Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực

  • Số trang: 70 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 174 |
  • Lượt tải: 0
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ ỨNG DỤNG TIA X TRONG MỘT SỐ LĨNH VỰC Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ-TIN HỌC Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : ThS. Hoàng Xuân Dinh Phạm Thị Kim Thanh Mã số SV: 1090282 Lớp: SP Vật Lý-Tin Học Khóa: 35 Cần Thơ, năm 2013 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực LỜI CẢM ƠN  Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã không gặp ít khó khăn. Tuy nhiên, tôi đã được sự giúp đỡ tận tình của thầy cô, bạn bè. Cuối cùng, tôi đã hoàn thành được đề tài một cách tốt đẹp. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Xuân Dinh đã tận tình hướng dẫn động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành được đề tài này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Vật Lý đã cung cấp tài liệu cho tôi trong thời gian qua. Cuối cùng , tôi xin cảm ơn các bạn trong lớp sư phạm Vật lýTin học K35. Các bạn đã tận tình giúp đỡ tôi và đóng góp ý kiến cho đề tài. Trong thời gian thực hiện đề tài tôi đã học hỏi được rất nhiều từ thầy cô và bạn bè. Do hạn chế về tài liệu, kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô và các bạn thông cảm và đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn ! Xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực hiện Phạm Thị Kim Thanh SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang i Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN……………………………………………...………………………i MỤC LỤC……………………………………………………………................................ii Phần MỞ ĐẦU……………………………………………………………………...1 1. Lý do chọn đề tài ………………………………………………………………...1 2. Mục đích của đề tài ...............................................................................................2 3. Giới hạn của đề tài .................................................................................................2 4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ..............................................................2 5. Các bước thực hiện đề tài ......................................................................................2 Phần NỘI DUNG.......................................................................................................3 Chương 1: TÌM HIỂU TIA X (TIA ROENTGEN) .................................................3 1.1 Tiểu sử Roentgen.................................................................................................3 1.2 Sự phát hiện tia X ...............................................................................................3 1.3 Bản chất tia X.......................................................................................................4 1.3.1 Tia X có khả năng đâm xuyên mạnh ................................................................4 1.3.2 Tia X có tính chất quang học ...........................................................................4 1.3.3 Tia X làm phát quang các vật liệu ảnh..............................................................5 1.1.4 Cơ chế phát xạ và phổ tia X ............................................................................5 1.4.1 Bức xạ hãm .......................................................................................................6 1.4.2 Bức xạ đặc trưng...............................................................................................8 1.1.5 Ảnh hưởng của các yếu tố phát sinh tia X đối với phổ tia X..........................11 1.5.1 Ảnh hưởng của điện áp...................................................................................11 1.5.2 Ảnh hưởng của dòng điện...............................................................................11 1.5.3 Ảnh hưởng của vật liệu làm anode..................................................................11 Chương 2: BÓNG PHÁT TIA X VÀ SỰ GHI NHẬN TIA X................................12 2.1 Bóng phát tia X..................................................................................................12 2.1.1 Cấu tạo.............................................................................................................12 2.1.1.1 Cathode bóng phát tia X………………...