chup anh buc xa rt
TRANSCRIPT
CHƯƠNG VII PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA BẰNG BỨC XẠ
I. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP
I.1. Khái niệm
Phương pháp kiểm tra bằng bức xạ được
dùng để xác định khuyết tật bên trong của nhiều
loại vật liệu hoặc mối hàn có cấu trúc khác
nhau. Mỗi hệ thống kiểm tra gồm ba phần chính
(h.VII.1): nguồn phát ion hóa 1; vật kiểm 2
(liên kết hàn); bộ phát hiện 3 ghi nhận thông tin
về khuyết tật.
Hình VII.1. Các phần chính khi kiểm tra
Khi truyền qua vật kiểm, bức xạ ion bị yếu đi do hấp thụ và tán xạ. Mức độ suy
giảm phụ thuộc vào chiều dày δ và mật độ ρ của vật kiểm, cũng như cường độ M và
năng lượng E của chính chùm tia. Sự có mặt của khuyết tật kích thước Δδ trong vật
làm thay đổi cường độ M và năng lượng chùm tia E khi ra khỏi. Thông tin về sự thay
đổi sẽ được ghi nhận lại (trên film, trên màn hình, tấm xeroradiography).
I.2. Phân loại:
Trong kiểm tra liên kết hàn người ta thường sử dụng các phương pháp dò tìm thông
tin: chụp ảnh; soi ảnh huỳnh quang (fluoroscopy); ghi đo phóng xạ. Đối với nguồn
bức xạ thì dùng các dạng khác nhau của bức xạ ion hóa: tia röntgen (X); tia gamma
(γ); chùm neutron (n).
I.2.1. Phương pháp chụp ảnh bằng chùm tia
Bức xạ ion hóa tác động vào lớp nhũ tương của film tạo ra những thay đổi về mật
độ quang học (độ đen). Độ đen của film phụ thuộc vào số lượng và đặc tính của chùm
bức xạ đến tương tác với film. Phương pháp này thể hiện hình ảnh tĩnh trên hệ phát
hiện film về cấu trúc bên trong vật kiểm. Trong thực tế đây là phương pháp được sử
dụng nhiều nhất do thao tác đơn giản và kết quả lưu được lâu.
Trong các loại bức xạ röntgen, gamma, neutron, mỗi loại có phạm vi sử dụng, bổ
sung và làm giàu khác nhau.
Tia X có ưu điểm khi kiểm tra trong phân xưởng, còn ở ngoài công trường chỉ dùng
khi yêu cầu về độ nhạy cao. Tia gamma có lợi thế khi kiểm tra chất lượng liên kết
hàn ở những chỗ khó tiếp cận, trong điều kiện công trường hoặc khi lắp ráp. Chụp
ảnh betatron được dùng khi kiểm tra liên kết có chiều dày lớn trong phân xưởng. Còn
chụp ảnh neutron - đó là phương pháp duy nhất đảm bảo để kiểm tra chất lượng liên
kết hàn của các kim loại nặng hấp thụ được neutron nhiệt, các bình chứa chất lỏng,
hoá chất và phóng xạ.
Các phương pháp trên có thể kiểm tra được liên kết hàn các tấm thép dày từ 1-500
mm, với độ nhạy 1-2%.
I.2.2. Phương pháp soi ảnh huỳnh quang (fluoroscopy)
Phương pháp này thể hiện hình ảnh động trên màn hình về cấu trúc bên trong vật
kiểm khi chiếu chùm tia ion hoá mà không dùng film. Độ nhạy phát hiện khuyết tật
của phương pháp này chỉ vào khoảng 3% – 5%. Ưu điểm là nhận được kết quả theo
hình ảnh ba chiều và liên kết hàn được quan sát dưới các góc độ khác nhau với kích
thước được phóng to, mặt khác kiểm tra được rất nhanh và liên tục (on line). Chúng
được dùng để kiểm tra sơ bộ nhằm phát hiện nhanh khuyết tật lớn với liều chiếu nhỏ.
Phạm vi áp dụng chủ yếu là trong y tế và hải quan, trong sản xuất hàn ít phát triển.
Phương pháp này thường dùng thiết bị röntgen làm nguồn bức xạ, ít khi sử dụng
nguồn gamma và neutron. Bộ ghi nhận bức xạ (detector) gồm màn hình huỳnh quang,
tinh thể nhấp nháy, bộ biến đổi quang điện, vidicon röntgen... Chúng đảm bảo
chuyển đổi các hình bức xạ không nhìn thấy thành các hình ảnh khuất sáng hoặc tín
hiệu điện tử rồi truyền đi một khoảng cách cần thiết bằng truyền hình hoặc cáp
quang. Khi cần lưu giữ sau khi kiểm tra có thể chụp lại ảnh (fluorography).
I.2.3. Phương pháp ghi đo phóng xạ
Phương pháp này nhận được thông tin trong vật kiểm được chiếu bằng bức xạ ion
hoá dưới dạng tín hiệu điện (độ lớn, chiều dài, số lượng khác nhau). Đây là phương
pháp có khả năng tự động hoá quá trình kiểm tra tốt nhất. Việc thực hiện phản hồi
(liên hệ ngược) từ kiểm tra đến quá trình công nghệ hàn hoặc chế tạo làm cho chất
lượng hàn được đảm bảo một cách tốt nhất. Độ nhạy của phương pháp này không
thua kém so với chụp ảnh. Trong thực tế người ta sử dụng các chất đồng vị phóng xạ
và máy gia tốc làm nguồn, còn bộ dò là tinh thể nhấp nháy, ống đếm nạp khí, detector
bán dẫn, liều kế nhiệt phát quang.
Các detector nhấp nháy được sử dụng chủ yếu để ghi nhận bức xạ, nó hoạt động dựa
trên nguyên lý: khi bức xạ đến tương tác với bản tinh thể nhấp nháy sẽ bị mất năng
lượng và phát ra ánh sáng nhấp nháy. Ánh sáng được truyền đến photocathode của
ống nhân quang điện để giải phóng các electron khỏi cathode. Số lượng electron được
khuếch đại đập vào anode chuyển thành tín hiệu điện để xử lý. Nhược điểm là khi
chùm bức xạ lớn thì không ghi được hết.
I.3. Bản chất của bức xạ ion hoá
I.3.1. Bức xạ röntgen (tia X)
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 chụp ảnh bức xạ
thường sử dụng bức xạ tia X có bước sóng từ 10-2 đến 10 (1 = 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 (7.1)
Khi giảm bước sóng λ thì năng lượng bức xạ E tăng lên. Do vậy tính chất hạt trội
hơn tính chất sóng nên khả năng đâm xuyên mạnh hơn.
Nguồn phát ra bức xạ tia X là ống röntgen (h. VII.2). Đó là ống thủy tinh trong là
chân không (1 nm Hg) với hai điện cực cùng đối âm cực.
Hình VII.2. Một ống phát bức xạ tia X điển hình.
Nguồn phát electron là cuộn dây được gọi là cathode K. Khi có dòng điện từ 1 đến
5 (A) ở điện áp 4 – 12 (V), cuộn dây được đốt nóng đến dải nhiệt độ phát ra các
electron.
Quá trình tăng tốc electron: Các electron sau khi được tạo ra từ cathode K sẽ
phóng về anode A mang điện tích dương. Để tạo ra bức xạ cần thiết cho chụp ảnh thì
điện áp giữa A và K phải nằm trong
khoảng từ 30 kV¸30 MV.
Bia: Bức xạ tia X được phát ra khi
các electron đang phóng có năng lượng
cao va đập vào tấm bia đối âm cực. Vật
liệu dùng để làm bia cần phải có các
tính chất cần thiết như: nguyên tử số Z
cao, nhiệt độ nóng chảy cao, độ dẫn
nhiệt lớn. Wolfram là kim loại có tất cả các tính chất trên. Bia được gắn với cốc
anode bằng đồng.
Kết quả là của va đập là phát ra bức xạ đặc trưng và bức xạ hãm có phổ là nền liên
tục và vạch đặc trưng (h. VII.3). Hình VII.3. Phổ bức xạ tia X
Bức xạ đặc trưng với phổ vạch chỉ xuất hiện trong trường hợp khi electron e* được
tăng tốc tác động tương hỗ với anode có năng lượng cao, ví dụ đủ để đảm bảo dịch
chuyển các electron thuộc lớp K của các nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn.
Như vậy xảy ra dịch chuyển ngược tức thời của electron từ ngoài vào trong, ví dụ từ
lớp L vào lớp K. Điều này kéo theo bức xạ đặc trưng có tần số ν, ứng với ΔE – chênh
lệch năng lượng giữa mức ngoài và trong (ví dụ lớp K và L) (h. VII.4):
ΔE= EK –EL =h ν (7.2)
Trong đó h – hằng số Plank (h = 6,625.10-34
J/s)
Bức xạ đặc trưng được sử dụng khi phân tích
phổ và cấu trúc roentgen trạng thái vật chất.
Vì mỗi nguyên tố có năng lượng liên kết các
electron trên vỏ nguyên tử hoàn toàn xác định,
do đó mỗi chất ứng với phổ vạch hoàn toàn xác định.
Hình VII.4. Cấu tạo nguyên tử
Bức xạ hãm với phổ liên tục xuất hiện khi các electron với năng lượng khác nhau
thoát khỏi cathode dập “từ từ ” vào bia. Động năng E của electron trên bề mặt bia
bằng:
E =eU (7.3)
Trong đó e- điện tích (e = 1,6.10-19 C);
U – điện áp anode của ống (V)
Do tốc độ của electron phân bố theo định luật Maxwell nên các electron này bị hãm
dần theo chiều dày bia. Vì vậy trong phổ roentgen thì bức xạ phát ra trong ống, lượng
tử có đủ các mức năng lượng khác nhau. Khi bước sóng nhỏ nhất thì toàn bộ động
năng electron E sẽ chuyển thành năng lượng bức xạ roentgen lớn nhất Emax, tức là:
Emax= hνo= hc/λo
Cân bằng E và Emax nhận được λo= (7.4)
Từ công thức (7.4) thấy rằng nếu tăng điện áp anode U thì bước sóng λo sẽ giảm, điều
này làm thay đổi trạng thái phổ và tăng năng lượng cực đại của phổ liên tục (h.
VII.5a).
Ví dụ 1: Xác định tốc độ trung bình của electron khi đập vào bia, biết điện áp giữa
anode và cathode trong ống U=10 kV, khối lượng electron m= 9,1.10-31 kg.
Theo định luật bảo toàn năng lượng mv2/2 = eU a v= =
6.107 m/s (khoảng 20% tốc độ ánh sáng).
Hình VII.5. Quan hệ giữa cường độ bức xạ với bước sóng: a)- thay đổi điện áp; b)-
thay đổi cường độ.
Khi thay đổi dòng điện trong ống, trạng thái phổ liên tục không đổi nhưng cường độ
chùm tia giảm tỉ lệ với cường độ dòng điện (h. VII.5b). Liều chiếu X của tia roentgen
tỉ lệ với cường độ dòng điện I và thời gian chiếu t được xác định:
X (hoặc e ) = It (mA.min)
Năng lượng của ống röntgen tỉ lệ với năng lượng điện áp anode U (keV) và bằng 1%
- 2% năng lượng toàn bộ của các electron đập vào bia, phần còn lại chuyển thành
nhiệt.
I.3.2. Bức xạ gamma (γ)
Bức xạ gamma là loại bức xạ sóng điện từ giống như bức xạ tia X nhưng chúng
thường có bước sóng ngắn hơn (10-3 – 4.10-2 ) và có khả năng xuyên sâu hơn bức xạ
tia X. Bức xạ này được phát ra từ biến đổi bên trong hạt nhân các đồng vị phóng xạ
tự nhiên hoặc nhân tạo khi phân rã, khác với bức xạ tia X được phát ra ở bên ngoài
hạt nhân. Đồng thời với các lượng tử (photon) γ, các hạt α (hạt nhân helium He )
và hạt β (electron β ).
Quãng chạy (khả năng đâm xuyên) của các hạt α trong vật chất rất ngắn. Khả năng
đâm xuyên của các hạt β lớn hơn, chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn khi truyền qua
tấm nhôm dày khoảng 4 mm.
Tùy thuộc vào năng lượng, lượng tử γ có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với
các hạt α, β. Đó là nguyên nhân chính để tia γ được dùng trong kiểm tra chất lượng
các liên kết hàn.
Khác với phổ bức xạ tia X là liên tục thì phổ bức xạ gamma là gián đoạn (phổ vạch),
ngưỡng giá trị của bước sóng trong thực tế phụ thuộc vào sự phát xạ của hạt nhân
nghĩa là nguồn phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ có thể phát ra bức xạ có một hoặc
nhiều bước sóng (h. VII.6)
Hình VII.6. Phổ vạch của nguồn phóng xạ gamma.
Các nguồn đồng vị phóng xạ nhận được bằng cách kích hoạt “phôi” trong chùm
neutron của lò phản ứng hạt nhân (như Co-60 và Ir-192), hoặc do việc chiết tách các
sản phẩm phân hạch của lò phản ứng (như Cs-137 và Sr-90).
Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ như Co-60 có thể được chỉ ra theo:
Co a β + γ + Ni
I.3.3. Tính chất chung
Bức xạ tia X và tia gamma là bức xạ sóng điện từ, nên có những tính chất giống
nhau dưới đây :
(i) Không thể nhìn thấy và cảm nhận được chúng bằng các giác quan người.
(ii) Làm các chất (kẽm sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium
platinocyanide...) phát huỳnh quang.
(iii) Chúng truyền với tốc độ ánh sáng nghĩa là v= c =3.108 m/s.
(iv) Gây nguy hại cho tế bào sống.
(v) Gây ra sự ion hoá, chúng có thể tách các electron ra khỏi các nguyên tử khí để
tạo ra các ion dương và âm.
(vi) Truyền theo đường thẳng, là bức xạ sóng điện từ nên tia X hoặc tia gamma cũng
có thể bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ.
(vii) Tuân theo định luật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách
(viii) Có thể đâm xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể xuyên qua
được. Độ xuyên sâu phụ thuộc vào năng lượng bức xạ, mật độ, chiều dày vật
liệu.
(ix) Chúng tác động lên lớp nhũ tương film.
I.3.4. Bức xạ neutron
Dòng neutron không tích điện xuất hiện trong quá trình phản ứng hạt nhân khi bắn
phá các hạt nhân nguyên tử bằng các hạt tích điện hoặc các lượng tử γ cũng như trong
quá trình chia tách hạt nhân.
I.3.5. Các đại lượng cơ bản của bức xạ ion hóa
Trong kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ người ta dùng các đơn vị ánh sáng khi giải
đoán kết quả và các đơn vị bức xạ ion hóa khi chụp.
Trong một số nguyên tố hóa học có một số đồng vị bền vững và một số không bền
vững. Những nguyên tử của các đồng vị không bền vững có thể trở về trạng thái bền
vững bằng cách phát bức xạ. Quá trình chuyển về trạng thái bền vững kèm với quá
trình phát bức xạ được gọi là quá trình phân rã. Hiện tượng phân rã của các nguyên
tử đồng vị được gọi là hiện tượng phóng xạ.
(i). Phân rã phóng xạ của chất phóng xạ phụ thuộc vào độ tập trung của các nguyên
tử phóng xạ có trong chất phóng xạ. Sự phân rã phóng xạ theo quá trình này không
thể đánh giá một cách chính xác. Tuy nhiên nếu phần lớn các nguyên tử được xem là
một khối thì sự phân rã tuân theo kiểu thống kê hoàn toàn được xác định. Đó là định
luật phân rã phóng xạ. Định luật này có thể được biểu diễn theo toán học là :
N(t) = N0 . e-ω.t = N0.exp(-ωt) (7.5)
Trong đó: t – thời gian phân rã
N0 và Nt - số nguyên tử ban đầu (ở thời điểm t = 0) và số nguyên tử còn
lại sau thời gian t
ω - hằng số phân rã phóng xạ và là một đặc trưng của chất phóng xạ.
Trong thực tế, sự phân rã của chất phóng xạ thường được dùng theo thuật ngữ là
chu kỳ bán rã của nó và được ký hiệu là T1/2. Chu kỳ bán rã là thời gian cần thiết để
số nguyên tử phóng xạ ban đầu giảm xuống còn một nửa.
Thay N = N0/2 và t = T/2 vào phương trình phân rã thì nó có thể được chuyển đổi
thành
với T1/2 = 0,693/ω. (7.6)
(ii). Hoạt độ phóng xạ A được xác định là số nguyên tử của chất phóng xạ được phân
rã trong một đơn vị thời gian, tức là tốc độ phân rã của đồng vị đó A= dN/dt.
Đơn vị hoạt độ là Becquerel (1 Bq = 1 phân rã trong 1 giây). Đơn vị cũ vẫn còn
được dùng nhiều là Curie (1 Ci = 3,7.1010 Bq).
Mặc dù becquerel là đơn vị cho biết hoạt độ phóng xạ trong mẫu là bao nhiêu,
nhưng không cho biết thông tin về kích thước vật lý của vật chất. Vì thế nên hoạt độ
riêng SA được dùng để chỉ ra nồng độ của hạt nhân phóng xạ tinh khiết dựa vào hoạt
độ phóng xạ trong một đơn vị khối lượng hoặc thể tích.
Đơn vị của hoạt độ riêng là Bq/kg hoặc Bq/m3. Một chất phóng xạ có hoạt độ riêng
cao thì khối lượng hoặc thể tích nhỏ có thể tạo ra một nguồn có cường độ cần thiết,
điều này có tầm quan trọng với quan điểm về độ xác định ảnh chụp bức xạ.
(iii). Liều chiếu X của bức xạ roentgen và γ biểu thị bằng năng lượng lượng tử
(photon) chuyển thành động năng của các hạt tích điện trong một đơn vị khối lượng
không khí ở điều kiện chuẩn X = dQ/dm
Trong đó dQ là giá trị tuyệt đối của tổng điện tích các ion cùng dấu được tạo ra
trong thể tích không khí ở điều kiện chuẩn có khối lượng dm khi tất cả các electron
thứ cấp (e+ và e-) do các photon tạo ra bị hãm hoàn toàn trong đó.
Đơn vị liều chiếu là C/kg. Đơn vị cũ là Röntgen (R) với 1 R= 2,58.10-4 C/kg
Suất liều chiếu của bức xạ röntgen và γ là liều chiếu tính trong một đơn vị thời
gian = dX/dt= dQ/dm/dt
Đơn vị suất liều chiếu là C.kg-1.sec-1
Hằng số suất liều gamma riêng Г là hằng số đối với hạt nhân phát gamma nhất định
và được gọi là suất liều không che chắn (μSv/h) ở khoảng cách 1 m của một GBq hoạt
tính, theo ký hiệu cũ vẫn hay dùng là RHM (R/h/Ci)
(iv). Cường độ bức xạ M được định nghĩa là năng lượng của tia bức xạ tương tác trên
một đơn vị diện tích vuông góc với hướng truyền của chùm tia trong một khoảng thời
gian.
Đơn vị cường độ bức xạ là erg/cm2.sec với 1 erg/cm2.sec= 10-3 W/m2
(v). Độ chiếu
Trong thực tế hay dùng đại lượng là độ chiếu e. Đối với máy e = I*t, với nguồn e
=A*t. Trong đó: I – cường độ dòng điện; A – hoạt độ nguồn; t – thời gian chiếu.
I.4. Tương tác của bức xạ với vật chất
I.4.1. Biến đổi của chùm tia
Khi một chùm bức xạ đi qua vật chất thì một số tia được truyền qua, một số tia bị
hấp thụ và một số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau. Các loại bức xạ hạt nhân
chính là α, β tương tác mạnh với các electron ở quỹ đạo nguyên tử. Do bị ion hóa và
bị kích thích nên bức xạ bị mất năng lượng liên tục rồi bị hãm lại khi mất hoàn toàn.
Neutron không tích điện nên khó tương tác với các electron và trường coulomb của
hạt nhân.
I.4.2. Tương tác của bức xạ tia X và γ với vật chất.
Khi bức xạ tia X và γ đi qua vật chất, cường độ bức xạ bị suy giảm và phụ thuộc
vào đặc tính chùm bức xạ, vật liệu, mật độ và chiều dày của mẫu vật mà chùm tia bức
xạ đi qua. Quá trình tương tác xảy ra rất phức tạp, đó là kết quả tự nhiên của sóng
điện từ. Tuy nhiên với các lượng tử có năng lượng 0,01 – 10 MeV tương tác chủ yếu
xảy ra theo ba quá trình (h. VII.7): hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ compton và
quá trình tạo cặp.
Đặc trưng cho khả năng tương tác của lượng tử (photon) roentgen hoặc γ với vật
chất được gọi là hệ số suy giảm tuyến tính μ. Hệ số μ được đặc trưng bằng tỉ số giữa
số lượng tử chịu tương tác trong một đơn vị thời gian vói mật độ dòng lượng tử tới.
Nói các khác nó xác định sự suy giảm của cường độ bức xạ ion hóa khi chùm tia đi
qua vật chất có chiều dày nhất định.
Khi tương tác quang điện với nguyên tử chất hấp thụ A (h.VII.7a) lượng tử (photon)
có năng lượng tương đối thấp (nhỏ hơn 1 MeV) truyền toàn bộ năng lượng cho
electron ep 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 (quang điện tử) 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 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. Hiệu ứng này tạo ảnh chủ
yếu.
Hình VII.7. Ba quá trình tương tác
Quá trình tán xạ compton được thực hiện bằng cách lượng tử (photon) γp va chạm
với electron ek ở lớp vỏ ngoài. Khi tương tác chỉ một phần năng lượng của γp truyền
cho nguyên tử hấp thụ và lượng tử bị tán xạ (h.VII.7b). 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, tần số thay đổi. Mật độ electron
càng lớn thì mức độ tán xạ càng mạnh. Hệ số tương tác tán xạ tuyến tính σ tỉ lệ với
nguyên tử số Z và tỉ lệ nghịch với năng lượng E. Quá trình này chỉ xảy ra với bức xạ
ion hoá. Năng lượng phụ thuộc vào góc lệch. Khi chụp ảnh chúng làm nhoè ảnh, vì
vậy phải chọn thông số thích hợp.
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, năng lượng chuyển từ sóng sang hạt. Quá
trình tạo cặp có vai trò quan trọng khi năng lượng E lớn với các chất có nguyên tử số
Z cao (h.VII.7c), vì hệ số tương tác tạo cặp χ tỉ lệ với Z2.
Đối với từng chất có thể chia ra ba vùng năng lượng mà mỗi vùng có quá trình nào
trội hơn (Bảng VII.1)
Bảng VII.1: Các vùng năng lượng trội của các quá trình tương tác giữa bức xạ γ và
roentgen với vật chất.
Vật liệu Mức năng lượng E
Hiệu ứng quang điện Tán xạ compton Quá trình tạo cặp
/J/ /keV/ /J/ /keV/ /J/ /keV/
Không khí <3,2.10-15 <20 3,2.10-15 ÷3,7.10-12 20 ÷23000 >3,7.10-15 >23000
Nhôm <8,0.10-15 <50 8,0.10-15 ÷2,4.10-12 50 ÷15000 >2,4.10-12 >15000
Thép <1,9.10-14 <120 1,9.10-14 ÷1,5.10-12 120 ÷9500 >1,5.10-12 >9500
Chì <8,0.10-14 <500 8,0.10-14 ÷7,5.10-13 500 ÷4700 >7,5.10-13 >4700
I.4.3. Hệ số suy giảm tuyến tính μ (cm-1)
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
μ = τ + σ + 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/m 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 phạm vi năng lượng bức xạ hãm của máy gia
tốc và bức xạ γ lớn hơn 1 MeV, hệ số μ tăng theo năng lượng (h.VII.8). 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.
Hình VII.8. Tiết diện tương tác phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử gamma
Đối với các nguồn bức xạ γ đơn năng như Co-60 hoặc Cs-137, μ không phụ thuộc
vào chiều dày hấp thụ. Đối với các nguồn γ có phổ phức tạp như Ir-192 hoặc Tm-
170, cũng như các nguồn đồng vị bức xạ hãm như (Tl-204 + Be) hoặc (Sr-90 + Be)
thì μ lại phụ thuộc vào chiều dày. Trong trường hợp này các thành phần phổ mềm
(có năng lượng thấp) đi qua vật chất sẽ bị hấp thụ nhanh hơn phổ cứng. Tình trạng
bức xạ tia X hay bức xạ hãm của máy gia tốc cũng tương tự.
Trong mọi trường hợp, năng lượng bức xạ càng nhỏ thì sự phụ thuộc của μ vào
chiều dày hấp thụ càng lớn. Vì đối với máy gia tốc μ tăng theo năng lượng, nên
khả năng đâm xuyên của tia bức xạ giảm. Do đó sử dụng bức xạ hãm với năng
lượng nhỏ hơn 30 MeV để kiểm tra vật liệu nặng (đồng, thép...) là hợp lý, còn với
vật liệu nhẹ (nhôm, manhê, titan...) năng lượng không vượt quá 50 MeV. Vượt quá
giới hạn đó thì μ thay đổi không đáng kể mà kích thước và trọng lượng máy tăng
lên nhiều.
Trong thực tế kiểm tra thường xem các bức xạ có phổ phức tạp hoặc liên tục như
là bức xạ đơn năng có năng lượng hiệu dụng Ee và hệ số suy giảm hiệu dụng μe.
Các giá trị Ee và μe được xác định qua sự suy giảm tương tự trong chất hấp thụ của
hai dạng bức xạ.
Giá trị μe đối với bức xạ không đơn năng có phổ phức tạp hoặc liên tục có thể
được xác định bằng thực nghiệm theo nguyên lý (h.VII.9).
Kết quả các phép đo để tính μe theo phương trình:
μe = - (9. )
Hình VII.9. Chùm tia bức xạ “hẹp”: 1)- nguồn; 2)- collimator; 3)- tấm hấp thụ;
4)- detector
Ví dụ 2 :
Tính hệ số suy giảm hiệu dụng biết cường độ bức xạ bị giảm đi 4 lần sau khi đi
qua tấm thép dày δ= 2 cm?
Áp dụng công thức (9. ) có μe = - = 0,693 cm-1
I.4.4. 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)
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
mm 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. mm cũng phụ thuộc vào
nguyên tử số Z của chất hấp thụ và tăng lên theo nguyên tử số Z.
I.4.5. Định luật suy giảm chùm tia bức xạ hẹp
Bức xạ bị hấp thụ khi truyền qua lớp vật liệu mỏng phụ thuộc vào chiều dày δ và
hệ số suy giảm tuyến tính m. Tương tự như định luật phân rã phóng xạ có thể viết:
Mt = M0e-μ.δ=M0.exp(-μδ) (7.7)
Trong đó: M0 và Mt là cường độ của chùm tia bức xạ hẹp tới và truyền qua vật
liệu tương ứng với M0 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 :
Mt = M0e-μ.δ
Nếu ta có :
Þ δ = HVL = (7.8)
Bảng (VII.2) cho biết HVL của một số vật liệu
Bảng VII.2 Giá trị HVL (mm) đối với các nguồn γ và tia X
Vật liệu Bê tông Thép Chì Uranium
Nguồn
Ir-192
Co-60
Cs-137
Ra-226
41
61
_
69
12,5
20
15
_
5,0
12
6,5
16,6
3,1
7,0
_
_
100 kV- tia X
300 kV- tia X
21
30
_
_
2,5
18
_
_
I.4.6. Định luật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách
Cường độ bức xạ đến điểm nào đó phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn (điểm) bức
xạ đến điểm đó. Cường độ bức xạ biến thiên tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng
cách này (h.VII.10)
Định luật (tỉ lệ nghịch với) bình phương
khoảng cách có thể biểu diễn bằng công thức
toán học như sau:
Trong đó : l1 và l2 tương ứng với khoảng cách từ
nguồn đến C1 và C2.
Định luật bình phương khoảng cách có tầm
quan trọng trong quá trình thực hiện chụp ảnh
bức xạ. Film phải ghi nhận được liều chiếu nhất
định để có độ đen mong muốn. Nếu khoảng
cách từ nguồn đến film thay đổi thì liều chiếu
cũng bị thay đổi theo quy luật bình phương khoảng cách. Trong tính toán an toàn bức
xạ cũng sử dụng định luật này cùng với thời gian và che chắn đã trình bày.
Hình VII.10. Định luật bình phương khoảng cách: A- nguồn; B- khe hở; C1 và C2-
bề mặt ghi nhận
I.4.7. Sự suy giảm của chùm tia bức xạ rộng
Những phân tích ở trên áp dụng đúng cho chùm tia bức xạ hẹp và chiều dày vật liệu
nhỏ. Dễ thấy rằng có những lượng tử phân kỳ không bị hấp thụ và detector không ghi
nhận được. Về mặt hình học giả thiết chùm tia hẹp chỉ đúng khi đường kính của
trường chiếu không vượt quá 1,5 lần quãng đường tự do (1/μ) của lượng tử (photon)
trong vật chất. Điều kiện này trong thực tế rõ ràng không đầy đủ.
Trong thực tế kiểm tra bằng bức xạ người ta sử dụng chùm tia bức xạ rộng về mặt
hình học. Khi đó tới detector không chỉ các lượng tử chuyển động trùng với chùm tia
sơ cấp mà cả những lượng tử bị tán xạ nhiều lần trong chất hấp thụ. Lúc đó cường độ
bức xạ sau khi truyền qua vật liệu Mt sẽ cao hơn đáng kể. Hiện tượng này được gọi là
hiện tượng tích lũy bức xạ. Đưa thành phần tán xạ vào cường độ bức xạ tổng truyền
qua có thể được đánh giá nhờ hệ số tích lũy bức xạ B. Hệ số tích lũy bức xạ B được
xác định bằng tỉ số giữa tổng cường độ bức xạ thực tế với cường độ bức xạ không có
tán xạ. Lúc đó công thức (9. ) có dạng tổng quát:
Mt =B. M0e-μ.δ=B.M0.exp(-μδ) (7.9)
Hình VII.11. Quan hệ giữa hệ số tích lũy bức xạ với chiều dày thép
a)- nguồn đồng vị; b)- bức xạ hãm của betatron
Trên (h.VII.11) trình bày quan hệ giữa B và chiều dày tấm thép δ đối với nguồn bức
xạ khác nhau. Từ đồ thị thấy rằng, khi tăng năng lượng bức xạ và giữ nguyên các
điều kiện khác thì hệ số B giảm; còn khi tăng chiều dày thì B tăng.
Trong các tài liệu về nguồn điểm đồng vị đều cho giá trị B với bức xạ đơn năng.
Còn giá trị hệ số tích lũy hiệu dụng Be của bức xạ đa năng có thể được xác định bằng
thực nghiệm. Quá trình gồm hai lần đo theo (h.VII.9): đầu tiên đo Mt bằng ống chuẩn
trực (collimator), sau đó đo cường độ bức xạ tổng có cả tán xạ Mt +Mtx. Áp dụng
công thức Be = (Mt +Mtx)/Mt dễ dàng tính được.
I.4.8. 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 phông có thể vượt quá giới hạn cho phép đối với dân chúng (1 mSv/năm).
I.4.9. Tương tác của neutron với vật chất
Tùy thuộc vào động năng của neutron có thể chia chúng thành các nhóm lớn sau:
lạnh với Ek < 0,01 eV; nhiệt với Ek = 0,01 ÷0,3 eV; trung gian với Ek = 0,3 ÷104 eV ;
nhanh với Ek = 104 ÷2.107 eV.
