Luận văn sư phạm vật lý tia x và ứng dụng trong kỹ thuật chụp ct

  • Số trang: 82 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 128 |
  • Lượt tải: 0
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ .......Ï&Ð....... LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TIA X VÀ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT CHỤP CT Giáo viên hướng dẫn: Thầy HỒ HỮU HẬU Giáo viên phản biện: Thầy VƯƠNG TẤN SĨ Thầy PHẠM VĂN TUẤN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ DIỄM PHÚC MSSV: 1050307 Lớp: SP LÝ – TIN K31 Cần Thơ 2009 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài “Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT”, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn. Tuy nhiên, với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và thầy cô bộ môn Vật Lý đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hồ Hữu Hậu đã nhiệt tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn này. Xin gởi đến thầy Vương Tấn Sĩ và thầy Phạm Văn Tuấn lời biết ơn sâu sắc vì đã đọc tài liệu và góp ý vào luận văn này để tôi khắc phục những sai sót. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn lớp sư phạm Vật Lý – Tin Học K31 đã đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt đề tài của mình. Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Diễm Phúc i TÓM TẮT ›&š “Vật lý của hôm nay là kỹ thuật của ngày mai”. Khi các nhà vật lý cho ra đời những định luật, công bố phát hiện mới thì dần dần nó có thể được ứng dụng vào cuộc sống. Vào năm 1895, trong một dịp tình cờ Roentgen đã phát hiện ra tia X. Sau đó tia X được ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, … đặc biệt là lĩnh vực y khoa. Khoa học càng phát triển thì nhu cầu chăm sóc sức khỏe con người rất được quan tâm. Việc chẩn đoán chính xác bệnh là rất cần thiết đối với người bác sĩ. Một trong những phương pháp giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác đó là phương pháp chụp CT dựa trên nền tảng của việc sử dụng tia X. Tia X là một bức xạ điện từ có bước sóng ngắn. Nó có khả năng đâm xuyên sâu, có thể xuyên qua gỗ, giấy, phần mềm cơ thể, … Chùm tia X được phát ra theo hai cơ chế: cơ chế phát bức xạ hãm và cơ chế phát bức xạ đặc trưng. Phổ phát bức xạ hãm là phổ liên tục còn phổ phát bức xạ đặc trưng là phổ vạch. Tia X được chia thành hai loại là tia X cứng và tia X mềm. Để phát ra tia X người ta dùng bóng phát tia X. Đó là bóng Cooligde là một bóng thủy tinh có độ chân không cao. Hai đầu bóng có hai điện cực là anode và cathode. Khi cathode được nung nóng sẽ tạo ra các electron. Dưới hiệu điện thế giữa anode và cathode, các electron chuyển động về phía anode. Khi đến anode, electron có động năng lớn đập vào anode và phát ra tia X. Để ghi nhận tia X người ta dùng thiết bị đo bức xạ đó là các detector bức xạ. Ngoài tính chất sóng được thể hiện qua hiện tượng nhiễu xạ, tia X còn có tính chất hạt được thể hiện qua sự tương tác tia X với vật chất. Nếu chùm tia X đi vào vật chất thì sẽ bị hấp thụ một phần. Cường độ chùm tia X sẽ suy giảm theo quy luật I = I o e - mx . Sự hấp thụ này còn phụ thuộc vào bản chất của vật chất và năng lượng của tia X. Dựa vào tính chất đâm xuyên của tia X và sự hấp thụ tia X khác nhau mà nó được ứng dụng vào phương pháp chẩn đoán hình ảnh, một trong những phương pháp đó là phương pháp chụp CT. Tia X được tạo ra từ nguồn phát tia X, sau khi tia X đi ngang qua cơ thể, do các tế bào khác nhau hấp thụ tia X cũng khác nhau nên sự suy giảm cường độ sau khi đi qua cơ thể cũng khác nhau. Các bộ phận detector (bộ cảm biến điện tử) sẽ ghi nhận và truyền thông tin đến hệ thống thu nhận dữ kiện. Hệ thống này sẽ xử lý và xuất ra màn hình. Nhờ vào những hình ảnh thu được có thể giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác một số bệnh. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... i TÓM TẮT ........................................................................................................................... ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1 2. Câu hỏi nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2 4. Các bước thực hiện ..................................................................................................... 2 PHẦN NỘI DUNG ................................................................................................................ 3 Chương 1 TÌM HIỂU VỀ TIA ROENTGEN (TIA X) .................................................... 3 1.1. Phát hiện tia X ......................................................................................................... 3 1.2. Bản chất tia X .......................................................................................................... 