…………………………………12 2.1.1.2 Anode bóng phát tia X.................................................................................13 2.1.2 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................13 2.1.3 Phân loại bóng phát tia X................................................................................14 2.1.3.1 Bóng phát tia X cố định có hai tiêu điểm ....................................................14 2.1.3.2 Bóng phát tia X có anode quay....................................................................15 2.1.4 Công suất bức xạ của bóng phát tia X.............................................................15 2.2 Liều lượng bức xạ..............................................................................................16 2.2.1 Liều hấp thụ ...................................................................................................16 2.2.2 Liều tương đương ...........................................................................................17 2.2.3 Liều hiệu dụng ................................................................................................18 2.2.4 Liều chiếu ......................................................................................................19 2.2.5 Liên hệ giữa liều chiếu với liều tương đương ...............................................19 2.3 Ghi nhận tia X...................................................................................................20 2.3.1 Detector chất khí ...........................................................................................20 2.3.1.1 Nguyên tắc cơ bản của detector chứa khí ...................................................20 2.3.1.2 Buồng ion hóa .............................................................................................21 2.3.1.3 Ống điếm tủ lệ .............................................................................................22 2.3.1.4 Ống đếm Geiger- Muller .............................................................................22 SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang ii Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực 2.3.2 Detector chất rắn ............................................................................................24 2.3.2.1 Nguyên lý hoạt động ...................................................................................24 2.3.2.2 Detector nhấp nháy ......................................................................................25 2.3.2.3 Detector nhiệt huỳnh quang ........................................................................26 2.3.3 Detector bán dẫn .............................................................................................26 2.3.4 Hiệu ứng quang ảnh .......................................................................................27 Chương 3: TƯƠNG TÁC GIỮA TIA X VỚI VẬT CHẤT.....................................28 3.1 Hiệu ứng quang điện .........................................................................................28 3.2 Hiệu ứng compton .............................................................................................31 3.3 Hiệu ứng sinh cặp ..............................................................................................35 3.4 Sự hấp thụ tia X .................................................................................................35 3.5 Nhiễu xạ tia X ...................................................................................................37 3.5.1 Hiện tượng nhiễu xạ .......................................................................................37 3.5.2 Định luật Bragg ..............................................................................................38 Chương 4: ỨNG DỤNG TIA X TRONG CÁC LĨNH VỰC...................................41 4.1 Tia X trong công nghiệp ....................................................................................41 4.1.1 Phát hiện khuyết tật trong cấu kiện bê tông cốt thép …………………..…...41 4.1.1.1 Thiết bị phát tia X ………………………………………………………....41 4.1.1.2 Xác định vị trí và kích thước vật thể bên trong kết cấu bê tông bằng tia X…………………………………………………………………………………...41 4.1.1.3 Một số chú ý khi sử dụng thiết bị phát tia X ……………………………...43 4.1.1.4 Kết luận ……………………………………………………………...…....43 4.1.2 X-Quang kiểm tra thực phẩm trong công nghiệp ………………….………..43 4.2 Ứng dụng của tia X trong kỹ thuật chụp X-Quang và một số ứng dụng khác trong y học …………………………………………………………………..