TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Báo cáo dịch chủ đề Máy X quang Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thái Hà Họ tên Dương Văn Đại MSSV 20130784 Lớp ĐTVT 01 Hà Nội, 29 tháng 10 năm 2016 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2016 Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC Bài 1 Máy X quang 4 Bài 2 Sự khám phá ra tia X 5 Lịch sử của tia X 6 Lịch sử của tia X 7 Lịch sử của tia X 8 Tia X đầu tiên 9 Cấu trúc cơ bản nguyên tử của vật liệu 10 Phân loại của chất liệu và tầm quan trọ.
Máy X quang
Tia X tự nhiên có nguồn gốc từ ngoài khí quyển, bao gồm mặt trời và các ngôi sao xa xôi, và là một phần của bức xạ phông xung quanh chúng ta Mặt đất và đất trồng là nguồn của bức xạ tự nhiên này Lượng bức xạ mà con người tiếp xúc phụ thuộc vào vị trí sinh sống, nhưng thường thì sự tiếp xúc này không gây nguy hiểm.
Tia X y tế là loại tia bức xạ được phát ra từ các máy móc theo mệnh lệnh Lịch sử phát hiện tia X bắt đầu vào thế kỷ 19, khi nhiều nhà khoa học khám phá hiện tượng điện, một lĩnh vực mới mẻ lúc bấy giờ Một trong những thí nghiệm quan trọng liên quan đến phản ứng của điện trong môi trường chân không đã mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu tiếp theo.
Sự khám phá ra tia X
Hình 2: Sự khám phá ra tia X
Các thí nghiệm của các nhà khoa học với ống Crookes, một thiết bị chân không, đã chỉ ra rằng ống này có hai điện cực: anot (dương) và catot (âm) Mục tiêu là tạo ra dòng điện bằng cách cho các electron di chuyển từ cực âm sang cực dương Khi có không khí trong ống, electron va chạm với các nguyên tử, làm giảm hiệu quả truyền điện Do đó, việc loại bỏ không khí trong ống Crookes là cần thiết để tối ưu hóa dòng điện.
Khi electron di chuyển qua khoảng không gian giữa cực âm và cực dương, chúng được tăng tốc đến vận tốc cao, tạo thành "tia catot" Vận tốc của các electron này được điều chỉnh bởi điện áp trong ống Crookes; điện áp càng cao, vận tốc càng lớn Khi các electron va chạm với cấu trúc nguyên tử của kim loại anot và các ống kính xung quanh, những tương tác này sẽ sản sinh ra tia X và hiệu ứng phát sáng trong ống kính có năng lượng.
Nhiều nhà khoa học nổi tiếng đã tham gia vào các thí nghiệm điện trong thời kỳ phát hiện tia X, trong đó có Roentgen, người đã thực hiện những thí nghiệm đầu tiên Thomas Edison cũng được ghi nhận với việc sản xuất thiết bị chiếu tia X đầu tiên, cho phép tạo ra "hình tia X chuyển động" Phép thí nghiệm huỳnh quang được sử dụng để kiểm tra nhiều bộ phận của cơ thể, đặc biệt hiệu quả trong việc kiểm tra các cơ quan tiêu hóa như thực quản, dạ dày, ruột non và ruột già.
Hình 4: Người tìm ra tia X là ai?
Wilhelm Conrad Röntgen, một giảng viên vật lý và nhà vật lý tại trường đại học Wurzburg, Đức, được biết đến là người phát hiện ra tia X Vào tháng 11 năm 1895, trong một thí nghiệm, ông đã áp dụng điện áp cao vào bình Crookes, nơi đã được rút một phần không khí để tạo ra môi trường chân không Trong quá trình thí nghiệm, ông nhận thấy rằng khi nạp năng lượng cho ống Crookes, một ánh sáng mờ nhạt xuất hiện trên một màn hình nhỏ gần đó, từ đó dẫn đến sự khám phá quan trọng về hiện tượng phát sáng.
