Nghiên cứu chế tạo máy đo đa chức năng dùng kiểm định các máy x quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH : VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY ĐO
ĐA CHỨC NĂNG DÙNG KIỂM ĐỊNH CÁC MÁY X QUANG

LÊ VĂN MIỄN

HÀ NỘI - 2006


1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1 : NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT TIA X
DÙNG TRONG Y TẾ ..................................................................................... 11
1.1 Cơ sỏ lý thuyết .......................................................................................... 11
1.1.1 Tia X ................................................................................................... 11
1.1.2 Tính chất vật lý của tia X .................................................................. 11
1.2 Sự phát xạ tia X ........................................................................................ 12
1.2.1 Cơ chế phát xạ tia X. .......................................................................... 12
1.2.2 Cơ chế phát bức xạ hãm ..................................................................... 13

1.2.3 Cơ chế phát tia X đặc trưng ............................................................... 15
1.3 Máy phát tia X .......................................................................................... 17
1.3.1 Nguồn phát tia X. ............................................................................... 17
1.3.2 Ống phóng tia X ................................................................................. 17
1.3.2.1 Catốt ............................................................................................ 19
1.3.2.2 Nguyên lý hội tụ dòng ................................................................. 20
1.3.2.3 Anot ............................................................................................. 20
1.3.2.4 Hiệu ứng lệch .............................................................................. 22
1.3.3 Nguồn điện cung cấp .......................................................................... 24


2

1.3.3.1 Biến thế điện áp cao áp .............................................................. 25
1.3.3.2 Biến thế tự ngẫu ......................................................................... 25
1.3.3.3 Biến thế cao áp đơn pha ............................................................ 26
1.3.3.4 Biến thế cao áp ba pha. .............................................................. 29
1.3.4 Bộ điều khiển dòng phát. ................................................................... 30
1.3.5 Bộ điều khiển thời gian phát xạ ......................................................... 31
1.3.6 Bộ phận làm nóng và làm nguội ống tia X ........................................ 32
1.3.7 Điểm hội tụ ......................................................................................... 33
1.3.8 Bộ lọc chùm tia X .............................................................................. 34
1.3.8.1 Lọc sẵn có ................................................................................... 35
1.3.8.2 Lọc bổ sung ................................................................................. 36
CHƯƠNG 2 : SỬ DỤNG PHOTODIODE GHI NHẬN BỨC XẠ TIA X .... 37
2.1 Nguyên lý hoạt động của photodiode ....................................................... 37
2.1.1 Cấu tạo................................................................................................ 37
2.1.2 Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 37
2.1.3 Chế độ hoạt động .............................................................................. 40
2.1.3.1 Chế độ quang dẫn:....................................................................... 40

2.1.3.2 Chế độ quang thế: ....................................................................... 42
2.2 Photodiode BPW34.................................................................................. 45
2.3 Kết quả khảo sát ....................................................................................... 46
2.3.1 Kết quả khảo sát tại phịng thí nghiệm Điện tử Hạt nhân Viện Khoa
học Kỹ thuật Hạt nhân ......................................................................... 48
2.3.1.1 Bố trí hệ đo trong phịng thí nghiệm .......................................... 48
2.3.1.2 Khảo sát dịng phát ..................................................................... 49
2.3.1.3 Khảo sát cao áp (HV) ................................................................ 60


3

2.3.2

Kết quả đo tại Khoa X quang bệnh viện U Bướu Trung Ương. ..... 67

2.3.2.1 Bố trí hệ đo ................................................................................. 67
2.3.2.2 Khảo sát cao áp (HV) ................................................................. 67
2.3.2.3 Khảo sát dòng phát ..................................................................... 71
4.2.4 Khảo sát thời gian. ............................................................................ 74
CHƯƠNG 3 : ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐA CHỨC
NĂNG DÙNG KIỂM ĐỊNH CÁC MÁY X QUANG ................................... 78
3.1 Nguyên lý đo của máy đo đa chức năng ................................................... 78
3.1.1 Đo cao áp ............................................................................................ 79
3.1.2 Đo dòng phát (mA) ............................................................................ 79
3.3.4 Đo thời gian ........................................................................................ 80
3.2 Sơ đồ khối của máy đo đa chức năng ....................................................... 80
3.1.1 Phiến lọc ............................................................................................. 81
3.1.2 Đầu dò (photodiode) .......................................................................... 81
3.1.3 Mạch tiền khuếch đại (TKĐ) ............................................................. 82

