Cơ chế phát xạ của tia x và ứng dụng của nó

  • Số trang: 58 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 107 |
  • Lượt tải: 2
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ ---------- ĐỀ TÀI CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ Luận Văn Tốt Nghiệp Ngành: Sư Phạm Vật Lý Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý – Công Nghệ K36 Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS. GVC Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Thị Kim Sánh MSSV: 1107634 Lớp: SP. Vật lý – Công nghệ Cần Thơ, 2013 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy Hoàng Xuân Dinh đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Sƣ phạm Vật lý đã tạo điều kiện trong việc cung cấp tài liệu cho em tham khảo. Sau cùng em xin cảm ơn tất cả thầy cô, bạn bè đã đóng góp ý kiến cho đề tài của em đƣợc tốt hơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Kim Sánh MỤC LỤC Phần MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài.......................................................................................................... 1 2. Mục đích của đề tài ...................................................................................................... 1 3.Giới hạn của đề tài ........................................................................................................ 1 4. Phƣơng pháp và phƣơng tiện thực hiện ........................................................................ 1 5. Các bƣớc thực hiện ...................................................................................................... 1 Phần NỘI DUNG ............................................................................................................. 3 Chƣơng 1: LỊCH SỬ PHÁT HIỆN VÀ TÍNH CHẤT CỦA TIA X .................................. 3 1.1 Lịch sử phát hiện tia X ............................................................................................... 3 1.2 Tính chất của tia X ..................................................................................................... 6 Chƣơng 2: CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X ................................................................... 9 2.1 Định nghĩa ................................................................................................................. 9 2.2 Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................... 9 2.3 Cấu tạo các thành phần của ống tia X ......................................................................... 9 2.3.1 Cathode và anode .................................................................................................... 9 2.3.1.1 Công nghệ và thiết kế cathode ............................................................................ 13 2.3.1.2 Công nghệ và thiết kế anode ............................................................................... 14 2.3.2 Vỏ chân không của ống tia X ................................................................................ 15 2.3.2.1 Ống thủy tinh .....................................................................................................15 2.3.2.2 Ống kim loại thủy tinh ........................................................................................ 16 2.3.2.3 Ống kim loại-gốm .............................................................................................. 16 2.4 Các ống tia X hiện đại .............................................................................................. 16 2.4.1 Ống tia X năng lƣợng thấp .................................................................................... 16 2.4.2 Ống tia X năng lƣợng cao ...................................................................................... 18 2.4.3 Ống tia X năng lƣợng cao với anode quay ............................................................. 18 2.5 Cơ chế tạo thành tia X .............................................................................................. 19 2.5.1 Ống Rơnghen ........................................................................................................ 19 2.5.1.1 Cấu tạo ............................................................................................................... 19 2.5.1.2 Hoạt động........................................................................................................... 19 2.5.2 Ống Coolidge ........................................................................................................ 20 2.5.2.1 Cấu tạo ............................................................................................................... 