4 1.3. Cơ chế phát xạ và phổ tia X ...................................................................................... 5 1.3.1. Phổ liên tục ........................................................................................................... 5 1.4.2. Phổ vạch ............................................................................................................... 7 1.5. Công suất phát xạ của bóng phát tia X ..................................................................... 11 Chương 2 NGUỒN PHÁT TIA X VÀ SỰ GHI NHẬN TIA X .................................... 13 2.1. Nguồn phát tia X.................................................................................................... 13 2.1.1. Cấu tạo ............................................................................................................... 13 2.1.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 14 2.1.3. Phân loại bóng phát tia X ..................................................................................... 15 2.1.3.1. Bóng phát tia có hai tiêu điểm ........................................................................... 15 2.1.3.2. Bóng phát tia X có anode quay .......................................................................... 17 2.2. Liều lượng bức xạ .................................................................................................. 17 2.2.1.Liều hấp thụ ......................................................................................................... 17 2.2.2. Liều tương đương................................................................................................ 18 2.2.3. Liều hiệu dụng .................................................................................................... 19 2.2.4. Liều chiếu ........................................................................................................... 20 2.2.5. Liên hệ giữa liều chiếu với liều tương đương ........................................................ 21 2.3. Ghi nhận tia X ....................................................................................................... 21 2.3.1. Detector chứa khí ................................................................................................ 21 2.3.1.1. Nguyên tắc cơ bản của detector chứa khí ........................................................... 21 2.3.1.2. Buồng ion hóa .................................................................................................. 23 iii 2.3.1.3. Ống đếm tỷ lệ................................................................................................... 24 2.3.1.4. Ống đếm Geiger-Muller .................................................................................... 25 2.3.2. Detector chất rắn ................................................................................................. 26 2.3.2.1. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................ 26 2.3.2.2. Detector nhấp nháy ........................................................................................... 27 2.3.2.3. Detector nhiệt huỳnh quang .............................................................................. 28 2.3.3. Detector bán dẫn ................................................................................................. 28 2.3.4. Hiệu ứng quang ảnh ............................................................................................ 29 Chương 3 MẠNG VÀ CẤU TRÚC TINH THỂ ......................................................... 30 3.1. Mạng tinh thể ........................................................................................................ 30 3.2. Sự đối xứng mạng tinh thể ...................................................................................... 31 3.3. Hệ tinh thể và hệ mạng Bravais............................................................................... 32 3.4. Cấu trúc tinh thể điển hình...................................................................................... 33 3.5. Biểu thị các nút, chiều và mặt tinh thể - chỉ số Miller ............................................... 34 3.5.1. Chỉ số các nút ..................................................................................................... 34 3.5.2. Chỉ số phương của tinh thể .................................................................................. 35 3.5.3. Chỉ số của các mặt trong tinh thể.......................................................................... 36 3.6. Mạng đảo .............................................................................................................. 