Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T

Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................ 3
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ TIA X VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỤP ẢNH PHÓNG X
I. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 5
I.1) Định nghĩa và tầm quan trọng của NDT ................................................. 5
I.2). Các phương pháp NDT .......................................................................... 6
II. TIA X VÀ CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ ........................................................... 7
II.1). Tia X..................................................................................................... 7
II. 2). Quá trình tương tác của bức xạ với vật chất ...................................... 12
II.3). Chụp ảnh phóng xạ............................................................................ 17
II.4). Nguyên lý tạo ảnh trên phim ............................................................... 19
CHƯƠNG 2 : THIẾT BỊ DÙNG TRONG CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ.......... 20
I. THIẾT BỊ PHÁT BỨC XẠ TIA X ............................................................... 20
I.1). Ống phát tia-X ..................................................................................... 20
I.2). Bàn điều khiển trên ống phát tia-X ...................................................... 21
I.3). Cấu tạo và các đặc tính của phim ........................................................ 22
I.4). Phân loại phim .................................................................................... 30
I.5). Màn tăng cường................................................................................... 31
CHƯƠNG 3 : QUÁ TRÌNH XỬ LÝ PHIM CHẤT LƯỢNG ẢNH VÀ
LIỀU CHIẾU. .................................................................................................. 34
I . QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TRÁNG RỬA PHIM. ............................................... 34
I.1. Qúa trình xử lý tráng rửa phim. .......................................................... 34
I.2. Phòng tối ............................................................................................. 39
II. CHẤT LƯỢNG ẢNH VÀ LIỀU CHIẾU ................................................... 39
II.1). Các phương pháp xác định khuyết tật : .............................................. 39
II.2). Công thức tính toán và phương pháp xác định liều chiếu. .................. 47

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 1


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN TRONG ............... 56
CHỤP ẢNH BỨC XẠ ..................................................................................... 56
I. KĨ THUẬT CHỤP ẢNH BỨC XẠ KIỂM TRA CÁC MỐI HÀN. ............... 56
I.1. Các mối hàn nối. ................................................................................... 56
I.2. Các mối hàn chu vi ............................................................................... 57
I.3. Mối hàn chữ T ....................................................................................... 63
II SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỨC XẠ LÊN CHẤT LƯỢNG ẢNH CHỤP BỨC
XẠ: ................................................................................................................ 71
II.1. Nguồn gốc và sự tác động của bức xạ tán xạ lên chất lượng ảnh ......... 71
II.2. Các biện pháp khắc phục ..................................................................... 72
II.3. Tác động của bức xạ lên cơ thể con người. .......................................... 73

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 2


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin thì kỹ thuật
hạt nhân được áp dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống, và mang
lại nhiều lợi ích kinh tế - xã hội. Trong sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân

“kiểm tra không phá hủy (NDT)” sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành
công nghiệp trên khắp Thế giới và Việt Nam. Với sự phát triển của công nghệ
như vũ bão hiện nay, các ngành công nghiệp trọng điểm là thế mạnh của các
nước đang phát triển như Việt Nam để hòa vào sân chơi kinh tế Thế giới, nên
chất lượng sản phẩm bán ra là rất cần thiết để có thể cạnh tranh được trên thị
trường quốc tế, do nền kinh tế Thế giới đã mang tính toàn cầu. Vì vậy kiểm
tra không phá hủy là một bộ phận quan trọng trong công tác kiểm tra chất
lượng sản phẩm. Phương pháp không phá hủy mẫu dùng kiểm tra các khuyết
tật mối hàn, các vết nứt trong các đường ống, các công trình xây dựng. Ngoài
ra, nó còn phục vụ cho nhiều ngành khác nhau như : Hóa chất, chế biến lọc
dầu, xi măng, khai thác dầu khí, công trình giao thông thủy lợi, và cả trong y
tế lẫn nông nghiệp. Một trong những phương pháp kiểm tra không phá huỷ
ngày càng được chấp nhận sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong
công nghiệp là : Phương pháp chụp ảnh bức xạ công nghiệp (thuật ngữ tiếng
Anh là Radiography Testing – ký hiệu là RT). Nó đang ngày càng trở nên
hữu hiệu và là sự lựa chọn của nhiều ngành công nghiêp trong việc kiểm tra
chi tiết trên công trình yêu cầu độ an toàn cao. Xuất phát từ thực tế đó, luận
văn này muốn trình bày khái quát về nguyên lý cơ bản của phương pháp chụp
ảnh phóng xạ và ứng dụng khác nhau trong việc kiểm tra khuyết tật trong các
thành phần công nghệ.
Do đó bố cục của luận văn gồm ba phần chính :
Phần I : Tổng quan lý thuyết : gồm 4 chương.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 3


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Chương I : Tổng quan về tia X và phương pháp chụp ảnh phóng xạ.
Chương II : Các thiết bị dùng trong chụp ảnh phóng xạ.
Chương III : Quá trình xử lý phim, và phương pháp nhận dạng khuyết tật.
Chương IV : Ứng dụng và đánh giá an toàn trong chụp ảnh bức xạ.
Phần II : Phần thực nghiệm và kết quả.
Phần III : Kết luận
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 4


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ TIA X VÀ PHƯƠNG PHÁP
CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ.

