Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm Electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc Primus dùng trong xạ trị

số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS dùng trong xạ trị ”. Em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ các Thầy, Cô giáo, các Nhân viên Phòng Vật lý Xạ trị Bệnh viện K Hà Nội và sự động viên giúp đỡ nhiệt tình của gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Quý Thầy, Cô giáo khoa Vật Lý, Phòng Sau Đại Học trường Đại Học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Vật lý Xạ trị Bệnh viện K Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để em tiến hành các phép đo thực nghiệm. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Bùi Văn Loát chủ nhiệm đề tài QG 09 – 07 cho phép em tham gia đề tài và lấy số liệu một số phép đo để khai thác số liệu gốc, xử lý và hoàn chỉnh phần thực nghiệm của luận văn. Đồng thời Phó Giáo Sư Tiến Sĩ Bùi Văn Loát cũng là người đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên khích lệ và tạo mọi điều kiện để tôi học tập và hoàn thành luận văn. Dù đã có nhiều cố gắng trong suốt thời gian thực hiện đề tài, song khó mà tránh khỏi những thiếu sót trong luận văn. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, Cô giáo, bạn bè và những người quan tâm tới đề tài. TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010 Tác giả Hà Văn Hải Danh mục các chữ viết tắt: Bq Becquerel CCU Control Unit Ci Curie C/kg Coulomb/kilôgam CT Computed tomography Gy Gray IAEA International atomic energy agency ICRP International Commission on Radiological Protection LET Linear energy transfer M Mitotic MRI Magnetic resonance imaging S Sythesis SSD Source to Surface Distance Sv Sievert R Roentgen Rad Radiation absorbed dose Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt – Anh: Buồng ion hóa Farmer Farmer chamber Buồng ion hóa chính Field Ion chamber Buồng ion hóa tham chiếu Reference Ion chamber Chụp cắt lớp Computed tomography Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế International atomic energy agency Độ truyền năng lượng tuyến tính Linear energy transfer Hình ảnh cộng hưởng từ Magnetic resonance imaging Pha phase Phát bức xạ Cerenkov phát bức xạ hãm Bremstrahlung Phân chia Mitotic Sự tổng hợp Sythesis Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế International Commission on Radiological Protection Danh mục các bảng biểu: Bảng số Tên bảng Trang Bảng 1.1 Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ 18 Bảng 1.2 Giá trị LET trung bình trong nước của một bức xạ ion hóa 20 Bảng 1.3 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc với bức xạ tại thời điểm khác nhau 21 Bảng 3.1 Liều hấp thụ tương đối do chùm electron 6 MeV gây ra trong phantom ứng với các trường chiếu khác nhau 55 Bảng 3.2 Liều hấp thụ tương đối do chùm electron 9 MeV gây ra trong phantom ứng với các trường chiếu khác nhau 61 Bảng 3.3 Liều hấp thụ tương đối do chùm electron 15 MeV gây ra trong phantom ứng với các trường chiếu khác nhau 67 Bảng 3.4 Phân bố liều hấp thụ ứng với chùm electron năng lượng 6 MeV ở trường chiếu 10cm x 10cm với độ lệch tâm khác nhau 73 Bảng 3.5 Phân bố liều hấp thụ ứng với chùm electron 9 MeV ở trường chiếu 10cm x 10cm với độ lệch tâm khác nhau 75 Bảng 3.6 Phân bố liều hấp thụ ứng với chùm electron 15 MeV ở trường chiếu 10cm x 10cm với độ lệch tâm khác nhau 76 Danh mục các hình vẽ: Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu tạo tế bào của cơ thể người 22 Hình1.2 Chu kỳ sinh sản của tế bào 24 Hình 1.3 Mối tương quan giữa liều lượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót của tế bào 26 Hình 1.4 Mối tương quan giữa liều hấp thụ và sai sót của nhiễm sắc thể 27 Hình 1.5 Mô hình hệ thống xạ trị cơ bản 32 Hình 2.1 Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị 33 Hình 2.2a Sắp xếp các ống tạo sự gia tốc 37 Hình2.2 b Sắp xếp các ống tạo sự gia tốc 37 Hình 2.3 Sơ đồ mặt cắt một máy gia tốc tuyến tính năng lượng cao cho xạ trị (Các thành phần bên trong chứa trong khung đỡ 40 và dàn quay) Hình 2.4 Bàn điều khiển (trung tâm hoạt động của máy gia tốc tuyến tính) 41 Hình 2.5a Hình cắt đầu điều trị của một máy gia tốc tuyến tính cho chùm electron và photon 42 Hình 2.5b Sơ đồ mặt cắt đầu điều trị của một máy gia tốc tuyến tính cho chùm photon và electron 42 Hình2.6 Thiết bị đo liều Dosimeter 43 Hình 2.7 Đầu đo Farmer type chamber FC65 – P 44 Hình 2.8 Buồng ion hóa CC13 46 Hình 2.9 Phantom nước 46 Hình 2.10 Bộ điều khiển của buồng ion hóa CCU 47 Hình 2.11 Giao diện phần mềm Omnipro-Accepts 48 Hình 2.12 Bố trí hình học đo đạc 49 Hình 2.13 Phổ năng lượng của chùm electron và các thông số của nó 50 Hình2.14 Sự phân bố liều hấp thụ trong phantom nước 52 Hình 3.1 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 6 MeV trường chiếu 5cm x 5cm 56 Hình 3.2 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm electron năng lượng 6 MeV trường chiếu 10cm x 10cm 57 Hình 3.3 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm electron năng lượng 6 MeV trường chiếu 15cm X 15cm 58 Hình 3.4 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 9 MeV trường chiếu 5cm X 5cm 62 Hình 3.5 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm electron năng lượng 9 MeV trường chiếu 10cm X 10cm 63 Hình 3.6 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm electron năng lượng 9 MeV trường chiếu 15cm X 15cm 64 Hình 3.7 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 15 MeV trường chiếu 5cm X 5cm 68 Hình 3.8 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm electron năng lượng 15 MeV trường chiếu 10cm X 10cm 69 Hình 3.9 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm 70 electron năng lượng 15 MeV trường chiếu 15cm x 15cm Hình 3.10 Đường cong phân bố liều hấp thụ theo khoảng cách tới trục của chùm electron 6 MeV ở nhiệt độ 200C áp suất 1 at 74 Hình 3.11 Đường cong phân bố liều hấp thụ theo khoảng cách tới trục của chùm electron 9 MeV ở nhiệt độ 200C áp suất 1 at 75 Hình 3.12 Đường cong phân bố liều hấp thụ theo khoảng cách tới trục của chùm electron 15 MeV ở nhiệt độ 200C áp suất 1 at 77 Mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó. Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả của hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II. Và gần đây nhất là thảm họa về tai nạn nhà máy điện hạt nhân Mayak, ngày 29 tháng 09 năm 1957 và nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng 04 năm 1986 [13]. Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao chất lượng cuộc sống đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính. Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đích phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát, thì nó có tác hại vô cùng to lớn. Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống, thì bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng. Bức xạ được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu xạ, trong việc tạo giống mới và trong điều trị ung thư.... Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm electron nói riêng trong xạ trị là: - Tương tác của chùm electron với vật chất. - Các hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể sống khi chiếu chùm electron. Trong cuộc sống có rất nhiều nguyên nhân và rất nhiều căn bệnh làm giảm tuổi thọ con người hoặc làm cuộc sống trở nên vô nghĩa vì luôn bị hành hạ bởi những cơn đau kéo dài. Một trong những nguyên nhân rất lớn gây hại cho cuộc sống đó là bệnh ung thư. Ung thư là một tập hợp các bệnh được biểu thị bởi sự phát triển lan rộng khối u. “Vấn đề ung thư” là một vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa nhất ở Châu Âu, vượt qua cả bệnh tim và là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao. Ở Canada và Mỹ có tới 130 000 và 1 200 000 người mỗi năm được chuẩn đoán là mắc bệnh ung thư [2]. Đặc biệt là ở những nước đang phát triển như Việt Nam các yếu tố môi trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực sự hợp vệ sinh… là những nguyên nhân làm gia tăng số người bị bệnh ung thư. Theo thống kê từ Bộ trưởng Y tế Đỗ Nguyên Phương cách đây gần chục năm. Theo đó mỗi năm nước ta có khoảng 150 000 người mắc ung thư và 100 000 người chết [12]. Việc điều trị ung thư bằng tia xạ đã có một quá trình lịch sử rất lâu dài có thể nói từ năm 1895, khi Roentgen phát hiện ra tia X và tới ngày 27 tháng 10 năm 1951 bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng tia gamma Coban-60. Việc ra đời sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị ung thư gặp khá nhiều vấn đề bất cập. Chính vì vậy có thể nói ảnh hưởng lớn nhất lên kỹ thuật xạ trị hiện đại là sự phát minh ra máy gia tốc tuyến tính vào những năm 1960. Từ đó tới nay, cùng với việc ứng dụng công nghệ thông tin, và các kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào trong xạ trị bằng máy gia tốc, kết hợp với việc cải tiến về phần cơ khí đã làm cho phương pháp xạ trị đang dần thay thế hoàn toàn các phương pháp xạ trị từ xa khác, đem lại hiệu quả ngày càng cao trong điều trị ung thư. Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh viện K Hà Nội) đã dùng máy Coban, các nguồn radium vào trong xạ trị. Bên cạnh đó, một số cơ sở y tế khác như bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 đã sử dụng các đồng vị phóng xạ trong điều trị ung thư. Máy gia tốc được đưa vào Việt Nam từ tháng 1 năm 2001 tại Bệnh Viện K – Hà Nội. Hiện nay ngoài bệnh viện K – Hà Nội, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị như Bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương,… Phương pháp xạ trị từ xa dùng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển mạnh ở nước ta. Tuy nhiên số lượng máy còn quá ít so với yêu cầu thực tế. Và đây cũng là thiết bị mới đòi hỏi người sử dụng phải có kỹ thuật chuyên môn cao. Vấn đề nguồn nhân lực của nước ta để đáp ứng nhu cầu khai thác, sử dụng triệt để máy còn hạn chế chứ chưa nói đến những vấn đề sửa chữa, nâng cấp và chế tạo mới. Chính vì vậy việc tìm hiểu và quảng bá những kiến thức về xạ trị, nguyên lý hoạt động của máy và tìm hiểu chính xác những thông số mà tia xạ của máy phát ra, để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân là vấn đề rất cần thiết. Nên tôi đã chọn đề tài: “Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS dùng trong xạ trị ”. Mục đích của đề tài đặt ra: Tìm hiểu phương pháp dùng chùm electron trong xạ trị và những ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác. Tìm hiểu cơ chế phát chùm electron của máy PRIMUS – SIEMENS và khảo sát bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của chùm electron phát ra từ máy PRIMUS – SIEMENS Dựa trên kết quả thực nghiệm thu được tiến hành thảo luận để rút ra kết luận về năng lượng đặc trưng và xác định phân bố liều hấp thụ của chùm electron với năng lượng khác nhau. Bảng luận văn này dài 81 trang gồm 39 hình vẽ và bảng biểu. Ngoài phần mở đầu và kết luận bảng luận văn này được chia thành ba chương: Chương 1: Phương pháp xạ trị dùng chùm electron đề cập đến cơ chế sinh học của việc sử dụng chùm electron trong xạ trị. Chương 2. Máy gia tốc PRIMUS - SIEMENS dùng trong xạ trị đề cập đến nguyên lý của loại máy gia tốc electron nói chung và của máy PRIMUS – SIEMENS nói riêng. Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận tiến hành thực nghiệm đo năng lượng và xác định phân bố liều của chùm electron. Dựa trên kết quả thực nghiệm tiến hành thảo luận để sử dụng chùm electron lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS trong điều trị ung thư một cách hiệu quả nhất. Chương 1. PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG CHÙM ELECTRON 1.1. Tương tác của electron với vật chất Khi Electron đi trong môi trường vật chất nó tương tác chủ yếu với electron trong nguyên tử của môi trường. Do hai hạt tương tác giống hệt nhau nên mỗi lần tương tác hạt electron sẽ có xác suất rất cao mất phần năng lượng của mình. Đồng thời đường đi của nó trong môi trường là ziczăc, góc tán xạ biến đổi từ 00 đến 1800. Do mất dần năng lượng nên vận tốc của nó cũng giảm dần. Mặt khác, hạt electron là một hạt tích điện tích âm, có vận tốc chuyển động thay đổi liên tục nghĩa là nó chuyển động có gia tốc trong trường coulomb của các hạt nhân và các electron khác. Theo điện động lực học, một hạt tích điện chuyển động có gia tốc như vậy sẽ phát ra bức xạ hãm. Hơn nữa, xác suất phát bức xạ hãm càng lớn nếu khối lượng của hạt càng nhỏ, năng lượng (động năng) càng lớn và nguyên tử số của môi trường càng lớn. Do đó, khi hạt electron có động năng lớn chuyển động trong môi trường có nguyên tử số lớn thì xác suất phát bức xạ hãm rất cao [1, 6, 9, 11, 16]. Do đó, độ mất mát năng lượng của electron trên một đơn vị đường đi bằng tổng độ mất mát năng lượng do cả hai quá trình trên. Ta có: bcvc dX dE dX dE dX dE              (1.1) Trong đó:       dX dE là độ mất mát năng lượng tổng cộng. vcdX dE       là độ mất mát năng lượng do ion hóa. bcdX dE       là độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm. Tùy theo năng lượng của bức xạ electron và nguyên tử số của môi trường mà độ mất mát năng lượng của electron trong môi trường do mỗi quá trình trên sẽ có mức độ khác nhau. Trong các môi trường có nguyên tử số lớn gần nhau thì độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi cũng có đặc điểm chung. Sau đây ta sẽ xét riêng từng quá trình làm mất mát năng lượng của hạt electron trong môi trường. 1.1.1. Quá trình kích thích và ion hóa nguyên tử môi trường Khi đi trong môi trường, do tương tác coulomb với các electron của nguyên tử môi trường, electron tới truyền năng lượng của mình cho các electron của nguyên tử môi trường [9]. Nếu năng lượng electron nhận được E lớn hơn thế năng ion hóa của nguyên tử môi trường , electron bay ra khỏi nguyên tử. Như vậy một cặp ion dương – electron được tạo thành, ta nói nguyên tử bị ion hóa. Nếu E năng lượng nhận được nhỏ hơn thế năng ion hóa, electron nhảy ra quỹ đạo xa hơn. Nguyên tử ở trạng thái kích thích. Quá trình tương tác của hạt electron với electron nguyên tử môi trường mà năng lượng của electron bị mất đi, đồng thời hướng chuyển động của nó bị lệch đi gọi là quá trình tán xạ không đàn hồi của electron – electron. Trong quá trình tán xạ này, do hai hạt có khối lượng giống nhau nên xác suất để electron tới nói chung mất một nửa năng lượng của mình là lớn nhất. Độ mất mát năng lượng của electron trên một đơn vị đường đi được [9, 15, 16] xác định theo công thức Bethe – Bloch:                     Z C kF cmI kk A Z cmrN dx dE v e eeA col    )( /2 1 ln 1 ...2 2 2 2 22 (1.2) Trong đó: coldx dE        là độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do ion hóa. NA là số Avôgađrô; re, me là bán kính cổ điển tính