Nghiên cứu máy soi chiếu hành lý bằng tia x quang loại có băng tải để ứng dụng trong công tác kiểm tra an ninh

TRẦN MẠNH HÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU MÁY SOI CHIẾU HÀNH LÝ BẰNG
TIA X-QUANG CÓ BĂNG TẢI ĐỂ ỨNG DỤNG
TRONG CÔNG TÁC KIỂM TRA AN NINH

TRẦN MẠNH HÀ

2015 - 2017

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU MÁY SOI CHIẾU HÀNH LÝ BẰNG TIA
X-QUANG CÓ BĂNG TẢI ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG
TÁC KIỂM TRA AN NINH
HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN : TRẦN MẠNH HÀ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 8520203
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN
HÀ NỘI - 2017

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là do tự bản thân thực hiện có sự hỗ
trợ từ giáo viên hướng dẫn và không sao chép các công trình nghiên cứu của người
khác. Các dữ liệu thông tin thứ cấp sử dụng trong Luận văn là có nguồn gốc và
được trích dẫn rõ ràng.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này!
Học viên

Trần Mạnh Hà

3


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Nguyễn Đức Thuận
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn
này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Công nghệ điện tử - viện Đại
học mở Hà nội đã tạo điều kiện trong việc cung cấp tài liệu cho em tham khảo.
Sau cùng em xin cảm ơn tất cả thầy cô, bạn bè đã đóng góp ý kiến cho đề tài
của em được tốt hơn.

Học viên thực hiện: Trần Mạnh Hà

4


TÓM TẮT LUẬN VĂN
1. Đối tượng nghiên cứu:
Máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang loại có băng tải
2. Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu đề tài áp dụng cho sân bay nội bài và tại khu vực lăng bác.
3. Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy soi chiếu hành lý bằng
tia X-quang loại có băng tải.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Sưu tầm, phân tích các tài liệu, sách báo và trên Internet, tổng hợp các kiến
thức có được để viết luận văn.
5. Kết quả nghiên cứu của luận văn.
Đưa ra giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng Máy soi chiếu hành lý bằng
tia X-quang loại có băng tải trong công tác đảm bảo an ninh.
6. Cấu trúc của luận văn:
• Chương 1: Những khái niệm cơ bản
• Chương 2: Nguyên lý hoạt động của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang
công nghệ truyền qua
• Chương 3: Ứng dụng máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ
truyền qua trong công tác kiểm tra an ninh
• Kết luận và kiến nghị

5

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ................................................................................................
Lời cảm ơn....................................................................................................
Tóm tắt luận văn ...........................................................................................
Mục lục ........................................................................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................1
Chương 1. Những khái niệm cơ bản ........................................................ 2
1.1 Giới thiệu .............................................................................................. 2
1.2 Khái niệm tia X-quang .......................................................................... 2
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bóng phát tia X-quang: ................ 7
1.3.1. Bóng phát tia X ................................................................................. 7
1.3.2. Ống phát tia X ................................................................................... 8
1.4 Khả năng tương tác của bức xạ với vật chất .......................................... 9
1.4.1 Hiện tượng hấp thụ ............................................................................. 9
1.4.2.Hiện tượng ion hóa ............................................................................10
1.5. Nguyên lý ghi nhận tia X ....................................................................10
1.5.1 Ghi nhận bằng phim ..........................................................................10
1.5.2 Ghi nhận bằng các chất phát huỳnh quang .........................................11
1.5.3 Ghi nhận bằng đầu dò điện tử ............................................................11
1.6. Lịch sử phát triển và các thành tựu ......................................................12
1.7. Kết luận chương 1 ...............................................................................16
Chương 2. Nguyên lý hoạt động của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang
công nghệ truyền qua ..............................................................................18
2.1 Công nghệ soi chiếu tia X truyền qua ...................................................18
2.2.Cấu tạo của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền qua.
..................................................................................................................18
2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy soi chiếu hành lý bằng tia X -quang công nghệ
truyền qua .................................................................................................18.

6


3.2.2 Mô tả hệ thống ..................................................................................19
2.3. Kết luận chương 2...............................................................................21
Chương 3: Ứng dụng máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ
truyền quatrong công tác kiểm tra an ninh................................................23
3.1 Trong công tác kiểm tra an ninh hành lý ..................................................23
3.1.1. Mục đích..............................................................................................23
3.1.2. Đặc điểm .............................................................................................23
3.1.3. Biện pháp.............................................................................................24
3.2 Trong công tác kiểm tra an ninh địa điểm ................................................24
3.2.1. Mục đích..............................................................................................24
3.2.2. Đặc điểm .............................................................................................24
3.2.3. Biện pháp.............................................................................................25
3.3 Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng soi chiếu bằng công nghệ tia X-quang
truyền qua......................................................................................................25
3.4 Một số nghiên cứu nâng cao khả năng phát hiện hình ảnh của máy soi chiếu tia
X-quang truyền qua .......................................................................................25
3.4.1. Cơ sở về xử lý và nhận dạng ảnh .........................................................25
3.4.1.1. Hệ thống xử lý ảnh............................................................................25
3.4.1.2. Thu nhận ảnh ....................................................................................28
3.4.1.3. Phân tích ảnh ....................................................................................30
3.4.1.4. Nhận dạng ảnh ..................................................................................41
3.4.1 Phân tích hình ảnh thu được qua máy soi tia X- quang có băng tải bằng màu
sắc .................................................................................................................43
3.4.2 Phân tích hình ảnh ở các góc độ soi chiếu khác nhau ............................53
3.4.3. Phân tích hình ảnh X-quang từ quá trình kiểm tra thực tế.....................72
3.5.Đề xuất theo dõi ảnh chụp tia X-quang từ xa cho người giám sát .............74
3.5.1. Mục đích..............................................................................................74