Khi neutron đâm xuyên qua vật chất do chúng va đập với các hạt nhân nên có khả
năng xảy ra các tương tác phụ thuộc vào năng lượng của neutron: neutron bị tán xạ ở
hạt nhân, không thay đổi bản chất; bản chất hạt nhân và neutron bị thay đổi, khi đó
tạo nên các hạt α, lượng tử γ, proton... cũng như xảy ra quá trình phân chia các
nguyên tử nặng.
Hình VII.12. Quan hệ giữa tiết diện kích hoạt với năng lượng neutron
Sự suy giảm chùm neutron hẹp chuẩn trực bởi tấm che chắn có chiều dày δ xảy ra
theo định luật:
Jt = Jo.e-σNδ (7.10)
Trong đó: Jo và Jt – mật độ dòng neutron trước và sau khi qua lớp vật liệu che chắn
σ – tiết diện kích hoạt vi mô (barn = 10-24 cm2)
N – số hạt nhân trong 1 cm3
Tích số σ .N = Σ được gọi là tiết diện ngang vĩ mô. Về mặt thực tế đó là hệ số suy
giảm tuyến tính của dòng neutron trong vật chất. Giá trị nghịch đảo của Σ được gọi là
quãng đường tự do của neutron trong vật chất. Trong trường hợp chung có thể khẳng
định được rằng tiết diện kích hoạt tương tác của neutron với vật chất tăng lên khi
năng lượng neutron giảm (h.VII.12). Chính vì vậy ưu điểm của neutron nhiệt và trung
gian được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ. Từ việc phân tích các đường cong trên,
thấy rằng chụp neutron hoàn toàn thích hợp khi kiểm tra các chất như Mn, B, Cd...
Những chất này tiết diện kích hoạt thay đổi mạnh theo năng lượng, điều đó cho phép
giải đoán khuyết tật tốt.
II. THIẾT BỊ VÀ CÁC THÔNG SỐ TRONG KIỂM TRA BỨC XẠ
II.1. Các nguồn bức xạ hãm
II.1.1. Nguyên lý chung của thiết bị phát bức xạ tia X
Để tạo ra bức xạ tia X cần phải có một nguồn phát electron (dây tóc được đốt nóng);
định hướng và tăng tốc các electron (tạo điện áp cao); cùng một bia bằng wolfram để
electron va đập vào. Chúng được đặt trong ống phát bằng thủy tinh gồm hai điện cực:
cathode và anode (h.VII.13). Ngoài ra còn có thiết bị điện khác bao gồm :
Một biến áp để cung cấp điện áp cao cần thiết.
Bộ phận để điều chỉnh cao áp được đặt giữa cathode và anode
Bộ phận để điều chỉnh cường độ dòng điện chạy qua dây đốt nóng
Hệ thống ngắt tự động để bảo vệ cho thiết bị khỏi hư hỏng do quá nhiệt, điện
áp, cường độ dòng điện quá cao v.v…
Các thiết bị phát bức xạ gồm hai loại chính là máy phát liên tục (tính theo giờ) và
máy phát xung (tính theo số xung).
(i). Máy phát liên tục: có thể ở dạng liền khối hoặc dạng rời. Chúng được dùng để
phát theo chùm định hướng hoặc toàn phương (h.VII.13a, b, c).
Các máy phát dạng liền khối được lắp chung trong một khối và được làm nguội bằng
dầu hoặc khí. Máy phát xách tay được dùng ở công trường hoặc điều kiện lắp ráp,
còn máy cao áp liền khối cố định chỉ được dùng trong xưởng.
Hình VII.13. Các mạch máy phát điển hình: 1)- biến áp; 2)- ống roentgen; 3)-
kenetron; 4)- tụ điện
Trong các máy phát liền khối xách tay người ta sử dụng ống roentgen có anode cố
định và mạch nửa sóng không chỉnh lưu (h.VII.13a). Trong các máy phát cao áp cố
định người ta dùng các ống roentgen kiểu ghép gồm cathode tiếp mát, các điện cực
trung gian và anode rỗng chứa chất lỏng làm mát.
Ở các máy phát này dòng điện được đưa trực tiếp vào ống từ biến áp điện áp cao.
Dòng điện chạy qua ống roentgen chỉ theo một chiều ở nửa chu kỳ đầu, còn nửa chu
kỳ sau dòng điện bị ngăn lại. Việc sử dụng mạch như bộ chỉnh lưu này làm giảm thời
gian làm việc, nhưng thiết bị lại đơn giản.
Máy phát dạng rời gồm bộ phận phát độc lập, ống röntgen và bảng điều khiển riêng.
Các ống röntgen có bia thông thường hoặc tháo ra được. Người ta sử dụng mạch nửa
sóng có chỉnh lưu (h. VII.13b) và mạch tăng cường có chỉnh lưu cùng với tụ điện (h.
VII.13c). Việc dùng ống với anode tháo được đảm bảo nhận được chùm tia bức xạ
toàn phương. Phần bia ở anode mà chùm electron va đập vào được gọi là tiêu điểm
phát bức xạ của ống. Để nhận được ảnh sắc nét thì tiêu điểm phải có kích thước càng
nhỏ càng tốt. Nhưng thực tế nếu tiêu điểm có đường kính nhỏ hơn 0,3 mm thì tuổi thọ
của ống giảm do sự thăng hoa của vật liệu làm bia. Kenotron chỉnh lưu trong các
mạch máy phát dạng rời cho phép làm phẳng điện áp chỉnh lưu để công suất phát ra
đạt giá trị cao. Việc sử dụng mạch tăng cường với hai kenotron và hai tụ điện (h.
VII.13c) cho phép điện áp trong ống roentgen tăng gấp đôi.
(ii). Máy phát tia X dạng xung (Flash X-ray): anode hình côn rất nhỏ và cathode bằng
inox hình xuyến có các lỗ ở tâm. Các máy này dùng mạch xung có độ tự cảm rất thấp
với bộ phóng điện cùng biến áp đỉnh xung (h. VII.14).
Dưới tác động của xung cao áp được tạo nên bởi khoá điện tử 5 và bộ phóng điện 6,
bức xạ roentgen rất ngắn nhưng rất mạnh phóng ra khỏi ống phát 2 qua cửa sổ. Tụ
điện 4 phóng điện qua cuộn sơ cấp của máy biến áp đỉnh xung 7 tạo nên điện áp 100
– 200 kV trong cuộn thứ cấp qua ống phát.
Hình VII.14. Máy phát roentgen dạng xung: 5)- khóa điện tử; 6)- bộ phóng điện; 7)-
biến áp đỉnh xung
Các máy phát xung được sử dụng để kiểm tra nhanh các mối hàn đường ống, khi lắp
ráp... Tần số phóng xung từ 0,2 Hz – 15 Hz, thời gian phóng từ 1 – 3 μs và cường độ
dòng điện đạt được 100 – 200 A. Xung bức xạ phát ra lên đến 1 R ở cách 1 m.
(iii). Bảng điều khiển: Các thiết bị sử dụng điện áp cao, phải có bảng điều khiển để đo
và biến đổi điện áp và dòng điện chạy qua ống. Biến số thứ ba mà điều chỉnh được
đó là liều chiếu. Công suất phát ra từ một thiết bị tỉ lệ với cường độ dòng điện chạy
qua ống và thời gian chiếu (mA.sec). Trong một số máy sử dụng dải điện áp lên đến
MV như các máy linac, buồng đo bức xạ được đặt ngay đầu máy sát với bia sẽ đo
được cả liều tích lũy và suất liều tức thời rồi chuyển đổi thành những liều hấp thụ
trên bề mặt film.
Trong hầu hết các loại máy phát bức xạ tia X cũ có các núm điều chỉnh cao áp (kV),
cường độ dòng điện (mA) và thời gian chiếu. Trên bảng điều khiển có thể thao tác
bằng tay để lựa chọn các thông số. Tuy nhiên, các máy phát bức xạ tia X hiện nay thì
những núm điều chỉnh này được điều khiển qua một bộ vi xử lý.
II.1.2. Thiết bị phát bức xạ tia X hiện đại
Các loại máy phát bức xạ tia X hiện nay có nhiều cải tiến nhờ ứng dụng các công
nghệ mới, chúng có đặc điểm:
Bức xạ phát ra mạnh với kích thước tiêu điểm nhỏ.
Phát ra bức xạ có năng lượng rất thấp và rất cao cũng như điều chỉnh được năng
lượng.
Thiết bị gọn nhẹ.
Có khả năng định hướng và bao quát một phạm vi rộng.
Thiết bị vận hành được dễ dàng và an toàn.
Thiết bị phát bức xạ tia X được nhiều hãng khác nhau sản xuất và có thể được phân
loại như sau:
(i). Máy phát bức xạ tia X định hướng
Toàn bộ các máy xách tay và có dải điện áp nằm từ 100 kV đến 400 kV. Cao áp có
thể điều chỉnh được vô cấp hoặc phân cấp. Góc phát của chùm tia thường là 40o. Kích
thước hiệu dụng của tiêu điểm phát bức xạ từ 0,5 x 0,5 đến 4 x 4 (mm2). Dòng điện
chạy qua ống từ 5 đến 20 mA phụ thuộc vào kích thước của tiêu điểm. Thông thường,
độ ổn định của cao áp và cường độ dòng điện tương ứng với 1% và 0,5%.
Các ống phát tia X có hai tiêu điểm cũng đã được sản xuất. Loại này dùng tiêu điểm
nhỏ khi cường độ dòng điện qua ống thấp và tiêu điểm lớn được sử dụng khi cường
độ dòng điện cao. Các máy này được điều khiển bằng một thẻ chương trình.
(ii). Máy phát bức xạ tia X toàn phương :
Các ống phát bức xạ tia X toàn phương sử dụng cao áp đến 300 kV thường có góc
phát chùm tia là 360o x 30o. Tiêu điểm phát bức xạ có dạng ellipse với kích thước
hiệu dụng có thể là 4 x 1 hoặc 1,5 x 1,5 (mm2). Cường độ dòng điện chạy qua ống đến
15 mA. Những máy này đặc biệt hữu dụng khi chụp ảnh kiểm tra mối hàn chu vi
trong các ống có đường kính lớn. Khi cần có thể tạo ra chùm tia được định hướng
bằng cách sử dụng các vòng chắn thường đi kèm với những ống phát bức xạ tia X
này.
Hiện nay còn có các loại ống phát toàn phương sử dụng anode thanh. Nó có thể tạo
ra các góc định hướng chùm tia là 90o, 120o, 180o và 360o (được định hướng vuông
góc với anode) bằng cách sử dụng một màn chắn gắn chặt với các ống phát bức xạ tia
X như vậy. Tiêu điểm phát chùm bức xạ có đường kính là 5 mm, cường độ dòng điện
chạy qua ống là 6 mA.
(iii). Máy phát bức xạ tia X có tiêu điểm phát bức xạ cực nhỏ
Độ nhòe hình học tăng lên khi chụp ảnh mà khoảng cách từ nguồn đến film và
khoảng cách từ vật đến film không thể điều chỉnh được. Điều này có thể khắc phục
được bằng cách sử dụng các ống phát có tiêu điểm rất nhỏ. Hãng Magnaflux đã sản
xuất ra loại máy này. Ống phát bức xạ tia X làm bằng ceramic nhẹ và nhỏ cho phép
tiêu điểm có kích thước từ 0,05 mm – 0,5 mm. Chùm electron được hội tụ trên bia
wolfram nhờ sự trợ giúp của điện cực làm hội tụ. Kích thước tiêu điểm có thể thay
đổi được bằng cách thay đổi điện áp trên điện cực làm hội tụ. Máy phát bức xạ tia X
100 kV mới này có thể hoạt động với cường độ dòng điện cực đại là 1 mA. Ống chính
có thể dễ dàng di chuyển qua khe hở đường kính 100 mm. Thiết bị này được sử dụng
để kiểm tra các mối hàn bằng chùm tia electron trong thân máy của các động cơ phản
lực TFE31.
II.1.3. Các máy gia tốc điện tử
Các máy gia tốc điện tử được sử dụng để tạo ra nguồn bức xạ hãm với phổ liên tục
trong dải năng lượng 1 – 100 MeV khi kiểm tra sản phẩm hàn có chiều dày lớn. Các
máy gia tốc tuyến tính làm tăng tốc các electron, đảm bảo cho chuyển động theo quỹ
đạo thẳng. Các máy gia tốc vòng làm tăng tốc các electron, đảm bảo cho chuyển động
theo quỹ đạo tròn.
(i). Máy gia tốc tuyến tính (h.VII.15): cấu tạo có dạng buồng gia tốc chân không hình
trụ 1 với nam châm điện điều tiêu 2 được đặt trên bề mặt hình trụ cạnh ống dẫn sóng
4. Bộ phát cao tần 3 tạo sóng điện từ chạy có điện trường hướng theo trục của ống
dẫn sóng. Ống 5 phóng ra các electron rồi được tăng tốc bằng điện trường của sóng
chạy. Trên quãng đường liên tục cứ khoảng 300 mm lại tạo thành năng lượng chừng 1
MeV. Sau đó các electron đập vào bia 6 phát ra bức xạ hãm với suất liều 2 – 240
R/sec cách bia 1 m, năng lượng đạt 3 – 10 MeV.
Hình VII.15. Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc tuyến tính
Tiêu điểm phát bức xạ có kích thước 2,5 x 2,5 (mm2) và có thể chụp ảnh được mẫu
thép có chiều dày 100 mm trong một phút. Các góc phát chùm tia 15o, 30o, 45o và
360o.Cường độ dòng điện tạo ra chùm electron từ 0,01 - 0,25 mA. Máy gia tốc tuyến
tính mới (Linatron 2000) có thể chọn được năng lượng bức xạ là 5,5 MeV; 8 MeV
hoặc 10 MeV từ núm điều chỉnh ở trên bảng điều khiển.
(ii). Betatron (h.VII.16): gồm buồng gia tốc chân không hình xuyến 1, đặt giữa các
cực của nam châm điện 2. Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây của nam châm
điện xuất hiện từ thông biến thiên rất nhanh. Ống điện tử 5 phóng electron vào buồng
hình xuyến. Ở đó các electron được tăng tốc trong điện trường xoáy do sự biến thiên
của từ trường tạo ra.
Hình VII.16. Cấu tạo betatron Hình VII.17. Phổ betatron khi năng lượng 10 MeV
Từ trường có hai chức năng là tăng tốc và định hướng các electron chuyển động theo
một quỹ đạo tròn. Cứ mỗi vòng với chiều dài quỹ đạo tròn 1 m thì năng lượng
electron lại tăng 15 – 20 eV. Sau khoảng vài triệu vòng quỹ đạo, electron đạt được
năng lượng cỡ 100 MeV. Cuối chu trình tăng tốc, quỹ đạo bay của các electron thay
đổi làm chúng bay ra khỏi quỹ đạo đập vào bia 6 phát ra bức xạ hãm với suất liều
0,005 – 4,2 R/sec cách bia 1 m, năng lượng đạt 2 – 35 MeV.
Phân tích sự phân bố phổ năng lượng của các máy gia tốc và betatron (h. VII.17 ) nói
riêng, chỉ ra rằng cường độ bức xạ tỉ lệ nghịch với năng lượng bức xạ và giảm mạnh
đến không ở vùng năng lượng cực đại. Dạng của phổ này không phụ thuộc vào năng
lượng ban đầu của electron, cũng như bản chất của bia. Ngoài ra cường độ bức xạ
giảm mạnh từ tâm đến biên của chùm tia bức xạ có trục đối xứng. Từ tâm ra biên của
vùng chiếu cường độ giảm một nửa: với năng lượng 15 MeV, phạm vi góc 0o – 6,4o;
với năng lượng 50 MeV, 0o – 1,9o. Vì mật độ tập trung cao nên việc điều chỉnh vùng
chiếu và làm đều cường độ bức xạ bằng
các chuẩn trực và filter
(iii). Microtron (h.VII.18): cấu tạo có dạng buồng gia tốc chân không hình trụ 1 với
nam châm điện điều tiêu 2. Bộ phát cao tần 3 phóng các electron theo ống dẫn sóng 4
hướng vào tâm vùng tăng tốc của bộ cộng hưởng sóng cực ngắn 7. Các electron vào
buồng 1 dưới tác động của từ trường bắt đầu chuyển động theo quỹ đạo tròn. Từ
trường, tần số sóng cực ngắn (sóng vi ba) và năng lượng khuếch đại trên quỹ đạo
phải có mối quan hệ với nhau sao cho các electron quay lại đến bộ cộng hưởng theo
pha để nhận được một quá trình tăng tốc khác. Sau mỗi lần tăng tốc bán kính chuyển
động của electron tăng lên. Đến cuối chu trình tăng tốc electron đập vào bia 6 phát ra
bức xạ hãm với suất liều khoảng 33 R/sec cách bia 1 m, năng lượng đạt 5 – 30 MeV.
Hình VII.18. Cấu tạo microtron Hình VII.19. Phổ bức xạ hãm của nguồn β
II.1.4. Các nguồn đồng vị bức xạ hãm
Việc dùng bức xạ β thẳng trong kiểm tra là không hiệu quả do khả năng đâm xuyên
thấp và hạt β bị tán xạ nhiều trong vật kiểm. Tuy nhiên dùng các nguồn β từ Sr-90,
Tl-204, Pm-147 để chiếu bức xạ hãm lại cho kết quả tích cực. Đối với trường hợp
này thì vật liệu làm bia là Be, graphite, Al, Mg... Ví dụ nguồn (Sr-90 + Be) có chu kỳ
bán rã là 27,7 năm, phổ liên tục với Emax= 2,18 MeV (h.VII.19). Nếu thay đổi bia có
thể nhận được các mức năng lượng cực đại khác nhau từ một nguồn.
II.1.5. Lựa chọn thiết bị phát bức xạ hãm.
Đặc điểm kỹ thuật của một số máy phát bức xạ hãm được trình bày ở Bảng VII.3.
Bảng VII.3. Các thiết bị bức xạ hãm
Tên thiết bị KV
Max.
Khối
lượng
đầu
(kg)
Cường độ
dòng điện
(mA)
Tiêu điểm phát
bức xạ (mm2)
Suất liều
phát
(R/min) tại
1m
Chiều dày kiểm
tra cực đại
(mm)
Fe Al
HT Cable 50 6 30 1,5 x 1,5 10 ----- 5
Tank type (Andrex) 100 47 8 1 x 1,5 20 5 40
Microtank (Philips) 100 45 5 3 x 1 32 4 35
PYП-120-5-1 120 45 5 2 x 2 10 7 45
PYП-200-20-5 200 750 20 Φ 10 80 40 140
Tank type (Baymex) 250 454 10 5 x 5 20 60 170
ИРА- 2Д (xung- 2 điện
cực)
350 15 200 (A) Φ 3 ---- 75 220
Laboratory (HT Cable) 400 350 10 4 x 4 50 100 250
G.E. Resonance
Transformer
1000 1364 3 7 x 7 50 120 500
Van de - Graaf 3000 3600 0,35 2,5 x 2,5 350 300 -----
Linatron 400 4000 900 ----- 2 500 300 -----
Linatron 6000 15000 3900 ----- 3 6000 460 -----
Betatron Б5-M-25 25000 6500 ----- 0,2 x 0,2 60 700 -----
Microtron 30000 2000 ----- ----- 2000 1000 -----
Vì năng lượng hoặc khả năng đâm xuyên phụ thuộc vào điện áp, do đó điện áp chỉ ra
năng suất của thiết bị.
Cường độ bức xạ hoặc cường độ dòng điện (mA) sẽ xác định được khoảng thời gian
chụp để kiểm tra. Kích thước tiêu điểm phát bức xạ sẽ quyết định khả năng phát hiện
các khuyết tật nhỏ của máy. Chu kỳ làm việc và dạng làm nguội sẽ xác định được
tuổi thọ và hiệu suất làm việc của máy. Trọng lượng, kích thước của máy và hình
dạng của chùm tia phát ra là các yếu tố quan trọng khác cần được xem xét thêm. Độ
mở của chùm tia xác định được diện tích trên vật kiểm trong một lần chiếu chụp. Giá
thành của thiết bị có thể là điều quan tâm cuối cùng trong quá trình lựa chọn thiết bị.
II.2. Các nguồn phát bức xạ gamma.
II.2.1. Đồng vị phóng xạ
Các nguồn đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên lớn.
Chúng có lợi khi chụp ảnh bức xạ kiểm tra các vật chiều dày lớn và mật độ cao vượt
khỏi dải mà các máy phát tia X thường thực hiện. Các nguồn phát bức xạ gamma ít
khi được sử dụng để kiểm tra các loại hợp kim nhẹ và thường bị giới hạn về độ nhạy.
Trước kia người ta sử dụng radium là loại nguồn phóng xạ tự nhiên để chụp ảnh bức
xạ gamma. Ngày nay nó đã được thay thế hoàn toàn bởi các đồng vị phóng xạ nhân
tạo rẻ hơn nhiều. Một số đồng vị phóng xạ
được tạo ra bằng cách dùng neutron ở trong
lò phản ứng hạt nhân kích hoạt vào nó. Hầu
hết các nguồn phóng xạ gamma được tạo ra
theo phản ứng (n,g). Phản ứng (n,g) này chủ
yếu là phản ứng neutron nhiệt. Hạt nhân của
nguyên tố bị kích hoạt sẽ bắt neutron và chất
được tạo ra là một đồng vị phóng xạ của
nguyên tố ban đầu. Ví dụ :
Hình VII.20. Phổ bức xạ Tm-170
Phổ bức xạ của nguồn Tm-170 được chỉ ra trên (h.VII.20) với đỉnh 0,053 và 0,084
MeV. Đặc trưng của các nguồn đồng vị khác cho trong bảng VII.4.
Bảng VII.4. Đặc trưng của các nguồn đồng vị phóng xạ nhân tạo
Đồng vị phóng xạ Co-60 Ir-192 Cs-137 Tm-170 Yb-169
Chu kỳ bán rã 5,3 năm 74 ngày 30 năm 129 ngày 30 ngày
Dạng hóa học Kim loại Kim loại Cs - Ce Kim loại YbO3
hoặc
Tm2O3
Mật độ (g/cm3) 8,9 22,4 3,5 4 ----
Năng lượng bức xạ γ
phát ra (MeV)
1,17
1,33
0,31
0,47
0,64
0,66
0,87
0,052
0,17 – 0.2
Tiết diện kích hoạt
(barn)
36 370 ----- 130 5500
Hoạt độ riêng cơ bản
(Ci/g)
1100 10000 25 6300 Phụ thuộc vào
quá trình làm
giàu đồng vị Yb -
168
Hoạt độ riêng thực tế
(Ci/g)
300 450 25 1500 2,5 – 3,5 Ci trong
kích thước 1 ´ 1
mm2
RHM/Ci 1,33 0,55 0,37 0,0025 0,125
Chiều dày kiểm tra tối
ưu thép (mm)
50 – 150 10 – 70 40 – 100 2,5 – 10 3 – 12
Hoạt độ nguồn chụp
ảnh thực tế (Ci)
100 50 75 50 2,5 – 3,5
Đường kính nguồn
(mm)
3 3 6 3 1
Khối lượng che chắn
(kg)
100 20 50 1 -----
II.2.2. Đầu bọc nguồn
Các nguồn g phát bức xạ liên tục theo
mọi phương nên không an toàn khi sử
dụng. Vì vậy, nguồn bức xạ g cần được đặt trong các vỏ bọc kín. (HVII.21) biểu diễn
một nguồn điển hình.
HìnhVII.21. Cấu tạo bên trong nguồn chụp ảnh điển hình
Nguồn có dạng hình trụ đường kính từ 0,5 – 20 mm, chiều dài từ 0,5 – 8 mm. Đôi
khi các nguồn có dạng hình cầu đường kính từ 6 – 20 mm. Các nguồn được cung cấp
có thể kèm theo thẻ (nhãn) hoặc không có.
II.2.3. Các đầu chiếu
Dù đã được bảo vệ trong vỏ bọc nhưng các nguồn g vẫn không thật an toàn khi
chụp. Các nguồn g còn được đặt trong container hay hòm chứa, bằng các vật liệu có
khả năng hấp thụ bức xạ tốt như chì, wolfram, uranium nghèo. Các container được
thiết kế đặc biệt gọi là các đầu chiếu. Dưới đây trình bày sơ lược một vài đầu chiếu
hoặc máy chiếu bức xạ gamma được sử dụng phổ biến:
(i).Thiết bị dạng nắp đóng mở:
(H.VII.22) mô tả một trong những đầu chiếu đơn giản nhất phù hợp cho việc chiếu
chụp định hướng. Các thiết bị dạng này có
hoạt độ tới 2 Ci cho nguồn Co-60 và 100 Ci
cho nguồn Ir-192. Nắp hình côn đóng /mở
khỏi thân chính khi cần chiếu chụp. Ở vị trí
mở, nắp được giữ cố định để không chắn
chùm bức xạ. Thiết bị này cũng có thể dùng
cho việc chiếu chụp toàn phương bằng cách
đẩy nguồn ra khỏi container nhờ thanh dẫn
hướng có chia độ.
Hình VII.22. Thiết bị dạng nắp đóng mở
(ii). Thiết bị dạng chữ D
(H. VII.23) mô tả máy chiếu gamma dạng chữ D thích hợp cho việc chụp ảnh kiểm
tra ống (hai thành một ảnh). Các thiết bị này có hoạt độ lên đến 7,5 Ci (Ir-192) hoặc 1
Ci (Cs-137). Thiết bị được kẹp chặt vào ống bằng xích và cũng có thể được quay đến
vị trí cần thiết. Khi cần phát chùm bức xạ thì khối trụ bọc nguồn được quay quanh
trục của nó đẩy nguồn đến cửa sổ nằm ngoài container che chắn. Khi không sử dụng
thì nguồn trở về tâm của container che chắn.
(iii). Thiết bị có dạng ngọn đuốc
Loại thiết bị này đầu tiên được dùng để kiểm tra các mối hàn đường ống, nhưng với
đồ gá thích hợp có thể sử dụng cho các việc kiểm tra khác. Đối với quá trình chụp
ảnh bức xạ trong ống, thiết bị được lấy ra từ container và đặt vào một hộp che chắn
gắn liền ống. Hộp che chắn có dạng dạng ngọn đuốc bảo vệ nhân viên kiểm tra trong
quá trình chiếu chụp. Dạng thiết bị này được minh họa trong (h.VII.24)
Hình VII.23. Container dạng màn trập quay. HìnhVII.24. Container dạng đuốc
(iv). Thiết bị điều khiển từ xa
Thiết bị này có thể điều khiển được hoạt động từ một khoảng cách xa, vì thế chúng
thích hợp cho các loại nguồn có hoạt độ lớn. Nguồn phóng xạ được đưa ra ngoài
container đến vị trí chụp theo ống dẫn và được đưa trở lại khi quá trình chiếu chụp
hoàn thành. Có nhiều loại thiết bị chứa các nguồn Ir-192 và Co-60 rất mạnh có hoạt
độ lên đến 500 Ci.
Hình VII.25. Nguyên lý máy chụp điều khiển từ xa
Có hai loại thiết bị chụp ảnh điều khiển từ xa phổ biến (h.VII.25) là loại cáp có khớp
nối đẩy nguồn bằng tay quay và loại điều khiển đưa nguồn ra/vào bằng khí nén.
Bảng VII.5 giới thiệu tóm tắt các đầu chiếu bức xạ gamma thông dụng được thiết kế
theo một số đặc trưng quan trọng.
Bảng VII.5 Các thiết bị chiếu bức xạ gamma thông dụng
Tên thiết bị Đồng vị Hoạt độ
(Ci)
Vật liệu che
chắn
Khối
luợng
(kg)
Mức bức xạ rò rỉ
Tech/Ops Iriditron
Model – 520 (Sperry)
Ir-192 100 Uranium
nghèo
18,18 50 mR
Gammat Model TI Ir-192 40 Uranium kim
loại
12 200 mR/h tại bề mặt
Gammarid-20
ГИД-И-1
Ir-192 50 Uranium kim
loại
12 200 mR/h tại bề mặt
Gamma indust
Model – 35
Ir-192 35 Uranium
nghèo
11,36 50 mR/h cách bề mặt
6” (150 mm)
Pipeliner Model- 1 Ir-192 100 Uranium
nghèo
14,5 50 mR/h cách bề mặt
6” (150 mm)
Tech/Ops Model 680
(Sperry)
Co-60 100 Uranium
nghèo
184 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt
RID-41 ГИД-K-6 Co-60 300 Uranium
nghèo
300 Dưới mức cho phép
của IAEA & USNRC
Unitron Gammat
Model – 110 AB
Co-60 /
Ir-192
10 /
300
Chì 272,72 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt
Unitron Gammat
Model - 151
Co-60 200 Chì 1363,63 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt
Gammat Model TK 10 Co-60 10 Uranium
nghèo
95 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt.
Gammat Model TK 100 Co-60 100 Uranium
nghèo
140 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt
Gamma Indust
Gammatron Model 20A
Co-60 20 Uranium
nghèo được
bọc trong
Polyurethane
136,36 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt
Gamma Indust
Gammatron Model
100A
Co-60 100 Uranium
nghèo được
bọc trong
Polyurethane
204,54 Thấp hơn 200 mR/h
tại bề mặt
Gammarid-23
TY-1
Tm-170 20 Chì 12 Dưới mức cho phép
của IAEA & USNRC
Gammarid-25
ГИД-Ц-1
Cs-137 30 Chì 12 Dưới mức cho phép
của IAEA & USNRC
II.2.4. Lựa chọn nguồn phát bức xạ Gamma
Để đánh giá khả năng sử dụng của các nguồn phát bức xạ gamma khác nhau, cần
phải cân nhắc một số tính chất. Những chỉ dẫn tóm tắt được trình bày dưới đây :
(i) Chu kỳ bán rã
Nguồn phải có chu kỳ bán rã đủ dài để có thể thực hiện hoàn tất công việc, nhưng
nếu dài quá thì lãng phí và nguy hiểm. Tuy nhiên, nếu lựa chọn một nguồn có thời
gian sống ngắn thì cần phải xem xét những tính chất cần thiết khác như hoạt độ khi
xuất xưởng phải cao.
(ii). Năng lượng bức xạ gamma
Năng lượng bức xạ γ phát ra từ nguồn phải đủ lớn để xuyên qua được chiều dày vật
kiểm. Thực tế thường giới hạn chiều dày trong một khoảng để giảm khả năng ảnh
chụp không đảm bảo.
Năng lượng bức xạ γ phát ra từ một nguồn không thể thay đổi được, để có các năng
lượng khác nhau thì chỉ có cách sử dụng các nguồn phóng xạ gamma khác nhau.
(iii). Kích thước nguồn
Kích thước nguồn cần phải nhỏ để tăng độ nét của ảnh chụp bức xạ trên film.
Nhưng nếu nguồn nhỏ quá thì hoạt độ không đủ chụp.
(iv). Hoạt độ riêng cao
Để giữ thời gian chụp ngắn thì cần phải có một lượng bức xạ phát ra thích hợp
(nghĩa là hoạt độ cao). Để có ảnh tốt thì nguồn phải có hoạt độ cao và được ép thành
một khối.
(v). Tính thích hợp
Nguồn phải sẵn trên thị trường, chế tạo được dễ dàng và tương thích với các đầu
chiếu, giá rẻ, an toàn.
II.3. Các nguồn neutron
Nói chung dùng neutron nhiệt (năng lượng từ 0,01 – 0,3 eV) để chụp ảnh là phù
hợp nhất vì:
Hệ số suy giảm khá lớn, hệ số này cũng thay đổi theo vật liệu
Có khả năng tạo dòng lớn nhất là trong lò phản ứng
Khả năng chuyển đổi hiệu quả.
