Tiểu luận Tìm hiểu về tia X và ứng dụng của tia X

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.01 MB, 46 trang )

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được bài tập lớn này, em xin bày tỏ lời cảm ơn
chân thành đến thầy giáo – T.S Bùi Đình Hợi đã tận tình, chu đáo giúp
đỡ em trong suốt quá trình em viết tiểu luận này.
Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô của khoa Vật Lý trường Đại Học Sư
Phạm Huế đã truyền cho em những vốn kiến thức trong suốt quá trình
em học tại trường. Vốn kiến thức đó không chỉ giúp em hoàn thành tốt
bài tập lớn này, mà còn là hành trang giúp em vững bước, tự tin hơn để
bước vào đời. Em cũng xin cảm ơn tất cả các bạn trong lớp và trong
khoa đã luôn đồng hành, giúp đỡ để em hoàn thành tốt.
Tuy đã cố gắng để hoàn thành tốt, nhưng tiểu luận này của em
cũng không tránh khỏi những sai sót, mong nhận được sự góp ý của
thầy.
Em xin chân thành cảm ơn!!!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đăng Nhật Thiện

A. PHẦN MỞ ĐẦU
1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người dần tiến bộ và hiện đại, kéo theo
đó là sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật. Các công trình nghiên cứu khoa học
mới lần lượt ra đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu của con người. Thời đại ngày nay –
thời đại của tầm cao trí tuệ, mọi sản phẩm sinh hoạt của con người đều là những ứng
dụng tinh tế của các phát minh khoa học.
Mỗi ngành khoa học đều có những ứng dụng cụ thể trong một số lĩnh vực nhất định.
Vật lý học là ngành đã cống hiến cho nhân loại những phát minh mà tác dụng của nó đối
với đời sống quả là không nhỏ. Vào những năm của thế kỉ XIX, với việc tìm ra tia X một
bức xạ có bước sóng ngắn hơn bước sóng tia tử ngoại, của nhà vật lý học người Đức nổi

tiếng thế giới Rơnghen (Wilhelm Conrad Roentgen) là sự khởi đầu của một sự thay đổi
mang tính cách mạng, trong nhận thức của chúng ta về thế giới vật chất.
Những ứng dụng tuyệt vời của tia X như trong y học là một bước ngoặt trong chuẩn
đoán và điều trị bệnh. Tia X còn được dùng trong công nghiệp như phân tích cấu trúc tinh
thể, hay trong nghiên cứu khoa học và còn nhiều lĩnh vực khác trong cuộc sống con
người. Trên đó là những lý do chọn đề tài của em.

2.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiểu lịch sử phát hiện, tính chất, cơ chế phát xạ, quang phổ, sự hấp thụ, tán xạ
của tia X và một số lĩnh vực ứng dụng quan trọng của nó.

3.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Chỉ tìm hiểu cơ chế phát xạ tia X qua các tài liệu và ứng dụng của nó trong lĩnh vực
y học, công nghiệp, an ninh, quốc phòng, sinh học, hội họa.

4.PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN
Sưu tầm, phân tích các tài liệu, sách báo và trên internet. Tổng hợp các kiến thức có
được để viết tiểu luận.

TIA X

2

5.CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
– Chọn đề tài.
– Tìm kiếm các tài liệu có liên quan đến đề tài, để lập đề cương và thông qua giáo viên
hướng dẫn.
– Tổng hợp các tài liệu và viết tiểu luận.
– Nộp tiểu luận và trao đổi với giảng viên hướng dẫn.

TIA X

3

B.NỘI DUNG
1. GIỚI THIỆU
1.1.LỊCH SỬ PHÁT HIỆN TIA X
Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng 3 năm 1845 – 10 tháng 2
năm 1923) sinh ra tại Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, là một nhà vật lý học, giám đốc
Viện Vật lý trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg.
Thế kỉ XIX là thời đại của ông. Thời đó, động cơ hơi nước được coi là phát minh
kiệt xuất của nhân loại, kế đó là những sáng chế như: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại…
Những môn khoa học cơ bản như: Toán, Lý, Hóa, Sinh… vẫn còn biệt lập nhau và cách
nhau rất xa. Những kiến thức lý thuyết còn phát triển chậm, cho nên nhà nghiên cứu
trước hết là nhà thực nghiệm giỏi.
Ở vào thời kỳ này, nhất là vào những năm 1890, các nhà vật lý tên tuổi đổ xô vào
tìm hiểu phát minh mới của Faraday và Hittorf và “Hiện tượng phóng điện trong không
khí loãng”. Tia điện khi đó là đề tài hấp dẫn, là “mốt” theo đuổi của nhiều nhà khoa học,
trong đó có Rơnghen.
Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học Tổng hợp
Wurtzbourg (cách Berlin 300 km về phía tây nam), Giám đốc Rơnghen “chong đèn” thâu
đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển trong ống chân không, còn gọi là ống
Crookes – Hittorf, (đó là tên của nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội đồng Hoàng Gia Anh và
sáng chế của Crookes đã ra đời cách ngày ấy 40 năm). Rơnghen có ý định làm lại các
bước thí nghiệm với ống chân không này.
Một trong những thiết bị mà Rơnghen rất chú ý đến là ống tia âm cực. Đó là một
ống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, được cung cấp điện áp cao thế từ
cuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ tạo ra sự phát sáng huỳnh

quang (phosphorescence) khi tác động bởi một chùm electron phát sinh từ âm cực.
Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh (trong đó có tráng
một lớp hỗn hợp phát quang). Khi bật công tắc điện thì màn chắn có chứa barium plation
– cyamit (ta thường gọi là Xyanuabari) đặt trước ống chân không bỗng phát ra thứ ánh
sáng xanh nhè nhẹ, nhưng sao nó lại có vẻ khác lạ so với tia điện chúng ta thường biết

TIA X

4

đến? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia biến mất. Ông kiểm tra lại nơi
phát sáng, tình cờ ông thấy tấm bìa tẩm platinocyanure de baryum ở đó. Ông suy đoán:
có thể từ chính cái ống crookes kia đã phát ra một cái gì đó, rồi chính nó lại kích thích
chất huỳnh quang trên màn hình. Rơnghen tự hỏi: Hay tấm bìa phát sáng? Hoặc một khúc
xạ nào đó của tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng? Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cách
thử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem sao. Rơnghen thốt lên: Lạ thật! Kết quả
vẫn như cũ. Ông dự đoán: có thể đây là một tia rất mới. Nó xuyên qua cả giấy đen.
Bà Bertha – người vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ đăm chiêu hơn mọi ngày.
Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ của chồng bị ngắt
quãng. Cả đêm hôm đó ông không thể chợp mắt được. Ông muốn lao sang phòng thí
nghiệm ngay tức khắc. Ông suy đoán miên man không sao ngủ được. Rồi đột nhiên, ông
thốt lên thành lời. Phải rồi! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng được khả năng xuyên
qua giấy đen của thứ tia mới lạ đó.
Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo ra tập
giấy ảnh mới mua. Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh. Rồi giao cho Marstaller –
nhân viên của phòng mang đi in thành ảnh. Chỉ ít phút sau đã thấy Marstaller quay trở lại,
anh tỏ ra ấp úng: “Tôi…tôi… trót mở tung gói giấy ra làm cho chúng đen lại”. Nhưng
Rơnghen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều. Ông quan sát kỹ hơn thì thấy: có in hình
chữ nhật và ở giữa là hình tròn tựa như chiếc nhẫn. Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy có

một tấm bìa cứng kích thước bằng đúng hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn của
ông. Ông chợt nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin và Gabriel (người Anh) 15 năm về trước
có lần nói đến một số tia lẫn trong tia điện. Phải chăng nó là đây? Nhưng sao suốt 15 năm
qua không ai tìm ra nó? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh. Rồi lại đặt lên bàn, tập
trung đến cao độ để giải thích hiện tượng này.
Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25
năm bà chưa bao giờ thấy ông ấy vui vẻ, rạng rỡ đến như thế.
Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhưng ông vẫn quyết định thử nghiệm lại một lần
nữa. Lần này, Rơnghen đưa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo các rèm cửa lại để làm
phòng tối. Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quang. Khi công tắc bật lên, tia lửa điện
xuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng. Rơnghen bịt ống nghiệm
bằng ống giấy, rồi chuyển màn hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ. Ngăn cách hẳn

TIA X

5

một cánh cửa gỗ, nhưng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy có yếu hơn trước đôi chút.
Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhưng đặt thêm một quyển sách khá dày trước màn
hình. Ông thận trọng bật công tắc. Chà! Kết quả vẫn không thay đổi. Ông mừng rỡ thật

TIA X

6

sự. Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn hình lên, tay kia đưa ngay vào tầm của
màn huỳnh quang. Thật là sửng sốt! Ông nhìn thấy những đốt xương bàn tay của chính
mình, cả đường gân và mạch máu. Thú vị thay là bộ xương ấy đang sống, nó chuyển

động theo sự điều khiển của ông. Rơnghen lại tiếp tục đưa vào những vật cản khác, bằng
nhiều chất liệu, cuối cùng ông rút ra kết luận: “Tia đặc biệt này có khả năng xuyên qua
giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm của cơ thể. Nhưng không đi qua được kim loại, nhất là
những kim loại có tỷ trọng lớn, không đi qua được một số bộ phận cơ thể, nhất là những
bộ phận có chứa nguyên tố nặng như xương. Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từ
trường, hay điện trường, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh”
Nhà phát minh bỗng cảm thấy cần phải chia sẻ với người vợ thân yêu của mình.
Ông đặt bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh. Ống nghiệm của ông thì để ở dưới gầm bàn.
Ông dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn. Thế là pô ảnh đầu tiên bằng
tia mới chưa kịp đặt tên đã được ông chụp cho chính bàn tay mềm mại của người vợ thân
yêu. Tấm ảnh chưa kịp khô, Rơnghen đã lấy ra cho vợ xem. Những đốt xương tay của bà
Bertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ nữa, chúng đều hiện
lên rõ mồn một. Hôm đó là ngày 22/12/1895.
Về sau này, người ta ca ngợi tấm hình “là bản chụp hình xương người đầu tiên trong
lịch sử y học”. Từ đây, nó giúp cho con người có thể thấy được cơ quan nội tạng của
mình mà trước đó không có cách gì thấy được. Thành công của Rơnghen làm mọi người
hết sức kinh ngạc.
Ngày 28/12/1895, ông mang nộp bản báo cáo học thuật đầu tiên về tia mới này cho
Học hội vật lý học và y học Wurtzbourg và cho in bản luận văn tên là “Bản báo cáo sơ bộ
về một loại tia mới”. Nội dung bài báo cũng được ông trình bày trong một buổi thuyết
trình của hội ngày 23/1/1896.
Thông tin về khám phá của Rơnghen truyền đi như vũ bão, nhanh chẳng kém gì thời
đại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước. Tháng 3/1896, những ứng
dụng y khoa đầu tiên được công bố. Một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằm
trong một bàn tay bị thương, một tấm khác, vết thương chưa lành ở chân…
Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một “máy chụp huỳnh quang” với
những tia X cực mạnh. Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải quan
cũng vào cuộc rất sớm), và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng trong năm

TIA X

7

1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này. Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp

TIA X

8

có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Antoine Henri Becquerel về những
tia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện tượng phóng xạ của ông,
được đọc ngày 2/3/1896 (theo một bài viết của J.J. Samueli trên trang web

BibNum).