I. GIỚI THIỆU CHUNG
Định nghĩa và tầm quan trọng của NDT

I.1.

I.1.1. Định nghĩa và bản chất của NDT
Kiểm tra không phá huỷ là sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra

phát hiện các khuyết tật bên trong cấu trúc vật liệu, các sản phẩm, các chi tiết
máy...mà không làm ảnh hưởng đến khả năng hoạt động và chất lượng của
chúng.
I.1.2. Tầm quan trọng của NDT
Phương pháp kiểm tra không phá huỷ đóng một vai trò quan trọng
trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm. NDT cũng được sử dụng trong tất cả
các công đoạn của quá trình chế tạo mỗi sản phẩm.
Sử dụng các phương pháp NDT có hiệu quả trong các công đoạn của
quá trình chế tạo sản phẩm như : Tăng mức độ an toàn và tin cậy của sản
phẩm khi làm việc.
Làm giảm sản phẩm phế liệu và đảm bảo chất lượng của vật liệu, từ đó
giảm giá thành sản phẩm.
Ngoài ra NDT được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm tra thường xuyên
hoặc định kỳ chất lượng của các thiết bị máy móc và các công trình trong quá
trình vận hành.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 5


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

I.2.

Các phương pháp NDT

I.2.1. Phương pháp kiểm tra bằng mắt.(Visual testing - VT) :
Kiểm tra bằng mắt là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu

quả nhất của phương pháp kiểm tra không phá hủy. Đối với phương pháp này
thì bề mặt của vật thể kiểm tra cần phải có đủ độ sáng và tầm nhìn của người
kiểm tra phải thích hợp. Các thiết bị, dụng cụ được trang bị đầy đủ và người
kiểm tra phải qua lớp tập huấn.
I.2.2. Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy(Eddy current testing ET) :
Phương pháp này dùng phát hiện các khuyết tật trên bề mặt, phân loại
vật liệu, để đo những thành mỏng từ một mặt … và một vài ứng dụng khác để
đo độ sâu lớp thấm. Phương pháp này kiểm tra rất nhanh, có thể tự động hóa
được.
I.2.3. Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ(Radiographic testing
- RT) :
Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ được dùng để xác định
khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau. Đây là
phương pháp chụp ảnh bằng các tia X hoặc gamma.
I.2.4. Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm (Utransonic teshing - UT) :
Kiểm tra vật liệu bằng siêu âm là một trong nhiều phương pháp kiểm
tra không phá huỷ, sóng siêu âm có tần số cao được truyền vào vật liệu cần
kiểm tra.
I.2.5. Phương pháp kiểm tra bằng bột từ. (Magnetic particle testing - MT) :

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 6


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Phương pháp này được dùng để kiểm tra các vật liệu dễ nhiễm từ. Nó
có khả năng phát hiện được những khuyết tật hở ra trên bề mặt và ngay sát bề

mặt.
I.2.6. Phương pháp kiểm tra thẩm thấu lỏng.(Penetrant Testing – PT) :
Phương pháp này dùng kiểm tra những bất đồng nhất trên bề mặt như :
Các vết nứt, rỗ khí, chồng mép, các lỗ rò rỉ. Phương pháp này rẻ tiền, dễ áp
dụng, kiểm tra nhanh, thiết bị gon nhẹ.
II. TIA X VÀ CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ
II.1. Tia X
II.1.1. Cơ sở hình thành
Roentgen tên đầy đủ là Wihelm Conrad Roentgen, sinh năm 1845 tại
lenep-CHLB Đức
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 các loại tia mới và bí ẩn này thì Roentgen đã chụp được một bức
ảnh bóng của các vật thể khác nhau gồm những 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 mối hàn. Năm 1913 Collidge đã thiết kế một ống phát
bức xạ tia X mới. Thiết bị này có khả năng phát 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 tếp theo, vào năm 1930 khi hải quân Mĩ đồng ý
dùng phương pháp chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các mối hàn của nồi hơi.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 7


