Tài liệu Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm máy chụp x quang công nghiệp

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2008-2009 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CHỤP X QUANG CÔNG NGHIỆP (Mã số ĐT/02-08/NLNT) Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS.NCVC Nguyễn Phúc 8356 HÀ NỘI, THÁNG 12/2010 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2008-2009 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÁY CHỤP X QUANG CÔNG NGHIỆP (Mã số ĐT/02-08/NLNT) Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS.NCVC Nguyễn Phúc 8356 HÀ NỘI, THÁNG 9/2010 DANH SÁCH THAM GIA ĐỀ TÀI 1. Nguyễn Phúc 2. Nguyễn Văn Sĩ 3. Lê Tiến Quân 4. Trịnh An Tuấn 5. Nguyễn Mạnh Hùng 6. Trịnh Đình Trường 7. Đặng Quang Thiệu PGS.TS. NCVC KS KS NCVC KS NCV KTV KS NCV TS NCV Viện KH&KTHN(TTGT&DT) Viện KH&KTHN(TTKTHN) Viện KH&KTHN(TTKTHN) Viện KH&KTHN(TTGT&DT) Viện KH&KTHN(TTGT&DT) Viện KH&KTHN(TTGT&DT) Viện KH&KTHN(TTGT&DT) MỤC LỤC Mục Tóm tắt Abstract Phần I Mở đầu Phần II Lý thuyết tổng quan II.1 Tình hình nghiên cứu ở nức ngoài và trong nước có liên quan trực tiếp đến nội dung của đề tài II.2 Tổng quan máy chụp X quang công nghiệp Phần III Thực nghiệm thiết kế, chế tạo thiết bị III.1 Phân tích ưu nhược điểm lựa chọn mô hình III.2 Thiết kế chi tiết một thiết bị chụp ảnh X quang công nghiệp theo hướng khả thi nhất III.3 Chế tạo thiết bị chụp ảnh X quang công nghiệp III.3.1 Chế tạo thử nghiệm ống phát tia x III,3.2 Chế tạo khối điều khiển III.3.3 Ghép nối tổng thể các bộ phận của thiết bị, đo đạc, điều chỉnh thiết bị III.4 Kiểm tra thử nghiệm thiết bị tại phòng thí nghiệm NDT III.5 Thử nghiệm ứng dụng máy chụp X quang công nghiệp tại hiện trường III.6 Đánh giá các ưu nhược điểm của thiết bị thử nghiệm IV Kết luận Phụ lục Trang 1 2 3 5 5 6 26 26 31 40 40 45 57 59 60 61 64 65 CÁC TỪ KHÓA 1. NDT Kiểm tra không phs hủy. 2. Máy chụp X quang công nghiệp Là thiết bị phát tia X được sử dụng để chụp ảnh khuyết tật các vật liệu và các mối hàn kim loại. 3. Khối biến đổi AC-DC-AC là khối biến đổi dòng điện xoay chiều 220 v tần số 50 Hz thành dòng DC trung gian sau đó phát ra dòng điện xoay chiều có điện áp và tần số theo nhu cầu sử dụng. TÓM TẮT Mục đích chính của đề tài là trên cơ sở nhập ngoại ống phát tia X và biến thế cao áp thiết kế, chế tạo một máy phát tia X công nghiệp, với điện áp gia tốc 200 kV sai số ±2% dòng chiếu 5 mA và thử nghiệm triển khai hiện trường chụp ảnh khuyết tật, kiểm tra chất lượng mối hàn. Chúng tôi đã thiết kế, chế tạo thử nghiệm và triển khai hiện trường máy phát tia X công nghiệp loại tương tự như kiểu Trung Quốc và Nhật Bản đang chế tạo. Thiết bị này gồm đầu phát tia X và khối điều khiển. Đầu phát tia X bao gồm ống phát tia, biến thế cao áp đặt trong một hình trụ kín bằng nhôm chứa đầy khí SF6 đưới áp suất khoảng 5 at, có quạt và bộ tản nhiệt làm nguội ống phát. Khối điều khiển có cấu trúc hộp, bên trong có các bản mạch điện tử, các linh kiện điện tử công suất, trên mặt hộp có các phím vận hành, chuyển mạch và các đèn chỉ thị. Khối điều khiển sử dụng cầu chỉnh lưu silic điều khiển tín hiệu pha. Thế chỉnh lưu được làm bằng thành thế một chiều nhờ mạch lọc LC. Thế DC này nuôi máy phát xung đơn cực công xuất có tần số thay đổi được bằng mạch tích thoát trên linh kiện silic. Xung này được gửi đến biến thế xung cao thế. Việc thay đổi tự động tần số xung đơn cực làm ổn định dòng phát tia X. Chúng tôi đã hoàn thành thiết kế và chế tạo thiết bị phát tia X công nghiệp. Thiết bị gồm khối điều khiển (phần cứng - thiết kế, chế tạo các bản mạch điện tử: bản CPU trên mạch vi điều khiển, bản mạch điều khiển thế, bản mạch điều khiển dòng, bản mạch ghép nối vào /ra. Phần mềm - đã viết tất cả các chương trình điều hành cần thiết); đã thiết kế chế tạo bộ đầu phát tia X). Sau khi lắp đặt chúng tôi đã tiến hành đánh giá các thông số cơ bản của thiết bị ( cao thế ra cực đại 200 kV với sai số ±2%, dòng ra 5mA). Chúng tôi cũng sử dụng thành công thiết bị để chụp ảnh các mối hàn hồ quang trong công nghiệp. 