Hình 5: Thí nghiệm tao ra tia X
Trong các thí nghiệm của Roentgen, cái màn che nhỏ đã được sử dụng để kiểm soát ánh sáng phát ra từ ống Crookes, giúp ông loại bỏ khả năng rò rỉ ánh sáng Ông không thể hiểu cách thức phát sáng xảy ra vì không có cảm nhận nào về hiện tượng này Để tăng cường hiện tượng, ông đã phủ màn chắn bằng một lớp sơn từ barium platinocyande, một hóa chất quan trọng trong việc phát hiện tia X Điều thú vị là khi ông di chuyển màn che gần ống, ánh sáng phát ra càng trở nên rõ nét hơn.
Crookes, mặc dù bị che bởi bìa đen, vẫn nhận thấy một hiện tượng vô hình kích thích màn chắn Ông phát hiện rằng ngay cả khi đặt sách giữa ống và màn chắn, màn chắn vẫn phát sáng Điều này khiến ông tin rằng có một loại “tia” hoặc “hạt” có khả năng xuyên qua sách và làm màn hình phát sáng Từ khám phá này, ông bắt đầu một loạt thí nghiệm mới, với mục tiêu tìm hiểu mối quan hệ giữa ống Crookes và màn hình, và ông thậm chí có thể nhìn thấy hình ảnh ảo của xương trong bàn tay.
đầu tiên
Hình 6: Hình ảnh tia X đầu tiên
Roentgen đã phát hiện ra rằng khi tấm ảnh được chiếu gần với năng lượng ống Crookes, nó có thể tạo ra nhũ ảnh mà không cần ánh sáng, dẫn đến việc ông tạo ra tia X đầu tiên từ bàn tay con người Ông đã nhờ vợ làm mẫu, và hình ảnh đầu tiên này, mặc dù không có nhiều chi tiết, đã đánh dấu bước khởi đầu quan trọng trong chụp tia X Đặc biệt, hình ảnh cho thấy chiếc nhẫn trên ngón tay của bà.
Cấu trúc cơ bản nguyên tử của vật liệu
Để hiểu cách tia X được tạo ra, cần xem xét các lý thuyết nguyên tử cơ bản Tất cả các vật liệu, kể cả những vật rất nhỏ, đều được cấu tạo từ nguyên tử Khi các nguyên tử kết hợp với nhau qua liên kết hóa học, chúng tạo thành các phân tử hoặc hợp chất Hiểu rõ cấu trúc nguyên tử và sự chia nhỏ của vật liệu là điều cần thiết để nắm bắt quá trình sinh ra tia X.
Nguyên tử bao gồm một hạt nhân chứa proton và neutron, trong đó proton mang điện tích dương giúp duy trì tính toàn vẹn của nguyên tử, còn neutron không có điện tích Trong chương trình này, chúng ta sẽ thảo luận về vai trò của neutron trong việc bảo vệ bức xạ, đặc biệt là trong các phương thức hình ảnh khác.
Các electron quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo elip, không phải theo đường tròn như mô hình đơn giản thường thấy Khoảng cách mà electron duy trì từ hạt nhân được gọi là mức năng lượng Sự chuyển động này của electron tạo ra một loại năng lượng đặc trưng cho mỗi mức năng lượng.
Năng lượng được gọi là lực hướng tâm giữ cho các electron trong quỹ đạo quanh nhân nguyên tử Vận tốc của electron và khoảng cách từ nhân phụ thuộc vào điện tích âm của chúng, trong khi chúng quay, chúng bị thu hút bởi các điện tích dương của proton.
Trong slide này, chúng ta quan sát hai nguyên tử: một nguyên tử đơn giản với một electron và một proton, và một nguyên tử phức tạp hơn với ba electron và ba proton Sự gia tăng số lượng proton và electron cho thấy các vấn đề mà chúng đại diện cũng đang thay đổi Các slide tiếp theo sẽ minh họa rõ hơn về khái niệm này.