37 3.7. Nhiễu xạ tia X........................................................................................................ 40 3.7.1. Hiện tượng nhiễu xạ ............................................................................................ 40 3.7.2. Định luật Bragg................................................................................................... 41 3.8. Các phương pháp xác định cấu trúc tinh thể............................................................. 44 3.8.1. Phương pháp Laue .............................................................................................. 44 3.8.2. Phương pháp tinh thể quay .................................................................................. 44 3.8.3. Phương pháp bột ................................................................................................. 45 Chương 4 TƯƠNG TÁC CỦA TIA X VỚI VẬT CHẤT ............................................ 46 4.1 Hiệu ứng quang điện ............................................................................................... 46 4.2 Hiệu ứng Compton.................................................................................................. 49 4.3 Hiệu ứng tạo cặp ..................................................................................................... 52 4.4 Sự hấp thụ tia X ...................................................................................................... 53 Chương 5 ỨNG DỤNG TIA X TRONG KỸ THUẬT CHỤP CT ................................ 55 5.1. Chẩn đoán X quang ................................................................................................ 55 5.1.1. Kỹ thuật chiếu X quang ....................................................................................... 55 5.1.2. Chụp X quang ..................................................................................................... 55 5.1.2.1. Kỹ thuật ........................................................................................................... 55 5.1.2.2. Phương pháp loại trừ tia thứ .............................................................................. 56 iv 5.2. Chẩn đoán bằng kỹ thuật chụp CT .......................................................................... 56 5.2.1. Lịch sử ............................................................................................................... 56 5.2.2. Nguyên lý cơ bản ................................................................................................ 57 5.2.2.1. Cấu tạo ............................................................................................................ 57 5.2.2.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................................ 59 5.2.3. Nguyên lý tái tạo lại hình theo ma trận. Đơn vị Hounsfield .................................... 61 5.2.4. Đặc điểm hình ảnh .............................................................................................. 62 5.2.5. Nhiễu ảnh ........................................................................................................... 64 5.2.6. Các thế hệ máy chụp CT ...................................................................................... 64 5.2.7. Lượng nhiễm xạ đối với chụp CT ......................................................................... 66 5.2.8. Ứng dụng của chụp CT ........................................................................................ 66 5.3. Tác dụng sinh lý của tia X ...................................................................................... 68 5.4. Phương pháp bảo vệ để tránh tác hại của tia X ......................................................... 70 5.4.1. Đối với nơi đặt máy............................................................................................. 70 5.4.2. Khi chụp và chiếu ............................................................................................... 70 PHẦN KẾT LUẬN .............................................