3.5.2. Nguyên lý vận hành .............................................................................74
3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................75

7


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................76

8


MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh tình hình an ninh trên thế giới và khu vực diễn biến rất phức
tạp. Các hoạt động khủng bố đã diễn ra tại nhiều nước trong khu vực:Inđôneexxia,
Philippin, Thái Lan,... và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc
gia, nhất là sau sự kiện 11/09/2001 xảy ra tại Mỹ.
Ở Việt nam, an ninh chính trị cơ bản được giữ vững, ổn định. Song lợi dụng
bối cảnh quốc tế và khu vực xuất hiện nhiều yếu tố bất ổn, có những tác động nhất
định đến tình hình trong nước, các thế lực thù địch chế độ, bọn phản động, các phần
tử bất mãn được sự hậu thuẫn và kích động từ bên ngoài luôn có âm mưu và hoạt
động chống phá Nhà nước ta, tổ quốc ta,.... nhằm gây mất ổn định chính trị, phá
hoại môi trường phát triển kinh tế, phá hoại chính sách đối ngoại rộng mở của đất
nước và là một thách thức nói chung của lực lượng An ninh.
Mặt khác, quá trình ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu khoa học kỹ thuật và
công nghệ vào lĩnh vực bảo vệ an ninh đã tăng thêm rất nhiều khả năng phòng
ngừa, ngăn chặn các hoạt động phá hoại, khủng bố tại nhiều khu vực khác nhau.
Việc nghiên cứu, khai thác các thiết bị có công nghệ mới là yêu cầu đặt ra, đòi hỏi
mang tính cấp thiết đối với lực lượng An ninh.
Đề tài "Nghiên cứu máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang có băng tải để
ứng dụng trong công tác kiểm tra an ninh" được xây dựng trong bối cảnh với mục

tiêu trên nhằm giữ vững an ninh và sự phát triển ổn định cho đất nước.

9


CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. Giới thiệu:
Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người dần tiến bộ và hiện đại, kéo
theo đó là sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật. Các công trình nghiên
cứu khoa học mới lần lượt ra đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu của con người. Thời
đại ngày nay - thời đại của tầm cao trí tuệ, mọi sản phẩm sinh hoạt của con người
đều là những ứng dụng tinh tế của các phát minh khoa học. Mỗi ngành khoa học
đều có những ứng dụng cụ thể trong một số lĩnh vực nhất định. Vật lý học là ngành
đã cống hiến cho nhân loại những phát minh mà tác dụng của nó đối với đời sống
quả là không nhỏ.
Được biết đến là một trong những phát hiện quan trọng trong lịch sử, việc
phát minh ra tia X và phương pháp chụp X-quang, đã mang lại những ứng dụng
tuyệt vời giúp phát hiện và hỗ trợ chẩn đoán, điều trị bệnh đạt hiệu quả và độ chính
xác cao. Không chỉ mang lại giá trị ứng dụng lớn trong y học, tia X còn được sử
dụng trong việc kiểm tra an ninh tại các sân bay. Tại Mỹ, trong nhiều năm trở lại
đây, thiết bị quét X-quang được sử dụng nhằm phát hiện vũ khí và những đồ vật
nguy hiểm không được phép mang lên máy bay. Tia X có thể cho kết quả phát hiện
các đồ vật bằng kim loại chính xác. Bằng cách sử dụng thiết bị gia tốc phân tử làm
tăng tốc độ chuyển động của các electron đạt mức tốc độ của ánh sáng cho tới khi
chúng phát ra các tia phóng xạ. Cũng bằng cách chiếu tia X này, các nhà khoa học
có thể sử dụng để kiểm tra cấu trúc nguyên tử của các loại vật liệu, kể cả chất liệu
nhân tạo và vật liệu tự nhiên.
1.2. Khái niệm tia X-quang
1.2.1. Khái niệm tia X- quang
1. Định nghĩa:

Tia X hay X-quang hay tia Rơntgen là một dạng của sóng điện từ. Nó
có bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ
30 Petahertz đến 30 Exahertz và năng lượng từ 120eV đến 120 keV. (Bước sóng
của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma)
10