20 2.5.2.2 Hoạt động........................................................................................................... 20 Chƣơng 3: QUANG PHỔ TIA X ................................................................................... 21 3.1 Phổ liên tục của tia X ............................................................................................... 21 3.2 Phổ vạch (phổ đặc trƣng) ......................................................................................... 23 3.3 Phổ kế huỳnh quang tia X ........................................................................................ 24 3.3.1 Cơ chế phát xạ huỳnh quang tia X ......................................................................... 24 3.3.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm ........................................................................................ 25 3.3.2.1 Ƣu điểm ............................................................................................................. 25 3.3.2.2 Nhƣợc điểm........................................................................................................ 25 3.4 Định luật Moseley ....................................................................................................26 3.5 Sơ đồ vạch năng lƣợng ............................................................................................. 27 3.5.1 Vạch K .................................................................................................................. 27 3.5.2 Vạch L .................................................................................................................. 27 3.5.3 Vạch M ................................................................................................................. 27 Chƣơng 4: SỰ HẤP THỤ VÀ TÁN XẠ CỦA TIA X TRONG VẬT CHẤT ................. 28 4.1 Sự hấp thụ của tia X .................................................................................................28 4.1.1 Sự gián đoạn của quá trình hấp thụ tia X ............................................................... 28 4.1.2 Hiệu ứng quang điện ............................................................................................. 30 4.1.3 Mép hấp thụ .......................................................................................................... 30 4.1.4 Định luật Bragg – Pierce ....................................................................................... 31 4.1.5 Bƣớc nhảy hấp thụ ................................................................................................ 32 4.2 Sự tán xạ của tia X ...................................................................................................33 4.2.1 Sự tán xạ không kết hợp (tán xạ Compton) ............................................................ 33 4.2.2 Sự tán xạ kết hợp (tán xạ Rayleigh) ....................................................................... 36 Chƣơng 5: ỨNG DỤNG CỦA TIA X ............................................................................ 38 5.1 Trong y học .............................................................................................................. 38 5.1.1 Phẫu thuật không chảy máu bằng tia X và tia gamma ............................................ 38 5.1.2 Chụp X-quang ....................................................................................................... 39 5.2 Trong công nghiệp ...................................................................................................39 5.2.1 Diệt khuẩn hàng thủy hải sản và rau quả ............................................................... 39 5.2.2 Dùng tia X thăm dò khe hở giữa nƣớc và bề mặt phân chia pha............................. 40 5.2.3 Sử dụng tia X trong chế tạo và nghiên cứu động cơ ............................................... 40 5.2.4 Tia X kiểm soát rối loạn trong chất siêu dẫn .......................................................... 42 5.2.5 Phân tích mẫu quặng bằng tia X-quang .................................................................43 5.3 Trong an ninh-quốc phòng ....................................................................................... 43 5.3.1 Ứng dụng tia X phát hiện tội phạm ........................................................................ 43 5.3.2 Dò tìm bom mìn ....................................................................................................44 5.4 Trong sinh học ......................................................................................................... 45 5.5 Trong hội họa ........................................................................................................... 