Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân kiểm tra lỗi linh kiện trong các nhà máy sản xuất công nghiệp

Kỹ thuật hạt nhân hiện đang được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều các lĩnh vực trên khắp thế giới, từ chẩn đoán và điều trị trong các bệnh viện hiện đại nhất thể giới đến những cánh đồng bát ngát  với các giống đột biến phóng xạ ưu trội ở các vùng xa xôi, từ dò tìm khuyết tật của các kết cấu tàu vũ trụ đến dò tìm lỗi của những linh kiện điện tử nhỏ như đầu ngón tay và mỏng như tờ giấy, từ đánh dấu truy tìm các mạch nước ngầm cả trăm mét dưới lòng đất đến đánh dấu đường đi của dược chất trong cơ thể con người, … Kỹ thuật hạt nhân hiện diện ngày càng phổ biến trong y tế, công nghiệp, nông nghiệp, tài nguyên và môi trường, nghiên cứu khoa học,...

Ứng dụng thiết bị tia X phục vụ kiểm tra lỗi linh kiện trong nhà máy sản xuất linh kiện tại các khu công nghiệp ở Việt Nam

Trong ngành sản xuất linh kiện (đặc biệt là linh kiện điện tử), kỹ thuật hạt nhân mà cụ thể ở đây là các thiết bị tia X chụp ảnh bức xạ (X-ray inspection system) được ứng dụng để kiểm tra phát hiện các lỗi của các linh kiện được sản xuất hàng loạt trên quy mô công nghiệp, qua đó giảm thiểu rủi ro lỗi cho các thành phẩm.

Mỗi thiết bị điện, điện tử thành phẩm mà chúng ta đang sử dụng hàng ngày như laptop, máy in, điện thoại thông minh hay đơn giản một chiếc tai nghe có thể được lắp ráp từ hàng chục đến hàng nghìn bảng mạch, linh kiện khác nhau. Các linh kiện này nói chung đều được sản xuất hàng loại với quy mô công nghiệp từ rất nhiều các nhà cung cấp. Những lỗi (khuyết tật) về kết cấu, đường mạch của một trong các linh kiện đó có thể gây ra sai hỏng về chức năng làm việc cho thiết bị thành phẩm, chính vì vậy ở các nhà máy sản xuất công nghiệp, việc kiểm soát chất lượng của các linh kiện quan trọng và có khả năng bị lỗi cao là một công việc bắt buộc phải thực hiện. Tất cả những bảng mạch, những linh kiện bị phát hiện lỗi sẽ được loại ra khỏi dây chuyền lắp ráp.

Hình 1. Tthiết bị tia X kiểm tra lỗi linh kiện cỡ lớn và hiện đại được sử dụng tại một nhà máy sản xuất linh kiện cho máy tính IBM tại Khu công nghiệp Vsip (Bắc Ninh).

Tùy thuộc vào quy mô hoạt động, loại sản phẩm sản xuất và độ khắt khe về tỷ lệ cần kiểm tra, các nhà máy sản xuất công nghiệp có thể chỉ có 1 đến 2 thiết bị kiểm tra lỗi bằng tia X, nhưng có những công ty đang sử dụng hàng trăm thiết bị tia X như tập đoàn Samsung Electronics tại Bắc Ninh và Thái Nguyên.

Thiết bị kiểm tra lỗi linh kiện bằng công nghệ tia X có 2 loại, loại tự động và loại không tự động. Loại tự động được đặt trên dây chuyền băng tải, thiết bị cũng có băng tải nằm bên trong nó để tự động kéo vật phẩm cần kiểm tra vào trong thiết bị và đẩy ra khỏi thiết bị. Quá trình soi chiếu và tìm lỗi cũng được máy móc thực hiện tự động bằng các thuật toán hiện đại mà không cần đến hoạt động của con người trong việc quan sát và phát hiện lỗi trên các hình ảnh tia X của sản phẩm trên màn hình. Loại không tự động hay loại bằng tay cần đến con người trong quá trình vận hành và phát hiện lỗi. Nhân viên phải dùng tay để đưa vật cần kiểm tra vào trong thiết bị kiểm tra, sau đó điều khiển phát tia X và chiếu vào các vị trí cần thiết, nhân viên quan sát màn hình hình ảnh X-quang của vật phẩm để tìm lỗi sản phẩm.Với loại này, nhân viên vận hành phải được đào tạo về cách thức sử dụng thiết bị, phương pháp đọc hình ảnh X-quang và cách nhận biết lỗi sản phẩm. Loại không tự động được sử dụng rất rộng rãi, trong khi loại tự động chỉ có một số ít công ty có, việc sử dụng loại thiết bị nào tùy thuộc vào đặc điểm sản xuất của cơ sở.