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra

khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ không những được ứng dụng trong
nghành công nghiệp hàng không, mà còn mở rộng sang các lĩnh vực khác như
kiểm tra các mối hàn trong nhà máy điện, các nhà máy luyện kim, các cấu
trúc của thiết bị vận chuyển.
II.1.2. Tính chất của tia X và bức xạ gamma.
Bức xạ tia X là dạng bức xạ điện từ giống như ánh sáng. Giữa tia X và
ánh sáng thường chỉ khác nhau về bước sóng. Trong kiểm tra vật liệu bằng
0

chụp ảnh bức xạ thường sử dụng bức xạ tia X có bước sóng từ 10-2 A đến
0

0

10 A (1 A = 10-10 m). Tần số dao động riêng ν, bước sóng xác định tính chất
đặc trưng của bức xạ lan truyền trong không gian λ với tốc độ ánh sáng c liên
hệ với nhau theo : λ = c/ν.
Khi giảm bước sóng λ năng lượng bức xạ E tăng lên. Do vậy tính chất
hạt trội hơn tính chất sóng nên khả năng đâm xuyên mạnh hơn
Bức xạ tia X và gamma là bức xạ điện từ giống như ánh sáng, nên có
những tính chất giống nhau như :
Khi bức xạ tia X hay gamma chiếu qua không nhìn thấy được, nên
không cảm nhận được bằng giác quan của con người.Vì vậy chúng gây
nguy hại cho tế bào sống
Chúng làm cho các chất phát huỳnh quang. Các chất phát huỳnh quang
đó là kẽm sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium, thallum được
kích hoạt natri iodide.
Chúng gây sự ion hoá, chúng có thể tách các electron ra khỏi các

nguyên tử khí để tạo các ion dương, ion âm.
Chúng tuân theo định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
Đó là, cường độ bức xạ tia X hoặc gamma tại một thời điểm bất kỳ tỷ lệ

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 8


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

với bình phương khoảng cách từ nguồn đến điểm đó được tính theo
công thức : ( I = 1/r2 ).
o Với I: cường độ bức xạ, r : khoảng cách.
Chúng truyền theo một đường thẳng, là dạng sóng điện từ nên có thể bị
phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ.
Chúng có thể xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể xuyên
qua được. Độ xuyên sâu phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ, mật độ,
chiều dày của vật liệu
Chúng tác động lên lớp nhũ tương film.
II.1.3. Tác hại của tia X :
Khi tia X đi vào cơ thể, không phải tất cả đều ra khỏi được, mà một số
tia X bị mất do cơ thể người hấp thụ. Những tia X bị mất đi có thể có năng
lượng rất lớn, nó đi qua cơ thể và giải phóng tất cả các năng lượng của nó.
Năng lượng này được chuyển thành electron gây nhiều tổn thương cho cơ
thể con người trong một vùng hẹp như : ion hoá môi trường mà nó đi qua, phá
huỷ các ADN của tế bào.
II.1.3. Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách :
Cường độ bức xạ biến thiên theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng

cách.
Định luật này được minh họa qua ví dụ cụ thể dưới đây :

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 9


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Hình 1.1 : Sơ đồ minh họa định luật tỷ lệ với bình phương khoảng cách.
Gọi A là nguồn phát bức xạ, B là khe hở, C1, C2 là bề mặt ghi nhận.
Khi nguồn phát bức xạ có cường độ không đổi, đi qua khe hở B có diện tích
là 4cm2, rồi đi đến bề mặt ghi nhận C1 cách nguồn 12cm, khi di chuyển từ C1
đến C2 thì bề mặt ghi nhận tại C2 cách nguồn là 24cm, lúc này chùm tia bức
xạ có diện tích bằng 16 cm2. Diện tích này lớn bằng bốn lần diện tích tại C1.
Vì vậy, ta có bức xạ trên 1cm2 ở bề mặt ghi nhận tại điểm C2 chỉ bằng ¼ bức
xạ trên 1cm2 ở bề mặt ghi nhận tại điểm C1.
Đối với chụp ảnh bức xạ thì định luật tỷ lệ với bình phương khoảng
cách rất quan trọng. Phim được ghi nhận một suất liều chiếu hoặc liều chiếu
nhất định để tạo ra một ảnh chụp bức xạ trên phim có độ đen theo ý muốn.
Nếu khoảng cách từ nguồn đến phim thay đổi thì liều chiếu cũng bị thay đổi
theo định luật tỷ lệ với bình phương khoảng cách.
Với ví dụ trên, để liều chiếu thích hợp tại C2 như tại C1 thì phải tăng
bức xạ lên 4 lần sẽ tạo ra một ảnh bức xạ trên phim tại C2 có độ đen bằng với
độ đen của ảnh tại C1. Trong thực tế, ta có thể tăng thời gian chiếu hoặc
cường độ bức xạ lên.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 10