47 Phần KẾT LUẬN........................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phần MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con ngƣời dần tiến bộ và hiện đại, kéo theo đó là sự phát triển nhƣ vũ bão của khoa học kĩ thuật. Các công trình nghiên cứu khoa học mới lần lƣợt ra đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu của con ngƣời. Thời đại ngày nay – thời đại của tầm cao trí tuệ, mọi sản phẩm sinh hoạt của con ngƣời đều là những ứng dụng tinh tế của các phát minh khoa học. Mỗi ngành khoa học đều có những ứng dụng cụ thể trong một số lĩnh vực nhất định. Vật lý học là ngành đã cống hiến cho nhân loại những phát minh mà tác dụng của nó đối với đời sống quả là không nhỏ. Vào những năm của thế kỉ XIX, với việc tìm ra tia X một bức xạ có bƣớc sóng ngắn hơn bƣớc sóng tia tử ngoại, của nhà vật lý học ngƣời Đức nổi tiếng thế giới Rơnghen (Wilhelm Conrad Roentgen) là sự khởi đầu của một sự thay đổi mang tính cách mạng, trong nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất. Những ứng dụng tuyệt vời của tia X nhƣ trong y học là một bƣớc ngoặt trong chuẩn đoán và điều trị bệnh. Tia X còn đƣợc dùng trong công nghiệp nhƣ phân tích cấu trúc tinh thể, hay trong nghiên cứu khoa học và còn nhiều lĩnh vực khác trong cuộc sống con ngƣời. Tia X đƣợc ứng dụng rộng rãi và có lợi ích cho xã hội, vì thế em chọn đề tài: “Cơ chế phát xạ của tia X và ứng dụng của nó”. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu lịch sử phát hiện, tính chất, cơ chế phát xạ, quang phổ, sự hấp thụ, tán xạ của tia X và một số lĩnh vực ứng dụng quan trọng của nó. 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Chỉ tìm hiểu cơ chế phát xạ tia X qua các tài liệu và ứng dụng của nó trong lĩnh vực y học, công nghiệp, an ninh, quốc phòng, sinh học, hội họa. 4. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN Sƣu tầm, phân tích các tài liệu, sách báo và trên internet. Tổng hợp các kiến thức có đƣợc để viết luận văn. 5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Nhận đề tài. 1 - Tìm kiếm các tài liệu có liên quan đến đề tài, để lập đề cƣơng và thông qua giáo viên hƣớng dẫn. - Tổng hợp các tài liệu và viết bản thảo. - Nộp bản thảo và trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn. - Hoàn chỉnh luận văn. - Báo cáo luận văn. 2 Phần NỘI DUNG Chƣơng 1: LỊCH SỬ PHÁT HIỆN VÀ TÍNH CHẤT CỦA TIA X 1.1 LỊCH SỬ PHÁT HIỆN TIA X Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng 3 năm 1845 – 10 tháng 2 năm 1923) sinh ra tại Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, là một nhà vật lý học, giám đốc Viện Vật lý trƣờng Đại học Tổng hợp Wurtzbourg. Thế kỉ XIX là thời đại của ông. Thời đó, động cơ hơi nƣớc đƣợc coi là phát minh kiệt xuất của nhân loại, kế đó là những sáng chế nhƣ: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại… Những môn khoa học cơ bản nhƣ: Toán, Lý, Hóa, Sinh… vẫn còn biệt lập nhau và cách nhau rất xa. Những kiến thức lý thuyết còn phát triển chậm, cho nên nhà nghiên cứu trƣớc hết là nhà thực nghiệm giỏi. Ở vào thời kỳ này, nhất là vào những năm 1890, các nhà vật lý tên tuổi đổ xô vào tìm hiểu phát minh mới của Faraday và Hittorf và “Hiện tƣợng phóng điện trong không khí loãng”. Tia điện khi đó là đề tài hấp dẫn, là “mốt” theo đuổi của nhiều nhà khoa học, trong đó có Rơnghen. Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trƣờng Đại học Tổng hợp Wurtzbourg (cách Berlin 300 km về phía tây nam), Giám đốc Rơnghen “chong đèn” thâu đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển trong ống chân không, còn gọi là ống Crookes – Hittorf, (đó là tên của nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội đồng Hoàng Gia Anh và sáng chế của Crookes đã ra đời cách ngày ấy 40 năm). Rơnghen có ý định làm lại các bƣớc thí nghiệm với ống chân không này. Một trong những thiết bị mà Rơnghen rất chú ý đến là ống tia âm cực. Đó là một ống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, đƣợc cung cấp điện áp cao thế từ cuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ tạo ra sự phát sáng huỳnh quang (phosphorescence) khi tác động bởi một chùm electron phát sinh từ âm cực. Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh (trong đó có tráng một lớp hỗn hợp phát quang). Khi bật công tắc điện thì màn chắn có chứa barium plation – cyamit (ta thƣờng gọi là Xyanuabari) đặt trƣớc ống chân không bỗng phát ra thứ ánh sáng xanh nhè nhẹ, nhƣng sao nó lại có vẻ khác lạ so với tia điện chúng ta thƣờng biết đến? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia biến mất. Ông kiểm tra lại nơi phát sáng, tình cờ ông thấy tấm bìa tẩm platinocyanure de baryum ở đó. Ông suy đoán: 3 có thể từ chính cái ống crookes kia đã phát ra một cái gì đó, rồi chính nó lại kích thích chất huỳnh quang trên màn hình. Rơnghen tự hỏi: Hay tấm bìa phát sáng? Hoặc một khúc xạ nào đó của tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng? Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cách thử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem sao. Rơnghen thốt lên: Lạ thật! Kết quả vẫn nhƣ cũ. Ông dự đoán: có thể đây là một tia rất mới. Nó xuyên qua cả giấy đen. Bà Bertha – ngƣời vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ đăm chiêu hơn mọi ngày. Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ của chồng bị ngắt quãng. Cả đêm hôm đó ông không thể chợp mắt đƣợc. Ông muốn lao sang phòng thí nghiệm ngay tức khắc. Ông suy đoán miên man không sao ngủ đƣợc. Rồi đột nhiên, ông thốt lên thành lời. Phải rồi! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng đƣợc khả năng xuyên qua giấy đen của thứ tia mới lạ đó. Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo ra tập giấy ảnh mới mua. Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh. Rồi giao cho Marstaller – nhân viên của phòng mang đi in thành ảnh. Chỉ ít phút sau đã thấy Marstaller quay trở lại, anh tỏ ra ấp úng: “Tôi…tôi… trót mở tung gói giấy ra làm cho chúng đen lại”. Nhƣng Rơnghen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều. Ông quan sát kỹ hơn thì thấy: có in hình chữ nhật và ở giữa là hình tròn tựa nhƣ chiếc nhẫn. Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy có một tấm bìa cứng kích thƣớc bằng đúng hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn của ông. Ông chợt nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin và Gabriel (ngƣời Anh) 15 năm về trƣớc có lần nói đến một số tia lẫn trong tia điện. Phải chăng nó là đây? Nhƣng sao suốt 15 năm qua không ai tìm ra nó? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh. Rồi lại đặt lên bàn, tập trung đến cao độ để giải thích hiện tƣợng này. Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25 năm bà chƣa bao giờ thấy ông ấy vui vẻ, rạng rỡ đến nhƣ thế. Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhƣng ông vẫn quyết định thử nghiệm lại một lần nữa. Lần này, Rơnghen đƣa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo các rèm cửa lại để làm phòng tối. Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quang. Khi công tắc bật lên, tia lửa điện xuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng. Rơnghen bịt ống nghiệm bằng ống giấy, rồi chuyển màn hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ. Ngăn cách hẳn một cánh cửa gỗ, nhƣng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy có yếu hơn trƣớc đôi chút. Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhƣng đặt thêm một quyển sách khá dày trƣớc màn hình. Ông thận trọng bật công tắc. Chà! Kết quả vẫn không thay đổi. Ông mừng rỡ thật 4 sự. Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn hình lên, tay kia đƣa ngay vào tầm của màn huỳnh quang. Thật là sửng sốt! Ông nhìn thấy những đốt xƣơng bàn tay của chính mình, cả đƣờng gân và mạch máu. Thú vị thay là bộ xƣơng ấy đang sống, nó chuyển động theo sự điều khiển của ông. Rơnghen lại tiếp tục đƣa vào những vật cản khác, bằng nhiều chất liệu, cuối cùng ông rút ra kết luận: “Tia đặc biệt này có khả năng xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm của cơ thể. Nhƣng không đi qua đƣợc kim loại, nhất là những kim loại có tỷ trọng lớn, không đi qua đƣợc một số bộ phận cơ thể, nhất là những bộ phận có chứa nguyên tố nặng nhƣ xƣơng. Mặt khác, nó không bị ảnh hƣởng bởi từ trƣờng, hay điện trƣờng, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh” Nhà phát minh bỗng cảm thấy cần phải chia sẻ với ngƣời vợ thân yêu của mình. Ông đặt bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh. Ống nghiệm của ông thì để ở dƣới gầm bàn. Ông dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn. Thế là pô ảnh đầu tiên bằng tia mới chƣa kịp đặt tên đã đƣợc ông chụp cho chính bàn tay mềm mại của ngƣời vợ thân yêu. Tấm ảnh chƣa kịp khô, Rơnghen đã lấy ra cho vợ xem. Những đốt xƣơng tay của bà Bertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ nữa, chúng đều hiện lên rõ mồn một. Hôm đó là ngày 22/12/1895. Về sau này, ngƣời ta ca ngợi tấm hình “là bản chụp hình xƣơng ngƣời đầu tiên trong lịch sử y học”. Từ đây, nó giúp cho con ngƣời có thể thấy đƣợc cơ quan nội tạng của mình mà trƣớc đó không có cách gì thấy đƣợc. Thành công của Rơnghen làm mọi ngƣời hết sức kinh ngạc. Ngày 28/12/1895, ông mang nộp bản báo cáo học thuật đầu tiên về tia mới này cho Học hội vật lý học và y học Wurtzbourg và cho in bản luận văn tên là “Bản báo cáo sơ bộ về một loại tia mới”. Nội dung