3.1.4 Bộ lấy mẫu và giữ mức ..................................................................... 83
3.1.5 Mạch tạo xung đo thời gian ............................................................... 84
3.1.6 Phần xử lý và hiển thị kết quả ............................................................ 85
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 86
PHỤ LỤC


4

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình .1.1: Phổ bức xạ hãm ......................................................................... 12
Hình 1.2: Phổ bức xạ đặc trưng.................................................................. 13
Hình 1.3 Quá trình làm chậm electron ....................................................... 14
Hình 1.4 Quá trình hình thành lỗ và tạo ra tia X ........................................ 16
Hình 1.5: Ống phóng tia X ......................................................................... 18
Hình 1.6: Anốt xoay ................................................................................... 22
Hình 1.7: Hiệu ứng lệch ............................................................................. 23
Hình 1.8: Nguồn điện cung cấp.................................................................. 24
Hình 1.9: Biến thế cao áp tự động .............................................................. 26
Hình 1.10: Chỉnh lưu cả sóng..................................................................... 26
Hình 1.11 Dạng sóng chỉnh lưu ................................................................ 27
Hình 1.12 Sự phụ thuộc cường độ tia vào điện áp ..................................... 28
Hình 1.13 Nguồn cung cấp ba pha dạng 6 xung và 12 xung .................... 29
Hình 1.14 Ảnh hưởng lọc của năng lượng và cường độ tia X .................. 36
Hình 2.1: Chuyển tiếp P-N và hàng rào thế ............................................... 37
Hình 2.2: Hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo lớp chuyển tiếp P-N ... 39
Hình 2.3 sơ đồ nguyên lý chế độ quang dẫn .............................................. 40
Hình 2.4 Sơ đồ cơ sở mạch đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn ........ 41
Hình 2.5 Sơ đồ mạch đo dịng ngược trong chế độ quang dẫn .................. 42
Hình 2.6 Sơ đồ chế độ quang áp của photođiode tuyến tính ..................... 44

5

Hình 2.7 Sơ đồ chế độ quang áp của photođiode logarit .......................... 44
Hình 2.8: Sơ đồ khối mạch khảo sát tia X đã thiết kế ................................ 47
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của mạch khảo sát đã thiết kế ......................... 48
Hình 2.10: Sơ đồ bố trí hệ đo trong phịng thí nghiệm ............................. 49
Hình 2.11: Sự phụ thuộc thế lối ra U1 và dịng phát (HV=30kV d=7cm). 51
Hình 2.12: Sự phụ thuộc thế lối ra U2 và dòng phát (HV=30kV,d=7cm). 51
Hình 2.13: Sự phụ thuộc dịng phát và thế lối ra U1(d=3.5cm)................. 52
Hình 2.14 Sự phụ thuộc dịng và thế lối ra U2( HV=30kV d=3.5cm)...... 53
Hình 2.15 Sự phụ thuộc dịng phát và thế lối raU2( HV=25kV,d=3.5cm) 56
Hình 2.16 Sự phụ thuộc dòng và thế lối ra U1( HV=15kV, d=3.5cm)...... 58
Hình 2.17: Sự phụ thuộc dịng và thế lối ra U1( HV=15kVd=3.5cm) ...... 59
Hình 2.18 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =100µA, d=7cm) ......... 61
Hình 2.19 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =50µA, d=3.5cm) ........ 62
Hình 2.20 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =70µA, d=3.5cm) ......... 63
Hình 2.21 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =90µA, d=3.5cm) ......... 66
Hình 2.22 Sơ đồ bố trí hệ đo ...................................................................... 67
Hình 2.23 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =200mA, d=65cm) ...... 68
Hình 2.24 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =100mA, d=65cm) ...... 69
Hình 2.25 Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =100mA,d=65cm) ........ 71
Hình 2.26: Sự phụ thuộc dịng vào thế lơi ra U1(I =70mA, d=65cm) ...... 72
Hình 2.27 Sự phụ thuộc dịng vào thế lơi ra U2(HV=70kV, d=65cm)..... 73
Hình 2.28 Thời gian t = 400ms .................................................................. 75


6

Hình 2.29: Đo kiểm tra thời gian bằng máy đo thiết kế và máy đo chuẩn
Victoreen Model 4000M+ ............................................................................... 76
Hình 2.30:Thời gian mạch khảo sát thiết kế và máy chuẩn Victoreen
Model 4000M+................................................................................................ 77
Hình 3.1 Sơ đồ khối máy đo dùng kiểm định các máy phát tia X ............. 80
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại và khuếch đại ............... 82
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch lấy mẫu giữ mức điện áp ....................... 83
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung đo thời gian............................. 84