Về lý thuyết, thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công trình quan trọng liên quan tới tia X
đáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện từ của các tia này (nhà bác học Max von
Laue), cũng như sự hiện diện của chúng trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tia
Gamma, là các sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím.
Năm 1901, Rơnghen là nhà vật lý học đầu tiên vinh dự nhận giải thưởng Nôben, với
việc tìm ra tia X hay tia Rơnghen làm chấn động cả thế giới, mở ra một thời đại mới cho
sự phát triển của khoa học – kĩ thuật.
Ngày nay, trên khắp thế giới, người ta không còn lạ gì với những tấm ảnh chụp các
bộ phận bên trong cơ thể, nhất là xương của những người bị tai nạn, nhằm tìm hiểu để
chữa trị thương tật ấy. Những người bị nghi là có bệnh phổi cũng thường được đưa đi
chụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v… Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học
(tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh tia X đầu tiên, được mở rộng sau
đó với những kỹ thuật vật lý khác (như ảnh cộng hưởng từ – Magnetic Resonance

Imaging, viết tắt là MRI), kết hợp với những kỹ thuật số hoá các kết quả đo đạc và khả
năng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử. Nhiều ứng dụng khác mở ra,
như các ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X… hoặc trong công nghiệp, ngành
chụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá những cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay những vết rạn
vỡ nằm sâu trong lòng máy móc…

1.2.TÍNH CHẤT CỦA TIA X
– Tia X không nhìn thấy được. Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc xạ, phân cực
và nhiễu xạ như ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được). Hệ số khúc xạ của tia X
gần bằng 1, cụ thể η = 1 − δ, trong đó δ ≈ 10−6 đối với kim loại.
– Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác như proton) bị hãm bởi một
vật chắn và trong quá trình tương tác giữa các bức xạ γ với vật chất
2

0

– Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 10 A. Người ta quy ước
chia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài (bức xạ mềm).
Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của các điện tử bị hãm

TIA X

9

+ Tia X đi xuyên qua được giấy, vải, gỗ, thậm chí cả kim loại nữa. Tia X dễ dàng đi
xuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại. Do
đó, người ta thường dùng chì để làm các màn chắn tia X. Tia X có bước sóng càng ngắn
thì càng xuyên sâu, tức là càng “cứng”.
+ Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý:

• Hiệu điện thế càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh.
• Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì
chùm tia X bị suy giảm càng nhiều.
• Trong cơ thể con người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa không
khí nên tia X dễ xuyên qua.
• Số lượng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đi qua bóng X
quang: cường độ dòng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều.
– Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh. Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị hấp thụ trong
lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác động lên phim ảnh cũng
yếu hơn. Làm ion hóa không khí.
+ Đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra được liều lượng tia X. Rọi vào
các vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật.
+ Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm biến
đổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh. Đặc tính này được
ứng dụng trong chụp phim X quang.
+ Người ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể. Tinh thể
bao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn toàn xác định. Do
ảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở thành các tâm phát sóng
cầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp. Các sóng cầu do các nguyên tử
phát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo hướng này nhưng lại tăng cường nhau
theo hướng khác.
– Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất. Tia X làm phát sáng chất huỳnh quang đặt
trong buồng tối.
– Tia X có tác dụng sinh lí mạnh.

TIA X

10

2. CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X
2.1 ĐỊNH NGHĨA
Tia X hay tia Rơnghen là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong khoảng
16

19

từ 0,01 đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ 3.10 Hz đến 3.10 Hz và năng
lượng từ 120 eV đến 120 keV. Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia
gamma.

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong lịch sử, máy phát tia X lần đầu tiên được sử dụng bởi W.C Rơnghen là một
ống ion (hay ống Hittorf-Crooks chứa đầy không khí ở áp suất thấp). Electron được sinh
ra do sự bắn phá ion ở cực cathode trong một điện thế cao và có sự phóng điện trong chất
khí. Electron được gia tốc trong ống điện thế tới anode và phát ra tia X.
Trong một ống tia X, electron được phát ra từ cathode và được gia tốc hướng về
anode trong một từ trường mạnh bằng một điện thế dương của anode đến cathode. Chúng
va chạm với bia anode, tương tác với các nguyên tử ở đây và mất dần năng lượng cho
một vài quá trình. Đầu tiên electron tới có thể chịu tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi lên
hạt nhân bia và có thể tán xạ ngược theo hướng ngược lại. Tán xạ đàn hồi trội hơn tán xạ
không đàn hồi, không liên quan với việc mất năng lượng. Chỉ có một phần nhỏ electron
tới trong tán xạ không đàn hồi được giảm tốc liên tục trong trường Coulomb mạnh của
hạt nhân và mất dần năng lượng. Quá trình này làm tăng phổ liên tục, cái mà được biết
đến như là một bức xạ hãm. Thứ hai, electron tới tương tác với electron của bia và truyền
năng lượng của nó qua electron bia này. Điểm chú ý của quá trình là ở chỗ va chạm xảy
ra sau với electron ngoài cùng với một năng lượng nhỏ hơn năng lượng mất ở các va
chạm này. Tuy nhiên, thỉnh thoảng một electron ở trong di chuyển ra khỏi quỹ đạo của nó
như là kết quả của một va chạm, vì thế nguyên tử biến thành ion. Ngay sau đó chỗ trống
trên quỹ đạo electron được lấp đầy, đồng thời phát ra một lượng tử đó là tia X.

2.3 CẤU TẠO CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỐNG TIA X
2.3.1 Cathode và anode
Ống phát tia X bao gồm 1 cathode và 1 anode đựng trong một bình chân không cao
-6

(10 Torr). Ống này cũng có thể được bịt kín hoặc tiếp tục được rút hơi. Cathode là dây
tóc được nung nóng (thường là Vofram) cung cấp dòng electron phát ra và anode thường

TIA X

11

được làm bằng kim loại: crom, đồng, môlipđen, vonfram, bạc, sắt, colban,…

TIA X

12

Hầu hết các ống phát tia X thiết kế tương tự với diode minh họa như hình 2.1 cho
ống cố định ứng dụng trong ngành nha khoa. Một electron phát ra do nung nóng được tập
trung trong điện cực Wehnelt (phát minh bởi nhà khoa học người Đức A.Wehnelt năm
1908), nó có khả năng tập trung electron vào bia anode. Bia này là đĩa Vonfram hoặc mạ
trên khối đồng để hấp thụ nhiệt trên bia. Những electron phát xạ được gia tốc trong điện
trường giữa cathode và anode. Trong thực tế, trường này được tạo ra bằng cách cung cấp
điện thế âm cho cathode và giữ anode tiếp đất, làm anode nguội dễ dàng hơn (như sự lưu
thông nước). Vỏ bọc thủy tinh của ống phải đáp ứng nhu cầu cách ly trong chân không
cũng như cao thế. Tia X được phát ra trực tiếp từ anode từ đó được chuyển ra ngoài qua

cửa sổ đặc biệt. Cửa sổ này được đặt sao cho tia X ra ngoài vuông góc với trục ống gọi là
bề mặt cửa sổ hình học. Trong ngành y, cửa sổ lối ra có thể là một phần của mặt kính bao
quanh như hình 2.1.
Cathode
Bộ phát-W

BiaAnode-

Vỏ thủy tinh

Cửa sổ tia X

Hình 2.1: Mô hình cửa sổ một bên của ống tia X cho ngành răng
Anode hình học đối ngẫu có thể thấy rõ trong những ống có cửa sổ một bên. Đó là
lớp mỏng của nguyên tố nhẹ bao phủ tấm bì làm từ nguyên tố nặng. Phụ thuộc vào giá trị
của điện thế cao, có 2 loại quang phổ có thể được quan sát với cùng một loại ống. Khi
điện thế gia tốc chậm, sự thâm nhập sâu của electron cũng ít nên tia X phần lớn phát ra
trên lớp nguyên tố nhẹ. Khi electron được gia tốc với cao thế, nó thâm nhập sâu vào lớp
thứ 2 của bia, quang phổ do nguyên tố nặng trong trường hợp này trội hơn.
Cửa sổ ra có thể được sắp xếp kiểu khác như trong hình 2.2. Ở đây, cathode có hình
0

vòng, góc tới 90 và cửa sổ thoát ra tương tự như ống trục. Thông thường, giống như cửa
sổ hình học cuối cho phép khoảng cách anode và cửa sổ nhỏ hơn (mẫu anode tương ứng).