2.Tính chất của tia x:
- Tia X không nhìn thấy được. Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc
xạ, phân cực và nhiễu xạ như ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được). Hệ số
khúc xạ của tia X đối với kim loại.− 10≈ δ , trong đó δ − 1 = η gần bằng 1.
- Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác như proton)
bị hãm với vật chất bởi một vật chắn và trong quá trình tương tác giữa các bức xạ.
- Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 102 A . Người ta
quy ước chia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài
(bức xạ mềm).
- Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của các điện tử bị hãm.
+ Tia X đi xuyên qua được giấy, vải, gỗ, thậm chí cả kim loại nữa. Tia X dễ
dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét
chặn lại. Do đó, người ta thường dùng chì để làm các màn chắn tia X. Tia X có
bước sóng càng ngắn thì càng xuyên sâu, tức là càng “cứng”.
+ Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý: Hiệu điện thế
càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh. Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều
dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì chùm tia X bị suy giảm càng nhiều. Trong
cơ thể con người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa không khí nên tia X
dễ xuyên qua. Số lượng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đi qua
bóng X- quang: cường độ dòng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều.
- Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh. Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị
hấp thụ trong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác động
lên phim ảnh cũng yếu hơn. Làm ion hóa không khí.

+ Đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra được liều lượng tia X. Rọi
vào các vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật.
+ Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm
biến đổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh. Đặc tính
này được ứng dụng trong chụp phim X quang.

11


+ Người ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể.
Tinh thể bao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn
toàn xác định. Do ảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở
thành các tâm phát sóng cầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp. Các
sóng cầu do các nguyên tử phát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo hướng
này nhưng lại tăng cường nhau theo hướng khác.
- Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất. Tia X làm phát sáng chất
huỳnh quang đặt trong buồng tối. Người ta ứng dụng đặc tính này để chế tạo máy
chiếu X quang: tùy mức độ cản tia X khác nhau của từng bộ phận, năng lượng của
tia X còn lại sau khi đi qua cơ thể sẽ tác động lên màn huỳnh quang (đặt trong
buồng tối) với mức độ khác nhau để tạo nên hình ảnh.
- Tia X có tác dụng sinh lí mạnh.
+ Tia X có tác dụng hủy hoại các tế bào ung thư: được sử dụng trong X
quang điều trị (radiotherapy).
+ Với liều cao kéo dài, tia X có tác dụng làm biến đổi một số cấu trúc của
các tế bào tế bào kém biệt hoá như: tinh trùng, tế bào tủy xương. Đặc biệt tia X làm
biến đổi nhiễm sắc thể của nhân tế bào gây những đột biến về di truyền. Do đó đối
với phụ nữ có thai trong những tháng đầu tuyệt đối không được chụp, chiếu X
quang. Đối với nhân viên X quang cần có các biện pháp an toàn phóng xạ khi làm
việc.

Hình 1.1: Chụp ảnh X-quang tay người đeo nhẫn

12


Năm 1917, phòng thí nghiệm chụp ảnh bức xạ tia X đầu tiên được xây dựng
tại Royal Arsenal, ở phía đông nam thủ đô Luân đôn của nước Anh.
Năm 1930, Hải quân Mỹ đã áp dụng phương pháp chụp ảnh phóng xạ vào
việc kiểm tra các mối hàn, vật đúc bằng kim loại bằng phương pháp chụp ảnh
phóng xạ đã được áp dụng rộng rãi hơn. Đây thực sự là một công cụ hữu hiệu trong
việc kiểm tra khuyết tật ngày càng phát triển, đối tượng kiểm tra càng được mở
rộng.
1.2.2. Ứng dụng của X-quang
1. X-quang sử dụng trong Y tế:

Hình 1.2: Ảnh chụp tia X hộp sọ người
Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng trong việc xác định bệnh lý về xương,
nhưng cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Một vài ví dụ như khảo
sát ngực, có thể dùng để chẩn đoán bệnh về phổi như là viêm phổi, ung thư
phổi hay phù nề phổi, và khảo sát vùng bụng, có thể phát hiện ra tắc ruột (tắc thực
quản), tràn khí (từ thủng ruột), tràn dịch (trong khoang bụng). Tia X còn được sử
dụng trong kỹ thuật soi trực tiếp "thời gian thực", như thăm khám thành mạch
máu hay nghiên cứu độ cản quang của các tạng rỗng nội tạng (chất lỏng cản quang
trong các quai ruột lớn hay nhỏ) bằng cách sử dụng máy chiếu huỳnh quang. Hình

13


ảnh giải phẫu mạch máu cũng như các can thiệp y tế qua hệ thống động mạch đều
dựa vào các máy soi X quang để định vị các thương tổn tiềm tàng và có thể chữa trị.