…………….44 4.2.1 Máy X-Quang ………………………………………….................................44 4.2.1.1 Cấu trúc chung của thiết bị X-Quang ………………………………..........45 4.2.1.2 Thiết bị X-Quang có tăng sáng truyền hình ………………………...…….50 4.2.1.3 Chụp X-Quang điện toán …………………………. ………………...…... 51 4.2.1.4 Ứng dụng chụp X-Quang ………………………………………...….........53 4.2.2 Chụp cắt lớp điện toán CT ………………………………………………….54 4.2.2.1 Nguyên lí của máy CT ……………………………………………..……..54 4.2.2.2 Ứng dụng của chụp CT ……………………………………………..…….55 4.2.3 Xạ trị tia X …………………………………………………………………..56 4.2.4 Tác dụng sinh lí của tia X và an toàn bức xạ y tế ………………...………...57 4.2.4.1 Tác dụng đối với tế bào …………………………………………..………57 4.2.4.2 Tác dụng đối với nhân tế bào ……………………………………...……...58 4.2.4.3 Tác dụng đối với các mô khác nhau …………………………………...….58 4.2.4.4. Tác dụng lên máu và các mô khác nhau ……………………………...…..59 4.2.4.5 Tác dụng lên hệ thống tim mạch ………………………………….......…..59 4.2.4.6 Tác dụng lên hệ tiêu hóa ………………………………………...………..59 4.2.4.7 Tác dụng đối với cơ quan sinh dục ……………………………...………..59 4.2.4.8 Tác dụng lên cơ quan hô hấp …………………………………..………....60 4.2.4.9 Tác dụng gây ung thư ……………………………………...……………...60 4.2.4.10 Tác dụng thần kinh ……………………………………………………....60 4.2.4.11 An toàn bức xạ y tế ………………………………………...…………....60 4.3 Tia X trong an ninh, đời sống ………………………….…………………...…61 SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang iii Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực 4.4 Tia X trong nông nghiệp ………………………………………….………..…62 Phần KẾT LUẬN ………………………………………………..……………..…64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………...65 SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang iv Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Phần MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật lý học là một nghành khoa học tự nghiên cứu về tự nhiên từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên chất) cho đến thang vĩ mô ( các hành tinh, thiên hà và vũ trụ). Vật lý học được xem là “nghành khoa học cơ bản” bởi vì các nghành khoa học tự nhiên khác như sinh học, hóa học, địa lý học…chỉ nghiên cứu từng phần cụ thể của tự nhiên và điều phải tuân thủ các định luật vật lý. Vật lý học ra đời để trả lời được rất nhiều những câu hỏi “tại sao ?” trong cuộc sống, bởi mọi hoạt động của sinh vật sống điều dựa vào các nguyên lý vật lý, ngay cả sự vận động của thiên nhiên cũng tuân theo các nguyên lý vật lý. Như hiện tượng đơn giản dễ thấy là cầu vồng chẳng hạn, do ánh sáng bị tán sắc bởi các hạt nước li ti trong không trung đã tạo ra một dải ánh sáng 7 màu rất đẹp… Cuộc sống ngày càng phát triển, càng hiện đại thì con người càng không ngừng khám phá và ứng dụng những thành tựu của vật lý vào phục vụ những nhu cầu phong phú của cuộc sống. Từ ngày vật lý học ra đời đến nay đã có biết bao nhiêu nhà vật lý tìm ra biết bao công trình vĩ đại. Trong số những nhà vật lý học đó có Wilhelm Conrad Roentgen, nhà vật lý học đã tìm ra tia X mà ngày nay được ứng dụng trong cuộc sống. Trong lĩnh vực y học, trong công nghiệp, trong nông nghiệp và cã lĩnh vực an ninh. Trong lĩnh vực y học tia X đã mang lại hiệu quả gì trong chuẩn đoán và điều trị bệnh?. Trong công nghiệp và nông nghiệp đã mang lại hiệu quả gì trong cuộc sống cũng như trong an ninh ? Trong quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã được tìm hiểu về tia X ở góc độ lý thuyết. Không chỉ dừng lại ở những hiểu biết về lý thuyết, tôi muốn nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng của tia X trong thực tế cuộc sống. Do có sự hạn chế về thời gian và nguồn tài liệu nên trong giới hạn đề tài này tôi chỉ nghiên cứu về ứng dụng của tia X trong một số lĩnh vực trên. Đó chính là lí do tôi chọn và nghiên cứu đề tài “Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực”. Tôi tin chắc việc nghiên cứu đề tài này không chỉ giúp tôi hiểu sâu hơn về tia X và ứng dụng của nó trong đời sống, mà nghiên cứu này còn giúp ích cho công tác giảng dạy của tôi sau này. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 1 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu ứng dụng tia X trong một số lĩnh vực như y học, công nghiệp, nông nghiệp, an ninh… 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Ở đề tài này tìm hiểu được những tính chất, nguyên tắc, nguyên lý chung của tia X chỉ sưu tập các tài liệu và rút ra những điểm mấu chốt tổng hợp một cách có hệ thống các kiến thức về vấn đề liên quan đến tia X và trong luận văn này tôi chỉ nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết về tia X và các ứng dụng của tia X trong một số lĩnh vực như y học, công nghiệp, nông nghiệp, an ninh, mà chưa có điều kiện nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm. 4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN Nghiên cứu dựa trên phương pháp tổng hợp lý thuyết về sự phát hiện ra tia X, bóng phát tia X và sự ghi nhận tia X, tương tác giữa tia X với vật chất, ứng dụng tia X trong một số lĩnh vực. Về phương tiện thực hiện đề tài qua các tài liệu tham khảo như sách, bài giảng, luận văn tốt nghiệp Đại học, báo, Internet…Và một số ý kiến nhận được từ giáo viên hướng dẫn, các thầy cô bộ môn cùng với các bạn sinh viên. 5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Trong quá trình nghiên cứu đề tài được thực hiện theo các bước: Bước 1: Nhận đề tài và xác định những nội dung cần đạt được của đề tài. Bước 2: Sưu tầm và nghiên cứu tài liệu dựa trên cơ sở của nội dung đã xác định và lập đề cương của đề tài. Bước 3: Viết báo cáo, sửa chữa theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Bước 4: Báo cáo đề tài. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 2 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Phần NỘI DUNG Chương 1: TÌM HIỂU TIA ROENTGEN (TIA X) 1.1 TIỂU SỬ ROENTGEN Whilhelm Conrad Roentgen sinh ngày 27 tháng 3 năm 1845, ở tỉnh Rhein nước Đức. Là một người rất say mê Vật lý. Ông thi vào trường kĩ thuật tổng hợp Zurich và nhận được văn bằng tốt nghiệp kĩ sư cơ khí, sau đó đạt học vị tiến sĩ triết học. 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 vị giáo sư vật lý giảng dạy tại đây, đồng thời ông cũng là giám đốc một phòng thí nghiệm rất hoàn hảo do ông xây dựng. Ngày 8 tháng 11 năm 1895 chính tại phòng thí nghiệm của mình ông đã phát hiện ra tia X. Từ năm 1896, ông là Viện sĩ viện hàn lâm khoa học Đức. Với việc tìm ra tia X, Roentgen đã cống hiến cho y học nhiều hơn bất cứ nhà vật lý học nào khác trong lịch sử khoa học. Tia X đã nhanh chóng trở thành trở thành công cụ chuẩn đoán quen thuộc ở hầu hết các bệnh viện trên toàn thế giới. Không chỉ có thể, tia X còn mở đường cho sự chuyển mình của vật lý học từ vật lý cổ điển sang vật lý lượng tử. Với những cống hiến cho khoa học của mình, Roentgen xứng đáng nhận giải Nobel đầu tiên về vật lý năm 1901. Ngày 10 tháng 2 năm 1923 một ngày mùa đông khắc nghiệt, Roentgen đã qua đời. Để tưởng niệm nhà bác học, người công dân vĩ đại này mà nhiều nước đã dựng tượng đài của ông và lấy tên ông đặt tên cho các đường phố. 1.2 SỰ PHÁT HIỆN RA TIA X Ngày 8 tháng 11 năm 1895, cũng như bình thường, Roentgen là người rời khỏi phòng thí nghiệm trễ hơn mọi người. Ông ra về mà quên cắt cầu dao cao thế dẫn vào ống cathode nên ông đã quay lại phòng thí nghiệm, theo thói quen ông không cần bật đèn mà đi thẳng tới bàn thí nghiệm, bất chợt ông 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 thế thì vệt sáng đó biến mất. Ông đã lập lại vài lần việc đóng rồi ngắt cầu dao và kết quả vẫn như thế. Ông làm đi làm lại các thí nghiệm với ống cathode Hình 1.2 Tấm X- Quang đầu tiên và 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 SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 3 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực đóng mạch điện, tờ giấy ảnh khi tráng ra trở nên đen kịt. Lặp lại thí nghiệm, tờ giấy vẫn ngả màu đen. Bất chợt ông thấy ở mép của một tấm ảnh có vật gì trắng trắng giống hình một đốt xương ông nghĩ phải chăng đó là bóng ngón tay ông đã cầm hộp 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 gỗ, giấy, phần mềm cơ thể,…Nhưng không qua được kim loại, không xuyên qua một số bộ phận cơ thể, nhất là bộ phận có chứa 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 kín ảnh. Ông gọi tia đặc biệt này là tia X, Roentgen đã phát hiện tia X khi có chùm electron đập vào anode của ống cathode. Từ đó, ông chế tạo ra được một thiết bị phát ra chùm tia X mạnh mà ngày nay người ta gọi là ống phát tia Roengthy. 