7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các thông số giới hạn của photodiode BPW34 ......................... 46
Bảng 2.2: Các thông số đặc tính điện của photodiode BPW34 ................. 46
Bảng 2.3: Sự phụ thuộc dòng và thế lối ra U1&U2(HV=30kV,d=7cm) ... 50
Bảng 2.4: Sự phụ thuộc dòng và thế lối raU1&U2 (HV=30kV,d=3.5cm) 53
Bảng 2.5: Kết quả đo kiểm tra dòng phát tia X( HV=30kV d=3.5cm) ...... 54
Bảng 2.6 : Kết quả đo kiểm tra dòng phát tia X( HV=30kV d=3.5cm) ..... 55
Bảng 2.7: Sự phụ thuộc dòng và thế lối ra U1&U2 (HV=25kV,d=3.5cm) 55
Bảng 2.8: Kết quả đo kiểm tra dòng phát tia X (HV=25kV,d=3.5cm) ..... 57
Bảng 2.9: Sự phụ thuộc dòng và thế lối ra U1&U2(HV=15kV,d=3.5cm) 57
Bảng 2.10: Kết quả đo kiểm tra dòng phát tia X( HV=15kV d=3.5cm) .... 58
Bảng 2.11: Kết quả đo kiểm tra dòng phát tia X( HV=15kV d=3.5cm) ... 60
Bảng 2.12: Sự phụ thuộc cao áp và thế lối ra U1&U2(I=100µA,d=7cm) 60
Bảng 2.13: Kết quả đo kiểm tra cao áp (Dịng I=100µA,d=7cm) ............. 61
Bảng 2.14: Sự phụ thuộc cao áp và thế lối ra U1&U2 (I=50μA,d=3.5cm) 62
Bảng 2.15: Kết quả kiểm tra cao áp máy phát tia X (I=50μA,d=3.5cm) ... 63
Hình 2.20: Sự phụ thuộc cao áp và log(U1/U2)(I =70µA, d=3.5cm) ........ 63

Bảng 2.16: Sự phụ thuộc cao áp và thế lối raU1&U2 (I=70μA,d=3.5cm) 64
Bảng 2.17: Kết quả kiểm tra cao áp máy phát tia X (I=70μA,d=3.5cm) ... 65


8

Bảng 2.18: Sự phụ thuộc cao áp và thế lối raU1&U2(I=90μA,d=3.5cm) . 65
Bảng 2.19: Kết quả kiểm tra cao áp máy phát tia X (I=90μA,d=3.5cm) ... 66
Bảng 2.20: Sự phụ thuộc cao áp và thế lối raU1&U2(I=200μA,d=65cm) 68
Bảng 2.21: Sự phụ thuộc cao áp và thế lối raU1&U2(I=100mA d=65cm) 69
Bảng 2.22 I=100mA d=65cm phiến lọc 1mm và 0.5mm Cu ................... 70
Bảng 2.24: Kết quả đo kiểm tra cao áp máy phát (HV =70kV, d=65cm) . 73
Bảng 2.25 Kết quả đo kiểm tra cao áp máy phát (HV=70kV, d=65cm) ... 74
Bảng 2.26: Kết quá nghi nhận thời gian trên ocsilloscope ........................ 76


9

MỞ ĐẦU
Hiện nay ở nước ta có hàng nghìn máy phát tia X, hoạt động trong nhiều
lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong y tế và trong công nghiệp. Các máy phát tia
X rất đa dạng, bao gồm nhiều chủng loại. Việc kiểm tra, bảo dưỡng để đảm
bảo chất lượng cho các máy phát tia X là thiết thực và hết sức cần thiết, nhằm
đảm bảo an toàn cho người vận hành, cũng như tăng cường độ chính xác
trong chẩn đoán.
Thực tế cho thấy, việc chiếu, chụp ảnh X-quang chẩn đốn bệnh trong
ngành Y tế và trong cơng nghiệp ở nước ta chưa bảo đảm yêu cầu về chuẩn
đoán. Đặc thù tác hại, luôn đi kèm theo khi thực hiện kỹ thuật này chưa được
nhìn nhận và xem xét một cách thận trọng. Điều này dẫn đến những hậu quả
hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe, cho cuộc sống, thậm chí gây