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 73 v Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khi nói về vai trò của vật lý trong khoa học kỹ thật, người Nga có một nhận định: “Vật lý học của ngày hôm nay chính là kỹ thuật của ngày mai”. Đúng vậy, việc khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ của Faraday vào năm 1831 dựa trên nền tảng lý thuyết điện từ của Maxwell, tạo nên một ứng dụng quan trọng trong việc chế tạo các loại máy điện; định luật phát xạ của Albert Einstein tìm ra năm 1917 đã dẫn đến sự ra đời của máy phát lượng tử (Laser) năm 1965; … Sau phát minh của Faraday, các nhà vật lý đổ xô tìm hiểu về phát minh mới này. Vào những năm 1890, đề tài về tia điện là đề tài hấp dẫn của nhiều nhà khoa học, trong đó có Roentgen. Đến năm 1895, tại phòng thí nghiệm trường đại học Wurzburg, khi thực hiện về tia âm cực trên ống chân không Crookes, Roentgen đã tình cờ phát hiện ra tia X. Ngay sau công bố của ông, tia X đã được ứng dụng trong lĩnh vực chẩn đoán y khoa. Sau đó, tia X còn được ứng dụng rộng rãi như dùng phương pháp nhiễu xạ tia X để nghiên cứu cấu trúc vật chất. Ngoài ra tia X còn được ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học, … Ngày nay, sự xâm nhập của công nghệ thông tin vào y học đã mang lại những bước tiến mới. Điển hình là sự ra đời của nhiều phương pháp chẩn đoán hình ảnh. Các phương pháp này ngày càng phát triển và giữ vai trò quan trọng trong việc giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh tốt hơn. Một trong những phương pháp như vậy là phương pháp chụp cắt lớp vi tính CT. Ngày nay, chụp CT đã trở nên nổi tiếng nhưng cách đây hơn 30 năm, việc nghiên cứu thành công máy chụp cắt lớp phân tầng đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chẩn đoán y khoa, đóng góp rất nhiều cho việc phát hiện sớm để điều trị nhiều căn bệnh nan y. Máy chụp CT được phát minh dựa trên nền tảng việc sử dụng tia X. Vậy tia X được tạo ra bằng cách nào? Nó có bản chất và tính chất gì và nó được ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT ra sao? Là một sinh viên Vật Lý Trường Đại Học Cần Thơ, tôi đã được tìm hiểu về tia X ở góc độ lý thuyết. Tuy nhiên, những kiến thức về y học của tôi còn hạn chế, chưa sâu rộng. Do đó, việc tìm hiểu về tia X và tầm quan trọng của tia X trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh là rất cần thiết. Với những lý do đó đã tạo cho tôi một động lực để tôi quyết định chọn đề tài “Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT”. Tôi tin rằng những kiến thức mà tôi tìm hiểu và nghiên cứu sẽ rất có ích cho tôi trong quá trình học tập cũng như công tác giảng dạy sau này. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 1 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT 2. Câu hỏi nghiên cứu Với những lý do đã trình bày, luận văn này được xây dựng để trả lời những câu hỏi sau: Tia X là gì? Tia X được phát hiện ra như thế nào? Tia X có những bản chất và tính chất gì? Tia X được ứng dụng như thế nào trong kỹ thuật chẩn đoán bệnh bằng phương pháp chụp CT? 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tia X dựa trên cơ sở phân tích những tài liệu, những thông tin có liên quan. Từ sự phân tích cơ sở lý thuyết đó, tiến hành nghiên cứu ứng dụng tia X trong kỹ thuật chụp CT. Cuối cùng rút ra kết luận, nêu những ưu điểm và hạn chế của đề tài. 4. Các bước thực hiện Bước 1: Nhận đề tài và tìm hiểu đề tài. Bước 2: Lập đề cương cho đề tài. Bước 3: Sưu tầm và tìm các tài liệu có liên quan. Bước 4: Viết báo cáo và sửa chữa theo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Bước 5: Báo cáo. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 2 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT PHẦN NỘI DUNG Chương 1 TÌM HIỂU VỀ TIA ROENTGEN (TIA X) 1.1. Phát hiện tia X Wilhelm Conrad Roentgen sinh ngày 27 tháng 3 năm 1845, ở tỉnh Rhein nước Đức. Ông thi vào trường kỹ thuật tổng hợp Zurich và nhận được văn bằng tốt nghiệp kỹ sư cơ khí, sau đó đạt học vị tiến sĩ triết học. Tuy nhiên, ông rất say mê vật lý. Ông đã tham gia nghiên cứu và giảng dạy ở nhiều trường đại học như Strassburg, Giessen, Wurburg và Munchen. Năm 1895, Roentgen là hiệu trưởng của trường đại học tổng hợp Wurburg và là giáo sư vật lý giảng dạy tại đây, kiêm giám đốc một phòng thí nghiệm rất hoàn hảo do chính ông xây dựng. Ngày 8 tháng 11 năm 1895, vẫn như mọi ngày Roentgen cũng về nhà trễ hơn mọi người, vô tình ông ra về mà quên ngắt cầu dao cao thế dẫn vào ống cathode nên ông đã quay trở lại phòng thí nghiệm. Theo thói quen ông không cần bật đèn, đi thẳng tới bàn thí nghiệm, ông đã rất ngạc nhiên khi thấy một vệt sáng màu xanh lục trên bàn. Ông nhanh chóng xác định ra được vệt sáng đó nằm trên màn phủ chất huỳnh quang Bari platinat đặt trước ống cathode. Khi ngắt cầu dao cao thế thì ánh sáng đó biến mất. Ông lập lại vài lần kết quả vẫn như thế. Ông làm đi làm lại các thí nghiệm với ống cathode và màn huỳnh quang. Ông thử dùng giấy đen bịt kín ống cathode nhưng kết quả vẫn làm màn huỳnh quang phát sáng. Rồi ông làm thí nghiệm với những vật rắn khác nhau như giấy, gỗ, bìa cứng, … Có lần ông đặt dưới ống cathode một hộp đựng giấy ảnh, khi không đóng mạch điện, giấy ảnh tráng ra vẫn màu trắng; khi đóng