bài báo cũng đƣợc ông trình bày trong một buổi thuyết trình của hội ngày 23/1/1896. Thông tin về khám phá của Rơnghen truyền đi nhƣ vũ bão, nhanh chẳng kém gì thời đại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trƣớc. Tháng 3/1896, những ứng dụng y khoa đầu tiên đƣợc công bố. Một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằm trong một bàn tay bị thƣơng, một tấm khác, vết thƣơng chƣa lành ở chân… Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một “máy chụp huỳnh quang” với những tia X cực mạnh. Ngƣời ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải quan cũng vào cuộc rất sớm), và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng trong năm 1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này. Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp 5 có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Antoine Henri Becquerel về những tia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện tƣợng phóng xạ của ông, đƣợc đọc ngày 2/3/1896 (theo một bài viết của J.J. Samueli trên trang web BibNum). Về lý thuyết, thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công trình quan trọng liên quan tới tia X đáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện từ của các tia này (nhà bác học Max von Laue), cũng nhƣ sự hiện diện của chúng trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tia Gamma, là các sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím. Năm 1901, Rơnghen là nhà vật lý học đầu tiên vinh dự nhận giải thƣởng Nôben, với việc tìm ra tia X hay tia Rơnghen làm chấn động cả thế giới, mở ra một thời đại mới cho sự phát triển của khoa học – kĩ thuật. Ngày nay, trên khắp thế giới, ngƣời ta không còn lạ gì với những tấm ảnh chụp các bộ phận bên trong cơ thể, nhất là xƣơng của những ngƣời bị tai nạn, nhằm tìm hiểu để chữa trị thƣơng tật ấy. Những ngƣời bị nghi là có bệnh phổi cũng thƣờng đƣợc đƣa đi chụp phổi xem có bị lao, ung thƣ v.v… Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học (tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh tia X đầu tiên, đƣợc mở rộng sau đó với những kỹ thuật vật lý khác (nhƣ ảnh cộng hƣởng từ - Magnetic Resonance Imaging, viết tắt là MRI), kết hợp với những kỹ thuật số hoá các kết quả đo đạc và khả năng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử. Nhiều ứng dụng khác mở ra, nhƣ các ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X… hoặc trong công nghiệp, ngành chụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá những cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay những vết rạn vỡ nằm sâu trong lòng máy móc... 1.2 TÍNH CHẤT CỦA TIA X - Tia X không nhìn thấy đƣợc. Chúng lan truyền theo đƣờng thẳng, bị khúc xạ, phân cực và nhiễu xạ nhƣ ánh sáng thƣờng (ánh sáng nhìn thấy đƣợc). Hệ số khúc xạ của tia X gần bằng 1, cụ thể   1   , trong đó   106 đối với kim loại. - Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác nhƣ proton) bị hãm bởi một vật chắn và trong quá trình tƣơng tác giữa các bức xạ  với vật chất 0 - Tia X chính là bức xạ điện từ với bƣớc sóng từ 0,1 đến 102 A . Ngƣời ta quy ƣớc chia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài (bức xạ mềm). Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của các điện tử bị hãm. 6 + Tia X đi xuyên qua đƣợc giấy, vải, gỗ, thậm chí cả kim loại nữa. Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhƣng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại. Do đó, ngƣời ta thƣờng dùng chì để làm các màn chắn tia X. Tia X có bƣớc sóng càng ngắn thì càng xuyên sâu, tức là càng “cứng”. + Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý:  Hiệu điện thế càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh.  Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì chùm tia X bị suy giảm càng nhiều.  Trong cơ thể con ngƣời, xƣơng đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa không khí nên tia X dễ xuyên qua.  Số lƣợng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cƣờng độ của dòng điện đi qua bóng X quang: cƣờng độ dòng điện càng cao thì số lƣợng tia X càng nhiều. - Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh. Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị hấp thụ trong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác động lên phim ảnh cũng yếu hơn. Làm ion hóa không khí. + Đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra đƣợc liều lƣợng tia X. Rọi vào các vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt đƣợc electron ra khỏi vật. + Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lƣợng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm biến đổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh. Đặc tính này đƣợc ứng dụng trong chụp phim X quang. + Ngƣời ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể. Tinh thể bao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn toàn xác định. Do ảnh hƣởng của điện trƣờng của tia X điện tử của nguyên tử trở thành các tâm phát sóng cầu với bƣớc sóng bằng với bƣớc sóng của tia sơ cấp. Các sóng cầu do các nguyên tử phát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo hƣớng này nhƣng lại tăng cƣờng nhau theo hƣớng khác. - Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất. Tia X làm phát sáng chất huỳnh quang đặt trong buồng tối. Ngƣời ta ứng dụng đặc tính này để chế tạo máy chiếu X quang: tùy mức độ cản tia X khác nhau của từng bộ phận, năng lƣợng của tia X còn lại sau khi đi qua cơ thể sẽ tác động lên màn huỳnh quang (đặt trong buồng tối) với mức độ khác nhau để tạo nên hình ảnh. - Tia X có tác dụng sinh lí mạnh. 7 + Tia X có tác dụng hủy hoại các tế bào ung thƣ: đƣợc sử dụng trong X quang điều trị (radiotherapy). + Với liều cao kéo dài, tia X có tác dụng làm biến đổi một số cấu trúc của các tế bào non, những tế bào kém biệt hoá nhƣ: tinh trùng, tế bào tủy xƣơng. Đặc biệt tia X làm biến đổi nhiễm sắc thể của nhân tế bào gây những đột biến về di truyền. Do đó đối với phụ nữ có thai trong những tháng đầu tuyệt đối không đƣợc chụp, chiếu X quang. Đối với nhân viên X quang cần có các biện pháp an toàn phóng xạ khi làm việc. 8 Chƣơng 2: CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X 2.1 ĐỊNH NGHĨA Tia X hay tia Rơnghen là một dạng của sóng điện từ, nó có bƣớc sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nanômét tƣơng ứng với dãy tần số từ 3.10 16 Hz đến 3.1019 Hz và năng lƣợng từ 120 eV đến 120 keV. Bƣớc sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhƣng dài hơn tia gamma. 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong lịch sử, máy phát tia X lần đầu tiên đƣợc sử dụng bởi W.C Rơnghen là một ống ion (hay ống Hittorf-Crooks chứa đầy không khí ở áp suất thấp). Electron đƣợc sinh ra do sự bắn phá ion ở cực cathode trong một điện thế cao và có sự phóng điện trong chất khí. Electron đƣợc gia tốc trong ống điện thế tới anode và phát ra tia X. Trong một ống tia X, electron đƣợc phát ra từ cathode và đƣợc gia tốc hƣớng về anode trong một từ trƣờng mạnh bằng một điện thế dƣơng của anode đến cathode. Chúng va chạm với bia anode, tƣơng tác với các nguyên tử ở đây và mất dần năng lƣợng cho một vài quá trình. Đầu tiên electron tới có thể chịu tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi lên hạt nhân bia và có thể tán xạ ngƣợc theo hƣớng ngƣợc lại. Tán xạ đàn hồi trội hơn tán xạ không đàn hồi, không liên quan với việc mất năng lƣợng. Chỉ có một phần nhỏ electron tới trong tán xạ không đàn hồi đƣợc giảm tốc liên tục trong trƣờng Coulomb mạnh của hạt nhân và mất dần năng lƣợng. Quá trình này làm tăng phổ liên tục, cái mà đƣợc biết đến nhƣ là một bức xạ hãm. Thứ hai, electron tới tƣơng tác với electron của bia và truyền năng lƣợng của nó qua electron bia này. Điểm chú ý của quá trình là ở chỗ va chạm xảy ra sau với electron ngoài cùng với một năng lƣợng nhỏ hơn năng lƣợng mất ở các va chạm này. Tuy nhiên, thỉnh thoảng một electron ở trong di chuyển ra khỏi quỹ đạo của nó nhƣ là kết quả của một va chạm, vì thế nguyên tử biến thành ion. Ngay sau đó chỗ trống trên quỹ đạo electron đƣợc lấp đầy, đồng thời phát ra một lƣợng tử đó là tia X. 2.3 CẤU TẠO CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỐNG TIA X 2.3.1 Cathode và anode Ống phát tia X bao gồm 1 cathode và 1 anode đựng trong một bình chân không cao (10-6 Torr). Ống này cũng có thể đƣợc bịt kín hoặc tiếp tục đƣợc rút hơi. Cathode là dây tóc đƣợc nung nóng (thƣờng là Vofram) cung cấp dòng electron phát ra và anode thƣờng đƣợc làm bằng kim loại: crom, đồng, môlipđen, vonfram, bạc, sắt, colban,... 9 Hầu hết các ống phát tia X thiết kế tƣơng tự với diode minh họa nhƣ hình 2.1 cho ống cố định ứng dụng trong ngành nha khoa. Một electron phát ra do nung nóng đƣợc tập trung trong điện cực Wehnelt (phát minh bởi nhà khoa học ngƣời Đức A.Wehnelt năm 1908), nó có khả năng tập trung electron vào bia anode. Bia này là đĩa Vonfram hoặc mạ trên khối đồng để hấp thụ nhiệt trên bia. Những electron phát xạ đƣợc gia tốc trong điện trƣờng giữa cathode và anode. Trong thực tế, trƣờng này đƣợc tạo ra bằng cách cung cấp điện thế âm cho cathode và giữ anode tiếp đất, làm anode nguội dễ dàng hơn (nhƣ sự lƣu thông nƣớc). Vỏ bọc thủy tinh của ống phải đáp ứng nhu cầu cách ly trong chân không cũng nhƣ cao thế. Tia X đƣợc phát ra trực tiếp từ anode từ đó đƣợc chuyển ra ngoài qua cửa sổ đặc biệt. Cửa sổ này đƣợc đặt sao cho tia X ra ngoài vuông góc với trục ống