ra cm và khối lượng của electron; Z, A là điện tích và số khối của môi trường; c v  với v là vận tốc của hạt electron, còn c là vận tốc ánh sáng; k là động năng của hạt electron tính trong đơn vị mec 2,  , CV là hệ số hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của động năng. Hàm F(k) có dạng như sau: F(k) = 1 - 2 2 2 )1( 2ln).12( 8    k k k  (1.3) Công thức xác định độ mất mát năng lượng của bức xạ electron trên một đơn vị đường đi do quá trình kích thích môi trường và ion hóa do va chạm rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào năng lượng của hạt electron, số khối và điện tích của nguyên tử môi trường, mật độ khối của môi trường. Có thể diễn tả một cách ngắn gọn, với bức xạ electron có năng lượng xác định, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do quá trình ion hóa và kích thích nguyên tử môi trường tỷ lệ thuận với mật độ môi trường. Còn với môi trường xác định, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do quá trình này giảm dần sau đó đạt giá trị hầu như không đổi. Khi năng lượng của bức xạ electron còn nhỏ, sự mất mát năng lượng của nó chủ yếu là do quá trình ion hóa do va chạm và kích thích môi trường, sự mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm nhỏ hơn. Tuy nhiên, khi năng lượng của bức xạ electron tăng lên, độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường chiếm tỉ lệ nhỏ dần, còn độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng dần. Khi năng lượng của electron đạt đến giá trị đủ lớn thì độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm sẽ trở thành chiếm ưu thế [9]. 1.1.2. Quá trình phát bức xạ hãm Do electron mang điện tích đi vào trong trường coulomb của hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương nó bị hút nên bị hãm lại nghĩa là vận tốc giảm dần, chuyển động có gia tốc. Gia tốc này càng lớn khi điện tích của hạt nhân càng lớn. Theo điện động lực học, một hạt mang điện tích chuyển động có gia tốc sẽ phát ra bức xạ điện từ gọi là bức xạ hãm. Bức xạ hãm có phổ liên tục, năng lượng từ không đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt electron. Độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm trên một đơn vị đường đi phụ thuộc vào nguyên tử số của môi trường, mật độ khối của môi trường, năng lượng của hạt electron được [8, 9] xác định theo công thức sau:               zf cm E rZEN dx dE e e bx 3 1 . 2 ln. 137 1 ....4 2 22 (1.4) Trong đó: bxdx dE        là độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do phát bức xạ hãm. N là số nguyên tử khối của môi trường trong một đơn vị thể tích (mật độ khối). E là động năng của electron, me là khối lượng nghỉ của electron. Z là điện tích của hạt nhân. Từ công thức (1.4) ta thấy mật độ mất mát năng lượng của hạt electron do phát ra bức xạ hãm tăng theo hàm logarit tự nhiên của năng lượng. Với mức năng lượng lớn, khi năng lượng electron tăng thì mật độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng lên nhưng độ mất mát năng lượng do ion hóa lại không thay đổi. Độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do phát bức xạ hãm cũng tỷ lệ với số hạt nhân bia. Nói chung, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi của hạt electron phụ thuộc vào nguyên tử số của môi trường. Với một môi trường xác định, khi năng lượng của chùm electron còn nhỏ thì độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường chiếm ưu thế, hay tỷ số giữa độ mất mát năng lượng do bức xạ hãm với độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường nhỏ hơn một. Tỉ số này tăng dần khi năng lượng của electron tăng lên. Khi năng lượng của hạt electron đạt đến một giá trị ngưỡng E0 nào đó, gọi là năng lượng tới hạn thì tỉ số trên bằng một, nghĩa là khi đó độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do hai hiệu ứng bằng nhau: bxvc dx dE dx dE             (1.5) Khi năng lượng E > E0 thì tỉ số trên lớn hơn một, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm chiếm ưu thế. Từ thực nghiệm cho thấy rằng các năng lượng tới hạn Ec nói trên phụ thuộc vào điện tích hay nguyên tử số môi trường. Khi năng lượng của hạt electron cỡ từ vài MeV trở lên, độ mất mát năng lượng của nó do phát bức xạ hãm và do kích thích – ion hóa môi trường có thể liên hệ với nhau bằng biểu thức [8, 9, 11, 15]: 800 EZ dx dE dx dE vc bx              (1.6) Trong đó: E là năng lượng của hạt electron; Z là nguyên tử số của môi trường. Từ công thức (1.6) trên ta thấy, năng lượng tới hạn ứng với tỉ số ở vế trái bằng một, nghĩa là khi đó Z Ec 800  . Rõ ràng nguyên tử số của môi trường càng lớn thì năng lượng tới hạn càng giảm. Chính xác hơn, người ta tính được năng lượng tới hạn theo nguyên tử số của môi trường [9]. EC = MeV Z 2,1 800  (1.7) Khi năng lượng của hạt electron lớn hơn năng lượng tới hạn rất nhiều, sự mất mát năng lượng do quá trình bức xạ chiếm tỉ lệ lớn, nghĩa là hạt electron mất mát năng lượng chủ yếu do phát bức xạ hãm. Môi trường có khả năng hãm bức xạ electron tốt là môi trường mà chùm bức xạ chuyển động trong đó bị mất mát năng lượng nhanh nhất. Người ta sử dụng chiều dài làm chậm bức xạ của một môi trường để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ electron của nó. Chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường là khoảng cách mà chùm electron chuyển động trong môi trường đó thì năng lượng sẽ bị giảm đi một hệ số 367,0 1  e do phát bức xạ hãm. Chiều dài làm chậm được tính bằng công thức sau [9]:         Z ZZ A X 287 ln).1.( .4,716 0 (1.8) Trong đó: Z, A là điện tích và số khối của nguyên tử môi trường. Khi môi trường có cấu tạo gồm nhiều thành phần nguyên tử khác nhau thì chiều dài làm chậm bức xạ của nó được xác định theo chiều dài làm chậm của tất cả các thành phần có trong nó. Lúc này có thể xác định chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường phức tạp bằng công thức: iM i n i i XA A q X 1 .. 1 10    (1.9) Trong đó: X0 là chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường phức tạp. qi là hàm lượng nguyên tử số của môi trường. AM =   n i iA 1 là số khối hiệu dụng của môi trường. Xi là chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường chỉ có nguyên tử có số khối Ai. Trong thực nghiệm người ta đi xây dựng một hệ thống số liệu về chiều dài làm chậm bức xạ của từng nguyên tố để làm cơ sở tính chiều dài làm chậm của các môi trường phức tạp. Từ khái niệm về chiều dài làm chậm bức xạ, ta có thể đưa ra công thức tính năng lượng trung bình của hạt electron sau khi đi được đoạn đường trong môi trường có chiều dài làm chậm bức xạ X0 là [9]. )exp(. 