Bức xạ tia X là dạng bức xạ điện từ giống như ánh sáng. Giữa tia X và ánh sáng thường chỉ khác nhau về bước sóng. Trong kiểm tra vật liệu bằng chụp ảnh bức xạ thường sử dụng bức xạ tia X có bước sóng từ 10-2A0 đến 10A0 (1A0 = 10-10 m). Tần số dao động riêng ν, bước sóng xác định tính chất đặc trưng của bức xạ lan truyền trong không gian λ với tốc độ ánh sáng c liên hệ với nhau
theo: λ = c/ν (6.1)
Khi giảm bước sóng λ thì năng lượng bức xạE tăng lên. Do vậy tính chất hạt trội hơn tính chất sóng nên khả năng đâm xuyên mạnh hơn.
Nguồn phỏt ra bức xạ tia X là ống rửntgen (h.6.3). Đú là ống thủy tinh trong là chân không (1nm Hg) với hai điện cực cùng đối âm cực.
Hình 6.3- Một ống phát bức xạ tia X điển hình.
Nguồn phát electron là cuộn dây được gọi là cathode K. Khi có dòng điện từ 1 đến 5 (A) ở điện áp 4 – 12 (V), cuộn dây được đốt nóng đến dải nhiệt độ phát ra các electron.
Quá trình tăng tốc electron: Các electron sau khi được tạo ra từ cathode K sẽ phóng về anode A mang điện tích dương. Để tạo ra bức xạ cần thiết cho chụp ảnh thì điện áp giữa A và Kphải nằm trong khoảng từ 30kV30MV.
Bia: Bức xạ tia X được phát ra khi các electron đang phóng có năng lượng cao va đập vào tấm bia đối âm cực. Vật liệu dùng để làm bia c ần phải có các tính chất cần thiết như: nguyên tử số Z cao, nhiệt độ nóng chảy cao, độ dẫn nhiệt lớn. Wolfram là kim loại có tất cả các tính chất trên. Bia được gắn với cốc anode bằng đồng.
Kết quả là của va đập là phát ra bức xạ đặc trưng và bức xạ hãm có phổ là nền liên tục và vạch đặc trưng (h.6.4).
Bức xạ đặc trưng với phổ vạch chỉ xuất hiện trong trường hợp khi electron e* được tăng tốc tác động tương hỗ với anode có năng lượng cao, ví dụ đủ để đảm bảo dịch chuyển các electron thuộc lớp K của các nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn. Như vậy xảy ra dịch chuyển ngược tức thời
của electron từ ngoài vào trong, ví dụ từ lớp L vào lớp K. Điều này kéo theo bức xạ đặc trưng có tần số ν, ứng với ΔE– chênh lệch năng lượng giữa mức ngoài và trong (ví dụ lớpK vàL) (h. VII.4):
ΔE= EK–EL =h ν (6.2) Trong đó
h– hằng số Plank (h = 6,625.10-34J/s)
Bức xạ đặc trưng được sử dụng khi phân tích phổ và cấu trúc roentgen trạng thái vật chất. Vì mỗi nguyên tố có năng lượng liên kế t các electron trên vỏ nguyên tử hoàn toàn xác định, do đó mỗi chất ứng với phổ vạch hoàn toàn xác định.
dày bia. Vì vậy trong phổ roentgen thì bức xạ phát ra trong ống, lượng tử có đủ các mức năng lượng khác nhau. Khi bước sóng nhỏ nhất thì toàn bộ động năng electronE sẽ chuyển thành năng lượng bức xạ roentgen lớn nhất Emax, tức là:
Emax= hνo= hc/λo
Cân bằngE và Emaxnhận được λo=
U eU
c
h. ,124.106 (6.4) 6.2.2. Bức xạ gamma (γ)
Hình 6.4- Phổ bức xạ tia X
Bức xạ hãm với phổ liên tục xuất hiện khi các electron với năng lượng khác nhau thoát khỏi cathode dập “từ từ ” vào bia. Động năng E của electron trên bề mặt bia bằng:
E =eU (6.3)
Trong đó
e- điện tích (e = 1,6.10-19 C) U – điện áp anode của ống (V) Do tốc độ của electron phân bố theo định luật Maxwell nên các electron này bị hãm dần theo chiều
Hình 6.5- Cấu tạo nguyên tử
Bức xạ gamma là loại bức xạ sóng điện từ giống như bức xạ tia X nhưng chúng thường có bước sóng ngắn hơn (10-3 – 4.10-2 A0 ) và có khả năng xuyên sâu hơn bức xạ tia X. Bức xạ này được phát ra từ biến đổi bên trong hạt nhân các đồng vị phóng xạ tự nhiên hoặc nhân tạo khi phân rã, khác với bức xạ tia X được phát ra ở bên ngoài hạt nhân. Đồng thời với các lượng tử (photon) γ, các hạtα (hạt nhân helium 2He4) và hạt β (electron 1β0).
Quãng chạy (khả năng đâm xuyên) của các hạt α trong vật chất rất ngắn.
Khả năng đâm xuyên của các hạt β lớn hơn, chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn khi truyền qua tấm nhôm dày khoảng 4 mm.
Tùy thuộc vào năng lượng, lượng tử γ có khả năng đâm xuyên lớn hơn nhiều so với các hạt α, β. Đó là nguyên nhân chính để tia γ được dùng trong kiểm tra chất lượng các liên kết hàn.
Hình 6.6- Phổ vạch của nguồn phóng xạ gamma Các nguồn đồng vị phóng xạ nhận được bằng cách kích hoạt “phôi” trong chùm neutron của lò phản ứng hạt nhân (như Co -60 và Ir-192), hoặc do việc chiết tách các sản phẩm phân hạch của lò phản ứng (như Cs -137 và Sr-90).
Sơ đồ phân rã của đồng vị phóng xạ như Co -60 có thể được chỉ ra th eo:
27Co60 1β0 + 0γ0 + 28Ni60
6.2.3. Tính chất chung
Bức xạ tia X và tia gamma là bức xạ sóng điện từ, nên có những tính chất giống nhau dưới đây :
- Không thể nhìn thấy và cảm nhận được chúng bằng các giác quan người.
- Làm các chất (kẽm sulfide, canxi tungstate, kim cương, barium platinocyanide...) phát huỳnh quang.
- Chúng truyền với tốc độ ánh sáng nghĩa là v= c =3.108m/s.
- Gây nguy hại cho tế bào sống.
- Gây ra sự ion hoá, chúng có thể tách các electron ra khỏi các nguyên tử khí để tạo ra các ion dương và âm.
- Truyền theo đường thẳng, là bức xạ sóng điện từ nên tia X hoặc tia gamma cũng có thể bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ.
Khác với phổ bức xạ tia X là liên tục thì phổ bức xạ gamma là gián đoạn (phổ vạch), ngưỡng giá trị của bước sóng trong thực tế phụ thuộc vào sự phát xạ của hạt nhân nghĩa là nguồn phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ có thể phát ra bức xạ có một hoặc nhiều bước sóng (h.6.6)
- Tuân theo định luật tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách
- Có thể đâm xuyên qua những vật liệu mà ánh sáng không thể xuyên qua được. Độ xuyên sâu phụ thuộc vào năng lượng bức xạ, mật độ, chiều dày vật liệu.
- Chúng tác động lên lớp nhũ tương film.