Xạ trị tia X, là một can thiệp y tế, hiện nay dùng chuyên biệt cho ung thư, dùng các
tia X có năng lượng mạnh. Tuy nhiên tia X có khả năng gây ion hóa hoặc các phản
ứng có thể nguy hiểm cho sức khỏe con người, do đó bước sóng, cường độ và thời
gian chụp ảnh y tế luôn được điều chỉnh cẩn thận để tránh tác hại cho sức khỏe.
2. Phục vụ kiểm tra an ninh tại cửa khẩu, sân bay, các dịa điểm đông
người:
Chiếu X quang để thu được hình ảnh các đồ vật bên trong hành lý gói kín
hay trong quần áo trên thân người, được thực hiện tại các cửa khẩu có yêu cầu an
ninh cao, như cửa lên máy bay, cửa khẩu sang nước khác, các địa điểm diễn ra hội
nghị quan trọng có đông người tham gia và một số nhà giam đặc biệt.
Hệ thống quét an ninh thường tích hợp chiếu X quang với quét dò kim loại,
để thu được thông tin tin cậy hơn về đối tượng được quét.
3. Thiên văn học tia x:
Thiên văn học tia X nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các bước sóng tia X. Nó
xác định ra các đối tượng phát xạ nhiệt có nhiệt độ trên 107 độ Kelvin, là các sao
hay vùng khí dày (được gọi là phát xạ vật đen tuyệt đối).
Vì tia X bị khí quyển Trái Đất hấp thụ mạnh, việc quan sát phải được thực
hiện trên khí cầu ở độ cao lớn, các tên lửa, hay trên tàu vũ trụ.
4. Tia X có thể gây ảnh hưởng tới DNA:
Do bản thân tia X là một loại tia điện từ sóng ngắn có mang năng lượng. Do
đó khi hấp thụ vào cơ thể con người, chúng phát ra các phóng xạ ion hoá làm thay
đổi cấu tạo các phân tử trong các tế bào sống của cơ thể, cụ thể là làm thay đổi các
DNA trong các tế bào sống, kết quả là làm gia tăng nguy cơ tế bào đột biến dẫn tới
bệnh ung thư.
Tại Mỹ, các nhà khoa học nước này đo được mức độ phóng xạ khi tiếp xúc
với tia X vào khoảng vài millisieverts (msv). Trung bình khi chụp Xquang toàn bộ
vùng ngực, bệnh nhân sẽ tiếp xúc với tia X có mức phóng xạ là 0,1msv. Mức độ

14

phóng xạ trung bình một người có thể tiếp xúc trong một năm có thể vào khoảng
3msv từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó có cả các phóng xạ tự do trong tự nhiên.
Tuy nhiên, theo so sánh của Hiệp hội Chuyên ngành Xquang Bắc Mỹ, thì một lần
chụp Xquang vùng ngực sẽ khiến cho một người bị nhiễm một mức phóng xạ tương
đương với 10 ngày tiếp nhận phóng xạ tự do từ môi trường tự nhiên. Như vậy, nếu
chụp Xquang nhiều lần trong một năm, nguy cơ bị nhiễm phóng xạ nồng độ cao rất
có thể xảy ra.
1.2.3. Cách ngăn chặn sự ảnh hưởng phóng xạ từ tia X
Tiếp xúc nhiều với năng lượng phóng xạ từ tia X có thể làm gia tăng nguy cơ
mắc ung thư, tuy nhiên chúng ta hoàn toàn có thể hạn chế sự ảnh hưởng này của tia
X. Các nghiên cứu khoa học đã tìm ra cách hạn chế ảnh hưởng từ năng lượng phóng
xạ từ tia X.
Bằng cách đo nồng độ phóng xạ hấp thụ qua da, các bác sĩ có thể kiểm soát
lượng phóng xạ đi vào cơ thể do tiếp xúc với tia X, nếu nồng độ quá cao, các bác sĩ
có thể hạn chế những tiếp xúc không cần thiết để đảm bảo mức độ an toàn đối với
bệnh nhân. Ngoài ra, các nhà khoa học khuyên rằng: mỗi người cần tự bảo vệ bản
thân bằng cách tránh tiếp xúc với tia X, hay các phương pháp chụp Xquang, ngoại
trừ những trường hợp thật sự cần thiết.
1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bóng phát tia X-quang:
1.3.1.Bóng phát tia X:
Bóng X-Quang có thể xem như dạng đặc biệt của điốt chỉnh lưu chân không,
bóng X-quang gồm các bộ phận chủ yếu sau:
+ Nguồn bức xạ điện tử - cathode (âm cực);
+ Nguồn bức xạ tia X – Anode (dương cực)
+ Vỏ thủy tinh (vỏ trong) bao quanh anode và cathode, đã được hút chân
không để loại trừ các phân tử khí cản trở trên đường đi chùm tia điện tử.
+ Vỏ bóng (vỏ ngoài) thường làm bằng hợp kim nhôm phủ chì để ngăn ngừa
tia X bức xạ theo những hướng không mong muốn ra môi trường xung quanh và

