE =

Cường độ của bức xạ tia X có năng lượng 250KV gây nên một hiệu ứng sinh học
nhất định
Cường độ của bức xạ ( mà có RBE cần thiết) gây nên một hiệu ứng sinh học giống
với cường độ bức xạ tia X có năng lượng 250KV

RBE cũng còn được gọi là hệ số chất lượng được ký hiệu là Q.F.
Hiệu ứng sinh học gây ra bởi một dạng bức xạ riêng biệt nào đó không những phụ thuộc vào
liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào giá trị RBE của bức xạ đó. Đơn vị dùng để tính liều hấp
thụ và RBE là Rem (Roentgen Equivelent Man) (liều tính bằng Roentgen tương đương đối
với một người đàn ông) và liều tính theo Rem được định nghĩa là : Liều tính theo Rem = Liều
tính theo Rad × RBE. Ta cần phải ghi nhớ rằng các dạng bức xạ khác nhau nhưng có liều hấp
thụ như nhau thì có giá trị liều tính theo Rem lại khác nhau là do sự khác nhau về giá trị RBE.
1Rad của bức xạ alpha sẽ bằng 20Rad của bức xạ gamma và cả bức xạ alpha và bức xạ
gamma sẽ bằng 20Rem. (giá trị RBE của bức xạ alpha bằng 20 còn giá trị RBE của bức xạ
gamma bằng 1).
Đơn vị chuẩn quốc tế (SI) cho liều tương đương là Sievert (Sv) được định nghĩa là 1 Rem =
10-2 Sv. Những đơn vị nhỏ hơn Sv là milli – sievert (mSv) và micro – sievert (µSv). Roentgen
Giờ Mét (RHM) là suất liều chiếu tính theo đơn vị Roentgen/giờ từ một nguồn có hoạt độ là
1Ci ở tại một khoảng cách là 1m tính từ tâm hiệu dụng của nguồn.
2.5. NGUYÊN LÝ GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X VÀ TIA GAMMA
2.5.1. Ghi nhận bức xạ bằng phim
Giống như ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tia X và tia gamma gây ra những thay đổi quang hóa
trong lớp nhũ tương chụp ảnh của phim, vì thế chúng tạo ra những thay đổi về mật độ quang
học (độ đen) của phim tia X. Quá trình làm đen phim phụ thuộc vào cả số lượng và chất lượng
của bức xạ đi đến tương tác với phim.
Khi bức xạ đi đến tương tác với lớp nhũ tương chụp ảnh của phim sẽ hình thành một hình ảnh
được gọi là “ảnh ẩn”. Quá trình này xảy ra theo cách sau đây :
Lớp nhũ tương chụp ảnh của phim có chứa những tinh thể bạc bromua nhỏ li ti. Dưới tác
động của bức xạ có năng lượng hν thì một ion âm bromua (Br -) giải phóng bớt một electron
của nó để trở về trạng thái trung hoà.

Nghĩa là :
Br- + hν

Br + e-.

Electron được giải phóng trung hoà ion dương bạc (Ag +) để trở thành nguyên tử Ag bằng
phản ứng.
Bằng phản ứng :
Ag+ + eAg.
Toàn bộ quá trình trên có thể được biểu diễn như sau :
Ag+ + Br-

Ag + Br

Các nguyên tử bromua trung hòa sẽ kết hợp lại với nhau để hình thành nên các hạt brom (Br)
và thoát ra khỏi những tinh thể bạc bromua (AgBr), ngược lại những nguyên tử bạc tự do sẽ
được lắng xuống. Sau khi xử lý tráng rữa phim thì “ảnh ẩn” sẽ trở nên nhìn thấy được.
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

86

CHƯƠNG 2


TRUNG TÂM HẠT NHÂN TP.HCM

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN RT CẤP II

Phim được sử dụng phổ biến nhất trong phương pháp phát hiện và ghi nhận bức xạ tia X và
tia gamma trong chụp ảnh bức xạ. Phương pháp sử dụng phim để phát hiện và ghi nhận bức