TIA X

13

Hơn nữa, cathode và cửa sổ thường được tiếp đất trong khi anode có một điện thế dương
cao. Và kết quả là, electron tới anode đập vào cửa sổ sẽ bị triệt tiêu mạnh mẽ. Tuy nhiên

TIA X

14

việc thu hẹp khoảng cách giữa anode và cửa sổ vẫn còn hạn chế vì sự nguy hiểm của sự
phóng điện giữa anode và cửa sổ. Khi góc hấp thụ rộng sẽ hạn chế tối đa sự tự hấp thụ tia
X trên bia. Do đó ống kiểu này đặc biệt ứng dụng ở mức năng lượng thấp. Hơn nữa,
những ống này cho ra sự bức xạ quang phổ đẳng hướng. Mặt khác, khoảng cách nhỏ giữa
anode và cathode đặc trưng cho thiết kế ống cửa sổ cuối sẽ giới hạn giá trị cao thế,
thường không quá 60kV.
Trong bộ truyền qua anode của ống tia X bia là lớp mỏng hướng vào cửa sổ ra làm
bằng màng Beri. Electron phát tới đập thẳng góc bia rồi phát photon tới cửa số Beri theo
cùng một hướng. Thông thường, quang phổ liên tục phát ra bởi anode thì bị triệt tiêu phần
nào đó do sự hấp thụ ở lớp ngoài bia, đặc biệt là ở năng lượng thấp và trên mép hấp thụ
của dòng bị kích thích, vì vậy có thể đánh giá những ống này bằng sự chiếm bức xạ bên
trong, sự đóng góp thấp của bức xạ liên tục dẫn đến sự giảm nền bức xạ và do đó để tăng
giới hạn dò tìm trong ống phân tích huỳnh quang. Bia trong ống tia X gắn vào nguồn có
công suất thấp (<100W) bởi vì lá mỏng anode không thể chịu được tải nhiệt lớn.1.Chùm tia X6. Bộ vỏ ống2.Cửa sổ
7. Ống cách ly cho việc làm nguội

3.

Chùm

8. Phần kết nối với bộ phận làm nguội

electron 4.Cathode vòng

9. Phần kết nối với cao thế

5. Anode
Hình 2.2: Sơ đồ lối ra của một ống tia X trong phân tích huỳnh quang
Sự tản nhiệt trên anode là vấn đề chính trong việc thực hiện những ống điều tiêu
(ống điều khiển diện tích nhận được chùm điện tử) nhỏ khi giữ công suất lớn của ống. Tại
lần va chạm xiên đầu tiên, chỉ có thể tìm được vết điều tiêu nhỏ ở giá trị công suất nhỏ.
Có 2 phương pháp chuẩn để khắc phục:
– Phương pháp đầu tiên dựa trên sự điều tiêu quang học khác với điều tiêu điện trên
anode (hình 2.3). Trong hầu hết các ứng dụng (như chụp ảnh tia X, tổ hợp phù hợp với
0

quang học) chỉ có điều tiêu quang học là quan trọng nhất. Khi góc anode khoảng 6 ,
15

chiều dài của điều tiêu xấp xỉ nhỏ hơn 10 lần chiều dài thật của điều tiêu điện trên anode.
Ví dụ, ống tiêu điểm tốt có vết điều tiêu quang học khoảng 0.4mm x 0.8 mm, trong khi
kích thước vết tiêu thật trên anode vào khoảng 0.4mm x 8mm. Công suất của ống tiêu

0

điểm này có thể đạt tới 3kW. Tổng độ mở của tia X đi ra không vượt quá 10-12 .

Electron beam: chùm electron.
Optical spot: hội tụ quang.
Electron beam spot: hội tụ chùm electron.
Hình 2.3: Electron và vết tiêu quang học của 1 cực anode có góc α .
– Để có thể hoạt động ở công suất cao hơn cần phải sử dụng một mô hình với anode
quay (hình 2.4). Một anode dạng đĩa được gắn vào một roto mang một hệ thống quay
phụ. Một stato điều khiển roto bằng điện qua một trường quay được đặt bên ngoài ống
chân không. Quỹ đạo đường cong của dòng electron trên anode khi nó quay là đường
tròn, do đó tải nhiệt được phân phối ra ngoài nhiều hơn đáng kể so với ống điều tiêu. Tản
nhiệt ra ngoài từ anode được thực hiện hầu như bằng bức xạ và được phụ thêm bằng bộ
làm lạnh khí. Mật độ năng lượng đặc trưng cho các vết tiêu dạng thẳng cỡ khoảng 1mm x
2

2

2

10mm là 5-10 kW/mm, của vết tiêu với diện tích nhỏ hơn 1mm là 25 kW/mm với tần
số quay là 17000 vòng/phút. Nước được làm lạnh ở anode quay thoát ra trong hệ thống
riêng cho từng vật liệu nghiên cứu do đó cho phép tiếp tục hoạt động ở công suất cao.
Chùm tia electron
Vết tiêu
Quỹ đạo vết tiêu
Anode
Ổ bi
Roto

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của anode cực quay

2.3.2 Công nghệ và thiết kế cathode
Thông thường, dòng phát ra trong ống tia X được điều khiển bởi nhiệt độ của
cathode, nó phụ thuộc giá trị của dòng trong dây tóc. Điều quan trọng đó là kích cỡ của
chuẩn trực không phụ thuộc vào dòng anode trên khoảng 500:1 và điện thế gia tốc vượt
quá tỉ lệ 3:1.
Việc điều khiển dòng phát ra thông qua nhiệt độ cathode đòi hỏi bức xạ với tải nhiệt
thấp trong khoảng thời gian không đổi trong giới hạn mili giây (ms). Điều này có thể
được thực hiện theo cách đơn giản là dùng dây và lá Vonfram mỏng. Phụ thuộc vào kích
thước của chuẩn trực mà nguồn phát được dùng là dạng cuộn, xoắn ốc, ống sợi tóc, vòng,
hoặc lá phẳng ngoằn ngoèo (hình 2.5).
Như đã thấy ở hình 2.6, hoạt động của nguồn bức xạ chỉ có thể ở vài giới hạn nào
đó. Khi dòng qua dây tóc nhỏ (dưới ngưỡng giá trị ) thì không có sự phát xạ. Khi dòng
qua dây tóc lớn thì dòng phát ra tới anode bị bão hòa. Giá trị bão hòa phụ thuộc vào cao
thế được cung cấp. Nhiệt độ của nguồn phát có thể đạt được dưới giới hạn cho phép là
0

2300 C. Ở nhiệt độ này thì hiệu ứng bay hơi kim loại có thể xảy ra, vì vậy thời gian hoạt
động tốt nhất giới hạn từ 30-50h. Đây là lý do mà cathode được bật lên chỉ trong vài giây
ở nhiệt độ cao như vậy. Dòng anode cũng phụ thuộc vào giá trị cao thế do hiệu ứng che
chắn cục bộ của không gian điện tích.
Loại dây Vonfram

Loại dải Vonfram

Lá phẳng ngoằn ngoèo

Dạng lò xo

Xoắn
Dạng
Vòng
ốc
sợi tóc tròn
Hình 2.5: Các loại nguồn phát bức xạ khác nhau của cathode

Dòng
điện anode IA

Dòng điện dây tóc IH

Hình 2.6: Dòng anode là hàm của dòng qua dây tóc với tham số là hiệu điện thế anode.

Cấu trúc nguồn phát phẳng và mỏng được ghép uốn khúc được dùng cho những ống
có điện thế anode thấp và chuẩn trực nhỏ (<0.3mm). Lý do là nó sẽ có tính chất điều tiêu
tốt hơn so với bề mặt phẳng. Hơn nữa, có thể cho ra dòng phát xạ tương đối cao ở nhiệt
độ cathode thấp.
Điện cực Wehnelt được sử dụng để điều khiển những electron ở lân cận dây tóc và
phát electron theo đúng hướng. Hiện nay loại điện cực Wehnelt nói chung được xác định
thông qua tính toán thích hợp của máy tính.
2.3.3 Công nghệ và thiết kế anode
Như đã đề cập ở trên, một anode chuẩn gồm 1 bia mỏng được gắn vào trong một
khối đồng lớn (hình 2.1), bia thường làm bằng đồng, môlipđen, vonfram cũng có thể
dùng những kim loại khác như: Mg, Al, Cr, Fe, Ni, Rh, Ag.

Helical emitter: phát xoắn ốc
Wehnelt electronic: điện cực Wehnelt (Wehnelt tên nhà khoa học người Đức),

có điện thế bằng điện thế cathode.
Hình 2.7 : Sơ đồ thiết kế cathode. Liều lượng phân phối theo bề rộng vết tiêu.
Công nghệ anode quay ngày càng phức tạp. Anode quay Vonfram thì được sản xuất
trên cơ sở chuẩn luyện kim bột. Hạn chế của công nghệ này là sự mài mòn bề mặt do sự
nén cơ nhiệt cao. Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng cường độ tia X và gây
nên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng. Ở đây, một phần bức xạ trong những lớp sâu hơn
của anode bị hấp thụ trước khi rời khỏi anode. Thêm vào đó là sự biến dạng cơ học xảy ra
có thể phá hủy anode. Vì đặc trưng nhiệt của Vonfram tương đối thấp, khả năng lưu trữ
nhiệt đối với trọng lượng khả dụng của anode thì cũng nhỏ, do đó nhiệt độ cao của anode
đạt được ở phụ tải tương đối thấp.

Công nghệ nâng cao dựa trên nguyên liệu hỗn hợp Reni(Re)-Vofram-Môlipđen
(RTM). Sơ đồ cắt ngang của anode RTM biểu diễn trong hình 2.8. Ở đây ta có hỗn hợp
10% Re trong W bề dày 1-2mm bao phủ được gắn vào. Điều này cải thiện hiệu quả tính
chất đàn hồi của anode và làm giảm đáng kể tính chất cọ xát. Trộn lẫn vài phần trăm Ti
và Zr (anode TZM) trong thanh Mo+W gần như gấp đôi khả năng tích trữ nhiệt của
anode, với trọng lượng và momen quán tính đã cho.
Một giải pháp tối ưu để điều khiển khả năng tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt có thể đạt
được trong một anode giới nội với tấm than chì (hình 2.9). Với anode nhiệt, tấm RTM
6

được hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống được sản xuất với trọng tải lớn hơn 3.10 J hoạt
động tại công suất nhiệt trung bình 4 kW.