gọi là bề mặt cửa sổ hình học. Trong ngành y, cửa sổ lối ra có thể là một phần của mặt kính bao quanh nhƣ hình 2.1. Cathode Bộ phát-W Wehnelt Vỏ thủy tinh Bia Vonfam AnodeCu Cửa sổ tia X Hình 2.1: Mô hình cửa sổ một bên của ống tia X cho ngành răng Anode hình học đối ngẫu có thể thấy rõ trong những ống có cửa sổ một bên. Đó là lớp mỏng của nguyên tố nhẹ bao phủ tấm bì làm từ nguyên tố nặng. Phụ thuộc vào giá trị của điện thế cao, có 2 loại quang phổ có thể đƣợc quan sát với cùng một loại ống. Khi điện thế gia tốc chậm, sự thâm nhập sâu của electron cũng ít nên tia X phần lớn phát ra trên lớp nguyên tố nhẹ. Khi electron đƣợc gia tốc với cao thế, nó thâm nhập sâu vào lớp thứ 2 của bia, quang phổ do nguyên tố nặng trong trƣờng hợp này trội hơn. Cửa sổ ra có thể đƣợc sắp xếp kiểu khác nhƣ trong hình 2.2. Ở đây, cathode có hình vòng, góc tới 900 và cửa sổ thoát ra tƣơng tự nhƣ ống trục. Thông thƣờng, giống nhƣ cửa sổ hình học cuối cho phép khoảng cách anode và cửa sổ nhỏ hơn (mẫu anode tƣơng ứng). Hơn nữa, cathode và cửa sổ thƣờng đƣợc tiếp đất trong khi anode có một điện thế dƣơng cao. Và kết quả là, electron tới anode đập vào cửa sổ sẽ bị triệt tiêu mạnh mẽ. Tuy nhiên 10 việc thu hẹp khoảng cách giữa anode và cửa sổ vẫn còn hạn chế vì sự nguy hiểm của sự phóng điện giữa anode và cửa sổ. Khi góc hấp thụ rộng sẽ hạn chế tối đa sự tự hấp thụ tia X trên bia. Do đó ống kiểu này đặc biệt ứng dụng ở mức năng lƣợng thấp. Hơn nữa, những ống này cho ra sự bức xạ quang phổ đẳng hƣớng. Mặt khác, khoảng cách nhỏ giữa anode và cathode đặc trƣng cho thiết kế ống cửa sổ cuối sẽ giới hạn giá trị cao thế, thƣờng không quá 60kV. Trong bộ truyền qua anode của ống tia X bia là lớp mỏng hƣớng vào cửa sổ ra làm bằng màng Beri. Electron phát tới đập thẳng góc bia rồi phát photon tới cửa số Beri theo cùng một hƣớng. Thông thƣờng, quang phổ liên tục phát ra bởi anode thì bị triệt tiêu phần nào đó do sự hấp thụ ở lớp ngoài bia, đặc biệt là ở năng lƣợng thấp và trên mép hấp thụ của dòng bị kích thích, vì vậy có thể đánh giá những ống này bằng sự chiếm bức xạ bên trong, sự đóng góp thấp của bức xạ liên tục dẫn đến sự giảm nền bức xạ và do đó để tăng giới hạn dò tìm trong ống phân tích huỳnh quang. Bia trong ống tia X gắn vào nguồn có công suất thấp (<100W) bởi vì lá mỏng anode không thể chịu đƣợc tải nhiệt lớn. 1.Chùm tia X 6. Bộ vỏ ống 2. Cửa sổ 7. Ống cách ly cho việc làm nguội 3. Chùm electron 8. Phần kết nối với bộ phận làm nguội 4.Cathode vòng 9. Phần kết nối với cao thế 5. Anode Hình 2.2: Sơ đồ lối ra của một ống tia X trong phân tích huỳnh quang Sự tản nhiệt trên anode là vấn đề chính trong việc thực hiện những ống điều tiêu (ống điều khiển diện tích nhận đƣợc chùm điện tử) nhỏ khi giữ công suất lớn của ống. Tại lần va chạm xiên đầu tiên, chỉ có thể tìm đƣợc vết điều tiêu nhỏ ở giá trị công suất nhỏ. Có 2 phƣơng pháp chuẩn để khắc phục: - Phƣơng pháp đầu tiên dựa trên sự điều tiêu quang học khác với điều tiêu điện trên anode (hình 2.3). Trong hầu hết các ứng dụng (nhƣ chụp ảnh tia X, tổ hợp phù hợp với quang học) chỉ có điều tiêu quang học là quan trọng nhất. Khi góc anode khoảng 60, 11 chiều dài của điều tiêu xấp xỉ nhỏ hơn 10 lần chiều dài thật của điều tiêu điện trên anode. Ví dụ, ống tiêu điểm tốt có vết điều tiêu quang học khoảng 0.4mm x 0.8 mm, trong khi kích thƣớc vết tiêu thật trên anode vào khoảng 0.4mm x 8mm. Công suất của ống tiêu điểm này có thể đạt tới 3kW. Tổng độ mở của tia X đi ra không vƣợt quá 10-120. Electron beam: chùm electron. Optical spot: hội tụ quang. Electron beam spot: hội tụ chùm electron. Hình 2.3: Electron và vết tiêu quang học của 1 cực anode có góc  . - Để có thể hoạt động ở công suất cao hơn cần phải sử dụng một mô hình với anode quay (hình 2.4). Một anode dạng đĩa đƣợc gắn vào một roto mang một hệ thống quay phụ. Một stato điều khiển roto bằng điện qua một trƣờng quay đƣợc đặt bên ngoài ống chân không. Quỹ đạo đƣờng cong của dòng electron trên anode khi nó quay là đƣờng tròn, do đó tải nhiệt đƣợc phân phối ra ngoài nhiều hơn đáng kể so với ống điều tiêu. Tản nhiệt ra ngoài từ anode đƣợc thực hiện hầu nhƣ bằng bức xạ và đƣợc phụ thêm bằng bộ làm lạnh khí. Mật độ năng lƣợng đặc trƣng cho các vết tiêu dạng thẳng cỡ khoảng 1mm x 10mm là 5-10 kW/mm2, của vết tiêu với diện tích nhỏ hơn 1mm2 là 25 kW/mm2 với tần số quay là 17000 vòng/phút. Nƣớc đƣợc làm lạnh ở anode quay thoát ra trong hệ thống riêng cho từng vật liệu nghiên cứu do đó cho phép tiếp tục hoạt động ở công suất cao. 1. Chùm tia electron 2. Vết tiêu 3. Quỹ đạo vết tiêu 4. Anode 5. Ổ bi 6. Roto Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của anode cực quay 12 2.3.1.1 Công nghệ và thiết kế