mạch điện, tờ giấy ảnh khi tráng ra trở nên đen kịt. Lặp lại thí nghiệm, tờ giấy vẫn ngã màu đen. Bất chợt ông thấy ở mép của một tấm ảnh có vật gì trắng trắng giống hình một đốt xương, phải chăng đó là bóng ngón tay ông đã cầm hộp giấy ảnh? Khi lặp lại thí nghiệm, lần này ông đặt lên hộp giấy cả bàn tay của mình. Khi quan sát tờ giấy ông thấy rõ một bàn tay gớm ghiếc có thể phân biệt được cả phần da, thịt lẫn phần xương. Như thế, tia này đâm xuyên qua các vật liệu như giấy, gỗ, ... kể cả da, thịt và hiện lên giấy ảnh. Qua nhiều lần làm đi làm lại thí nghiệm ông đã rút ra kết luận: tia đặc biệt này có khả năng đâm xuyên qua giấy, gỗ, phần mềm cơ thể, … nhưng không qua được kim loại, không xuyên qua được một số bộ phận của cơ thể, nhất là GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 3 Hình 1.2: Tấm phim Xquang đầu tiên SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT những bộ phận có chứa các nguyên tố nặng như xương. Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từ trường hay điện trường, nó ion hóa không khí và tác dụng lên kính ảnh. Từ đó ông gọi tia đặc biệt này là tia X, Roentgen đã phát hiện tia X chính là ở chỗ có chùm electron đập vào. Từ đó, ông chế tạo ra được một thiết bị phát ra chùm tia X mạnh mà ngày nay người ta gọi là bóng phát tia X hay bóng phát tia Roentgen. 1.2. Bản chất tia X Qua quá trình nghiên cứu Roentgen đã nhận thấy tia X được phát ra từ vật rắn khi vật đó bị bắn bởi chùm electron có năng lượng lớn. Roentgen cùng Stocker và Gongamme đã đi sâu nghiên cứu bản chất tia X và đi đến kết luận: Tia X là sóng điện từ. Sau gần 20 năm, những thí nghiệm nhằm chứng minh bản chất sóng của tia X và xác định bước sóng của nó đều thất bại và chỉ rút ra được một kết luận: Bước sóng tia X nhỏ hơn bước sóng bức xạ điện từ thông thường rất nhiều. Mãi đến năm 1913, Laue đã dùng tinh thể làm cách tử để nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ của tia X và đã cho những số liệu đầu tiên về bước sóng tia X. Từ đó người ta đã đi sâu về nghiên cứu bản chất tia X và thấy rằng: Tia X là sóng điện từ, có bước sóng 0 0 ngắn trong khoảng 0,01 A đến 100 A . Tia X có năng lượng trong khoảng 200 eV đến 1MeV, chúng nằm giữa tia gamma ( g ) và bức xạ tia cực tím (UV) trong phổ điện từ. Loại sóng Bước sóng (m) Tia gamma nhỏ hơn 10-12 Tia Roentgen 10-12 đến 10-9 Tia tử ngoại 10-9 đến 4.10-7 4,10-7 đến 7,5.10-7 Ánh sáng nhìn thấy 7,5.10-7 đến 10-3 Tia hồng ngoại 10-3 trở lên Các sóng vô tuyến Bảng 1.1: Các loại sóng điện từ và bước sóng tương ứng. Tia X và tia gamma tương tự nhau, chúng chỉ khác nhau ở hai tính chất quan trọng. Thứ nhất, các tia g phát ra từ trong hạt nhân nguyên tử còn tia X phát ra từ những thay đổi trên quỹ đạo điện tử. Thứ hai, tia g của một nguồn đồng vị xác định có năng lượng rời rạc xác định, nhưng tia X thì thường có một dãy hoặc phổ năng lượng rộng lên một giá trị cực đại đặc trưng nào đó. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 4 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Ngoài tính chất sóng như ánh sáng, tia X còn có tính chất hạt được thể hiện qua các quá trình tương tác của nó với vật chất. Đối với tia X ta không thể quan sát bằng mắt thường mà phải dùng màn huỳnh quang hoặc phim ảnh để quan sát. Khác với bức xạ thông thường, tia X có khả năng đâm xuyên rất lớn và bị các chất hấp thụ cũng rất khác nhau tùy thuộc vào năng lượng hoặc bước sóng của tia X. 1.3. Cơ chế phát xạ và phổ tia X Chùm tia X phát ra từ anode của bóng phát tia X theo một trong hai cơ chế: Bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng. Trong đó phổ phát bức xạ hãm là phổ liên tục còn phổ phát bức xạ đặc trưng là phổ vạch. e1.3.1. Phổ liên tục 1 2 mv 2 Cường độ Phổ liên tục được tạo ra khi chùm điện tử từ cathode bay đến anode, qua quá trình được điện trường gia tốc, vận tốc trước lúc đập vào anode có giá trị rất lớn. Khi đập vào anode điện tử dừng lại đột 1 ngột, nghĩa là có gia tốc rất lớn. mv' 2 2 Theo điện động lực học cổ điển, một hạt tích điện có gia tốc sẽ phát Hình 1.3: Cơ chế tạo phổ liên tục sóng điện từ vào không gian xung quanh. Điện tử ở bóng phát tia X có gia tốc rất lớn như vậy sẽ phát sóng điện từ vào không gian xung quanh, đó là tia X. Năng lượng của tia X là động năng của điện tử chuyển hóa thành. Vì lúc dừng lại, các điện tử bị gia tốc rất khác nhau nên phổ tia X phát ra là phổ liên tục. lg 0 Bước sóng ( A ) Hình 1.4: Phân bố cường độ phổ liên tục theo bước sóng GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 5 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Phổ liên tục bao gồm dãy các tần số liên tục tăng dần đến tần số cực đại ứng với bước sóng ngắn