15


còn có tác dụng tản nhiệt. Ngoài ra trên vỏ còn bố trí cửa sổ tia X nơi ghép nối với
hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối.
Hiện nay, có hai loại bóng được ứng dụng phổ biến trong thiết bị X-Quang là
bóng sử dụng Anode quay và bóng sử dụng Anode cố định.
1.3.2. Ống phát tia X :
a. Cấu tạo:
- Là ống tia cathode ở áp suất cỡ 10 -3 mmHg có 3 cực.
- Cathode C hình chỏm cầu. electron được cung cấp bằng dây kim loại
(wolfram, constantan...) nung nóng với bộ nguồn riêng.
- Đối âm cực nằm giữa anode A và cathode C bằng kim loại có nguyên tử
lượng lớn và khó nóng chảy (platin, wolfram...) để chắn dòng tia cathode. Đối âm
cực thường được nối với anode A.
- Anode.
b. Nguyên lý hoạt động:
Trong một bóng chân không, thường làm bằng thủy tinh, có hai điện
cực. Cathode có sợi đốt giống như trong bóng đèn điện. Khi sợi đốt bị đốt nóng thì
đám mây electron xuất hiện. Anodethường được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt, ví
dụ như đồng. Ở trênanode có một điểm để hội tụ và nhận tương tác của chùm
electron đến từ Cathode, thường là Vonfram được gọi là bia.
Khi đặt một điện áp cao thế, thường trong khoảng từ 25.000 V (25 kV) đến
150.000 V (150 kV), lên cathode và anode thì electron từ sợi đốt sẽ được gia tốc
hướng về bia. Diện tích của bia ở đó các electron bắn phá vào và tia X phát ra gọi
là tiêu điểm hay điểm tiêu cự. Cao áp đặt lên hai điện cực thường được đặc trưng
bằng giá trị cực đại hay giá trị đỉnh vì điện áp đặt vào là biến đổi. Vì vậy mà chúng
ta sử dụng ký hiệu kVp (giá trị điện áp cực đại – kilovolt peak) và chất lượng tia X
phát ra thường được xác định thông qua kVp.
Dòng điện chạy qua bóng phát tia X, tính bằng miliampe (mA) được điều

khiển bằng dòng qua sợi đốt. Suất liều tính bằng miliampe-giây (mAs) phụ thuộc

16


vào tích số dòng qua bóng phát và thời gian chiếu. Chất lượng của tia X trực tiếp
phụ thuộc vào giá trị mAs.

Hình 1.3:. Cấu tạo của bóng phát tia X
Có hai dạng tia X được tạo ra – Bremsstrahlung (tiếng Đức có nghĩa là ‘bức
xạ hãm’) và tia X đặc trưng. Bức xạ hãm sinh ra do tương tác giữa các điện tử và
hạt nhân nguyên tử vật liệu làm bia. Tia X tạo ra sau mỗi tương tác có năng lượng
nằm trong khoảng từ không cho tới giá trị năng lượng xác định bởi cao áp đặt lên
anode và cathode. Ví dụ một bóng phát có điện áp 100 kVp sẽ tạo ra tia X có năng
lượng trải dài từ 0 cho đến 100 keV.
Tia X đặc trưng tạo ra khi các electron bắn phá bia làm bật electron trên các
quỹ đạo bên trong ra khỏi nguyên tử vật liệu làm bia. Tia X này được gọi là tia X
đặc trưng vì nó đặc trưng riêng cho từng loại nguyên tố làm bia.
1.4. Khả năng tương tác của bức xạ với vật chất:
1.4.1. Hiện tượng hấp thụ:
Chùm tia X tới là chùm song song, có cường độ lớn Io, đồng năng lượng, lớp
vật chất có bề dày d

17


Io

d

I

Hình 1.4: Hiện tượng hấp thụ
Chùm tia thoát ra khỏi lớp vật chất d là chùm có cường độ yếu hơn I, năng
lượng không đồng nhất, có một lượng tia bị lệch hướng so với hướng ban đầu.
Chùm tia X truyền qua bị suy giảm về cường độ và năng lượng. Sự không đồng
nhất về bề dày và mật độ vật chất d sẽ gây ra sự suy giảm năng lượng và cường độ
tia x khác nhau. Phim, màn huỳnh quang hoặc thiết bị gi nhận tia X đặt sau khối vật
chất để ghi nhận chùm tia truyền qua phản ánh mức độ không đồng nhất hoặc
khuyết tật bên trong của khối vật chất d.
1.4.2. Hiện tượng ion hóa
Nguyên tử hoặc phân tử của bất kỳ chất nào bản thân chúng cũng đều trung
hòa về điện. Bức xạ tia X và tia gamma, cũng như nhiều loại bức xạ điện từ khác,
khi đi vào môi trường vật chất có thể gây ra sự ion hóa các nguyên tử, phân tử của
môi trường, làm cho chúng từ các hạt trung hòa về điện chuyển thành các hạt mang
điện tích trái dấu. Hạt mang điện tích âm là các electron, hạt mang điện tích dương
là các hạt nhân nguyên tử.
1.5. Nguyên lý ghi nhận tia X
1.5.1. Ghi nhận bằng phim
Việc ghi nhận bức xạ bằng phim xuất phát từ tính chất của bức xạ,đó là khả
năng gây ra những thay đổi quang hóa trong lớp nhũ tương của phi, từ đó tạo ra mật
độ biến đổi về mật độ quang học ( tức là độ đen của phim). Quá trình làm đen phim
phụ thuộc vào cường độ và năng lượng của bức xạ đến phim.