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách được biểu diễn qua

I
I

công thức sau :

1

=

2

(r2)
( r1)

2

2

r1, r2 : là khoảng cách từ nguồn C1 đến C2.
I1, I2 : là cường độ bức xạ tại C1, C2.
Lại có :

I

1

=

,

1

E

I

1

2

=

1

E

2

E1, E2 : là liều chiếu tại C1 , C2. Nên ta có :

E

E

2
1

=

I
I

1

(r2)
=
( r1)

2

2

2

,

I
I

1

(r 2)

=
( r1)

2

2

2

=

D
D

1
2

Với D1, D2 : là suất liều chiếu tại khoảng cách r1 , r2 tính từ nguồn
phóng xạ.
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, D2 là suất liều
chiếu tại khoảng cách r1 và r2 tính từ nguồn phóng xạ. D1 và D2 ; r1 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 bằng (1/102 = 1/100) suất liều chiếu của nguồn 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
SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 11


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

II.2. Quá trình tương tác của 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 đặc trưng khác nhau của nó được
trình bày dưới đây :
II.2.1. Hiện tượng hấp thụ :
Một chùm tia X hoặc gamma đi qua vật chất thì cường độ của chúng bị
suy giảm. Hiện tượng này gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X hoặc gamma trong
vật chất. Tính chất này của bức xạ tia X hoặc gamma được sử dụng trong
chụp ảnh bức xạ công nghiệp. Nếu có một khuyết tật nằm bên trong cấu trúc
của mẫu vật, thì có sự thay đổi về bề dày hoặc mật độ mẫu vật đó, và nó tác
động đến cường độ của chùm bức xạ truyền qua, chùm bức xạ truyền qua này
được ghi nhận trên phim tạo ra một ảnh chụp bức xạ trên phim.
Xét một ví dụ cụ thể :
Lấy một mẫu vật dạng tấm có bề dày là “X” và truyền một chùm bức
xạ đơn năng song song qua nó. Gọi I0 là cường độ bức xạ tới, I là cường độ
bức xạ truyền qua thì ta có biểu thức : I =

I

0

*e

− µχ

trong đó µ được gọi

là hệ số hấp thụ tuyến tính.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 12


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Hình 1.2 : Quá trình hấp thụ bức xạ.
Cường độ của chùm bức xạ tia X hoặc gamma đi qua vật chất bị suy
giảm, và nó được thể hiện qua ba hiệu ứng : Sự hấp thụ quang điện, sự hấp
thụ và tán xạ Compton, sự tạo cặp. Để đưa vào tính toán cho tất cả các hiệu
ứng này thì giá trị µ có thể được viết như sau : µ = τ + σ + χ
trong đó : Hệ số suy giảm tuyến tính µ là tổng các hệ số tương tác tuyến
tính do hiệu ứng quang điện τ, tán xạ compton σ và quá trình tạo cặp χ
Như vậy µ đặc trưng cho sự suy giảm tương đối của cường độ bức xạ
khi đi qua chiều dày hấp thụ 1 cm. Độ lớn nghịch đảo1/µ được gọi là quãng
đường tự do của lượng tử trong vật chất.
Trong vùng bức xạ roentgen và gamma năng lượng thấp, giá trị µ được

xác định trên cơ sở hiệu ứng quang điện và mất đi khi năng lượng tăng. Tại
vùng năng lượng bức xạ γ nhỏ hơn 1 MeV, quá trình tương tác cơ bản là tán
xạ compton, hệ số µ ít phụ thuộc vào năng lượng. Trong các chất có nguyên
tử số Z lớn thì tác động quang điện và tạo cặp đến µ lớn. Trong vùng năng
lượng chỉ tồn tại tán xạ compton thì µ ít phụ thuộc vào Z.
II.2.1.1. Sự hấp thụ quang điện.
Khi tương tác quang điện với nguyên tử chất hấp thụ, lượng tử (photon)
có năng lượng tương đối thấp (nhỏ hơn 1 MeV) truyền toàn bộ năng lượng
cho electron ở lớp trong – thường là lớp K. Do nhận được năng lượng bằng
hiệu số giữa năng lượng lượng tử với năng lượng liên kết trong nguyên tử,
electron bị bứt ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là photoelectron
(điện tử quang) và dịch chuyển trong chất hấp thụ gây ra ion hóa thứ cấp và
kích thích. Khi liên kết giữa các electron càng bền vững thì hiệu ứng quang
điện càng mạnh. Hiệu ứng quang điện hầu như chỉ xảy ra trong các chất có
nguyên tử lượng và nguyên tử số cao, vì vậy chì Pb được dùng làm chất che
SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 13