Neutron lạnh thích hợp khi kiểm tra tấm thép dày. Neutron trung gian (0,3 – 10 4 eV)
có khả năng đâm xuyên lớn hơn vì nó làm giảm tán xạ đối với các mẫu có mật độ
lớn, nhiên liệu được làm giàu hoặc chứa hydro. Còn neutron nhanh (10 keV – 20
MeV), mặc dù khó phân biệt vật liệu và chuyển đổi, nhưng dùng năng lượng cộng
hưởng có thể xác định được vật liệu.
II.3.1. Nguồn đồng vị neutron
Các nguồn neutron (bảng VII.6) nhanh được dùng để phát hiện khuyết tật vì từ đó có
thể tạo ra dòng neutron nhiệt thích hợp cho kiểm tra. Để được như vậy người ta cho
neutron nhanh qua bộ phận làm chậm được chế tạo từ các nguyên tố nhẹ. Nguồn
đồng vị có ưu điểm là giá đầu tư cũng như chi phí khi làm việc khá rẻ và có thể thao
tác liên tục mà ít trục trặc.
Nguồn (Sb-124+Be) có nền bức xạ gamma cao (1000 R/h cách nguồn 1000 Ci là 1
m), do đó bộ phận ghi nhận không phải là film bình thường. Tuy nhiên nó cho ra các
neutron năng lượng thấp, điều này đảm bảo ưu việt khi nhận neutron nhiệt trong bộ
phận làm chậm. Nguồn này ít được sử dụng vì chu kỳ bán rã ngắn và phải dùng tấm
Be dày tối thiểu 200 mm, đắt tiền.
Khi chụp neutron thì nguồn (Po-210+Be) và nguồn chuyển pluton Cf-252 tự phân
hạch là thích hợp nhất do phát ra neutron mạnh, có hoạt độ riêng cao nên kích thước
nguồn nhỏ giảm độ nhòe. Một giá trị nổi bật của nguồn Cf-252 là với kích thước nhỏ
kết hợp với U-235 dưới mức tới hạn làm tăng hiệu suất phát neutron đến 30 lần! Tuy
giá còn đắt nhưng Cf-252 đang thu hút sự chú ý của nhiều người nhằm tạo ra nguồn
tối ưu cho chụp ảnh công nghiệp.
Nguồn (Am-241+Cm-242+Be) thu được bằng cách chiếu bức xạ Am-241 trong lò
phản ứng phát ra chùm neutron với nền bức xạ gamma rất thấp. Khi làm chậm cường
độ giảm đi rất nhiều (200 lần) nên nguồn này mới chỉ được nghiên cứu trong phòng
thí nghiệm.
Khi cho các neutron nhanh qua bộ làm chậm, người ta nhận được neutron nhiệt có
cường độ giảm đi 1000 lần so với neutron nhanh từ nguồn. Khi sử dụng hệ thống ống
chuẩn trực có chiều dài gấp 10 lần chiều rộng thì sự suy giảm dòng neutron nhanh
thành dòng neutron nhiệt là một triệu lần. Như vậy nếu mật độ dòng neutron nhiệt
cần thiết là 104 n.cm-2.s-1 thì mật độ dòng neutron nhanh phài là 1010 n.cm-2.s-1
Bảng VII.6 Đặc tính cơ bản của các nguồn neutron nhanh (1 MeV=1,6.10-13 J)
Nguồn Chu kỳ
bán rã T1/2
Lượng neutron
trên 1g đồng vị
(s-1)
Năng lượng
trung bình
neutron (MeV)
Suất liều bức
xạ γ tại 1 m
(R/min)
Năng lượng
bức xạ γ
(MeV)
Cf-252
Po-210+Be
Sb-124+Be
2,63 năm
138 ngày
60 ngày
3.1012
1,28.1010
2,7.109
2,3
4,3
0,024
48.10-3
33.10-3
750
0,04
0,1
0,8
1,7
II.3.2. Lò phản ứng
Lò phản ứng là nguồn neutron nhiệt chủ yếu dùng để chụp ảnh phát hiện khuyết tật.
Các neutron nhiệt nhận được là do làm chậm sự chia tách các neutron được tạo thành
trong vùng hoạt động của lò. Năng lượng neutron chia tách từ vài keV đến 18 MeV.
Vì làm chậm trong graphite nên các neutron chia tách giảm tốc độ xuống đến tốc độ
chuyển động nhiệt của các nguyên tử làm chậm. Mật độ dòng neutron nhiệt trong lò
có thể đạt đến 109 n.cm-2.s-1. Khi đó kèm theo dòng neutron nhiệt là bức xạ γ mạnh,
xuất hiện khi phân tách hạt nhân kèm theo (h.VII.26).
Hình VII.26. Nguồn neutron với hệ dẫn
Để tiến hành chụp neutron trong vùng lò người ta đặt kênh chuẩn trực (kanal-
collimator). Collimator từ phía tiếp giáp với bộ phận làm chậm, có lắp thêm tấm chắn
để điều chỉnh kích thước chùm neutron cùng filter bằng chì để giảm ảnh hưởng của
bức xạ đến kết quả kiểm tra. Phía bên kia có cửa van để cho dòng neutron đi qua hay
ngăn lại và cũng có tấm chắn để điều chỉnh kích thước trường chiếu. Vật kiểm và
detector được đặt trực tiếp gần với tấm chắn này. Để đảm bảo an toàn cho người làm
việc, mọi thứ (collimator, vật kiểm, detector...) đều ở trong camera bảo vệ khi tiến
hành chụp. Điều quan trọng của loại nguồn này là có thể chế tạo ra lò phản ứng với
công suất nhỏ (100 kW) dùng riêng cho chụp ảnh neutron.
II.3.3. Máy phát neutron
Máy phát netron là các máy gia tốc có hạt mang điện bắn phá lên bia phát ra các
dòng neutron nhanh. Các hạt mang điện là hạt nhân deuterium, còn bia là nước nặng,
tritium, berillium, lithium. Tạo ra neutron bằng phản ứng D-T (Deuterium & Tritium)
là kinh tế nhất vì hiệu suất cao với điện áp tăng tốc không lớn (100 – 400 kV). Năng
lượng neutron nhanh từ 2,5 – 22 MeV, dòng đạt 108 – 1011 s-1. Máy gia tốc tuyến tính
và gia tốc vòng có thể là nguồn neutron với năng lượng đến 1 MeV khi dùng bia là
lithium hoặc tritium, còn các hạt tăng tốc là proton. Do tuổi thọ của bia ngắn (ít hơn
100 giờ) nên bia được đặt trong bể nước hoặc dầu và được tháo khỏi ống bằng các
collimator thích hợp.
II.4. Kiểm tra và bảo quản các thiết bị kiểm tra bức xạ
II.4.1. So sánh thiết bị và nguồn kiểm tra bức xạ
Kỹ thuật chụp ảnh bức xạ bằng tia X và γ về cơ bản giống nhau, nhưng việc áp dụng
thì tùy theo điều kiện cụ thể, đó là do bản chất của chúng khác nhau. So với chụp ảnh
bằng tia X thì chụp bằng các chất đồng vị có đặc điểm:
(i). Ưu điểm:
Giá thành của thiết bị và nguồn rẻ hơn nhiều so với giá một máy phát bức xạ tia
X có dải năng lượng tương đương.
Thiết bị dùng chất đồng vị dễ vận chuyển hơn so với thiết bị phát bức xạ tia X.
Nguồn đồng vị nhỏ nên có thể tiếp cận được vị trí khó, khe hở hẹp, đường kính
nhỏ.
Thiết bị chắc chắn, dễ thao tác và bảo quản.
Bức xạ có khả năng đâm xuyên cao, có thể ảnh chụp được các vật hàn dày.
(ii). Nhược điểm :
Điều đầu tiên và quan trọng nhất là bức xạ không thể tắt được nên kém an toàn.
Các ảnh chụp bằng bức xạ γ thường có chất lượng thấp hơn so với chụp bằng
bức xạ tia X.
Khả năng đâm xuyên chỉ phụ thuộc vào nguồn đồng vị phóng xạ được sử dụng
và không thể thay đổi hoặc điều chỉnh được.
Giá thành cao khi thay thế các nguồn phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn.
II.4.2. Kiểm tra và bảo quản
Các thiết bị chụp ảnh bức xạ đều có bản hướng dẫn, quy đinh chặt chẽ cho phép vận
hành không xảy ra sự cố trong khoảng thời gian dài. Tuy nhiên, hỏng hóc hoặc trục
trặc đều có thể xảy ra bất cứ lúc nào, nên các thiết bị phát bức xạ tia X và tia γ bắt
buộc phải được bảo dưỡng và kiểm tra thường xuyên.
Đối với các máy phát bức xạ tia X, nguyên nhân gây hỏng thường là: mất độ chân
không trong ống; thay đổi kích thước vị trí tiêu điểm; suy giảm hiệu suất phát bức xạ;
hư hỏng cáp hoặc đầu nối, núm điều khiển trong các bộ phận phát bức xạ cũng như
các hệ thống làm nguội... Khi những hỏng hóc xuất hiện thì hệ thống sẽ tự động tắt
ngay. Sự trục trặc xấu nhất thường được quan tâm là do thao tác thực hiện sai, quá
trình làm nguội không đủ hoặc sự già hóa. Trong những trường hợp quá tải hoặc
hỏng hệ thống làm nguội thì anode thường bị phá hủy trước tiên (tấm đặt trên anode
bị bong tróc ra, làm thủng anode), rất hiếm khi nhiệt độ làm chảy cuộn dây. Việc làm
cho ống trở nên quá tải có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng các sensor khống chế
điện áp, dòng điện và nhiệt độ quá cao. Không kiểm soát thường xuyên được các điều
kiện làm nguội (chẳng hạn như quá trình tạo bọt trong anode).
Khi khởi động ảnh hưởng lớn đến sự suy giảm tuổi thọ của máy. Sau một thời gian
không làm việc, các ống phát bức xạ tia X mới cần phải được chạy thử. Lý do là có
thể mức chân không bị suy giảm sau một thời gian nghỉ và độ suy giảm này chỉ được
cân bằng từ từ khi ống phát bức xạ được đưa vào hoạt động.
Việc kiểm tra thể tích của dầu hoặc nước làm nguội (trong vỏ bọc của ống phát bức
xạ tia X, trong bộ cao áp), độ rò rỉ các ống làm nguội hoặc kiểm tra áp suất khí trên
các ống cách ly cũng phải tiến hành thường xuyên. Nếu có sai hỏng ở phần cao áp tại
bảng điều khiển thì cần phải kiểm tra không chỉ núm điều khiển và dây cáp mà còn
cần kiểm tra các cầu chì.
Nếu có điện vào nhưng máy không bật được thì có thể do cáp nối vào ống hoặc do
một trong hai đầu cắm (hay xảy ra). Kiểm tra riêng cáp sẽ nhanh chóng giải quyết
được vấn đề này. Dây cáp dẫn cao áp không được uốn quá cong, nói chung nên có
một cáp dự phòng. Những hỏng hóc trong phần điều khiển thường là do thiết bị hay
bộ điều chỉnh và cần các chuyên gia tới kiểm tra.
Những thay đổi ở tiêu điểm hoặc hiệu suất phát bức xạ là khó phát hiện nhất. Việc
này có thể xảy ra một cách bất ngờ do cathode hoặc do sự hỏng hóc anode.
Hình dạng, kích thước và vị trí của tiêu điểm phát bức xạ có thể được kiểm tra
tương đối đơn giản bằng cách sử dụng một máy chiếu có lỗ nhỏ. Cũng có thể kiểm tra
đơn giản bằng cách sử dụng một liều kế với đầu dò riêng biệt (dạng ống đếm) được
đặt trên đường đi của chùm bức xạ sơ cấp. Năng lượng thay đổi theo thời gian và
dạng phổ ảnh hưởng đến chỉ số trên liều kế, lưu ý rằng những điều kiện đo được giữ
cố định trong suốt thời gian đo.
Phân bố năng lượng được kiểm nghiệm bằng cách chụp ảnh những mẫu dạng bậc
thang dưới những điều kiện được định trước rồi so sánh độ tương phản của bậc này
với bậc khác.
Điều cần chú ý nữa là khi sử dụng liên tục máy phát tia X làm việc bằng thủy lực,
thì giá đỡ có khuynh hướng bị tụt xuống từ từ. Điều này dẫn đến sự thay đổi độ nhòe
trong khoảng thời gian chiếu chụp dài. Đồ gá của máy phát và nguồn cần phải phù
hợp với điều kiện làm việc như trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài công trường.
Ngoài trang bìa là hình ảnh đồ gá XT-1 do KS. Nguyễn Đức Thắng thiết kế và chế
tạo.
Trong trường hợp các thiết bị nguồn phóng xạ gamma, quy trình kiểm tra và bảo
dưỡng được giới hạn chủ yếu vào các hệ thống điều khiển từ xa và các khoá… và
việc đảm bảo an toàn bức xạ (việc đảm bảo an toàn bức xạ cũng được đề cập khi thực
hiện chụp ảnh bức xạ kiểm tra bằng bức xạ tia X). Các dây cáp, ống dẫn nguồn, bề
mặt tiếp xúc… cần phải thường xuyên làm sạch và tra dầu mỡ vào nơi cần thiết (một
số thiết bị cấm cho dầu mỡ vào bộ phận tay quay). Hiện nay người ta dùng chất rắn
bôi trơn như graphite hoặc MoS2 để thay dầu mỡ vì dầu mỡ bị lão hoá dưới tác động
của bức xạ. Một nguyên nhân của sự trục trặc nữa là dây cáp hoặc ống dẫn nguồn bị
bẻ cong quá mức làm tắc đường di chuyển của nguồn.
II.5. Các thông số cơ bản khi kiểm tra
II.5.1. Phân loại các thông số
Các kết quả kiểm tra chất lượng hàn bằng chùm tia bức xạ ion hóa được xác định
theo một loạt thông số.
Suất liều chiếu ảnh hưởng đến năng suất, độ an toàn và cấu tạo phần bảo vệ.
Năng lượng bức xạ E quyết định khả năng đâm xuyên và độ nhạy phát hiện khuyết
tật trong vật kiểm.
Mật độ ρ và nguyên tử số Z của vật liệu kiểm tra, ảnh hưởng đến việc chọn suất liều
chiếu, đảm bảo nhận được năng suất cùng độ nhạy cần thiết.
Hệ số tích lũy bức xạ B đặc trưng cho tán xạ trong vật kiểm gây ra ảnh hưởng rõ rệt
khi phát hiện khuyết tật
Hiệu quả ghi nhận Q của detector xác định khả năng phản ứng lại tác động của bức
xạ trong dải năng lượng và suất liều đã cho.
Khả năng phân giải R của detector đặc trưng cho tính năng phân biệt được khuyết
tật và chỉ thị trong vật kiểm. Nó được thể hiện bằng số các vạch nhìn thấy phân bố
đều trên một đơn vị chiều dài vật kiểm.
Độ nhạy tuyệt đối Wa được xác định bằng kích thước (chiều dài hoặc thể tích) nhỏ
nhất của khuyết tật phát hiện được hoặc theo bộ chuẩn. Đơn vị là mm hoặc mm3 .
Độ nhạy tương đối Wr là tỉ số giữa kích thước (Δδ hoặc ΔV) nhỏ nhất của khuyết tật
phát hiện được với chiều dày δ hoặc thể tích V của vật kiểm (%). Có thể tính độ nhạy
tương đối theo bộ chuẩn.
Độ nhòe hình ảnh (hoặc là độ không nét) U là khả năng phân biệt nét và đường viền
các phần với khuyết tật trên film hay trên màn hình. Giá trị này được đặc trưng bằng
chiều rộng giao diện từ tối sang sáng và tính bằng mm.
Độ tương phản hình ảnh Ci của khuyết tật trên film hay trên màn hình là sự khác
nhau về mật độ quang học giữa hai vùng kế cận. Nó được đặc trưng bằng tỉ số giữa
hiệu số độ chói sáng Ld - chỗ khuyết tật và Lv – chỗ không có khuyết tật với độ chói
sáng Ld được tính theo phần trăm:
Cg = (Ld – Lv)/ Lv *100%
II.5.2. Đặc điểm các thông số kiểm tra cơ bản
Thay đổi suất liều chiếu của các thiết bị tia X và máy gia tốc electron bằng cách điều
chỉnh dòng và điện áp cung cấp, như thế cũng làm thay đổi phổ năng lượng bức xạ.
Với nguồn đồng vị phóng xạ phổ năng lượng bức xạ được xác định theo tính chất
của từng đồng vị. Suất liều chiếu phụ thuộc vào hoạt độ tổng của đồng vị đặt trong
nguồn. Nâng cao suất liều chiếu chỉ có thể bằng cách tăng kích thước đồng vị phóng
xạ (nhân nguồn). Điều này tuy làm tăng năng suất kiểm tra nhưng hình ảnh bị nhòe
và khó phát hiện khuyết tật. Ngoài ra đối với nguồn năng lượng thấp (ví dụ Tm-170)
việc tăng kích thước nhân nguồn dẫn đến thay đổi phổ năng lượng do tự hấp thụ các
thành phần năng lượng thấp bởi vật liệu nhân nguồn.
Có thể tăng suất liều chiếu của nguồn bằng cách tăng hoạt độ riêng, mà được đặc
trưng bằng số lượng đồng vị trong một đơn vị thể tích (khối lượng) nguồn. Hoạt độ
riêng của đồng vị phụ thuộc vào mật độ dòng neutron, mà trong đó nguồn chịu sự
hoạt hóa; phụ thuộc vào tiết diện ngang vĩ mô của tương tác neutron với đồng vị và
phụ thuộc vào sự tự hấp thụ bức xạ do vật liệu nhân nguồn. Chính thế nên hoạt độ
riêng chỉ có giá trị giới hạn. Về cơ bản nó được xác định bởi mật độ dòng neutron của
lò phản ứng đạt được 1011 – 1015 n.cm-2.s-1 và thời gian hoạt hóa mà khi đó đồng vị bị
các neutron trong kênh của lò phản ứng chiếu vào.
Chu kỳ bán rã là thông số bổ sung của nguồn cần được tính đến khi dùng. Thông số
này xác định thời gian thay nguồn cũng như chi phí mua và chôn lấp...
Hệ số suy giảm bức xạ tuyến tính μ tỉ lệ nghịch với khả năng đâm xuyên của bức xạ
và tỉ lệ với khả năng phát hiện khuyết tật. Cho nên để phát hiện các khuyết tật kích
thước nhỏ phải sử dụng bức xạ tia X và γ năng lượng thấp hay bức xạ hãm năng
lượng cao của máy gia tốc với giá trị μ lớn. Trong trường hợp này khi có khuyết tật
nhỏ dẫn đến sự thay đổi đáng kể cường độ bức xạ.
Để đảm bảo năng suất chụp cao cần dùng bức xạ năng lượng cao hoặc dùng máy gia
tốc bức xạ hãm năng lượng thấp với giá trị μ nhỏ và quãng chạy tự do của photon
trong vật chất lớn. Các bức xạ này có khả năng đâm xuyên lớn và bị hấp thụ ít hơn
nhiều so với bức xạ có giá trị μ lớn nên cường độ bức xạ ghi nhận được ít thay đổi.
Do hiệu ứng quang điện và tán xạ compton, các electron và photon thứ cấp bị lệch
khỏi hướng của chùm bức xạ sơ cấp khá nhiều dẫn đến phát hiện khuyết tật khó hơn.
Trong các máy gia tốc hình thành quá trình tạo cặp electron-positron góc lệch được
giảm đáng kể. Các tán xạ này tạo thành các ảnh ẩn làm độ nhạy giảm đi rất ít.
Độ nhòe hình ảnh U trên màn hình hoặc trên film được xác định bởi tác động của các
yếu tố sau:
Độ nhòe hình học Ug xuất hiện do nhân nguồn không phải là một điểm
Độ nhòe cố hữu Ui của vật liệu ghi nhận, được xác định bởi tán xạ ion hóa lên
film và phụ thuộc vào năng lượng của nó.
Độ nhòe tán xạ Us gây ra do tán xạ không chỉ trong vật liệu ghi nhận mà còn cả
tán xạ trong vật kiểm.
Độ nhòe dịch chuyển Um gây ra do sự dịch chuyển tương đối giữa nguồn, vật
kiểm, film trong khi chụp.
Độ nhòe hình ảnh tổng cộng là U=
Độ tương phản Ci của khuyết tật trên film hoặc màn hình được xác định bằng hai
yếu tố:
Độ tương phản vật kiểm là tỉ số giữa cường độ bức xạ truyền qua tại hai vùng nào
đó của vật. Nó tỉ lệ với sự chênh lệch mật độ ρ và nguyên tử số Z của vật liệu, cũng
như thay đổi chiều dày. Nó tỉ lệ nghịch với năng lượng bức xạ.
Độ tương phản detector (film hoặc màn hình) được đặc trưng bằng sự thay đổi độ
đen của film hay sự chói sáng của màn hình khi liều chiếu khác nhau tác động lên
đó. Detector mà có độ tương phản cao hơn thì khi chụp cùng liều sẽ có độ tương
phản đen/trắng lớn hơn. Loại detector có tổ chức hạt mịn thì độ tương phản cũng
tốt. Ngoài ra quá trình xử lý film hoặc chỉnh màn hình sẽ làm thay đổi độ tương
phản.
Cuối cùng độ nhạy W của kiểm tra bằng bức xạ là tổng hợp tất cả tác động của các
thông số trên.
III. KIỂM TRA BẰNG CHỤP ẢNH BỨC XẠ
III.1. Phân loại
Trong thực tế chụp ảnh công nghiệp, tùy theo loại ghi nhận mà người ta chia làm hai
nhóm cơ bản: chiếu trực tiếp và dời hình ảnh.
III.1.1. Phương pháp chiếu trực tiếp
Đây là phương pháp cơ bản và phổ biến nhất trong chụp ảnh mà thực tế sử dụng tất
cả các loại nguồn bức xạ ion hóa. Nguồn phát bức xạ qua vật kiểm đến film. Khi bức
xạ đến tương tác với lớp nhũ tương trong film sẽ tạo thành ảnh ẩn, ảnh ẩn chỉ được
nhìn thấy sau quá trình xử lý (tráng film). Để rút ngắn thời gian chiếu chụp người ta
kẹp film vào các màn tăng cường bằng chì, muối và huỳnh quang. Mặc dù đã có film
màu nhưng do độ nhạy phát hiện khuyết tật không hơn đáng kể lại thêm chi phí đắt
nên trong công nghiệp vẫn chỉ dung các loại film đen trắng.
III.1.2. Phương pháp dời hình ảnh
Phương pháp này được dùng để chụp ảnh neutron, lúc đầu ảnh ẩn nhận được ở màn
hoạt hóa trung gian bằng kim loại đặt sau vật kiểm. Sau đó ảnh ẩn này được chuyển
đến film rồi đặt film lên màn kim loại.
Một kiểu khác trong đó người ta dùng tấm bán dẫn thay thế vị trí film làm tác nhân
mang ảnh ẩn. Tấm này được phủ một lớp bột selenium và được nạp tĩnh điện trong
phòng tối. Đặt tấm sau vật kiểm và chiếu chùm bức xạ ion hóa vào, điện tích phân rã
tỉ lệ với lượng bức xạ và do đó tạo thành một ảnh ẩn. Để ghi nhận hình ảnh nhìn thấy
ngườì ta dùng giấy ảnh thường mà trên đó hình ảnh hiện lên nhờ chất màu khô.
Phương pháp này được gọi là Xeroradiography.
(i). Chụp ảnh neutron:
Phương pháp mới này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác:
Có thể kiểm tra được khuyết tật trong các vật liệu nặng hoặc nhẹ có nguyên tử
số Z cao hoặc thấp.
Có thể phân biệt được hai nguyên tố hoặc đồng vị cạnh nhau với các thuộc tính
tương đương.
Có khả năng phát hiện được khuyết tật trong các sản phẩm phóng xạ với nền
bức xạ gamma cao, bằng cách dùng phương pháp dời hình ảnh từ màn kim loại
kích hoạt trong dòng neutron và không nhạy cảm với bức xạ γ đến film.
Những ưu điểm này cho phép phát hiện được khuyết tật trong liên kết hàn, các bình
chứa hydro, bo, lithium, cadmium....cũng như trong các vật liệu nặng làm bức xạ tia
X, tia γ suy giảm mạnh như chì, wolfram, uranium... Chụp neutron còn được dùng để
kiểm tra kết quả lắp ráp các cụm và kết cấu hàn bằng các kim loại nặng đựng trong
vỏ làm bằng vật liệu nhẹ như bom, bình chứa hóa chất. Nhờ chụp neutron người ta
kiểm tra được mức độ nhiên liệu cháy hoàn toàn trong các thành phần tỏa nhiệt
phóng xạ của lò phản ứng đang vận hành, kể cả độ kín của đầu bọc nhân nguồn bức
xạ đã nói ở trên...
Tuy dùng neutron nhiệt để chụp là tốt nhất, nhưng không có nguồn phát neutron
nhiệt. Do đó phải làm chậm neutron nhanh trong môi trường thích hợp. Lý thuyết
chứng tỏ rằng các nguyên tố có nguyên tử số Z nhỏ chứa hydro (H2O, D2O, dầu
paraffin), beryllium hoặc graphite được dùng làm môi trường làm chậm khá tốt.
Nguồn neutron nhanh thường được đặt tại tâm môi trường làm chậm. Từ nguồn dòng
neutron hướng đến đỉnh với khoảng cách gần. Những neutron này chuyển động theo
mọi hướng trong môi trường và phải được nhằm vào bộ phận làm chậm bằng
collimator. Cách đơn giản nhất để chuẩn trực là dùng các ống dài hơi loe bằng vật
liệu hấp thụ neutron cao như Cd hoặc B. Chỉ có các neutron chạy dọc tâm ống thì
thoát ra ngoài còn các neutron khác bị thành ống hấp thụ (h.VII.27)
Hình VII.27. Máy chụp neutron xách tay
Những cách sau được sử dụng để ghi nhận hình ảnh khi kiểm tra chụp ảnh bức xạ
bằng neutron:
Dùng một lá vàng để ghi nhận hình ảnh dưới dạng hoạt độ phóng xạ được tạo ra.
Hình ảnh này có thể được chuyển sang film bằng cách dùng kỹ thuật chụp ảnh bức
xạ tự động. Có thể thay thế vàng bằng một số vật liệu thích hợp khác.
Neutron truyền qua vật kiểm sẽ tương tác với một chất nhấp nháy. Những ánh sáng
nhấp nháy sẽ chiếu lên film đang được đặt tiếp xúc với bản nhấp nháy.
Ngày nay hầu như các trung tâm hạt nhân đều dùng phương pháp chụp ảnh bằng
chùm neutron được lấy từ lò phản ứng. Chụp neutron dần dần đã được chấp nhận như
là một phương pháp KTKPH mới. Chúng được dùng trong công nghệ hạt nhân, thiết
bị bắn pháo hoa giải trí, trong hàng không vũ trụ.... và tất nhiên là trong công nghệ
hàn (hàn Zr hoặc Ti). Có cả máy phát cố định và camera di động với nguồn Cf-252
dành cho các công việc cụ thể. Triển vọng của phương pháp này đang trở nên sáng
sủa, chỉ có hai vấn đề cần quan tâm là phát triển các nguồn thích hợp và thiết lập các
tiêu chuẩn kiểm tra.
(ii). Phương pháp xeroradiography
So với chụp ảnh dùng film phương pháp chụp ảnh bức xạ “khô” này rất nhanh, giảm
đáng kể chi phí khi giữ độ nhạy, nó gần giống với ảnh thật.
Tấm được phủ một lớp bột selenium hoạt động giống như một tụ điện và được làm
tăng nhạy hoặc nạp điện từ một thiết bị nạp điện thích hợp trong phòng tối (h.VII.
28). Để nạp điện tấm được kẹp trên bàn trượt di chuyển qua bộ phận nạp dưới điện áp
5 – 10 kV. Trong quá trình dịch chuyển giữa các dây dẫn và đệm nối đất xuất hiện sự
phóng điện quầng sáng tạo nên các ion. Các ion phân bố đều trên bề mặt lớp nhạy, tại
đó điện thế của tấm đạt đến 600 V. Thời gian phóng điện từ 10 – 15 s.
Tấm tích điện được đặt trong một cassette bảo vệ để ngăn chiếu xạ hoặc ánh sáng, bề
mặt tấm có phủ lớp bột selenium được đặt hướng về mẫu vật được chụp ảnh. Điện
tích có thể duy trì trong tấm hơn 24 giờ tuỳ thuộc vào các đặc tính của tấm. Khi chiếu
qua vật kiểm, bức xạ ion hóa sẽ gây ra sự mất điện tích, tỉ lệ với cường độ chiếu vào.
Sự mất điện tích này tạo ra quá trình hút “bột hiện” khác nhau hình thành ảnh ẩn trên
tấm. Nguồn bức xạ chủ yếu là máy phát tia X rất ít khi dùng nguồn đồng vị.
Để nhận được ảnh nhìn thấy, sau khi chụp không quá 1 giờ (lâu quá sẽ bị biến hình
và mờ) phải xử lý cho hiện ảnh. Hiện ảnh là làm lắng các hạt bột hiện màu khô hoặc
ướt lên lớp nhạy cảm, số hạt trên một đơn vị bề mặt tỉ lệ với mật độ điện tích còn lại.
Khi lắng xuống bột hiện được nạp điện do hiệu ứng điện ma sát. Chúng được giữ trên
bề mặt tấm bằng các lực tĩnh điện có giá trị tỉ lệ với điện tích của tấm và các hạt.
Hỗn hợp bột hiện gồm các phần tử phấn màu mịn từ 1 – 20 μm trộn cùng các hạt thô
200 – 300 μm đảm bảo nạp điện ma sát.
Hình VII.28. Bộ phận nạp điện
xeroradiography
Hình VII.29. Bộ phận hiện
xeroradiography
(Cả hai hình): 1)- tấm; 2)- bàn trượt; 3)- bộ nạp; 4)- camera; 5)- dây; 6)- khoang
chứa; 7)- đệm; 8)- cassette; 9)- hộp; 10)- điện cực; 11)- bột; 12)- bộ rung; 13)- giấy
ảnh; 14)- băng chuyển; 15)- làm sạch.
Bột hiện được rắc lên bề mặt tấm từ hộp kín dưới dạng đám mây khi tấm đi qua bộ
rung (h.VII.29). Các phần tử đi qua điện cực tròn được đặt giữa bộ rung và tấm. Dưới
điện áp 12 kV các hạt điện tích âm được tách ra và bám vào điện cực. Các hạt điện
tích dương ở trạng thái lơ lửng rồi bám vào tấm. Bột hiện được chuyển từ tấm sang
giấy ảnh bằng phương pháp tiếp xúc và được hãm bằng aceton hoặc dung dịch khác.
Sau khi làm sạch và nạp điện lại thì tấm tiếp tục được sử dụng. Tấm được giữ kín
trong cassette và sử dụng cẩn thận sẽ có tuổi thọ từ 600 - 800 lần chiếu. Những ảnh
tạo ra có hình dáng ba chiều rất tốt và cho độ nhạy cao với các vật liệu có hệ số hấp
thụ bức xạ thấp. Độ nhạy không kém so với chụp film hạt mịn, vật chỉ thị chất lượng
ảnh nhỏ hơn 2% với nhôm dày tới 50 mm.
Nhược điểm của phương pháp này là không chụp được vật có biên dạng phức tạp vì
không thể uốn được tấm; lớp selenium chóng hỏng làm hình ảnh đen hơn và độ nhạy
tương phản bị giảm.