1 Abstract The main purposes of the project are the supporting to design and construction of the Portable Industrial X-Ray Equipment; with the accuracy ±2% of Output High Voltage 200 kV and Tube current 5 mA, base on import of X-ray generator tube and H.V.transformer The Equipment is composed of control unit, X-ray generator, and power cable, connection cable. X-ray generator is assembling construction X-ray tube, H.V.transformer together with gas insulation (SF6) are sealed up in aluminum bucked cabinet, fan and heat-sink are mounted in the end of X-ray generator as cooling, SF6 is a gas electrical performance to H.V. Alarm lamp is used to warn, flashing,show generating X-ray. Control unit is box construction. Four printed circuit boards (PCB) and electronic device are mounted in it. All operating buttons switches and displays are equipped on the panel. The control unit adopts silicon-controlled signal-phase bridge rectifier.Rectified voltage changes into smoothing D.C.voltage through LC filter loop, which changes into unidirectional pulse with changeable frequency through silicon-controlled carrier loop, sent to H.V.pulse transformer as supply of generator. Ma stabilization unit can rise or reduce with filament voltage of tube. Change the frequency of unidirectional pulse to make tube current stable. Kv adjustment unit can adjust continuously to meet the request of the different material. We have completed to design and construct the Portable Industrial X-Ray Equipment. The Equipment is composed of control unit ( Hardware- CPU board, PC Board for H.V. control, PCBoard for tube current stable, Interface Board for all operating buttons, time setting, displays and Software- program) and head of X-ray generator. We have tested the electronic parameters of all test points and the main parameters of equipment (the accuracy ±2% of Output High Voltage 200 kV and Tube current 5 mA). We also have successful used the Portable Industrial X-Ray Equipment to evaluate the welds in industry. 2 Các nội dung chính của báo cáo Phần I- Mở đầu Đặt vấn đề xuất xứ đề tài Cho đến nay máy chụp X quang công nghiệp chưa có cơ sở nghiên cứu và công ty nào trong nước, hoặc công ty ngoại quốc nào ở trên lãnh thổ Việt Nam nghiên cứu, chế tạo. Hiện nay tại Việt Nam sử dụng khoảng hai trăm máy chụp X quang công nghiệp của hai thế hệ. Tuy nhiên do thiếu kinh nghiệm trong khâu chuyển giao công nghệ cũng như khả năng tự bảo dưỡng và sửa chữa của các cơ sở, phần nửa thiết bị bị hỏng vì khâu sửa chữa, bảo dưỡng kém, thiếu sự trợ giúp về công nghệ của hãng chế tạo. Nếu sửa chữa qua hãng giá thành tương đương với giá mua máy mới. Hiện tại ở các máy hỏng, đèn phát tia X còn có khả năng sử dụng. Nhu cầu sử dụng các máy chụp X quang công nghiệp phát triển mạnh. Cần có một cơ sở có khả năng chế tạo và bảo dưỡng máy chụp X quang công nghiệp tại Việt nam đó là mục đích của đề tài này. Mục tiêu đề tài Mục tiêu trước mắt hoàn thành việc thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy chụp X quang công nghiệp với cao áp 200KV, dòng 5mA. Mục tiêu lâu dài là xây dựng cơ sở nghiên cứu và chế tạo chụp X quang công nghiệp. Đáp ứng cung cấp thiết bị cho các trung tâm kiểm tra không phá huỷ, trong đó có máy chụp X quang công nghiệp. Tăng cường khả năng bảo dưỡng, sửa chữa các thiết bị X quang công nghiêp. Những nội dung nghiên cứu chính ( theo hợp đồng nghiên cứu) Nội dung 1: Khảo sát ba thế hệ máy chụp X quang công nghiệp - Nghiên cứu công nghệ chế tạo các máy chụp X quang công nghiệp thế hệ cũ. - Nghiên cứu công nghệ chế tạo các máy chụp X quang công nghiệp thế hệ mới. - Nghiên cứu công nghệ chế tạo các máy chụp X quang công nghiệp thế hệ trung gian đã và đang được chế tạo bởi Nhật bản và Trung Quốc. Trên cơ sở kết quả trên phân tích đánh giá ưu nhược điểm từng loại, xét khả năng nội địa hoá, các nhu cầu công nghệ chụp ảnh Việt nam, xây dựng một cấu hình tối ưu, khả thi để chế tạo một máy chụp X quang công nghiệp. Nội dung 2: Thiết kế chi tiết một máy chụp X quang công nghiệp theo hướng khả thi nhất. - Thiết kế chi tiết khối điều khiển. 