cathode Thông thƣờng, dòng phát ra trong ống tia X đƣợc điều khiển bởi nhiệt độ của cathode, nó phụ thuộc giá trị của dòng trong dây tóc. Điều quan trọng đó là kích cỡ của chuẩn trực không phụ thuộc vào dòng anode trên khoảng 500:1 và điện thế gia tốc vƣợt quá tỉ lệ 3:1. Việc điều khiển dòng phát ra thông qua nhiệt độ cathode đòi hỏi bức xạ với tải nhiệt thấp trong khoảng thời gian không đổi trong giới hạn mili giây (ms). Điều này có thể đƣợc thực hiện theo cách đơn giản là dùng dây và lá Vonfram mỏng. Phụ thuộc vào kích thƣớc của chuẩn trực mà nguồn phát đƣợc dùng là dạng cuộn, xoắn ốc, ống sợi tóc, vòng, hoặc lá phẳng ngoằn ngoèo (hình 2.5). Nhƣ đã thấy ở hình 2.6, hoạt động của nguồn bức xạ chỉ có thể ở vài giới hạn nào đó. Khi dòng qua dây tóc nhỏ (dƣới ngƣỡng giá trị ) thì không có sự phát xạ. Khi dòng qua dây tóc lớn thì dòng phát ra tới anode bị bão hòa. Giá trị bão hòa phụ thuộc vào cao thế đƣợc cung cấp. Nhiệt độ của nguồn phát có thể đạt đƣợc dƣới giới hạn cho phép là 23000C. Ở nhiệt độ này thì hiệu ứng bay hơi kim loại có thể xảy ra, vì vậy thời gian hoạt động tốt nhất giới hạn từ 30-50h. Đây là lý do mà cathode đƣợc bật lên chỉ trong vài giây ở nhiệt độ cao nhƣ vậy. Dòng anode cũng phụ thuộc vào giá trị cao thế do hiệu ứng che chắn cục bộ của không gian điện tích. Loại dây Vonfram Dạng lò xo Xoắn ốc Dạng sợi tóc Loại dải Vonfram Vòng tròn Lá phẳng ngoằn ngoèo Hình 2.5: Các loại nguồn phát bức xạ khác nhau của cathode Dòng điện anode IA Dòng điện dây tóc IH Hình 2.6: Dòng anode là hàm của dòng qua dây tóc với tham số là hiệu điện thế anode. 13 Cấu trúc nguồn phát phẳng và mỏng đƣợc ghép uốn khúc đƣợc dùng cho những ống có điện thế anode thấp và chuẩn trực nhỏ (<0.3mm). Lý do là nó sẽ có tính chất điều tiêu tốt hơn so với bề mặt phẳng. Hơn nữa, có thể cho ra dòng phát xạ tƣơng đối cao ở nhiệt độ cathode thấp. Điện cực Wehnelt đƣợc sử dụng để điều khiển những electron ở lân cận dây tóc và phát electron theo đúng hƣớng. Hiện nay loại điện cực Wehnelt nói chung đƣợc xác định thông qua tính toán thích hợp của máy tính. 2.3.1.2 Công nghệ và thiết kế anode Nhƣ đã đề cập ở trên, một anode chuẩn gồm 1 bia mỏng đƣợc gắn vào trong một khối đồng lớn (hình 2.1), bia thƣờng làm bằng đồng, môlipđen, vonfram cũng có thể dùng những kim loại khác nhƣ: Mg, Al, Cr, Fe, Ni, Rh, Ag. Helical emitter: phát xoắn ốc Wehnelt electronic: điện cực Wehnelt (Wehnelt tên nhà khoa học ngƣời Đức), có điện thế bằng điện thế cathode. Hình 2.7 : Sơ đồ thiết kế cathode. Liều lƣợng phân phối theo bề rộng vết tiêu. Công nghệ anode quay ngày càng phức tạp. Anode quay Vonfram thì đƣợc sản xuất trên cơ sở chuẩn luyện kim bột. Hạn chế của công nghệ này là sự mài mòn bề mặt do sự nén cơ nhiệt cao. Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng cƣờng độ tia X và gây nên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng. Ở đây, một phần bức xạ trong những lớp sâu hơn của anode bị hấp thụ trƣớc khi rời khỏi anode. Thêm vào đó là sự biến dạng cơ học xảy ra có thể phá hủy anode. Vì đặc trƣng nhiệt của Vonfram tƣơng đối thấp, khả năng lƣu trữ nhiệt đối với trọng lƣợng khả dụng của anode thì cũng nhỏ, do đó nhiệt độ cao của anode đạt đƣợc ở phụ tải tƣơng đối thấp. 14 Công nghệ nâng cao dựa trên nguyên liệu hỗn hợp Reni(Re)-Vofram-Môlipđen (RTM). Sơ đồ cắt ngang của anode RTM biểu diễn trong hình 2.8. Ở đây ta có hỗn hợp 10% Re trong W bề dày 1-2mm bao phủ đƣợc gắn vào. Điều này cải thiện hiệu quả tính chất đàn hồi của anode và làm giảm đáng kể tính chất cọ xát. Trộn lẫn vài phần trăm Ti và Zr (anode TZM) trong thanh Mo+W gần nhƣ gấp đôi khả năng tích trữ nhiệt của anode, với trọng lƣợng và momen quán tính đã cho. Một giải pháp tối ƣu để điều khiển khả năng tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt có thể đạt đƣợc trong một anode giới nội với tấm than chì (hình 2.9). Với anode nhiệt, tấm RTM đƣợc hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống đƣợc sản xuất với trọng tải lớn hơn 3.106 J hoạt động tại công suất nhiệt trung bình 4 kW. Hình 2.8: Mặt cắt của một anode RTM Hình 2.9: Mặt cắt của một anode RTM – than chì 2.3.2 Vỏ chân không của ống tia X Các thành phần nêu trên của một ống tia X đƣợc đặt trong một vỏ ống với hai mục đích chính: cách ly chân không và cách điện. Các vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng để làm vỏ ống là thủy tinh, kim loại và gốm. 2.3.2.1 Ống thủy tinh Các vật liệu chủ yếu đƣợc sử dụng để làm ống là thủy tinh. Các yêu cầu chính của các loại thủy tinh phù hợp là điện trở đặc biệt cao, nồng độ chất điện môi tốt và khả năng chịu đƣợc sự thay đổi nhiệt độ. Thủy tinh borosilicat có đủ những yêu cầu này. Ngoài ra, 15
- Xem thêm -