nhất lmin . Đường cong chỉ có một cực đại ứng với một giá trị bước sóng nào đó, bước sóng ứng với năng lượng cực đại là lm . Giá trị cực đại của năng lượng tăng theo sự tăng của hiệu điện thế giữa anode và cathode và lệch về phía sóng ngắn. Khi bước sóng giảm, cường độ bức xạ hãm giảm mạnh hơn và bị sụt đột ngột, khi cường độ giảm tới giá trị 0 ứng với một bước sóng tại đó gọi là bước sóng giới hạn l g = lmin , dưới giá trị bước sóng này thì phổ liên tục không tồn tại. Tần số giới hạn n g được xác định bởi điện áp gia tốc U. Khi đó n g tỷ lệ với U. Với một hiệu điện thế nhất định thì giới hạn của đường cong ứng với một bước sóng giới hạn l g . Nếu hiệu điện thế giữa anode và cathode càng cao thì giá trị lm và l g càng dịch chuyển dần về phương sóng ngắn đồng thời giá trị năng lượng cực đại càng tăng. Bước sóng ngắn giới hạn có thể giải thích dựa vào thuyết photon về ánh sáng. Electron sau khi vượt qua hiệu điện thế U sẽ có năng lượng Eđ = eU. Khi va chạm với nguyên tử một phần năng lượng của chúng bị mất đi và được bức xạ dưới dạng photon. eU = hn + T Với T là động năng của electron sau va chạm: T = (1.1) 1 mv' 2 2 Tần số cực đại v g xác định khi toàn bộ động năng của electron dùng để tạo thành lượng tử, khi đó: v'= 0 T =0 Suy ra: Phương trình (1.1) trở thành: hn g = eU lg = Suy ra: Với: hc eU (1.2) (1.3) h = 6,626.10-34Js. c = 2,998.108m/s. e = 1,6.10-19C. Thay các giá trị vào ta được: lg = GVHD: Hồ Hữu Hậu 12415 0 (A ) U Trang 6 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Qua nghiên cứu cho thấy: Giá trị bước sóng lm ứng với cực đại của đường cong 3 bằng l g . 2 3 lm = lg 2 Tức là: (1.4) Phổ bức xạ hãm là phổ liên tục vì dòng electron đến đập vào anode có năng lượng khác nhau nên phần năng lượng biến thành lượng tử tia X cũng khác nhau. Các photon phát ra có năng lượng cực đại đến giá trị năng lượng nhỏ nhất tương ứng với bước sóng từ l g đến các bước sóng lớn hơn. 1.4.2. Phổ vạch Các electron trên các vỏ nguyên tử của bia trong bóng tia Roentgen có thể bị kích thích bởi các electron tới. Ngoài ra, do electron tới có năng lượng lớn đập vào một nguyên tử trong bia và làm bật ra một electron nằm sâu trong nguyên tử đó. Khi một electron ở mức năng lượng thấp bị bứt ra khỏi nguyên tử thì các electron ở mức năng lượng cao hơn sẽ chuyển về lấp chỗ trống đó và năng lượng dư thừa sẽ phát dưới dạng bức xạ với tần số n . Do khoảng cách Hình 1.5: Cơ chế phát tia X đặc tưng giữa các mức năng lượng có giá trị lớn nên bước sóng của bức xạ phát ra nằm trong vùng phổ của tia Roentgen (tia X). Một mối tương quan rất thành công giữa mẫu nguyên tử Bohr với quan sát thực nghiệm là việc nghiên cứu phổ tia X bởi nhà vật lý người Anh là Henry G.J.Moseley. Năm 1913, Moseley đã tìm ra đặc điểm phổ đặc trưng của tia X. Khi nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp thì nguyên tử sẽ phát ra bức xạ với tần số: W -W n= 2 1 h (Z - a) Theo công thức Rydberg: W = - Rhc 2 (1.5) 2 (1.6) n Trong đó: R là hằng số Rydberg (R = 1,097.107 m-1) Z là nguyên tử số. a là số hiệu chỉnh. n là lượng tử số. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 7 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Biểu thức (1.5) có thể viết lại: é 1 1ù n = Rc(Z - a )2 ê 2 - 2 ú êë n1 n2 úû (1.7) Mặt khác, theo Rydberg thì số sóng của tất cả các vạch quang phổ có thể biểu diễn bằng hiệu số của hai số hạng quang phổ: n = T1(n1 ) - T2 (n2 ) (1.8) Khi nguyên tử bức xạ ánh sáng có tần số n ứng với năng lượng bằng hn thì theo định luật bảo toàn năng lượng, nội năng của nguyên tử phải giảm đi một lượng DW . DW = hc éëT1(n1) - T2 (n2 ) ùû (1.9) Vì số hiệu T1 (n1 ) - T2 (n2 ) thay đổi gián đoạn và hoàn toàn xác định cho từng loại nguyên tử nên biểu thức (1.11) chứng tỏ nội năng của nguyên tử chỉ có thể thay đổi những lượng gián đoạn và giá trị của sự thay đổi ấy phụ thuộc vào từng loại nguyên tử nhất định. Từ biểu thức (1.7) suy ra: n= hc éëT1(n1) - T2 (n2 ) ùû (1.10) h Thay (1.8) vào biểu thức (1.10) ta được: n = cn (1.11) Từ (1.8) và (1.11) suy ra: W W T1(n1 ) = - 1 và T2 (n2 ) = - 2 hc hc Như vậy số hạng quang phổ là một đại lượng tỷ lệ với giá trị năng lượng của các trạng thái dừng. Hình 1.6: Sơ đồ các mức năng lượng GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 8 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Nếu electron bị bứt ra khỏi nguyên tử ở lớp vỏ K (n=1) sẽ để lại một lỗ trống trong lớp vỏ đó. Khi các electron ở mức năng lượng cao hơn chuyển về để lấp đầy lỗ trống sẽ phát ra một dãy vạch phổ ký hiệu Ka , K , K g , … theo ký hiệu của bức xạ Roentgen b (Hình 1.6). Nếu electron bứt ra là ở lớp vỏ L (n=2) thì nguyên tử sẽ phát ra dãy vạch