3 - Thiết kế chi tiết bộ đầu phát Nội dung 3: Chế tạo một máy chụp X quang công nghiệp với các chức năng cơ bản nhất đáp ứng được yêu cầu của phép chụp ảnh công nghiệp, gồm các công việc sau - Chế tạo khối đầu phát. - Chế tạo khối điều khiển trung tâm. - Chế tạo khối ổn thế, ổn dòng công suất cao. - Chế tạo khối ghép nối trung gian để đo đạc, điều khiển và chỉ thị các thông số của thiết bị. Ghép nối tổng thể các bộ phận của thiết bị, đo đạc điều chỉnh thiết bị. Nội dung 4: Thử nghiệm thiết bị gồm các bước sau: - Thử nghiệm đánh giá thông số thiết bị tại phòng thí nghiệm. - Thử nghiệm ứng dụng máy chụp X quang công nghiệp tại hiện trường. Đánh giá các ưu, nhược điểm của thiết bị thử nghiệm được chế tạo, đưa ra các giải pháp tăng cường chất lượng thiết bị , chuẩn bị cơ sở cho dự án sản xuất thử. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, thời gian thực hiện Thực chất đây là hoạt động chuyển giao công nghệ, nội địa hóa máy chụp X quang công nghiệp, so với quốc tế không mới nhưng ở Việt nam là sản phẩm mới, chưa ai nghiên cứu chế tạo. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn đáp ứng nhu cầu thị trường rất lớn về thiết bị chụp ảnh X quang trong công nghiệp đóng tàu thủy, công nghệ khai thác đầu khí,...Đào tạo được nhóm cán bộ của Viện KH&KTHN về lĩnh vực chế tạo, bảo dưỡng, sửa chữa các máy chụp X quang công nghiệp; Nội địa hoá và tăng khả năng đáp ứng yêu cầu của xã hội. Thời gian thực hiện: Hai năm 2008-2009 Đơn vị thực hiện Cơ quan chủ quản: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt nam Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Nguồn kinh phí và mức kinh phí được cấp: 450 triệu từ ngân sách sự nghiệp khoa học 4 Phần II- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN II.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước có liên quan trực tiếp đến nội dung nghiên cứu của đề tài II.1.1. Ngoài nước Máy phát tia X và ứng dụng nó vào nghiên cứu và đời sống đã có từ năm 1896, tuy nhiên hoàn thiện các máy phát tia X và các lĩnh vực ứng dụng nó được phát triển không ngừng. Cho đến nay nhiều kỹ thuật vẫn được nghiên cứu phát triển, nhiều công nghệ đã được thương mại hóa như máy chụp X quang y tế (các máy chụp phim phẳng, máy chụp cắt lớp); máy chụp X quang công nghiệp và các máy phân tích huỳnh quang, nhiễu xạ tia X. Đối tượng của đề tài này là chế tạo máy chụp X quang công nghiệp, về nguyên tắc không khác máy chụp X quang y tế và các máy phân tích huỳnh quang, nhiễu xạ tia X, tuy nhiên nó có các thông số kỹ thuật rất khác nhau và các yêu cầu ổn định khác nhau. Cho đến nay các máy X quang công nghiệp có thể chia ra hai thế hệ Thế hệ cũ: Biến thế cao thế bằng lõi sắt từ, nâng thế từ nguồn điện 50 Hz, cách điện bằng đầu, làm nguội bằng nước, cấu trúc cồng kềnh, không có bộ CPU thông minh, không có phần mềm. Tuy nhiên thiết bị bền, dễ bảo dưỡng. Thế hệ mới: Biến thế cao thế bằng lõi ferit, kết hợp các mạch nhân thế nâng thế từ nguồn điện cao tần khoảng 20 kHz, cách điện bằng khí, làm nguội bằng quạt, cấu trúc gọn nhẹ, có bộ CPU thông minh, có phần mềm điều khiển, bảo vệ. Tuy nhiên khó bảo dưỡng vì không có trợ giúp của hãng chế tạo. Việc phân chia các thế hệ như trên cũng chỉ là tương đối, ngoài các thế hệ theo phân chia ở trên còn có một dòng máy được sản xuất bởi các nước đi sau như Nhật Bản, Trung Quốc: Dòng máy này có cấu trúc phần cứng thừa hưởng của thế hệ cũ, nhưng có những cải tiến như sử dụng biến thế lõi Ferit, làm mát bằng khí, có sử dụng các phần mềm điều khiển và bảo vệ đơn giản. Trên thế giới máy chụp X quang công nghiệp đã thương mại hóa bởi nhiều hãng chế tạo nổi tiếng, với giá thành xuất xưởng từ 20.000USD đến 50.000 USD. Riêng các máy từ Trung