III. 2. Các dạng ghi nhận ảnh
III.2.1. Film chụp ảnh bức xạ
Kỹ thuật chụp ảnh bức xạ là dùng các chùm tia bức xạ như tia X hoặc gamma chiếu
qua vật kiểm rồi ghi lại trên film. Sau khi chiếu qua, film sẽ được xử lý (in tráng) để
nhìn được dưới ánh sáng thường. Các yếu tố như nguồn bức xạ, loại film, màn tăng
cường, thời gian chiếu, quá trình xử lý... sẽ ảnh hưởng đến chất lượng film chụp.
(i). Cấu tạo
Film chụp ảnh bức xạ gồm có (h.VII.30) lớp nền được làm bằng polyester, dẻo dễ
uốn, trong suốt, nhẹ bền và trơ với các chất hoá học. Hai mặt của lớp nền này được
phủ lớp nhũ tương là các hạt tinh thể muối AgBr rất mịn thêm một lượng nhỏ iodide
bạc phân bố đều trong lớp gelatine và chất dính kết. Mỗi hạt tinh thể gồm 2 ¸100
phân tử AgBr. Lớp nhũ tương này phản ứng với bức xạ truyền qua vật kiểm làm thay
đổi thông số. Đây chính là lớp quan trọng nhất của film, tạo ảnh khi chụp. Ngoài ra
film có khả năng liên kết ghi nhận dòng bức xạ thấp sau thời gian chiếu khá lâu trong
dải năng lượng rộng. Lớp bảo vệ là lớp gelatine mỏng, được làm cứng để bảo vệ lớp
nhũ tương bên trong.
Hình VII.30. Cấu tạo film chụp bức xạ: 1 – Lớp nền (175¸200 μm) ; 2 – Lớp
nhũ tương (10¸15 mm) ; 3 – Lớp bảo vệ (1mm) ; 4 – Lớp dính kết
Khi chiếu tia bức xạ có năng lượng hν vào film trong các tinh thể AgBr xảy ra sự
thay đổi cấu trúc vật lý của hạt và hiện lên ảnh ẩn. Khi film được xử lý trong dung
dịch hoá học (thuốc hiện) thì xuất hiện một phản ứng giải phóng các hạt bạc kim loại
nhỏ li ti màu đen. Các hạt bạc này nằm lơ lửng trong lớp gelatine rồi lắng xuống. Sau
khi xử lý tráng rửa film ảnh ẩn trở nên hình ảnh thấy được.
(ii). Đặc trưng của film chụp ảnh bức xạ
Film được sản xuất do nhiều hãng khác nhau nhằm đáp ứng được những yêu cầu đa
dạng. Mỗi loại film phù hợp vơi những yêu cầu kỹ thuật nhất định và chúng được chỉ
định bởi các tình huống kiểm tra như: Mẫu vật kiểm tra; loại bức xạ được sử dụng;
năng lượng và cường độ của bức xạ; mức độ kiểm tra yêu cầu. Không một loại film
nào có khả năng đáp ứng được tất cả những yêu cầu đặt ra, do đó các hãng sản xuất ra
những loại film có đặc trưng khác nhau. Việc lựa chọn film là quá trình kết hợp giữa
kỹ thuật chụp ảnh bức xạ và đặc trưng của film để đạt được kết quả mong muốn.
Những tiêu chí khi chọn film là: tốc độ, độ tương phản, dải chiều dày thay đổi rộng
(lattitude) và độ hạt, bốn thông số này có quan hệ mật thiết với nhau. Film có kích
thước hạt lớn thì tốc độ cao hơn so với film hạt mịn hơn. Cũng như vậy, loại film có
độ tương phản cao thường có kích thước hạt mịn hơn và có tốc độ chậm hơn so với
film có độ tương phản thấp. Cần lưu ý, độ hạt có ảnh hưởng tới khả năng phân giải
chi tiết hình ảnh. Nếu độ tương phản như nhau, thì film hạt mịn sẽ có khả năng phân
giải cao hơn loại film hạt thô.
(iii). Độ đen
Film có mật độ quang học (độ đen) D được định nghĩa như là mức độ làm đen một
ảnh chụp bức xạ sau khi xử lý tráng rửa film. Ảnh chụp bức xạ càng đen thì ta nói
rằng độ đen của ảnh chụp bức xạ càng lớn.
Một cách định lượng thì độ đen D = lg(L0/Lt)
Trong đó : L0 - cường độ ánh sáng tới film.
Lt - cường độ ánh sáng truyền qua film.
Tỉ số L0/Lt được gọi là độ cản sáng, ngược lại: It/I0 được gọi là độ truyền ánh sáng
qua ảnh chụp bức xạ.
Độ đen được đo bằng các dụng cụ dựa trên nguyên lý quang học hoặc tế bào quang
điện với dải đo D= 0,1÷5
(iv). Đường cong đặc trưng
Nếu xây dựng mối quan hệ thực nghiệm giữa độ đen D phụ thuộc vào logarit liều
chiếu tương đối lgX, thì nhận được đường cong đặc trưng (đường cong độ nhạy hoặc
đường cong D&H) với điều kiện đã cho sau khi xử lý (h.VII.31).
Hình VII.31. Đường cong đặc trưng điển hình của một film tia X: a)- loại trực tiếp;
b) - màn tăng cường huỳnh quang.
Đường cong đặc trưng có các tính chất
Không bắt đầu từ giá trị D =0, nghĩa là khi không bị chiếu thì film sẵn có một
giá trị độ đen nào đó nếu xử lý tráng rửa. Giá trị này được gọi là độ mờ. Đó là do
nền film không hoàn toàn trong suốt cũng như độ mờ hóa học của nhũ tương trên
film.
Có vùng chân nơi các đường cong bắt đầu đi lên (đoạn AB – vùng ì).
Có một khoảng gần như thẳng (đoạn CD – vùng sử dụng).
Có vùng chiếu quá liều (đoạn EF – vùng vai), ở đó D sẽ giảm xuống khi lgX tăng
lên. Vùng này thường xuất hiện khi D≥ 10, đối với loại film trực tiếp; khi D từ 2 –
3 với loại film dùng màn tăng cường.
(v). Tốc độ film
Tốc độ film là nghịch đảo liều chiếu toàn phần (tính bằng R-1) của một phổ bức xạ
đặc trưng mà có thể tạo ra một độ đen cho trước trên film.
Tốc độ film phụ thuộc vào kích thước hạt và năng lượng bức xạ. Film có hạt càng
thô thì có tốc độ càng cao. Tốc độ film giảm xuống khi năng lượng bức xạ tăng lên.
Để tiện lợi và hiệu quả thì người ta dùng đại lượng tốc độ film tương đối. Nó được
xác định bằng vị trí đường cong đặc trưng dọc theo trục lgX, tương ứng với đường
cong đặc trưng của những loại film khác.
Hình VII.32. Đường cong đặc trưng của
ba loại film công nghiệp tiêu biểu.
HìnhVII.33. Đường cong đặc trưng điển
hình cho film loại «trực tiếp».
Trong (h.VII.32) biểu diễn đường cong đặc trưng cho những loại film chụp ảnh bức
xạ khác nhau, nằm cách nhau theo trục lgX. Khoảng cách của những đường cong này
chỉ ra sự khác biệt về tốc độ tương đối – đường cong của các loại film có tốc độ
nhanh hơn nằm về phía bên trái. Từ những đường cong này sẽ cho ra giá trị độ đen cố
định có thể đọc được.
(vi). Độ tương phản
Độ tương phản film Gd hay là gradient của film là sự chênh lệch về độ đen giữa hai
vùng kế cận nhau trên film đã xử lý do sự thay đổi cường độ bức xạ. Xác định độ
tương phản với độ đen D nào đó bằng cách tìm độ dốc của đường cong tại giá trị độ
đen đó (h.VII.33).
Về mặt toán học độ tương phản tại một điểm
Gd= dD/d(lgX)
Thực tế tính toán theo độ tương phản trung
bình Gd=
Trong đó X1 và X2 là liều chiếu gây ra độ đen
tương ứng D1 và D2 tại hai điểm kế cận.
Độ tương phản Gd là một hàm số của độ đen D và liều chiếu X, nó phụ thuộc vào
kích thước. Quan hệ này thay đổi với các loại film khác nhau (h.VII.34).
HìnhVII.34. Quan hệ giữa độ tương phản với độ đen: A)- film dùng màn
muối; B)- flim trực tiếp có tốc độ trung bình; C)- film trực tiếp hạt mịn.
(vii). Độ nhạy quang phổ
Đối với film trực tiếp không dùng màn tăng cường, độ tương phản tăng khi độ đen
tăng. Sử dụng vùng độ đen cao cho phép tăng dải cường độ truyền lên mỗi film, cũng
như giảm năng lượng bức xạ, điều này làm độ tương phản vật và độ nhạy tăng lên.
Tuy vậy lúc đó lại phải dùng đèn đọc có độ chói sáng cao để giải đoán!
Vì độ đen Dδ của film trực tiếp tỉ lệ với số hạt hiện hình, còn liều chiếu X được xác
định bằng số lượng tử (photon) đến film, nên có thể viết:
Dδ= Dmax[1 – (-kX)] (7.11)
Trong đó : k – hằng số độ nhạy của film, phụ thuộc vào loại film, năng lượng bức
xạ và thời gian chiếu (kg/C hoặc R-1)
Dmax – độ đen lớn nhất với điều kiện tất cả các hạt tinh thể AgBr chuyển
thành bạc kim loại. Giá trị Dmax tỉ lệ với số lượng bạc trên một đơn
vị diện tích, phụ thuộc vào loại film và thời gian chiếu.
Đối với film sử dụng màn tăng cường bằng kim loại huỳnh quang, ta có quan hệ
dưới dạng tương tự :
Ds= Dmax (7.12 )
Độ nhạy quang phổ Q của film là khả năng
nhận được độ đen khác nhau của hình ảnh trên
film sau khi chiếu bức xạ ion hóa ở mức năng
lượng khác nhau với cùng liều chiếu. Trong
thực tế độ nhạy quang phổ Q được đặc trưng
bằng giá trị nghịch đảo liều chiếu X cần thiết để
nhận được độ đen D như nhau.
Hình VII.35. Quan hệ liều chiếu và năng lượng bức xạ khi độ đen bằng 1
Film có độ nhạy quang phổ cao nhất trong vùng năng lượng từ 40 – 50 keV, khi năng
lượng vượt quá 300 keV thì độ nhạy hầu như không đổi (h.VII.35). Đối với film trực
tiếp, độ nhạy quang phổ được xác định theo công thức:
Q= 1/X= 0,4343.k*lg (9.13)
(viii). Khả năng phân giải
Như đã nói khả năng phân giải được đặc trưng bằng số lượng riêng biệt của các
vạch mảnh như nhau trên chiều dài 1 mm (hoặc số lượng điểm pixel). Hai yếu tố ảnh
hưởng đến khả năng phân giải của film là độ hạt và sự tác động của các electron thứ
cấp.
Độ hạt là một điều kiện chủ quan gây ra bởi sự thăng giáng thống kê theo số hạt
bạc được hiện trên một đơn vị diện tích của film đang quan sát. Độ hạt phụ thuộc vào
loại film; năng lượng bức xạ dùng để chụp; thời gian hiện; loại màn tăng cường.
Sự tác động của những electron thứ cấp được tạo ra bởi quá trình hấp thụ năng
lượng của lượng tử tia X hoặc tia gamma. Các electron thứ cấp chiếu vào các hạt nhũ
tương nằm gần với các hạt mà ban đầu chúng hấp thụ lượng tử sơ cấp. Sự khuếch tán
của những electron này là nguyên nhân làm mờ ảnh. Hiệu ứng này được gọi là độ
nhòe nguyên thủy của phim Uf. Khi năng lượng của bức xạ tăng lên sẽ làm tăng độ
nhòe nguyên thủy của film do động năng của các electron thứ cấp tăng lên. Bảng
VII.7 cung cấp những giá trị độ nhòe đo được trên các loại film trực tiếp trên những
dải năng lượng bức xạ khác nhau.
Bảng VII.7 Độ nhòe của film ở những dải năng lượng bức xạ khác nhau
Bức xạ (đã được lọc) Độ nhòe Uf (mm)
Bức xạ tia X 50 kV 0,03
Bức xạ tia X 100 kV 0,05
Bức xạ tia X 300 kV 0,12
Bức xạ tia X 1000 kV (1MV) 0,24
Bức xạ tia X 8 MV 0,60
Bức xạ tia X 31 MV 0,97
Bức xạ tia γ Iridium – 192 0,13
Bức xạ tia γ Caesium – 137 0,28
Bức xạ tia γ Cobalt – 60 0,35
(ix). Phân loại
Film có thể được chia thành ba nhóm (bảng):
Nhóm trực tiếp được dùng khi không có màn huỳnh quang hoặc dùng với màn tăng
cường bằng kim loại huỳnh quang, cũng có thể sử dụng màn tăng cường bằng chì. Độ
tương phản tăng khi độ đen tăng. Do lớp phủ nhũ tương nhiều nên nó hấp thụ hiệu
quả các tia bức xạ trực tiếp và đen hơn loại khác.
Nhóm có màn được dùng với màn tăng cường bằng muối do chúng có độ nhạy ánh
sáng nhìn thấy và tia cực tím cao. Chúng có khả năng ghi nhận được ảnh chụp bức xạ
với liều chiếu nhỏ, nhưng độ phân giải lại thấp
Nhóm gồm các loại film như fluorographic, film chụp răng, film ghi nhận lượng
bức xạ tích lũy của người thao tác, «giấy» tia X. Chúng có những chức năng đặc biệt.
III.2.2. Tấm xeroradiography
Ở phương pháp dời hình ảnh người ta sử dụng tấm bán dẫn, mà nó phản ứng với
bức xạ tia X, tia γ xuyên qua vật kiểm dưới dạng thay đổi các thông số của điện
trường. Sự thay đổi này được đánh dấu trên bề mặt tấm bằng giá trị điện tích và tạo
nên ảnh tĩnh điện ẩn bên trong cấu trúc thô của vật kiểm. Điện tích tỉ lệ với cường độ
bức xạ. Thực chất của tấm xeroradiography là bộ chuyển đổi trung gian các thông tin
bức xạ trong ảnh tĩnh điện, để mang sang rồi cố định lại trên giấy nhờ bột hiện màu
(h.VII.36).
Hình VII.36. Tiết diện tấm xeroradiography
Cấu tạo của tấm xeroradiography là một tấm nền dẫn điện được đánh bóng (nhôm,
đồng, thủy tinh hoặc giấy được phủ lớp dẫn điện), mà bề mặt được phủ bằng lớp bán
dẫn (selenium vô định hình, lưu huỳnh, antracen...). Lớp nhạy được đưa vào trong
chân không. Điện trở suất của lớp bán dẫn từ 1012 – 1015 Ω.cm trước khi chiếu và từ
107 – 1013 Ω.cm khi chiếu bức xạ tia X hoặc γ.
Khả năng phân giải của tấm xeroradiography về mặt lý thuyêt không hạn chế vì
trường tĩnh điện không có độ hạt, còn thực tế nó được xác định bằng độ lớn hạt của
chất hiện và phương pháp xử lý. Với phương pháp xử lý khô độ phân giải đạt được
60 vạch/mm, với phương pháp ướt được 120 vạch/mm. Tuy nhiên trong thực tế với
các loại tấm được sản xuất cùng quá trình dời ảnh, nó không vượt quá 20 vạch/mm
(so với 70 – 140 vạch/mm của chụp film). Tấm xeroradiography dùng với màn tăng
cường bằng kim loại huỳnh quang được kẹp giữa lớp nhạy và tấm nền.
III.2.3. Màn chuyển đổi kích hoạt kim loại
Khi chụp bằng neutron nhiệt và trung gian dùng phương pháp dời hình ảnh người ta
dùng màn chuyển đổi, mà nó phản ứng với dòng neutron xuyên qua vật kiểm dưới
dạng tạo nên hoạt tính từ, tỉ lệ với dòng neutron và có chu kỳ bán rã khá lớn. Các
màn này đảm bảo khuếch đại thông tin. Bản chất của màn chính là bộ chuyển đổi
thông tin neutron trong ảnh ẩn hoạt hóa để sau đó dời sang film. Ưu điểm của các
màn này là chúng không nhạy với bức xạ γ kèm theo mà nguồn phát γ có khi chính là
vật kiểm. Vật liệu để làm nguồn thường được sử dụng là In-115 (σ=157 barn, T1/2=54
min), Au-197 (σ=98,8 barn, T1/2=2,7 ngày), Rh-103 (σ=11 barn, T1/2= 4÷5 min), Dy-
164 (σ=800 barn, T1/2= 140 min)...
Indium đảm bảo nhận được ảnh sau 5 – 10 ph khi cường độ dòng phản ứng neutron
nhiệt 105 cm-2.c-1, còn dysprosium – khi cường độ chỉ 6.103 cm-2.c-1. Vàng không
thuận lợi do chu kỳ bán rã quá lớn, nhưng nó kết quả tốt hơn theo khả năng phân giải.
Rhodium cơ bản bị thay đổi khi dùng chùm phản ứng với cường độ dòng 5.106 cm-2.c-
1 và độ nhạy của film cao.
III.2.4. Màn tăng cường
Mức độ ghi nhận trên film khi chụp phụ thuộc vào giá trị năng lượng bức xạ mà
lớp nhũ tương trên film hấp thụ. Quá trình này chỉ cần khoảng 1% lượng bức xạ
xuyên qua vật kiểm để tạo ảnh.
Những màn tăng cường được dùng với mục đích rút ngắn thời gian chiếu chụp do
chúng phát ra các chùm electron hoặc huỳnh quang tạo ra quá trình chụp ảnh phụ tác
động lên lớp nhũ tương của film. Ngoài ra chúng
đảm bảo phát hiện khuyết tật tốt hơn. Tác động
tăng cường của màn được đặc trưng bằng hệ số
tăng cường – là tỉ số giữa thời gian chụp không
màn với thời gian chụp có màn trong cùng điều
kiện.
Màn kim loại – Tác động tăng cường của màn
kim loại khi chiếu trực tiếp được xác định bằng các electron thứ cấp được tạo nên
trong màn khi bức xạ ion hóa xuyên qua. Các vật liệu thường được dùng làm màn là
lá bằng kim loại nặng (thiếc, chì, wolfram), vì chúng cho hệ số tăng cường cao
(h.VII.37).
Hình IX.37. Quan hệ giữa hệ số tăng cường với màn bằng các vật liệu
Đối với mỗi nguồn bức xạ ion hóa phải chọn màn phụ thuộc vào năng lượng của nó.
Ví dụ với bức xạ roentgen năng lượng dưới 120 keV thì dùng màn thiếc, wolfram là
thích hợp ; với bức xạ roentgen trên 120 keV hoặc tia γ – dùng wolfram, chì.
Chiều dày của màn cần phải bằng chiều dài quãng chạy lớn nhất của electron thứ cấp
trong đó. Việc thay đổi chiều dày của lá kim loại dẫn đến việc giảm hệ số chuyển đổi
năng lượng bức xạ thành động năng của electron thứ cấp, hoặc làm giảm cường độ
bức xạ thứ cấp, do đó làm giảm tác dụng tăng cường của màn. Trong công nghiệp đã
chế tạo nhiều loại màn tăng cường khác nhau. Các màn này là các lá chì mỏng 0,05 –
0,5 mm, chúng được đựng trong cassette chất dẻo mềm.
Màn huỳnh quang - Tác động tăng cường của màn huỳnh quang được dùng khi
chiếu trực tiếp được xác định bằng tác động của các photon nhìn thấy, cực tím và
hồng ngoại của phổ được chiếu từ muối phát quang khi bức xạ ion hóa qua chúng.
Các muối phát quang được sử dụng là ZnS, CdS, BaSO4, PbSO4, CaWO4... Màn
huỳnh quang được chế tạo dưới dạng các tấm bằng bìa hay chất dẻo, trên đó có phủ
chất phát quang. Các màn này được sử dụng cho film dùng màn, vì độ nhạy quang
phổ của nhũ tương trên film với phổ chiếu màn hình tương thích với nhau.
Khi chụp có dùng màn huỳnh quang thì liều chiếu nhỏ nhất (h.IX.3.25), còn độ nhạy
khi dùng màn kim loại tốt hơn khi dùng màn huỳnh quang (h.IX.3.26 KKS). Nếu
dùng màn huỳnh quang có độ hạt của muối phát quang thô thì độ nhạy kém đi.
Hình VII.38. Quan hệ giữa liều chiếu với
chiều dày khi dùng nguồn và màn khác nhau
Hình VII.39. Quan hệ giữa độ nhạy với
chiều dày thép khi dùng các kiểu màn.
Màn kim loại huỳnh quang - là sự kết hợp giữa màn tăng cường bằng kim loại
và màn tăng cường bằng muối, tạo ra cả hiệu ứng phát xạ electron và phát huỳnh
quang. Chúng gồm lớp nền bằng bìa cứng hoặc chất dẻo dễ uốn được phủ lên một lớp
chì mỏng và một lớp muối phát quang hạt mịn. Các màn tăng cường này có hệ số
tăng cường lớn hơn màn kim loại và độ nhạy tốt hơn màn huỳnh quang. Chúng
thường được sử dụng với loại film trực tiếp có độ tương phản cao và kích thước hạt
mịn tạo ra quá trình tăng cường có thể làm giảm được liều chiếu xuống đến 9 lần,
nhưng không làm độ nhạy giảm nhiều.
Trong thực tế chụp ảnh người ta dùng màn tăng cường kép dưới dạng tấm trước và
sau, còn film đặt vào giữa. Màn kim loại đằng sau không những làm hệ số tăng
cường tăng mà còn làm giảm ảnh hưởng của tán xạ lên film. Chiều dày màn kim loại,
cũng như cũng như vật liệu phát quang và hàm lượng của chúng trong thành phần của
màn huỳnh quang được chọn tùy theo năng lượng bức xạ. Hệ số tăng cường giảm khi
tăng chiều dày vật kiểm.
Tác động tăng cường của màn khi chụp ảnh neutron nhiệt và trung gian bằng
cách chiếu trực tiếp dựa vào tính chất các vật liệu bức xạ ra các lượng tử γ thứ cấp,
hạt α hoặc là dòng photon của ánh sáng nhìn thấy, mà cường độ của chúng tỉ lệ với
dòng neutron xuyên qua các vật liệu này. Ngoài ra người ta sử dụng các vật liệu có
khả năng bị kích hoạt nhanh trong dòng neutron và có chu kỳ bán rã rất ngắn. Đó là
bạc Ag-109 (σ=91 barn, T1/2= 21 sec), Dy-164 (σ=2200 barn, T1/2= 85 sec). Với các
vật liệu có khả năng bức xạ ra các lượng tử γ thứ cấp là Cd-113 (σ=20000 barn), Sm-
49 (σ=41000 barn), Gd-155 (σ=61000 barn).
Các loại màn này được sử dụng cho film không màn. Khả năng phân giải tốt hơn
khi sử dụng các lá kim loại từ gadolinium Gd dày 12,5 – 25 mm có tiết diện tương tác
với netron nhiệt lớn. Các lá thường được đặt ở hai phía của film như vậy liều chiếu
được rút đi còn nửa so với đặt một phía. Các vật liệu bức xạ các hạt α thứ cấp hoặc
dòng photon của ánh sáng nhìn thấy là Li-6 (σ=910 barn) và B-10 (σ=3830 barn).
Người ta dùng các màn này cùng film chụp.
III.3. Phương pháp và kỹ thuật chụp ảnh bức xạ
III.3.1. Quan hệ hình học của quá trình tạo ảnh
Hình dạng của khuyết tật trên film đã xử lý chịu ảnh hưởng
bởi các yếu tố sau :
Hình dạng của khuyết tật.
Hướng khuyết tật so với hướng truyền của chùm bức xạ
và mặt phẳng của film.
Kích thước nguồn và khoảng cách từ nguồn đến khuyết
tật và film.
Vị trí khuyết tật trong vật kiểm.
HìnhVII.40. Bố trí nguồn, vật và film để tạo ra ảnh chụp bức xạ
(i) Hình dạng của khuyết tật :
Những khuyết tật có hình dạng khác nhau sẽ tạo nên những ảnh khác nhau, chẳng
hạn như rỗ khí sẽ có hình tròn, vết nứt có dạng đường v.v…
(ii) Hướng của khuyết tật so với hướng truyền của chùm bức xạ và mặt phẳng của
film :
Nếu chùm tia bức xạ không vuông góc hoặc nếu mặt phẳng của khuyết tật không
song song với mặt phẳng của film thì ảnh sẽ bị méo như mô tả trong (h.VII.41)
Hình VII.41. Ảnh hưởng của hướng chùm bức xạ: a)- vuông góc; b) xiên góc; c)-
film bị nghiêng.
Do sự biến dạng này mà đôi khi một khuyết tật nào đó tạo ra ảnh làm giải đoán, đánh
giá thành khuyết tật khác.
(iii) Kích thước của nguồn và khoảng cách từ nguồn đến khuyết tật/ film (h.VII.42)
Mọi điểm của nguồn AB đều phát bức xạ. Hình dáng ảnh tạo bởi khuyết tật hiện trên
film là kết quả của sự chồng liên tiếp các ảnh bóng từ từng điểm. Kết quả cuối cùng
là ảnh bóng bị khuếch tán xung quanh các đường biên. Như vậy ảnh bóng có thể
được chia thành hai phần :
Vùng bóng là vùng tia bức xạ xuyên qua khuyết tật đến film.
Vùng bán dạ (bóng mờ) là giao diện bị chiếu
một phần. Vùng này làm tăng độ nhòe hình
học của ảnh và là vùng không mong muốn
trong chụp ảnh bức xạ.
Theo định lý đồng dạng của hai cặp tam giác (ΔABC1 ~ ΔX1Y1C1) và (ΔABC2 ~
ΔX2Y2C2), trong hình trên có quan hệ:
(7.14)
Hình VII.42. Quá trình tạo ảnh khuyết tật bằng nguồn kích thước AB.
Trong đó :
XY - Kích thước vùng bán dạ, chính là độ nhòe hình học Ug.
AB - Kích thước nguồn (tiêu điểm phát tia bức xạ) d.
OF - Khoảng cách từ khuyết tật đến film, vì chiều dày hàn không lớn nên có thể coi
đó là chiều dày vật kiểm δ.
SF - Khoảng cách từ nguồn (tiêu điểm phát tia bức xạ) đến film F.
Phương trình (9.1 ) có thể được viết theo dạng các ký hiệu ở trên nghĩa là :
Ug= hoặc F= δ(1+d/Ug) (7.15)
Để chất lượng ảnh cao cần phải làmUg càng nhỏ càng tốt; theo phương trình (7.15) ta
thấy rằng Ug giảm khi: d giảm; F tăng lên; δ giảm xuống.
Do đó để giảm Ug hoặc để tăng độ nét của ảnh bóng thì:
Kích thước của nguồn (hoặc tiêu điểm phát bức xạ) càng nhỏ càng tốt.
Khoảng cách từ nguồn đến film lớn đến mức có thể.
Đặt film càng sát với vật kiểm càng tốt.
Hình ảnh của khuyết tật trên film có độ nét thích hợp khi vùng bán dạ có kích thước
là 0,25 mm. Đây là giá trị giới hạn trong quá trình kiểm tra nghiêm ngặt, vì dưới giới
hạn này mắt người không thể phát hiện được sự khác nhau về độ nét. Đối với quá
trình kiểm tra bình thường thì kích thước lên đến 0,5 mm.
Ngoài ra hình dáng của khuyết tật cũng ảnh hưởng đến độ nhòe hình học Ug (h.
VII.43)
Hình VII.43. Ảnh hưởng của hình dáng khuyết tật đến độ nhòe hình học
III.3.2. Chất lượng ảnh
(i). Độ nhạy – Theo định nghĩa thì độ nhạy tương đối Wr của quá trình phát hiện
khuyết tật có thể được xác định theo lý thuyết:
Wr = *100% (7.16)
Tuy nhiên trong thực tế do độ nhạy quá trình phát hiện khuyết tật là một hàm phức
tạp phụ thuộc vào các biến như kích thước, hình dạng, vị trí và hệ số hấp thụ tuyến
tính của khuyết tật, loại film được sử dụng, độ đen của ảnh nhận được... Nên không
thể tính hoặc tìm ra độ nhạy của quá trình phát hiện khuyết tật. Có thể xem rằng chỉ
tiêu chất lượng cơ bản của film đã xử lý chính là độ nhạy của quá trình phát hiện
khuyết tật và hiện nay có nhiều cách thích hợp có thể dùng để đo nó – đó là các bộ
chuẩn độ nhạy.
Quan hệ giữa độ nhạy tương đối với các thông số chiếu được xác định theo thực
nghiệm:
Wr = *100% (7.17)
Phương trình này đã tính đến ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau: hệ số suy giảm B
và μ; các thông số của film γD ; chiều dày vật kiểm δ; khả năng nhìn thấy của mắt
người ΔDmin – khác biệt độ đen tối thiểu mà mắt người phân biệt được. Tuy vậy nó
chưa tính đến độ nhòe hình ảnh U. Ảnh hưởng của độ nhòe làm cho độ nhạy tương
đối bị kém đi theo phương trình :
Với khuyết tật dạng mặt : Wr= *100%
Với khuyết tật dạng đường : Wr = *100%
Ở đây : Δb và de – chiều rộng và đường kính bộ chuẩn độ nhạy.
Các quan hệ này cho phép xác định mức độ gần đúng giá trị ảnh của khuyết tật nhỏ
nhất : khuyết tật dạng mặt – không ngấu, tách lớp, nứt tầng hoặc nứt ô ; khuyết tật
dạng đường – chuỗi rỗ khí hoặc lẫn xỉ... Trên (h.VII.44) chỉ ra ảnh hưởng của các
nguồn chiếu khác nhau đến độ nhạy. Qua các hình thấy rằng với mỗi nguồn chỉ chụp
được trong khoảng chiều dày vật liệu nhất định.
Hình VII.44. Quan hệ giữa độ nhạy và chiều dày: a)– Tia X và γ; (b)– Betatron 35
MeV
(ii). Chỉ thị chất lượng ảnh – Như đã nói độ nhạy của ảnh chụp bức xạ thường được
đo dưới dạng một số chuẩn nhân tạo mà không cần thật giống với khuyết tật nằm bên
trong vật kiểm. Vì vậy, có hai phương pháp được sử dụng phổ biến là :
Dùng các dây bằng vật liệu giống vật kiểm, đặt dây lên mặt trên vật khi chụp.
Đường kính nhỏ nhất của dây có thể nhìn thấy trên ảnh – đó là độ nhạy đánh giá.
Dùng một loạt lỗ khoan trong một tấm bằng vật liệu giống như vật kiểm và đặt lên
vật khi chụp. Độ nhạy được xác định theo đường kính lỗ khoan nhỏ nhất có thể nhìn
thấy trên ảnh chụp bức xạ.
Những mẫu này là các bộ dây đường kính khác nhau hoặc những mẫu bậc được
khoan nhiều lỗ, chúng được gọi là các bộ chỉ thị chất lượng ảnh (IQI) (h.VII.45).
Hình VII.45. Các dạng chỉ thị chất lượng ảnh: a)- dây; b)- bậc lỗ
Có hai loại chỉ thị chất lượng ảnh được sử dụng phổ biến trên thế giới. Một xuất xứ
từ Pháp, một từ Đức và Scadinavia. Viện Hàn Quốc tế (I.I.W.) đã kiến nghị những
loại IQI này là những mẫu IQI đạt Tiêu chuẩn Quốc tế. Những mẫu IQI này đã được
Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (ISO) chấp nhận và được ban hành trong kiến nghị của
ISO R1027 (1969) “Các bộ chỉ thị chất lượng ảnh, những nguyên lý và nhận dạng”.