Phân loại của chất liệu và tầm quan trọng của nó đối với bức xạ
Hình 8: Phân loại chất liệu và tâm quan trọng của nó đối với bức xạ
Việc phân loại các loại vật chất là rất quan trọng đối với con người, vì mọi thứ đều được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Tùy thuộc vào loại vật chất, các bức xạ sẽ có những phản ứng khác nhau với xương và mô mềm.
Xương, cơ và mô mềm đều là các chất rắn trong cơ thể con người, nhưng chúng có tính chất nguyên tử khác nhau Xương là loại mô khó thâm nhập nhất với bức xạ, tiếp theo là cơ và cuối cùng là mô mềm, với tỷ lệ hấp thụ bức xạ thay đổi Khi bức xạ đi qua cơ thể, xương thường hấp thụ nhiều bức xạ hơn so với cơ bắp và mô mềm Điều này xảy ra do xương có mật độ nguyên tử cao hơn, khiến cho việc suy giảm bức xạ diễn ra dễ dàng hơn Với cấu trúc nguyên tử dày đặc hơn, xương có nhiều electron hơn, tạo điều kiện cho bức xạ va chạm nhiều hơn với các electron trong xương so với các mô mềm.
Chất lỏng có độ nhớt thay đổi, dẫn đến sự khác biệt trong tỷ lệ suy giảm giữa máu và các chất lỏng khác như nước tiểu Điều này đặc biệt quan trọng khi có sự hiện diện của một lượng lớn chất lỏng do một số bệnh, gây khó khăn trong việc phân tích kết quả.
13 có được hình ảnh chất lượng chẩn đoán bằng chụp X-quang Điều này là do chất lỏng với số lượng lớn là khó để thâm nhập
Khí trên mặt có cấu trúc nguyên tử tương tự như mô hình đơn giản đã trình bày Cụ thể, các nguyên tử như Hydrogen với electron độc thân không có đủ số lượng electron để làm giảm bức xạ, điều này ảnh hưởng đến độ ổn định của vật liệu.
Hình 9: Độ ổn định của vật liệu
Sự ổn định của vật chất có thể thay đổi khi có kích thích, chẳng hạn như khi điện được truyền qua dây đồng Sự chuyển động của electron tạo ra chuỗi sự kiện ion hóa, trong đó electron từ một nguyên tử va chạm với electron của nguyên tử lân cận, duy trì dòng chảy điện Khi electron di chuyển trong dây dẫn, cần có sự khác biệt điện thế để di chuyển electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác Khi pin kết nối với thiết bị và được bật, phản ứng hóa học trong pin gây ra ion hóa, tạo ra dòng electron Dòng electron này sẽ tiếp tục miễn là thiết bị hoạt động hoặc cho đến khi hóa chất trong pin bị ion hóa hoàn toàn.
Trong quá trình chụp X-quang, sự bất ổn xảy ra khi tia X tương tác với vật chất, cụ thể là các nguyên tử trong mô người Tia X va chạm ngẫu nhiên với electron, dẫn đến hiện tượng ion hóa khi electron bị tách ra khỏi quỹ đạo xung quanh hạt nhân Mặc dù cơ thể thường có khả năng sửa chữa sự bất ổn này ngay lập tức, nhưng tác động của tia X có thể dẫn đến những thay đổi vĩnh viễn trong chức năng của nguyên tử, hoặc trong một số trường hợp, nguyên tử có thể được phục hồi về trạng thái ban đầu, hoặc bị phá hủy hoàn toàn.