Quốc có giá khoảng 10.000USD đến 15.000 USD. II.1.2. Trong nước Tình hình hiện tại ở Việt nam: Cho đến nay máy chụp X quang công nghiệp chưa có cơ sở nghiên cứu và công ty nào trong nước, hoặc công ty ngoại quốc nào ở trên lãnh thổ Việt nam nghiên cứu, chế tạo. 5 Hiện nay tại Việt nam sử dụng cỡ hai trăm máy chụp X quang công nghiệp của hai thế hệ. Tuy nhiên do thiếu nghiêm túc trong khâu chuyển giao công nghệ cũng như khả năng tự bảo dưỡng và sửa chữa của các cơ sở, phần nửa số thiết bị bị hỏng vì khâu sửa chữa, bảo dưỡng kém, thiếu sự trợ giúp về công nghệ của hãng chế tạo. Nếu sửa chữa qua hãng giá thành tương đương với giá mua máy mới. Hiện tại ở các máy hỏng, đèn phát tia X còn có khả năng sử dụng. Nhu cầu sử dụng các máy chụp X quang công nghiệp phát triển mạnh. Cần có một cơ sở có khả năng chế tạo và bảo dưỡng máy chụp X quang công nghiệp tại Việt nam đó là mục đích của đề tài này. II.2. Tổng quan máy chụp X quang công nghiệp II.2.1. Máy chụp X quang thế hệ cũ II.2.1.1. Khái quát Thế hệ cũ của máy phát tia X được đánh dấu bằng việc phát minh ra đèn phát tia X và máy biến thế thông thường sử dụng lõi biến thế sắt từ, dây emay và vật liệu cách điện thông thường. Chính vì vậy máy phát tia X thế hệ cũ rất to, cồng kềnh và nặng. Nó được sử dụng chủ yếu trong y tế, tại các bệnh viện máy phát tia X được lắp cố định, được sử dụng chụp ảnh X quang cho người. Máy phát tia X thế hệ cũ được chế tạo nửa đầu thế kỷ 20, đặc biệt phát triển trong chiến tranh thế giới thư 2. Tuy máy phát tia X thế hệ cũ còn nhiều yếu điểm như quá cồng kềnh và khả năng xuyên tia kém, song nó cũng đáp ứng được các yêu cầu trong việc chuẩn đoán chức năng hình ảnh và được lắp đặt rộng rãi trong các bệnh viện lớn. II.2.1.2. Nguyên lý cơ bản máy phát tia X thế hệ cũ Máy phát tia X thế hệ cũ có cấu tạo rất đơn giản, áp dụng công nghệ chế tạo rất thô sơ và đây không phải là đối tượng nghiên cứu kỹ của đề tài, chính vì vậy chúng tôi chỉ trình bày sơ lược. Máy phát tia X thế hệ cũ bao gồm các khối cơ bản : Khối 1 là máy biến thế có thể đưa điện áp hạ thế (100V-220V tần số 50Hz-60Hz) lên điện áp từ vài chục đến vài trăm kV để cung cấp cho đèn phát tia X, khối 2 là máy biến thế cung cấp điện áp cho sợi đốt đèn phát tia X, khối 3 là đèn phát tia X và khối 4 các thiết bị bảo vệ. Biến thế cao thế gồm hai cuộn dây, cuộn vào sơ cấp có thể thay đổi được, cuộn ra thứ cấp cố định là lối ra cao áp cung cấp cho đèn phát tia X. Để thay đổi cao áp cấp cho đèn phát người ta thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp. Lõi biến thế là thép sắt từ chất lượng cao có độ từ thẩm trung bình nên đòi hỏi kích thước lớn, rất nặng. Khối điều khiển dòng sợi đốt 6 Để thay đổi suất liều phóng xạ và năng lượng tia X phát ra từ đèn cho các mục đích khác nhau ngoài việc thay đổi cao áp đưa vào Anot đèn phát, người ta còn thay đổi cường độ dòng đốt bằng cách thay đổi thế đốt của đèn phát (dùng biến thế nhỏ riêng biệt cho dây đốt). Đèn phát tia X là đèn điện tử vỏ thuỷ tinh chịu nhiệt, cách điện tốt. Anot chế tạo bằng Vonfram nối ra ngoài bằng một thanh dẫn nhiệt mục đích toả nhiệt cho đèn. Để làm nguội, người ta dùng ống kim loại quấn quanh thanh dẫn nhiệt và cho dòng nước lạnh chảy qua tải nhiệt ra ngoài và dẫn vào dàn toả nhiệt có quạt. Do công nghệ và vật liệu cách điện kém nên kích thước của đèn cũng khá lớn. Sơ đồ khối của thiết bị như hình 2.1 Khối điều khiển Đầu phát tia X Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị phát tia X thế hệ cũ Khối điều khiển (Bàn điều khiển) Bàn điều khiển gồm: Nguồn điện, biến thế trung thế tự ngẫu, biến áp cao thế, biến áp điều khiển dòng đốt đèn phát, các rơle bảo vệ, các đồng hồ báo dòng, cao áp, đồng hồ thời gian, các núm chức năng điều khiển và các đèn chỉ thị. - Nguồn điện: Lấy từ nguồn điện lưới 110V-220V tần số 50Hz-60Hz được đưa vào biến thế và cấp điện cho toàn bộ máy hoạt đông thông qua cầu chì tổng, cầu chì tự động, khởi động từ nhiệm vụ cắt /đóng nguồn khi có tín hiệu điều khiển. - Biến thế trung thế tự ngẫu: Từ điện áp lưới, bằng quay con trượt trên biến thế tự ngẫu biến thành điện áp thay đổi được từ 0V đến cỡ 1000V cung cấp cho biến thế cao áp. - Đồng hồ đo cao áp: Để đo điện áp cao thế trong ống phóng người ta đo gián tiếp điện áp lối ra của biến thế tự ngẫu trung gian và nhân hệ số biến đổi của biến thế cao thế. - Biến thế cấp dòng cho sợi đốt đèn phát tia: Cường độ chùm tia X phụ thuộc dòng điện tử được gia tốc trong điện trường Anot và Catot của đèn. Dòng điện tử này lớn hay bé tuỳ thuộc mật độ đám mây điện tử được tạo ra ở katot, tức là phụ thuộc dòng trên sợi đốt. Do đó biến thế sợi đốt điều khiển cường độ tia X. - Đồng hồ đo dòng phát tia là đo dòng điện tử đi từ Catot đến Anot - Bộ đếm đặt thời gian phát tia: Một đồng hộ cơ được gắn vào bàn điều khiển, trong mỗi lần phát tia người ta xoay kim đồng hồ đến một giá trị thời gian nào đó và đồng hồ sẽ đếm ngược trong quá trình phát tia, khi đến 0 (hết thời gian) tạo ra tín hiệu điều khiển cắt khởi động từ cấp điện cho các biến thế. Máy 7 chuyển sang trạng thái dừng, các phần khác của thiết bị vẫn lầm việc để làm mát thiết bị. - Các phím chức năng, các đèn chỉ thị: Trên bàn điều khiển còn có các đèn chỉ thị (đèn báo có nguồn vào, đèn báo đang phát tia) các phím điều khiển (khởi động, dừng, dừng khẩn cấp, khoá an toàn). Đầu phát tia X Đầu phát tia X gồm: Biến thế cao thế, đèn phát tia, dầu cách điện, bộ phận toả nhiệt, bộ phận cản tia tán xạ ngược, các rơle bảo vệ. - Biến thế cao thế nằm trọn trong đầu phát, gồm 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được cách nhau bằng vật liệu cách điện tốt. Cuộn sơ cấp nhận điện áp từ biến thế trung thế và cuồn thứ cấp cung cấp điện cao áp cho ống phát tia X. - Dầu cao thế: Để tăng khả năng cách điện và chống tia lửa điện người ta đặt biến thế trong hộp dầu cao thế. Đầu cao thế phải được làm khô hoàn toàn và loại bỏ các bọt khí lẫn trong dầu. Khi nạp dầu cho biến thế phải làm khô dầu bằng công nghệ đặc biệt và nạp dầu trong môi trường khô tuyệt đối và trong chân không, sau khi nạp xong dầu vẫn phải hút chân không trong nhiều ngày để loại bỏ hoàn toàn các bọt khí còn lại. - Rơle bảo vệ quá áp lực: Khi máy hoạt động, biến thế và đèn phát tia nóng lên, đầu biến thế ngoài làm nhiệm vụ cách điện còn làm nhiệm vụ tải nhiệt ra vỏ làm nguội biến thế. Thể tích của dầu tăng lên gây áp lực lớn trong ống phóng dễ gây nổ và hỏng đèn. Để bảo vệ ống phóng người ta lắp vào vỏ ống phóng một rơle áp lực. Rơle áp lực sẽ đóng khi quá áp và gửi tín hiệu điều khiển để khởi động từ cắt điện. - Rơle quá nhiệt biến thế: Để bảo vệ biến thế quá nóng khi làm việc quá lâu, quá công suất, hoặc sự toả nhiệt không đảm bảo, người ta gắn một rơle nhiệt vào lõi biến thế. Rơle này sẽ đóng khi biến thế quá nhiệt, tín hiệu gửi về khởi động từ làm ngắt điện, khi máy nguội Rơle quay về trạng thái cho phép máy hoạt đông trở lại. - Đèn phát tia X: Toàn bộ đèn phát tia X nằm gọn trong ống phóng và gắn chặt với vỏ ống. Cửa phát tia hướng ra ngoài thông qua cửa ống phóng. Cửa ống phóng làm từ vật liệu nhẹ như Plastics hay nhôm mỏng giúp cho tia X đi qua dễ dàng. - Hệ thống toả nhiệt cho đèn phát tia X: Khi đèn phát hoạt động, 90% năng lượng của nguồn điện sinh nhiệt gây nóng Anot của đèn, để toả nhiệt người ta gắn vào Anot đèn phát thanh dẫn nhiệt tốt có khả năng chịu nhiệt. Thanh dẫn nhiệt này được kéo dài từ Anot ra ngoài vỏ đèn và được gắn với bộ tản nhiệt. - Bộ tản nhiệt của đèn là những cánh tản nhiệt nằm trọn vẹn trong ống phóng và truyền nhiệt ra ngoài vỏ thông qua dầu biến thế. Về sau người ta gắn vào tấm tản nhiệt đường ống kim loại hình xoắn ruột gà và đường ống này được dẫn ra ngoài. Để làm nguội nhanh chóng người ta dùng bơm nhỏ bơm nước vào đường ống để tải nhiệt ra ngoài. Việc toả nhiệt bằng nước tuy cồng kềnh nhưng người ta nối bơm vào dàn ống toả nhiệt bằng đường ống mềm nên cũng đảm bảo cho máy di chuyển