IQI dạng dây : gồm những sợi dây thẳng (dài hơn 25 mm) bằng vật liệu giống vật
kiểm, với đường kính của các dây được chọn từ những giá trị cho trong bảng VII.8.
Sai lệch đường kính dây là ± 5%. Các dây song song được kẹp trong tấm
polyethylene có tính năng hấp thụ bức xạ tia X thấp. IQI phải có những kí hiệu nhận
dạng để chỉ ra vật liệu của dây và số dây.
Bảng VII.8 Các đường kính trong bộ IQI loại dây.
№ của dây Đường kính
(mm)
№ của dây Đường kính
(mm)
№ của dây Đường kính
(mm)
1 0,032 8 0,160 15 0,80
2 0,040 9 0,200 16 1,00
3 0,050 10 0,250 17 1,25
4 0,063 11 0,320 18 1,60
5 0,080 12 0,400 19 2,00
6 0,100 13 0,500 20 2,50
7 0,125 14 0,630 21 3,20
IQI dạng bậc và dạng lỗ: Các IQI loại này là một phần rời hoặc một nhóm bậc bằng
vật liệu giống như vật kiểm tra. Trên mỗi bậc có một hoặc nhiều lỗ khoan xuyên
qua. Đường kính lỗ bằng chiều dày của bậc và có các giá trị như trong bảng VII.9.
Bảng VII.9 Chiều dày bậc và đường kính lỗ (± 5%)
№ của bậc Đường kính và
chiều dày (mm)
№ của bậc Đường kính và
chiều dày (mm)
№ của bậc Đường kính và
chiều dày (mm)
1 0,125 7 0,500 13 2,00
2 0,160 8 0,630 14 2,50
3 0,200 9 0,800 15 3,20
4 0,250 10 1,00 16 4,00
5 0,320 11 1,25 17 5,00
6 0,400 12 1,60 18 6,30
Những bộ chỉ thị chất lượng ảnh ở hai dạng trên, được dùng phổ biến trong chụp ảnh
bức xạ trong công nghiệp. Tùy theo từng nước mà gộp lại theo từng bộ khác nhau.
Những bộ IQI phải được đặt đúng cách thì độ nhạy mới thể hiện chính xác.
III.3.3. Ảnh hưởng của bức xạ tán xạ
(i) Nguồn gốc và sự tác động của bức xạ tán xạ:
Khi chùm tia bức xạ tương tác với vật chất thì sẽ sinh ra bức xạ tán xạ, quá trình tán
xạ phát ra theo mọi hướng. Trong quá trình chụp các bức xạ tán xạ có thể sinh ra từ
chính bản thân vật kiểm, cassette, sàn, tường và bất kỳ các vật thể nào nằm trong
đường truyền của chùm tia bức xạ. Bức xạ tán xạ sẽ làm tăng độ nhòe, giảm độ tương
phản do đó làm cho ảnh chụp bức xạ có chất lượng kém (h.VII.46).
Thực tế cường độ tán xạ có thể lớn hơn cường độ bức xạ sơ cấp đến film. Ví dụ, khi
chụp mẫu nhôm dày 50 mm bằng bức xạ tia X, thì cường độ bức xạ tán xạ có thể
bằng 2,5 lần cường độ bức xạ sơ cấp đến film.
Quá trình tán xạ ảnh hưởng ít khi chụp mẫu bằng vật liệu nhẹ với năng lượng thấp
(40 - 100 keV). Tuy nhiên, khi kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ có năng lượng từ 100
đến 200 keV và các vật bằng kim loại nặng, thì quá trình tán xạ có thể gây ảnh hưởng
nghiêm trọng. Ngoài ra, lượng bức xạ tán xạ sinh ra cũng phụ thuộc vào hình dạng
của mẫu vật.
Hình VII.46. Sơ đồ những nguồn sinh ra
bức xạ tán xạ khi chụp ảnh bức xạ
Hình VII.47. Sơ đồ biểu diễn cách sử
dụng màn chắn chuẩn trực.
(ii) Biện pháp khắc phục bức xạ tán xạ
Dùng tấm chì đặt sau film và vật kiểm để giảm tán xạ phát sinh từ sàn nhà.
Sử dụng bộ chuẩn trực (collimator) đặt ngay trên vật kiểm hoặc trên phần cần che
chắn để giới hạn chùm bức xạ. Như vậy vùng được chiếu xạ bị thu hẹp lại, do đó
làm giảm được bức xạ tán xạ (h.VII.47).
Che chắn vùng không quan tâm chỉ chừa ra những vùng cần chụp trên film. Vật
che chắn có thể là các tấm chì, bi thép, các chất lỏng đặc biệt hoặc trát “vữa”...
Đặt màn tăng cường, đặc biệt khi kiểm tra trong dải năng lượng trung bình nhằm
làm giảm tác động của bức xạ tán xạ. Màn tăng cường đặt trước film hấp thụ tán
xạ từ vật, còn màn phía sau film sẽ che chắn chống tán xạ ngược.
Sử dụng các bộ lọc bằng chì hoặc đồng đặt trên đường truyền của chùm bức xạ tia
X sẽ làm giảm tán xạ bằng cách lọc bớt những bức xạ mềm từ phổ phát xạ tia X.
Tuy nhiên, việc làm này sẽ làm giảm độ tương phản do tác dụng làm cứng chùm
tia bức xạ của bộ lọc.
III.3.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của ảnh chụp bức xạ:
Chất lượng ảnh chụp bức xạ phụ thuộc vào độ tương phản và khả năng phân giải của
nó.
(i) Độ tương phản C của ảnh chụp bức xạ - Theo định nghĩa nếu chênh lệch độ đen
càng lớn, thì ảnh chụp bức xạ có độ tương phản lớn (h.VII.48).
Hình VII.48. Độ tương phản của ảnh chụp bức xạ.
Độ tương phản của ảnh chụp bức xạ gồm
hai yếu tố: độ tương phản vật và độ tương
phản film.
Độ tương phản vật là độ chênh lệch giữa
cường độ bức xạ truyền qua mẫu vật tương
tác lên film (h.VII.49). Những thay đổi này
là do lượng bức xạ bị hấp thụ trong vật
kiểm khác nhau.
Hình VII.49. Độ tương phản vật của ảnh chụp bức xạ
Độ tương phản film là khả năng tương tác của lớp nhũ tương trên film đối với
cường độ bức xạ đến, đó là đặc tính của một film đã cho.
(ii) Khả năng phân giải R của ảnh
Theo định nghĩa thì khả năng phân giải của ảnh chụp bức xạ là sự mô tả độ sắc nét
của hình ảnh (h.VII.50). Nó được thể hiện bằng số các vạch (hoặc điểm pixel) nhìn
thấy phân bố đều trên một đơn vị chiều dài vật kiểm.
Hình VII.50. Khả năng phân giải của ảnh chụp bức xạ.
Khả năng phân giải của ảnh chụp bức xạ phụ thuộc vào độ nhòe hình học; độ nhòe
cố hữu; độ hạt.
(iii) Những yếu tố gây ảnh hưởng đến độ tương phản và khả năng phân giải của ảnh
chụp bức xạ.
Năng lượng bức xạ: độ tương phản của vật giảm khi năng lượng bức xạ tăng vì hệ
số hấp thụ tuyến tính của vật liệu giảm xuống. Năng lượng bức xạ tăng lên cũng
tăng năng lượng của các electron thứ cấp do đó tăng độ nhòe cố hữu. Độ hạt cũng
tăng lên khi năng lượng bức xạ tăng lên. Tất cả những yếu tố trên sẽ làm giảm độ
nhạy của ảnh chụp bức xạ.
Loại film: Film khác nhau có độ tương phản và các đặc trưng về độ hạt khác nhau.
Nói chung, film có hạt lớn cho độ tương phản thấp, làm độ nhạy thấp.
Quá trình hiện: Trong dung dịch thuốc hiện với nồng độ và nhiệt độ đã cho, nếu
tăng thời gian hiện sẽ làm tăng độ hạt, độ tương phản và độ mờ của ảnh chụp bức
xạ, vì vậy làm cho chất lượng ảnh giảm đi.
Độ đen: Những film trực tiếp, độ đen của ảnh chụp càng tăng thì độ tương phản
cũng tăng vì độ tương phản ban đầu của film tăng lên khi độ đen tăng.
Vật kiểm tra: Năng lượng bức xạ cần thiết để tạo ra ảnh phụ thuộc vào chiều dày,
mật độ và nguyên tử số của vật liệu. Vật làm bằng vật liệu nặng, nguyên tử số cao
hoặc chiều dày lớn thì cần năng lượng bức xạ cao. Trong trường hợp này độ tương
phản và khả năng phân giải đều kém. Ngoài ra lượng bức xạ tán xạ cũng phụ thuộc
vào vật. Những vật kiểm mà gây ra nhiều tán xạ sẽ cho độ nhạy ảnh chụp thấp.
Bức xạ tán xạ: Tán xạ tăng sẽ làm tăng độ nhòe của ảnh chụp bức xạ vì vậy sẽ làm
giảm độ tương phản và khả năng phân giải của ảnh.
Màn tăng cường: Màn chì làm giảm tán xạ do đó nó cải thiện được độ nhạy. Còn
màn tăng cường bằng muối phát quang sẽ làm tăng độ hạt do đó nó sẽ làm giảm
chất lượng của ảnh chụp bức xạ.
Bộ lọc: được đặt giữa nguồn bức xạ và film nhằm làm giảm tỉ lệ bức xạ mềm trong
chùm tia làm cho độ tương phản giảm, do đó làm giảm độ nhạy của ảnh chụp bức
xạ. Trong một vài trường hợp, bộ lọc có thể làm giảm được bức xạ tán xạ để cải
thiện chất lượng của ảnh. Tác dụng này được dùng phổ biến trong quá trình chụp
ảnh bức xạ các vật phức tạp.
Độ mờ: Độ mờ của film tăng lên sẽ làm giảm độ tương phản của ảnh
Khoảng cách từ nguồn đến film F: Khi F tăng sẽ làm giảm độ nhòe hình học, vì thế
sẽ làm tăng độ nhạy của ảnh.
Khoảng cách từ vật kiểm đến film: Film đặt càng sát vật sẽ làm độ nhòe hình học
giảm vì vậy làm tăng độ nhạy của ảnh.
Kích thước: Kích thước nguồn hay tiêu điểm phát bức xạ tăng sẽ làm tăng độ nhòe
hình học, nên độ nhạy của ảnh chụp giảm.
Sự rung động: Nếu giữa vật, nguồn bức xạ và film có chuyển động tương đối với
nhau thì các hình ảnh bị chồng lên nhau, làm giảm khả năng phân giải của ảnh
chụp, dẫn đến độ nhạy cũng bị giảm.
Máy phát bức xạ tia X: Trong cùng điều kiện chiếu chụp, hai máy phát bức xạ tia X
cùng một công suất có thể phát ra bức xạ không giống nhau, vì thế tạo ra các ảnh
chụp bức xạ có chất lượng khác nhau.
Quá trình che chắn: Việc che chắn sẽ làm cải thiện được chất lượng ảnh chụp bức
xạ do làm giảm bức xạ tán xạ.
III.3.5. Xác định các chế độ chiếu chụp
Lựa chọn nguồn bức xạ, film và màn tăng cường quyết định rất lớn đến độ nhạy và
năng suất kiểm tra. Để nhận được ảnh có độ nhạy cao nên dùng nguồn bức xạ năng
lượng thấp, film hạt mịn có độ tương phản cao và màn tăng cường bằng kim loại. Có
thể chọn nguồn theo bảng VII.10.
Bảng VII.10 Phạm vi sử dụng nguồn bức xạ ion hóa để kiểm tra hàn
Bức xạ Chiều dày thích hợp (mm)
Hãm Gamma Mg Al Ti Thép
10 – 60 kV
60 – 120 kV
Sr-90 + Be và
120 – 200 kV
150 – 300 kV
200 – 400 kV và
3 – 6 MeV
300 – 1000 kV
và 6 – 15 MeV
15 – 50 MeV
Am-241
Tm-170
Se-75
Ir-192
Cs-137
Co-60
--
Đến 80
10 – 200
40 – 350
70 – 450
100 – 500
300 – 700
450 - 2000
Đến 50
3 – 70
20 – 150
40 – 250
50 – 350
200 – 500
250 – 1400
Đến 8
2 – 40
6 – 80
10 – 120
20 – 150
60 – 300
150 – 800
Đến 4
1 – 20
3 – 50
5 – 80
10 – 120
30 – 200
100 – 500
Chú ý : kV – điện áp của thiết bị tia X ; MeV – năng lượng máy gia tốc
Liều chiếu (đúng ra gọi là độ chiếu) dùng trong chụp ảnh bức xạ được định nghĩa là
tích của cường độ nguồn phóng xạ với thời gian chiếu lên phim. Trong trường hợp sử
dụng bức xạ tia X ta có :
Liều chiếu = Cường độ dòng điện trong ống tia X * thời gian (mA.s).
(Cường độ dòng điện trong ống tia X là năng suất phát bức xạ tia X từ bia)
Đối với bức xạ gamma :
Liều chiếu = Cường độ của nguồn * thời gian (Ci.h)
(Cường độ của nguồn tính theo đơn vị curie là lượng bức xạ phát ra từ nguồn phóng
xạ)
Để xác định đúng liều chiếu (chế độ chiếu chụp) trong chụp ảnh bức xạ kết cấu hàn
cho trước là rất cần thiết để có được kết quả tốt nhất, tiết kiệm được sức lao động,
thời gian và chi phí vật tư. Những phương pháp sau đây có thể được sử dụng để xác
định đúng liều chiếu (chế độ chiếu chụp).
(i). Đối chứng với những số liệu trước đó :
Các chế độ chiếu chụp thường được ghi lại để lưu giữ lâu dài (trong hồ sơ, nhật ký,
máy tính...). Nếu vật kiểm giống như mẫu vật cũ đã được kiểm tra trước đó thì chỉ
việc áp theo chế độ chiếu chụp cũ. Phương pháp này rất nhanh chóng và hiệu quả do
mọi bước đều đã nắm được.
(ii). Sử dụng đường cong đặc trưng :
Đường cong đặc trưng của film có thể được sử dụng để xác định đúng liều chiếu, đặc
biệt đối với những vật kiểm bằng các vật liệu hỗn hợp, khi đó biểu đồ chế độ chiếu
chụp thường không dùng được. Ban đầu tiến hành chụp thử một mẫu tương tự, sau đó
đo độ đen của film. Liều chiếu thử này sau đó được hiệu chỉnh kết hợp với đường
cong đặc trưng của film để cho ra độ đen
chuẩn là 2,0. Phương pháp này có thể được
diễn giải như sau:
Gọi liều chiếu thử nghiệm là Xt cho độ đen
tương ứng là Dt , độ đen chuẩn cần đạt được
là Dr=2,0. Những liều chiếu tương đối tương
ứng với những độ đen này có thể đọc được từ
đường cong đặc trưng của film (h.VII.51).
Gọi Xct là liều chiếu tương ứng với độ đen Dt và Xcr tương ứng với độ đen Dr khi đọc
trên đường cong đặc trưng. Thì liều chiếu đúng là X, để đạt được độ đen cần thiết, sẽ
được cho bởi công thức:
Hình VII.51. Đường cong đặc trưng cho loại film trực tiếp.
Ví dụ :
Giả sử film được sử dụng có đường cong đặc trưng như trong hình trên. Liều chiếu
thử nghiệm Xt được cho bằng 15 mA*min, cho được độ đen Dt= 1,4. Tính toán liều
chiếu đúng để cho ra độ đen Dr= 2,0. Từ đường cong này thấy rằng:
Liều chiếu tương đối ứng với độ đen thử nghiệm 1,4 là: Xct = 150
Liều chiếu tương đối ứng với độ đen 2,0 là: Ecr = 220
Liều chiếu đúng cần thiết để cho độ đen 2,0 là:
X = (mA*min)
Cách dựng đường cong đặc trưng bằng thực nghiệm:
Đường cong đặc trưng có thể được xây dựng bằng cách chiếu bức xạ tia X lên một
tấm film sao cho những vùng khác nhau trên film nhận được những liều chiếu khác
nhau định trước. Film này thường được chiếu theo nhiều bậc sao cho mỗi bậc ghi
nhận được liều chiếu gấp đôi liều chiếu bậc trước. Sau đó được xử lý tráng rửa film
theo quy trình chuẩn. Độ đen hiển thị trên film theo dạng bậc thang. Đo độ đen của
mỗi bậc trên film, nối những giá trị đo được này (và làm trơn) sẽ nhận được đường
cong đặc trưng cần thiết.
(iii). Sử dụng toán đồ:
Toán đồ của chế độ chiếu chụp là biểu đồ chỉ ra mối quan hệ giữa liều chiếu và
chiều dày vật liệu. Những liều chiếu đúng cho những vật kiểm như thép, đồng, nhôm
v.v… có được từ những biểu đồ tương ứng với mỗi vật liệu. Nhờ toán đồ chiếu chụp
mà có thể chụp được ảnh của vật có chiều dày đồng nhất chỉ trong một lần.
Toán đồ liều chiếu thường được xây dựng cho từng máy phát tia X hoặc một nguồn
phát bức xạ gamma nào đó (h.VII.52 và h.VII.53).
Hình VII.52. Toán đồ xác định liều chiếu
tia X.
Hình VII.53. Toán đồ xác định liều chiếu
nguồn bức xạ gamma.
(iv). Dùng thước trượt:
Liều chiếu gamma cũng có thể được tính toán nhờ những thước trượt chuyên dụng
trên đó có các thang chia tốc độ film, hoạt độ nguồn, khoảng cách từ nguồn đến film,
loại nguồn, độ đen yêu cầu và chiều dày mẫu vật. Bằng cách đặt những biến số khác
nhau lên thang chia của thước này thì có thể đọc được ngay thời gian chiếu. Để sử
dụng những thước trượt này thường có một cuốn sổ tay hướng dẫn sử dụng.
(v) Thiết bị tự động:
Hiện nay các thiết bị được sử dụng trong các ống phát bức xạ tia X hiện đại được
điều khiển tự động hoàn toàn. Những thiết bị này tự động điều chỉnh liều chiếu.
Không cần biết trước chiều dày và vật liệu mẫu vật. Điều duy nhất cần thực hiện là
lựa chọn độ đen của film.
(vi). Thời gian chiếu đối với nguồn gamma
Đối với nguồn gamma thời gian chiếu có thể tính theo công thức
(min.) (7.18)
Trong đó:
FF – hệ số film (R-1)
FD – khoảng cách từ nguồn đến film (mm)
δ – chiều dày vật kiểm (tính cả chiều cao phần nhô khi hàn) (mm)
HVL – chiều dày suy giảm một nửa (mm)
A – hoạt độ nguồn (Ci)
RHM – suất liều phát (R/h) tại điểm cách nguồn 1 Ci là 1 m
III.3.6. Chọn kích thước phần được kiểm trong mỗi lần chụp
Khi kiểm tra liên kết hàn các tấm phẳng và dài hoặc các vật dạng tròn thì phải chia
thành từng phần, năng suất kiểm tra được xác định bằng thời gian tΣ cần thiết khi
chụp toàn bộ liên kết:
tΣ= N(t+tp)
Trong đó: N – tổng số film cần để kiểm tra toàn bộ
t – thời gian chụp mỗi film
tp – thời gian phụ (làm sạch, gá đặt, kẹp, đặt ký hiệu ...)
Theo các sơ đồ chiếu (h. VII.54) thấy rằng chỉ khi chụp toàn phương bằng nguồn
bức xạ gamma đặt tại tâm ống thì khoảng cách F và chiều dày δ không đổi. Còn các
trường hợp khác các giá trị này có sự thay đổi từ tâm đến mép. Ảnh hưởng của hai
yếu tố này (F, δ) gây tác động đáng kể đến kết quả nhận được. Cụ thể độ tương phản,
độ đen, độ nhòe khác nhau điều đó làm sai lệch đáng kể độ nhạy tương đối Wr giữa
tâm và mép ảnh.
Hình VII.54. Các sơ đồ chụp liên kết hàn ống: F= MC; δ = EC; Fφ=MA; δφ =DA
Khi kiểm tra mối hàn giáp mối dài, số đoạn (film) N để chiếu bởi chùm bức xạ hình
côn có góc chuẩn trực 2φ được xác định theo công thức (h. VII.54):
N = (7.19)
Trong đó: L – chiều dài toàn bộ đường hàn
Với phân đoạn chụp để kiểm tra liên kết hàn dài, giá trị góc chuẩn trực φ ảnh hưởng
đến chênh lệch độ đen D, khi góc φ càng nhỏ thì chất
lượng càng tốt. Nhưng nếu φ nhỏ thì làm tăng số N,
tăng thời gian tΣ , giảm năng suất. Như vậy có sự liên hệ
giữa N với thời gian chụp mỗi phân đoạn t để tổng thời
gian tΣ nhỏ nhất.
Góc chuẩn trực tối ưu φopt và kích thước tương ứng của
từng phân đoạn khi kiểm tra mối hàn phẳng được xác
định theo khoảng cách F và chiều dày vật kiểm δ, điều
này thấy rõ khi kiểm tra các tấm mỏng. Một số tiêu
chuẩn giới hạn góc φ không quá 14o hoặc 9o tùy theo cấp kiểm tra. Ưu thế về thời
gian chiếu tΣ/tΣmin, nhận được do chọn kích thước phân đoạn tối ưu được chỉ trên
(h.VII.55).
Hình VII.55. Sự thay đổi thời gian chiếu khi chụp phân đoạn tấm phẳng: 1)- t p =0;
2)- tp/t=1; 3)- tp/t=2
III.3.7. Chuẩn bị chiếu chụp vật hàn
Nguyên công chuẩn bị gồm các bước xem xét sơ bộ liên kết hàn, làm sạch xỉ dầu mỡ
cùng các chất bẩn khác. Các khuyết tật ngoài cần loại bỏ vì chúng gây nên chỉ thị giả
trên ảnh có thể nhầm lẫn khi giải đoán. Khi chụp theo phân đoạn người ta tách các
phần và đánh dấu bằng các chữ chì. Chiều dày chữ (số) chì tùy theo chiều dày vật
kiểm và năng lượng bức xạ. Trong trường hợp không thể sử dụng được chữ chì thì có
thể viết bằng bút chì mềm đặc biệt lên film. Trong nhiều trường hợp màn tăng cường
huỳnh quang được đánh dấu bằng mực tàu, như thế trên ảnh đảm bảo nhận được các
ký tự rõ nét. Việc đặt film vào cassette đều theo trình tự như nhau đối với các phân
đoạn hàn.
Kích thước film, màn tăng cường, cassette cứng/mềm, ký tự đều theo tiêu chuẩn với
từng quốc gia.Ví dụ màn tăng cường và cassette có 15 kích thước sau: 6x(24; 36; 48);
10x(12; 24; 36; 48; 72); 13x18; 18x(24; 30); 7,5x40; 15x40; 30x40 (cm). Như đã nói
màn tăng cường là các lá chì phủ lên lớp nền dẻo, chúng có độ dày từ 0,02 – 0,5 mm.
Các ký tự (số, chữ, mũi tên...) cao từ 5 - 8 mm, dày từ 1 – 5 mm trong hộp có panh
kẹp để ghép theo mã hóa. Sau khi mã hóa cho bộ ký tự vào bao mềm.
Chỉ thị chất lượng ảnh được đặt lên vật kiểm về phía nguồn. Trong trường hợp
không thể được như kỹ thuật chụp ống hai thành thì cho phép đặt IQI ở phía film.
Cho film vào cassette có thể film được đặt giữa hai lớp màn tăng cường kim loại,
giữa màn huỳnh quang hoặc một lớp kim loại một lớp huỳnh quang.
III.4. Kỹ thuật tráng rửa film sau khi chụp
Sau khi chụp bằng tia bức xạ thì những tinh thể AgBr tạo ra ảnh ẩn trong lớp tinh
thể, muốn tạo ra hình ảnh nhìn thấy và lưu giữ được lâu thì phải xử lý (tráng rửa
film).
Quá trình xử lý tráng rửa được thực hiện trong phòng tối sao cho ánh sáng không
thể tác động được lên film nữa. Hệ thống tráng rửa film có thể bằng tay, tự động hoặc
dùng loại giấy hiện ảnh bức xạ tức thời. Quá trình xử lý tráng rửa film chụp ảnh bức
xạ gồm những nguyên công chính:
III.4.1. Nguyên công chuẩn bị
Để đạt được chất lượng tráng rửa tốt phải chuẩn bị các bước sau :
(i) Khuấy đều tất cả dung dịch dùng để xử lý tráng rửa film trước khi sử dụng
(những dung dịch đó dễ bị loãng và kết tủa sau một thời gian).
(ii) Kiểm tra nhiệt độ của dung dịch chứa trong bể. Tùy thuộc vào nhiệt độ môi
trường, loại hóa chất và thời gian mà điều chỉnh thích hợp. Ví dụ nhiệt độ dung
dịch thuốc hiện càng gần với 20 0C càng tốt.
(iii) Kiểm tra mức dung dịch chứa trong bể. Mức dung dịch trong bể phải ngập hết
các thanh ngang kẹp film. Nếu mức nước quá thấp thì phải thêm vào dung dịch
mới cho đến mức thích hợp.
(iv) Cần luôn luôn có một dòng nước chảy đều ổn định và đủ mạnh trong các bể rửa
trung gian và bể làm sạch.
(v) Tra bảng thời gian hiện ảnh, khi cần thiết thì tham chiếu biểu đồ thời gian - nhiệt
độ hiện ảnh của từng loại film và đặt đồng hồ hẹn giờ.
(vi) Lau sạch các dụng cụ dùng trong xử lý tráng rửa film và rửa sạch tay.
III.4.2. Nguyên công làm hiện ảnh.
Khi đặt film vào dung dịch thuốc hiện, những tinh thể bị chiếu nằm trong lớp nhũ
tương sẽ phản ứng, tách bạc ra khỏi hỗn hợp và kết tủa – đó là hình ảnh kim loại bạc
màu đen. Nhiệt độ càng cao thì quá trình hiện ảnh càng nhanh. Tuy nhiên nhiệt độ
cao hơn 20 0C sẽ làm hình ảnh bị mờ nhiều, dung dịch hiện bị hỏng nhanh hơn v.v…
Ở nhiệt độ cao có thể phát hiện thấy trên lớp nhũ tương sự hình thành mắt lưới, làm
cho nó có thể bị trôi đi hoặc bị chảy ra. Mặt khác nếu nhiệt độ giảm xuống dưới 18 0C
làm các nguyên tố trong thuốc hiện bị kìm hãm không đạt độ tương phản cao hơn.
Khi nhiệt độ khó điều chỉnh thì có thể điều chỉnh thời gian.
Quan sát nguyên công hiện ảnh, phụ thuộc vào kinh nghiệm của các kỹ thuật viên,
cũng như trạng thái tâm lý và thời gian trong phòng tối.
Để tạo ra phản ứng triệt để giữa lớp nhũ tương của film và dung dịch hiện cần phải
cho film dao động. Đây là động tác quan trọng nhất trong khoảng thời gian làm hiện
ảnh vì nó làm đều mật độ và xóa các vết trên film.
III.4.3. Nguyên công rửa trung gian (rửa nước hoặc acid).
Sau khi hiện xong thì film được đưa sang bể dung dịch rửa trung gian (thuốc dừng
hiện) khoảng 30 đến 60 giây. Thuốc rửa trung gian (dừng hiện) là dung dịch 2,5 %
acid acetic băng. Acid làm ngưng các hoạt động tiếp tục của thuốc hiện trên film. Mặt
khác, dung dịch rửa ngăn cản các phản ứng khi thuốc hiện còn sót lại vào dung dịch
thuốc hãm. Nếu không có acid acetic băng thì có thể nhúng film vào trong dòng nước
sạch chảy liên tục từ 1 đến 2 phút.
III.4.4. Nguyên công hãm
Chức năng của dung dịch thuốc hãm hoặc dung dịch “Hypo” là :
Dừng hẳn quá trình hiện.
Làm sạch toàn bộ những hạt muối bạc không được hiện trong lớp nhũ tương và
giữ lại những hạt đã hiện thành ảnh cố định.
Tăng bền cho lớp gelatine trong nhũ tương để lớp này trở nên chắc hơn trong các
nguyên công tiếp theo.
Từ lúc nhúng film vào dung dịch thuốc hãm đến khi biến mất các hạt muối bạc ban
đầu có màu vàng sữa, phân tán, được gọi là thời gian làm sạch. Sau đó cần khoảng
thời gian để tẩy sạch các hạt muối halogen bạc khuếch tán trong nhũ tương và để cho
lớp gelatine đạt được độ cứng mong muốn. Vì vậy, thời gian hãm tổng cộng ít nhất
phải bằng hai lần thời gian làm sạch. Dung dịch thuốc hãm được giữ ở trong khoảng
từ 18 oC đến 24 oC.
III.4.5. Nguyên công rửa làm sạch
Lớp nhũ tương trong film mang một số chất hoá học sang nước rửa. Những chất này
sẽ làm cho ảnh chụp bức xạ bị đổi màu và mờ dần sau năm tháng. Do đó film phải
được rửa sạch để loại bỏ những hợp chất hoá học này. Nguyên công này được thực
hiện theo các điều kiện:
Sử dụng dòng nước chảy sạch, lưu thông tuần hoàn sao cho toàn bộ diện tích của
lớp nhũ tương thường xuyên nhận được sự thay đổi.
Bộ kẹp film được nhúng chìm trong nước.
Cần phải rửa sạch (ngâm) ít nhất là 20 phút.
Nhiệt độ nước không được quá 25 0C để cho lớp nhũ tương không bị mềm ra và
bị rửa trôi đi.
Nhiệt độ của nước cũng không được dưới 15 0C vì nếu nước ở nhiệt độ thấp hơn
thì dung dịch hypo (dung dịch thuốc hãm) sẽ không được hoà tan tốt.
Lượng nước chảy trong bể phải được thay thế từ bốn đến tám lần trong một giờ
Có một số kiểu rửa sạch bằng bể một ngăn, dạng bể tầng hoặc dùng nhiều bể tuỳ từng
điều kiện cụ thể (h.VII.56)
Hình VII.56. Các loại bể: a)- Một ngăn; b)- Hai ngăn
III.4.6. Nguyên công sấy khô.
Là nguyên công cuối, phải thực hiện để không làm hỏng lớp nhũ tương hoặc tạo ra
các vết, dấu do quá trình sấy không đều. Để tránh tạo ra các vết trong quá trình sấy và
làm khô nhanh thì film được nhúng trong một dung dịch làm khô từ 15 đến 30 giây.
Dung dịch này giảm sức căng bề mặt của nước, tránh được sự hình thành các giọt
nước đọng. Nếu không sử dụng dung dịch làm khô thì nên lau sạch film. Film thường
được làm khô trong một tủ sấy có không khí tuần hoàn ở nhiệt độ từ 40 – 50 oC .
Nhiệt độ của không khí trong tủ sấy phải được điều chỉnh sao cho không làm cho
film bị cong hoặc khô không đều. Cẩn thận tránh để film chạm nhau trong tủ sấy.
III.5. Kỹ thuật chụp ảnh bức xạ kiểm tra các liên kết hàn
Trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các liên kết hàn hồ quang nóng chảy thì
cách bố trí film, mối hàn và nguồn phát bức xạ là rất quan trọng và cần phải ghi nhớ.
