Y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị

iết quá tổng quan thì chỉ đơn giản là bản báo cáo, không tương xứng với mức độ học tập. Nếu viết sâu, thì gặp rất nhiều hạn chế về mặt thời gian và tài liệu, kiến thức. Trong bài báo cáo thu hoạch môn học, phần kiến thức, em bám sát theo khung bài giảng của thầy. Ngoài ra, em cũng mạnh dạn trình bày một số vấn đề theo nhận thức của mình. Em đã cố gắng trong việc tiếp cận vấn đề, tuy nhiên chắc chắn còn những chỗ thiếu sót, rất mong thầy thông cảm. Phần1: Tổng quan về y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị A. Lịch sử y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị: Có thể nói, y học hạt nhân được khởi đầu bằng phát hiện của Becquelrel về hiện tượng phóng xạ vào năm 1896. Năm 1895,Roetngen (người Đức ) phát hiện ra tia X. Đây là loại sóng điện từ có bước sóng ngắn nằm trong khoảng 1-100pm, năng lượng cao và có các hiệu ứng vật lí, sinh học rõ rệt. Lí thuyết về hiện tượng phóng xạ là do sự phân rã tự động của hạt nhân được phát triển bởi Soddy vào năm 1903 Năm 1919, Rutherford bắt đầu các thí nghiệm về hiện tượng phát sáng “nhấp nháy”(kích thích). Năm 1931, Lawrence chế tạo ra máy cyclotron. Phát minh này của ông đã mở đường cho việc tạo ra nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo Năm 1934, Irene Curie (con gái Pierre và Marie Curie) cùng chồng, trong khi đang làm việc tại Viện nghiên cứu Radium Pari đã phát hiện ra đồng vị phóng xạ nhân tạo. Sau khi họ công bố phát hiện này, nhiều nhà vật lí đã chú tâm nghiên cứu đồng vị phóng xạ và chỉ trong vòng 12 tháng, đã có hơn 100 loại phóng xạ nhân tạo mới được phát hiện Năm 1943, Hevesy, người đi tiên phong trong trong ứng dụng khoa học hạt nhân trong y học đã phát minh ra kĩ thuật đánh dấu phóng xạ trong tế bào sống Đầu thập niên 60, kĩ thuật “scan” đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán lâm sàng được đưa vào sử dụng rộng rãi. Năm1972, CT scanner được sáng chế bởi một kĩ sư người Anh tên là Godgray Housefield. Đây là kĩ thuật ứng dụng kĩ thuật chụp ảnh X và khoa học máy tính tạp ra lớp cắt ngang của cơ thể. Hình minh hoạ: Những con tem ấn hành để tưởng niệm Rutherford và vợ chồng Irene Curie với công trình của họ B. Nhận diện vấn đề Kiến thức về: -Các loai bức xạ ion hoá và nguồn gốc, bản chất của nó -Tương tác với vật chất của bức xạ -Các đại lượng đặc trưng Thấy được: -Tác hại bức xạ ion hoá với cơ thể Sử dụng: -Các thiết bị phát hiện, ghi đo bức xạ -Các biện pháp hạn chế bức xạ có hại Trang bị: -Các thiết bị xạ chẩn, xạ trị Qui trình: Xạ chẩn Xạ trị Khám, trị bệnh bằng chiếu xạ: -Hiệu quả -An toàn Phần 2: Những kiến thức cơ bản về y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị A. Tìm hiểu về hạt nhân nguyên tử: Thế giới được cấu tạo từ vật chất. Toàn bộ vật chất được cấu tạo từ một số chất đơn giản gọi là nguyên tố Một nguyên tố là một chất không thể biến đổi thành các chất khác đơn giản hơn bằng các quá trình hoá học bình thường. Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và mỗi nguyên tố có một loại nguyên tử đặc trưng. Khoa học hiện đại đã chứng minh rằng: nguyên tử không phải là những vật thể không thể phân chia mà ngược lại, chúng được cấu tạo từ những hạt còn nhỏ hơn. Những hạt này bao gồm: proton, nơtron, và electron -Proton: mang một đơn vị điện tích nguyên tố, khối lượng xấp xỉ bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (u) -Nơtron: trung hoà về điện, khối lượng xấp xỉ bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (u) -electron: mang một đơn vị điện tích nguyên tố âm, có khối lượng bằng 1/1840 (u ). Các nơtron và proton của một nguyên tử liên kết với nhau rất mạnh tạo thành một hạt nhân, các electron quay quanh nó theo các quĩ đạo khác nhau. hình vẽ: nguyên tử Neon-20 B. Khái niệm cơ bản trong y học hạt nhân: B.1.Các loại bức xạ ion hoá: Có hai loại bức xạ ion hoá chủ yếu là: bức xạ ion hoá trực tiếp và gián tiếp Bức xạ ion hoá trực tiếp Bức xạ ion hoá gián tiếp Các phần tử có thể làm ion hoá trực tiếp các phần tử của môi trường Phải thông qua các thành phần khác mới gây ra ion hoá -Bức xạ alpha (a) : Là hạt nhân Heli (:2 proton và 2 notron).Một hạt alpha có khối lượng 4u và mang hai đơn vị điện tích dương. Cả bốn hạt này liên kết với nhau chặt chẽ đến mức, trong nhiều trường hợp alpha có tính chất như một hạt cơ bản. Hình vẽ: minh hoạ một quá trình bức xạ alpha -Bức xạ Beta(b):gồm có hai loại: +b :là các điện tử có vận tốc cao có nguồn gốc từ hạt nhân. Các điện tử này có khối lượng bằng 1/1840u và mang một đơn vị điện tích âm. +b (poziton) :là các hạt có khối lượng bằng khối lượng của điện tử nhưng mang một đơn vị điện tích dương. -Bức xạ Gamma (g): +Có bản chất là sóng điện từ +Gồm các lượng tử (quantum). Năng lượng mang trong mỗi lượng tử (photon) phụ thuộc vào bước sóng theo quan hệ tỉ lệ nghịch: E=1/l. Hình vẽ: Minh hoạ quá trình bức xạ beta, gamma -Bức xạ Notron(n): +gồm các hạt nơtron +Trong tự nhiên rất hiếm các nguồn phát ra bức xạ phát ra nơtron. +Cách tạo nguồn bức xạ notron: .Sử dụng máy gia tốc để gia tốc các hạt điện tích tới vận tốc cực lớn, đến đập vào bia (là vật liệu thích hợp), làm xảy ra phản ứng hạt nhân, phát ra các tia trong đó có nơtron. .Sử dụng các nguồn a, g thích hợp tạo phản ứng hạt nhân (a,n), (g,n). .Phản ứng phân hạch: phản ứng gây vỡ hạt nhân trong lò phản ứng hạt nhân Bảng 1. Một số nguồn bức xạ a trong tự nhiên (Nguồn TL:Modern Physics-Frank J.Blatt-1992-thư viện KHKT) Số thứ tự Tên nguồn Chu kì rã nửa (T1/2) 1 8Li3 0,844 (s) 2 9C6 127 (ms) 3 7N16 7,13 (s) 4 148Gd64 175 (year) 5 66Dy151 17 (min) 6 72Hf158 2,9 (s) 7 Ir 21 (s) 8 80Hg178 0,26 (s) 9 212Th90 30 (ms) Bảng2: Một số nguồn bức xạ b thông dụng (Nguồn TL:Radiation Protection-Jacob Shapiro-Havard University Press-1972) Số thứ tự Tên nguồn Động năng cực đại (MeV) Chu kì rã nửa T1/2 1 3H 0,018 12.3 (year) 2 14C 0,154 5730 (year) 3 35S 0,167 165 (decade) 4 45Ca 0,254 165 (decade) 5 32P 