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

chắn tốt đối với lượng tử năng lượng thấp. Hệ số tương tác tuyến tính quang
điện là τ tỉ lệ với số Z và năng lượng E

Hình 1.3 : Hiệu ứng quang điện.
II.2.1.2. Sự tán xạ compton
Quá trình tán xạ compton được thực hiện bằng cách lượng tử (photon)
va chạm với electron ở lớp vỏ ngoài. Khi tương tác chỉ một phần năng lượng

của lượng tử truyền cho nguyên tử hấp thụ và lượng tử bị tán xạ. Electron
được giải phóng khỏi nguyên tử gây ra ion hóa và kích thích. Lượng tử và
electron đều bị lệch đi các góc khác nhau so với hướng chuyển động ban đầu.
Mật độ electron càng lớn thì mức độ tán xạ càng mạnh. Hệ số tương tác tuyến
tính tán xạ σ tỉ lệ với nguyên tử số Z và tỉ lệ nghịch với năng lượng E.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 14


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Hình 1.4 : Tán xạ compton
Ở đây, cần chú ý rằng bức xạ tán xạ có ảnh hưởng đặc biệt đến phim
trong quá trình chụp. Nó làm tăng độ mờ của ảnh chụp bức xạ đây là điều
không mong muốn khi giải đoán ảnh. Do đó hiệu ứng Compton là hiệu ứng có
ảnh hưởng quan trọng nhất.
II.2.1.3. Sự tạo cặp :
Quá trình tạo cặp do lượng tử (photon) γ tương tác với nguyên tử tạo
nên cặp electron e- và positron e+trong điện trường; khi đó chính lượng tử
biến mất. Năng lượng tối thiểu để tạo ra cặp electron – positron cần phải vượt
quá tổng năng lượng của chúng tức là 1,022 MeV. Sau khi tạo thành electron
và positron tách khỏi nhau rồi bị mất động năng do sự ion hóa thứ cấp. Quá
trình tạo cặp có vai trò quan trọng khi năng lượng E lớn với các chất có
nguyên tử số Z cao, vì hệ số tương tác tạo cặp χ tỉ lệ với Z2.
II.2.2. Hệ số suy giảm khối µm
Khi kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ, người ta còn dùng khái niệm hệ
số suy giảm khối vì hệ số này đặc trưng đồng thời cho cả mật độ vật liệu

cũng như năng lượng bức xạ. Nó được xác định theo quan hệ:
µm = µ/ρ

(g/cm2)

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 15


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Trong đó: ρ – mật độ vật chất (g/cm3)
Đối với bức xạ tia X có quan hệ giữa hệ số suy giảm khối, bước sóng λ và
nguyên tử số Z như sau:
µm =k λ3Z3

µm 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. µm cũng phụ
thuộc vào nguyên tử số Z của chất hấp thụ và tăng lên theo nguyên tử số Z.
II.2.3. Định luật suy giảm chùm tia bức xạ hẹp.
Bức xạ bị hấp thụ khi truyền qua lớp vật liệu mỏng và phụ thuộc vào
chiều dày δ và hệ số suy giảm tuyến tính µ. Tương tự như định luật phân rã
phóng xạ có thể viết:
− µδ

I =I e
t

0

=

I

0

exp(− µδ )

Trong đó: I0 và It là cường độ của chùm tia bức xạ hẹp tới và truyền
qua vật liệu tương ứng với I0 cách nguồn 1 m.
Để thuận tiện cho tính toán người ta thường dùng chiều dày làm yếu
(hấp thụ) một nửa (HVL) - là chiều dày của vật liệu cho trước làm cho cường
độ chùm tia bức xạ khi đi qua nó giảm xuống còn một nửa. Chiều dày hấp thụ
một nửa HVL được xác định từ công thức :
I 
⇒ ln t  = − µδ
 Io 



It = I0e-µ.δ

Nếu

It

I

0

=

1
1
ta có : ln  = − µδ
2
 2

⇒ δ = HVL =

0,693

µ

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 16


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

II.2.4. Tán xạ ngược
Khi lượng tử tán xạ nhiều lần trong vật kiểm và bị hấp thụ bởi những
vật gần đó, một phần bức xạ tán xạ truyền ngược ra khỏi vật hấp thụ và tác

động đến detector cũng như người thao tác. Độ lớn tán xạ ngược trong môi
trường tỉ lệ nghịch với bình phương nguyên tử số Z2 của vật chất đó. Nó cũng

tăng khi chùm bức xạ tới vật kiểm bị lệch và tỉ lệ nghịch với cosθ (ở đây θ là
góc tới của tia bức xạ). Cho nên tránh chụp kiểm tra mối hàn đặt trong môi
trường bằng vật liệu nhẹ (nhôm, bê tông...) hoặc hướng chiếu bị lệch. Điều đó
dẫn tới độ nhạy bị giảm và phải tăng cường độ chiếu gây ảnh hưởng xấu đến
người thao tác. Khi chụp trong xưởng có buồng kín mà không có trần bổ
sung, tán xạ ngược có thể tạo nên phông bức xạ truyền ra ngoài. Suất liều của
phông có thể vượt quá giới hạn cho phép đối với dân chúng (1 mSv/năm).