ra những rủi ro, nguy hiểm cho các bệnh nhân phải chiếu chụp để được chẩn
đốn bệnh. Điều này có nghĩa là việc chiếu, chụp X-quang chẩn đốn bệnh
trong Y tế và trong cơng nghiệp phải được kiểm soát, kiểm tra định kỳ, được
quản lý nghiêm ngặt. Khi thực hành chiếu, chụp phải bảo đảm tuân thủ đúng
theo những quy định về tiêu chuẩn an tồn, các đặc trưng thơng số kỹ thuật
trong phương pháp.
Nhằm bảo đảm lợi ích thiết thực đối với người bệnh, đối với môi trường
sống tự nhiên của con người, việc kiểm tra các máy phát tia X thường đòi hỏi
phép đo định kỳ nửa năm các thông số vật lý của máy.
Để việc kiểm tra định kỳ bảo đảm được độ tin cậy và phù hợp với các yêu
cầu đã quy định, các thiết bị đo và kiểm định phải có chất lượng tốt, độ chính
xác cao. Hiện nay ở Việt Nam các thiết bị kiểm định đều phải nhập ngoại
(phổ biến từ Mỹ), rất đắt tiền. Các hãng cung cấp thiết bị giữ bản quyền về
công nghệ, khiến cho các kỹ thuật viên sử dụng khó can thiệp khi cần thiết,


10

nên việc bảo trì và sửa chữa hết sức khó khăn, thường phải nhờ trực tiếp
chuyên gia nước ngoài.
Hiện tại, nhu cầu về thiết bị đo kiểm tra máy phát tia X tại Việt Nam rất
lớn. Việc nghiên cứu và thiết kế máy đo đa chức năng kiểm định các máy
phát tia X là rất thiết thực và cần thiết, nhằm hạn chế nhập ngoại cũng như
thuận tiện cho việc bảo trì và sửa chữa, mang lại tính chủ động mà vẫn có thể
đáp ứng được những tiêu chuẩn kiểm định chất lượng, góp phần phổ biến
rộng rãi việc kiểm định cho các cơ sở X quang trong cả nước.


11

Chương 1 : NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT
TIA X DÙNG TRONG Y TẾ
1.1 Cơ sỏ lý thuyết
1.1.1 Tia X
Tia X được phát minh 1895 khi bắn chùm electron vào lá kim loại. Lúc
đầu, vì chưa biết rõ bản chất của tia bức xạ này nên người ta gọi nó là tia X.
Tia X thực chất là sóng điện từ có bước sóng ngắn từ 0.01A0 đến 10A0.
Các tia X có bước sóng ngắn hơn 1A0 gọi là tia X cứng, và dài hơn 1A0 gọi là
tia X mềm, năng lượng của tia X tính theo bước sóng như sau.

E=

12,398

λ

(1.1)

Trong đó: E đo bằng keV
λ đo bằng A0
1.1.2 Tính chất vật lý của tia X
Bản chất của tia X là sóng điện từ có bước sóng nằm trong dải từ 0,01A0 ÷
10A0 (1A0 =10-10m), truyền đi theo đường thẳng trong khơng khí với vận tốc
khoảng 3.10 8m/s. Cường độ tia X suy giảm theo bình phương khoảng cách.
Tia X không mang điện nên không bị lệch trong điện trường và từ trường. Tia
X có hiện tượng khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và phân cực tương tự như ánh
sáng. Tia X làm ion hoá một số chất làm phát ra ánh sáng có bước sóng lớn
hơn bước sóng tia X, tuỳ thuộc vào chất bị chiếu xạ, hiện tượng này có thể là
lân quang hay huỳnh quang

12

Tia X có khả năng đâm xuyên, có tác dụng ion hố, nhờ đó mà ta ứng dụng
trong y tế chụp hình X quang của các bộ phận cơ thể.

1.2 Sự phát xạ tia X
1.2.1 Cơ chế phát xạ tia X.
Tia X được sinh ra do chùm electron được gia tốc bởi điện trường mạnh,
nên có động năng rất lớn, trên đường đi chúng đập vào bia bị hãm lại đột ngột
và phát ra bức xạ tia X.
Phổ tia X gồm hai phần chính:
Cường
độ
5

10

4
6
3
2

2
0.2

λ
0.8

1.2

Hình .1.1: Phổ bức xạ hãm
• Phần thứ nhất có bước sóng thay đổi liên tục nên gọi là quang phổ
liên tục hay phổ bức xạ hãm (Hình 1.1).
Phổ bức xạ hãm được ứng dụng trong các máy phát X quang để chụp
chiếu phục vụ trong y tế và trong công nghiệp.


