Đang tải... (xem toàn văn)
phương pháp tia x
NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 1 | P a g e ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ============== BÁO CÁO GIỮA KỲ ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY Đề tài: “ Phương pháp tia X ” Sinh viên nhóm 3: STT Họ & Tên SHSV 1 Ngô Văn Đức 20090793 2 Hoàng Văn Nam 20091822 3 Nguyễn Trung Tâm 20092311 4 Nguyễn Thanh Long 20091655 5 Đinh Quốc Chính 20090314 6 Trần Thị Hiên 20091012 7 Đõ Việt long 20106039 NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 2 | P a g e MỤC LỤC Trang I. GIỚI THIỆU CHUNG…………………… …………………………………….3 1. Giới thiệu về NDT……………………………………………………… …3 2. Các phương pháp NDT…………………………………………………… 3 II. PHƯƠNG PHÁP TIA X…………………………………………………… … 4 1. Tia X……………………………………………………………………… 4 2. Quá trình tương tác của bức xạ với vật chất…………………………………5 3. Chụp ảnh phóng xạ tia X…………………………………………… …… 7 4. ống phóng tia X……………………………………………………… ….13 NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 3 | P a g e I. GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu về NDT 1.1. Định nghĩa và bản chất của NDT Kiểm tra không phá hủy lá sử dụng các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong cấu trúc vật liệu, các sản phẩm các chi tiết máy…mà không làm ảnh hưởng đến khả năng hoạt động và chất lượng của chúng. 1.2. Tầm quan trọng của NDT Phương pháp kiểm tra đo không phá hủy đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm. NDT cũng được sử dụng trong tất cả các công đoạn của quá trình chế tạo mỗi sản phẩm. Sử dụng các phương pháp NDT có hiệu quả trong các công đoạn của quá trình chế tạo sản phẩm như: Tăng mức độ an toàn và tin cậy của sản phẩm khi làm việc. Làm giảm sản phẩm lỗi, đảm bảo chất lượng của vật liệu, từ đó giảm giá thành sản phẩm. Ngoài ra NDT được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm tra thường xuyên hoặc định kỳ chất lượng của các thiết bị máy móc và các công trình quá trình vận hành. 2. Các phương pháp NDT 2.1. Phương pháp kiểm tra bằng mắt Kiểm tra bằng mắt là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất của phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy. Đối với phương pháp này thì bề mặt của vật thể cần phải có đủ độ sáng và tầm nhìn của người kiểm tra phải thích hợp. Các thiết bị, dụng cụ được trang bịđầy đủ và người kiểm tra phải qua lớp tập huấn. 2.2. Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy (ET) Phương pháp này dùng phát hiện các khuyết tật trên bề mặt, phân loại vật liệu, để đo những thành mỏng từ một mặt…và một vài ứng dụng khác để đo độ sâu lớp thấm. Phương pháp này kiểm tra rất nhanh, có thể tự động hóa được. 2.3. Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ (RT) Phương pháp này kiểm tra bằng cách chụp ảnh phóng xạ được dùng để xác định khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau. Đây là phương pháp chụp ảnh bằng tia X hoặc gamma. NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 4 | P a g e 2.4 Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm (UT) Kiểm tra vật liệu siêu âm là một trong nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy, sóng siêu âm có tần số cao được truyền vào vật liệu cần kiểm tra. 2.5. Phương pháp kiểm tra bằng bột từ (MT) Phương pháp này được dung để kiểm tra các vật liệu dễ nhiểm từ. Nó có khả năng phát hiện được những khuyết tật hở ra trên bề mặt và ngay sát bề mặt. 2.6. Phương pháp kiểm tra thẩm