linh hoạt. 8 - Hệ thống toả nhiệt bằng nước làm cho máy hoạt động tốt và hiệu quả phát tia cao, máy có thể phát tia liên tục trong thời gian dài. - Rơle bảo vệ quá nhiệt: Để bảo vệ đèn phát tia người ta gắn một rơle nhiệt vào cánh tản nhiệt của đèn, khi quá nhiệt phát tín hiệu để khởi động từ cắt điện, khi nhiệt độ hạ thấp rơle này lại cho phép đóng điện cho máy. - Hệ thống bảo vệ phóng xạ ngược hướng: Để chặn tia phóng xạ ngược hướng phát, làm giảm suất liều cho người vận hành thiết bị, người ta lót một lớp chì xung quanh thành ống trong đoạn đặt đèn phát tia chỉ để lại một lỗ nhỏ theo hướng phát. Biện pháp này làm giảm suất liều ngược hướng chỉ còn nhỏ hơn 100 µSv/h khi đèn hoạt động ở cao áp và dòng cao nhất. - Đèn cảnh báo phóng xạ: Khi máy bắt đầu có cao áp, một rơle trên bàn điều khiển đóng mở liên tục làm đèn cảnh báo nhấp nháy. II.2.2. Máy chụp ảnh X quang công nghiệp thế hệ mới Phần này sẽ đi sâu trình bày cấu trúc chung của các máy chụp X-quang công nghiệp thế hệ mới và nêu một vài thiết bị điển hình của các hãng chế tạo nổi tiếng trên thế giới. Thiết bị chụp X quang công nghiệp thế hệ mới có cấu hình như hình 2.2, gồm có hai phần chính: Đầu phát tia X và khối điều khiển. Điện công suất AC 220 v Điều khiển Thế Biến đổi AC-DC Điều khiển từ xa Biến thế cao áp Điều khiển Dßng Katot Đầu phát SF6 Điều khiển trung tâm Bia-Anot Tia X Tản nhiệt Quạt Bàn phím và chỉ thị Hình 2.2 Sơ đồ khối thiết bị phát tia X thế hệ mới Ảnh một thiết bị phát tia X thế hệ mới trên hình 2.3 Đầu phát tia X: Là thiết bị công nghệ cao phát ra tia X ổn định vùng năng lượng (từ 100 KeV đến 400 KeV), cường độ hàng chục mA đáp ứng với bài 9 toán chụp ảnh khuyết tật trong công nghiệp ví dụ như chụp ảnh các mối hàn kim loại; Khối điều khiển: Là một khối điều khiển điện tử, trung tâm là một SBC (Single Board Computer) trên Microprocessor tiếp nhận thông tin điều khiển từ người vận hành, từ các sensor cảnh báo quá dòng, quá thế, quá nhiệt, áp xuất... điều khiển vận hành của toàn thiết bị, cung cấp điện thế và dòng công suất cho đầu phát tia X. Hình 2.3 Ảnh của thiết bị phát tia X thế hệ mới II.2.2.1 Đầu phát tia X Gồm hai phần chức năng chính: Khối tạo cao thế gia tốc và điện áp đốt cho ống phóng; Ống gia tốc điện tử và bia hãm để phát tia X; Hai bộ phận chức năng này được đặt trong ống nhôm hình trụ kín chứa khí cách điện SF6 áp suất khoảng 5 at, phần tản nhiệt và quạt và các Sensor bảo vệ nhiệt độ, áp suất Khối tạo cao thế và điện áp đốt cho ống phát Có hai loại cao áp cung cấp thế gia tốc cho ống phóng, loại xung AC và loại DC. Loại xung AC: Dùng biến thế xung trên xuyến Ferit tăng thế trực tiếp từ đầu vào xung tần số cực đại 20 KHz, biên độ cực đại 400V, công suất khoảng 400 watt thành xung cao thế tần số cực đại 20 KHz, biên độ cực đại 400 KV, dòng vùng 10mA đáp trực tiếp lên Katot của đèn phát tia X. Đồng thời từ lối ra của biến thế này có trích phần điện áp cần thiết để đốt Katot của ống phóng tạo ra nguồn điện tử, thế đốt này nằm trên nền cao thế gia tốc điện tử. Trong 10 chu kỳ âm của cao thế (phía Catot), các điện tử được bật ra khỏi Catot và được gia tốc thẳng trên cao áp khoảng 300KV. Loại cao áp DC: Dùng biến thế xung trên xuyến Ferit tăng thế từ đầu vào, xung tần số khoảng 20 KHz, biên độ khoảng 300V công suất khoảng 400 watt thành xung cao thế tần số khoảng 20 KHz biên độ khoảng vài chục KV, đồng thời trích thế từ biến thế để đốt Katot ống phóng (lưu ý thế đốt trên nền cao áp DC). Từ điện áp xung ra của biến thế này được chỉnh lưu và nhân thế đến cao thế DC khoảng 300 KV bằng các diot chỉnh lưu và các tụ lọc cao áp. Cao thế này liên tục gia tốc điện tử từ Katot ống phóng. Cấu trúc kiểu này có phức tạp hơn cấu trúc gia tốc cao thế AC nhưng có nhiều tiện lợi hơn trong việc chế tạo cách điện cao thế và dòng gia tốc liên tục hơn. Ống phát tia X Thực chất là ống gia tốc điện tử thẳng, ống phát tia X có thể bằng thuỷ tinh hay bằng gốm chân không cao, nhờ hệ đốt Catot