Các khuyết tật hàn thường xảy ra do chuẩn bị liên kết, trình tự hàn, xử lý nhiệt... Tốt
hơn hết là cần có đầy đủ các thông tin để dự đoán nguyên nhân gây ra khuyết tật cũng
như định vị chúng từ đó lựa chọn đúng các thông số chiếu chụp. Trong kiểm tra hàn
hồ quang nóng chảy có thể chia ra thành các liên kết sau
III.5.1. Các liên kết giáp mối tấm
Hàn giáp mối tấm thường được thực hiện với vát mép chữ V, chữ X hoặc để phẳng.
Trên (h. VII.57) chỉ ra các kiểu chụp. Đối với các liên kết dạng này thường dùng kỹ
thuật chụp mà trong đó film được đặt ôm sát với một bề mặt của mối hàn, nguồn phát
bức xạ ở phía bên kia, cách một khoảng đã tính toán. Nếu nguồn trên mặt phẳng qua
tâm đường hàn vuông góc với bề mặt thì xác định rất tốt các khuyết tật như nứt,
không thấu đáy. Nếu đặt lệch đi thì xác định được không ngấu. Các quá trình hàn là:
Có phần nhô hoặc không có nhô
Có phần nhô và tấm lót đáy liền (hàn trong môi trường khí bảo vệ)
Có phần nhô và tấm lót đáy sau đó bỏ lót đáy
Có phần nhô và lớp vật liệu phủ.
Hình VII.57. Sơ đồ chụp liên kết giáp mối
Theo quan điểm về phát hiện vết nứt trong mối hàn tấm phẳng, khoảng chiều dài mối
hàn trong mỗi lần chụp được quy định theo góc mở φ từ tia chính. Theo tiêu chuấn
Nhật bản JIS Z 3104 và 3105, giá trị góc này không lớn hơn 14o khi chụp thường
hoặc 9o khi chụp đặc biệt. Điều này được thực hiện bằng cách giữ khoảng cách từ
nguồn đến film lớn hơn hai lần chiều dài đường hàn được chụp.
III.5.2. Các liên kết góc, chữ T, chồng tấm
Hàn góc có thể vát mép hoặc không vát mà sơ đồ chiếu của chúng được trình bày
trên (h.VII.58). Hướng của chùm tia có ảnh hưởng đáng kể lên kết quả kiểm tra các
mối hàn góc, chữ T bằng chụp ảnh bức xạ. Do đó, cần phải xác định một hướng phát
chuẩn cho chùm tia bức xạ.
Nguồn chiếu được đặt lệch đi một góc để khỏi chạm thành và xác định được không
ngấu chân cũng như không thấu đáy.
Hình VII.58. Sơ đồ chiếu khi chụp mối hàn chữ T : a)- góc lệch 30o lấy
δ=1,1(δ1+ δ2) ; b)- góc lệch 45o lấy δ=1,4(δ1+ δ2)
Các liên kết hàn góc có hình dạng đặc biệt như không vát mép thường được kiểm
tra không ngấu cạnh.
Với liên kết chữ thập và liên kết chồng việc kiểm tra không thấu được thiết lập theo
sơ đồ (h.VII.59).
Hình VII.59. Sơ đồ chiếu khi chụp mối hàn chữ thập và chồng
Trong một mối hàn góc, chữ T, phần kiểm tra có
chiều dày xuyên thấu lớn nhất bằng khoảng hai lần chiều
dày xuyên thấu nhỏ nhất. Nếu thực hiện chụp theo hướng
chiều dày lớn thì khó tạo được toàn bộ hình ảnh của phần
được kiểm tra nằm trong phạm vi một dải độ đen cao.
Trong (h.VII.60) người ta sử dụng đệm bù để làm giảm
chênh lệch chiều dày, do đó việc chụp ảnh bức xạ sẽ thực
hiện được dễ dàng.
Hình VII.60. Bố trí đệm bù chiều dày
Trong kết cấu cơ khí, xây dựng, cầu, dầu khí ... rất hay sử dụng các thanh dầm có
tiết diện hình hộp được hàn lại bằng các tấm, dải, khi đó việc xác định vị trí tương
quan giữa nguồn, vật kiểm, film tùy theo kích thước tiết diện (h.VII.61).
Hình VII.61. Sơ đồ chiếu khi chụp dầm hộp: a)- Film đặt trong ; b)- Film đặt ngoài
III.5.3. Các liên kết giáp mối ống theo chu vi (hàn vòng)
Tùy thuộc vào kích thước và khả năng tiếp cận ống mà áp dụng các kỹ thuật sau
(i) Chiếu xuyên thành đơn
Nguồn được đặt bên trong còn film đặt ngoài ống (h. VII.54a). Vị trí lý tưởng là đặt
nguồn tại tâm ống, nó sẽ chụp được mối hàn vòng theo chu vi trong một lần chụp
toàn phương vì vậy tiết kiệm thời gian đáng kể. Tuy nhiên, kích thước của nguồn phụ
thuộc vào đường kính ống và chiều dày mối hàn. Kích thước nguồn được tính theo
công thức :
d ≤ 1/5*[(D/2δ)-1] (7.20)
Trong đó D và δ là đường kính và chiều dày ống
Để dễ kiểm tra các mối hàn đường ống áp lực có thành dày người ta thường khoét lỗ
gần đó để đưa nguồn phát tia γ vào trong. Khi đường kính ống nhỏ, cần giảm độ nhòe
hoặc do kích thước nguồn phải đặt nguồn lệch tâm (h. VII.54b)
Việc kiểm tra hàn đường ống dẫn có thể thực hiện nhanh chóng nhờ máy phát tia X
hoặc nguồn hoạt độ cao gắn với xe «bò» (crawler). Crawler bò trong ống với tốc độ
định sẵn. Trong trường hợp này ảnh sẽ bị thêm độ nhòe dịch chuyển Um. Nguồn cũng
có thể đặt ngoài ống với khoảng cách hợp lý còn film thì được đặt sát bên trong thành
ống (h. VII.54c). Kỹ thuật này cho độ nhạy phát hiện khuyết tật cao hơn. Tuy nhiên
nó có nhược điểm là chiều dài cho phép được giải đoán ngắn lại nên phải tăng số lần
chụp khi kiểm tra toàn bộ chu vi.
(ii) Chiếu xuyên thành kép :
Khi không thể tiếp cận được bên trong ống đường kính nhỏ thì cả film và nguồn đều
được đặt bên ngoài (h.VII.54d).
Kỹ thuật hai thành một ảnh (h.VII.62) : nguồn và film được bố trí ở một
khoảng cách ngắn nhằm làm mất hình ảnh của phần mối hàn bên trên gần nguồn.
Film ôm sát mối hàn ở phía đối diện với nguồn qua ống. Phần chồng của ảnh được
tránh bằng cách dịch nguồn lệch góc 10o – 15o so với mặt phẳng đường tâm hàn. Ảnh
bức xạ nhận được là ảnh của phần mối hàn nằm sát với film nhất. Kỹ thuật này cho
kết quả tốt nhất với đường kính ống lớn hơn 90 mm. Khi không thể đặt nguồn lên ống
vì kích thước nguồn hoặc chiều dày thành ống, khoảng cách từ nguồn tới film được
điều chỉnh theo giá trị độ nhòe hình học Ug. Lúc này ảnh của mối hàn phía nguồn
được ghi được ghi nhận mờ mờ không dùng để giải đoán.
Hình VII.62. Kỹ thuật chụp ống hai thành một ảnh
Kỹ thuật hai thành hai ảnh (h. VII.63): Kỹ thuật này đặc biệt thích hợp để kiểm tra
ống đường kính nhỏ hơn 90 mm. Nguồn được đặt cách film một khoảng lớn và
nghiêng đi để tránh ảnh phía hàn trên chồng phía dưới. Kết quả ảnh bức xạ của mối
hàn trên film có dạng hình ellipse. Để kiểm tra toàn bộ phải chụp ít nhất hai lần và
lần sau xoay đi 90o.
Hình VII.63. Kỹ thuật chụp ống hai thành hai ảnh
Trong các kỹ thuật đã nói ở trên, chiều dài hiệu dụng của mối hàn được chấp nhận
để giải đoán là thông số quan trọng nhất, đặc biệt là kỹ thuật chụp film bên trong và
hai thành một ảnh. Khi bố trí nguồn – ống – film cần chú ý rằng do độ mở, tại trục
tâm của chùm tia vào giữa film có chiều dày đâm xuyên
nhỏ hơn phía mép film nên độ đen tại giữa film thường
lớn hơn hai bên mép. Trong thực tế yếu tố này được kiểm
soát bằng cách chỉ cho phép giải đoán film có độ đen
thích hợp.
III.5.4. Các liên kết hàn ống chữ T (nozzle T)
Trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ kiểm tra các mối hàn ống chữ T thì cách bố trí
nguồn, film được biểu diễn trong (h.VII.64). Nguồn phải được đặt sao cho trục tâm
của chùm tia bức xạ tạo với vách thành ống nhánh một góc khoảng 70.
Trong kiểm tra các liên kết hàn ống chữ T thường sử dụng đệm bù để độ đen trên
film khi giải đoán được đồng nhất.
Hình VII.64. Bố trí khi kiểm tra hàn ống chữ T
III.5.5. Phát hiện và định vị chiều sâu khuyết tật
Trong chụp ảnh có thể phát hiện tốt các khuyết tật nứt dọc hoặc ngang trong vũng
hàn và trong kim loại cơ bản mà lệch với hướng chiếu không quá 12o; không ngấu tại
giao diện vũng hàn với vùng ảnh hưởng nhiệt; lẫn xỉ và wolfram; rỗ co, rỗ khí; cháy
lẹm, cháy thủng...
Trên film đã xử lý phát hiện được khuyết tật kích thước lớn hơn 0,05 mm, các khuyết
tật có thể phân tán hay tập trung. Người giải đoán có thể xác định được tọa độ cũng
như kích thước khuyết tật (dài*rộng). Nếu vật kiểm dày thì việc xác định chiều sâu
khuyết tật là rất cần thiết vì nó làm giảm chi phí cho việc sửa mối hàn và đánh giá
được mức độ phá hủy trong thời gian làm việc. Để định vị khuyết tật theo chiều sâu
có thể theo những phương pháp sau đây:
(i) Phương pháp chiếu cạnh
Nếu kích thước vật kiểm cho phép, thì có thể tạo được hai ảnh chụp bức xạ trên
hai film với hai hướng chiếu vuông góc với (h.VII.65).
Hình VII.65. Phương pháp chiếu cạnh
Phương pháp này đơn giản nhất và cho kết quả rất chính xác. Nhược điểm của
phương pháp này là khó chụp được vật hàn tấm rộng.
(ii) Phương pháp dịch nguồn
Phương pháp này rất phù hợp với các vật hàn có dạng phẳng được trình bày như sau:
Trước hết, thực hiện chụp theo cách thông thường để có được ảnh vật kiểm và
đánh dấu vị trí khuyết tật (theo hai chiều) lên mặt trên của vật kiểm.
Chiếu hai lần trên cùng một film, mỗi lần chiếu sử dụng một liều chiếu bằng một
nửa liều chiếu tổng tương ứng với khoảng cách từ nguồn đến film cho trước. Giữa hai
lần chiếu này thì nguồn được xê dịch một khoảng cách nào đó trong mặt phẳng song
song với film theo chiều dài của khuyết tật (h.VII.66). Tất nhiên có thể dịch chuyển
vật kiểm còn nguồn đứng yên.
Sau khi xử lý tráng rữa film xong thì đo
khoảng cách xê dịch ảnh của khuyết tật trên film.
Gọi b - khoảng cách xê dịch nguồn phát chùm
tia bức xạ.
F - Khoảng cách nguồn – film được đo
theo đường vuông góc
a - Khoảng cách xê dịch ảnh.
d - Khoảng cách từ khuyết tật đến film.
Theo công thức về tam giác đồng dạng ta có :
(7.21)
Hình VII.66. Phương pháp xê dịch nguồn.
Khoảng dịch nguồn phát chùm bức xạ không được quá lớn vì có thể làm méo hình
ảnh ghi nhận được trên film, hoặc quá nhỏ không đủ khoảng cách tách rời giữa hai
hình ảnh và làm cho việc đo khoảng cách xê dịch ảnh khó. Giá trị thích hợp có thể sử
dụng được là F/3.
(iii) Phương pháp đánh dấu chì
Đây là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để định vị
chiều sâu khuyết tật. Nó tương tự như phương pháp dịch nguồn, nhưng khoảng cách
dịch nguồn cũng như F không cần đo. Phương pháp này được trình bày như sau :
Chụp theo cách thông thường để có ảnh chụp bức xạ của vật kiểm theo hai chiều.
Đánh dấu vị trí khuyết tật lên mặt trên của vật kiểm theo hai chiều.
Đặt hai sợi dây mảnh bằng chì lên vật kiểm (một được đặt lên bề mặt ở phía
nguồn và dây kia lên bề mặt phía film), nằm gần và dọc theo chiều dài ở bất cứ cạnh
nào của khuyết tật. Cần phải đặt cẩn thận để tránh hình ảnh của khuyết tật và hình
ảnh của vật đánh dấu trùng hoặc trộn lẫn lên nhau.
Chiếu hai lần trên cùng một film, mỗi lần chiếu với liều chiếu bằng một nửa liều
chiếu tổng cộng tương ứng với khoảng cách từ nguồn đến film F cho trước. Giữa hai
lần chiếu này nguồn được xê dịch với một khoảng cách nào đó trong mặt phẳng song
song với film theo chiều dài của khuyết tật.
Sau khi xử lý tráng rửa film xong thì đo khoảng cách xê dịch ảnh của khuyết tật
và hình ảnh các sợi chì đánh dấu trên film (h.VII.67).
Từ đó nhận thấy rằng, sự dịch ảnh khuyết tật và của các vật đánh dấu tỉ lệ với
khoảng cách của chúng đến film, chiều dày vật đánh dấu được bỏ qua.
Gọi d - Khoảng cách từ khuyết tật đến mặt dưới vật kiểm.
X1, X2 , X3 - Khoảng xê dịch ảnh của sợi chì phía film, khuyết tật, sợi chì phía nguồn
Y1, Y2, Y3 - Khoảng cách từ sợi chì phía film, khuyết tật, sợi chì phía nguồn tới film
Hình VII.67. Phương pháp đánh dấu chì.
Từ đó nhận được một đường thẳng (h.VII.68a) Y = f(X). Từ đồ thị này có thể đánh
giá được khoảng cách từ khuyết tật đến film Y theo sự dịch chuyển hình ảnh của
khuyết tật X.
Một cách tốt hơn là vẽ đồ thị khoảng cách từ hai vật đánh dấu đến mặt dưới của
vật kiểm theo khoảng xê dịch hình ảnh (h. VII.68b). Cách này không cần đo chiều
dày cassette và màn tăng cường. Trong trường hợp này thì khoảng cách từ mặt dưới
của vật kiểm đến vật đánh dấu phía film bằng không và khoảng cách từ vật đánh dấu
đặt ở phía nguồn đến mặt dưới vật kiểm chính là chiều dày δ.
Hình VII.68. Đồ thị biểu diễn khoảng cách theo khoảng dịch ảnh.
Từ (h.VII.68) có thể tìm được khoảng cách từ khuyết tật đến mặt dưới vật kiểm
d, nếu biết được khoảng xê dịch hình ảnh của khuyết tật, ngoài ra d cũng có thể được
tính theo công thức sau:
(7.22)
III.5.6. Chụp ảnh bức xạ các mẫu có chiều dày thay đổi
Trong các trường hợp này thường khó đạt được độ đen cho phép với những phần
mỏng và dày chỉ trong một ảnh chụp bức xạ. Sự khó khăn này có thể khắc phục được
theo ba cách sau đây :
(i) Làm giảm độ tương phản của ảnh chụp bức xạ bằng cách sử dụng
Bức xạ tia X hay tia gamma có năng lượng cao.
Các bộ lọc nằm giữa ống phát bức xạ tia X và vật kiểm.
Film có độ tương phản thấp.
(ii) Đệm bù
Không chỉ kiểm tra liên kết hàn ống chữ T, mà khi kiểm tra các liên kết hàn chiều
dày thay đổi đột ngột người ta cũng dùng đệm bù là chất rắn (đặc/bột) hay chất lỏng.
Mục đích dùng đệm bù để làm đều độ đen trên ảnh chụp (h.VII.69). Đệm bù được
chế tạo từ các vật liệu có mật độ và nguyên tử số tương đương vật kiểm. Thường
dùng muối của các chất nặng, phoi bột...
Hình VII.69. Sử dụng đệm bù khi chụp: 1) – nguồn; 2) – vật kiểm; 3) – đệm bù; 4) -
film
(iii) Dùng nhiều film có tốc độ khác nhau: Điện áp, liều chiếu và các loại film kết hợp
sao cho chỉ trong một lần chiếu sẽ được độ đen cần thiết, các phần dày của vật kiểm
được ghi nhận bằng film nhanh, phần mỏng được ghi bằng film chậm (h.VII.70).
Hình VII.70. Kỹ thuật chụp film kép có tốc độ khác nhau
Nếu sử dụng các màn tăng cường bằng chì sẽ làm tăng hoặc giảm tỉ số liều chiếu lên
các film.
Ví dụ: nếu film chậm với màn tăng cường bằng chì được đặt trước một film nhanh,
thì tỉ số liều chiếu bị giảm xuống; vì film nhanh hơn sẽ bị trở nên ít nhanh hơn do sự
hấp thụ bức xạ trong các màn chì của film chậm đã cản trở và ngược lại cũng vậy.
Bằng cách này thì ta có thể thay đổi liều chiếu tương đối của các film một cách lệch
nhau. Vì vậy việc sử dụng các màn tăng cường bằng chì đôi khi có lợi.
III.5.7. Kiểm tra chất lượng hàn điện tiếp xúc bằng chụp ảnh bức xạ
Trong quá trình hàn điểm và hàn đường (lăn) các tấm mỏng, điện cực hàn ép chặt
các tấm tại vùng hàn. Khi cho dòng điện cường độ cao đi qua vùng tiếp xúc dẫn đến
sự chảy dẻo kim loại tạo thành nhân hàn, liên kết
các phần tử với nhau. Trên ảnh chụp các liên kết
hàn này có thể phát hiện nứt, rỗ, vết tóe. Tuy
nhiên khuyết tật chủ yếu và nguy hiểm nhất của
liên kết kiểu này là không thấu. Các khuyết tật này được phát hiện bằng chụp ảnh
trong trường hợp hợp kim hàn có thành phần hóa học không đồng nhất (h.VII.71).
Hình VII.71. Sơ đồ chụp khi hàn điểm
Ví dụ hàn hợp kim duralumin Д16 hoặc magnesium MA2, khi nguội tại biên giới
các pha rắn xảy ra sự lắng các tinh thể nặng (đồng) do thiên tích nên giảm lượng
đồng. Lớp tinh thể nghèo đồng sẽ cho chùm tia bức xạ đâm xuyên dễ hơn và trên film
hiện lên vòng tối bao quanh vùng nhân hàn màu sáng. Nếu quá trình hàn tạo thành
nhân tốt thì trên film không có vùng tối.
Khó phát hiện được khuyết tật hàn điểm và hàn đường các hợp kim titan và thép
bằng chụp ảnh bức xạ vì không có sự khác biệt lớn giữa nhân chảy dẻo với kim loại
cơ bản trên film. Khi cần phải kiểm tra người ta đưa các vật liệu tương phản dưới
dạng bột khô, bột nhão hoặc lá mỏng vào giữa các tấm hàn. Vật liệu tương phản có
hệ số suy giảm lớn hơn kim loại cơ bản. Trong quá trình hàn kim loại tương phản
chảy ra và tập trung tại biên giới nhân hàn, điều này cho phép phát hiện khuyết tật tại
nhân trong quá trình chụp.
III.5.8. Kiểm tra mối hàn vảy và liên kết dạng tổ ong
Các khuyết tật chủ yếu của hàn vảy được phát hiện bằng chụp ảnh bức xạ là nứt, tại
vảy hàn và trong kim loại cơ bản; thiếu vảy hàn cục bộ hoặc vảy hàn chảy khỏi vùng
vùng hàn; rỗ hoặc lẫn vật lạ. Dạng cơ bản của liên kết hàn vảy là giáp mối, chồng
hoặc chữ T (h.VII.72). Ở các liên kết hàn này cần phải chiếu theo phương vuông góc
hoặc xiên góc với bề mặt liên kết. Trong trường hợp các ống lồng thì chiếu theo
phương vuông góc với trục ống. Trên ảnh mối hàn vảy các phần trên và dưới chồng
lên nhau; tuy nhiên nó không cản trở việc giải đoán và đánh giá chất lượng hàn vì
liên kết hàn vảy chịu lực cho đến khi hỏng toàn bộ vảy hàn.
Hình VI.72. Sơ đồ chụp các liên kết hàn vảy: a)- dạng tấm; b)- dạng ống
Trong các kết cấu dạng tổ ong người ta hàn vảy sau khi đã lắp ráp sơ bộ (thanh,
tấm), các liên kết hàn chủ yếu là hàn chồng và chữ T. Nếu thành mỏng hơn 25 mm thì
dùng kỹ thuật thành kép nhưng phải thận trọng vì dễ bị chồng ảnh. Nếu thành dày
quá 25 mm thì dùng kỹ thuật thành đơn (h.VII.73). Lúc đó sử dụng bộ lọc dạng nêm
để cho độ đen của film được đồng nhất trên diện tích chiếu khá lớn. Hình ảnh mối
hàn phía trên bị mờ đi nên không ảnh hưởng tới ảnh mối hàn dưới. Khuyết tật như
không ngấu cục bộ hoặc rỗ khí được phát hiện ở dạng vùng tối còn nứt có dạng
đường tối.
Hình VII.73. Kiểm tra kết cấu dạng tổ ong: 1)- nguồn; 2)- film; 3)- bộ lọc dạng nêm;
4)- tia trung tâm
III.6. Giải đoán và đánh giá chất lượng mối hàn sau khi chụp ảnh bức xạ
III.6.1. Giải đoán
Việc thực hiện giải đoán và đánh giá chất lượng do một nhóm chuyên gia thực hiện
và đưa ra báo cáo bằng văn bản (report). Việc giải đoán ảnh chụp bức xạ phải tỉ mỉ để
thấy được những chi tiết trên ảnh ở mức rõ nhất. Mỗi quốc gia, mỗi ngành công
nghiệp dùng kết cấu hàn đều có quy phạm và tiêu chuẩn, mức độ quy định khuyết tật
cho mình. Tuy nhiên trên ảnh chụp đều phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
Thấy được toàn bộ mối hàn, phần nhô, vùng lân cận mà chiều rộng được xác định
theo quy định
Nhìn rõ các số, chữ mã hóa, chỉ thị chất lượng ảnh.
Trên ảnh không được có các vết bẩn, xước, vân tay, đọng nước, màng trắng nhờ
do nước rửa bẩn
Không có “khuyết tật” khi chiếu chụp và xử lý film
Để có được các điều kiện cần thiết thì các yếu tố sau đây phải thỏa mãn những yêu
cầu nhất định:
Độ đen: Độ đen của film phải được đo trước khi đọc và giải đoán. Để phát hiện
được khuyết tật phải có sự chênh lệch độ đen tối thiểu, chú ý là độ đen film và độ
sáng của màn soi film là những thông số ảnh hưởng tương hỗ nhau
Độ sáng của đèn đọc film: độ sáng của đèn được chi tiết hóa cho ba giá trị độ đen
của film là 1,0; 2,0 và 3,0. Độ đen lớn hơn 4,0 thường ít được sử dụng. Ngoài ra
đối với độ sáng của màn soi film thì cần phải chú ý đặc biệt đến độ chói. Ánh sáng
phát ra từ đèn đọc film thường là trắng nhưng có thể là dải màu giữa da cam và
xanh nhạt.
Ánh sáng nền: Ánh sáng nền phải khuếch tán nên sử dụng tấm kính trắng đục
mỏng là đủ đạt yêu cầu. Ảnh chụp bức xạ phải được kiểm tra trong phòng tối hoặc
trong phòng kín, lưu ý trong phòng phải giữ ánh sáng phản xạ từ bề mặt film trực
tiếp đến mắt người quan sát càng ít càng tốt. Độ sáng của tấm kính trắng đục để
chắn ánh sáng xung quanh phải không vượt quá 10% cường độ sáng của vùng trên
film đang chiếu sáng để kiểm tra.
Thị lực của người quan sát: Những người đọc film hằng năm phải kiểm tra thị lực
tại khoảng cách xem film thông thường của họ. Nếu cần phải đeo kính hoặc dùng
một kính phóng đại để đọc film.
III.6.2. Đánh giá chất lượng ảnh bức xạ
Chất lượng có thể được xác định dưới dạng độ tương phản, độ phân giải, độ hạt
hiện ra trên một ảnh chụp bức xạ. Những yếu tố chất lượng trên lại bị ảnh hưởng bởi
một số lượng lớn các yếu tố khác mà trong số đó là : năng lượng bức xạ, quá trình
lọc, chiều dày, mật độ và nguyên tử số của vật kiểm, kích thước nguồn, khoảng cách
từ nguồn đến film và từ vật kiểm đến film, tán xạ, sự kết hợp giữa film với màn tăng
cường và giữa loại film với quá trình xử lý tráng rữa.
Trong mối hàn có nhiều loại bất liên tục nằm trên bề mặt và bên trong. Khi phát hiện
được chỉ thị về bất liên tục, bằng chuyên môn và kinh nghiệm của mình, người giải
đoán phải biết được bản chất của chúng, xác định kích thước rồi quyết định chấp
nhận hay loại bỏ.
Độ lớn khuyết tật được đo theo hình ảnh trên film bằng các dưỡng đo có chia vạch
đến 0,1 mm hoặc các lỗ với đường kính định sẵn. Do độ mở của chùm tia kích thước
trên film bao giờ cũng lớn hơn kích thước thực.
Trên biên bản kết quả kiểm tra phải ghi đầy đủ các thông số, đánh giá kết quả có thể
bằng các chữ viết tắt. Ghi nhận các bất liên tục và chỉ ra khuyết tật.
IV. KIỂM TRA BẰNG SOI ẢNH
IV.1. Phân loại các phương pháp
Soi ảnh bức xạ dựa trên cơ sở chiếu tia bức xạ ion hóa vào vật kiểm; biến đổi hình
ảnh bức xạ ẩn của vật thành ảnh khuất sáng hoặc ảnh điện tử; khuếch đại và truyền
những ảnh này trực tiếp cho người thao tác hoặc truyền đi một khoảng cách nhờ hệ
thống quang học truyền hình và mới đây là internet để sau đó phân tích ảnh thấy
được trên màn hình.
Trong thực tế người ta chia phương pháp soi ảnh thành phương pháp biến đổi trực
tiếp ảnh bức xạ ẩn của vật thành ảnh khuất sáng và phương pháp biến đổi tầng ảnh
bức xạ ẩn của vật thành ẩn khuất sáng cả với truyền quang học trực tiếp thông tin
nhìn thấy cho người thao tác cũng như truyền xa nhờ hệ thống truyền hình.
Trên (h.VII.74) trình bày sơ đồ các phương pháp biến đổi:
Hình VII.74. Các phương pháp biến đổi: 1)- Nguồn; 2)- Vật kiểm; 3)- Màn soi huỳnh
quang/ tinh thể nhấp nháy; 4)- Thấu kính; 5)- Bộ khuếch đại ánh sáng nhìn thấy điện
tử- quang; 6)- Màn hình phát quang; 7)- Bộ biến đổi điện tử- quang; 8)- Ống truyền
hình; 9)- Khối liên hệ truyền hình; 10)- Màn hình.
Trong tất cả các phương pháp trên đều dựa vào ba hiện tượng vật lý cơ bản:
Sự phát quang của các tinh thể dưới tác động của bức xạ ion hóa.
Hiệu ứng quang điện dưới tác động của bức xạ ion hóa; hoặc là gây phát quang
kèm theo sự phát xạ electron ra khỏi bề mặt vật chất trong chân không hay trong
chất khí dưới sự tác động lên bề mặt này của bức xạ.
Phát xạ electron thứ cấp khi biến đổi hình ảnh điện tử thành tín hiệu điện rồi sau
đó tái hiện lại hình ảnh nhìn thấy trong hệ thống truyền hình.
Tác động của màn hình soi ảnh huỳnh quang, tinh thể nhấp nháy và các chất phát
quang được sử dụng trong bộ biến đổi ảnh, bộ khuếch đại độ nét điện tử- quang và
ống thu vô tuyến dựa trên nguyên lý phát quang. Hiệu ứng quang điện được sử dụng
trong vidicon-roentgen, bộ biến đổi hình ảnh và bộ khuếch đại độ nét điện tử- quang.
Còn hiện tượng phát xạ electron thứ cấp – trong các ống phát và thu hình, bộ biến đổi
hình ảnh và bộ khuếch đại độ nét điện tử- quang.
Nguồn phát bức xạ ion hóa khi soi ảnh đa số là máy phát roentgen. Máy gia tốc
tuyến tính và gia tốc vòng được dùng hạn chế hơn. Các nguồn đồng vị có suất liều
phát bức xạ γ lớn (RHM= 700 ÷ 7000) cũng được dùng. Việc sử dụng lò phản ứng
hạt nhân và máy phát neutron để soi ảnh neutron cũng có triển vọng.
IV.2. Bộ ghi nhận soi ảnh
IV.2.1. Các đặc trưng cơ bản:
Các bộ ghi nhận soi ảnh cơ bản, mà chúng biến đổi ảnh bức xạ ẩn của vật thành ảnh
khuất sáng là các màn hình huỳnh quang, tinh thể nhấp nháy, bộ biến đổi điện tử-
quang và các màn hình điện phát quang (bảng VII.11). Bộ biến đổi điện tử- quang và
màn hình điện phát quang đồng thời dùng để khuếch đại độ chói sáng hình ảnh.
Ngoài ra bộ khuếch đại ánh sáng nhìn thấy và kỹ thuật truyền hình được dùng để tăng
cường độ chói sáng hình ảnh. Để bộ ghi nhận đảm bảo biến đổi trực tiếp ảnh của bức
xạ ion hóa thành tín hiệu điện người ta dùng roentgen-vidikon.
Bảng VII.11 Đặc trưng các bộ ghi nhận
Bộ ghi nhận Đặc điềm cơ bản Khả
năng
Hệ số
khuếch
Thời gian dư quang
của màn hình khi độ
Hệ số
tương
Dải năng
lượng làm
phân
giải
(mm-1)
đại độ
chói sáng
chói sáng Lv= 1 Cd/m2 phản việc
(kV)
Màn soi
huỳnh quang
Tinh thể nhấp
nháy
Màn hình điện
phát quang
Bộ biến đổi
điện tử- quang
Bộ khuếch đại
ánh sáng nhìn
thấy điện tử-
quang
Roentgen-
vidikon
Hệ thống
truyền hình
kín
Bộ biến đổi hình ảnh với
chất nền (Zn, Cd)S(Ag),
CaWO4
Bộ biến đổi hình ảnh với
chất nền CsI(Tl), NaI(Tl)
Bộ biến đổi-khuếch đại độ
chói sáng hình ảnh với chất
nền truyền quang
Bộ biến đổi-khuếch đại độ
chói sáng hình ảnh với chất
nền phát quang
Bộ khuếch đại độ chói sáng
với chất phát quang
Bộ biến đổi-khuếch đại độ
chói sáng hình ảnh
Bộ khuếch đại hình ảnh
trong ống: superorthicon,
vidicon...