thấu lỏng (PT) Phương pháp này dùng kiểm tra những bất đồng nhất trên bề mặt như: Các vết nứt, rỗ khí, chống mép, các lỗ rò rỉ. Phương pháp này rẻ tiền, dễ áp dụn, kiểm tra nhanh, thiết bị nhẹ gọn. II. PHƯƠNG PHÁP TIA X 1. Tia X 1.1. Cơ sở hình thành Năm 1895 nhà bác học Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X trong lúc ông đang nghiên cứu hiện tượng phóng điện qua không khí. Trong một thời gian thí nghiệm trên các loại tia mới và bí ẩn này thì Roentgen đã chụp được một bức ảnh bóng của các vật thể khác nhau gồm những hộp đựng các quả cầu và một khẩu súng ngắn nhìn thấy rõ ràng. Những bức ảnh bóng này đã đánh dấu sự ra đời của phương pháp chụp ảnh bức xạ. Năm 1913 Collidge đã thiết kế ra một ống phát bực xạ tia X mới. Thiết bị này có khả năng phát bức xạ tia X có năng lượng cao hơn và có khả năng xuyên xâu hơn. Năm 1917 phòng thí nghiệm chụp ảnh bức xạ bằng tia X đã được thiết lập tại Royal Arsenal ở Woolwich. Năm 1930 hải quân Mỹ đồng ý dùng phương pháp chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các mối hàn của nồi hơi. 1.2. Tính chất của 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 0.01 đến 10 nm, tần số trong khoảng từ 3 × 10 16 Hz đến 3 × 10 19 Hz và năng lượng trong khoảng 120 eV đến 120 keV. Bức xạ tia X là bức xạ điện từ giông như ánh sáng, có nhưng tính chất như sau: Có những tính chất của ánh sáng. NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 5 | P a g e Gây sự ion hóa, có khả năng làm một số chất phát huỳnh quang (kim cương, barium… ) Xuyên qua những vật mà ánh sáng không xuyên qua được. Tuân theo định luật bình phương khoảng cách. Đó là, cường độ bức xạ tia X tại một thời điểm bất kỳ tỷ lệ với bình phương khoảng cách từ nguồn đến điểm đó được tính theo công thức: (I=1/r 2 ) Tác động lên lớp nhũ tương trên phim 1.3. Tác hại của tia X Khi tia X đi vào cơ thể, không phải tất cả đều ra khỏi được, àm một số tia X bị mất do cơ thể hấp thụ. Những tia X bị mất đi có thể có năng lượng rất lớn, nó đi qua cơ thể và giải phóng tất cả các năng lượng của nó. Năng lượng này được chuyển thành electron gây nhiều tổn thương cho cơ thể con người trong một vùng hẹp như: ion hóa mô trường nó đi qua, phá hủy các AND của tế bào. 2. Quá trình tương tác của bức xạ với vật chất 2.1. Hiện tượng hấp thụ Một chùm tia X đi qua vật chất thì cường độ của chúng bị suy giảm. Hiện tượng này gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X trong vật chất. Nếu có một khuyết tật nằm bên trong cấu trúc của mẫu vật, thì có sự thay đổi về bề dày hoặc mật độ mẫu vật đó, và nó tác động đến cường độ của chùm bức xạ truyền qua, chùm bức xạ truyền qua này được ghi nhận trên phim tạo ra một ảnh chụp bức xạ trên phim. Cường độ suy giảm được thể hiện qua ba hiệu ứng: sự hấp thụ quang điện(τ), sự hấp thụ và tán xạ Compton(σ) và sự tạo cặp(χ) Hệ số suy giảm: µ= τ+ σ+ χ Trong đó: sự hấp thụ quang điện(τ), sự hấp thụ và tán xạ Compton(σ) và sự tạo cặp(χ) 2.1.1. Sự hấp thụ quang điện Khi có tương tác quang điện với nguyên tử hấp thụ, lượng tử có năng lượng tương đối thấp (nhỏ hơn 1 MeV) truyền toàn bộ năng lượng cho electron ở lớp trong- thường là lớp K. Do nhận được năng lượng bằng hiệu số giữa năng lượng lượng tử với năng lượng liên kết trong nguyên tử, electron bị bứt ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là photoelectron 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 NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 