0 0 X x EE  (1.10) Trong đó: E0 là năng lượng ban đầu của bức xạ electron. X0 là chiều dài bức xạ của môi trường. E là năng lượng trung bình của hạt electron sau khi đi được đoạn đường x. 1.1.3. Quãng chạy của chùm electron trong vật chất Do quỹ đạo của electron là đường ziczăc do đó quãng đường thực sự mà các electron có năng lượng như nhau đi trong vật chất rất khác nhau. Quãng chạy của electron có năng lượng xác định, được hiểu là bề dày lớp vật chất có khả năng hãm hoàn toàn chùm electron được tính theo phương chuyển động của electron theo hướng vuông góc với bề mặt của lớp vật chất. Quãng chạy của electron trong vật chất phụ thuộc vào năng lượng electron và môi trường thường được xác định theo công thức bán thực nghiệm. Với năng lượng ban đầu của electron nhỏ hơn 3 MeV, trong [9, 15] đưa ra công thức xác định quãng chạy của electron trong vật chất như sau: )14,221( 11,0 2 0  ER  (1.11) Trong đó:  là mật độ khối của môi trường (g/cm3). E0 là năng lượng ban đầu của electron, tính ra MeV. R là quãng chạy của electron tính ra cm. Gần đúng bậc nhất, quãng chạy của electron tỉ lệ thuận với năng lượng ban đầu của electron và tỉ lệ nghịch với mật độ khối của môi trường. Khi năng lượng của electron lớn hơn 1 MeV (E0 > 1 MeV) sự phụ thuộc của quãng chạy của electron vào năng lượng của nó trong môi trường được [15] biểu diễn bằng công thức sau: )161,0.571,0( 1 0  ER  khi E0 > 1 MeV (1.12) Các đại lượng  , E0 và R đã được giải thích trong công thức (1.11). Từ các công thức (1.11) và (1.12) nhận thấy quãng chạy của electron, được tính theo bề dày khối, chỉ phụ thuộc vào năng lượng của electron. 1.2. Các đơn vị đo liều bức xạ 1.2.1. Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ nào đó chính là số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Nếu trong một lượng chất phóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, thì hoạt độ phóng xạ của nó được [3, 9] tính theo công thức sau: )exp()exp(.. )0(0)()( tAtNN dt dN A tt   hay A = . N (1.13) Trong đó: A là hoạt độ phóng xạ.  là hằng số phân rã phóng xạ. N là số hạt nhân phóng xạ hiện có. Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel, viết tắt là Bq. Một Becquerel tương ứng với một phân rã trong 1 giây. Trước kia, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Curie, viết tắt là Ci. Curie là hoạt độ phóng xạ của 1 gam 226Ra, tương ứng với 3,7.1010 phân rã trong một giây. Theo định nghĩa, Becquerel và Curie có mối liên hệ như sau: 1Ci = 3,7.1010Bq. 1.2.2. Liều chiếu và suất liều chiếu a. Liều chiếu Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, trong môi trường chiếu xạ là không khí. Liều chiếu ký hiệu là X, được [3, 4, 9] xác định theo công thức: dm dQ X  (1.14) Trong đó: dm là khối lượng không khí tại đó chùm tia X hoặc chùm bức xạ gamma bị hấp thụ hoàn toàn, kết quả tạo ra trên dm tổng các điện tích cùng dấu là dQ. Trong hệ đo SI, đơn vị đo liều chiếu là Coulomb trên kilôgam, viết tắt là C/kg. Coulomb trên kilôgam được định nghĩa như sau: "1 C/kg là liều bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1 kilôgam không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó 1 Coulomb ion cùng dấu". Ngoài đơn vị C/kg, trong kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo liều chiếu là Rơnghen, viết tắt là R. Theo định nghĩa Rơnghen là một lượng bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1 kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó tổng điện tích của các ion cùng dấu là 2,58.10-4 C. Theo định nghĩa có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilôgam sang Rơnghen theo tỷ lệ như sau: 1 R = 2,58.10-4 C/kg. b. Suất liều chiếu Suất liều chiếu chính là liều chiếu trong một đơn vị thời gian. Suất liều chiếu, ký hiệu là  X được [3, 4, 9] xác định theo công thức: t X X   (1.15 a) Trong đó: X là liều chiếu trong thời gian t. Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s. Tuy nhiên trong thực nghiệm đơn vị đo suất liều chiếu thường dùng là Rơnghen/giờ. Rơnghen/giờ được ký hiệu là R/h, thông thường suất liều chiếu thường dùng nhiều hơn cả là R/h. Với một nguồn phóng xạ, suất liều chiếu do nó gây ra tại một điểm cho trước tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ của nó và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ điểm đó tới nguồn. Xét một nguồn phóng xạ có kích thước nhỏ, có độ phóng xạ A, suất liều chiếu do nó gây ra tại điểm M cách nguồn một khoảng d được [9] xác định theo công thức gần đúng sau: 2 ..525,0 d AE X   (1.15 b) Trong đó: d là khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn được đo bằng mét. E là năng lượng trung bình của bức xạ gamma tính trên một phân rã. A là hoạt độ phóng xạ của nguồn phóng xạ được đo bằng Ci.  X là suất liều chiếu được đo bằng R/h. 1.2.3. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ a. Liều hấp thụ Thực tế cho thấy những sự thay đổi trong môi trường chiếu xạ phụ thuộc chủ yếu vào liều hấp thụ và liều tương đương. Với khái niệm liều hấp thụ và liều tương đương, cho phép mở rộng đối tượng bức xạ nghiên cứu và môi trường chiếu xạ. Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trường chiếu xạ là không khí. Còn liều hấp thụ và liều tương đương sẽ áp dụng cho các loại bức xạ ion hóa khác nhau và môi trường được chiếu xạ khác nhau. Liều hấp thụ ký hiệu là D, được định nghĩa là thương số dE dm . Trong đó dE là năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho lượng vật chất môi trường có khối lượng là dm [3, 9]. Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là June/kilôgam, viết tắt là J/kg. 1 J/kg là lượng bức xạ chiếu vào môi trường chiếu xạ sao cho chúng truyền cho 1 kg môi trường vật chất đó một năng lượng là 1 J. Trong thực tế, ngoài đơn vị đo liều hấp thụ là J/kg, người ta còn dùng đơn vị là Gray viết tắt là Gy và Rad để đo liều hấp thụ. Rad được viết tắt từ: “Radiation absorbed dose”. Chuyển đổi từ J/kg sang Rad hoặc Gray và ngược lại theo tỷ lệ sau [9, 11]: 1 Gy = 1 J/kg 10-2 J/kg = 1rad. 1 Gy = 1J/kg = 102 rad. Qua các định nghĩa trên về liều hấp thụ và liều chiếu, nhận thấy giữa liều chiếu hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ với nhau. Với loại bức xạ ion hóa xác định, môi trường chiếu xạ cho trước, thì liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu. Liều hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ nhau theo công thức sau [3, 9]: D = f.X (1.16) Trong đó: D là liều hấp thụ; X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ f thực chất là hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ. Giá trị của f tùy thuộc vào môi trường chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tương ứng. Đối với không khí và trong nước hệ số tỷ lệ f = 0,869 rad R . b. Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ  D chính là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Suất liều hấp thụ được [3, 9] xác định theo công thức: t D D  * (1.17) Trong đó: D là liều hấp thụ trong thời gian t. Đơn vị đo suất liều hấp thụ là Gy/s hay rad/s. 1.2.4. Liều tương đương và suất liều tương đương a. Liều tương đương Đối với sinh vật và cơ thể sống, dưới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn đến hiện tượng làm biến đổi hoặc gây tổn thương nào đó cho đối tượng được chiếu xạ. Người ta gọi hiện tượng trên là hiệu ứng sinh học. Với liều hấp thụ D cho trước, hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ được sử dụng, điều kiện chiếu xạ, khoảng thời gian chiếu xạ. Đối với một sinh vật cho trước, để gây ra một tổn thương xác định, trong các lần chiếu khác nhau thì cần một liều hấp thụ khác nhau. Khi đánh giá ảnh hưởng của bức xạ đến hiệu ứng sinh học, thay cho liều hấp thụ ta dùng liều tương đương, ký hiệu là H. Với một loại bức xạ và môi trường sống xác định, liều tương đương tỷ lệ với liều hấp thụ. Liều tương đương và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau [9]: H = QND (1.18) Trong đó: D là liều hấp thụ tính bằng rad. H là liều tương đương tính bằng rem. Q là hệ số phẩm chất của bức xạ. N là hệ số tính đến các yếu tố khác nhau như sự phân bố của liều chiếu. Hệ số phẩm chất Q dùng trong an toàn bức xạ đánh giá ảnh hưởng của các loại bức xạ lên đối tượng sinh học._., cho biết mức độ nguy hiểm của từng loại bức xạ đối với cơ thể sống. Hệ số phẩm chất Q cho biết sự phụ thuộc của quá trình truyền năng lượng tuyến tính của bức xạ trong vật chất. Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế (International Commission on Radiological Protection - ICRP) đã khuyến cáo hệ số phẩm chất đối với các bức xạ thông thường ứng với năng lượng khác nhau. Giá trị hệ số phẩm chất do ICRP khuyến cáo được cho trong Bảng 1.1. Bảng 1.1: Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ Loại bức xạ và năng lượng Hệ số phẩm chất Q Bức xạ gamma và tia X với mọi năng lượng 1 Electron với mọi năng lượng 1 Nơtron năng lượng nhỏ hơn 10 keV 5 Nơtron năng lượng từ 10 keV đến 100 keV Từ 10 đến 20 Nơtron năng lượng từ 100 keV đến 2 MeV 20 Nơtron năng lượng từ 2 MeV đến 20 MeV 10 Nơtron năng lượng lớn hơn 20 MeV Từ 5 đến 10 Proton năng lượng nhỏ hơn 2 MeV Từ 3 đến 5 Proton năng lượng lớn hơn 2 MeV 5 Hạt alpha và hạt nặng, mảnh phân chia 20 Trong hệ SI, đơn vị đo liều tương đương là Sievert, kí hiệu là Sv. Đối với bức xạ gamma, tia X và electron nếu liều hấp thụ là 1 J/kg hay 1 Gy thì liều tương đương là 1 Sv. Từ công thức (1.18) nếu D đo bằng rad, thì H đo bằng rem, còn nếu liều hấp thụ đo bằng Gy thì liều tương đương được tính ra rem. Vì 1 Gy = 100 Rad, nên theo biểu thức (1.18) suy ra 1 Sv = 100 rem. Như vậy, với cùng một đối tượng chiếu xạ và liều hấp thụ như nhau chẳng hạn D = 100 rad, khi bức xạ chiếu là tia gamma liều hiệu ứng sinh học tương đương là 100 rem, còn với nơtron nhanh liều tương đương sẽ là 1000 rem [9]. b. Suất liều tương đương Suất liều tương đương chính là liều tương đương trong một đơn vị thời gian. Suất liều tương đương ký hiệu  H được xác định theo công thức [9]: * H H t  (1.19) Trong đó t là thời gian, H là liều tương đương mà cơ thể sống nhận được trong thời gian t. Đơn vị đo suất liều tương đương là Sv/s hoặc Sv/h. Với suất liều chiếu gamma cho trước, liều hiệu dụng tương đương tỷ lệ thuận với thời gian chiếu. Giữa liều hiệu dụng, liều tương đương và suất liều chiếu liên hệ với nhau theo công thức sau [9]: H = f.Q.N. * X .t (1.20) Trong đó: f là hệ số tỷ lệ tùy thuộc vào môi trường, với không khí f = 0,869; Q là hệ số phẩm chất; N là hệ số tính đến điều kiện chiếu và độ đồng đều khi chiếu, t là thời gian chiếu; * X là suất liều chiếu; H là liều hiệu dụng tương đương. 1.2.5. Độ truyền năng lượng tuyến tính Năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trong vật chất chưa đủ để đặc trưng cho hiệu ứng sinh học xảy ra trong vật chất. Thực nghiệm chỉ ra rằng các hiệu ứng sinh học phụ thuộc vào sự phân bố của năng lượng đã bị hấp thụ trên đường đi của bức xạ trong vật chất. Để đặc trưng cho sự phân bố độ mất mát năng lượng bức xạ trên đường đi trong vật chất, ta dùng khái niệm độ truyền năng lượng tuyến tính, ký hiệu là LET viết tắt của “Linear energy transfer”. Độ truyền năng lượng tuyến tính, được [9, 11] xác định theo công thức: dE LET dl  (1.21) Trong đó dE là độ mất mát năng lượng trên quãng đường dl. Trong hệ SI đơn vị đo độ truyền năng lượng tuyến tính là J/m hoặc keV/ m. Sự phân bố năng lượng bị hấp thụ của bức xạ trong vật chất còn tùy thuộc vào bản chất của mỗi loại bức xạ. Đối với bức xạ ion hóa gián tiếp, độ truyền năng lượng tuyến tính nhỏ hơn nhiều so với bức xạ ion hóa trực tiếp. Bảng 1.2 đưa ra các giá trị LET trung bình của các loại bức xạ ion hóa khác nhau trong môi trường là nước. Bảng1.2: Giá trị LET trung bình trong nước của một bức xạ ion hóa Bức xạ Bức xạ gây ion hóa môi trường LET (KeV/ m) Mật độ ion trên 1 m Tia X Electron thứ cấp 0,28 8,5 Gamma Electron thứ cấp 0,36 11 Tia X (30KeV – 180KeV) Electron thứ cấp 3,2 100 Tia X 8 KeV Electron thứ cấp 4,7 145 Tia anpha 5 MeV Ion hóa trực tiếp 120 3700 Nơtron 12 MeV Proton 3,5 290 1.2.6. Liều giới hạn Khi tiếp xúc với chất phóng xạ hoặc các nguồn phóng xạ và các bức xạ ion hóa, nhân viên công tác bị chiếu xạ nhận được một liều hấp thụ nào đó. Tùy thuộc vào liều hấp thụ mà nhân viên nhận được, bức xạ hạt nhân sẽ ảnh hưởng khác nhau đến họ. Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên làm việc với chất phóng xạ cần phải giảm ảnh hưởng của các bức xạ đến nhân viên. Về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, cần phải đưa ra những quy định cụ thể về liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên còn có thể làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay bức xạ ion hóa [9]. Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm mà người làm việc trực tiếp với bức xạ hạt nhân có thể chịu được, sao cho nếu bị chịu một liều hấp thụ tích lũy liên tục như vậy trong nhiều năm liên tục vẫn không ảnh hưởng đến sức khỏe của bản thân. Liều hấp thụ cho phép còn phụ thuộc vào độ tuổi. Theo quy định chung về luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở lên mới được làm việc trong cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân. ICRP đã khuyến cáo công thức tính liều hấp thụ tích lũy cho phép trong một năm đối với nhân viên, chuyên viên làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ trong một năm như sau [3, 9]. D = 50(N – 18) mSv hay D = 5(N – 18) rem Trong đó: N là độ tuổi của nhân viên chuyên nghiệp N  19, D là liều hấp thụ tích lũy trong một năm. Tính trung bình, liều tích lũy cho phép là D = 50 mSv/năm. Đối với các đối tượng khác liều hấp thụ cho phép giảm 10 lần. Giá trị liều hấp thụ tích lũy toàn thân cho phép D được các cơ quan ICRP khuyến cáo tại các thời điểm khác nhau, được cho ở Bảng 1. 3. Bảng 1.3: Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc với bức xạ tại thời điểm khác nhau Giới hạn liều Thời gian đề nghị Cơ quan đề nghị 150 mSv/năm 1950 ICRP 50 mSv/năm 1977 ICRP 20 mSv/năm 1990 ICRP Theo Pháp lệnh An toàn và Kiểm soát Bức xạ hạt nhân Việt Nam, liều hấp thụ tương đương cho toàn thân đối với nhân viên làm việc với nguồn phóng xạ và bức xạ hạt nhân là 20 mSv trong một năm. Trong 5 năm có một năm liều hấp thụ trên toàn thân có thể lên tới 50 mSv. Tuy nhiên tổng liều trong 5 năm liên tục không vượt quá 100 mSv [3, 9]. Quy định này phù hợp với quy định của Ủy ban An toàn Bức xạ Quốc tế. Tuy nhiên các cơ quan trong cơ thể người có mức nhạy cảm khác nhau đối với bức xạ hạt nhân, nên có giới hạn cho phép tối đa đối với một số bộ phận có giá trị khác nhau. 1.3. Hiệu ứng sinh học của electron 1.3.1. Cấu tạo tế bào của cơ thể người Cơ thể người cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não,… Các cơ quan được cấu tạo từ các mô như mô mỡ, da, xương,… Các mô được cấu tạo từ các tế bào. Tế bào là đơn vị sống cơ bản, kích thước tế bào khoảng 20 micromet. Trong cơ thể con người có khoảng 1013 đến 1014 tế bào. Tương tác giữa các bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn dẫn đến ung thư. Tế bào gồm có một nhân ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương, bao bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào. Mỗi bộ phận thực hiện chức năng riêng rẽ. - Màng tế bào thực hiện trao đổi chất với môi trường ngoài. - Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa), hay tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào. - Trong nhân có AND là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thực hiện sự tổng hợp chất. - AND cũng chứa thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Tác