1.3 BẢN CHẤT TIA X Tia X được phát ra khi một chùm electron có năng lượng lớn chuyển động đến bắn vào bề mặt một đối âm cực ( anode ) làm bằng kim loại nặng ( như vonfram…) Tia X có nhiều tính chất và ta xét một số tính chất đặc trưng nhất : 1.3.1 Tia X có khả năng đâm xuyên mạnh Do tia X có bước sóng rất ngắn và có năng lượng lớn nên có khả năng đâm xuyên rất lớn, về mặt lí thuyết thì người ta có thể làm giảm cường độ của tia X nhưng không thể triệt tiêu hoàn toàn được tia X, các chất khác nhau hấp thụ cũng rất khác nhau tùy thuộc vào năng lượng hoặc bước sóng của tia X. 1.3.2 Tia X có tính chất quang học Roength cùng với Stocker và Gongamme đã đi sâu nghiên cứu bản chất tia X và đi đến kết luận: Tia X có bản chất là sóng điện từ có giống như ánh sáng, truyền đi theo đường thẳng với vận tốc và cường độ của chùm tia giảm đi theo bình phương khoảng cách đến nguồn phát, nhưng bước sóng nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng. Tia X là sóng điện từ, vậy vấn đề đặt ra là phải tìm ra bước sóng của tia X. Nhưng suốt 20 năm, người ta chỉ kết luận được rằng tia X có bước sóng rất nhỏ. Mãi đến năm 1913, Lauer đã dùng tinh thể làm cách tử để nghiên cứu hoạt động 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 về tính chất của tia X và thấy rằng: Tia X là sóng điện tử và có bước sóng ngắn nằm trong khoảng 0,001 A0 đến 100 A0 . Mỗi lượng tử sóng điện từ hay phonton có năng lượng E tỉ lệ với tần số v của nó: E = hv (1.1) Vì tần số liên hệ với bước sóng  thông qua vận tốc ánh sáng c nên bước sóng của tia X được viết : SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 4 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực  hc hc  E eU (1.2) Với : h = 6,626.10-34 Js ( hằng số Planck). c = 2,998.10 8 m/s ( vận tốc ánh sáng). Tia X có năng lượng trong khoảng 200 eV đến 1MeV, chúng nằm giữa tia gamma () và bức xạ tia cực tím ( UV) trong phổ điện từ. Loại sóng Bước sóng Tia gamma < 10-12 Tia Roentgen Tia tử ngoại 10-12 m  10 -8 m 10 -8 m  4.10-7m Ánh sáng nhìn thấy 4.10-7m  7,5.10-7 m Tia hồng ngoại 7,5.10 -7 m  10-3 m Các sóng vô tuyến >10 -3 m Bảng 1.1: Các loại sóng điện từ và bước sóng tương ứng. Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng mỗi vùng sóng có những đặc trưng riêng. Khi tần số tăng ( bước sóng giảm) thì tính chất hạt của bức xạ cũng tăng. - Sóng vô tuyến thì được sinh ra nhờ chuyển động tuần hoàn của tập thể các electron trong mạch dao động. - Sóng quang học thì được phát ra nhờ các chuyển mức năng lượng bên trong các nguyên tử, phân tử riêng biệt trong vật thể. - Tia X lại có nguồn gốc từ những thay đổi trên quỹ đạo của các electron ( sự dịch chuyển electron giữa các lớp trong cùng ) trong cùng một nguyên tử. - Tia gamma phát ra từ bên trong hạt nhân nguyên tử. 1.3.3 Tia X làm phát quang các vật liệu ảnh Tia X không nhìn thấy được bằng mắt thường, nó có đặc tính làm phát quang một số chất, nó cũng tác dụng lên kính ảnh và gây iôn hóa chất khí. Nhiều chất khi tia X chiếu vào bị kích thích và bức xạ huỳnh quang như kẽm sunfuarơ, natri clorua và người ta lợi dụng tính chất này làm màn huỳnh quang để quan sát ảnh khi chiếu tia X. Đối với một hợp chất, tia X có khả năng phân tích chúng thành các ion. Và tia X có tác dụng sinh học. 1.4 CƠ CHẾ PHÁT XẠ VÀ PHỔ TIA X SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 5 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Tia X phát ra khi các electron từ cathode của bóng phát tia X bị hãm đột ngột do va chạm với các nguyên tử của chất làm anode. Khi đó xuất hiện hai loại bức xạ tia X: Bức xạ hãm hoặc bức xạ đặc trưng. 1.4.1 Bức xạ hãm Xuất hiện khi một chùm electron được gia tốc trong điện trường ( sao cho electron này có năng lượng nhỏ hơn một giá trị năng lượng xác định nào đó đặc trưng cho chất làm anode) chuyển động đến đập vào anode. Trong phổ liên tục, sự phân bố năng lượng theo bước sóng có cực đại tại một bước sóng xác định nào đó. Có cường độ giảm dần về phía bước sóng lớn và tiệm cận đến giá trị    . Hình 1.3: Cơ chế phát phổ liên tục Bên trái của tiệm cận cực đại, khi bước sóng giảm thì cường độ của bức xạ hãm giảm mạnh và bị giảm đột ngột tại một bước sóng gọi là bước sóng giới hạn, mà dưới giá trị bước sóng này thì phổ liên tục không tồn tại. Vị trí của bước sóng giới hạn cũng như đặc tính của sự phân bố năng lượng bức xạ hãm trong phổ liên tục không phụ thuộc vào vật liệu làm anode mà chỉ phụ thuộc vào hiệu điện thế gia tốc. Tần số giới hạn vg được xác định bởi điện áp gia tốc U: vg  U Với một hiệu điện thế nhất định thì giới hạn của đường cong ứng với một bước sóng giới hạn g . Nếu hiệu điện thế gia tốc tăng thì cường độ của bức xạ hãm sẽ tăng, giá trị cực đại của nó sẽ dịch chuyển về phía bước sóng ngắn. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 6 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Hình 1.4: Phân bố cường độ của phổ liên tục theo bước sóng với các giá trị hiệu điện thế khác nhau Dựa vào thuyết photon về ánh sáng ta có thể tính được bước sóng giới hạn hay tần số giới hạn. Electron sau khi vượt qua hiệu điện thế U sẽ có năng lượng E= eU. Khi va chạm với nguyên tử thì một phần năng lượng của chúng được bức xạ dưới dạng photon, một phần năng lượng truyền cho nguyên tử. Như vậy: eU= hv + T (1.3) Tần số cực đại vg xác định khi toàn bộ động năng của electron dùng để tạo thành lượng tử, khi đó: T = 0 Phương trình (1.3) trở thành: h vg = eU Suy ra: g  (1.4) hc eU ( 1.5) Với: : h = 6,626.10 -34 Js c = 2,998.108 m/s e  1, 6.1019 C Thay các giá trị vào ta được: g  0 12415 ( A) U 0 Vậy khi U = 100kV thì bước sóng giới hạn của phổ liên tục là 0,124 A . SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 7 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Qua nghiên cứu: Giá trị bước sóng m ứng với cực đại của đường cong bằng 3 2 Tức là: m  g 3 g . 2 (1.6) 1.4.2 Bức xạ đặc trưng Hình 1.5: Bức xạ đặc trưng khi thay đổi điện áp gia tốc với anode là Đồng Nếu tăng điện áp gia tốc U lên đến một điện áp nào đó thì trên nền phổ liên tục sẽ xuất hiện các bức xạ vạch có dạng hình nhọn. Khi đạt đến một điện áp gia tốc đủ lớn nào đó thì trong bức xạ tia X xuất hiện các vạch đỉnh nhọn có tần số (bước sóng) xác định hoàn toàn đặc trưng cho chất làm anode. Do đó, bức xạ này được gọi là bức xạ đặc trưng. Ta biết rằng, khi chùm electron được gia tốc đến đập vào anode, chúng bị hãm lại và truyền năng lượng cho các nguyên tử làm anode và đưa các nguyên tử này lên trạng thái kích thích. Giả sử năng lượng ở trạng thái ban đầu của nguyên tử là W1 , năng lượng ở trạng thái kích thích là W2 , thì nguyên tử của anode sẽ bức xạ tia X có tần số là: v W2  W1 h (1.7) Như ta đã biết, trong trường hợp nguyên tử có nhiều electron, năng lượng của trạng thái dừng không chỉ phụ thuộc vào số lượng tử chính n mà còn phụ thuộc vào số lượng tử quỹ đạo L như công thức Rydberg: Wn , L   RhcZ 2 (n   ) 2 (1.8) Trong đó  là số hiệu chỉnh. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 8 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Ta cũng có thể viết công thức Rydberg dưới dạng khác bằng cách giữ nguyên số lượng tử chính n và thay thế số điện tích Z bằng số điện tích bằng số điện tích hiệu dụng Z hd : (1.9) eZ hd  ( Z  a)e Trong đó a là số hiệu chỉnh mới. Sở dĩ ta có thể viết như vậy là vì trong các nguyên tử có nhiều điện tử, các electron hoá trị không những chuyển động trong trường của hạt nhân mà còn chuyển động trong trường của các electron còn lại. Do đó, điện tích của hạt nhân coi như bị giảm đi một lượng là a. Như vậy điện tích của hạt nhân tác dụng lên electron hoá trị không còn là Ze mà là (Z-a)e. Công thức Rydberg có thể viết lại: W   Rhc (Z  a)2 n2 (1.10) Viết lại cụ thể giá trị của năng lượng W1 và W2 , với n1 là số lượng tử ứng với trạng thái ban đầu và n2 là số lượng tử ứng với trạng thái kích thích.Ta có : v  Rc(Z  a ) 2 ( 1 1 1 1  2 ) v  Rc(Z  a ) 2 ( 2  2 ) 2 n1 n2 n1 n2 (1.11) Tia X có tần số rất lớn (bước sóng ngắn) cho nên từ công thức (1.11) muốn có tia X thì anode phải là các nguyên tố nặng. Như vậy, cơ sở của bức xạ đặc trưng là do các electron nằm sâu trong các nguyên tử bị các electron năng lượng lớn đến va chạm và đánh bật ra khỏi nguyên tử. Như vậy, nguyên tử lúc này trở thành ion và có một lỗ trống ở lớp bên trong. Do đó các electron nằm ở lớp ngoài sẽ chuyển đến chiếm lấy lỗ trống này và bức xạ ra tia X. Nếu electron bị bắn ra ngoài lúc đầu nằm ở lớp ứng với số lượng tử n=1 và điện tử đến thay thế nằm ở lớp ứng với số lượng tử n=2, thì nguyên tử sẽ bức xạ ra tia X có số sóng : R(Z  a)2 R( Z  a)2 v   12 22 (1.12) Vạch tương ứng với số sóng đó gọi là vạch K . Tương tự, nếu electron thay thế nằm ở các lớp ứng với số lượng tử n=3, n=4… thì chúng ta sẽ có vạch K  , K … 0 Ví dụ : Vạch K của lớp có bước sóng   0,17982 A SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Hình 1.6 : Bức xạ đặc trưng Trang 9 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực 0 Vạch K  của lớp có bước sóng   0,15865 A Nếu electron bị bắn ra ngoài ban đầu nằm ở lóp ứng với n=1 thì ta có dãy các vạch thuộc lớp K (K , K, K…), nếu electron bị bắn ra ngoài ban đầu nằm ở lớp ứng với n=2 thì ta có vạch thuộc dãy L (L, L, L…). Tương tự, ta có các dãy M, N.. *Định luật Moseley : Đối với các nguyên tố nặng, các lớp electron ở trong có cấu tạo như nhau và các electron ở bên ngoài ít ảnh hưởng đến chúng nên số hiệu chỉnh a giữ không đổi với mọi nguyên tố nặng, nghĩa là không tuỳ thuộc vào số thứ tự Z. Do đó, công thức (1.12) có thể viết lại dưới dạng số sóng :  v21  R( Z  a ) 2 R(Z  a ) 2 R( Z  a ) 2 (n22  n12 )   n12 n22 n12 n22 (1.13) Từ đó suy ra : ~ n 2  n2 v21  2 1 (Z-a) R n1n2 (1.14) Công thức (1.14) đúng cho mọi nguyên tố nặng và cũng chính là nội dung của định luật Moseley. Hình 1.7: Đồ thị Moseley đối với vạch K Trên hình 1.7 là đồ thị Moseley đối với vạch K của các nguyên tố có nguyên tử số Z từ 12÷ 48. Nhìn vào đồ thị ta thấy căn bậc hai của số sóng tia X tỷ lệ bậc nhất với số SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 10 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực thứ tự Z. Như vậy, nếu đo bước sóng của tia X và dùng định luật Moseley ta có thể xác định được số thứ tự Z của nguyên tố đó. 1.5 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ PHÁT SINH TIA X ĐỐI VỚI PHỔ TIA X 1.5.1 Ảnh hưởng của điện áp Khi điện áp U tăng lên thì độ dài bước sóng sẽ giảm đi, còn năng lượng quang phổ sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của điện áp, khi đó chùm tia sẽ có khả năng đâm xuyên mạnh hơn. 1.5.2 Ảnh hưởng của dòng điện Khi tăng cường độ dòng điện qua ống phát tia X tức là tăng số electron từ cathode đến anode, khi đó cường độ chùm tia tăng lên tỉ lệ với cường độ dòng điện, còn bước sóng giới hạn và điểm cực đại vẫn không đổi, nghĩa là tính chất của chùm tia không đổi. 1.5.3 Ảnh hưởng của vật liệu làm anode W (năng lượng ) Z ( thứ tự nguyên tử ) Hình 1.8: Quan hệ giữa năng lượng chùm tia và thứ tự của nguyên tố làm anode Vật liệu làm anode phải có độ nóng chảy cao và số thứ tự cao trong bảng tuần hoàn Menđêlep. Vì cường độ của chùm tia tăng tỉ lệ với số thứ tự nguyên tố làm anode. Ta có : W=C.Z C : hằng số tỉ lệ. Z : số thứ tự của nguyên tố. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 11 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Chương 2: BÓNG PHÁT TIA X VÀ SỰ GHI NHẬN TIA X 2.1 BÓNG PHÁT TIA X Có hai loại bóng phát tia X là bóng khí ném (bóng Croocker) và bóng Coolidge.Nhưng bóng khí ném có nhiều nhược điểm nên đến nay thì người ta không dừng loại bóng 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 rắn. 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 ra tia X thì cần tạo ra các quá trình sau: - Tạo ra các electron tự do trong chân không. - Phải gia tốc các eletron tự do bằng một điện trường. - Hãm các eletron tự do được gia tốc bằng một vật chắn. Hình 2.1: Bóng phát tia X 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 thuỷ tinh có độ chân không cao, dưới một phần triệu mmHg. Hai đầu bóng có hai điện cực, một điện cực âm (cathode), một điện cực dương (anode). 2.1.1.1. Cathode bóng phát tia X Là một sợi dây tungsten cuốn hình lò xo xoắn và được đốt nóng bởi một dòng điện phụ,là nguồn phát ra các electron. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 12 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực 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 thế 6-10V (tuỳ từng loại sợi làm cathode) được đưa vào cathode để đốt nó nóng đỏ. Cathode được nung nóng là nguồn phát ra electron tự do để bay về anode. Cathode được đặt nằm trong một cái phiễu hoặc một cái ống nhằm tập trung các electron lại thành một luồng hướng thẳng về phía anode, không cho chùm electron toé ra đồng thời 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 bộ phận tập trung, được nối liền với cathode. 2.1.1.2. Anode bóng 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 hình chữ nhật mỗi cạnh chỉ khoảng 2-4mm. Khi các electron bay đến đập vào anode làm cho anode làm cho anode nóng lên do đó nhiệt độ anode rất cao nên gương phản xạ thường làm bằng tungsten có độ nóng chảy khá cao, khoảng 3.350 độ. Khi chùm electron năng lượng cao bay đến và bị hãm bởi anode thì chỉ một phần nhỏ năng lượng biến thành tia X, chưa tới 1% năng lượng. Còn hơn 99% năng lượng biến thành nhiệt năng nung nóng anode. Do đó cần 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. - Giữ 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 bóng. Hiệu điện thế này càng cao thì vận tốc electron càng lớn, dẫn điện động năng của elctron càng lớn, động năng của electron