6 | P a g e điện càng mạnh. Hiệu ứng quang điện hầu như hỉ 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 tỉ lệ với số Z và năng lượng Z và năng lượng E Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện Ở đây, cần phải chú ý rằng bức xạ tán xạ có ảnh hưởng đặc biệt đến phim trong quá trình chụp. Nó làm tăng độ mờ của chụp bức xạ đây là điều không mong muốn khi giải đoán hình ảnh. Do đó hiệu ứng Compton là hiệu ứng có ảnh hưởng quan trọng nhất. 2.1.2.Sự tạo cặp Quá trình tạo cặp do lượng tử 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 MwV. Sau khi tạo thành electron và positron tách khỏi nhau rồi bị mất động năng do sự ion hóa thứ cấp. Quá trình tạo cặp có vai trò quan trọng khi năng lượng E lớn với các chất có nguyên tử số Z cao, vì hệ số tương tác tạo cặp tỷ lệ với Z 2 . 2.2. Hệ số suy giảm khối µ m Khi kiểm tra bằng chụp bức xạ, hệ số suy giảm khối đặc trưng đồng thời cho cả mật độ vật liệu cũng như năng lượng bức xạ. Nó được xác định theo quan hệ: µ m = µ/ (g/cm 2 ) (2.1) µ m =k 3 Z 3 (2.2) Trong đó: mật độ vật chất (g/cm 3 ) NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 7 | P a g e Hệ số suy giảm khối 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. Hệ số suy giảm khối cũng phụ thuộc vào nguyên tử số Z của chất hấp thụ và tăng lên theo nguyên tử số Z. 2.3. Định luật suy giảm chùm tia bức xạ hẹp Bức xạ bị hấp thụ khi truyền qua lớp vật liệu mỏng và phụ thuộc vào chiều dày và hệ số suy giảm tuyến tính µ. Tương tự như định luật phân rã phóng xạ có thể viết: I t = I 0 e -µ =I 0 exp(-µ ) (2.3) Trong đó: I t , I 0 là cường độ của chùm tia bức xạ hẹp tới và truyền qua vật liệu tương ứng với I 0 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: 0t I I e 0 ln( ) t I I (2.4) 2.4. Tán xạ ngược. Khi lượng tử tán xạ nhiều lần trong vật kiểm và bị hấp thụ bởi những vật gần đó, một phần bức xạ 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 tỷ lệ nghịch với bình phương nguyên tử số Z 2 của vật chất đó. Nó cũng tăng khi chùm bức xạ tới vật kiểm bị lệch và tỉ lệ với cos (ở đây là góc tới của tia bức xạ). 3. Chụp ảnh phóng xạ tia X 3.1. Định nghĩa chụp ảnh phóng xạ. Phương pháp chụp ảnh phóng xạ dùng để xác định khuyết tật bên trong của vật liệu kiểm tra. Phim ảnh bức xạ được tạo ra từ các chùm tia X đi qua vật thể. Cường độ chủa chùm tia X đi qua vật thể bị thay đổi tùy theo cấu trúc bên trong của vật thể, khi rửa phim chụp sẽ xuất hiện ra ảnh bóng, đó chính là ảnh chụp bức xạ của sản phẩm. Sau đó phim được giải đoán để biết được những khuyết tật có trong sản phẩm đó. Về bản chất cơ bản hệ chụp ảnh gồm: Nguồn phóng xạ, vật liệu cần kiểm tra và bộ phận ghi là phim. NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 8 | P a g e Hình 2.2 : Cách bố trí trong phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ. Phương pháp này có thể phát hiện những lỗi như: - Không gian rỗng do co ngót khi đông. - Cứng, rỗ khí, nứt, cháy cạnh, kênh khí, bọc xỉ. - Lỗi không liên kết, bọc táp chất rắn (đồng hoặc Wolfram) . - Hàn không thấu (không xuyên qua đầy đủ). - Lỗi về hình dạng hình học - Bắn tóe hàn. 3.2. Nguyên lý phương pháp tia X 3.2.1. Hiện tượng quang điện ngoài. a. Thí nghiệm Hertz về hiện tượng quang điện Đặt một tấm kẽm đã được tích điện âm lên trên một điện nghiệm (tấm kẽm nối với điện cực của điện nghiệm) thì thấy hai lá kim loại của điện nghiệm xòe ra. NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 