II.3. Chụp ảnh phóng xạ
II.3.1. Định nghĩa chụp ảnh phóng xạ :
Phương pháp chụp ảnh phóng xạ dùng để xác định khuyết tật bên trong
của vật liệu kiểm tra. Phim ảnh bức xạ được tạo ra từ các chùm tia X hoặc
gamma đi qua vật thể. Cường độ của chùm tia X hoặc gamma đi qua vật thể
bị thay đổi tùy theo cấu trúc bên trong của vật thể, khi rửa phim chụp sẽ hiện
ra ảnh bóng, đó chính là ảnh chụp bức xạ của sản phẩm. Sau đó phim được
giải đoán để biết được những khuyết tật có trong sản phẩm đó. Về bản chất cơ
bản hệ chụp ảnh gồm : Nguồn phóng xạ, vật thể cần kiểm tra và bộ phận ghi
là phim.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 17


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Hình 1.5: Cách bố trí trong phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh
phóng xạ.
II.3.2. Ưu điểm của chụp ảnh phóng xạ :

Với phương pháp chụp ảnh phóng xạ dùng để kiểm tra khuyết tật của
tất cả các vật liệu, đặc biệt các khuyết tật mỏng cũng có thể phát hiện được.
Nó cũng phù hợp cho việc phát hiện cấu trúc bên trong vật liệu bị sai hỏng, sự
lệch hàng, những thay đổi trong các phép đo bề dày thành vật liệu, xác định vị
trí hoặc các khuyết tật ẩn chứa trong các phần lắp ráp. Thuận lợi cơ bản của
việc ứng dụng chụp ảnh bức xạ là có thể kiểm tra các vật thể với kích thước
hay dạng hình cầu có đường kính cỡ micromet tới những vật có kích thước
khổng lồ hoặc kiểm tra cấu trúc các bộ phận trong các nhà máy. Ngoài ra, nó
còn có khả năng ứng dụng cho nhiều vật liệu khác nhau mà không có bất kì
một sự chuẩn bị trước nào đối với bề mặt mẫu vật. Trở ngại chính của chụp

ảnh bằng phóng xạ là sự nguy hiểm cho các nhân viên vận hành bị chiếu xạ
bởi chùm tia X hoặc gamma, có thể làm tổn thương đến các tế bào sống trong

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 18


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

cơ thể. Phương pháp này rất đắt tiền, không dễ tự động hóa, do đó cần yêu
cầu một sự vận hành chính xác và thái độ nghiêm túc cao trong quá trình làm
việc và người thực hiện phải có nhiều kinh nghiệm trong việc giải đoán ảnh
chụp trên phim.

II.4. Nguyên lý tạo ảnh trên phim
Khi tia X hoặc gamma chiếu đến phim sẽ làm thay đổi độ đen của
phim, nên độ đen của phim phụ thuộc vào số lượng, chất lượng của chúng.

Khi bức xạ đi đến tương tác với lớp nhũ tương chụp ảnh của phim sẽ
tạo ra một ảnh ảo. Quá trình này xảy ra theo các bước sau :
Lớp nhũ tương của phim chứa những tinh thể bạc bromua nhỏ li ti. Sự
tương tác của tia X hoặc gamma có năng lượng hυ thì giải phóng một
electron của một ion âm bromua

(B r -) để trở về trạng thái trung hòa.

Br - + hυ

-

→ Br + e .

Electron được giải phóng trung hòa ion dương bạc (Ag+) để trở thành
nguyên tử Ag bằng phản ứng :
Ag+ + e- → Ag.
Kết quả cuối cùng được thể hiện :
Ag+ + Br - → Ag + Br.
Các nguyên tử bromua trung hòa sẽ kết hợp lại với nhau để hình thành
nên các hạt Br và thoát ra ngoài tinh thể bạc bromua (AgBr) , còn lại là những
nguyên tử Ag tự do sẽ lắng xuống. Sau khi xử lý tráng rửa phim thì ảnh ẩn
nhìn thấy được và trở thành ảnh thật.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 19