được tính theo công thức: Ed  eU  mv 2 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 đã trình bày ở trên ta có: eU  hvg Hay: eU  h c g SVTH: Phạm Thị Kim Thanh (2.2) Trang 13 Luận văn tốt nghiệp Suy ra: Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực g  hc eU (2.3) Với: h = 6,626.10-34 Js c = 2,998.108 m/s Thay các giá trị vào ta được: g  12415 0 ( A) U (2.4) Từ biểu thức (2.4) ta thấy  giảm khi U tăng và ngược lại. 2.1.3. Phân loại bóng phát tia X Có nhiều cách để phân loại bóng phát tia X. Tuỳ thuộc vào phương pháp tạo electron tự do người ta phân biệt bóng phát ion và bóng phát điện tử: - Bóng phát ion là loại bóng có chứa khí loãng, với áp suất cỡ 10 -210-3mmHg. Khi đặt hiệu điện thế cao vào giữa anode và cathode, khí trong bóng bị ion hoá, các ion dương bắn vào cathode tạo ra electron tự do. - Bóng phát điện tử là loại bóng tạo ra các electron tự do bằng cách nung nóng cathode ở nhiệt độ cao. Loại bóng này có nhiều ưu điểm hơn bóng phát ion nên ống phát điện tử được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Tùy thuộc vào phương pháp tạo và giữ chân không, người ta phân biệt bóng phát hàn kín và bóng phát lắp ráp: - Trong bóng phát hàn kín chân không được tạo ra khi chế tạo, bóng được hàn kín sau khi tạo chân không nên độ chân không được giữ nguyên trong quá trình sử dụng. - Trong bóng phát lắp ráp chân không được tạo ra và duy trì nhờ hệ thống bơm chân không. Dựa vào hiệu suất của bóng người ta còn phân ra bóng có công suất lớn, công suất nhỏ hay công suất trung bình. Sau đây là một số loại ống phát tia X. 2.1.3.1 Bóng phát tia cố định có hai tiêu điểm Cathode của bóng có hai tiêu điểm, một tiêu điểm lớn và một tiêu điểm nhỏ, độ chân không của bóng rất cao. Hai tiêu điểm này hình chữ nhật dài 3x10 mm và 3x8 mm, được đặt nằm nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang của phim để làm cho hình chiếu lên phim thu bé lại. Nếu độ nghiêng là 700 thì hình quang học của tiêu điểm thực thu nhỏ lại một phần ba, nếu độ nghiêng là 800 thì hình quang học của tiêu điểm thực thu nhỏ lại một phần sáu. Hai tiêu điểm của cathode có độ nghiêng khác nhau để tăng hiệu lực lên. Tiêu điểm lớn được dung khi nào cần một công suất cao (ví dụ như chụp XQuang những bộ phận dày hay di động, cần chụp hình). Tiêu điểm nhỏ được dùng để chiếu và chụp những bộ phận tinh vi. SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 14 Luận văn tốt nghiệp Ứng dụng tia X trong các lĩnh vực Để đảm bảo cho bóng hoạt động ở chế độ điện áp cao mà vẫn có cách điện tốt, người ta đặt bóng trong võ kim loại, trong vỏ kim loại chứa đầy dầu. Dầu không chỉ có tác dụng cách điện mà còn có tác dụng làm mát cho bóng. Phía trong vỏ kim loại có một lớp chì mỏng dung để ngăn cản những tia X theo hướng không có lợi, tia X chỉ dược phát ra ở phía cửa sổ của bóng… Loại bóng này có anode cố định. Loại bóng này có ưu và nhược điểm sau: - Ưu điểm: Gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễ dàng di chuyển. - Nhược điểm: Chùm electron luôn đập vào một vị trí nhất định của anode nên làm cho vị trí đó ở anode có nhiệt độ rất cao và làm giảm tuổi thọ của bóng. 2.1.3.2 Bóng phát tia X có anode quay Để khắc phục nhược điểm của bóng phát tia X có anode cố định người ta chế tạo loại bóng có anode quay, bóng phát tia X có anode quay thõa mãn được hai yêu cầu: - Tăng được điện tích anode. - Trong quá trình quay bóng sẽ tự động làm mát. Hình 2.3: Sơ đồ ống phát tia X có anode quay Trong bóng phát tia X có anode quay thì anode có dạng như một cái dĩa úp sấp, bờ xung quanh vát nghiêng, có trục gắn với rotor của một động cơ điện và quay được nhờ vào từ trường quay do cuộn stator được đặt ngoài võ thủy tinh của bóng phát tia tạo nên. Lúc bóng làm việc thì anode xoay với vận tốc 50 vòng/s. Năng lượng mà anode phải chịu đựng được phân tán trên diện tích lớn, vì vậy mà sức chịu đựng của nó cao hơn bóng có anode cố định. Loại bóng này có ưu và nhược điểm sau: - Ưu điểm: Có dòng phát từ vài trăm đến vài ngàn mA, dòng phát tia này được tạo ra trong thời gian ngắn nên đảm bảo cho bóng phát tia làm việc được lâu dài hơn. - Nhược điểm: Phải lắp đặt cố định, phải có chế độ đảm bảo an toàn cao. 2.1.4 Công suất bức xạ của bóng phát tia X Bóng phát tia X có nhiều loại, tuỳ 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. Giã 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 : SVTH: Phạm Thị Kim Thanh Trang 15
- Xem thêm -