Nguyên lý chung của các thiết bị kiểm tra lỗi linh kiện là nguyên lý của phương pháp chụp ảnh bức xạ (Radiographic Testing) được sử dụng phổ biến trong kiểm tra không phá hủy và X-quang trong bệnh viện. Sơ đồ nguyên lý hoạt động như hình bên dưới:

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp chụp ảnh bức xạ.

Tia X được phát ra từ đầu phát tia X (X-ray tube) đi đến sản phẩm cần kiểm tra, sau khi đi xuyên qua sản phẩm này sẽ đi đến bảng detector (đầu dò) nhạy tia X (thường là các detector tinh thể nhấp nháy NaI) đặt phía sản phẩm. Tín hiệu tia X đến detector sẽ được chuyển đổi thành các tín hiệu điện, sau đó qua bộ chuyển đổi kỹ thuật số và qua máy tính sẽ chuyển thành hình ảnh X-quang hiển thị trên màn hình. Hình ảnh X-quang sẽ thể hiện mật độ vật chất của sản phẩm mà tia X đi qua. Ví dụ những lỗ rỗng trong sản phẩm sẽ cho hình ảnh có màu đậm hơn, những tạp chất có mật độ vật chất lớn trong sản phẩm sẽ có màu nhạt hơn. Các thuật toán hiện đại kết hợp công nghệ AI sẽ hỗ trợ cho ra các hình ảnh rõ nét, dễ nhận biết những thay đổi và còn hỗ trợ các tính năng hỗ trợ con người để nhận biết các khuyết tật.

Hình 3. Hình ảnh X-quang một bo mạch điện tử: Ảnh A thiếu chân mối hàn, Ảnh B chân mối hàn đường mạch không kết nối, Ảnh C các chân mối hàn bị dính nhau, Ảnh D có lỗ khí ở trong chân mối hàn.

Đối với các thiết bị tia X kiểm tra lỗi linh kiện, toàn bộ cơ cấu gồm đầu phát tia X, gá đỡ mẫu kiểm tra và đầu dò được tích hợp bên trong thiết bị dạng hộp 6 cạnh. Thành hộp này được bọc bằng các tấm thép và chì đảm bảo che chắn tia X đến mức suất liều bức xạ cực đại rò rỉ ra ngoài thiết bị luôn nhỏ hơn 1mSv/h. Ở mặt trước thiết bị thường có 1 cửa sổ làm bằng kính chì có thể mở ra và đóng vào để công nhân có thể đưa mẫu vào kiểm tra và lấy ra. Hệ thống máy tính có thể được tích hợp luôn bên trong thiết bị hoặc có thể đưa ra ngoài, còn màn hình và bàn điều khiển sẽ được đặt bên ngoài thiết bị ở khoảng cách dưới 1m.

Hình 4. Thiết bị kiểm tra lỗi bằng tia X tiêu biểu.

Chủng loại và các nhà sản xuất các thiết bị kiểm tra lỗi linh kiện rất đa dạng. Các hãng sản xuất có thể ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến nhất như Mỹ, Nhật, Đức và Phần Lan, và cũng đến từ những quốc gia công nghiệp mới như Hàn Quốc, Malaysia, Trung Quốc,...

Hình 5. Thiết bị kiểm tra lỗi linh kiện bằng tia X giờ đã được sản xuất rất nhiều tại Trung Quốc.

Đối với chủng loại thiết bị, tùy theo đối tượng (loại linh kiện) cần kiểm tra là dày hay mỏng, lớn hay nhỏ, vật liệu bằng kim loại hay nhựa, … mà các nhà sản xuất thiết kế và chế tạo chủng loại thiết bị kiểm tra cho phù hợp theo kích thước, loại đầu phát tia X, loại dầu dò và hệ thống điều chỉnh vị trí, khoảng cách giữa đầu phát, đầu thu và vật cần kiểm tra. Có những linh kiện cần đến thiết bị kiểm tra CT để soi kiểm tra 3D linh kiện như tai nghe cho Iphone. Các hãng sản xuất nổi tiếng nhất bao gồm: Nordon, GE của Mỹ; Shimazu, Hitachi và Omron đến từ Nhật Bản; Unicomp, SEC, Unique đến từ Trung Quốc; Tech Belly của Hàn Quốc.