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra

khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

CHƯƠNG 2 : THIẾT BỊ DÙNG TRONG CHỤP ẢNH PHÓNG XẠ

I. THIẾT BỊ PHÁT BỨC XẠ TIA X

Để tạo ra tia-X yêu cầu có các điều kiện sau đây :
Nguồn phát dòng điện tử.
Phương pháp gia tốc các hạt điện tử đến vận tốc cao.
Bia để thu nhận tương tác va đập của các điện tử.
Tia-X sinh ra khi các điện tử tự do có vận tốc cao mất một phần năng
lượng do tương tác va chạm với các điện tử quỹ đạo hoặc hạt nhân của
nguyên tử. Vận tốc của các điện tử tự do càng cao thì năng lượng tia-X tạo
thành càng lớn. Hệ máy phát bao gồm ống phát tia-X và bàn điều khiển.
I.1. Ống phát tia-X

Ống phát tia-X là một ống chân không gồm 1 cathode và 1 anode đặt
giữa cao thế một chiều, được trình bày trên Hình 2.1 :

Hình 2.1. Sơ đồ ống phát tia-X.
Cathode : Cấu tạo bằng một sợi tóc và được nung nóng đỏ để tạo ra
nguồn điện tử (electron) bằng hiệu ứng bức xạ nhiệt. Dòng điện đốt tóc
tạo ra nhờ một hiệu thế nung tim (6-10 V), được đo bằng miliAmpe
(mA).
SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 20


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra

khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Anode : Là một bản kim loại, thường là tungsten. Anode thường là loại
anode quay. Hiệu điện thế một chiều có giá trị từ 10 kV đến 150 kV,

điện áp giữa cathode và anode để gia tốc chùm điện tử.
Diện tích nhận được chùm điện tử gọi là tiêu điểm của ống.
Khi cathode được đốt nóng bởi một dòng điện, electron đạt đủ năng
lượng nhiệt để thắng năng lượng liên kết giữa nó và kim loại làm tim đèn, các
electron sẽ được phóng ra, bay tới đập vào anode tạo ra chùm tia-X. Vì chỉ
một số nhỏ năng lượng tia electron chuyển đổi thành tia-X, còn lại hầu hết
năng lượng electron chuyển thành năng lượng nhiệt trên anode nên ống phát
tia-X cần phải có dung lượng nhiệt lớn, tốc độ tải nhiệt nhanh. Anode được
gắn với hệ thống tan nhiệt hoặc làm nguội để có thể phát tia liên tục trong thời
gian dài. Cường độ và tổng số photon của chùm tia-X phụ thuộc vào gia tốc
(kV), dòng electron (mA) và thời gian phát tia (s). Chùm tia-X tạo ra trong

ống phát là do hai quá trình bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng. Do đó, phổ
năng lượng của chùm tia-X là phổ liên tục với năng lượng cực đại bằng tích
số giữa điện tích electron và thế gia tốc, tính bằng đơn vị keV.

I.2. Bàn điều khiển trên ống phát tia-X
Bàn điều khiển bao gồm các bộ phận sau :
Nút điều khiển dòng sợi đốt và ampe kế – thường dùng để điều chỉnh
cường độ dòng điện (mA) trên dây đốt.
Nút điều khiển cao thế và volt kế – thường dùng để điều chỉnh và đặt
cao thế (kV) giữa cực dương và cực âm.

Đồng hồ đặt thời gian chiếu – thường dùng đặt giờ và điều chỉnh thời
gian chiếu (phút).

Công tắc – dùng tắt mở điện nguồn cho máy phát tia-X.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 21


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

II. PHIM CÔNG NHIỆP.
II.1. Cấu tạo và các đặc tính của phim

II.1.1. Cấu tạo phim.
Phim là một công cụ thường được dùng để thu và ghi nhận bức xạ tia X
hoặc gamma khi chụp ảnh. Ghi nhận bằng phim có kết quả cố định, kết quả
lưu giữ được lâu dài. Nói chung, phim chụp ảnh gồm một lớp nền cellulose
hoặc các vật liệu nhẹ trong suốt, dễ uốn. Một hoặc cả hai mặt của lớp nền này

được phủ lớp nhũ tương muối bạc hallogen. Lớp nhũ tương rất quan trọng đối
với phim do nó nhạy với bức xạ tia X hoặc gamma, ánh sáng, nhiệt độ, áp
suất. Lớp này bao gồm một số lượng lớn các hạt bromua bạc nhỏ li ti dày
khoảng 0.025mm, được phủ lên một môi trường nền là lớp glatine. Những
loại phim hiện nay thường chứa một lượng nhỏ iodide bạc kết hợp với
bromua bạc để làm tăng độ nhạy cho phim.
Phía ngoài cùng là một lớp glatine mỏng, được làm cứng để bảo vệ lớp
nhũ tương khỏi bị xước trong các thao tác thông thường.
Lớp nằm dưới lớp nhũ tương là hỗn hợp chất glatine và chất kết dính,