13

• Phần thứ hai có bước sóng gián đoạn nên gọi là quang phổ vạch hay
phổ tia X đặc trưng. Các đỉnh phổ tia X đặc trưng nằm trên nền phổ
liên tục (Hình 1.2).
Phổ tia X đặc trưng được ứng dụng trong nghiên cứu cấu trúc và thành
phần các nguyên tố.
Cường
độ
10
6
2

λ
0.2

0.8

1.2

Hình 1.2: Phổ bức xạ đặc trưng
1.2.2 Cơ chế phát bức xạ hãm

Khi các hạt mang điện được gia tốc hoặc làm chậm đều phát ra bức xạ điện
từ. Khi các hạt mang điện tương tác với nguyên tử và bị hãm đột ngột sẽ phát
ra bức xạ gọi là bức xạ hãm.Trong quá trình bị hãm đột ngột thì động năng
của electron một phần nhỏ đã được giải phóng dưới dạng tia X. Khi các
electron đập vào bia, tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong trường Culông
của các nguyên tử bia. Năng lượng của electron bị mất dần, do đó các tia X
phát ra có bước sóng thay đổi liên tục trong một giải rộng. Quá trình tương tác
và phát tia X được mơ tả trong (Hình 1.3)
Chùm electron được gia tốc có động năng cực đại là.


14

T = eV

(1.2 )

Trong đó : e là điện tích của electron.
V là điện thế gia tốc (tính bằng kV)
hυ1

hυ2

e − , E0

e − , E2
e − , E1

Hình 1.3 Q trình làm chậm electron

Khi tồn bộ động năng của electron biến thành bức xạ hãm thì năng lượng
cực đại của chùm bức xạ hãm sẽ là:

hν m = T = eV =

Trong đó: h là hằng số Plank
ν là tần số của bức xạ hãm.

c là vận tốc ánh sáng
λmin là giới hạn lượng tử

h

λmin

(1.3)


15

Từ đó, có:

λmin =

hc 12.398
=
eV V (kV )

(1.4)

Bức xạ hãm lại có năng lượng tương ứng với động năng của các hạt tới,
mà động năng của hạt tới lại phụ thuộc vào điện thế gia tốc. Nên sự thay đổi
điện thế gia tốc sẽ quyết định phổ năng lượng hay bước sóng của bứa xạ hãm.
1.2.3 Cơ chế phát tia X đặc trưng
Phổ tia X đặc trưng là các vạch có bước sóng gián đoạn. Bước sóng của
các đỉnh quan sát được trên phổ phụ thuộc vào từng loại bia hãm. Do đó, phổ
vạch của tia X cịn gọi là phổ tia X đặc trưng vì năng lượng của nó đặc trưng
cho từng nguyên tố (Hình 1.2).
Muốn tạo ra các tia X đặc trưng thì năng lượng của các eletron tới phải
bằng hoặc lớn hơn năng lượng liên kết (ф) của electron trong nguyên tử bia.
Tia X đặc trưng sinh ra là kết quả của quá trình dịch chuyển trạng thái của
electron trong nguyên tử. Sự dịch chuyển xảy ra khi vành điện tử bên trong
xuất hiện lỗ trống và trong khoảng thời gian rất ngắn, cỡ 10-15 giây có 1
electron từ vành ngoài nhảy vào thế chỗ. Trong quá trình dịch chuyển này,
hiệu năng lượng liên kết của electron ở hai quỹ đạo được giải phóng dưới
dạng sóng điện từ, đó chính là tia X đặc trưng (hình 1.4)
Muốn tạo ra lỗ trống cần phải kích thích các nguyên tử bia. Khi nguyên tử
bị kích thích, một electron sẽ bứt ra khỏi quỹ đạo và để lại một lỗ trống. Một
electron ở vành K bị bứt ra khỏi quỹ đạo có năng lượng là:

Epe = E − φk

(1.5)


16

Nếu electron ở vành L nhảy vào lấp chỗ trống ở vành K thì năng lượng dư
E x được giải phóng dưới dạng sóng điện từ hay cịn gọi là tia X đặc trưng có

năng lượng như sau:

E = φk − φl

(1.6)
E pe = E − φ K

E

E ae = φ K − φ L − φ M
Ex = φK − φL

Hình 1.4 Quá trình hình thành lỗ và tạo ra tia X
Q trình dịch chuyển cũng có thể xảy ra giữa vành K với các vành cao
hơn như vành M, N.
Một số trường hợp, khi tia X đặc trưng bay ra lại đập vào electron vành
ngoài và bứt electron đó ra khỏi trạng thái liên kết. Electron này được gọi là
electron Auger, khi đó xuất hiện một lỗ trống mới và lại diễn ra quá trình dịch
chuyển của electron và tiếp tục sinh ra các tia X đặc trưng. Tuy nhiên, quá
trình chuyển dịch electron và phát tia X đặc trưng phải tuân theo một số quy
luật nhất định.


17

1.3 Máy phát tia X
Hiện nay máy phát tia X có nhiều chủng loại khác nhau, các máy tia X đều
phụ thuộc vào nguồn cung cấp cao áp, nguồn cung cấp đơn pha hoặc ba pha.
Một máy phát tia X cơ bản bao gồm các bộ phận sau :
1.3.1 Nguồn phát tia X.

Thiết bị phát tia X bao gồm:
• Nguồn phát điện tử: Là một sợi dây được đốt nóng.
• Cao thế để định hướng và gia tốc các điện tử.
• Bia để điện tử bắn vào: Thường được làm bằng kim loại nặng.
Tất cả được đặt trong một ống phóng tia X.
1.3.2 Ống phóng tia X
Ống phóng bao gồm một vỏ thuỷ tinh, bên trong là chân khơng có áp suất
khoảng 10-6 mmHg đến 10-8 mmHg, có hai điện cực Catốt và Anốt. Catốt
đóng vai trị là nguồn phát điện tử. Electron tự do được sinh ra từ Catốt và gia
tốc về Anốt bằng điện áp giữa Catốt và Anốt. Các electron tốc độ cao bắn vào
Anốt và bị hãm đột ngột giải phóng ra các photon tia X (Hình 1.5)
Hai điện cực của ống phóng tia X cần phải hàn kín trong một ống chân
khơng. Nếu chân khơng khơng tốt thì bất kỳ chất khí nào trong ống cũng sẽ va
chạm làm cản trở các electron trên đường tăng tốc từ Catốt về Anốt.
Ống phóng tia X hiện nay cịn được gọi phổ biến là nguồn (e-X) vì tia X
được sinh ra khi bắn chùm electron vào bia kim loại.
Như đã đề cập ở trên, phổ tia X gồm hai phần: phổ bức xạ hãm và phổ tia
X đặc trưng. Năng lượng cực đại của phổ bức xạ hãm của ống phóng tia X


18

được tính từ cơng thức Duane-Hunt và khơng thể lớn hơn động năng của
electron bắn vào bia trong ống phóng tia X.

hυ =

hc

λ0

= eV

(1.7)

Cường độ tích phân của bức xạ hãm được tính theo biểu thức thực nghiệm
của Ulrey như sau.
I = kZV 2

(1.8)

Sợi

Anốt

Catốt

Cửa sổ phát tia

Hình 1.5: Ống phóng tia X

Trong đó : V là điện thế gia tốc electron.
Z là nguyên tử của hạt nhân bia
k là hằng số có liên hệ với cường độ dịng của electron trong
ống phóng tia X.