Hình 6. Thiết bị kiểm tra lỗi bằng tia X cho hình ảnh 3D để kiểm tra tai nghe điện thoại Iphone sử dụng tại Khu công nghiệp Vân Trung (Bắc Giang).

Đảm bảo an toàn bức xạ cho nhân viên, người lao động tại các khu công nghiệp

Đảm bảo an toàn bức xạ đối với nhân viên bức xạ sử dụng các thiết bị tia X tại các khu công nghiệp cũng là một vấn đề cần được quan tâm. Vấn đề không phải ở chỗ thiết bị tia X này gây mất an toàn mà nằm ở hiểu biết của các nhân viên bức xạ. Thiết bị thông thường được thiết kế rất an toàn với những tấm kim loại dày bảo vệ, hệ thống khóa liên động, các đèn cảnh báo và suất liều rò rỉ luôn nhỏ hơn 1mSv/h, do vậy chỉ cần nhân viên bức xạ vận hành đúng quy trình thì đảm bảo không có các sự cố quá liều đáng tiếc.

Đặc điểm của các khu công nghiệp sản xuất linh kiện là có số lượng công nhân rất lớn, những đơn vị nhỏ cũng lên tới hàng trăm người, còn những đơn vị lớn thì đến vài chục nghìn người, tương ứng là số lượng nhân viên làm việc trực tiếp với thiết bị bức xạ cũng rất lớn. Những nhân viên bức xạ ở đây hầu hết là công nhân với trình độ học vấn ở bậc phổ thông trung học, thậm chí là trung học cơ sở và công việc chủ yếu là làm việc tay chân, không có điều kiện để đọc, tìm hiểu, nghiên cứu. Do vậy nếu cung cấp cho những đối tượng này các kiến thức về an toàn bức xạ mang tính học thuật cao thì họ sẽ không thể tiếp thu, từ đó có những suy nghĩ hoang mang, không đúng đắn về những tác động của bức xạ lên cơ thể. Từ đó gây ra sợ hãi cho bản thân, gây sợ hãi cho những đối tượng khác cũng làm trong nhà máy và dẫn tới làm giảm năng suất lao động. Có nhiều nhà máy phản ánh công nhân sợ không dám làm việc với thiết bị bức xạ, nên một số người khi được phân công làm việc đã xin nghỉ việc hoặc xin chuyển sang bộ phận khác. Thực tế đã có những công nhân sau khi tham gia khóa đào tạo an toàn bức xạ cơ bản xong thì lại càng sợ hãi do không có liên hệ bài giảng chung với thiết bị thực tế mình sử dụng. Do vậy cần phải đưa ra một chương trình đào tạo phù hợp với lớp trình độ này, các bài giảng đơn giản và nhiều tính trực quan hơn là các lý thuyết học thuật.

          Những năm gần đây, môi trường đầu tư của Việt Nam ngày càng được cải thiện kết hợp với sự sẵn có nhân công giá rẻ, rất nhiều nhà đầu tư sản xuất công nghiệp từ Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc đã tìm đến nước ta. Chính vì vậy lượng thiết bị bức xạ nói chung và thiết bị bức xạ tia X trong công nghiệp sản xuất linh kiện ngày càng gia tăng với số lượng lớn. Để hỗ trợ các doanh nghiệp sản xuất này, các nhà quản lý nên xây dựng một chương trình đào tạo chuẩn phù hợp với đối tượng nhân viên bức xạ là những người có trình độ học vấn trung bình, đồng thời rút ngắn thời gian cấp phép sử dụng các thiết bị bức xạ cho các cơ sở này. Hiện nay theo Luật Năng lượng nguyên tử thì việc cấp phép được thực hiện trong vòng 60 ngày kể từ ngày cơ quan quản lý nhận được hồ sơ hợp lệ, tuy nhiên đây là thiết bị nằm ở đầu cuối của quy trình sản xuất, thời gian cấp phép dài như vậy sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến hoạt động sản xuất của doanh nghiệp.