3
5 – 12,5
3 – 10
1 – 3
1 – 2
0,5 – 50
--
1
5 – 15
10 – 102
103 – 10-1
104 - 105
20 – 50
--
10-2 – 10-1
10-5 – 10-8
3 – 30
10-3 – 10-1
10-3 – 10-1
10-1 – 1
10-1 - 600
1
1
2
1
1
0,7
4 - 10
60 - 150
150 – 2000
60 – 300
60 – 2000
60 – 2000
40 – 1500
--
Do việc giải đoán bằng soi ảnh người thao tác phải thực hiện bằng mắt, phổ nhìn
thấy phát sáng của màn hình cần phải tương
thích theo độ nhạy phổ với độ nhạy mắt người.
Độ nhạy mắt phụ thuộc vào bước sóng và độ
chiếu sáng ảnh trong điều kiện ban ngày và lúc
tối trời (h.VII.75)
Hình VII.75. Độ nhạy phổ của mắt (tương đối)
theo bước sóng: 1) - dưới ánh sáng Lv= 10
Cd/m2; 2) – Lv= 0,32 Cd/m2; 3) – trạng thái phổ bức xạ của màn huỳnh quang
(Zn,Cd)S(Ag)
IV.2.2. Màn hình huỳnh quang:
Nguyên lý hoạt động của màn hình huỳnh quang dựa trên cơ sở sự phát quang tức
thời của các tinh thể dưới tác động của bức xạ ion hóa (h.VII.76). Ống phát bức xạ tia
X, vật kiểm và màn huỳnh quang được đặt trong buồng bảo vệ. Bức xạ tia X truyền
qua vật kiểm sẽ kích thích chất phát huỳnh quang phát ra các vệt sáng trong vùng bị
chiếu xạ mạnh hơn. Vì vậy, hình ảnh huỳnh quang là dương bản, trong khi ảnh đã
hiện là ảnh âm bản. Ảnh trên màn huỳnh quang có thể quan sát được trực tiếp hoặc
bằng kính.
Hình VII.76. Nguyên lý soi ảnh trên
màn huỳnh quang
Hình VII.77. Quan hệ giữa năng lượng với độ
chói sáng tương đối (1) – tinh thể nhấp nháy;
(2) – màn huỳnh quang
Theo bảng 9. việc dùng chất phát quang chỉ ra rằng thành phần phổ do chúng phát ra
ánh sáng thấy phải tương thích với độ nhạy quang phổ của mắt người khi trời tối. Các
chất phát quang được dùng trong màn huỳnh quang có chiều dày trung bình 85 mg/
cm2 với mật độ khoảng 4,5 g/cm3. Các kích thước màn hình thường bằng 40*40;
35,6*35,6; 30*40; 24*30 và 18*24 (cm). Sự phụ thuộc độ chói sáng Lv của màn hình
vào năng lượng bức xạ ion hóa khi suất liều phát RHM trong không khí được chỉ ra
trên (h.VII.77).
Giá trị cực đại của tỉ số Lv/RHM ≈ 3.10-3 Cd.s/R.m2 đạt được khi năng lượng từ 45 –
55 keV. Khoảng năng lượng đó là tối ưu cho các màn hình, vì với giá trị đó độ nhạy
chiếu sáng là tốt nhất. Khi sử dụng máy phát tia X việc tăng suất liều phát, do đó tăng
cả độ chói sáng màn hình, đạt được bằng cách tăng cường độ và điện áp ống. Tuy
nhiên trong trường hợp này xảy ra sự giảm độ tương phản hình ảnh cũng như khả
năng phân giải vì năng lượng bức xạ hiệu dụng tăng lên. Ngoài ra bức xạ tán xạ cũng
ảnh hưởng không tốt đến hình ảnh nên phòng soi ảnh được lát chì và phải có dụng cụ
chuẩn trực để loại bớt chùm biên.
Cũng có thể tăng độ chói sáng màn hình bằng cách giảm tiêu cự từ nguồn đến màn
hình trong một phạm vi nào đó (h.VII.78).
Hình VII.78. Quan hệ giữa độ chói sáng
của màn huỳnh quang với tiêu cự khi điện
áp khác nhau.
Hình VII.79. Quan hệ giữa độ chói sáng
của tinh thể nhấp nháy (nét liền) và màn
huỳnh quang (nét đứt) với chiều dày thép
khi dòng không đổi.
Mức độ giảm này bị giới hạn bởi kích thước tiêu điểm nguồn, khả năng phân giải nhỏ
và độ nhòe bên trong màn hình lớn. Sự giảm chiều dày vật kiểm (h.VII.79) cho phép
nâng cao độ chói sáng. Rõ ràng với cùng điều kiện, khi chiếu xuyên qua vật liệu có
mật độ lớn hơn thì độ chói sáng trên màn hình sẽ giảm đi.
IV.2.3. Tinh thể nhấp nháy
Nguyên lý hoạt động của tinh thể nhấp nháy dựa vào khả năng của các đơn tinh thể
dạng CsI (Tl), NaI (Tl), KI (Tl) được phát sáng khi bức xạ ion hóa tác động. Các tinh
thể này vượt trội so với màn hình huỳnh quang về nhiều thông số, nhất là khả năng
phân giải và hiệu quả ghi nhận. (bảng 9.16).
Ưu điểm của các tinh thể nhấp nháy bao gồm: phổ sáng của tinh thể trùng với phổ
đặc trưng của cathode quang điện trong bộ khuếch đại chói sáng hình ảnh; cấu trúc
hạt không có cho phép tạo nên bộ dò chiều dày lớn để ghi nhận tốt các bức xạ năng
lượng cao từ 15 – 30 MeV; độ trong suốt đối với bức xạ của từng tinh thể; thời gian
dư quang ngắn (10-5 – 10-8 s) đảm bảo hình ảnh hiện ra và mất đi không bị quán tính;
có khả năng chế tạo bộ dò dưới dạng đơn tinh với đường kính đến 200 mm.
Ngoài các nhấp nháy vô cơ người ta còn dùng nhấp nháy hữu cơ như naftalin có
thời gian dư quang chỉ 10-9 sec và hiệu quả ghi nhận thấp phù hợp với các tinh thể
mật độ thấp (ρ≤ 1,3 g/cm3) và nguyên tử số nhỏ (Z≤ 6). Khác với màn hình, tỉ số độ
chói sáng Lv của tinh thể với suất liều phát RHM thực tế không phụ thuộc vào sự thay
đổi năng lượng bức xạ (h.VII.78). Khi tăng chiều dày che chắn và điện áp ống
roentgen độ chói sáng của tinh thể cũng như màn hình đều giảm nhưng mức độ giảm
độ chói sáng màn hình nhiều hơn (h.VII.79). Các
tinh thể CsI(Tl) có độ chói sáng nhỏ hơn tinh thể
NaI(Tl) khi chiếu cùng một liều bức xạ. Tuy
nhiên CsI(Tl) được sử dụng nhiều hơn do nó ít
hút ẩm hơn NaI(Tl).
IV.2.4. Màn hình điện phát quang
Nguyên lý hoạt động của màn hình điện phát quang dựa vào việc chiếu chất phát
quang nào đó dưới tác động của điện trường thay đổi, khi đó xảy ra sự khuếch đại độ
chói sáng (h.VII.80).
Hình VII.80. Cấu tạo màn hình điện phát quang
Màn hình điện phát quang hai điện cực là tụ điện dạng phân lớp cấu tạo bằng lớp nền
ngoài trong suốt 1, các lớp mờ dẫn điện 2 và 7, mà đặt giữa chúng là các lớp truyền
quang 6 và chất điện quang 3, cũng như các lớp đục 4 và 5, loại bỏ liên hệ ngược
giữa chất điện quang và chất truyền quang. Điện áp xoay chiều 600 – 800 V với tần
số 60 – 3000 Hz được đưa vào lớp phủ dẫn điện 2 và 7.
Khi chưa có bức xạ ion hóa một phần điện áp rơi trên lớp truyền quang vì điện trở
suất ở đó cao, trong lúc đó trên lớp điện quang điện áp rơi không đáng kể, cho nên nó
không phát huỳnh quang. Tuy nhiên khi chiếu chất truyền quang bằng bức xạ ion
hóa, điện trở của nó bắt đầu giảm với việc tăng cường độ bức xạ, khi đó điện áp trên
chất điện quang tăng. Điều đó gây ra sự chiếu chụp mà có thể quan sát từ phía kính 1
Nhược điểm của màn hình điện phát quang hai điện cực là thời gian dư quang lớn,
điều này hạn chế khả năng sử dụng khi kiểm tra vật kiểm chuyển động cũng như
chiếu chế độ tối.
Một số kiểu màn hình điện phát quang hai điện cực nhận được độ tương phản hoàn
toàn hình ảnh khuyết tật, điều này đạt được bằng cách đưa vào giữa các lớp 2 và 7
điện cực điều khiển dạng lưới.
Việc chọn biên độ và phase của điện áp xoay chiều cấp cho điện cực có thể làm tăng
hay giảm độ chói sáng nền và khuyết tật.
IV.2.5. Bộ biến đổi điện tử- quang của bức xạ roentgen và tia X
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện tử- quang dựa vào sự phát quang của các
chất dưới tác động của bức xạ ion hóa và sau đó khuếch đại độ chói sáng lên 10 3 –
104 lần nhờ sự tăng tốc quang điện tử được phóng ra bởi cathode quang
(photocathode) trong trường tĩnh điện (h.VII.81). Bộ biến đổi điện tử- quang được có
dạng bóng thủy tinh 2 hút chân không đến 10-7 mm Hg. Bên trong bóng có đặt các
màn vào/ ra. Màn vào 3 gồm tấm nhôm hình cầu, lớp phát quang là các chất sulfide
kẽm và cathode quang antimony-caesium.
Màn ra 4 nhỏ hơn màn vào (đường kính 100 –
250 mm) 10 lần. Cấu tạo màn ra gồm anode
nhôm hình côn bên trong có tấm thủy tinh
được quét lên các lớp phát quang kẽm-sulfide-
selenide.
Hình VII.81. Cấu tạo
bộ biến đổi điện tử– quang
Bề mặt trong của bóng thủy tinh có tráng lớp dẫn điện, được dùng làm điện cực điều
tiêu. Điện cực 5 chịu điện áp không đổi 300 V, màn vào và anode chịu điện áp 25 kV.
Tia X và lượng tử γ đâm xuyên qua vật kiểm 1 làm chất phát quang bắt đầu phát
sáng. Dưới tác động của chất phát sáng này trong cathode quang xuất hiện các quang
điện tử (photoelectron), chúng được điều tiêu (định hướng) và tăng tốc bởi trường
tĩnh điện làm màn ra 4 phát sáng. Hình ảnh trên màn hình 4 được quan sát qua lớp
kính chì nhờ hệ quang 6 hoặc được truyền đến ống nhận hình.
Khả năng phân giải của màn ra tùy thuộc vào mức độ thăng giáng của hình ảnh điện
tử quang. Điều này dẫn đến khả năng phân giải không đều và thay đổi 1,5 – 3
vạch/mm tại tâm và 1,0 – 1,8 vạch/mm tại rìa màn hình. Khi tăng kích thước màn vào
sẽ làm tăng độ xói mòn hình ảnh tại rìa.
Ngoài ra trong bộ biến đổi điện tử- quang độ tương phản cũng bị giảm. Để quan sát
thuận tiện tỉ lệ hình ảnh được thay đổi bằng cách điều chỉnh điện áp giữa các điện
cực.
Có thể sử dụng nguồn bức xạ năng lượng cao hơn 1 MeV khi thay đổi cấu tạo màn
vào bằng cách đặt ở phía nguồn các tấm chì hoặc wolfram để biến đổi bức xạ sơ cấp
sóng ngắn thành bức xạ thứ cấp sóng dài và thay đổi dòng electron. Các bộ biến đổi
này có khả năng phân giải cao hơn (đạt 4 – 5 vạch/mm tại rìa màn hình ra) do sử dụng
anode rỗng trong hệ thống điều tiêu tĩnh điện dạng lưới. Chiều dày tấm kim loại được
chọn theo năng lượng bức xạ ion hóa. Ví dụ dùng tấm wolfram cùng với thủy tinh và
nhôm cho phép tăng độ chói sáng lên 10 lần ở mức năng lượng bức xạ 6 – 10 MeV.
IV.2.6. Bộ biến đổi nhiệt phát quang
Nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi tương tự dựa trên tính chất tích lũy năng
lượng của phospho. Khi chiếu bức xạ ion hóa cùng với ánh sáng nhìn thấy vào nó
dưới tác dụng của nhiệt sẽ tạo hình ảnh.
IV.2.7. Bộ khuếch đại điện tử -quang ánh sáng nhìn thấy
Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại điện tử -quang dựa trên sự khuếch đại độ
chói sáng màn huỳnh quang, tinh thể nhấp nháy và bộ biến đổi điện tử- quang.
Photoelectron phóng ra từ cathode quang của bộ khuếch đại, tăng tốc liên tục trong
trường tĩnh điện và sau đó phát quang trên màn ra của từng tầng. Bộ khuếch đại điện
tử -quang đảm bảo nhận được trường làm việc trên màn ra lớn. Khi càng có nhiều
tầng thì độ chói sáng được khuếch đại đáng kể (h.VII.82).
Hình VII.82. Bộ khuếch đại điện tử -quang
Bộ khuếch đại điện tử- quang có dạng bóng chân không bằng thủy tinh 4, bên trong
bố trí các tầng khuếch đại. Mỗi tầng khuếch đại gồm cathode quang 1, màn phát
quang 2 và hệ quang học điện tử là anode hình côn 3. Mỗi tầng của bộ khuếch đại
kiểu này có thể tăng độ chói sáng đến 30 – 100 lần.
Nhược điểm cơ bản của bộ khuếch đại này là giảm khả năng phân giải, giảm độ
tương phản cũng như làm ánh sáng thay đổi chập chờn khi tăng số tầng.
IV.2.8. Roentgen- vidicon
Nguyên lý hoạt động của roentgen- vidicon dựa trên tính chất của cathode quang,
bia phát ra quang điện tử dưới tác động của bức xạ ion hóa, các electron được tăng
tốc liên tục trong điện trường và cathode của ống ghi nhận lại các hình ảnh điện tử.
Các tín hiệu nhận được sau đó được truyền qua khối truyền hình liên hệ với ống thu,
ở đó xảy ra sự biến đổi hình ảnh điện tử thành ảnh khuất sáng. Đối với các phương
pháp tầng đã nói sự biến đổi hình ảnh ẩn thành ảnh nhìn thấy đều kèm theo sự mất
mát thông tin, giảm chất lượng. Trong roentgen –vidicon không bị các nhược điểm
này vì việc biến đổi bức xạ ion hóa thành tín hiệu video được thực hiện trực tiếp.
Về mặt cấu tạo roentgen –vidicon khác với vidicon thông thường chỉ là tấm bia làm
từ đĩa nhôm được quét lên bề mặt lớp truyền quang bằng oxide chì (h.VII.83).
Hình VII.83. Cấu tạo Röntgen-vidicon: 1) – bia; 2) – tấm tín hiệu; 3) – truyền
quang; 4) – lưới; 5) – cực điều tiêu; 6) – anode; 7) – cực điều khiển; 8) – cathode
Việc sử dụng chất truyền quang tương tự bảo đảm khả năng chiếu sáng trong dải
năng lượng 40 – 1500 keV với miền năng lượng hiệu quả 60 – 125 keV. Kích thước
lớn nhất của bóng roentgen- vidicon là 300 mm. Roentgen- vidicon đảm bảo khả năng
phân giải cao trong trường hợp sở dụng phương pháp nâng cao hình ảnh roentgen.
Trong nhiều roentgen –vidicon để làm lớp nhạy người ta dùng selenium vô định hình
phủ lên màn đường kính 20 - 80 mm. Hiệu suất truyền của roentgen –vidicon tăng 2 –
50 lần, khả năng phân giải 10 – 50 vạch/mm.
IV.2.9. Hệ thống truyền hình kín
Để truyền thông tin từ màn hình của các bộ biến đổi, khuếch đại điện tử- quang
cũng như tín hiệu video nhận được trong roentgen-vidicon, người ta sử dụng hệ thống
truyền hình dạng kín mà trong đó tín hiệu video được truyền theo cáp. Sử dụng hệ
thống truyền hình kín đảm bảo an toàn bức xạ cho người vận hành, tăng độ chói sáng
và tương phản hình ảnh, cũng như thay đổi tỉ lệ của chúng. Để truyền thông tin từ các
màn hình người ta dùng các thiết bị truyền hình. Chúng gồm các ống phát, kênh vô
tuyến được nối bằng cáp đồng trục và kinescope (kính hiển vi phóng đại thấp) thu.
Trong điều kiện chiếu sáng thấp người ta dùng các ống phát kiểu superorthicon, đối
với truyền hình ảnh chói sáng cao thì dùng vidicon. Những ống này chuyển đổi ánh
sáng hoặc bức xạ tia X thành những tín hiệu điện mà sau đó được chuyển đổi thành
ánh sáng trong ống nhận ảnh của một camera truyền hình. Đặc tính của các kênh liên
lạc đóng vai trò chủ yếu đối với nội soi bức xạ vì nó lẫn nhiễu vào tín hiệu truyền làm
méo, nhòe hình ảnh. Từ ống thu kinescope cần phải bảo đảm độ chói sáng, tương
phản và nét hình ảnh trong màn hình nhỏ có độ tin cậy cao. Trong các hệ thống
roentgen-vidicon chúng đóng vai trò ống truyền hình.
IV.3. Phương pháp và kỹ thuật soi ảnh
IV.3.1. Độ nhạy
Tương tự như chụp ảnh, tiêu chí cơ bản của chất lượng ảnh khi soi ảnh là độ nhạy
tương đối. Độ nhạy tương đối cũng được đánh giá bằng chỉ thị chất lượng ảnh (dây,
lỗ, rãnh).
Độ nhạy tương đối Wr phụ thuộc vào các thông số chiếu cơ bản được xác định theo
quan hệ
Wr= (7.23)
Công thức này đúng khi không có xói mòn mép hình ảnh khuyết tật dạng răng cưa
và cần phải tính đến ảnh hưởng của các thông số bức xạ vật lý như B và μ, chiều dày
vật kiểm δ, ngưỡng tương phản mắt người Cm.
Trong điều kiện soi ảnh thực tế, hình ảnh khuyết tật luôn bị xói răng cưa được đặc
trưng bằng độ nhòe hình ảnh U. Ảnh hưởng của độ nhòe làm cho độ nhạy giảm đi,
quan hệ trên được bổ sung dưới dạng:
Wr= (7.24)
Ở đây: ∆b – chiều rộng khuyết tật, mm (h.VII.84a)
Ngưỡng tương phản mắt Cm; trong điều kiện tối trời
Cm= (7.25)
Ở đây: Dz – đường kính con ngươi, cm; ψ – góc nhìn hình ảnh khuyết tật, rad; θ –
thời gian lưu ảnh, s; p – độ nhạy võng mạc, đơn vị tương đối; ∆Lv – chênh lệch độ
chói sáng giữa ảnh khuyết tật với phông màn hình.
Đối với nguồn bức xạ điểm, khi độ nhòe hình học Ug và độ nhòe cố hữu Ui bằng
không:
HìnhVII.84. Sơ đồ tạo ảnh khi nội soi, nguồn điểm có d =0
ψ=F.∆b/l(F-a) (7.26)
Đối với nguồn dài (h.VII.84b), khi Ug≠ 0; còn Ui=0:
ψ=(F.∆b-ad)/(F-a).l (7.27)
Độ nhòe tổng của ảnh khuyết tật trên màn hình nội soi được xác định theo
U=
IV.3.2. Độ tương phản
Độ tương phản hình ảnh bức xạ ẩn Cc được đặc trưng bằng tỉ số giữa chiều dày
khuyết tật μ.∆δ, thể hiện quãng chạy tự do của bức xạ trong vật chất, với hệ số tích
lũy bức xạ B bị tán xạ trong vật kiểm:
Cc= μ.∆δ/B (7.28)
Độ tương phản hình ảnh khuất sáng được xác định bằng tỉ số chênh lệch độ chói
sáng hình ảnh khuyết tật Ld và phông nền Lf với độ chói sáng phông nền Lf:
Ci= (Ld-Lf)/Lf = ∆Lf/Lf (7.29)
Độ tương phản γL của bộ ghi nhận soi bức xạ được đặc trưng bằng sự mất mát hoặc
tăng tương phản hình ảnh khuất sáng so với độ tương phản hình ảnh bức xạ:
γL= Cc/ Ci (7.30)
IV.3.3. Khả năng phân giải R
Khả năng phân giải của bộ ghi nhận soi bức xạ tương tự như khả năng phân giải của
chụp ảnh bức xạ. Đối với các ghi nhận này tích số giữa khả năng phân giải R (số vạch
trên mỗi mm) với độ nhòe tổng U (mm): R.U≈ 1,5. Ví dụ khi độ nhòe cho phép
[U]=0,5 mm thì hệ ghi nhận có khả năng phân giải R=3 vạch/mm
Khi sử dụng hệ thống truyền hình, ngưỡng tương phản mắt Cm
Cm= 1 – (7.31)
Ở đây γL – độ tương phản của hệ thống ống thu, phát và các kênh liên lạc.
Với hệ thống truyền hình lý tưởng γL= 1. Khi quan sát các hình ảnh truyền hình lớn
giá trị ngưỡng tương phản Ct≈ 0,02. Như vậy:
Wr =0,02. .100% (7.32)
Khi quan sát hình ảnh nhỏ
Cm=
Các thông số thực nghiệm về độ nhạy của phương pháp được chỉ ra trên (h.VII.85)
đối với các kiểu ghi nhận khác nhau so với chụp ảnh. Độ nhạy phương pháp khi kiểm
tra kim loại mật độ trung bình (thép, đồng...) chỉ bằng 1/2 – 1/4 so với chụp ảnh bức
xạ, cho nên người ta chỉ sử dụng phối hợp phương pháp soi ảnh cùng với chụp ảnh để
kiểm tra sản phẩm hàn nhanh và tin cậy vì có thẻ chụp ảnh lại.
Hình VII.85. Độ nhạy khi nội soi và chụp
ảnh tia X: 1) – bộ biến đổi quang –điện tử;
2) – tinh thể nhấp nháy + khuếch đại
quang điện tử; 3) – tinh thể nhấp nháy +
truyền hình kín; 4) – film hạt thô; 5) – film
hạt mịn; 6) – roentgen-vidicon
Khi kiểm tra liên kết hàn có chiều dày không lớn hoặc kim loại nhẹ độ chói sáng
được đảm bảo cực đại thì độ nhạy kiểm tra theo phương pháp soi ảnh không kém so
với chụp ảnh. Năng suất soi ảnh khi kiểm tra hàn đạt được 1 – 2 m/ph mà không thấy
giảm độ nhạy rõ rệt.
IV.3.4. Phương pháp ảnh nổi:
Một trong những ưu điểm quan trọng của soi ảnh bức xạ là khả năng nhận được ảnh
nổi của vật kiểm cố định hoặc di động khi chiếu bức xạ ion hóa từ hai nguồn dưới các
góc khác nhau. Với sự phát triển của công nghệ số ngày nay, kỹ thuật soi ảnh nổi và
đặc biệt là chụp cắt lớp (computer assisted tomorgaphy – CT) đã được sử dụng phổ
biến trong y tế và đang bắt đầu chuyển sang soi ảnh công nghiệp. Vật kiểm được
quan sát bằng hai mắt hiện lên theo luật phối cảnh thực và theo đúng quan hệ không
gian với nhau, vì mỗi mắt nhận được hình ảnh vật hơi khác nhau. Hai hình ảnh của
hai mắt được phối hợp lại bởi bộ não gây ra cảm tưởng ba chiều. Như vậy, thay thế
đôi mắt bằng hai nguồn bức xạ, nếu tách hai ảnh ra và quan sát đồng thời thì chiều
thứ ba sẽ được nhìn thấy. Những cặp ảnh nổi này được đọc bằng máy đọc gồm hệ
lăng kính và gương cho phép mỗi mắt nhìn một ảnh (h.VII.86).
Hình VII.86. Sơ đồ phương pháp thực hiện và quan sát ảnh nổi
Các cặp ảnh nổi lý tưởng được tạo thành bằng cách nhìn hai ảnh với nguồn dịch
chuyển song song với bề mặt vật một khoảng bằng khoảng cách giữa hai đồng tử
(65±3 mm). Khoảng cách vuông góc từ nguồn đến vật F≈ 600 mm. Quan sát ảnh nổi
rất rõ nếu vật kiểm có cấu trúc đồng đều theo toàn khối.
V. KIỂM TRA BẰNG GHI ĐO BỨC XẠ
V.1. Phân loại các phương pháp
Kiểm tra bằng ghi đo bức xạ dựa trên việc chiếu chùm tia hẹp bức xạ ion hóa vào
vật kiểm; sự thay đổi mật độ dòng hoặc trạng thái phổ của bức xạ truyền qua tỉ lệ với
tín hiệu điện (điện áp không đổi, dòng hoặc số biểu thị theo mã hóa).
Trong thực tế kiểm tra bằng đo bức xạ được chia thành các phương pháp chính: dòng
trung bình và xung. Sự khác nhau cơ bản giữa chúng được xác định bằng phương
pháp ghi nhận bức xạ đâm xuyên và sự xử lý điện tử của thông tin dò khuyết tật
(h.VII.87).
Hình VII.87. Sơ đồ kiểm tra bằng ghi đo bức xạ: 1)- nguồn; 20)- vật kiểm; 3)-
kollimator; 4)- detector; 5)- khuếch đại; 6)- đồng hồ ghi nhận; 7)- khuyết tật
Bất kỳ hệ thống kiểm tra đo bức xạ nào đều có nguồn bức xạ, đầu dò, sơ đồ điện tử
xử lý thông tin, đồng hồ ghi nhận hoặc số đọc. Để làm nguồn bức xạ người ta sử
dụng chủ yếu là nguồn đồng vị γ, máy gia tốc, ít khi sử dụng máy phát tia X hoặc
nguồn neutron. Đầu dò bức xạ thì thường dùng các tinh thể nhấp nháy với ống nhân
quang điện tử, các loại khác như buồng ion hoá, đầu dò điện khí, ống đếm bán dẫn.
Với phương pháp dòng trung bình tín hiệu ghi nhận được đưa ra dưới dạng dòng
trung bình, mà giá trị của nó phụ thuộc vào kích thước khuyết tật. Với phương pháp
xung tín hiệu được ghi nhận dưới dạng các xung liên tục, phương pháp này lại được
chia ra thành một số dạng khác nhau trong đó quan trọng nhất là đếm xung và đếm
phổ. Ở phương pháp đầu số lượng xung được ghi nhận theo sự thay đổi dòng bức xạ
đâm xuyên; phương pháp sau ghi nhận các xung năng lượng xác định của bức xạ
đâm xuyên, điều này làm giải đoán được thông tin trong phạm vi đã cho. Ưu điểm
của ghi đo bức xạ:
Có khả năng kiểm tra không tiếp xúc các sản phẩm chuyển động khi sản xuất hàng
loạt với sự phản hồi lại quá trình công nghệ chế tạo.
Các thiết bị điện tử tác động nhanh thích hợp với bản chất điện của tín hiệu ra,
điều này cho phép năng suất kiểm tra cao.
Nhược điểm chính của ghi đo bức xạ :
Do phải ghi nhận đồng thời tín hiệu khuyết tật cùng với sự thay đổi cục bộ chiều
dày vật kiểm, nên khó xác định được hình dạng, kích thước, chiều sâu và định
hướng khuyết tật
Bức xạ tán xạ ảnh hưởng xấu đến độ nhạy
Quan hệ nghịch giữa độ nhạy và năng suất kiểm tra.
Những nhược điểm trên được giảm thiểu khi sử dụng nguồn có hoạt độ riêng cao và
các thiết bị điện tử tác động nhanh. Ảnh hưởng của bức xạ tán xạ được giảm khi dùng
chùm bức xạ cứng qua chuẩn trực hoặc dùng phương pháp đếm phổ ghi nhận và xử
lý thông tin, điều đó cho phép nhận được độ nhạy cao với công lao động nhỏ.
V.2. Đầu dò khuyết tật bằng ghi đo bức xạ
V.2.1. Những đặc trưng cơ bản của các đầu dò (detector) ghi đo bức xạ
Hiệu suất ghi nhận – tỉ số các hạt tích điện, lượng tử γ hoặc neutron với tổng số
hạt đập vào đầu dò.
Độ nhạy đầu dò – tỉ số giữa sự thay đổi số ghi nhận được trong một đơn vị thời
gian của các xung hay giá trị điện tích trung bình đối với sợ thay đổi mật độ dòng
hoặc cường độ bức xạ.
Biên độ năng lượng cho phép của đầu dò – tỉ số chiều rộng của đường cong phân
bố biên độ xung trên nửa chiều cao cực đại đối với độ lớn xung, tương ứng với
cực đại của phân bố.
Thời gian cho phép đầu dò – khoảng thời gian nhỏ nhất ghi nhận độc lập các phần
tử bức xạ đập vào đầu dò.
V.2.2. Ống đếm (detector) nhấp nháy
Nguyên lý hoạt động của ống đếm nhấp nháy dựa trên việc đo cường độ lóe sáng
xuất hiện trong chất phát quang khi bức xạ ion hóa đi qua chúng. Để ghi nhận sự lóe
sáng người ta sử dụng ống nhân quang-điện tử.
Các chất phát quang như (Zn, Cd)S(Ag), CaWO4, tinh thể CsI (Tl), NaI(Tl) được
dùng làm tinh thể nhấp nháy và các chất nhấp nháy hữu cơ là anthracene, naftalin.
Ống đếm làm việc như sau: bức xạ ion hóa (h.VII.88) đi vào bộ nhấp nháy 1 gây ra
kích thích. Năng lượng tiêu hao biến thành các tia lóe sáng thông qua quá trình phát
huỳnh quang. Một phần ánh sáng đập vào cathode quang 2 của ống nhân quang điện
tử được đặt trong bóng 5 đã hút chân không. Cathode quang antimony-caesium đục
mờ 2 được đánh dấu trên mặt trong của ống nhân quang – điện tử. Do các photon bị
hấp thụ ở cathode quang làm photoelectron bật ra khỏi cathode. Từ cathode, nhờ điện
trường, chúng bay qua màng chắn điều tiêu 3 đập vào bộ nhân điện cực 4 rồi được
tập trung tại anode 6. Các dòng điện xung ở anode được phân tích bằng các mạch
điện tử tổ hợp. Năng lượng cho ống nhân quang điện tử được cấp từ nguồn điện xoay
chiều ổn định U =1000 ÷ 2000 V qua đầu chia 7. Khi dòng qua điện trở 8 xuất hiện
xung điện áp, xung đó tác động vào đồng hồ ghi 9. Đồng hồ đo gồm bộ khuếch đại,
dụng cụ ghi, bộ đếm cơ hoặc hiện số.
Hình VI.88. Cấu tạo ống đếm nhấp nháy
Ưu điểm cơ bản của ống đếm nhấp nháy là: hiệu suất ghi nhận bức xạ ion hóa cao do
tinh thể có mật độ lớn (bảng VII.12); thời gian dư quang nhỏ (10-8 – 10-9 s) làm khả
năng phân giải tức thời cao và cho phép đo ở tốc độ cao; quan hệ tỉ lệ thuận giữa biên
độ xung ánh sáng với năng lượng hạt, điều này thuận tiện cho phương pháp đếm phổ.