19

Thực chất ống phóng tia X là một bộ chuyển đổi năng lượng điện. Nó nhận

được năng lượng điện và chuyển đổi thành 2 dạng năng lượng khác, đó là tia
X và nhiệt. Nhiệt là sản phẩm không mong muốn, nên ống tia X được thiết kế
sao cho việc phát tia X là tối đa và tiêu tán nhiệt nhanh nhất.
Để việc phát tia X có hiệu quả cao và ứng dụng tốt trong kỹ thuật chụp
chiếu, người ta cần qua tâm đến sự hội tụ dòng và hiệu ứng lệch của chùm tia
X được phát ra từ ống phóng tia X
1.3.2.1 Catốt
Cực âm của ống tia X gọi là Catốt. Catốt có hai thành phần :
- Sợi nung: là nguồn phát electron. Sợi nung được cung cấp nguồn
điện áp (trung bình khoảng 10V) và dịng (khoảng 3 tới 5 A) làm
nóng các sợi nung để phát ra electron
- Một cốc hội tụ bằng kim loại.
Những ống tia X hiện đại có thể có các sợi nung đơn hay đơi. Mỗi sợi
nung bao gồm một sợi dây xoắn ốc bằng Vonfram và chúng được gắn liền kề
nhau, cái sau dài hơn cái trước. Chỉ có một sợi nung được sử dụng cho phát
xạ bất kỳ, sợi nung lớn hơn thường được sử dụng cho những bức xạ lớn hơn.
Khi dòng điện chạy qua dây Vonfram, sợi dây bị nung nóng. Electron
trong sợi nung bứt ra khỏi quỹ đạo của chúng tạo nên một đám mây nhỏ xung
quanh sợi nung. Khi nhiệt độ tăng lên, electron được giải phóng nhiều hơn và
dòng electron qua ống tia X (mA) tăng lên.
Dòng electron chạy trong ống tia X theo một chiều (luôn từ catốt tới anốt).
Do tác dụng của điện trường tăng tốc và số lượng lớn electron, nên chùm
electron này có xu hướng trải ra, không tập trung gây nên sự bắn phá trong


20

một khu vực rộng trên anot của ống tia X. Điều này được khắc phục bằng một
cấu trúc gọi là cốc chụp hội tụ catốt.
1.3.2.2 Nguyên lý hội tụ dòng

Điểm hội tụ là khu vực bị bắn phá trên anốt. Phần lớn năng lượng của
chùm electron từ catốt được chuyển thành nhiệt, chỉ có một phần nhỏ hơn 1%
chuyển đổi thành tia X. Khu vực điểm hội tụ sẽ chịu nhiệt lượng rất lớn nên
rất dễ bị phá huỷ. Nếu khu vực điểm hội tụ lớn, thì khả năng chịu nhiệt tốt
hơn. Song, điểm hội tụ nhỏ ở mức cho phép thì kết quả phân giải sẽ tốt đối
với những chi tiết nhỏ là đối tượng được chiếu tia X. Vấn đề này được giải
quyết bằng nguyên lý hội tụ dòng. Nguyên lý hội tụ dòng là sử dụng một cốc
hội tụ để tập trung chùm electron khi đi qua. Kích thước và hình dáng của
điểm hội tụ được quyết định bằng kích thước và hình dáng của dịng electron
khi nó bắn vào anot. Kích thước và hình dáng của dịng electron được quyết
định bởi kích thước của cuộn dây sợi nung (Vonfram), vị trí của sợi nung đặt
trong cốc hội tụ.
Khi chùm electron bắn phá vào anốt, bề mặt anốt được bố trí nghiêng tạo
nên một góc của mặt trực giao với dịng tới. Góc này có thể thay đổi từ 60 tới
200.
1.3.2.3 Anot
Anốt hay còn gọi là bia, là cực dương của ống tia X. Anốt có 2 loại: anốt
tĩnh hoặc anốt xoay
• Anot tĩnh
Anốt tĩnh chứa một đĩa Vonfram nhỏ, có chiều dày khoảng 2 hoặc 3 mm
được gắn trong một đĩa bằng đồng lớn hơn. Vonfram được lựa chọn làm vật


21

liệu cho Anốt vì một số lí do. Vonfram có số nguyên tử khối lớn, nên hữu
hiệu cho việc sản sinh tia X. Hơn nữa, nhiệt độ nóng chảy của nó rất cao
(33700C). Vonfram là vật liệu tốt cho việc hấp thụ nhiệt và toả nhiệt nhanh
chóng ra khỏi bề mặt.
Đĩa Vonfram nhỏ được gắn vào đĩa đồng lớn hơn của anốt nhằm mục đích

tiêu tán nhiệt nhanh hơn.
Một số máy phát tia X dùng cho chẩn đoán hay chụp răng thường sử dụng
ống tia X có anốt cố định.
• Anot xoay
Máy phát tia X công suất cao thường bị hạn chế vì nhiệt lượng tạo nên ở
anốt. Nguyên lý anốt xoay được sử dụng để sản xuất ống tia X có khả năng
chịu nhiệt tốt.
Anốt xoay bao gồm một đĩa lớn làm bằng Vonfram, hoặc một hợp kim của
Vonfram. Đĩa này sẽ xoay với vận tốc 3000 vòng /phút khi phát xạ được thực
hiện. Mục đích của việc xoay anot là để phân tán nhiệt làm giảm nhiệt cục bộ
trên anot.
Anốt hình đĩa quay quanh một trục qua tâm của ống. Sợi nung được sắp
đặt để hướng chùm electron tới mặt nghiêng của đĩa Vonfram. Do vậy vị trí
điểm hội tụ vẫn giữ không đổi trong khi đĩa anốt quay nhanh suốt quá trình
phát xạ, nhằm tạo được một bề mặt nguội hơn để nhận chùm electron hình
1.7.