phát ra đám mây điện tử, dưới tác dụng của cao áp gia tốc, đám mây điện tử được bứt ra khỏi Catot và được tăng tốc, đến năng lượng khoảng 300 KV và bị bia chặn lại và phát bức xạ hãm đó là tia X. Bia chính là Anot của ống phát tia X thường làm bằng Wonfram và được nối với đất và các tấm tỏa nhiệt có khả năng tiếp cận ra ngoài không khí. Các bộ phận phụ - Đầu đo áp suất: gồm sensor áp suất khi SF6 và bộ chỉ thị; - Rơle áp suất: Rơle áp suất này sẽ phát tín hiệu ngắt khi áp suất khí trong ống gia tốc thấp hơn một gíá trị danh định; - Rơle nhiệt tại hai vùng trong ống gia tốc: Vùng biến thế cao thế giá trị ngắt khoảng 60oC, vùng bia phát tia X giá trị ngắt khoảng 110oC; - Kênh lấy tia X có ống dẫn, cửa sổ Berili và màng lọc, - Gần bộ tản nhiệt (phía ngoài) có hệ thống quạt gió làm nguội; - Đầu phát tia X có hệ khung bảo vệ và vận chuyển. II.2.2.2. Khối điều khiển Gồm khối điện tử điều khiển, mạch công suất, mạch nguồn thấp áp và ghép nối ngoại vi đặt trong hộp, trên mặt hộp phía trước và sau có hệ thống chỉ thị, hệ bàn phím điều khiển và các connector liên hệ với đầu phát tia X, nguồn điện nuôi và bộ điều khiển từ xa. Trên hình 2.4 là ảnh của mặt trước và sau của khối điều khiển máy phát X quang của hãng GE. Phía mặt máy là màn hình, dèn chỉ thị, bàn phím lập trình, các phím điều khiển và chuyển mạch; Mặt sau máy là các ổ cắm liên kết. Khối điện tử điều khiển Sơ đồ khối của khối điện tử điều khiển trình bày trên hình 2.5.Gồm các bộ phận chính sau đây: Khối điều khiển trung tâm (CPU trên SBC) có cấu trúc như một máy tính hoàn chỉnh có Microprocessor, bộ nhớ ROM và RAM, I/O vào ra nối tiếp và song song, có màn hình và bàn phím, có thể lập trình cho các hoạt đông của toàn thể thiết bị; Khối điều khiển thế tạo ra chuổi xung điều 11 khiển thời gian đóng mở cầu chỉnh lưu trên các Thyristor để tạo ra nguồn thế DC thay đổi được và có khả năng cung cấp dòng lớn, mạch này cung cấp thế gia tốc ổn định cho ống phát tia X; khối điều khiển dòng tạo ra chuổi xung điều khiển tần số và độ rộng xung thế công xuất cung cấp cho biến thế cao áp ống phóng tia X; Bộ công suât biến đổi AC-DC-AC-DC công xuất cung cấp cho biến thế cao thế; Bộ tạo các nguồn thấp áp nuôi toàn bộ hệ thống. Hình 2.4 Ảnh mặt trước và sau của khối điều khiển máy phát X của hãng GE Sau đây xin trình bày chi tiết các khối kể trên. Khối CPU Thông thường đây là SBC hoàn chỉnh (xem hình 2.6 ) Gồm vi mạch vi xử lý (Microprocessor) hoặc vi điều khiển (Microcontroller), bộ nhớ chương trình ROM, bộ nhớ số liệu RAM, dung lượng tuỳ yêu cầu cụ thể, BUS song song tín hiệu ra điều khiển, BUS song song tín hiệu vào từ các trạng thái và điều 12 khiển từ ngoại vi, ghép nối bàn phím để lập trình, ghi và gọi chương trình, số liệu với bộ nhớ, in kết quả và có khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi mở rộng như màn hình..., BUS nối tiếp để đưa số liệu ra chỉ thị, bộ phát nhịp, bộ kiểm soát hoạt động hệ thống...Khối CPU hoạt động như sau: Khi chuyển mạch điện cung cấp vào vị trí “ON” cung cấp các nguồn điện thấp áp cần thiết cho các bản mạch, mạch vi điều khiển bắt đầu hoạt động nhờ máy phát nhịp thạch anh và hệ thống CPU nhờ tín hiệu “ Reset” từ mạch kiểm soát hệ thống Max813 đưa hệ thống vào trạng thái xuất phát, sẳn sàng nhận lệnh; AC 220 v Điện công suất Điều khiển Thế Đ Â U Điều khiển Dßng P H A T Điều khiển trung tâm Biến đổi AC-DC Điều khiển từ xa Bàn phím và chỉ thị Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển CPU sẽ gọi các chương trình con trong các bộ nhớ ROM và các tham số trong bộ nhớ RAM để thực thi các chức năng của thiết bị phát tia X. Chỉ thị LCD lLLLCD Đèn trạng thái Máy in Ghi đệm Đ/K dòng Nhớ ROM Vi mạch trung tâm Ghi đệm Nhớ RAM Phát nhịp Ghi đệm Vi mạch kiểm soát Đ/K thế AC DC AC Bàn phím Phím khởi động,dừng Hình 2.6 Sơ đồ khối CPU 13 Nếu các lối vào về các trạng thái ngoại vi (bộ điều khiển thế, bộ điều khiển dòng, nhiệt độ, áp suất bình thường thì CPU phát tín hiệu