xạ tia X và tia gamma là một phương pháp rất nhạy và bên cạnh nhiều phương pháp phát hiện
và ghi nhận bức xạ tia X và tia gamma khác thì phương pháp này có một ưu điểm là cho kết
quả ghi nhận lưu giữ được lâu dài. Những loại phim khác nhau và những tính chất của chúng
sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4.
2.5.2. Ghi nhận bức xạ bằng các chất phát huỳnh quang :
Có một vài chất như là cadmium sulphate, barium platinocyanide hoặc calcium sulphate phát
ra ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng tử ngoại khi chúng bị chiếu xạ bởi bức xạ tia X hoặc tia
gamma. Nếu quá trình phát ánh sáng chỉ xuất hiện trong khoảng thời gian chiếu xạ. Quá trình
này được gọi là quá trình phát huỳnh quang. Quá trình phát huỳnh quang được sử dụng cả
trong soi ảnh trên màn huỳnh quang (hình ảnh của mẫu vật được kiểm tra có thể nhìn thấy
được trên các màn huỳnh quang) và trong chụp ảnh bức xạ mà trong đó các màn tăng cường
huỳnh quang được sử dụng để làm tăng hiệu ứng quang hóa trên phim mà được tạo ra bởi bức
xạ. Các màn tăng cường bằng kim loại huỳnh quang dùng trong chụp ảnh bức xạ cũng sử
dụng hiệu ứng này nhằm để tăng cường hình ảnh. Việc sử dụng các màn tăng cường huỳnh
quang trong quá trình soi ảnh trên màn huỳnh quang hoặc trong chụp ảnh bức xạ có một số ưu
điểm là giúp làm giảm được thời gian kiểm tra do đó làm cho việc kiểm tra bằng chụp ảnh
bức xạ kinh tế hơn. Nhìn chung các màn tăng cường bằng muối hoặc các màn tăng cường
huỳnh quang đặc biệt thích hợp trong chụp ảnh bức xạ y học mà trong đó có một yêu cầu là
để nhận được một ảnh chụp bức xạ thích hợp cùng với một liều chiếu sử dụng cho bệnh nhân
có thể là nhỏ nhất. Tuy nhiên, trong kỹ thuật soi ảnh trên màn huỳnh quang là không thể định
lượng và thường không chỉ ra được những khuyết tật nguy hiểm. Chất lượng hình ảnh nhìn
chung là kém. Các màn tăng cường huỳnh quang có khuynh hướng bão hòa với một cường độ
bức xạ nhỏ mà sau đó quá trình phát sáng vẫn không thay đổi và độ tương phản của hình ảnh
không thể cải tiến thêm được nữa.
2.5.3. Ghi nhận bức xạ bằng các đầu dò (detector) điện tử :
Tất cả các detector điện tử được sử dụng hầu hết đều là các detector nhấp nháy mà những
detector nhấp nháy này hoạt động dựa trên những nguyên lý giống như nguyên lý ghi nhận
huỳnh quang được mở rộng và theo cách khác. Một detector nhấp nháy gồm có một bản tinh
thể nhấp nháy và một ống nhân quang điện. Bản tinh thể nhấp nháy có thể chứa nhiều chất
nhấp nháy khác nhau, một số trong những chất nhấp nháy đó là rhodium được làm tăng hoạt

tính hoặc lithium iodides. Bản tinh thể nhấp nháy thường được phủ bởi một lớp beryllium
mỏng và bên dưới lớp baryllium này là một lớp mỏng bằng nhôm. Baryllium là một chất chắn
ánh sáng nhưng nó cho phép bức xạ tia X xuyên qua nó. Nhôm có chức năng như là một chất
làm phản xạ ánh sáng. Giữa bản tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện là một chất như là
silicon, chất silicon này có một hiệu suất phát sáng nhấp nháy trong bản tinh thể nhấp nháy
cao. Trong ống nhân quang điện có thể xuất hiện một dòng quang electron phát ra từ
photocathode của ống được khuếch đại lên rất lớn.
Khi bức xạ đi đến tương tác vào bản tinh thể nhấp nháy (NaI hoặc LiI được làm tăng hoạt tính
bằng chất thallium hay germanium tương ứng), thì bức xạ có thể mất đi một phần hay toàn bộ
năng lượng của chúng do bởi quá trình hấp thụ và phát ra ánh sáng nhấp nháy bên trong bản
tinh thể nhấp nháy (theo tính chất huỳnh quang thì ánh sáng này thường nhìn thấy được trên
màn). Cường độ ánh sáng phát ra là một hàm theo năng lượng của bức xạ đi đến tương tác với
bản tinh thể. Ánh sáng được truyền đến photocathode (photocathode là một chất mà có thể
phát ra các electron khi bị ánh sáng nhìn thấy tương tác vào) của ống nhân quang điện. Ánh
sáng sẽ làm giải phóng các electron ra khỏi cathode. Những electron này sau đó va đập vào
dynode thứ nhất của ống nhân quang điện. Trên mỗi dynode sẽ có sự khuếch đại số lượng các
electron va đập vào và sẽ cho một quá trình khuếch đại có thể đạt đến trên 10 9. Những
PHÒNG THÍ NGHIỆM NDT

87

CHƯƠNG 2