dụng của sinh học chính của bức xạ là sự phá hỏng AND của tế bào [2, 9, 10, 11]. Hình 1.1: Cấu tạo tế bào của cơ thể người 1.3.2. Cơ sở sinh học của điều trị tia xạ Năm 1943, tác giả Albert Bechem đã xuất bản cuốn sách “Các nguyên tắc liều lượng Radium, và tia X”, được xem là cơ sở sinh học phóng xạ: Vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ hơn. Các tế bào cơ thể trong giai đoạn phân chia nhạy cảm với tia xạ nhất. Ngày nay ta còn áp dụng phương pháp tăng Oxy, tăng nhiệt ở vùng chiếu tia. Để đề ra các kỹ thuật chỉ định tia xạ, người ta dựa trên các pha “phase” phân chia của tế bào, trên sự phản ứng của các chất gian bào [9, 10, 11] Hình 1.2 (trong việc bảo vệ các tổ chức lành). Tất cả các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tại khối u, giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh. Muốn vậy phải dựa trên sự khác nhau về độ nhạy cảm tia xạ các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào cụ thể. Tế bào biệt hóa kháng tia hơn loại không biệt hóa. Phân bố hợp lý tổng liều điều trị và liều lượng mỗi lần chiếu. Chu kỳ sinh sản tế bào: Sự tổng hợp S (Sythesis). Phân chia M (Mitotic). Sau phân chia G1: + S: Phase này kéo dài từ 1,5  36h, trung bình 8h, kháng tia. + G2: 30  1,5 h. + M: 30  2,5h nhạy cảm tia nhất. + G1: Kéo dài hàng tháng. Chu kỳ sinh sản của tế bào được đưa trong Hình 1.2. Hình1.2: Chu kỳ sinh sản của tế bào Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủ yếu thông qua các quá trình ion hóa. Kết quả của quá trình ion hóa trong tế bào là tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bị biến đổi hoặc bị tiêu diệt. Đối với con người, cấu tạo mô cơ thể chủ yếu là nước. Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành các cặp H + và OH-, các ion này bị kích thích lại tạo ra các ion khác,… Năng lượng của bức xạ khi đi qua cơ thể người càng lớn thì số lượng ion tạo ra càng nhiều. Các ion này gây ra phản ứng rất mạnh, tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học phổ biến là protein, lipit, AND làm cho cấu trúc của phân tử này bị sai hỏng gây ra những hậu quả [9, 11]: * Kìm hãm hoặc ngăn cản sự phân chia tế bào. * Làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết hoặc bị biến đổi chức năng hoặc gây đột biến gen, đó là do các tổn thương sau đó có thể làm mất hoặc sắp xếp lại các vật chất di truyền trên phân tử AND. * Làm chết tế bào. Trong đó quá trình làm chết tế bào là quá trình quan trọng nhất trong việc điều trị ung thư. 1.3.3. Tương tác của bức xạ ion hóa với cơ thể sống Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng ion hóa, tạo ra các cặp ion hóa có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào làm cho các tế bào bị biến đổi hay hủy diệt. Trên cơ thể con người chủ yếu (>85%) là nước. Khi bị chiếu xạ H2O trong cơ thể phân chia thành H + và OH -. Bản thân các cặp H+, OH- này tạo thành các bức xạ thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, sự phân chia tế bào sẽ chậm đi hoặc dừng lại. Tác dụng trực tiếp của tia xạ lên sự phá hủy diệt tế bào chỉ vào khoảng 20%. Còn lại chủ yếu là do tác dụng gián tiếp. Năng lượng và cường độ bức xạ khi đi qua cơ thể con người nói riêng hay đi qua cơ thể sinh vật nói chung giảm đi do sự hấp thụ năng lượng của các tế bào. Sự hấp thụ năng lượng của tế bào thường dẫn tới hiện tượng ion hóa các nguyên tử của vật chất sống và hậu quả là tế bào bị phá hủy. Nói chung năng lượng của bức xạ càng lớn, số cặp ion hóa do chúng tạo ra càng nhiều. Thông thường các hạt mang điện có năng lượng như nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốc của hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa có thể khác nhau. Tia anpha thường có vận tốc nhỏ hơn tia bêta nhưng lại có khả năng ion hóa nhanh hơn. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình này 1. Sự ngăn cản phân chia tế bào: Tế bào có thể sinh ra và nhân lên về số lượng trong quá trình phân chia tế bào. Đây là một chức năng cơ bản của một cơ thể sống bất kỳ. Ngay ở cơ thể người lớn, quá trình phân chia tế bào vẫn thường xuyên diễn ra để thay thế cho các tế bào đã chết. Những chỗ tổn thương do bức xạ có thể kìm hãm hoặc ngăn cản quá trình phân chia tế bào, và như vậy làm suy yếu chức năng của tế bào và cơ thể. 2. Sự sai sót của nhiễm sắc thể: Bức xạ có thể phá hủy nhiễm sắc thể. Đa số các trường hợp tổn thương thường được hàn gắn và không có hậu quả gì gây ra. Tuy nhiên trong một số tổn thương có thể làm mất hoặc sắp xếp lại các vật chất di truyền, những bộ phận này có thể quan sát được qua kính hiển vi. Những sự cố như vậy được gọi là những sai sót của nhiễm sắc thể. Những sai sót xác định có thể làm chết tế bào hoặc biến đổi một chức năng của tế bào. Tần số xuất hiện kiểu sai sót của nhiễm sắc thể có một mối tương quan xác định đối với liều lượng và do đó người ta có thể sử dụng chúng như là những liều lượng kế sinh học. 3. Đột biến gen: Sự thay đổi lượng thông tin trong gen được biết với thuật ngữ biến đổi gen. Sự hỏng hóc của nhiễm sắc thể có thể dẫn đến đột biến gen. 4. Sự chết của tế bào: Quá trình chiếu xạ có thể làm chết tế bào hoặc có thể dẫn tới tất cả hiệu ứng trên. Quá trình chết tế bào là quá trình quan trọng nhất trong điều trị bệnh ung thư. Quá trình này thường được biểu diễn bằng tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu một liều xác định. Hiệu ứng – liều đối với tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu được biểu diễn trên Hình 1.3. Ở mức liều thấp, đường cong có một đoạn suy giảm chậm. Khoảng này tương ứng với khả năng tự phục hồi của tế bào bị tổn thương. Hình 1.3: Mối tương quan giữa liều lượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót của tế bào Tuy nhiên ở liều cao hơn, khả năng sửa chữa của tế bào đạt ở mức bão hòa, tỷ lệ sống sót giảm rất nhanh theo quy luật hàm mũ. Hình 1.4 chỉ sự phụ thuộc độ sai sót của nhiễm sắc thể vào liều lượng. Các mối tương quan hiệu ứng - liều tương tự cũng quan sát thấy đối với hiệu ứng đột biến. Tùy theo liều lượng bức xạ do cơ thể hấp thụ ít hay nhiều mà các biến đổi nói trên có thể được phục hồi. Ngoài các yếu tố liều lượng, tác hại của bức xạ còn phụ thuộc vào yếu tố thời gian. Cùng với một liều lượng bức xạ, nếu cơ thể hấp thụ làm nhiều lần, thì các biến đổi về bệnh lý ít xảy ra hơn so với trường hợp hấp thụ ngay một lúc. Nguyên nhân này liên quan tới khả năng tự phục hồi của tế bào ở cơ thể sống. Hình 1.4: Mối tương quan giữa liều hấp thụ và sai sót của nhiễm sắc thể 1.4. Phương pháp xạ trị dùng chùm electron 1.4.1. Khái niệm và mục đích xạ trị Phương pháp xạ trị là tên gọi ngắn gọn của phương pháp điều trị bằng tia xạ trong y học, là một trong ba phương pháp chính được sử dụng hiện nay để điều trị bệnh ung thư cùng với hai phương pháp là phẫu thuật và hóa chất [1, 6]. Xạ trị là quá trình điều trị sử dụng các bức xạ ion hóa hay các tia xạ với liều lượng thích hợp chiếu tới khối u nhằm tiêu diệt các tế bào ung thư đồng thời gây ra tổn thương nhỏ nhất cho các tế bào lành xung quanh. Mục đích của phương pháp xạ trị là nhằm phá hủy các tế bào ung thư và ngăn chặn sự phát triển thêm nữa và sự lây lan của các khối u. Điều trị bằng tia xạ sử dụng độc lập có thể chữa khỏi nhiều loại ung thư còn ở giai đoạn khu trú tại chỗ như ung thư da, ung thư vòm họng, ở vùng đầu, cổ,…. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng kết hợp với phương pháp phẫu thuật trong những trường hợp ung thư đã phát hiện tương đối lớn. Khi đó có thể chiếu xạ trước để giảm bớt kích thước khối u cho dễ mổ, hạn chế sự di căn lúc mổ. Cũng có thể sử dụng chiếu xạ sau khi mổ để diệt nốt những tế bào ung thư còn sót lại. Cũng có thể kết hợp cả xạ trị trước và sau khi mổ. Tùy theo từng trường hợp ta có thể lựa chọn phương pháp điều trị sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Phương pháp xạ trị cũng có thể kết hợp với những phương pháp điều trị hóa chất để tiêu diệt những tế bào ung thư tại khu vực mà điều trị hóa chất không thể tiêu diệt được. 1.4.2. Nguyên tắc điều trị bằng tia xạ Phác đồ điều trị phải dựa trên những nguyên tắc sau [2]:  Đánh giá sự lan rộng của khối u bằng các biện pháp CT scanner, X - quang, phóng xạ… để biết thể tích cần chiếu.  Biết rõ những đặc điểm bệnh lý của khối u.  Chọn lựa phương pháp thích hợp: Chỉ dùng xạ trị hay phối hợp phẫu thuật, hóa chất… hay chọn phối hợp cả hai phương pháp, chọn loại tia thích hợp, chiếu từ ngoài vào hay đặt tại khối u.  Quy định liều tối ưu và thể tích dựa trên vị trí giải phẫu, loại tổ chức học, độ ác tính… và những cấu trúc lành trong vùng chiếu xạ. Bác sĩ không bao giờ do dự trong việc thay đổi những điều đã quy định với những điều phát sinh.  Đánh giá từng giai đoạn về thể lực của bệnh nhân, sự đáp ứng của khối u và thể trạng của tổ chức lành trong khu vực điều trị. Bác sĩ điều trị phải cùng làm việc chặt chẽ với đội ngũ vật lý, kế hoạch điều trị và bộ phận đo lường, không thể nhầm lẫn được khi đánh giá lâm sàng, hiểu sai về những quan niệm vật lý, không hoàn hảo về phác đồ điều trị và thực hiện phác đồ. 1.4.3. Các phương pháp xạ trị Có hai phương pháp xạ trị phổ biến đã và đang được sử dụng là xạ trị ngoài (hay còn gọi là xạ trị từ xa) và xạ trị trong (hay còn gọi là xạ trị áp sát). Xạ trị trong (hay còn gọi là xạ trị áp sát) là kỹ thuật xạ trị mà khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến các khối u là rất nhỏ. Trong phương pháp này người ta sử dụng các nguồn phóng xạ có dạng kim, dạng ống, tube để đưa sát lại vùng có khối u. Có ba cách thực hiện kỹ thuật này: Cách thứ nhất dùng tấm áp bề mặt để điều trị các vùng như da mặt, vùng đầu, vùng cổ,…; Cách thứ hai là dùng các applicator để điều trị ở các khoang tự nhiên của cơ thể; Cách thứ ba người ta sử dụng các kim cắm trực tiếp vào trong các khe, kẽ, trong mô,… Xạ trị ngoài hay còn gọi là xạ trị từ xa là phương pháp xạ trị mà nguồn phát tia ở cách bệnh nhân một khoảng nào đó. Đây là phương pháp rất phổ biến trong điều trị ung thư hiện nay. Phương pháp này được tiến hành với chùm photon từ nguồn phát như nguồn Co60 hoặc chùm phát tia X năng lượng cao được tạo bởi chùm electron đã được gia tốc bởi máy gia tốc tuyến tính lái cho đập vào bia, cũng có thể dùng trực tiếp chùm electron đã được gia tốc phát ra từ máy gia tốc. Nội dung của luận văn này đề cập đến xạ trị trực tiếp bằng chùm eletron được tạo ra từ máy gia tốc PRIMUS – SIEMENS. 1.4.4. Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc a. Các thiết bị xạ trị từ xa Các thiết bị cung cấp chùm bức xạ trong phương pháp xạ trị từ xa gồm có: máy Cobal 60, máy phát tia X và máy gia tốc [1, 6]. Trước đây máy Cobal 60 được sử dụng khá rộng rãi trong phương pháp xạ trị từ xa. Cho đến nay nó vẫn được áp dụng nhiều tại các cơ sở điều trị ung thư và vẫn đóng vai trò quan trọng tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam. Máy gia tốc ra đời cùng với sự phát triển, tin học đã tạo ra bước phát triển vượt trội về những đặc tính vật lý cũng như sinh học phóng xạ. Ngày nay tại các nước công nghiệp phát triển, máy gia tốc đã gần như thay thế hoàn toàn các thiết bị cũ trong lĩnh vực điều trị ung thư. Tại các nước đang phát triển, ở các trung tâm điều trị quan trọng, máy gia tốc cũng đang được đưa vào áp dụng. Từ những năm 1960 – 1970 người ta đã chế tạo ra một số máy gia tốc để ứng dụng trong xạ trị. Đó là loại máy gia tốc có nguyên tắc chế tạo dựa trên nguyên lý của máy gia tốc Van de Graaff, máy gia tốc Betatron. Tuy nhiên trong các loại máy gia tốc này cho năng lượng hoặc là ở mức độ thấp hoặc năng lượng cao nhưng suất liều ở đầu ra của chùm tia còn thấp, mặt khác chúng lại khá cồng kềnh nên không thuận tiện cho việc sử dụng trong các kĩ thuật điều trị đồng tâm. Sau này, máy gia tốc tuyến tính (hay còn gọi là máy gia tốc thẳng hoặc Linac) xuất hiện đã trở thành một công cụ vượt trội trong lĩnh vực điều trị bằng phương pháp xạ trị ngoài. Vượt lên hẳn các máy gia tốc được ứng dụng trước đây với suất liều chùm tia cao hơn rất nhiều (khoảng 10 Gy/phút), kích thước trường chiếu rộng, hoàn toàn đồng tâm, đặc biệt lại có kích thước nhỏ gọn hơn và ít ồn hơn. Điều này đã làm cho Linac gạt các loại máy gia tốc kia ra ngoài lề. b. Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc Kỹ thuật xạ trị từ xa trước đây thường được sử dụng những thiết bị tạo chùm tia photon là loại máy Cobalt, máy phát tia X. Đây là những loại máy đơn giản cho năng lượng chùm tia tạo ra không cao. Trong đó máy Cobalt được ứng dụng rộng rãi nhất. Nhưng bất lợi của nó là: - Loại máy này chỉ cho hai loại chùm photon với năng lượng là 1,17 MeV và 1,33 MeV, nghĩa là không điều khiển được năng lượng. - Chùm tia có nhược điểm: độ đâm xuyên kém, liều mặt da cao, liều sâu phần trăm thấp, độ rộng bán dạ của chùm tia lớn. - Có độ rò rỉ bức xạ từ đầu nguồn. Suất liều bức xạ thấp và giảm theo thời gian. Do đó, càng về sau thì thời gian điều trị càng phải kéo dài. Sau khoảng thời gian nào đó (khoảng 5 đến 7 năm) lại phải thay nguồn. - Độ an toàn không cao. Do nguồn Cobalt 60 là nguồn phóng xạ nên nó luôn phát chùm tia ngay cả khi ngừng chiếu xạ và ngay cả khi nguồn không được sử dụng bị thay đi. Kĩ thuật xạ trị từ xa hiện đại nhất là sử dụng máy gia tốc tuyến tính. Trong đó chùm electron được gia tốc bằng sóng cao tần theo nguyên lí gia tốc thẳng rồi được đưa ra ngoài sử dụng để điều trị bằng electron hoặc được lái đập vào bia tạo ra chùm photon. Phương pháp xạ trị sử dụng máy gia tốc tuyến tính là một bước tiến lớn trong kỹ thuật xạ trị hiện đại. Cơ sở của nhận định này là dựa trên những ưu việt của máy gia tốc: - Máy gia tốc có thể cho hai loại chùm tia là chùm electron và chùm photon. - Có thể điều khiển được năng lượng chùm tia phát ra từ máy gia tốc. - Kích thước của vùng bán dạ chùm tia nhỏ, suất liều bức xạ cao. - Không cần thay thế nguồn bức xạ như trường hợp máy Cobalt. - Độ an toàn phóng xạ cao, do máy gia tốc không có nguồn phóng xạ, nó chỉ phát chùm tia khi hoạt động. - Các đặc tính của chùm tia tốt hơn. Để đáp ứng yêu cầu cao nhất cho mục đích xạ trị, máy gia tốc phải được thiết kế đạt yêu cầu cơ bản: - Chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc phải được xác định rõ năng lượng và có thể thay đổi được kích thước. - Liều lượng bức xạ của chùm tia phải đồng đều. - Liều lượng bức xạ phát ra từ thiết bị phải ổn định trong suốt thời gian sử dụng. nghĩa là năng lượng, cường độ và vị trí chùm tia có thể kiểm soát được. - Liều lượng có thể đo đạc một cách chính xác. - Hướng của chùm tia bức xạ có thể thay đổi được để có thể điều chỉnh được đến mọi vị trí khác nhau. - Hệ thống giường điều trị có thể chuyển động được theo ba chiều với độ chính xác cao. - Hệ thống cơ khí ổn định, linh hoạt. Có hệ thống đo liều bức xạ, cảnh báo độ nhiễm