18


Thực chất, khi bức xạ X đến phim sẽ tạo ra một ảnh nhưng ảnh này không
thể nhìn thấy bằng mắt thường, được gọi là ảnh ẩn. Lớp nhũ tương chụp ảnh của
phim có chứa các tinh thể bạc bromua (AgBr). Dưới tác dụng của bức xạ, Br- sẽ

chuyển hóa thành Br+ e- và Ag+ sẽ kết hợp lại thành phân tử bromua Br 2 và thoát
khỏi tinh thể bạc bromua. còn nguyên tử Ag tự do lắng xuống. Các hiện tượng này
diễn ra trong quá trình tráng rửa phim, nên sau khi tráng rửa phim thì ảnh ẩn sẽ hiện
lên.
1.5.2. Ghi nhận bằng các chất phát huỳnh quang
Một số chất như cadmium sulphate, barium platinocyanide, calcium
sulphate.. có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại khi bị chiếu bởi bức xạ
tia X. Hiện tượng phát huỳnh quang được ứng dụng trong việc soi ảnh trên màn
huỳnh quang và trong chụp ảnh bức xạ.
Trong chụp ảnh bức xạ, các màn tăng cường huỳnh quang được sử dụng để
làm tăng hiệu ứng quang hóa trên phim, đồng thời làm giảm thời gian kiểm tra mẫu
vật.
Trong y học, việc sử dụng màn tăng cường huỳnh quang có ý nghĩa quan
trọng là làm giảm bớt liều bức xạ mà bệnh nhân phải nhận để tránh gây ảnh hưởng
tới sức khỏe của bệnh nhân mà vẫn thu được chụp X-quang tốt phục vụ việc chuẩn
đoán bệnh.
Phương pháp soi ảnh trên màn huỳnh quang tuy nhanh nhưng lại có nhược
điểm là chất lượng ảnh thấp, độ tương phản kém.
1.5.3. Ghi nhận bằng đầu dò điện tử ( detector)
Phần lớn các detector được sử dụng là các detector nhấp nháy. Các detector
nhấp nháy hoạt động dựa trên nguyên lý giống nguyên lý ghi nhận huỳnh quang mở
rộng.
Về cấu tạo, một detecor nhấp nháy gồm một bản tinh thể nhấp nháy và một
ống nhân quang điện. Chất nhấp nháy có nhiều loại khác nhau và trong một bản tinh
thể nhấp nháy cũng có thể có nhiều chất nhấp nháy khác nhau. Bản tinh thể nhấp
nháy thường được phủ một lớp beryllium mỏng, bên dưới là một lớp nhôm.

19

Berryllium có tính chất ngăn ánh sáng nhưng cho tia X truyền qua. Nhôm có chức
năng làm phản xạ ánh sáng.
Bức xạ tia X đến tương tác với bản tinh thể nhấp nháy natri iode (NaI) hoặc
lithium iode (LiI), đã được làm tăng hoạt tính bằng chất thallium hoặc germanium,
thì bức xạ mất đi một phần hoặc toàn bộ do quá trình hấp thụ và lám phát ra ánh
sáng bên trong bản tinh thể nhấp nháy. Cường độ ánh sáng phát ra tỉ lệ với năng
lượng bức xạ đi đến tương tác với bản tinh thể nhấp nháy.
Giữa bản tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện là lớp chất silicon, là
chất có hiệu suất phát sáng nhấp nháy cao.
Ống nhân quang điện có vai trò chuyển đổi từ tín hiệu ánh sáng thành tín
hiệu xung điện. Cấu tạo của một ống nhân quang điện gồm các các phần cơ bản sau:
photocatode, các dynode và anode.
Khi tín hiệu ánh sáng đập vào photocatode sẽ làm bật ra các điện tử. Nhờ các
dynode mà các điện tử riêng lẻ được nhân lên hàng nghìn lần. Dòng điện tử cường
độ lớn từ dynode cuối cùng đập vào anode và tạo ra ở đầu ra của ống nhân quang
điện một tín hiệu điện dạng xung. Xung điện này được đưa qua khuếch đại, phân
tích và cuối cùng đưa vào bộ đếm xung. Như vậy, số xung đếm được sẽ tỉ lệ với số
chớp sáng được tạo ra từ detector nhấp nháy.
1.6. Lịch sử phát triển và các thành tựu
Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng 3 năm 1845 - 10 tháng 2
năm 1923) sinh ra tại Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, là một nhà vật lý học,
giám đốc Viện Vật lý trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg.
Thế kỉ XIX là thời đại của ông. Thời đó, động cơ hơi nước được coi là phát
minh kiệt xuất của nhân loại, kế đó là những sáng chế như: xe đạp, máy quay đĩa,
điện thoại…
Những môn khoa học cơ bản như: Toán, Lý, Hóa, Sinh… vẫn còn biệt lập
nhau và cách nhau rất xa. Những kiến thức lý thuyết còn phát triển chậm, cho nên
nhà nghiên cứu trước hết là nhà thực nghiệm giỏi.Ở vào thời kỳ này, nhất là vào
những năm 1890, các nhà vật lý tên tuổi đổ xô vào tìm hiểu phát minh mới của