22

Hình 1.6: Anốt xoay

Tuổi thọ của ống tia X có Anốt xoay thường bị hạn chế bởi quá trình chịu
nhiệt. Nhiệt gây nên rỗ bề mặt Anốt dẫn đến làm giảm hiệu suất phát tia X.
Người ta đã khám phá rằng hợp kim 90% Vonfram và 10% Reni (một kim
loại nặng có khả năng chịu nhiệt tốt) sản xuất anốt có khả năng chống chọi
với việc rỗ bề mặt và chịu nhiệt tốt hơn anốt chỉ làm bằng Vonfram.
Trục quay của Anốt được gắn thường được làm bằng Molypden.
Molypden có ưu điểm bền chắc, điểm nóng chảy cao, khả năng dẫn nhiệt kém
nên hạn chế dòng nhiệt từ Anốt tới mơ tơ và vịng bi. Nhiệt được truyền tải

hầu hết tới dầu làm nguội.

1.3.2.4 Hiệu ứng lệch
Mật độ của chùm tia X giải phóng là khơng đồng nhất trong mọi phần của
chùm tia. Cường độ của chùm phụ thuộc vào góc mà tại đó tia X được giải
phóng từ điểm hội tụ. Sự thay đổi này tạo nên hiệu ứng lệch.


23

K

A
Cường
độ
31% 79% 100%

95%

Hình 1.7: Hiệu ứng lệch
Hình 1.7 cho thấy cường độ của chùm tia về phía Anốt của ống nhỏ hơn
cường độ xiên về phía Catốt. Hiệu ứng này có thể được sử dụng để nhận được
cân bằng về mật độ ảnh của các cơ thể có độ dày khác nhau.
Thực tế, tia X được phát ra có cường độ không bằng nhau theo các hướng
từ bia và tia X rải rác theo mọi hướng. Chúng va chạm với các thành trong và
quanh ống. Vỏ ống giúp hấp thụ các tia X sơ cấp và thứ cấp sinh ra quanh
ống, đồng thời có chức năng che chắn cao áp.
Khơng gian giữa vỏ che chắn và bìa kính được lấp đầy bằng dầu mỏ mịn
có độ cách điện và đặc tính làm nguội rất tốt. Nhiệt độ chuyển tải bằng bức xạ
nhiệt tới dầu sẽ được vỏ ống bằng kim loại hấp thụ và tan vào khơng khí. Khi

dầu trong vỏ ống bị làm nóng, nó sẽ nở ra. Một ống kim loại trong phần chắn
ống sẽ cho phép dầu nở ra mà không gây áp lực lên ống và vật chắn, do vậy
tránh được sự phá huỷ. Hơn nữa, ống kim loại bị giãn nở có thể được thiết kế
vận hành một vi chuyển mạch, vi chuyển mạch này sẽ tự động ngăn chặn việc
giãn nở tiếp khi dầu đã bị làm nóng tới mức cực đại.


24

1.3.3 Nguồn điện cung cấp
Là một thiết bị cung cấp nguồn điện cho ống tia X. Nguồn điện cung cấp
biến đổi năng lượng đầu vào (220V, 50 Hz) để thoả mãn u cầu của ống tia
X.(Hình 1.9)
Ống tia X địi hỏi năng lượng điện cho hai mục đích:
(1) Để nung nóng sợi nung làm phát ra electron.
(2) Để gia tốc những electron này từ catot đến anot.

Nguồn AC
220 V

Biến áp

KV
mA
DC

KV

mA Thời gian

Bộ điều khiển

Hình 1.8: Nguồn điện cung cấp
Thành phần quan trọng của nguồn ni là một biến thế có thể tăng được
điện áp lên rất cao, và có thể điều chỉnh được gọi là biến thế điện áp cao.
Ngoài ra cịn có biến áp giảm điện áp và bộ chỉnh lưu để thay đổi dòng xoay
chiều thành dòng điện một chiều để cung cấp cho các mạch điện khác. Một
đặc điểm quan trọng của máy phát tia X là phụ thuộc nguồn cung cấp cao áp.