9 | P a g e Hình 2.3: Thí nghiệm quang điện Chiếu một chùm ánh sáng hồ quang vào tấm kẽm thì thấy hay lá kim loại của điện nghiệm cụp lại chứng tỏ tấm kẽm bị mất điện tích âm nghĩa là electron đã bị bật ra khỏi tấm kẽm. Hiện tượng trên không xảy ra nếu Ban đầu, ta tích điện dương cho tấm kẽm. Hoặc chắn chùm ánh sáng hồ quang bằng một tấm thủy tinh. b.Giải thích. Nếu ban đầu tích điện dương cho tấm kẽm thì tấm kẽm này đang thiếu electron. Khi chiếu hồ quang vào tấm kẽm thì cũng có electron bật ra nhưng sẽ ngay lập tức bị tấm kẽm hút lại. Do đó điện tích của tấm kẽm không đổi. Hai lá kim loại của điện nghiệm vẫn tiếp tục xòe ra. Tia tử ngoại trong chùm hồ quang bị thủy tinh hấp thụ mạnh nên chùm ánh sáng đơn sắc đến được với tấm kẽm chỉ là bức xạ đơn sắc có bước sóng dài. Điều này giúp khẳng định rằng hiện tượng electron bị bật ra khỏi tấm kẽm chỉ xảy ra với các bức xạ tử ngoại mà thôi. c.Kết luận. Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện ngoài. Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra với một số bức xạ đơn sắc nào đó. NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 10 | P a g e d.Ba định luật quang điện Hiện tượng quang điện xảy ra khi ʎ ≤ ʎ 0 . Đối với mỗi kim loại làm catot thì cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm ánh sáng kích thích. Động năng ban đầu cực đại của electron quang điện (bằng tích e|U h |) không phụ thuộc vào cường độ của chùm ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích và vào bản chất của kim loại dùng làm catot. 3.3. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp tia X Phương pháp này dùng để kiểm tra khuyết tật của tất cả các vật liệu, đặc biệt các khuyết tật mỏng cũng có thể phát hiện được. Nó cũng phù hợp cho việc phát hiện cấu trúc bên trong vật liệu bị sai hỏng… Ưu điểm - Có thể kiểm tra tất cả các vật liệu, các vật liệu có diện tích lớn. - Kết quả trực quan,lưu giữ được lâu - Xác định được các lỗi bên trong - Có thể xác định mật độ, độ lớn của vết nứt - Xác định nhanh Nhược điểm - Khó phát hiện các khuyết tật dạng phẳng - Là phương pháp nguy hiểm - Chi phí đắt - Hình ảnh khó phân tích, định lượng - Yêu cầu trình độ cao 3.4. Nguyên lý tạo ảnh trên phim. Khi tia X chiếu đến phim sẽ làm thay đổi quang hóa, sẽ thay đổi độ đen của phim, nên độ đen của phim phụ thuộc vào số lượng, chất lượng của chúng. Khi bức xạ đên tương tác với lớp nhũ tương chụp ảnh của phim sẽ tạo ra một ảnh ảo. Quá trình này sẽ xảy ra theo các bước sau: h Ɣ + Br - Br + e - Ag + + e - Ag Ag + + Br - Ag + Br [...]...NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X Các nguyên tử bromua trung hòa sẽ kết hợp với nhau để hình thành nên hật Br và thoát ra ngoài tinh thể bạc bromua, còn lại những nguyên tử bạc tự do sẽ lắng xuống Sau khi tráng rửa phim thì ảnh ẩn nhìn thấy và trở thành ảnh thật 3.5 Các phương pháp kiểm tra dùng phương pháp tia X Phương pháp kiểm tra dùng bức x thường được dùng để x c định khuyết tật bên trong... c.Nguyên lý hoạt động Tia X được tạo ra từ ống phóng tia X, sau khi đi qua ống chuẩn trực để tăng độ chụm của chùm tia sẽ được đưa vào máy C-arm Máy C-arms có hình chữ C, một đầu chữ C phát tia X, còn đầu kia có nhiệm vụ thu tia X Người được kiểm tra sẽ đứng (hoặc nằm) ở giữa máy C-arms, bức x tia X chiếu qua người sẽ được hấp thụ một phần còn một phần đi đến đầu thu Sau đó, chùm tia X này được đi vào... gây ra bởi điện áp cao, va chạm với đối