Vấn đề gây mất ổn định
Hình 10: Vấn đề gây mất ổn định
Sự ion hóa của vật liệu được mô tả thông qua sự chuyển động của các hạt electron có tốc độ cao, khi chúng va chạm với nguyên tử và tạo ra tia X Trong quá trình này, electron được phát ra từ cấu trúc của nguyên tử và tia X thay đổi quỹ đạo, di chuyển với tốc độ của ánh sáng Để xảy ra sự ion hóa, năng lượng va chạm phải đủ lớn để đẩy electron ra khỏi nguyên tử Tia X có thể trải qua hai loại tương tác tùy thuộc vào năng lượng ban đầu; nếu năng lượng cao, photon tia X sẽ va chạm với electron ở lớp vỏ ngoài và gây ra hiện tượng "rải rác" Khi điều này xảy ra, các photon vẫn có đủ năng lượng để tạo ra các tương tác khác với các nguyên tử khác Ngoài ra, còn có các loại tương tác khác mà trong đó photon tia X bị "hấp thụ" hoàn toàn bởi vật liệu Trong các phần tiếp theo, chúng tôi sẽ cung cấp thêm thông tin chi tiết về các tương tác bức xạ này.
Vật liệu không ổn định
Hình 11: Sự không ổn định
Vấn đề không ổn định tự nhiên, hay còn gọi là "phóng xạ", là sự phát ra bức xạ từ hạt nhân của nguyên tử Khi một nguyên tử bị phân rã một cách tự nhiên, năng lượng được giải phóng dưới dạng các hạt từ nhân Quá trình này xảy ra khi nguyên tử mất dần bức xạ từ hạt nhân của nó, dẫn đến sự chuyển đổi thành một loại nuclide khác Điều này có nghĩa là một "nuclide mẹ" sẽ phân tách để tạo ra các sản phẩm khác.
Phóng xạ cơ bản bao gồm ba loại bức xạ chính: alpha, beta và gamma Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào từng loại bức xạ để hiểu rõ hơn về chúng Mô hình được mô tả ở đây thể hiện sự phát ra của các hạt và một photon từ hạt nhân.
y tế đến từ đâu
Hình 12: Máy X quang trong y tế
Bức xạ có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm tia X từ ngoài trái đất, bức xạ tự nhiên và thiết bị tia X Sau khi Roentgen phát hiện ra tia X, việc phát triển thiết bị đã mất nhiều năm để đạt được độ tin cậy và an toàn như hiện nay Mặc dù chúng ta đã hiểu cách tia X tương tác với vật chất, nhưng quy trình sản xuất tia X trong ống tia X vẫn còn nhiều điều chưa rõ Công nghệ điều chỉnh trong ống tia X đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hình dạng và kích thước chùm tia bức xạ Ống chuẩn trực, với các tấm kim loại xếp chồng, giúp tạo ra kích thước khác nhau cho chùm tia Công nghệ này có thể tự động điều chỉnh phạm vi bức xạ dựa trên kích thước của phim chụp, được gọi là PBL (giới hạn chùm tia có ích).
Trong bức ảnh này, các ống x-quang được đặt trong các hộp hình chữ nhật ở đầu của hình ảnh.
quang
Sơ đồ này mô tả cấu trúc cơ bản của ống X quang, bao gồm ba thành phần chính Vỏ kính của ống thường được làm từ thủy tinh chịu nhiệt hoặc loại kính đặc biệt có khả năng chịu được nhiệt độ cao, khác biệt với kính thông thường trong nhà bếp Vỏ kính này mỏng nhưng phải đảm bảo giữ được áp suất chân không thấp, giúp ngăn chặn electron và tia X sản xuất ra va chạm với phân tử không khí Qua vỏ kính, người dùng có thể quan sát tất cả các bộ phận hoạt động bên trong.
Cực âm của ống tia X nằm bên tay phải của sơ đồ, bao gồm một "cốc tiêu điểm" với một hoặc hai sợi nhỏ cung cấp điện áp và dòng điện để tạo ra sự phát ra thermionic Sự phát ra thermionic là quá trình giải phóng electron từ sợi vonfram khi nó đạt đủ năng lượng, và những electron này sẽ được hướng tới tấm bia ở phía bên trái của ống tia X Tấm bia là điểm tiếp xúc của dòng electron trên cực dương của ống, trong khi ống tia X hiện đại thường có đĩa cực dương nằm ở giữa sơ đồ Đĩa này được gắn vào một khối quay, được thiết kế để xoay nhờ một thiết bị gọi là stato, bao gồm nhiều cuộn dây điện giúp rotor quay với tốc độ cao.