để đảm bảo lớp nhũ tương dính chặt vào lớp nền trong quá trình xử lý tráng

rửa phim.
Lớp nền có dạng trong suốt, dẻo, dễ uốn cong được, nó làm bằng chất
cellulose triacetate hoặc polyester, và dùng để đặt vào giữa rất lớp nhũ tương
do lớp nhũ tương rất mềm, dễ bị nhũn, không thể giữ được.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 22


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Hình 2.2: Phim công nghiệp
1 – Lớp nền
2 – Lớp nhũ tương
3 – Lớp bảo vệ
4 – Lớp kết dính

II.2. Đặc tính của phim.
Việc lựa chọn phim dựa vào các yêu cầu cụ thể nhằm kết hợp một cách
có hiệu quả giữa phương pháp chụp với loại phim để nhận được kết quả mong
muốn.
Những hệ số phim phải xét đến khi lựa chọn phim đó là : Tốc độ, độ
tương phản, kích thước và độ hạt. Cả bốn hệ số này có liên quan chặt chẽ với
nhau, mỗi hệ số là một hàm của ba hệ số còn lại.
Bảng 2.1 : PHÂN LOẠI PHIM CHỤP ẢNH BỨC XẠ
Các đặc trưng của

Tốc độ *

phim

Cấ u
trúc hạt

Độ
tương phản

LOẠI I :
Dùng cho quá trình
kiểm tra với điện thế cao và

SVTH : Trần Thị Thủy

Rất chậm

Cực kì

Cao

mịn

Trang 23


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra
khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

các kim loại nhẹ cùng với

hợp kim của nó.

LOẠI II :
Dùng kiểm tra các vật

Chậm

Mịn

Cao

Trung

Trung

Trung

liệu kim loại nhẹ ở dải điện
thế thấp và các chi tiết thép
nặng hơn ở điện thế 1000 và
2000kV.

LOẠI III :
Khi sử dụng nguồn tia
X hoặc gamma có khả năng bình

bình

bình

cho tốc độ cao, nhưng màn
tăng cường có thể hoặc
không phải là màn chì.

LOẠI IV :
Có khả năng cho tốc

độ, độ tương phản

Nhanh

Trung
bình

Trung
bình

cao khi sử dụng với
màn tăng cường
huỳnh quang, và thấp
hơn khi được sử dụng trực
tiếp hoặc cùng với màn tăng
cường bằng chì.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 24


Khóa luận tốt nghiệp : Ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ tia X để kiểm tra

khuyết tật trong kim loại dạng ống và hình chữ T.

Ví dụ : Những loại phim có kích thước hạt lớn thì tốc độ cao hơn so
với phim có kích thước hạt mịn hơn. Những loại phim có độ tương phản cao
thường có kích thước hạt mịn hơn và có tốc độ chậm hơn với những loại
phim có độ tương phản thấp. Độ hạt có ảnh hưởng tới độ xác định chi tiết
hình ảnh. Đối với các loại phim có cùng độ tương phản thì phim có kích
thước hạt nhỏ hơn sẽ có khả năng phân giải chi tiết hơn loại phim có kích
thước hạt lớn hơn.
Chú ý rằng, mỗi loại bức xạ cần những loại nhũ tương khác nhau, bảng
trên đưa ra các loại phim dùng cho tia X và gamma với tốc độ và độ tương
phản tương đối chỉ áp dụng cho phép chụp trực tiếp hoặc có màn chì.

II.2.1. Độ đen
Về định tính, độ đen là mức độ làm đen một ảnh chụp bức xạ sau khi
xử lý tráng rửa phim. Độ đen của ảnh chụp bức xạ càng lớn khi ảnh chụp bức
xạ càng đen.
Về định lượng, độ đen được định nghĩa theo biểu thức:

Độ đen = D=log 10 I 0
Trong đó :

I

t

Io : Là cường độ bức xạ tới trên phim.

It : Là cường độ sau khi truyền qua phim.
Io/It : Là độ chắn sáng của phim.

It/Io : Là độ truyền qua của phim.
Biểu thức trên cũng cho thấy rõ mối quan hệ giữa độ chắn sáng hoặc

độ truyền qua và độ đen của phim.
Độ đen của ảnh chụp bức xạ có thể đo được bằng cách so sánh với một
tấm phim chuẩn (thang đo độ đen) hoặc dùng thiết bị gọi là máy đo độ đen.

SVTH : Trần Thị Thủy

Trang 25