Máy X-Ray hoạt động như thế nào?

Máy X-Ray được ứng dụng rộng rãi trong an ninh; kiểm soát cửa ra vào; soi hành lý; hàng hóa tại sân bay, tàu, hay khu vực công cộng. Ngoài ra, X-Ray còn được ứng dụng để kiểm tra khuyết tật sản phẩm, kiểm tra kim loại trong giày dẹp, quần áo, thực phẩm….

Vậy máy X-Ray hoạt động như thế nào?

1. Bản chất tia X:

   a. Tia X là sóng điện từ có bước sóng  ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại.Thông thường tia X có bước sóng trong khoảng từ 10^-3 A⁰ đến 1 A⁰  (1A⁰ = 10^-10m) tương ứng với dãy tần số từ 3×10¹⁶ Hz  đến 3×10¹⁹ Hz và năng lượng từ 120eV đến 120keV ( trong trường hợp chiếu xạ trong công nghiệp hoặc điều trị bệnh, năng lượng của tia X được sử dụng có thể lên tới 6-20 MeV).
   b. Cơ chế phát tia X :

– Electron của tia âm cực được tăng tốc trong điện trường mạnh nên có động năng rất lớn.

– Khi gặp các nguyên tử  của đối âm cực, các electron này xuyên sâu vào vỏ nguyên tử, tương tác với hạt nhân và các electron  lớp trong cùng của nguyên tử và dừng lại đột ngột làm phát ra sóng điện từ  có bước sóng rất ngắn. Có hai dạng tia X được tạo ra – Bremsstrahlung (tiếng Đức có nghĩa là ‘bức xạ hãm’) và tia X đặc trưng.

2. Các tính chất và ứng dụng của tia X :

   a. Tính chất:

– Khả năng đâm xuyên tốt: truyền qua được những vật chắn sáng thông thường như giấy, gỗ, hay kim loại mỏng … Bước sóng càng ngắn, đâm xuyên càng mạnh

– Tác dụng rất mạnh lên kính ảnh.

– Làm phát quang một số chất.

– Có khả năng ion hóa không khí và các chất khí.

– Tác dụng sinh học rất mạnh: hủy hoại tế bào, diệt vi khuẩn, …

b. Ứng dụng:

– Dùng chiếu điện quang, chụp điện quang, diệt tế bào ung thư, giết vi khuẩn … trong y học.

– Tìm khuyết tật các sản phẩm kim loại trong công nghiệp, …

– Kiểm tra hành lí ở sân bay…

Các thành phần chính trong hệ chụp X-quang bao gồm:

– Bóng phát tia X và bộ tạo cao áp

– Phin lọc

– Hệ chuẩn trực

– Lưới chống tán xạ

– Phim/ bìa tăng quang và tăng sáng truyền hình (khuếch đại ảnh)

– Bộ kiểm soát liều xạ tự động (AEC)

3. Cấu tạo máy X-quang 

   3.1 Bóng phát tia X
   Bóng X-Quang có thể xem như dạng đặc biệt của điốt chỉnh lưu chân không, bóng X-quang gồm các bộ phận chủ yếu sau:
   + Nguồn bức xạ điện tử – cathode (âm cực);
   + Nguồn bức xạ tia X – Anode (dương cực) .
   + Vỏ thủy tinh (vỏ trong) bao quanh anode và cathode, đã được hút chân không để loại trừ các phân tử khí cản trở trên đường đi chùm tia điện tử.
   + Vỏ bóng (vỏ ngoài) thường làm bằng hợp kim nhôm phủ chì để ngăn ngừa tia X bức xạ theo những hướng không mong muốn ra môi trường xung quanh và còn có tác dụng tản nhiệt. Ngoài ra trên vỏ còn bố trí cửa sổ tia X nơi ghép nối với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối.
   Hiện nay, có hai loại bóng được ứng dụng phổ biến trong thiết bị X-Quang là bóng sử dụng Anode quay và bóng sử dụng Anode cố định.
   3.2 Ống phát tia X :
   a. Cấu tạo:
   – Là ống tia cathode ở áp suất cỡ 10 ^-3mmHg có 3 cực.

– Cathode C hình chỏm cầu. electron được cung cấp bằng dây kim loại (wolfram, constantan…) nung nóng với bộ nguồn riêng.

– Đối âm cực  nằm giữa anode  A và cathode  C  bằng kim loại  có nguyên tử lượng lớn và khó nóng  chảy (platin, wolfram…) để chắn dòng  tia cathode .  Đối âm cực thường được nối với anode A.

– Anode.

Trong một bóng chân không, thường làm bằng thủy tinh, có hai điện cực. Cathode có sợi đốt giống như trong bóng đèn điện. Khi sợi đốt bị đốt nóng thì đám mây electron xuất hiện. Anodethường được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt, ví dụ như đồng. Ở trênanode có một điểm để hội tụ và nhận tương tác của chùm electron đến từ Cathode, thường là Vonfram được gọi là bia.
Khi đặt một điện áp cao thế, thường trong khoảng từ 25.000 V (25 kV) đến 150.000 V (150 kV), lên cathode và anode thì electron từ sợi đốt sẽ được gia tốc hướng về bia. Diện tích của bia ở đó các electron bắn phá vào và tia X phát ra gọi là tiêu điểm hay điểm tiêu cự. Cao áp đặt lên hai điện cực thường được đặc trưng  bằng giá trị cực đại hay giá trị đỉnh vì điện áp đặt vào là biến đổi. Vì vậy mà chúng ta sử dụng ký hiệu kVp (giá trị điện áp cực đại – kilovolt peak) và chất lượng tia X phát ra thường được xác định thông qua kVp.
Dòng điện chạy qua bóng phát tia X, tính bằng miliampe (mA) được điều khiển bằng dòng qua sợi đốt. Suất liều tính bằng miliampe-giây (mAs) phụ thuộc vào tích số dòng qua bóng phát và thời gian chiếu. Chất lượng của tia X trực tiếp phụ thuộc vào giá trị mAs.

Có hai dạng tia X được tạo ra – Bremsstrahlung (tiếng Đức có nghĩa là ‘bức xạ hãm’) và tia X đặc trưng. Bức xạ hãm sinh ra do tương tác giữa các điện tử và hạt nhân nguyên tử vật liệu làm bia. Tia X tạo ra sau mỗi tương tác có năng lượng nằm trong khoảng từ không cho tới giá trị năng lượng xác định bởi cao áp đặt lên anode và cathode. Ví dụ một bóng phát có điện áp 100 kVp sẽ tạo ra tia X có năng lượng trải dài từ 0 cho đến 100 keV.
Tia X đặc trưng tạo ra khi các electron bắn phá bia làm bật electron trên các quỹ đạo bên trong ra khỏi nguyên tử vật liệu làm bia. Tia X này được gọi là tia X đặc trưng vì nó đặc trưng riêng cho từng loại nguyên tố làm bia.
Trong vùng năng lượng tia X dùng cho chẩn đoán thì hầu hết là bức xạ hãm. Chỉ một vài phần trăm năng lượng tia X là của tia X đặc trưng (ví dụ như 15% ở 100 kVp). Vào khoảng 99% động năng của electron biến đổi thành năng lượng nhiệt cần phải giải phóng cho bóng phát tia X. Do đó chúng ta có thể nói rằng kiểu tạo ra tia X này chỉ đạt hiệu suất là 1%.