Hình 2.8: Mặt cắt của một anode RTM

Hình 2.9: Mặt cắt của một anode RTM – than chì
2.3.4 Vỏ chân không của ống tia X
Các thành phần nêu trên của một ống tia X được đặt trong một vỏ ống với hai mục

đích chính: cách ly chân không và cách điện. Các vật liệu thường được sử dụng để làm vỏ
ống là thủy tinh, kim loại và gốm.
Ống thủy tinh
Các vật liệu chủ yếu được sử dụng để làm ống là thủy tinh. Các yêu cầu chính của
các loại thủy tinh phù hợp là điện trở đặc biệt cao, nồng độ chất điện môi tốt và khả năng
chịu được sự thay đổi nhiệt độ. Thủy tinh borosilicat có đủ những yêu cầu này. Ngoài ra,

thủy tinh này có thể được trộn với hợp kim Ni-CO-Fe (Vacon hoặc Kovar) để đảm bảo
chỗ tiếp xúc điện là cần thiết. Vì thủy tinh bọc ngoài là chất cách ly điện áp cao giữa
anode và cathode, nó phẳng và dễ dàng làm sạch bề mặt cũng là một lợi thế quan trọng.
Ống kim loại thủy tinh
Giữa anode và cathode là chất tải cao. Lớp kim loại mỏng trên ống thủy tinh ảnh
hưởng đến khả năng của chất điện môi. Để tránh hiện tượng này và tăng tuổi thọ của ống,
các bộ phận trong ống thủy tinh được làm bằng kim loại để tạo ra điện thế xác định.
Ngoài ra, một phần nhỏ trong số các điện tử thứ cấp từ anode có thể được bỏ qua phần
giữa anode và cathode. Bằng cách này, một phần bức xạ vượt ra ngoài tiêu điểm có thể
được giảm.
Ống kim loại – gốm
Ống tia X kim loại – gốm đã được sử dụng từ những năm 1960. Những đặc trưng để
phân biệt chúng là ở chỗ sử dụng vật liệu gốm thay thế cho thủy tinh vì là chất cách điện
cao. Ống kim loại – gốm có một số ưu thế hơn ống thủy tinh chuẩn. Nói cụ thể, gốm cho
phép xử lý cơ học dễ dàng hơn: cắt và khoan là có thể. Vỏ gốm có thể được sản xuất với
độ chính xác cao hình dạng của chúng. Kết quả là vỏ chân không có hình dạng tự do. Các
bộ phận kim loại của ống có thể được nối chặt trong chân không bằng chất cách điện là
gốm. Độ dẫn điện mặt ngoài của gốm thấp, với khoảng cách ngắn không cho điện áp cao
đi qua. Gốm cách điện đã cải thiện được vị trí của vết tiêu. Đặc và thiết kế vững chắc,
giảm khối lượng, tăng tuổi thọ là những lợi ích của ống tia X bằng gốm.

2.4 CƠ CHẾ TẠO THÀNH TIA X

Tia X được tạo ra do các electron chuyển động có động năng lớn khi đập vào đối
âm cực của một kim loại có khối lượng riêng lớn, nó dễ xuyên vào bên trong của vỏ
nguyên tử. Điều này không thể thực hiện đối với những kim loại nhẹ, electron tới tương
tác với hạt nhân và các electron ở lớp vỏ nguyên tử. Sự tương tác này làm xuất hiện dao
động của hạt các hạt mang điện trong nguyên tử. Dao động của hạt các hạt mang điện
trong nguyên tử tạo ra điện trường biến thiên, từ đó sinh ra sóng điện từ lan truyền trong
không gian. Sóng này có tính chất giống sóng ánh sáng (một chùm tia sáng của dòng hạt
photon), vì thế ta gọi sóng đó là sóng Rơnghen.
Ngày trước, người ta tạo ra tia X bằng ống Rơnghen, sau này người ta hay dùng ống
Coolidge.

2.4.1 Ống Rơnghen
• Cấu tạo
Ống Rơnghen là một bình cầu (chứa khí áp suất thấp – gọi là khí kém) bên trong có
ba cực (hình 2.10).
– Cathode có dạng chõm cầu có tác dụng làm các electron bật ra tập trung tại tâm của bình
cầu.
– Anode là điện cực dương ở phía đối diện với cathode ở thành bình bên kia.
– Đối cathode là một điện cực (thường được nối với anode). Ở bề mặt của đối cathode là
một kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy.
• Hoạt động
Đặt giữa anode và cathode một hiệu điện thế không đổi (khoảng vài chục kV) thì
electron bứt ra từ cathode được tăng tốc rất nhanh. Khi đập vào đối âm cực, các electron
bị đột ngột hãm lại và làm phát ra tia X. Người ta gọi tia X là bức xạ hãm.

Hình 2.10: Ống Rơnghen
2.4.2 Ống Coolidge
• Cấu tạo
Ban đầu, ống Coolidge có dạng một bình hình cầu bên trong là chân không và có

hai điện cực (hình 2.11).
– Cathode là một chõm cầu có tác dụng làm tập trung các electron về phía tâm của bình
cầu. Một dây tim để nung nóng cathode (để cathode phát ra electron) được cấp điện nhờ
một nguồn điện riêng.
– Anode là điện cực dương. Bề mặt của anode là một lớp kim loại có nguyên tử lượng lớn
và khó nóng chảy. Để giải nhiệt cho anode người ta đôi khi cũng chế tạo sao cho có thể
đưa một dòng nước chảy luồn bên trong anode.

• Hoạt động
Khi đặt một hiệu điện thế (xoay chiều hoặc một chiều) vào hai cực của ống
Coolidge thì electron được tăng tốc mạnh và đến đập vào anode, xuyên sâu vào lớp vỏ
nguyên tử của chất làm anode, tương tác với các lớp electron ở các lớp trong cùng làm
phát ra tia X. Hiệu điện thế ở hai cực của ống Coolidge từ vài chục kV đến khoảng
120kV

Hình 2.11: Ống Coolidge

3. QUANG PHỔ TIA X
Khi bắn chùm electron có năng lượng cao vào nguyên tố bia, các electron tương tác
với quỹ đạo của electron trong nguyên tử của nguyên tố bia theo hiệu ứng quang điện, tạo
ra các tia X đặc trưng, ngoài ra do chùm electron giảm tốc độ dần khi đập vào nguyên tố
bia nên bức xạ liên tục hình thành đồng thời với các tia X đặc trưng.

3.1 PHỔ LIÊN TỤC CỦA TIA X

Hình 3.1: Phân bố theo bước sóng của các tia X tạo thành khi chùm các electron có năng
lượng 35keV đập vào một bia môlipđen. Chú ý các cực đại nhọn nổi bật lên trên một
-12

phông liên tục (1pm = 10 m)
Ở đây ta xét phổ liên tục cho trên hình 3.1 và tạm thời chưa xét đến hai cực đại
nhọn nổi bật trên đó. Nếu các electron tới được gia tốc qua hiệu điện thế V thì động năng
của chúng khi đập vào bia sẽ là eV. Vì các electron này được đưa vào nằm yên trong bia,
nên chúng ta xem rằng ở đây có mặt các electron với tất cả động năng từ 0 tới eV. Ta hãy
xét một electron có động năng K nằm trong vùng này và đi gần qua hạt nhân của một
nguyên tử môlipđen nằm trong bia, như được cho trên hình 3.2. Electron này có thể mất
một phần động năng

∆K để

chuyển thành năng lượng của photon tia X được phát ra từ

nơi va chạm. Tất cả các electron có động năng nằm trong khoảng từ 0 đến eV đều phải
chịu quá trình bức xạ hãm đó và do vậy đều đóng góp cho phổ tia X liên tục.

Hình 3.2: Khi một electron đi gần qua hạt nhân của nguyên tử bia, nó có thể phát photon
tia X và mất một phần động năng của mình trong quá trình đó.
Nét nổi bật của phổ liên tục trên hình 3.1 là có một bước sóng giới hạn rất xác định
λmin, dưới giá trị đó phổ liên tục không tồn tại. Bước sóng cực tiểu này tương ứng với sự

va chạm trong đó một trong số các electron tới với động năng ban đầu eV mất toàn bộ
năng lượng của mình trong một va chạm duy nhất và phát ra một photon tia X. Do đó:
eV = hυ

= hc

λmin

hay λ min =

hc
(bước sóng giới hạn)
e
V

Bước sóng giới hạn hoàn toàn độc lập với vật liệu bia. Nếu bạn dùng bia đồng thay
cho môlipđen chẳng hạn, thì tất cả các đặc điểm của phổ tia X cho trên hình 3.1 sẽ thay
đổi, trừ bước sóng giới hạn.