Bảng VII.12 Hiệu suất ghi bức xạ ion hóa bằng các đầu dò ghi đo bức xạ
Detector Năng lượng bức xạ tia X và γ, MeV Neutron
0,005 0,05 0,66 1,25 6 14 0,03 0,05
eV
MeV
Ống đếm nhấp nháy
Buồng ion hóa
Ống đếm nạp khí
80 – 100
1 – 2
30 - 50
100
1 – 2
0,05 - 1
56
1 – 2
0,3 - 1
45
1 – 2
0,8 - 1
34
1 – 2
5
37
1 – 2
12
90 – 100
--
24
5
--
0,17
V.2.3. Buồng ion hóa
Khi các hạt tích điện đi qua thể tích hoạt động 1 của detector, một số cặp ion được
sinh ra. Nếu tất cả các hạt tích điện được hấp thụ hoàn toàn trong thể tích hoạt động
thì số cặp ion sinh ra tỉ lệ với năng lượng của hạt tích điện. Nếu giữa điện cực 2 và 3
trong thể tích 1 được cấp điện từ nguồn cung 4 thì các ion âm sẽ chuyển động về cực
dương và ngược lại (h.VII.89).
Hình VII.89. Cấu tạo buồng ion hóa Hình VII.90. Quan hệ giữa điện áp và cường
độ trong detector
Trong mạch xuất hiện dòng điện có cường độ tỉ lệ với cường độ của bức xạ chiếu
vào, ampermeter 5 ghi lại giá trị dòng điện này. Khi cường độ bức xạ không đổi nếu
tăng hiệu điện thế U thì tốc độ các ion sẽ tăng. Vì thế thời gian để tái hợp giảm đi và
phần điện tích thu được tăng lên. Chiều cao xung (hoặc cường độ dòng điện) ban đầu
sẽ tăng tỉ lệ với U (vùng I, h.VII.90), sau đó cường độ không đổi đạt giá trị dòng bão
hòa rồi tiếp tục tăng lại. Buồng ion hóa thường làm việc theo chế độ dòng bão hòa,
khi mỗi tác dụng ion hóa cho từng phần của dòng. Chính dòng bão hòa quyết định
cường độ bức xạ đâm xuyên.
Trong thực tế người ta sử dụng buồng ion hóa xung để đo số hạt và năng lượng của
chúng bằng cách ghi nhận các xung của dòng xuất hiện trong buồng khi điện tích qua
buồng. Người ta cũng sử dụng các buồng ion hóa dạng liên kết để đo dòng ion hóa
xuất hiện khi dòng các hạt chạy qua buồng sau khoảng thời gian nào đó.
V.2.4. Ống đếm điện khí
Nguyên lý hoạt động của ống đếm điện khí
(h.VII.91) dựa vào sự phóng điện qua chất khí,
kèm theo việc tăng dòng điện ion hóa. Các điện
cực 2 và 3 trong buồng đo 1 được nạp điện từ
nguồn, khi bị kích thích các phần tử ion hóa
bay qua thể tích hoạt động tạo thành dòng điện.
Hình VII.91. Cấu tạo ống đếm điện khí
Tùy thuộc vào đặc trưng của ống đếm phóng điện qua khí mà người ta chia ra làm
ống đếm tỉ lệ (vùng II, h.VII.90) và ống đếm Geiger Müller (vùng IV, h.VII.90).
Nếu điện áp tăng quá vùng bão hòa thì các điện tử phát ra từ ion hóa sơ cấp được
tăng tốc để có thể sinh ra các ion hóa thứ cấp và làm tăng số điện tích gom được. Hệ
số khuếch đại tại một giá trị điện áp cho trước không phụ thuộc vào ion hóa sơ cấp, vì
vậy nó tỉ lệ từ điểm bắt đầu đến điểm cuối của vùng điện tích gom được. Để tạo ra
ion hóa thứ cấp, các electron phải ở trong điện trường mạnh, thường các ống đếm tỉ
lệ có cấu trúc đồng trục. Điện trường đạt cực đại và khuếch đại trong khí chỉ xảy ra ở
gần anode. Ống đếm tỉ lệ làm việc ở chế độ xung và có mạch điện đơn giản nên cho
phép phát hiện được các hạt có năng lượng thấp trước khi bị nhiễu. Sự phụ thuộc của
kích thước xung đối với ion hóa sơ cấp tạo ra khả năng phân loại các bức xạ khác
nhau. Ví dụ có thể đếm được các hạt α khi có các hạt β, các mạch điện tử tách các
xung nhỏ do các hạt β sinh ra.
Tiếp tục tăng điện áp trong ống đếm thì điện tích gom được không còn tỉ lệ với ion
hóa sơ cấp. Khuếch đại khí làm tăng số đỉện tích đến giá trị giới hạn được xác định
bởi các đặc trưng vật lý của buồng ion hóa, vùng này được gọi là vùng GM. Electron
sinh ra do ion hóa sơ cấp có đủ năng lượng để gây ra kích thích các nguyên tử cũng
như ion hóa thứ cấp. Các nguyên tử bị kích thích này khi chuyển về trạng thái cơ bản
phát ra các photon tử ngoại. Các photon này đập vào cathode lại phát ra các electron,
các electron này tăng tốc về phía anode gây ra ion hóa và kích thích... Quá trình sẽ
chấm dứt khi các ion dương chuyển động chậm lại tạo thành bó quanh sợi anode. Hiệ
tượng này làm giảm điện trường đến mức các electron không thể gây kích thích và
ion được nữa. Tùy thuộc vào loại khí chứa trong thể tích hoạt động ống đếm GM lại
được chia ra làm loại tự dập tắt, tức là sự phóng điện tự ngừng sau khoảng 10 -7 sec;
loại kia là không tự tắt, tức là phóng điện xảy ra liên tục nếu không có tác động bên
ngoài.
Trong thực tế ống đếm tự dập tắt được sử dụng rộng rãi, bên trong nó nạp đầy hỗn
hợp argon và hơi cồn. Người ta cũng nạp hỗn hợp khí trơ neon với argon và thêm
chlor hoặc brom. Tuổi thọ của các ống đếm này gần như không giới hạn vì các phân
tử halogen phục hồi được hoàn toàn sau khi bị phân ly từng phần thành nguyên tử.
Để ghi đo các tia bức xạ mềm γ thành ống là vật liệu nhẹ (thủy tinh, nhôm, mica); các
tia cứng – chì, wolfram.
Ống đếm GM được chế tạo theo nhiều dạng và kích thước khác nhau hoạt động ở
chế độ xung. Điện áp làm việc 300 – 1750 V, độ nghiêng của vùng phẳng là 0,05 –
1,5% với 1 V, phụ tải xung cực đại 3000 – 6000 sec-1 và thời gian phục vụ đến 200 h.
Ống đếm GM được dùng để đo các loại bức xạ γ, tia X và hạt β do bản chất ion hóa
riêng của chúng nhỏ không cho phép chúng phát hiện được các loại bức xạ khác.
V.3. Phương pháp và kỹ thuật ghi đo bức xạ
V.3.1. Độ nhạy
Độ nhạy tương đối Wr khi kiểm tra khuyết tật bằng ghi đo được xác định bằng tỉ số
giữa chiều dày khuyết tật ∆δ với chiều dày vật kiểm δ:
Wr=∆δ/ δ*100% = (7.33)
Trong đó: ∆Mmin – thay đổi nhỏ nhất của tín hiệu ra đo được; M – giá trị trung bình
của tín hiệu trên mạch điện tử ra.
Phương trình này đúng khi diện tích tiết diện ngangcủa chuẩn trực Sk (cm2) so sánh
được với diện tích khuyết tật Sd (cm2)
Độ nhạy tuyệt đối Wa khi kiểm tra bằng ghi đo bức xạ được đặc trưng bằng giá trị
nhỏ nhất của diện tích Sd hoặc thể tích Vd của khuyết tật phát hiện được khi chiếu:
Wdt = Sd = (7.34)
Wtt = Vd = (7.35)
Các công thức trên thấy rằng khi kiểm tra bằng ghi đo bức xạ, sự thay đổi cường độ
bức xạ ghi nhận được có thể như nhau, mặc dù diện tích khuyết tật khác nhau nhưng
thể tích của chúng như nhau.
V.3.2. Khả năng phân giải
Khả năng phân giải của phương pháp được đặc trưng bằng chiều rộng nhỏ nhất của
khuyết tật ∆b theo hướng vuông góc với dòng bức xạ, đối với trường hợp khi tiết diện
chuẩn trực lớn hơn nhiều diện tích khuyết tật
∆b = (7.36)
Như vậy mong muốn rõ ràng là giảm kích thước chuẩn trực để tăng khả năng phân
giải. Tuy nhiên khi đó cường độ bức xạ cũng giảm mạnh do tiết diện ngang của chùm
bức xạ giảm điều đó dẫn đến giảm cả độ lớn tín hiệu cũng như độ nhạy.
V.3.2. Năng suất kiểm tra
Năng suất kiểm tra bằng ghi đo bức xạ phụ thuộc vào cường độ nguồn bức xạ, tốc
độ xử lý của thiết bị điện tử, kích thước tuyệt đối nhỏ nhất của khuyết tật, cũng như
yêu cầu về độ tin cậy.
Trong thực tế người ta thường sử dụng các hệ thông ghi đo bức xạ sau: một kênh
(sơ đồ); hai kênh vi sai (h.VII.92a); nhiều kênh (h.VII.92b); quét (h.VII.92c).
Hình VII.92. Sơ đồ dò bằng ghi đo bức xạ: 1) – khối nguồn; 2) – chuẩn trực; 3) – bộ
chia; 4) – tinh thể nhấp nháy; 5) – khuếch đại quang –điện tử; 6) – khối điện tử; 7) –
đồng hồ ghi đo; 8) – vỏ bảo vệ; 9) – bộ lọc; I – VII: đường đến bộ khuếch đại
Khi sử dụng các hệ thống này thường muốn dùng các nguồn đồng vị có kích thước
nhỏ nhất và hoạt độ riêng lớn nhất hoặc dùng các máy gia tốc với bức xạ cường độ
cao để phát hiện khuyết tật tốt nhất. Yêu cầu khác là các thiết bị ghi nhận phải tác
động nhanh (đến 0,2 sec) để tăng năng suất kiểm tra.
Khi kiểm tra ghi đo, nguồn và đầu dò thường được đặt cố định trong lúc chiếu, còn
vật kiểm chuyển động, do đó bước quét được xác định bằng diện tích tiết diện ngang
của chuẩn trực. So với hệ thống một kênh, hệ hai kênh vi sai cho phép so sánh đồng
thời các phần có và không có khuyết tật trong vật kiểm, như thế độ nhạy của phương
pháp tăng lên. Với hệ thống nhiều kênh có khả năng tăng tốc độ kiểm lên n2 lần (n –
số kênh), tuy nhiên các hệ ghi đo này trở nên rất cồng kềnh vì mỗi kênh lại cần bộ xử
lý thông tin riêng.
Khi sử dụng hệ thống quét, các phần của vật kiểm được quét bằng cách dịch chuyển
hoặc xoay chuẩn trực để tạo nên chùm bức xạ γ hẹp chiều rộng b chạy suốt vùng
kiểm tra với chiều dài l. Hệ quét đảm bảo tăng năng suất lên l/b lần. Trong trường
hợp dùng hai đầu dò cách nhau thì quét có thể xác định được chiều sâu và hướng
khuyết tật. Năng suất kiểm tra của hệ thống quét đạt được 200 m hàn/h.
Độ nhạy của phương pháp kiểm tra ghi đo bức xạ cao hơn độ nhạy của phương pháp
chụp ảnh và nó phụ thuộc vào loại đầu dò được sử
dụng (h.VII.93), trong đó ống đếm nhấp nháy cho
kết quả cao hơn. Sử dụng nguồn đồng vị và máy gia
tốc có khả năng kiểm tra được các tấm thép hàn dày
50 – 500 mm với độ nhạy tương đối 0,3 – 2%.
Hình VII.93. Quan hệ giữa độ nhạy ghi đo với chiều
dày thép chiếu bằng Co-60: 1) - ống đếm GM; 2) - ống đếm nhấp nháy
Điều kiện bắt buộc khi kiểm tra chất lượng hàn bằng ghi đo bức xạ là bề mặt mối
hàn phải phẳng. Điều này được xác định bởi các tính chất kết hợp của các đầu dò
phải ghi nhận các thông tin như nhau cả ở khuyết tật trong, cả phần bề mặt vật kiểm.
Để loại bỏ ảnh hưởng của phần nhô người ta tiến hành làm sạch phần nhô (mài).
Trong nhiều trường hợp như đã đề cập ở các phần trên, người ta dùng chất lỏng, bột
rời, đệm bù có mật độ, nguyên tử số và các thuộc tính giống như vật liệu kiểm.
VI. KỸ THUẬT AN TOÀN BỨC XẠ
VI.1. Tác động sinh học của bức xạ ion hóa
Việc sử dụng các nguồn bức xạ ion hóa trong công nghiệp nói chung và trong kiểm
tra hàn nói riêng gây ra tác động sinh học có hại đến cơ thể người do phá hủy các tế
bào sống. Bức xạ có thể gây ra sự thay đổi thuận nghịch (khi liều nhỏ), tức là cơ thể
có thể chống chịu được sự hủy hoại xuất hiện trong mỗi cá nhân bị chiếu xạ, hoặc
không thuận nghịch (khi liều lớn). Những biến đổi này có thể xảy ra ở từng bộ phận
hoặc toàn bộ cơ thể. Tế bào sống nhạy với bức xạ hơn những thành phần khác, vì thế
các hiệu ứng của bức xạ phụ thuộc vào phạm vi và phần cơ thể bị chiếu xạ.
Do khi kiểm tra bằng bức xạ đã sử dụng nguồn ion hóa kín nên trong thực tế loại trừ
khả năng các chất phóng xạ tác động vào trong cơ thể rồi tích lũy trong mô và xương,
chúng ta chỉ đề cập đến đặc điểm của bức xạ khi chiếu vào cơ thể từ ngoài hay được
gọi là chiếu xạ ngoài.
Khi chiếu một lần vào toàn bộ cơ thể (hiệu ứng tức thời) thì có thể bị phá hủy tùy
thuộc vào liều tương đương: (0 – 0,25 Sv) – tăng tần số nhiễm sắc thể được quan sát
ở ngoại biên bạch cầu; (0,5 – 1 Sv) – biến đổi máu, suy giảm bạch cầu; (1 – 2 Sv) –
triệu chứng bức xạ cấp tính, mất khả năng cử động bình thường, buồn nôn, mệt mỏi,
chóng mặt; (2 – 4 Sv) – không thể cử động được, nôn mửa, sốt viêm miệng, tiêu chảy;
(4 – 6 Sv) – sốt, nhức đầu, tiêu chảy, giảm bạch cầu, viêm phổi có thể chết trong vòng
60 ngày; (>8 Sv) – sốt cao, hệ thống thần kinh bị hủy diệt, hôn mê, vỡ tim.
Nhạy cảm nhất đối với tác động của bức xạ là các cơ quan: mô và hạch bạch cầu, lá
lách, hạch cổ, tủy, tế bào sinh dục. Thời gian tác động của bức xạ lên cơ thể gây ra
ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình hủy hoại mô. Suất liều càng nhỏ và thời gian tác
động càng ngắn thì sự hủy hoại càng ít.
Tác động của các hạt α và β đến cơ thể ít nguy hiểm hơn so với bức xạ γ và neutron
vì quãng chạy trong mô của chúng ngắn và chưa vào đến mạch máu.
Mức độ tổn hại của cơ quan với liều hấp thụ có giá trị như nhau phụ thuộc nhiều vào
diện tích bề mặt bị chiếu. Khi trị liệu gamma khối u ác tính kích thước 20*20 đến
200*200 (mm2) bệnh nhân có thể nhận được liều tức thời 2 – 5 J/kg (Sv) mà cơ thể
không bị tổn thương rõ rệt. Cũng với liều đó nếu lên toàn thân thì sẽ có khoảng 50%
số người chết trong vòng 2 tháng.
Bền vững nhất đối với tác động bức xạ là những người hơn 25 tuổi, yếu nhất là trẻ
em vì lúc nhỏ tế bào đang phát triển nhanh trải qua quá trình phân chia nên nhạy với
bức xạ. Con người không cảm thấy tác động của bức xạ, dần dần liều hấp thụ tích lũy
lại và xuất hiện sau một thời gian nào đó. Tất cả các yếu tố kể trên đều được quy định
thành tiêu chuẩn rất chặt chẽ về an toàn bức xạ và các nội quy làm việc với nguồn
bức xạ ion hóa. Mục đích là để bảo vệ mọi người thao tác khỏi tác động có hại của
bức xạ. Ngoài những kiến thức về an toàn trong sản xuất cơ khí và hàn, những người
làm việc liên quan đến phóng xạ đều được học thêm về an toàn bức xạ. Tối thiểu thì
phải biết các yếu tố ảnh hưởng đến liều chiếu xạ là khoảng cách, thời gian và che
chắn.
VI.2. Các tiêu chuẩn vệ sinh cơ bản và phòng ngừa bức xạ
Tác động của bức xạ ion hóa đến cơ thể gây ra các tổn thương về gen trong đời
người và thế hệ sau cũng như tổn thương trong bạch cầu, ung thư, vô sinh và giảm
tuổi thọ. Nhiệm vụ chính để bảo vệ con người khỏi bức xạ ion hóa là không cho phép
xuất hiện các tổn thương về gen. Điều đó được đảm bảo bởi các liều bức xạ (ngoài/
trong) cho phép mà các liều đó người làm việc nhận được trong vòng 50 năm không
bị ảnh hưởng đến sức khỏe bản thân cũng như đời sau. Giá trị liều giới hạn cho phép
được quy định trong các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ đã được Ủy ban Năng lượng
Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và Cục Kiểm soát và An toàn Bức xạ, Hạt nhân – Việt
nam công bố.
Theo Tiêu chuẩn có các loại giới hạn liều bức xạ đối với nhân viên bức xạ ( chiếu xạ
nghề nghiêp), dân chúng (chiếu xạ dân chúng) và những người chăm sóc bệnh nhân.
Để so sánh các dạng bức xạ ion hóa khác nhau theo hiệu ứng sinh học người ta dùng
hệ số chất lượng.
Tổng liều bức xạ vào toàn cơ thể không vượt quá
D ≤ 0,02.(N-18) J/kg (7.37)
Trong đó N – tuổi người thao tác tính từ 18 tuổi. Công thức trên có nghĩa là những
người dưới 18 tuổi không được làm việc liên quan đến bức xạ
Theo Tiêu chuẩn của các nước trên thế giới trong các trường hợp đặc biệt cho phép
bức xạ nhận được vượt quá 2 lần trong một năm hoặc gấp 5 lần khi làm việc, lúc đó
người làm việc cần được cảnh báo về mức độ nguy hiểm của bức xạ tiếp theo. Việc
chiếu đặc biệt định trước như thế không cho phép trong các trường hợp nếu: i) liều bổ
sung vượt quá độ lớn tính theo công thức trên; ii) trong thời gian 12 tháng trong điều
kiện xác định người công nhân nhận được liều chiếu quá nửa năm; iii) người công
nhân khi gặp nạn hoặc khi chiếu ngẫu nhiên nhận được liều vượt quá 5 lần nửa năm;
iv) với người công nhân trong độ tuổi sinh đẻ.
Khi chiếu đột xuất với liều quá 1,25.10-2 C/kg (25 R) thì người thao tác cần phải
được kiểm tra y tế. Các trường hợp tai nạn mà người phục vụ nhận liều vượt quá 25
R, thì phải điều tra tìm nguyên nhân bằng các biện pháp đặc biệt theo hướng dẫn của
Ủy ban. Trên cơ sở thông tư và các phụ lục được ban hành, tất cả các lĩnh vực công
nghiệp đều đưa ra các nội quy chỉ thị... về việc vận chuyển, tiếp nhận, bảo quản lắp
ráp vận hành các chất và nguồn phóng xạ ion hóa, định mức chiếu, thông gió, yêu cầu
đối với vị trí và thiết bị khử nhiễm xạ cũng như khuyến cáo thực hiện các biện pháp
trên.
Yêu cầu của các nội quy y tế khi sử sụng máy kiểm tra khuyết tật γ là liều cho phép
đối với người thao tác là 2.10-10 A/kg (2,8 mR/h) hoặc 17 mR/ca, hoặc 0,1 R/tuần. Các
yêu cầu an toàn về thiết bị γ phải chắc chắn nhỏ hơn suất liều phát 2.10-10 A/kg (2,8
mR/h) tại khoảng cách 1 m từ nguồn và không vượt quá 100 mR/h tại khoảng cách
100 mm tính từ bề mặt vỏ bảo vệ. Trong bất kỳ trường hợp nào lớp bảo vệ khỏi bức
xạ ion hóa phải được đảm bảo bằng cách xây dựng khu bảo vệ chuyên dùng để đặt
các thiết bị, khoảng cách giữa nguồn với người thao tác cũng như thời gian làm việc
tại vùng phóng xạ.
VI.3. Phòng thí nghiệm kiểm tra bằng bức xạ
Các phòng thí nghiệm kiểm tra bằng bức xạ là một bộ phận có chức năng riêng trong
các nhà máy sản xuất kết cấu hàn. Chúng được đặt trong các tòa nhà riêng có các
thiết bị an toàn đặc biệt. Bên trong các phòng thí nghiệm có các dạng kiểm tra bức xạ
khác nhau: máy phát tia X, nguồn đồng vị γ, máy gia tốc... Chiều dày tường che chắn
(thường bằng chì và bê tông) của các phòng được tính toán theo năng lượng và cường
độ bức xạ, cũng như cấp chuẩn trực chùm tia. Trong nhiều nhà máy, xí nghiệp người
ta xây dựng khu vực bảo vệ trực tiếp trong các phân xưởng theo dây chuyền công
nghệ. Trong khu vực bảo vệ có các hầm kho cách ly cất riêng các đầu chiếu và các
container. Ở các nhà máy lớn các kho cách ly được trang bị các tay máy điều khiển
và quan sát quá trình nạp, xử lý qua kính an toàn. Biên chế của các phòng thí nghiệm
ngoài kỹ sư hàn còn có kỹ sư về vật lý hạt nhân.
Vì ngay cả khi không làm việc các nguồn đồng vị γ dù di động hay cố định đều phát
tia bức xạ nên chúng luôn được đặt trong kho cách ly. Chú ý rằng chiều dày kho cách
ly phải được tính theo tổng hoạt độ cao nhất của các nguồn. Các thiết bị kiểm tra
bằng bức xạ chỉ được cung cấp cho các doanh nghiệp thương mại sau khi nhận được
các giấy phép, chứng chỉ ... cùng các tài liệu theo passport về an toàn.
Các yêu cầu tương tự cũng được đề ra cả đối với các cơ sở, nhà máy công trường
mà tại đó sử dụng các phòng thí nghiệm lưu động để kiểm tra bằng bức xạ vì. Do đặc
điểm của các nơi này chỉ sử dụng dịch vụ kiểm tra bức xạ ngoài vấn đề về an toàn
bức xạ còn phải đào tạo tuyên truyền cho mọi người. Trong trường hợp kho cách ly
không đặt trong phòng thí nghiệm lưu động hoặc được xây dựng tạm thời gần nơi
tiến hành các nguyên công khác thì phải cân nhắc và tính toán vùng an toàn cẩn thận
và bố trí thời điểm kiểm tra sao cho rất ít công nhân xung quanh. Ở Việt nam trong
thời gian qua không ít lần xảy ra các sự cố về nguồn phóng xạ. Trong khu vực thao
tác kiểm tra có lắp đặt các kênh dẫn nước, thông gió, nước thải, các nguồn năng
lượng cùng các phương tiện vận tải.
Phòng thí nghiệm không chỉ có khu che chắn cách ly mà còn có khu làm việc về
hành chính, xử lý film ảnh. Bộ phận xử lý film ảnh gồm buồng đựng film và vật dụng
kèm theo, buồng hóa chất, chỗ chuẩn bị dung dịch mới và thu hồi bạc Ag, phòng tối
để lấy và lồng film, buồng tối in tráng film ảnh, tủ sấy, phòng giải đoán và lưu giữ hồ
sơ (h.VII.94).
Diện tích và kích thước của phòng thí nghiệm cố định được xác định theo kích thước
khuôn khổ của vật kiểm, kích thước máy chiếu, nguồn theo các quy định thiết kế
xưởng cũng như các tiêu chuẩn y tế. Các phòng thí nghiệm kiểm tra trực tiếp sản
phẩm trong dây truyền chế tạo (on-line) phải có các yêu cầu đặc biệt, vì các thiết bị
kiểm tra đặt rất gần với các máy đang làm việc. Trong trường hợp này các buồng
cách ly và các camera bảo vệ được lắp đặt trực tiếp trên dây truyền có tính đến những
công nhân làm việc. Khi xác định chiều dày bảo vệ, ngoài các tia bức xạ tác động
trực tiếp, còn phải tính đến tác động của tán xạ ngược khi phản xạ từ tường, trần nhà,
khung xưởng...
Hình VII.94. Sơ đồ mặt bằng phòng chụp và xử lý
Trên các công trường lắp đặt đường ống dầu khí, lắp ráp các nhà máy và tổ hợp
điện, cầu và bồn chứa, các phòng thí nghiệm lưu động được sử dụng rộng rãi và được
đặt trên các phương tiện khác nhau: microbus, xe tải, rơmooc cũng như các loại vận
tải khác. Biên chế của các phòng thí nghiệm này thường từ 2 – 3 người thực hiện tất
cả các công việc. Mỗi ca một xe có thể chạy được 50 km và làm được 30 – 50 film.
Một kiểu phòng thí nghiệm khác là bán cố định được đặt trên rơmooc kéo tại các
công trường hoặc các xưởng hàn. Chúng được chia làm nhiều buồng với các chức
năng riêng, đối với các đầu chiếu bằng đồng vị thì đặt trong ngăn cách ly được bảo vệ
an toàn dưới khung gầm. Các phòng thí nghiệm này được trang bị máy phát điện
công suất 1 -1,5 kW để chủ động về điện nhất là khi mới xây dựng nhà máy tại các
vùng chưa có điện lưới.
VI.4. Dụng cụ đo liều
Để đảm bảo an toàn cho những nhân viên chụp ảnh bức xạ cần phải sử dụng dụng cụ
theo dõi liên tục được gọi là liều kế cá nhân. Liều kế – thực chất là dụng cụ đo liều bổ
sung để phát hiện trạng thái cường độ và năng lượng bức xạ ion hóa. Trong công
nghiệp có ba cấp liều kế chính: cấp 1 – định lượng, dùng để đo liều chiếu, liều hấp
thụ hay suất liều; loại 2 – bức xạ kế, để đo hoạt độ của đồng vị và cường độ bức xạ
ion hóa; loại 3 – phổ kế để đo năng lượng và xác định trạng thái phổ của bức xạ ion
hóa.
Theo chức năng cấu tạo của mình liều kế được chia nhỏ ra thành cá nhân, bỏ túi,
mang bởi hai người và liều kế cố định.
Những người làm việc với nguồn bức xạ ion hóa phải thường xuyên đeo bên mình
loại liều kế cá nhân. Để phục vụ giám sát các mức chuẩn về an toàn bức xạ ở những
nơi tiến hành công việc cần dùng liều kế định lượng. Nơi làm việc, buồng cách ly bắt
buộc phải được trang bị các dụng cụ đo nhiều kênh tín hiệu theo khoảng cách. các
dụng cụ đo này sẽ phát tín hiệu cảnh báo khi suất liều phát vượt quá giới hạn cho
phép trong vùng kiểm tra. Các nguồn đồng vị bức xạ đựng trong camera do bẩn, va
chạm có thể bị rò rỉ nên cũng thường xuyên kiểm tra. Các dụng cụ phổ kế cũng được
sử dụng khi kiểm tra bằng ghi đo bức xạ làm việc trong chế độ đếm xung và đếm
phổ. Hiện nay sử dụng phổ biến các liều kế cá nhân sau:
i) Liều kế film đeo (Film badge dosimeter)
Liều kế này phát hiện được bức xạ theo nguyên lý nếu bị tia bức xạ ion hóa chiếu vào
thì film sẽ bị đen sau khi được xử lý.
Độ đen ghi nhận được trên film phụ thuộc vào liều bức xạ mà một người đã nhận.
Một tấm film được dùng để đo liều tổng cộng mà một người đã nhận trong khoảng
thời gian làm việc với bức xạ.
Ưu điểm chính của liều kế film là cho kết quả lưu giữ lâu liều lượng bức xạ. Film.
trong một hộp đựng film được gắn vào dây thắt lưng hoặc túi trước của nhân viên
chụp ảnh bức xạ. Mỗi film thường được sử dụng trong khoảng thời gian là bốn tuần
và sau đó được đưa đi xử lý tráng rửa và đánh giá liều của mỗi cá nhân nhận được.
Liều kế film cho phép đo được một dải liều rộng từ 0,2 mSv đến 0,2 Sv (h.VII.95).
biểu diễn một liều kế film điển hình.
Hình VII.95. Liều kế film: 1), 2), 3)- tấm đồng; 4)- cửa sổ; 5)- lớp chì; 6)- khe quan
sát film.
ii) Dụng cụ đo liều bỏ túi (Pocket dosimeters)
Dụng cụ đo liều bỏ túi bằng sợi thạch anh dựa trên nguyên lý làm việc của dụng cụ
đo tĩnh điện bằng vàng lá. Ban đầu hai điện cực bằng lá vàng được nạp điện nằm ở vị
trí xa nhất, khi phóng điện sẽ làm cho hai điện cực tiến lại gần nhau. Một điện cực
được đặt cố định còn điện cực kia gắn dây thạch anh có thể di chuyển được. Để nạp
điện vào hệ thống dùng bộ pin nhỏ, lúc đầu dây thạch anh ở vị trí zero của thang đo
theo đơn vị là mrem. Bức xạ ion hóa chiếu vào làm giảm điện tích toàn phần trong hệ
thống và làm dây thạch anh dịch chuyển trên thang đo. Quan sát sợi dây thạch anh
qua cửa nằm trên dụng cụ đo liều. Dụng cụ đo liều bỏ túi có thang đo từ 0 - 2 mSv và
có thể sử dụng được nhiều lần. Những thang đo khác có thể đo được trong dải liều
bức xạ từ 0 – 5 mSv; 0 – 50 mSv; 0 – 0,5 Sv. Ưu điểm của các máy đo liều bỏ túi bằng
sợi thạch anh là liều bức xạ ghi nhận được có thể đọc trực tiếp ở tại bất kỳ thời điểm
nào và được đặt trong quá trình làm việc. (H.VII.96) biểu diễn một dụng cụ đo liều
bỏ túi.
Hình VII.96. Cấu tạo của dụng cụ đo liều bỏ túi.
iii) Liều kế nhiệt phát quang (Thermoluminescent dosimeter) :
Đây là một loại thiết bị đo liều bức xạ tương đối mới. Nguyên lý ghi nhận liều bức
xạ là cấu trúc vật liệu sẽ thay đổi khi bị chiếu xạ, nhưng không đáng kể và mắt
thường không thể thấy được. Nếu vật liệu bị chiếu xạ sau đó được kích thích bằng
nhiệt thì nó sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang với cường độ sáng tỉ lệ với năng lượng
bức xạ. Độ chói sáng huỳnh quang có thể đo được bằng cách sử dụng một detector có
bộ nhân quang điện tử và qua đó đánh giá được liều bức xạ mà vật liệu nhận được.
LiF, CaF và LiF là những chất rất hay được dùng trong liều kế nhiệt phát quang.
Liều kế này có thể đo trong một dải rộng từ một vài mrem cho đến vài ngàn rem và
rất thích hợp khi đo liều bức xạ tia X, bức xạ gamma và bức xạ beta. Nó cũng được
sử dụng như một liều kế cá nhân để đo liều bức xạ tổng cộng của một người nhận
được trong khoảng thời gian đeo liều kế này.