1,71 14,3 (decade) 6 90Sr 2,24a 28,1 (year) Bảng 3: Một số nguồn Beta-Gamma trong tự nhiên (Nguồn TL:Radiation Protection-Jacob Shapiro-Havard University Press-1972) Số thứ tự Tên nguồn Động năng cực đại b Năng lượng g Chu kì rã nửa 1 125I - 0,035(75%)a 0,027-0,032b(136%) 57,4 (decade) 2 131I 0,61 0,364(80%) 0,638(8%) 8,1(decade) 3 69Co 0,31 1,17(100%) 1,33(100%) B.2.Tương tác của bức xạ với vật chất: -Tương tác của các hạt mang điện tích với vật chất: Các hạt mang điện tích (a, b) khi tương tác với vật chất bị mất năng lượng chủ yếu do tương tác với các điện tử nguyên tử của vật chất. Năng lượng bị mất đó truyền cho các điện tử làm cho chúng bị kích thích và chuyển nên mức cao hơn (kích thích nguyên tử ) hoặc làm cho chúng bị tách hoàn toàn khỏi nguyên tử mẹ (ion hoá nguyên tử). Hạt nhân a e- a e- Hình vẽ: Sự ion hoá nguyên tử Helium do hạt a +tương các của các hạt nặng có điện tích với vật chất: Điển hình là hạt alpha, hạt alpha là một hạt nặng (4u), nó di chuyển chậm trong môi trường vật chất. Vì thế, khả năng tương tác, trao đổi năng lượng của nó với các phần tử của môi trường vật chất cao. Do đó nó mất năng lượng một cách nhanh chóng, và chỉ đi được khoảng cách rất ngắn trong môi trường đặc. +tưong tác của electron với vật chất: Các hạt beta có kích thước và khối lượng nhỏ nên tính linh động cao. Do đó trên cùng một chiều dài đường đi, số lần va chạm với các phần tử vật chất nhỏ hơn, và do đó sự suy hao năng lượng nhỏ hơn so với hạt alpha +Một vấn đề quan trọng là : khi các hạt mang điện bị làm chậm lại rất nhanh do tương tác với vật chất thì chúng phát ra năng lượng dưới dạng tia X, quá trình này gọi là sự bức xạ hãm (Bremstralung). Điều này chỉ có ý nghĩa thực tế với bức xạ Beta. -Tương tác của bức xạ lượng tử với vật chất: Các bức xạ lượng tử được đề cập ở đây là gamma, bức xạ hãm, và bức xạ Roentgen đặc trưng. Các bức xạ lượng tử này tương tác với vật chất theo một loạt các cơ chế khác nhau. Nhưng có ba cơ chế quan trọng nhất là : Hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp pozitron-electron. +Hiệu ứng quang điện: Là quá trình tương tác của lượng tử (photon) với một điện tử liên kết mà mà toàn bộ năng lượng của lượng tử truyền cho liên kết này, kết quả là điện tử liên kết đó bứt ra khỏi nguyên tử. hf e- e- Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi photon tới có năng lượng ³ A (công thoát của electron khỏi nguyên tử đó). Hình vẽ minh hoạ hiệu ứng quang điện e- e- h.f h.f’ +Hiệu ứng tán xạ Compton: Photon bức xạ tới tương tác với lớp vỏ nguyên tử, một phần năng lượng của nó truyền cho một điện tử nguyên tử làm cho điện tử đó bị đánh bật khỏi quĩ đạo, mặt khác hướng của photon cũng thay đổi (tán xạ). Hình vẽ minh hoạ hiệu ứng tán xạ Compton +Hiệu ứng tạo cặp electron-pozitron: Trong một trường điện từ mạnh xung quanh một hạt mang điện, ví dụ như hạt nhân, một lượng tử g có thể bị hoán đổi thành một cặp pozitron-electron. Năng lượng của lượng tử được phân bổ giữa hai hạt tạo thành. Điều kiện năng lượng lượng tử gamma để xảy ra hiệu ứng này là Eg³ 1.002MeV Mặt khác, một cặp electron-pozitron có thể kết hợp lại và biến mất, đồng thời tạo ra một cặp lượng tử gamma có năng lượng bằng nhau (0,511 MeV) và ngược chiều. e- g: 0,511 MeV e+ e- g: 0,511 MeV Hình vẽ minh hoạ hiệu ứng tạo cặp s +Qui luật làm yếu của bức xạ lượng tử : Bức xạ lượng tử bị suy giảm theo hàm số mũ khi khi chúng đi qua một lớp vật liệu bất kì. I=I0. m: hệ số làm yếu Công thức này chỉ đúng khi : - chùm hạt hẹp - đơn năng -vật liệu không quá dầy Thực tế, trong trường hợp một trong ba điều kiện trên không thoả mãn thì công thức tổng quát là: I=I0. Hoặc I=I0.B. B: Hệ số tích luỹ I0 I -Tương tác của Nơtron với vật chất: Nơtron được chia thành các nhóm khác nhau dựa vào chính động năng của chúng. Khi tương tác với vật chất, nơtron bị mất năng lượng thông qua một loạt các tương tác khác nhau mà vai trò tương đối của chúng lại phụ thuộc nhiều vào năng lượng của nơtron. Các nơtron có khả năng đâm xuyên rất lớn và đi được quãng đường dài trong môi trường đặc. Một số đai lượng đặc trưng cho tương tác của nơtron với môi trường: -tiết diện tán xạ đàn hồi: dtxđh -tiết diện tán xạ không đàn hồi: dtxkđh -tiết diện tán xạ chung: dtx=dtxđh+dtxkđh -tiết diện phản ứng: dpư= -tiết diện toàn phần: dtoànphần =dtx+dpư Các hiệu ứng quan trọng là: Tán xạ đàn hồi: Các hạt nơtron va chạm với hạt nhân bia và bị thay đổi chuyển động. Sau va chạm, nơtron bị mất một phần năng lượng cho hạt nhân bia. Phần năng lượng năng lượng này được thể hiện dưới dạng động năng hạt nhân bia. Eno=En+EA Eno: động năng nơtron trước tán xạ En: động năng nơtron sau tán xạ EA:động năng hạt nhân thu được sau tán xạ đàn hồi. EA=a.Eo. A: số khối hạt nhân. Kết luận: Trong va chạm đàn hồi nơtron, nếu hạt nhân môi trường càng nhẹ bao nhiêu thì năng lượng bị mất càng nhiều. n n Hạt nhân Tán xạ không đàn hồi: Các hạt nơtron đến va chạm với hạt nhân bia, truyền một phần năng lượng cho hạt nhân bia và khiến cho hạt nhân bia chuyển đến trạng thái bị kích thích. Hạt nhân bia bị kích thích sẽ quay về trạng thái cơ bản và chúng phát ra phát ra bức xạ gamma trễ. Eno=En+EA+ Trong tán xạ không đàn hồi, ồđộng năng của hệ bị giảm đi. Sự va chạm không đàn hồi này xảy ra chủ yếu đối với các hạt nhân nặng. n Hạt nhân bị kích thích Thương phát năng lượng dưới dạng g Hạt nhân n Phản ứng bắt hạt nhân: Khi nơtron đến tương tác với hạt nhân bia, nó bị hạt nhân bia bắt và kích thích bị khử bằng cách phát ra hạt hoặc bức xạ lượng tử khác. +phản ứng bắt nơtron bức xạ lượng tử (n,g): +phản ứng bắt nơtron bức xạ hạt proton (n,p): +phản ứng bắt nơtron bức xạ hạt alpha (n,a): Hạt nhân (A+1), phát g Hạt nhân (A) n Hình vẽ: Minh hoạ phản ứng bắt nơtron, phát lượng tử Phản ứng hạt nhân (n,f): Là phản ứng mà các hạt n bắn phá hạt nhân bia làm cho hạt nhân bia vỡ ra làm các mảnh. thường kí hiệu: Bảng tổng kết các tương tác bức xạ hạt nhân Bức xạ Qúa trình Hiệu ứng Alpha