L. Tương tự, các nguyên tử chuyển về lớp vỏ M sẽ cho dãy M, ... Khi electron bị bắn ra ngoài trước kia nằm ở lớp vỏ ứng với n = 1 và electron đến thay thế ở lớp vỏ ứng với n = 2 thì tia X sẽ bức xạ số sóng: R (Z - a )2 R (Z - a )2 n= 12 22 (1.12) Vạch đó được gọi là vạch Ka . Số sóng của vạch K b được tính theo công thức: R (Z - a )2 R (Z - a )2 12 32 (1.13) R (Z - a )2 R (Z - a )2 n= 12 42 (1.14) n= Tương tự vạch Kg : 0 Thí dụ vạch Ka của lớp vỏ có bước sóng l = 0,17982 A , vạch K có b 0 l = 0,15865 A . Đối với các nguyên tố nặng, các lớp vỏ electron ở trong cùng có cấu tạo như nhau và các điện tử ở bên ngoài ít ảnh hưởng đến chúng nên số hiệu chỉnh a giữ không đổi với mọi nguyên tố nặng, nghĩa là không phụ thuộc thuộc vào số thứ tự Z. Do đó biểu thức (1.12) có thể viết dưới dạng: n 21 = Suy ra: GVHD: Hồ Hữu Hậu R (Z - a )2 n12 - R (Z - a )2 n2 2 = ( R (Z - a )2 n2 2 - n12 n12 n2 2 n2 2 - n12 n 21 (Z - a ) = R n1n2 Trang 9 ) (1.15) (1.16) SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Biểu thức (1.16) đúng cho mọi nguyên tố và là nội dung của định luật Moesley. Phương trình (1.16) là một đường thẳng và hoàn toàn phù hợp với số liệu thực nghiệm (Hình 1.7). Z Hình 1.7: Đồ thị Moseley n cR Dưới những điều kiện nhất định, đối cathode sẽ phát ra bức xạ tia X đặc trưng thường gồm hai vạch phân biệt là Ka và K . b Từ thực nghiệm người ta thấy rằng mỗi vạch phổ tia X đặc trưng gồm nhiều vạch rất gần nhau. Đó là kết quả cấu trúc tinh tế của các mức năng lượng nguyên tử (trừ vỏ K, với vỏ đó ta có n = 1 và L = 0). Trong trường hợp tồn tại nhiều mức năng lượng hơn so với trước thì trong phổ sẽ có thêm các vạch phụ. Các vạch phụ này hay cấu trúc tinh tế có thể quan sát dễ dàng nhờ các phổ kế với độ phân giải cao vừa phải. Lúc đó người ta thấy rằng nhiều vạch trước đây tưởng là vạch đơn nhưng thực tế mỗi vạch đó gồm nhiều vạch 0 với bước sóng cách nhau cở vài A . Măc dù mẫu Bohr đã được phát triển để nghiên cứu các nguyên tử tự do ở thể khí nhưng người ta cũng có thể áp dụng mẫu đó để giải thích các tính chất của các nguyên tử trong môi trường rắn do chúng chịu tác dụng của các tương tác mạnh. Nguyên nhân là do các chuyển dời tia X chỉ xảy ra giữa các electron ở mức năng lượng thấp nhất và chịu liên kết mạnh nhất với hạt nhân. Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành một vật rắn thì năng lượng của các electron ở các vỏ ngoài sẽ khác với năng lượng mà chúng có, khi các nguyên tử ở trạng thái khí. Năng lượng của các electron ở các vỏ trong sẽ không chịu một biến đổi nào do chúng liên kết mạnh. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 10 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT 1.5. Công suất phát xạ của bóng phát tia X Bóng phát tia X có nhiều loại, tùy theo công việc cụ thể mà người ta sử dụng các loại bóng phát tia X khác nhau. Mỗi bóng có một công suất phát xạ nhất định và được xác định. Trong y học thường dùng cơ chế phát bức xạ hãm nên công suất phát xạ ở đây chỉ giới hạn cho bức xạ hãm. Giả sử có một bóng phát tia X, hiệu điện thế giữa anode và cathode là U, cường độ dòng điện chạy qua bóng là I, nguyên tử số chất làm anode là Z thì thực nghiệm đã xác định công suất phát xạ của bóng là: P = kU 2 IZ (1.19) Nếu hiệu điện thế tính bằng V, dòng điện là A và công suất là W thì hệ số tỷ lệ k=10 . Như vậy công suất phát xạ tỷ lệ với bình phương hiệu điện thế giữa anode và cathode, tỷ lệ bậc nhất với cường độ dòng điện qua bóng và nguyên tử số Z của chất làm anode. -9 Muốn bóng có công suất lớn thì tăng hiệu điện thế U, điều đó phù hợp với điều kiện tạo ra photon tia X có năng lượng lớn (bước sóng nhỏ). Như vậy, khi tăng hiệu điện thế giữa anode và cathode thì sẽ thu được tia X có năng lượng lớn. Những tia X có bước sóng cỡ một phần trăm milimicron hoặc ngắn hơn gọi là tia X cứng, còn những tia X có bước sóng cỡ một phần mười milimicron hoặc lớn hơn gọi là tia X mềm. Ngoài ra công suất tiêu thụ còn phụ thuộc vào dòng điện I chạy qua bóng, dòng lớn hay nhỏ còn phụ thuộc vào số electron phát ra khỏi cathode nhiều hay ít. Muốn điều khiển dòng electron thì điều khiển hiệu điện thế đốt nóng cathode. Bên cạnh đó còn có một yếu tố ảnh hưởng đến công suất phát xạ của bóng là nguyên tử số Z của chất làm anode. Người ta thường chọn chất làm anode có Z lớn, bền vững, có nhiệt độ nóng chảy cao và ít bị bào mòn khi chùm electron đập vào. Với mỗi bóng phát tia X thường có hệ số hiệu dụng h được xác định như sau: h= P kU 2 IZ = = kUZ P' UI (1.20) P’ là công suất tiêu thụ của bóng. Với volfram có Z = 74, U = 50 KV thì h = 3,7.10-3 . Ta thấy phần công suất để phát bức xạ tia X rất nhỏ chỉ bằng từ ba đến bốn phần nghìn công suất tiêu thụ. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 11 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT TÓM TẮT CHƯƠNG I Roentgen sinh ra ở Đức, năm 1895 ông tình cờ phát hiện ra tia X. Bản chất tia X là 0 0 sóng điện từ, có bước sóng ngắn trong khoảng 0,01 A đến 100 A .Tia X có khả năng đâm xuyên rất lớn, có thể xuyên qua giấy, gỗ, phần mềm cơ thể, ... Chùm tia X được phát ra từ anode của bóng phát tia X theo hai cơ chế: bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng. Trong đó phổ phát bức xạ hãm là phổ liên tục, phổ phát bức xạ đặc trưng là phổ vạch. Bước sóng giới hạn của phổ liên tục: l g = 12415 0 (A ) U Moseley đã tìm ra đặc điểm phổ đặc trưng của tia X. Biểu thức của Moseley: n2 2 - n12 n 21 (Z - a ) = R n1n2 GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 12 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Chương 2 NGUỒN PHÁT TIA X VÀ SỰ GHI NHẬN TIA X 2.1. Nguồn phát tia X Nguồn phát tia X chủ yếu là bóng phát tia X. Có hai loại bóng phát tia X là bóng khí kém (bóng Croockes) và bóng Coolidge. Nhưng bóng khí kém có nhiều nhược điểm nên đến nay người ta không dùng loại ống này nữa mà chủ yếu dùng bóng Coolidge. Bóng Coolidge là loại bóng âm cực cháy đỏ vận chuyển theo nguyên lý của hiệu ứng nhiệt điện tử. 2.1.1. Cấu tạo Tia X được phát ra khi các hạt mang điện chuyển động nhanh bị hãm đột ngột bởi vật chắn. Thông thường để tạo ra tia X người ta sử dụng các electron, vì việc gia tốc electron đòi hỏi cường độ điện trường thấp hơn so với trường hợp sử dụng các hạt mang điện khác. Như vậy để phát tia X thì cần phải tạo ra các quá trình sau: - Tạo ra các electron tự do trong chân không. - Phải gia tốc các electron tự do bằng một điện trường. - Hãm các electron tự do được gia tốc bằng một vật chắn. Kết quả của tương tác giữa chùm electron có động năng lớn với các nguyên tử của vật chắn làm phát ra tia X. Để tạo ra các quá trình trên, người ta tạo ra một bóng phát tia X. Đó là bóng Coolidge, là một bóng thủy tinh có độ chân không cao, dưới một phần triệu mmHg. Hai đầu bóng có hai điện cực, một điện cực dương (anode), một điện cực âm (cathode). Nước vào Nước ra Hình 2.1: Bóng phát tia X GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 13 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc Luận văn tốt nghiệp Tia X và ứng dụng trong kỹ thuật chụp CT Cathode bóng phát tia X Là một sợi dây Tungsten cuốn hình xoắn ốc đốt nóng bởi một dòng điện phụ. Nguồn điện phụ này là một máy giảm thế, có dòng điện sơ cấp là dòng điện có hiệu điện thế 110V và dòng điện ra ở cuộn thứ cấp là dòng điện có hiệu điện thế 6 – 10V (tùy từng loại sợi làm cathode) được đưa vào cathode để đốt nó nóng đỏ. Cathode được nung nóng là nơi phát ra electron tự do để bay về anode. Cathode được đặt nằm trong một cái phiễu hoặc một cái ống với mục đích để tập trung điện tử lại thành một luồng hướng thẳng về phía anode, không cho chùm electron tóe ra và giữ cho sợi dây làm cathode khỏi bị méo và tránh cho cathode mau hư hỏng do sức hút của những ion dương trong bóng. Bộ phận này gọi là bộ phận tập trung, nối liền với cathode. Anode ống phát tia X Là một khối kim loại hình trụ bằng đồng, có tác dụng dẫn nhiệt ra ngoài. Trên mặt gắn một gương phản xạ bằng Tungsten hình chữ nhật mỗi cạnh chỉ khoảng 2 – 4 mm, có độ nóng chảy khá cao khoảng 3.350 độ. Khi các electron bay đến đập vào anode làm cho anode nóng lên do đó nhiệt độ anode rất cao. Khi chùm electron năng lượng cao bay đến và bị hãm bởi anode thì chỉ chưa tới 1% năng lượng biến thành tia X, còn hơn 99% năng lượng biến thành nhiệt nung nóng anode. Do đó anode phải có hệ thống làm nguội anode. 2.1.2. Nguyên lý hoạt động Muốn bóng phát làm việc thì cần phải có các điều kiện sau: - Phải có nguồn electron. - Giữa anode và cathode phải có trường gia tốc cho electron. Khi cathode được nung nóng sẽ phát ra các electron, khả năng phát ra electron của cathode phụ thuộc vào dòng sợi đốt và diện tích bề mặt cathode. Lúc này xung quanh cathode xuất hiện đám mây các electron bao quanh cathode. Dưới tác dụng của hiệu điện thế giữa anode và cathode mà các electron chuyển động về phía anode, tạo ra dòng điện trong ống. Hiệu điện thế này càng cao thì vận tốc electron càng lớn, dẫn đến động năng của electron càng lớn, động năng của electron được tính theo công thức: 1 E = eU = mv 2 đ 2 (2.1) Khi đến anode, electron có động năng lớn này đập vào anode, động năng bị triệt tiêu và biến thành năng lượng bức xạ. Nếu toàn bộ động năng của electron đều chuyển thành năng lượng photon tia X thì theo phần phổ tia X trình bày ở chương sau. GVHD: Hồ Hữu Hậu Trang 14 SVTH: Nguyễn Thị Diễm Phúc
- Xem thêm -