âm cực và sinh ra tia X Hình 4.7: Mô tả hoạt động ống phát tia X 4.3 Quan hệ giữa UAK và cường độ bức x phát ra Tùy vào kim loại làm đối âm cực và UAK, ống phóng sẽ phát x mạnh chùm tia X có bước sóng tương ứng Dưới đây là biểu đồ phát x tia X của một kim loại cụ thể: Hình 4.8: Biểu đồ phát x tia X 14 | P a g e ... thụ nhiều bức x hơn các vùng còn lại Độ tối của phim sẽ thay đổi phụ thuộc vào lượng bức x chiếu tới phim sau khi đã đâm xuyên qua vật kiểm tra Ở hình bên, phần phim có màu sáng nhận ít tia X hơn phần phim có màu tối Vùng có chứa khuyết tật (nứt, rỗng) hiển thị trên phim sẽ có có độ sáng tối hơn so với vùng xung quanh 3.5.1 Phương pháp nội soi ảnh huỳnh quang a.Phạm vi ứng dụng Phương pháp này thể... cường độ tia X chiếu vào khu vực đó Chùm sáng này chiếu tới photocathode, 12 | P a g e NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X và lớp này phát ra các chùm electron Các electron này được dẫn chiếu vào lớp phosphor đầu ra và khiến lớp này phát sáng Hình 2.5: Mô tả lớp phosphor khi chiếu tia X 4 ống phóng tia X 4.1 Cấu tạo Là ống tia cathode ở áp suất cỡ 10-3 mmHg có 3 cực: Cathode C hình chỏm cầu, electron được cung... hoặc mối hàn khác nhau Tương tác của bức x với vật kiểm tra Khi truyền qua vật kiểm tra, bức x sẽ bị suy yếu đi do hấp thụ và tán x Mức độ suy giảm phụ thuộc vào chiều dày δ và mật độ ρ của vật kiểm tra cũng như cường độ M và năng lượng E của bức x Phương pháp chụp ảnh X- Quang Vật kiểm tra được đặt giữa nguồn phát x và tấm phim Nó sẽ hấp thụ một phần bức x Vùng nào có độ dày lớn và mật độ vật... lớn và khó nóng chảy (platin, wolfram…) đề chắn dòng tia cathode Đối âm cực thường được nối với anode A Anode A Hình 2.6: Ống phóng tia X 13 | P a g e NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 4.2 Nguyên lý hoạt động Khi ta cấp một nguồn có hiệu điện thế cỡ vài chục kV và có dòng từ 1-5A giữa anode và cathode, sợi đốt bị đốt nóng sẽ phát ra các electron bởi sự phát x nhiệt Sau đó, chùm electron được tăng tốc bởi điện... hình về cấu trúc bên trong vật kiểm khi chiếu chùm tia ion hóa mà không dùng dùng phim Chúng được dùng để kiểm tra sơ bộ nhằm phát hiện nhanh khuyết tật lớn với liều chiếu nhỏ Thường được ứng dụng trong hải quan và y tế 11 | P a g e NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X b.Cấu tạo máy nội soi huỳnh quang Cấu tạo một máy bao gồm: Ống phóng tia X (X- ray tube) Ống chuẩn trực (collimator) Máy C-arm (C-arm... đại hình ảnh Tại đây, chùm tia X sẽ được chuyển thành các chùm sáng và đưa lên các thiết bị hiển thị đặc biệt Hình 2.4: Mô tả nguyên lý hoạt động d.Cấu tạo của lớp phosphor trong bộ khuếch đại hình ảnh Bề mặt đầu vào của bộ khuếch đại hình ảnh có phủ một lớp phosphor Khi tia X chiếu vào, lớp phosphor này sẽ phát sáng Cường độ chùm sáng phát ra phụ thuộc vào cường độ tia X chiếu vào khu vực đó Chùm . là phương pháp chụp ảnh bằng tia X hoặc gamma. NHÓM 3: PHƯƠNG PHÁP TIA X 4 | P a g e 2.4 Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm (UT) Kiểm tra vật liệu siêu âm là một trong nhiều phương pháp. của phương pháp chụp ảnh bức x . Năm 1913 Collidge đã thiết kế ra một ống phát bực x tia X mới. Thiết bị này có khả năng phát bức x tia X có năng lượng cao hơn và có khả năng xuyên x u hơn lắng xuống. Sau khi tráng rửa phim thì ảnh ẩn nhìn thấy và trở thành ảnh thật. 3.5. Các phương pháp kiểm tra dùng phương pháp tia X Phương pháp kiểm tra dùng bức x thường được dùng để x c