20


Faraday và Hittorf và “Hiện tượng phóng điện trong không khí loãng”. Tia điện khi
đó là đề tài hấp dẫn, là “mốt” theo đuổi của nhiều nhà khoa học, trong đó có
Rơnghen.
Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học
Tổng hợp Wurtzbourg (cách Berlin 300 km về phía tây nam), Giám đốc Rơnghen
“chong đèn” thâu đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển trong ống chân
không, còn gọi là ống Crookes – Hittorf, (đó là tên của nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội
đồng Hoàng Gia Anh và sáng chế của Crookes đã ra đời cách ngày ấy 40 năm).
Rơnghen có ý định làm lại các bước thí nghiệm với ống chân không này.
Một trong những thiết bị mà Rơnghen rất chú ý đến là ống tia âm cực. Đó là
một ống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, được cung cấp điện áp cao
thế từ cuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ tạo ra sự phát
sáng huỳnh quang (phosphorescence) khi tác động bởi một chùm electron phát sinh
từ âm cực.
Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh (trong đó có
tráng một lớp hỗn hợp phát quang). Khi bật công tắc điện thì màn chắn có chứa
barium plation - cyamit (ta thường gọi là Xyanuabari) đặt trước ống chân không
bỗng phát ra thứ ánh sáng xanh nhè nhẹ, nhưng sao nó lại có vẻ khác lạ so với tia
điện chúng ta thường biết đến? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia
biến mất. Ông kiểm tra lại nơi phát sáng, tình cờ ông thấy tấm bìa tẩm
platinocyanure de baryum ở đó. Ông suy đoán: có thể từ chính cái ống crookes kia
đã phát ra một cái gì đó, rồi chính nó lại kích thích chất huỳnh quang trên màn hình.
Rơnghen tự hỏi: Hay tấm bìa phát sáng? Hoặc một khúc xạ nào đó của tia điện?
Hay ống nghiệm phát sáng? Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cách thử dùng giấy đen
bịt kín ống nghiệm lại xem sao. Rơnghen thốt lên: Lạ thật! Kết quả vẫn như cũ. Ông
dự đoán: có thể đây là một tia rất mới. Nó xuyên qua cả giấy đen.
Bà Bertha - người vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ đăm chiêu hơn mọi

ngày. Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ của chồng
bị ngắt quãng. Cả đêm hôm đó ông không thể chợp mắt được. Ông muốn lao sang

21


phòng thí nghiệm ngay tức khắc. Ông suy đoán miên man không sao ngủ được. Rồi
đột nhiên, ông thốt lên thành lời. Phải rồi! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng
được khả năng xuyên qua giấy đen của thứ tia mới lạ đó.
Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo
ra tập giấy ảnh mới mua. Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh. Rồi giao cho
Marstaller – nhân viên của phòng mang đi in thành ảnh. Chỉ ít phút sau đã thấy
Marstaller quay trở lại, anh tỏ ra ấp úng: “Tôi…tôi… trót mở tung gói giấy ra làm
cho chúng đen lại”. Nhưng Rơnghen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều. Ông
quan sát kỹ hơn thì thấy: có in hình chữ nhật và ở giữa là hình tròn tựa như chiếc
nhẫn. Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy có một tấm bìa cứng kích thước bằng đúng
hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn của ông. Ông chợt nhớ lại: Hai nhà khoa
học Kelvin và Gabriel (người Anh) 15 năm về trước có lần nói đến một số tia lẫn
trong tia điện. Phải chăng nó là đây? Nhưng sao suốt 15 năm qua không ai tìm ra
nó? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh. Rồi lại đặt lên bàn, tập trung đến cao
độ để giải thích hiện tượng này. Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung
sống với nhau, khoảng gần 25 năm bà chưa bao giờ thấy ông ấy vui vẻ, rạng rỡ đến
như thế. Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhưng ông vẫn quyết định thử nghiệm lại
một lần nữa. Lần này, Rơnghen đưa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo các rèm cửa
lại để làm phòng tối. Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quang. Khi công tắc bật
lên, tia lửa điện xuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng.
Rơnghen bịt ống nghiệm bằng ống giấy, rồi chuyển màn hình quay trở lại phòng thí
nghiệm cũ. Ngăn cách hẳn một cánh cửa gỗ, nhưng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy
có yếu hơn trước đôi chút. Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhưng đặt thêm một
quyển sách khá dày trước màn hình. Ông thận trọng bật công tắc. Chà! Kết quả vẫn

không thay đổi. Ông mừng rỡ thật sự. Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn
hình lên, tay kia đưa ngay vào tầm của màn huỳnh quang. Thật là sửng sốt! Ông
nhìn thấy những đốt xương bàn tay của chính mình, cả đường gân và mạch máu.
Thú vị thay là bộ xương ấy đang sống, nó chuyển động theo sự điều khiển của ông.
Rơnghen lại tiếp tục đưa vào những vật cản khác, bằng nhiều chất liệu, cuối cùng