Hình 3.3: Phổ tia X liên tục của một số bia kim loại với năng lượng 10keV

tiếng quốc tế Rơnghen ( Wilhelm Conrad Roentgen ) là sự khởi đầu của một sự thay đổimang tính cách mạng, trong nhận thức của tất cả chúng ta về quốc tế vật chất. Những ứng dụng tuyệt vời của tia X như trong y học là một bước ngoặt trong chuẩnđoán và điều trị bệnh. Tia X còn được dùng trong công nghiệp như nghiên cứu và phân tích cấu trúc tinhthể, hay trong nghiên cứu và điều tra khoa học và còn nhiều nghành khác trong đời sống conngười. Trên đó là những nguyên do chọn đề tài của em. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀITìm hiểu lịch sử dân tộc phát hiện, đặc thù, chính sách phát xạ, quang phổ, sự hấp thụ, tán xạcủa tia X và 1 số ít nghành nghề dịch vụ ứng dụng quan trọng của nó. 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀIChỉ tìm hiểu và khám phá chính sách phát xạ tia X qua những tài liệu và ứng dụng của nó trong lĩnh vựcy học, công nghiệp, bảo mật an ninh, quốc phòng, sinh học, hội họa. 4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆNSưu tầm, nghiên cứu và phân tích những tài liệu, sách báo và trên internet. Tổng hợp những kỹ năng và kiến thức cóđược để viết tiểu luận. TIA X5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI – Chọn đề tài. – Tìm kiếm những tài liệu có tương quan đến đề tài, để lập đề cương và trải qua giáo viênhướng dẫn. – Tổng hợp những tài liệu và viết tiểu luận. – Nộp tiểu luận và trao đổi với giảng viên hướng dẫn. TIA XB.NỘI DUNG1. GIỚI THIỆU1. 1. LỊCH SỬ PHÁT HIỆN TIA XWilhelm Conrad Roentgen ( Rơnghen ) ( 27 tháng 3 năm 1845 – 10 tháng 2 năm 1923 ) sinh ra tại Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, là một nhà vật lý học, giám đốcViện Vật lý trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg. Thế kỉ XIX là thời đại của ông. Thời đó, động cơ hơi nước được coi là phát minhkiệt xuất của quả đât, kế đó là những sáng tạo như : xe đạp điện, máy quay đĩa, điện thoại thông minh … Những môn khoa học cơ bản như : Toán, Lý, Hóa, Sinh … vẫn còn khác biệt nhau và cáchnhau rất xa. Những kỹ năng và kiến thức kim chỉ nan còn tăng trưởng chậm, vì vậy nhà nghiên cứutrước hết là nhà thực nghiệm giỏi. Ở vào thời kỳ này, nhất là vào những năm 1890, những nhà vật lý tên tuổi đổ xô vàotìm hiểu ý tưởng mới của Faraday và Hittorf và “ Hiện tượng phóng điện trong khôngkhí loãng ”. Tia điện khi đó là đề tài mê hoặc, là “ mốt ” theo đuổi của nhiều nhà khoa học, trong đó có Rơnghen. Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học Tổng hợpWurtzbourg ( cách Berlin 300 km về phía tây nam ), Giám đốc Rơnghen “ chong đèn ” thâuđêm mải mê nghiên cứu và điều tra dòng điện luân chuyển trong ống chân không, còn gọi là ốngCrookes – Hittorf, ( đó là tên của nhà vật lý kiêm quản trị Hội đồng Hoàng Gia Anh vàsáng chế của Crookes đã sinh ra cách ngày ấy 40 năm ). Rơnghen có dự tính làm lại cácbước thí nghiệm với ống chân không này. Một trong những thiết bị mà Rơnghen rất chú ý quan tâm đến là ống tia âm cực. Đó là mộtống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, được phân phối điện áp cao thế từcuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ tạo ra sự phát sáng huỳnhquang ( phosphorescence ) khi ảnh hưởng tác động bởi một chùm electron phát sinh từ âm cực. Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh ( trong đó có trángmột lớp hỗn hợp phát quang ). Khi bật công tắc nguồn điện thì màn chắn có chứa barium plation – cyamit ( ta thường gọi là Xyanuabari ) đặt trước ống chân không bỗng phát ra thứ ánhsáng xanh nhè nhẹ, nhưng sao nó lại có vẻ như khác lạ so với tia điện tất cả chúng ta thường biếtTIA Xđến ? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia biến mất. Ông kiểm tra lại nơiphát sáng, vô tình ông thấy tấm bìa tẩm platinocyanure de baryum ở đó. Ông suy đoán : hoàn toàn có thể từ chính cái ống crookes kia đã phát ra một cái gì đó, rồi chính nó lại kích thíchchất huỳnh quang trên màn hình hiển thị. Rơnghen tự hỏi : Hay tấm bìa phát sáng ? Hoặc một khúcxạ nào đó của tia điện ? Hay ống nghiệm phát sáng ? Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cáchthử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem sao. Rơnghen thốt lên : Lạ thật ! Kết quảvẫn như cũ. Ông Dự kiến : hoàn toàn có thể đây là một tia rất mới. Nó xuyên qua cả giấy đen. Bà Bertha – người vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ như đăm chiêu hơn mọi ngày. Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, quan ngại dòng tâm lý của chồng bị ngắtquãng. Cả đêm hôm đó ông không hề chợp mắt được. Ông muốn lao sang phòng thínghiệm ngay tức khắc. Ông suy đoán miên man không sao ngủ được. Rồi đùng một cái, ôngthốt lên thành lời. Phải rồi ! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng được năng lực xuyênqua giấy đen của thứ tia mới lạ đó. Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo ra tậpgiấy ảnh mới mua. Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh. Rồi giao cho Marstaller – nhân viên cấp dưới của phòng mang đi in thành ảnh. Chỉ ít phút sau đã thấy Marstaller quay trở lại, anh tỏ ra ấp úng : “ Tôi … tôi … trót mở tung gói giấy ra làm cho chúng đen lại ”. NhưngRơnghen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều. Ông quan sát kỹ hơn thì thấy : có in hìnhchữ nhật và ở giữa là hình tròn trụ tựa như chiếc nhẫn. Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy cómột tấm bìa cứng size bằng đúng hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn củaông. Ông chợt nhớ lại : Hai nhà khoa học Kelvin và Gabriel ( người Anh ) 15 năm về trướccó lần nói đến một số ít tia lẫn trong tia điện. Phải chăng nó là đây ? Nhưng sao suốt 15 nămqua không ai tìm ra nó ? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh. Rồi lại đặt lên bàn, tậptrung đến cao độ để lý giải hiện tượng kỳ lạ này. Bà Bertha kể lại rằng : Trong suốt thời hạn chung sống với nhau, khoảng chừng gần 25 năm bà chưa khi nào thấy ông ấy vui tươi, rạng rỡ đến như vậy. Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhưng ông vẫn quyết định hành động thử nghiệm lại một lầnnữa. Lần này, Rơnghen đưa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo những rèm cửa lại để làmphòng tối. Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quang. Khi công tắc nguồn bật lên, tia lửa điệnxuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng. Rơnghen bịt ống nghiệmbằng ống giấy, rồi chuyển màn hình hiển thị quay trở lại phòng thí nghiệm cũ. Ngăn cách hẳnTIA Xmột cánh cửa gỗ, nhưng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy có yếu hơn trước đôi chút. Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhưng đặt thêm một quyển sách khá dày trước mànhình. Ông thận trọng bật công tắc nguồn. Chà ! Kết quả vẫn không biến hóa. Ông hoan hỉ thậtTIA Xsự. Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn hình hiển thị lên, tay kia đưa ngay vào tầm củamàn huỳnh quang. Thật là sửng sốt ! Ông nhìn thấy những đốt xương bàn tay của chínhmình, cả đường gân và mạch máu. Thú vị thay là bộ xương ấy đang sống, nó chuyểnđộng theo sự tinh chỉnh và điều khiển của ông. Rơnghen lại liên tục đưa vào những vật cản khác, bằngnhiều vật liệu, ở đầu cuối ông rút ra Tóm lại : “ Tia đặc biệt quan trọng này có năng lực xuyên quagiấy, gỗ, vải, cao su đặc, ứng dụng của khung hình. Nhưng không đi qua được sắt kẽm kim loại, nhất lànhững sắt kẽm kim loại có tỷ trọng lớn, không đi qua được một số ít bộ phận khung hình, nhất là nhữngbộ phận có chứa nguyên tố nặng như xương. Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng tác động bởi từtrường, hay điện trường, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh ” Nhà ý tưởng bỗng cảm thấy cần phải san sẻ với người vợ thân yêu của mình. Ông đặt bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh. Ống nghiệm của ông thì để ở dưới gầm bàn. Ông dặn vợ : đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn. Thế là pô ảnh tiên phong bằngtia mới chưa kịp đặt tên đã được ông chụp cho chính bàn tay mềm mại và mượt mà của người vợ thânyêu. Tấm ảnh chưa kịp khô, Rơnghen đã lấy ra cho vợ xem. Những đốt xương tay của bàBertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ nữa, chúng đều hiệnlên rõ mồn một. Hôm đó là ngày 22/12/1895. Về sau này, người ta ca tụng tấm hình “ là bản chụp hình xương người tiên phong tronglịch sử y học ”. Từ đây, nó giúp cho con người hoàn toàn có thể thấy được cơ quan nội tạng củamình mà trước đó không có cách gì thấy được. Thành công của Rơnghen làm mọi ngườihết sức kinh ngạc. Ngày 28/12/1895, ông mang nộp bản báo cáo giải trình học thuật tiên phong về tia mới này choHọc hội vật lý học và y học Wurtzbourg và cho in bản luận văn tên là “ Bản báo cáo sơ bộvề một loại tia mới ”. Nội dung bài báo cũng được ông trình diễn trong một buổi thuyếttrình của hội ngày 23/1/1896. tin tức về mày mò của Rơnghen truyền đi như vũ bão, nhanh chẳng kém gì thờiđại Internet, mặc dầu đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước. Tháng 3/1896, những ứngdụng y khoa tiên phong được công bố. Một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằmtrong một bàn tay bị thương, một tấm khác, vết thương chưa lành ở chân … Tháng 6/1896, Thomas Edison ( Mỹ ) tiếp thị một “ máy chụp huỳnh quang ” vớinhững tia X cực mạnh. Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X ( cả ngành hải quancũng vào cuộc rất sớm ), và công bố thoáng rộng hiệu quả trên báo chí truyền thông : chỉ riêng trong nămTIA X1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này. Riêng Hàn lâm viện khoa học PhápTIA Xcó 108 thông tin, trong đó phải kể tới thông tin của Antoine Henri Becquerel về nhữngtia vô hình dung từ những vật thể lân quang, miêu tả mày mò hiện tượng kỳ lạ phóng xạ của ông, được đọc ngày 2/3/1896 ( theo một bài viết của J.J. Samueli trên trang webBibNum ). Về triết lý, thế kỷ 20 tận mắt chứng kiến nhiều khu công trình quan trọng liên quan tới tia Xđáng kể nhất là tò mò ra thực chất sóng điện từ của những tia này ( nhà bác học Max vonLaue ), cũng như sự hiện hữu của chúng trong tự nhiên : tia X cùng thực chất với những tiaGamma, là những sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím. Năm 1901, Rơnghen là nhà vật lý học tiên phong vinh dự nhận phần thưởng Nôben, vớiviệc tìm ra tia X hay tia Rơnghen làm chấn động cả quốc tế, mở ra một thời đại mới chosự tăng trưởng của khoa học – kĩ thuật. Ngày nay, trên khắp quốc tế, người ta không còn lạ gì với những tấm ảnh chụp cácbộ phận bên trong khung hình, nhất là xương của những người bị tai nạn thương tâm, nhằm mục đích tìm hiểu và khám phá đểchữa trị thương tật ấy. Những người bị nghi là có bệnh phổi cũng thường được đưa đichụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v … Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học ( tiếng Anh : medical imaging ) sinh ra từ những tấm ảnh tia X tiên phong, được lan rộng ra sauđó với những kỹ thuật vật lý khác ( như ảnh cộng hưởng từ – Magnetic ResonanceImaging, viết tắt là MRI ), phối hợp với những kỹ thuật số hoá những tác dụng đo đạc và khảnăng giải quyết và xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử. Nhiều ứng dụng khác mở ra, như những ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X … hoặc trong công nghiệp, ngànhchụp ảnh kỹ nghệ tia X để tò mò những cấu trúc vật tư cực nhỏ, hay những vết rạnvỡ nằm sâu trong lòng máy móc … 1.2. TÍNH CHẤT CỦA TIA X – Tia X không nhìn thấy được. Chúng Viral theo đường thẳng, bị khúc xạ, phân cựcvà nhiễu xạ như ánh sáng thường ( ánh sáng nhìn thấy được ). Hệ số khúc xạ của tia Xgần bằng 1, đơn cử η = 1 − δ, trong đó δ ≈ 10 − 6 so với sắt kẽm kim loại. – Tia X Open khi những điện tử ( hoặc những hạt mang điện khác như proton ) bị hãm bởi mộtvật chắn và trong quy trình tương tác giữa những bức xạ γ với vật chất – Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 10 A. Người ta quy ướcchia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn ( bức xạ cứng ) và loại sóng dài ( bức xạ mềm ). Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo vận tốc của những điện tử bị hãmTIA X + Tia X đi xuyên qua được giấy, vải, gỗ, thậm chí còn cả sắt kẽm kim loại nữa. Tia X thuận tiện đixuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại. Dođó, người ta thường dùng chì để làm những màn chắn tia X. Tia X có bước sóng càng ngắnthì càng xuyên sâu, tức là càng “ cứng ”. + Tia X hoàn toàn có thể xuyên qua những tạng của khung hình theo nguyên tắc : • Hiệu điện thế càng cao thì năng lực đâm xuyên càng mạnh. • Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thìchùm tia X bị suy giảm càng nhiều. • Trong khung hình con người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa khôngkhí nên tia X dễ xuyên qua. • Số lượng tia X tạo ra tỷ suất thuận với cường độ của dòng điện đi qua bóng Xquang : cường độ dòng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều. – Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh. Bức xạ cứng ( sóng ngắn ) bị hấp thụ tronglớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm ( sóng dài ) thế cho nên ảnh hưởng tác động lên phim ảnh cũngyếu hơn. Làm ion hóa không khí. + Đo mức độ ion hóa của không khí hoàn toàn có thể suy ra được liều lượng tia X. Rọi vàocác vật chất, đặc biệt quan trọng là sắt kẽm kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật. + Khi đi qua khung hình, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm biếnđổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh. Đặc tính này đượcứng dụng trong chụp phim X quang. + Người ta hoàn toàn có thể nghiên cứu và phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua những tinh thể. Tinh thểbao gồm những nguyên tử sắp xếp trong khoảng trống theo một trật tự trọn vẹn xác lập. Doảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở thành những tâm phát sóngcầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp. Các sóng cầu do những nguyên tửphát ra giao thoa nhau : chúng triệt tiêu nhau theo hướng này nhưng lại tăng cường nhautheo hướng khác. – Tia X có tính năng làm phát quang nhiều chất. Tia X làm phát sáng chất huỳnh quang đặttrong buồng tối. – Tia X có công dụng sinh lí mạnh. TIA X102. CƠ CHẾ PHÁT XẠ CỦA TIA X2. 1 ĐỊNH NGHĨATia X hay tia Rơnghen là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong khoảng1619từ 0,01 đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ 3.10 Hz đến 3.10 Hz và nănglượng từ 120 eV đến 120 keV. Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tiagamma. 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾTTrong lịch sử dân tộc, máy phát tia X lần tiên phong được sử dụng bởi W.C Rơnghen là mộtống ion ( hay ống Hittorf-Crooks chứa đầy không khí ở áp suất thấp ). Electron được sinhra do sự bắn phá ion ở cực cathode trong một điện thế cao và có sự phóng điện trong chấtkhí. Electron được tần suất trong ống điện thế tới anode và phát ra tia X.Trong một ống tia X, electron được phát ra từ cathode và được tần suất hướng vềanode trong một từ trường mạnh bằng một điện thế dương của anode đến cathode. Chúngva chạm với bia anode, tương tác với những nguyên tử ở đây và mất dần năng lượng chomột vài quy trình. Đầu tiên electron tới hoàn toàn có thể chịu tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi lênhạt nhân bia và hoàn toàn có thể tán xạ ngược theo hướng ngược lại. Tán xạ đàn hồi trội hơn tán xạkhông đàn hồi, không tương quan với việc mất năng lượng. Chỉ có một phần nhỏ electrontới trong tán xạ không đàn hồi được giảm tốc liên tục trong trường Coulomb mạnh củahạt nhân và mất dần năng lượng. Quá trình này làm tăng phổ liên tục, cái mà được biếtđến như thể một bức xạ hãm. Thứ hai, electron tới tương tác với electron của bia và truyềnnăng lượng của nó qua electron bia này. Điểm quan tâm của quy trình là ở chỗ va chạm xảyra sau với electron ngoài cùng với một năng lượng nhỏ hơn năng lượng mất ở những vachạm này. Tuy nhiên, nhiều lúc một electron ở trong chuyển dời ra khỏi quỹ đạo của nónhư là tác dụng của một va chạm, cho nên vì thế nguyên tử biến thành ion. Ngay sau đó chỗ trốngtrên quỹ đạo electron được lấp đầy, đồng thời phát ra một lượng tử đó là tia X. 2.3 CẤU TẠO CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỐNG TIA X2. 