phóng xạ, che chắn đảm bảo khi vận hành thiết bị, tự động ngắt máy khi có sự cố. Ở Việt Nam, máy gia tốc trong xạ trị được đưa vào sử dụng đầu tiên vào tháng 01 năm 2001, tại Bệnh viện Ung Thư Trung Ương tạo ra hiệu quả điều trị ung thư rất cao, hầu hết bệnh nhân điều trị đều cho kết quả điều trị rất tốt. Được sử dụng để điều trị ung thư vú, ung thư vòm họng, ung thư cổ tử cung, phổi, não, xoang, hàm, ung thư da,… Bất lợi lớn nhất của phương pháp xạ trị này là chi phí mua sắm, xây dựng cơ bản và bảo dưỡng hàng năm rất lớn. Giá trị một chiếc máy gia tốc khoảng 21 tỉ đồng, thời hạn sử dụng khoảng 15 năm. Tại Mỹ điều trị theo phương pháp này bệnh nhân phải trả 30 000 USD. Còn ở Việt Nam, chi phí phần lớn của bệnh nhân đã được Nhà nước hỗ trợ, bệnh nhân phải trả một phần nhỏ. Đồng thời, để hỗ trợ cho xạ trị cần đến các công đoạn chụp X quang, chụp cắt lớp CT, MRI,… để xác định chu vi, thể tích, vị trí khối u để lập kế hoạch điều trị chính xác. Các công đoạn hỗ trợ cho việc xạ trị bằng máy gia tốc có thể được mô tả trong Hình vẽ 1.5 [7]. Máy gia tốc Accelerator Máy mô phỏng Simulator Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS CT - Scanner Máy gia tốc Accelerator Máy mô phỏng Simulator Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS CT - Scanner Khuôn chắn tia nhiều lá Giá định vị bệnh nhân Hình 1.5: Mô hình hệ thống xạ trị cơ bản Chương 2. MÁY GIA TỐC PRIMUS – SIEMENS DÙNG TRONG XẠ TRỊ 2.1. Nguyên lý làm việc của máy gia tốc electron 2.1.1. Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị thường được chia thành năm hệ thống là [2, 14]:  Hệ thống bơm, là một nguồn electron hay còn gọi là súng điện tử  Hệ thống tần số vô tuyến bao gồm nguồn tần số vô tuyến sử dụng magneton hoặc klyston, bộ điều chế, ống dẫn sóng cao tần có chân không thấp trong đó electron được gia tốc,…  Hệ thống vận chuyển chùm tia có vai trò vận chuyển electron trong chân không từ ống dẫn sóng gia tốc tới bia hoặc lá tán xạ.  Hệ thống phụ trợ gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước, hệ thống chất điện môi bằng ga để truyền vi sóng từ bộ phận phát sóng vô tuyến tới ống dẫn sóng.  Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia. Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn giản như Hình 2.1. Hình 2.1: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với máy gia tốc là [1]: - Hệ thống collimator chuẩn thông dụng. - Hệ thống laser xác định trục quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy. - Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và bệnh nhân. - Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị; màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị. - Hệ thống che chắn phóng xạ. - Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố. Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc [1]: - Giường máy có thể điều khiển lên, xuống, quay theo các góc. - Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị. - Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ, máy đo phòng hộ tia xạ,… - Hệ thống làm khuôn chì,… 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc trong xạ trị Ban đầu, các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ súng điện tử, do catot được nung nóng. Các electron sinh ra từ súng điện tử được điều chế thành các xung sau đó được phun vào buồng tăng tốc. Buồng tăng tốc có dạng cấu trúc dẫn sóng ở đó năng lượng cung cấp cho electron được lấy từ bộ phát sóng siêu cao tần với tần số khoảng 3000 Mhz. Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng xung ngắn. Các bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng, đó là các “van” magnetron và klystron. Klystron thường được dùng với các máy gia tốc năng lượng cao với năng lượng đỉnh là 5 MW hoặc hơn nữa để gia tốc điện tử. Các electron được phun vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng có thể được gia tốc. Hệ thống ống dẫn sóng và súng electron được hút chân không sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà không bị va chạm với nguyên tử khí. Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và không chuyển động chính xác dọc theo trục được. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng này. Đó là do lực đẩy Coulomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu, do sự lắp ghép không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm, do tác động của điện từ trường ngoài,… Do đó, chùm electron gia tốc phải được lái một cách chủ động. Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ chùm tia theo quỹ đạo thẳng. Sau đó các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên các electron để dẫn chùm tia đi đúng theo hướng ống dẫn sóng từ đó hướng ra ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng đến bia tạo tia X. Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron thì chùm electron được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ. Sau đó được tán xạ trên các lá tán xạ hoặc được một từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường hợp điều trị cụ thể. Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phẳng, nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp. Liều lượng được kiểm soát bằng các detector. Còn nếu chế độ phát tia X thì chùm electron đã được gia tốc lại được uốn theo một đường cong thiết kế để đập vào bia. Chùm electron có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao. Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, số nguyên tử, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định dạng phù hợp. Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và chế độ phát electron. Do đó, về cơ khí được chế tạo phù hợp để thay đổi cơ chế từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt. Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm electron. Trong quá trình hoạt động, khi hãm chùm electron, bia tia X bị nóng lên, do đó cần có hệ thống làm nguội bằng nước. Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế cơ khí chuyển động linh hoạt như cần máy và giường điều trị. Các hệ thống này đều được kiểm soát an toàn bằng một chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau. 2.2. Sơ đồ nguyên lý của máy gia tốc PRIMUS - SIEMENS dùng trong xạ trị 2.2.1. Nguyên lý gia tốc thẳng Máy gia tốc tuyến tính là loại máy mà hạt tích điện được gia tốc nhờ điện trường một chiều hoặc xoay chiều có điện thế cao và quỹ đạo hạt là đường thẳng khi chuyển động trong điện trường. Năm 1932, Walt và Cokraft đã thành công trong việc biến đổi hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng phản ứng hạt nhân với photon. Để gia tốc electron đạt đến năng lượng cần thiết, hai ông dùng phương pháp gia tốc điện trường bằng một sơ đồ nối tiếp các tụ điện để tạo ra điện thế cao từ 600 000 Volt đến 800 000 Volt và đưa điện áp đó vào trong chân không. Nhưng sử dụng điện trường một chiều chỉ gia tốc 2 đến 3 MeV không thể giải quyết được những vấn đề liên quan đến hạt nhân nguyên tử. Lawriton và Sloan đã giải quyết vấn đề bằng cách thay đổi việc sử dụng điện trường một chiều bằng điện trường xoay chiều. Lúc đầu người ta nghi ngờ về khả năng điện trường xoay chiều có thể gia tốc được các hạt hay không? Vì là điện trường xoay chiều nên hướng của điện trường thay đổi theo chu kỳ. Khi hướng của nó trùng với hướng chuyển động của hạt thì hạt được gia tốc. Nhưng khi điện trường có hướng ngược lại thì hạt s._.