Hình 14: Hộp chứ ống X quang
Hộp chứa ống X quang là thiết bị quan trọng giúp giữ ống X quang an toàn và ổn định Nó được thiết kế để chịu nhiệt độ cao, do phần lớn năng lượng từ tia X được chuyển đổi thành nhiệt Trong sơ đồ, bạn sẽ thấy các thành phần chính như bộ chuẩn trực, cực âm và cực dương.
Hộp chứa ống X quang có chức năng quan trọng trong việc giảm nhiệt độ của ống khi phát ra tia X, do quá trình này tạo ra một lượng lớn nhiệt Để thực hiện nhiệm vụ này, hộp chứa được lấp đầy dầu, giúp làm mát vỏ kính nóng lên khi tia X được sinh ra Dầu không chỉ làm mát mà còn đóng vai trò như một bộ lọc nhẹ, cung cấp vật liệu cách điện tốt Ngoài ra, hầu hết các hộp chứa tia X còn được trang bị quạt làm mát, giúp lưu thông không khí mát xung quanh, từ đó giảm nhiệt độ nhanh chóng và nâng cao hiệu quả trong quá trình tạo ra tia X.
Hiểu cách tạo ra tia X
Hình 15: Điều kiện tạo ra tia X Để mà tạo ra tia X, 3 thứ phải sẵn sàng:
Sợi cathode là nguồn cung cấp electron, hoạt động khi kỹ thuật viên nhấn nút "cánh quạt nâng lên" để gửi dòng điện mạnh qua dây tóc, làm nó nóng và phát sáng Quá trình này, được gọi là "chiếu sáng," tạo ra một lượng lớn electron do dòng điện phải đi qua một dây dẫn có đường kính nhỏ, dẫn đến sự đông đúc của electron.
Khi sợi đốt phát ra electron, chúng tạo thành một "không gian mang" hay đám mây electron xung quanh dây tóc Các electron mang điện tích âm có xu hướng đẩy nhau trong vùng không gian này cho đến khi xảy ra sự tiếp xúc Đồng thời, các electron cũng làm cạn dây tóc và được gửi đến các cơ cảm ứng xung quanh "cánh quạt", khiến cánh quạt bắt đầu xoay với tốc độ cao Khi đạt được tốc độ quay bình thường, hệ thống sẵn sàng cho các tiếp xúc và kỹ thuật viên có thể nhấn nút.
Tại thời điểm tiếp xúc, điện áp cao giữa cathode và anode được thể hiện qua KVP (kg volt cao điểm), với KVP càng lớn thì lực hút giữa các electron và bề mặt đĩa anode càng mạnh KVP sẽ được điều chỉnh tùy thuộc vào từng bộ phận giải phẫu cần chụp x-quang Các electron được gia tốc sẽ di chuyển đến các mục tiêu vật liệu, được gọi là electron phóng.
# 3 Mục tiêu thực sự là đĩa anode tròn Các đĩa được kết nối với các cánh quạt và cánh quạt quay trong thời gian tiếp xúc.
Sự tiếp xúc của tia X
Hình 16 mô tả quá trình tạo ra tia X, trong đó electron di chuyển từ bên phải sang bên trái và tia X thoát ra ở phần đáy của ống Khi sợi đốt được nung nóng đến khoảng 2000°C - 3000°C, electron được phát ra Những electron này sau đó được tăng tốc nhờ vào điện áp cao của ống tia X, quyết định động năng của chúng Khi các electron va chạm vào bia ở anot, chỉ có 1% năng lượng được chuyển hóa thành tia X, trong khi 99% còn lại biến thành nhiệt năng.