sẳn sàng chiếu bằng đèn chỉ thị “ Ready”; trong trạng thái này người vận hành có thể cho máy phát tia x hoặc các hoạt động lập trình, gọi, điều chỉnh, ghi chương trình, số liệu. Sau khi người vận hành lập các thông số như điện áp chiếu, dòng chiếu và thời gian chiếu hoặc gọi các thông số này từ một chương trình chiếu đã lập trước trong bộ nhớ ra thì quá trình chiếu được bắt đầu bằng cách ấn bằng tay trực tiếp phím “ON” trên mặt máy hoặc từ bộ điều khiển từ xa. Thiết bị phát tín hiệu cảnh báo bằng loa và đèn KV sáng, sau một khoảng chậm tuỳ chọn máy sẽ phát tia X đồng thời đèn chỉ thị dòng mA sáng và đèn cảnh báo có nguồn tia X nhấp nháy, bộ đếm thời gian chạy ngược từ giá trị đặt. Thiết bị sẽ dừng phát tia X bằng cách ấn phím “Stop” trực tiếp trên máy hoặc từ phím điều khiển từ xa (dừng tức thì) hoặc khi bộ đếm thời gian về không. Có thể lập trình chế độ luyện ống phóng, chế độ luân phiên chiếu và nghỉ. Trong quá trình chiếu thiết bị luôn luôn kiểm tra các trạng thái hoạt động bình thường của máy, nếu có sự cố máy sẽ dừng phát tia x ngay lập tức. Khối bàn phím, chỉ thị Đây là hệ thống giao diện giửa thiết bị và người vận hành. Hệ bàn phím và các nút bấm riêng rẽ để lập trình và đưa các lệnh vào thiết bị; hệ chỉ thị gồm màn hình tinh thể lỏng và các đèn cảnh báo. Sơ đồ khối hình 2.7, gồm khối điều khiển quét bàn phím và điều khiển đồng bộ ra màn hình tinh thể lỏng. Bộ điều khiển quét bàn phím hoạt động như sau Các phím Khởi động và dừng vào trực tiếp không qua khối quét. Để lấy thông tin từ bàn phím khối điều khiển tuần hoàn phát 4 xung quét lệch nhau để quét 4 hàng của bàn phím; trạng thái bàn phím từng nhịp một đưa trạng thái của 8 cột của hàng tương ứng vào thanh ghi đệm, CPU nhờ giải mã mà nhận biết Đèn trạng thái Chỉ thị LCD Điều khiển chỉ thị BUS chung CPU Điều khiển bàn phím Phím khởi động,dừng Bàn phím Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ quét bàn phím và chỉ thị 14 phím nào được ấn trong số 32 núm của bàn phím. Mỗi một núm bàn phím tương ứng với một con số hoặc một chức năng. Hoạt động bộ điều khiển chỉ thị: Số liệu đưa ra chỉ thị được mã hóa dạng số 4 bit. Các chỉ thị trực tiếp trên đèn được ghi vào các Triger nhớ tương ứng để điều khiến ON/OFF của đèn; số liệu chỉ thị trên màn hình tinh thể lỏng được mã hóa thành từ 4 bít và cứ một nhịp xung phát ra từ khối điều khiển thì một từ 4 bít được gửi vào bộ chỉ thị và tùy theo tín hiệu đồng bộ ngang và dọc mà ghi vào điểm chỉ thị tương ứng trên màn hình. Ngoài ra để tăng cường độ sáng của màn hình tinh thể lỏng còn bổ sung phần chiếu sáng nền. Khối điều khiển thế Chức năng khối này đặt cao thế và ổn định giá trị cao thế, sơ đồ khối trên hình 2.8. Cấu trúc có các phần chính sau: Bộ đặt giá trị cao thế (có thể bằng phần cứng cũng có thể bằng phần mềm) đặt thế điều khiển; bộ biến đổi F-V; bộ cộng tương tự; các mạch so sánh; bộ chọn pha mở các thiristor chỉnh lưu; mạch vi sai; mạch tích phân và bộ phát xung điều khiển cho bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ trên thyristor công suất. Bộ này hoạt động như sau: Khi đặt một giá trị thế Vo ứng với thế cao áp trên ống phóng tia X giá trị KVo; nếu giá trị lối ra của bộ tổng tương tự còn nhỏ hơn giá trị đặt Vo thì qua mạch so sánh gửi tín hiệu về CPU báo cho CPU tăng tần số phát, tần số này được bộ biến đổi F-V biến thành thế, tần số tăng nên mức thế này tăng và đến khi thế ra của bộ tổng bằng giá trị Vo CPU giử nguyên tần số đó và ngược lại nếu giá trị này lớn quá thì CPU giảm tần số. Giá trị thế này được so sánh với giá trị thực DC trên lối ra bộ chỉnh lưu bằng bộ vi sai; lối ra bộ vi sai được tích phân để tránh các tín hiệu nhiễu có biên độ Đến khối cao thế công suất AC-DC-AC AC Chọn pha mở Mạch so sánh Thisistor chỉnh lưu V Bộ biến đổi Mạch tổng F→ V Phát xung Đ/K Thisistor chỉnh lưu Mạch tích phân Mạch vi sai Đặt cao thế Đến bộ điều khiển trung tâm (CPU) Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển thế 15