22


ông rút ra kết luận: “Tia đặc biệt này có khả năng xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su,
phần mềm của cơ thể. Nhưng không đi qua được kim loại, nhất là những kim loại
có tỷ trọng lớn, không đi qua được một số bộ phận cơ thể, nhất là những bộ phận có
chứa nguyên tố nặng như xương. Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từ trường,
hay điện trường, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh” Nhà
phát minh bỗng cảm thấy cần phải chia sẻ với người vợ thân yêu của mình. Ông đặt
bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh. Ống nghiệm của ông thì để ở dưới gầm bàn. Ông
dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn. Thế là pô ảnh đầu tiên bằng
tia mới chưa kịp đặt tên đã được ông chụp cho chính bàn tay mềm mại của người vợ
thân yêu. Tấm ảnh chưa kịp khô, Rơnghen đã lấy ra cho vợ xem. Những đốt xương
tay của bà Bertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ
nữa, chúng đều hiện lên rõ mồn một. Hôm đó là ngày 22/12/1895. Về sau này,
người ta ca ngợi tấm hình “là bản chụp hình xương người đầu tiên trong lịch sử y
học”. Từ đây, nó giúp cho con người có thể thấy được cơ quan nội tạng của mình
mà trước đó không có cách gì thấy được. Thành công của Rơnghen làm mọi
người hết sức kinh ngạc. Ngày 28/12/1895, ông mang nộp bản báo cáo học thuật
đầu tiên về tia mới này cho Học hội vật lý học và y học Wurtzbourg và cho in bản
luận văn tên là “Bản báo cáo sơ bộ về một loại tia mới”. Nội dung bài báo cũng
được ông trình bày trong một buổi thuyết trình của hội ngày 23/1/1896.
Thông tin về khám phá của Rơnghen truyền đi như vũ bão, nhanh chẳng kém gì
thời đại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước. Tháng 3/1896,

những ứng dụng y khoa đầu tiên được công bố. Một tấm ảnh tia X cho thấy một
viên đạn còn nằm trong một bàn tay bị thương, một tấm khác, vết thương chưa lành
ở chân…
Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một “máy chụp huỳnh quang”
với những tia X cực mạnh. Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải
quan cũng vào cuộc rất sớm), và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng
trong năm 1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này. Riêng Hàn lâm viện
khoa học Pháp có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Antoine Henri

23


Becquerel về những tia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện
tượng phóng xạ của ông, được đọc ngày 2/3/1896 (theo một bài viết của J.J.
Samueli trên trang web BibNum). Về lý thuyết, thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công
trình quan trọng liên quan tới tia X đáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện
từ của các tia này (nhà bác học Max von Laue), cũng như sự hiện diện của chúng
trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tia Gamma, là các sóng điện từ có tần số
cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím. Năm 1901, Rơnghen là nhà vật
lý học đầu tiên vinh dự nhận giải thưởng Nôben, với việc tìm ra tia X hay tia
Rơnghen làm chấn động cả thế giới, mở ra một thời đại mới cho sự phát triển của
khoa học – kĩ thuật.
Ngày nay, trên khắp thế giới, người ta không còn lạ gì với những tấm ảnh
chụp các bộ phận bên trong cơ thể, nhất là xương của những người bị tai nạn, nhằm
tìm hiểu để chữa trị thương tật ấy. Những người bị nghi là có bệnh phổi cũng
thường được đưa đi chụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v… Cả một ngành khoa học
mới, ngành ảnh y học (tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh tia X
đầu tiên, được mở rộng sau đó với những kỹ thuật vật lý khác (như ảnh cộng hưởng
từ - Magnetic Resonance Imaging, viết tắt là MRI), kết hợp với những kỹ thuật số
hoá các kết quả đo đạc và khả năng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính

điện tử. Nhiều ứng dụng khác mở ra, nhưcác ngành tinh thể học tia X, thiên văn học
tia X… hoặc trong công nghiệp, ngành chụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá những
cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay những vết rạn vỡ nằm sâu trong lòng máy móc...
1.7. Kết luận chương 1
Khám phá ra tia X (tia Rơn-ghen) là một trong những phát hiện vĩ đại của
nhân loại. Khám phá này không những mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý
mà còn là một mốc lịch sử quan trọng đánh dấu thời đại mới trong lịch sử y khoa,
khi chúng ta có thể nhìn thấu cơ thể mình để từ đó nhận biết và chẩn đoán bệnh tật.
Ngoài ra nó còn giúp tăng cường giám sát an ninh trong lĩnh vực hàng không và tại
các địa điểm đông người.

24


Phương pháp soi kiểm tra hàng hóa bằng máy soi tia X hiện nay là sự phát
triển mang tính chất kế thừa các kỹ thuật chụp ảnh bằng bức xạ tia X đã xuất hiện
đầu tiên vào cuối thế kỷ 19 và phát triển mạnh mẽ vào nửa cuối thế kỷ 20.
Ngày nay, các kỹ thuật soi, chụp bằng bức xạ tia X đang được ứng dụng rộng
rãi và có thể nói là không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng của cuộc
sống như y học, khoa học công nghệ, công nghiệp, an ninh...

25