Quá trình tạo ra tia X
Hình 17: Quá trình tương tác với tâm đích
Sơ đồ này minh họa cách electron va chạm với bề mặt tấm bia, tương tác với nguyên tử vonfram Trong bài thuyết trình này, chúng ta sẽ thảo luận về quá trình này Lưu ý rằng electron di chuyển với vận tốc cao hướng vào bề mặt anode, và sự tương tác này tạo ra tia X xuất hiện khoảng 5mm dưới bề mặt tấm bia.
Cấu trúc nguyên tử của vật liệu làm bia
Hình 18: Cấu trúc nguyển tử của vật liệu làm bia
Trong slide trước, chúng ta đã thảo luận về cấu trúc nguyên tử khác nhau của vật chất Nguyên tử bên trái có cấu trúc đơn giản với 4 electron, trong khi nguyên tử bên phải có mật độ electron cao hơn Khi một electron vận tốc cao di chuyển qua không gian giữa hai nguyên tử, có khả năng nó sẽ va chạm với electron của nguyên tử bên phải hơn là nguyên tử bên trái Vật liệu được sử dụng làm "bia" cho anode ống X quang là vonfram, một kim loại với số nguyên tử cao (74), cho phép nó có nhiều electron Việc có số nguyên tử cao hơn so với chất hấp thụ làm tăng xác suất va chạm giữa các electron, từ đó tạo ra tia X như sẽ được chứng minh.
Hình 19: Sự tạo ra tia X và phân loại bức xạ
Quá trình tạo ra tia X bắt đầu với việc electron được phát ra từ sợi đốt và được tập trung vào đĩa anode quay với tốc độ cao Công nghệ điều khiển vận tốc của electron rất quan trọng, được điều chỉnh thông qua kVp; khi kVp tăng, vận tốc electron cũng tăng theo Khi electron va chạm với vật liệu mục tiêu, chúng tạo ra hai loại tia X khác nhau, mà chúng ta sẽ thảo luận chi tiết hơn trong bài viết.
Bức xạ đặc trưng là loại bức xạ được phân loại dựa trên các đặc tính của vật liệu mục tiêu mà nó tương tác Điều này có nghĩa là khi sản xuất bức xạ đặc trưng từ các kim loại khác nhau, đặc điểm năng lượng của chúng sẽ khác nhau, chẳng hạn như sự khác biệt giữa bức xạ từ vonfram và các kim loại khác.
Bức xạ hãm, hay còn gọi là bức xạ phanh, là hiện tượng xảy ra khi các electron di chuyển nhanh chóng và va chạm với các vật liệu mục tiêu, từ đó tạo ra bức xạ.
Sự tạo ra bức xạ đặc trưng
Để hiểu sự tạo ra bức xạ đặc trưng tia X, cần thảo luận về mối quan hệ giữa hạt nhân và các lớp electron trong nguyên tử vonfram Trong ví dụ này, chỉ có 2 lớp electron được đề cập, trong khi thực tế nguyên tử vonfram có 6 lớp Các lớp electron được đánh dấu là K, L, M, N, O, P, tương ứng với các mức độ di chuyển ra xa hạt nhân Sự ổn định giữa khoảng cách của electron và hạt nhân được duy trì nhờ vào chuyển động quay quỹ đạo của electron Năng lượng của electron ở mỗi mức độ được gọi là năng lượng mức.
Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để loại bỏ các electron khỏi các mức năng lượng của nguyên tử Cụ thể, năng lượng liên kết của lớp K là 69,5 keV, trong khi lớp L có năng lượng liên kết chỉ 12,1 keV Điều này cho thấy rằng khi electron di chuyển ra xa khỏi hạt nhân, năng lượng liên kết của chúng giảm dần Để hiểu rõ hơn về các nguồn năng lượng liên kết, bạn có thể tham khảo hình 2.6 trong văn bản của Carlton.
Hình 21: Bức xạ đặc trưng
Trong sơ đồ này, chú ý rằng có 3 bước để xác định:
#1.Miêu tả sự phóng electron thông qua nguyên tử từ góc dưới bên phải quẹo phía trên bên trái.