3.1 Cathode và anodeỐng phát tia X gồm có 1 cathode và 1 anode đựng trong một bình chân không cao-6 ( 10 Torr ). Ống này cũng hoàn toàn có thể được bịt kín hoặc liên tục được rút hơi. Cathode là dâytóc được nung nóng ( thường là Vofram ) cung ứng dòng electron phát ra và anode thườngTIA X11được làm bằng sắt kẽm kim loại : crom, đồng, môlipđen, vonfram, bạc, sắt, colban, … TIA X12Hầu hết những ống phát tia X phong cách thiết kế tương tự như với diode minh họa như hình 2.1 choống cố định và thắt chặt ứng dụng trong ngành nha khoa. Một electron phát ra do nung nóng được tậptrung trong điện cực Wehnelt ( ý tưởng bởi nhà khoa học người Đức A.Wehnelt năm1908 ), nó có năng lực tập trung chuyên sâu electron vào bia anode. Bia này là đĩa Vonfram hoặc mạtrên khối đồng để hấp thụ nhiệt trên bia. Những electron phát xạ được tần suất trong điệntrường giữa cathode và anode. Trong trong thực tiễn, trường này được tạo ra bằng cách cung cấpđiện thế âm cho cathode và giữ anode tiếp đất, làm anode nguội thuận tiện hơn ( như sự lưuthông nước ). Vỏ bọc thủy tinh của ống phải cung ứng nhu yếu cách ly trong chân khôngcũng như cao thế. Tia X được phát ra trực tiếp từ anode từ đó được chuyển ra ngoài quacửa sổ đặc biệt quan trọng. Cửa sổ này được đặt sao cho tia X ra ngoài vuông góc với trục ống gọi làbề mặt hành lang cửa số hình học. Trong ngành y, hành lang cửa số lối ra hoàn toàn có thể là một phần của mặt kính baoquanh như hình 2.1. CathodeBộ phát-WBiaAnode-Vỏ thủy tinhCửa sổ tia XHình 2.1 : Mô hình hành lang cửa số một bên của ống tia X cho ngành răngAnode hình học đối ngẫu hoàn toàn có thể thấy rõ trong những ống có hành lang cửa số một bên. Đó làlớp mỏng mảnh của nguyên tố nhẹ bao trùm tấm bì làm từ nguyên tố nặng. Phụ thuộc vào giá trịcủa điện thế cao, có 2 loại quang phổ hoàn toàn có thể được quan sát với cùng một loại ống. Khiđiện thế gia tốc chậm, sự xâm nhập sâu của electron cũng ít nên tia X phần đông phát ratrên lớp nguyên tố nhẹ. Khi electron được tần suất với cao thế, nó xâm nhập sâu vào lớpthứ 2 của bia, quang phổ do nguyên tố nặng trong trường hợp này trội hơn. Cửa sổ ra hoàn toàn có thể được sắp xếp kiểu khác như trong hình 2.2. Ở đây, cathode có hìnhvòng, góc tới 90 và hành lang cửa số thoát ra tựa như như ống trục. Thông thường, giống như cửasổ hình học cuối được cho phép khoảng cách anode và hành lang cửa số nhỏ hơn ( mẫu anode tương ứng ). TIA X13Hơn nữa, cathode và hành lang cửa số thường được tiếp đất trong khi anode có một điện thế dươngcao. Và hiệu quả là, electron tới anode đập vào hành lang cửa số sẽ bị triệt tiêu can đảm và mạnh mẽ. Tuy nhiênTIA X14việc thu hẹp khoảng cách giữa anode và hành lang cửa số vẫn còn hạn chế vì sự nguy hại của sựphóng điện giữa anode và hành lang cửa số. Khi góc hấp thụ rộng sẽ hạn chế tối đa sự tự hấp thụ tiaX trên bia. Do đó ống kiểu này đặc biệt ứng dụng ở mức năng lượng thấp. Hơn nữa, những ống này cho ra sự bức xạ quang phổ đẳng hướng. Mặt khác, khoảng cách nhỏ giữaanode và cathode đặc trưng cho phong cách thiết kế ống hành lang cửa số cuối sẽ số lượng giới hạn giá trị cao thế, thường không quá 60 kV. Trong bộ truyền qua anode của ống tia X bia là lớp mỏng dính hướng vào hành lang cửa số ra làmbằng màng Beri. Electron phát tới đập thẳng góc bia rồi phát photon tới cửa số Beri theocùng một hướng. Thông thường, quang phổ liên tục phát ra bởi anode thì bị triệt tiêu phầnnào đó do sự hấp thụ ở lớp ngoài bia, đặc biệt quan trọng là ở năng lượng thấp và trên mép hấp thụcủa dòng bị kích thích, thế cho nên hoàn toàn có thể nhìn nhận những ống này bằng sự chiếm bức xạ bêntrong, sự góp phần thấp của bức xạ liên tục dẫn đến sự giảm nền bức xạ và do đó để tănggiới hạn dò tìm trong ống nghiên cứu và phân tích huỳnh quang. Bia trong ống tia X gắn vào nguồn cócông suất thấp ( < 100W ) do tại lá mỏng mảnh anode không hề chịu được tải nhiệt lớn. 1. Chùm tia X6. Bộ vỏ ống2. Cửa sổ7. Ống cách ly cho việc làm nguội3. Chùm8. Phần liên kết với bộ phận làm nguộielectron 4. Cathode vòng9. Phần liên kết với cao thế5. AnodeHình 2.2 : Sơ đồ lối ra của một ống tia X trong nghiên cứu và phân tích huỳnh quangSự tản nhiệt trên anode là yếu tố chính trong việc triển khai những ống điều tiêu ( ống điều khiển và tinh chỉnh diện tích quy hoạnh nhận được chùm điện tử ) nhỏ khi giữ hiệu suất lớn của ống. Tạilần va chạm xiên tiên phong, chỉ hoàn toàn có thể tìm được vết điều tiêu nhỏ ở giá trị hiệu suất nhỏ. Có 2 giải pháp chuẩn để khắc phục : - Phương pháp tiên phong dựa trên sự điều tiêu quang học khác với điều tiêu điện trênanode ( hình 2.3 ). Trong hầu hết những ứng dụng ( như chụp ảnh tia X, tổng hợp tương thích vớiquang học ) chỉ có điều tiêu quang học là quan trọng nhất. Khi góc anode khoảng chừng 6, 15 chiều dài của điều tiêu xê dịch nhỏ hơn 10 lần chiều dài thật của điều tiêu điện trên anode. Ví dụ, ống tiêu điểm tốt có vết điều tiêu quang học khoảng chừng 0.4 mm x 0.8 mm, trong khikích thước vết tiêu thật trên anode vào khoảng chừng 0.4 mm x 8 mm. Công suất của ống tiêuđiểm này hoàn toàn có thể đạt tới 3 kW. Tổng độ mở của tia X đi ra không vượt quá 10-12. Electron beam : chùm electron. Optical spot : quy tụ quang. Electron beam spot : quy tụ chùm electron. Hình 2.3 : Electron và vết tiêu quang học của 1 cực anode có góc α. - Để hoàn toàn có thể hoạt động giải trí ở hiệu suất cao hơn cần phải sử dụng một quy mô với anodequay ( hình 2.4 ). Một anode dạng đĩa được gắn vào một roto mang một mạng lưới hệ thống quayphụ. Một stato điều khiển và tinh chỉnh roto bằng điện qua một trường quay được đặt bên ngoài ốngchân không. Quỹ đạo đường cong của dòng electron trên anode khi nó quay là đườngtròn, do đó tải nhiệt được phân phối ra ngoài nhiều hơn đáng kể so với ống điều tiêu. Tảnnhiệt ra ngoài từ anode được triển khai hầu hết bằng bức xạ và được phụ thêm bằng bộlàm lạnh khí. Mật độ năng lượng đặc trưng cho những vết tiêu dạng thẳng cỡ khoảng chừng 1 mm x10mm là 5-10 kW / mm, của vết tiêu với diện tích quy hoạnh nhỏ hơn 1 mm là 25 kW / mm với tầnsố quay là 17000 vòng / phút. Nước được làm lạnh ở anode quay thoát ra trong hệ thốngriêng cho từng vật tư điều tra và nghiên cứu do đó được cho phép liên tục hoạt động giải trí ở hiệu suất cao. Chùm tia electronVết tiêuQuỹ đạo vết tiêuAnodeỔ biRotoHình 2.4 : Nguyên tắc hoạt động giải trí của anode cực quay2. 3.2 Công nghệ và phong cách thiết kế cathodeThông thường, dòng phát ra trong ống tia X được tinh chỉnh và điều khiển bởi nhiệt độ củacathode, nó nhờ vào giá trị của dòng trong dây tóc. Điều quan trọng đó là kích cỡ củachuẩn trực không nhờ vào vào dòng anode trên khoảng chừng 500 : 1 và điện thế gia tốc vượtquá tỉ lệ 3 : 1. Việc tinh chỉnh và điều khiển dòng phát ra trải qua nhiệt độ cathode yên cầu bức xạ với tải nhiệtthấp trong khoảng chừng thời hạn không đổi trong số lượng giới hạn mili giây ( ms ). Điều này có thểđược triển khai theo cách đơn thuần là dùng dây và lá Vonfram mỏng dính. Phụ thuộc vào kíchthước của chuẩn trực mà nguồn phát được dùng là dạng cuộn, xoắn ốc, ống sợi tóc, vòng, hoặc lá phẳng ngoằn ngoèo ( hình 2.5 ). Như đã thấy ở hình 2.6, hoạt động giải trí của nguồn bức xạ chỉ hoàn toàn có thể ở vài số lượng giới hạn nàođó. Khi dòng qua dây tóc nhỏ ( dưới ngưỡng giá trị ) thì không có sự phát xạ. Khi dòngqua dây tóc lớn thì dòng phát ra tới anode bị bão hòa. Giá trị bão hòa nhờ vào vào caothế được cung ứng. Nhiệt độ của nguồn phát hoàn toàn có thể đạt được dưới số lượng giới hạn được cho phép là2300 C. Ở nhiệt độ này thì hiệu ứng bay hơi sắt kẽm kim loại hoàn toàn có thể xảy ra, thế cho nên thời hạn hoạtđộng tốt nhất số lượng giới hạn từ 30-50 h. Đây là nguyên do mà cathode được bật lên chỉ trong vài giâyở nhiệt độ cao như vậy. Dòng anode cũng phụ thuộc vào vào giá trị cao thế do hiệu ứng chechắn cục bộ của khoảng trống điện tích. Loại dây VonframLoại dải VonframLá phẳng ngoằn ngoèoDạng lò xoXoắnDạngVòngốcsợi tóc trònHình 2.5 : Các loại nguồn phát bức xạ khác nhau của cathodeDòngđiện anode IADòng điện dây tóc IHHình 2.6 : Dòng anode là hàm của dòng qua dây tóc với tham số là hiệu điện thế anode. Cấu trúc nguồn phát phẳng và mỏng mảnh được ghép uốn khúc được dùng cho những ốngcó điện thế anode thấp và chuẩn trực nhỏ ( < 0.3 mm ). Lý do là nó sẽ có đặc thù điều tiêutốt hơn so với bề mặt phẳng. Hơn nữa, hoàn toàn có thể cho ra dòng phát xạ tương đối cao ở nhiệtđộ cathode thấp. Điện cực Wehnelt được sử dụng để tinh chỉnh và điều khiển những electron ở lân cận dây tóc vàphát electron theo đúng hướng. Hiện nay loại điện cực Wehnelt nói chung được xác địnhthông qua giám sát thích hợp của máy tính. 2.3.3 Công nghệ và phong cách thiết kế anodeNhư đã đề cập ở trên, một anode chuẩn gồm 1 bia mỏng dính được gắn vào trong mộtkhối đồng lớn ( hình 2.1 ), bia thường làm bằng đồng, môlipđen, vonfram cũng có thểdùng những sắt kẽm kim loại khác như : Mg, Al, Cr, Fe, Ni, Rh, Ag. Helical emitter : phát xoắn ốcWehnelt electronic : điện cực Wehnelt ( Wehnelt tên nhà khoa học người Đức ), có điện thế bằng điện thế cathode. Hình 2.7 : Sơ đồ phong cách thiết kế cathode. Liều lượng phân phối theo bề rộng vết tiêu. Công nghệ anode quay ngày càng phức tạp. Anode quay Vonfram thì được sản xuấttrên cơ sở chuẩn luyện kim bột. Hạn chế của công nghệ tiên tiến này là sự mài mòn mặt phẳng do sựnén cơ nhiệt cao. Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh gọn cường độ tia X và gâynên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng. Ở đây, một phần bức xạ trong những lớp sâu hơncủa anode bị hấp thụ trước khi rời khỏi anode. Thêm vào đó là sự biến dạng cơ học xảy racó thể hủy hoại anode. Vì đặc trưng nhiệt của Vonfram tương đối thấp, năng lực lưu trữnhiệt so với khối lượng khả dụng của anode thì cũng nhỏ, do đó nhiệt độ cao của anodeđạt được ở phụ tải tương đối thấp. Công nghệ nâng cao dựa trên nguyên vật liệu hỗn hợp Reni ( Re ) - Vofram-Môlipđen ( RTM ). Sơ đồ cắt ngang của anode RTM màn biểu diễn trong hình 2.8. Ở đây ta có hỗn hợp10 % Re trong W bề dày 1-2 mm bao trùm được gắn vào. Điều này cải tổ hiệu suất cao tínhchất đàn hồi của anode và làm giảm đáng kể đặc thù cọ xát. Trộn lẫn vài Tỷ Lệ Tivà Zr ( anode TZM ) trong thanh Mo + W gần như gấp đôi năng lực tích trữ nhiệt củaanode, với khối lượng và momen quán tính đã cho. Một giải pháp tối ưu để điều khiển và tinh chỉnh năng lực tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt hoàn toàn có thể đạtđược trong một anode giới nội với tấm than chì ( hình 2.9 ). Với anode nhiệt, tấm RTMđược hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống được sản xuất với trọng tải lớn hơn 3.10 J hoạtđộng tại hiệu suất nhiệt trung bình 4 kW. Hình 2.8 : Mặt cắt của một anode RTMHình 2.9 : Mặt cắt của một anode RTM – than chì2. 3.4 Vỏ chân không của ống tia XCác thành phần nêu trên của một ống tia X được đặt trong một vỏ ống với hai mụcđích chính : cách ly chân không và cách điện. Các vật tư thường được sử dụng để làm vỏống là thủy tinh, sắt kẽm kim loại và gốm. Ống thủy tinhCác vật tư hầu hết được sử dụng để làm ống là thủy tinh. Các nhu yếu chính củacác loại thủy tinh tương thích là điện trở đặc biệt quan trọng cao, nồng độ chất điện môi tốt và khả năngchịu được sự đổi khác nhiệt độ. Thủy tinh borosilicat có đủ những nhu yếu này. Ngoài ra, thủy tinh này hoàn toàn có thể được trộn với kim loại tổng hợp Ni-CO-Fe ( Vacon hoặc Kovar ) để đảm bảochỗ tiếp xúc điện là thiết yếu. Vì thủy tinh bọc ngoài là chất cách ly điện áp cao giữaanode và cathode, nó phẳng và thuận tiện làm sạch mặt phẳng cũng là một lợi thế quan trọng. Ống sắt kẽm kim loại thủy tinhGiữa anode và cathode là chất tải cao. Lớp sắt kẽm kim loại mỏng mảnh trên ống thủy tinh ảnhhưởng đến năng lực của chất điện môi. Để tránh hiện tượng kỳ lạ này và tăng tuổi thọ của ống, những bộ phận trong ống thủy tinh được làm bằng sắt kẽm kim loại để tạo ra điện thế xác lập. Ngoài ra, một phần nhỏ trong số những điện tử thứ cấp từ anode hoàn toàn có thể được bỏ lỡ phầngiữa anode và cathode. Bằng cách này, một phần bức xạ vượt ra ngoài tiêu điểm có thểđược giảm. Ống sắt kẽm kim loại - gốmỐng tia X sắt kẽm kim loại - gốm đã được sử dụng từ những năm 1960. Những đặc trưng đểphân biệt chúng là ở chỗ sử dụng vật tư gốm sửa chữa thay thế cho thủy tinh vì là chất cách điệncao. Ống sắt kẽm kim loại - gốm có 1 số ít lợi thế hơn ống thủy tinh chuẩn. Nói đơn cử, gốm chophép giải quyết và xử lý cơ học thuận tiện hơn : cắt và khoan là hoàn toàn có thể. Vỏ gốm hoàn toàn có thể được sản xuất vớiđộ đúng mực cao hình dạng của chúng. Kết quả là vỏ chân không có hình dạng tự do. Cácbộ phận sắt kẽm kim loại của ống hoàn toàn có thể được nối chặt trong chân không bằng chất cách điện làgốm. Độ dẫn điện mặt ngoài của gốm thấp, với khoảng cách ngắn không cho điện áp caođi qua. Gốm cách điện đã cải tổ được vị trí của vết tiêu. Đặc và phong cách thiết kế vững chãi, giảm khối lượng, tăng tuổi thọ là những quyền lợi của ống tia X bằng gốm. 2.4 CƠ CHẾ TẠO THÀNH TIA XTia X được tạo ra do những electron hoạt động có động năng lớn khi đập vào đốiâm cực của một sắt kẽm kim loại có khối lượng riêng lớn, nó dễ xuyên vào bên trong của vỏnguyên tử. Điều này không hề thực thi so với những sắt kẽm kim loại nhẹ, electron tới tươngtác với hạt nhân và những electron ở lớp vỏ nguyên tử. Sự tương tác này làm Open daođộng của hạt những hạt mang điện trong nguyên tử. Dao động của hạt những hạt mang điệntrong nguyên tử tạo ra điện trường biến thiên, từ đó sinh ra sóng điện từ Viral trongkhông gian. Sóng này có đặc thù giống sóng ánh sáng ( một chùm tia sáng của dòng hạtphoton ), do đó ta gọi sóng đó là sóng Rơnghen. Ngày trước, người ta tạo ra tia X bằng ống Rơnghen, sau này người ta hay dùng ốngCoolidge. 2.4.1 Ống Rơnghen • Cấu tạoỐng Rơnghen là một bình cầu ( chứa khí áp suất thấp – gọi là khí kém ) bên trong cóba cực ( hình 2.10 ). - Cathode có dạng chõm cầu có công dụng làm những electron bật ra tập trung chuyên sâu tại tâm của bìnhcầu. - Anode là điện cực dương ở phía đối lập với cathode ở thành bình bên kia. - Đối cathode là một điện cực ( thường được nối với anode ). Ở mặt phẳng của đối cathode làmột sắt kẽm kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy. • Hoạt độngĐặt giữa anode và cathode một hiệu điện thế không đổi ( khoảng chừng vài chục kV ) thìelectron bứt ra từ cathode được tăng cường rất nhanh. Khi đập vào đối âm cực, những electronbị bất ngờ đột ngột hãm lại và làm phát ra tia X. Người ta gọi tia X là bức xạ hãm. Hình 2.10 : Ống Rơnghen2. 4.2 Ống Coolidge • Cấu tạoBan đầu, ống Coolidge có dạng một bình hình cầu bên trong là chân không và cóhai điện cực ( hình 2.11 ). - Cathode là một chõm cầu có công dụng làm tập trung chuyên sâu những electron về phía tâm của bìnhcầu. Một dây tim để nung nóng cathode ( để cathode phát ra electron ) được cấp điện nhờmột nguồn điện riêng. - Anode là điện cực dương. Bề mặt của anode là một lớp sắt kẽm kim loại có nguyên tử lượng lớnvà khó nóng chảy. Để giải nhiệt cho anode người ta nhiều lúc cũng sản xuất sao cho có thểđưa một dòng nước chảy luồn bên trong anode. • Hoạt độngKhi đặt một hiệu điện thế ( xoay chiều hoặc một chiều ) vào hai cực của ốngCoolidge thì electron được tăng cường mạnh và đến đập vào anode, xuyên sâu vào lớp vỏnguyên tử của chất làm anode, tương tác với những lớp electron ở những lớp trong cùng làmphát ra tia X. Hiệu điện thế ở hai cực của ống Coolidge từ vài chục kV đến khoảng120kVHình 2.11 : Ống Coolidge3. QUANG PHỔ TIA XKhi bắn chùm electron có năng lượng cao vào nguyên tố bia, những electron tương tácvới quỹ đạo của electron trong nguyên tử của nguyên tố bia theo hiệu ứng quang điện, tạora những tia X đặc trưng, ngoài những do chùm electron giảm vận tốc dần khi đập vào nguyên tốbia nên bức xạ liên tục hình thành đồng thời với những tia X đặc trưng. 3.1 PHỔ LIÊN TỤC CỦA TIA XHình 3.1 : Phân bố theo bước sóng của những tia X tạo thành khi chùm những electron có nănglượng 35 keV đập vào một bia môlipđen. Chú ý những cực lớn nhọn điển hình nổi bật lên trên một-12phông liên tục ( 1 pm = 10 m ) Ở đây ta xét phổ liên tục cho trên hình 3.1 và trong thời điểm tạm thời chưa xét đến hai cực đạinhọn điển hình nổi bật trên đó. Nếu những electron tới được tần suất qua hiệu điện thế V thì động năngcủa chúng khi đập vào bia sẽ là eV. Vì những electron này được đưa vào nằm yên trong bia, nên tất cả chúng ta xem rằng ở đây xuất hiện những electron với toàn bộ động năng từ 0 tới eV. Ta hãyxét một electron có động năng K nằm trong vùng này và đi gần qua hạt nhân của mộtnguyên tử môlipđen nằm trong bia, như được cho trên hình 3.2. Electron này hoàn toàn có thể mấtmột phần động năng ∆ K đểchuyển thành năng lượng của photon tia X được phát ra từnơi va chạm. Tất cả những electron có động năng nằm trong khoảng chừng từ 0 đến eV đều phảichịu quy trình bức xạ hãm đó và do vậy đều góp phần cho phổ tia X liên tục. Hình 3.2 : Khi một electron đi gần qua hạt nhân của nguyên tử bia, nó hoàn toàn có thể phát photontia X và mất một phần động năng của mình trong quy trình đó. Nét điển hình nổi bật của phổ liên tục trên hình 3.1 là có một bước sóng số lượng giới hạn rất xác địnhλmin, dưới giá trị đó phổ liên tục không sống sót. Bước sóng cực tiểu này tương ứng với sựva chạm trong đó một trong số những electron tới với động năng bắt đầu eV mất toàn bộnăng lượng của mình trong một va chạm duy nhất và phát ra một photon tia X. Do đó : eV = hυ = hcλminhay λ min = hc ( bước sóng số lượng giới hạn ) Bước sóng số lượng giới hạn trọn vẹn độc lập với vật tư bia. Nếu bạn dùng bia đồng thaycho môlipđen ví dụ điển hình, thì toàn bộ những đặc thù của phổ tia X cho trên hình 3.1 sẽ thayđổi, trừ bước sóng số lượng giới hạn. Hình 3.3 : Phổ tia X liên tục của một số ít bia sắt kẽm kim loại với năng lượng 10 keV

Source: https://mix166.vn
Category: Công Nghệ