va chạm phi đàn hồi với các điện tử liên kết -kích thích, ion hoá nguyên tử Beta -va chạm không đàn hồi với các điện tử nguyên tử -bị làm chậm trong trường hạt nhân -kích thích, ion hoá nguyên tử -gây bức xạ hãm Tia X, gamma -hiệu ứng quang điện -hiệu ứng compton -tạo cặp -photon bị hấp thụ hoàn toàn -chỉ một phần NL photon bị hấp thụ Nơtron -tán xạ đàn hồi -tán xạ không đàn hồi -các quá trình bắt -NL nơtron mất đi được truyền cho hạt nhân bia dưới dạng động năng -Hạt nhân bị kích thích phát xạ gamma B.3. ảnh hưởng của bức xạ đối với cơ thể sống: ảnh hưởng của bức xạ ion hoá đối với cơ thể con người, gây bởi các nguồn phóng xạ bên ngoài hoặc các chất phóng xạ bị nhiễm vào bên trong cơ thể, đều gây ra các hiệu ứng sinh học. Bản chất và mức độ trầm trọng, thời điểm xuất hiện của các triệu trứng sinh học này phụ thuộc vào liều lượng và tốc độ hấp thụ bức xạ. Có thể chia chia thương tổn bức xạ ra làm hai loại: -hiệu ứng Soma (somatic): gây hậu quả thấy được trên cơ thể người bị chiếu xạ -hiệu ứng Di truyền (hereditary): gây hậu quả cho các thế hệ về sau của người bị chiếu xạ do các tế bào sinh dục bị bức xạ làm tổn thương. Bức xạ ion hoá Tế bào Xoma Hoạt động Di truyền Chức năng Tế bào Sinh dục Hoạt động Chức năng Di truyền Cơ thể sống Rối loạn Tử vong Đột biến di truyền cho các thế hệ mai sau của cá thể Đột biến nguy hại cho bản thân cá thể Sơ đồ minh hoạ quá trình diễn biến do do ảnh hưởng của bức xạ ion hoá: Thời gian Giai đoạn giây-phút Phút-giờ Phút-tháng Cả đời cá thể Lâu dài không xác định được Bức xạ ion hoá Tương tác vật lí: hấp thụ năng lượng bức xạ ion hoá. Kích thích Những phản ứng hóa, phát xạ đột biến tạo thành các nhóm gốc tự do có hoạt tính hoá học cao Những thay đổi của phân tử, rối loạn quá trình sinh hoá của tế bào. Những tổn thương của tế bào. Tổn thương các cấu trúc đảm bảo hoạt động chức năng Tổn thương các cấu trúc đảm bảo hoạt độngdi truyền Rối loạn hình thái hoạt động chức năng tế bào Xuất hiện tế bào mới có đặc tính lạ Tử vong tế bào Tổn thương toàn bộ cơ thể Rối loạn hoạt động chức năng của các cơ quan, tổ chức Thay đổi hình thái trong các cơ quan, tổ chức Những hiệu ứng muộn tế bào Soma Những hậu quả di truyền xa B.4. Các đại lượng và đơn vị cơ bản trong bức xạ: -Liều hấp thụ bức xạ (D): -khái niệm: Liều hấp thụ bức xạ là năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của vật chất bị chiếu xạ. -đơn vị: trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị của liều hấp thụ được gọi là Gray(Gy) và được định nghĩa là sự tích tụ một năng lượng 1J/kg. 1Gy=1J/kg Ngoài ra có đơn vị ngoại hệ khác là Rad: 1Rad= -Suất liều hấp thụ bức xạ (P): Sử dụng các đơn vị Gray và Sievert, ta mới biết được độ tích tụ năng lượng bức xạ trong một khoảng thời gian bất kì. Tuy nhiên, để kiểm soát các mối nguy hại do bức xạ gây ra, cần phải biết tốc độ tích tụ năng lượng bức xạ đó. Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ bức xạ tính cho một đơn vị thời gian. P= trường hợp D không đổi theo t: P= trong hệ SI: [1J/kg.s], [1w/kg], [Gy/s] ngoại hệ : [Rad/s] -Trọng số của bức xạ ion hoá: Liều hấp thụ chưa phản ánh được mức độ phá huỷ tế bào sinh học của các bức xạ khác nhau. Người ta thấy rằng, cùng một liều hấp 0,05Gy (5Rad) của nơtron nhanh có thể gây hại về mặt sinh học tương ứng với 1Gy (100Rad) của bức xạ gamma. Như vậy, sự khác nhau về hiệu ứng sinh học của mỗi bức xạ cần được tính đến khi đánh giá liều hiệu dụng sinh học tổng cộng của các liều bức xạ khác nhau. Người ta đưa ra trọng số Q để phản ánh khả năng gây hại sinh học của một loại bức xạ cụ thể. Bảng giá trị Q của các bức xạ thường gặp Loại bức xạ Trọng số ion hoá Q Tia X,g, electron 1 Nơtron nhiệt 5 Proton và các nơtron nhanh 20 Các hạt a 20 -Liều tương đương (H): Khái niệm liều tương đương được sử dụng để phản ánh tác dụng sinh học của mỗi loại bức xạ H,i(Sv)=D(Gy).Qi.K i: tương ứng loại bức xạ. Hi: liều tương đương: trong hệ SI đơn vị là Sv (Sievert). Ngoài ra nó còn có đơn vị khác là Rem ( 1rem= ). D: liều hấp thụ bức xạ i Qi: trọng số ion hoá ứng với bức xạ i K : hệ số tính đến ảnh hưởng các yếu tố khác (suất liều hấp thụ và sự phân liều theo thời gian). Thường gán K=1. -Liều hiệu dụng tương đương (Hhd): Cùng một loại bức xạ, nhưng có thể gây ra mức độ tổn hại khác nhau trên các cơ quan khác nhau. Người ta đưa ra khái niệm trọng số cơ quan (w) của mỗi cơ quan để phản ánh mức độ tổn hại khi so sánh do chiếu xạ trên cơ quan đó so với toàn thân là 1,0. Liều tương đương hiệu dụng Hhd được định nghĩa là tổng các liều tương đương trên từng cơ quan nhân với trọng số cơ quan của cơ quan tương ứng để đánh giá mức độ tổn hại của bức xạ với cơ thể. Hhd= wT: trọng số cơ quan cơ quan T. Ht : liều tương đương trên cơ quan T. Đơn vị của liều tương đương hiệu dụng là Sievert. Bảng trọng số của các cơ quan / tổ chức trong cơ thể Số thứ tự Cơ quan/tổ chức Trọng số w 1 Tuyến sinh dục 0,20 2 Tuỷ đỏ trong xương 0,12 3 Ruột kết 0,12 4 Phổi 0,12 5 Dạ dày 0,12 6 Bàng quang 0,05 7 Tuyến sữa 0,05 8 Gan 0,05 9 Thực quản 0,05 10 Tuyến giáp trạng 0,05 11 Da 0,01 12 Bề mặt xương 0,01 13 Toàn bộ phần còn lại 0,05 Tổng cộng toàn thân 1,0 -Khái niệm KERMA: KERMA là động năng được giải phóng trong một đơn vị khối lượng vật chất. KERMA thường được dùng cho bức xạ ion hoá gián tiếp. Trong hệ SI : [J/kg] Nói chung, ý nghĩa của liều hấp thụ và KERMA là khác nhau, giá trị của chúng chỉ bằng nhau khi trạng thái cân bằng điện tử trong vật chất được thoả mãn. Suất KERMA: là KERMA tính trong một đơn vị thời gian. Trong SI: [], [w/kg] -Liều chiếu bức xạ lượng tử: -Khái niệm này chỉ dùng cho bức xạ lượng tử (g,X) -Liều chiếu bức xạ lượng tử thể hiện những bức xạ lượng tử được biến đổi thành động năng của các hạt tích điện sinh ra trong một đơn vị khối lượng chất mẫu (không khí ở điều kiện tiêu chuẩn). -Đơn vị: +SI: [C/kg] +Ngoại hệ: Roentgen [R] Một Roentgen là liều chiếu bức xạ lượng tử mà các hạt tích điện được tạo thành trong 1 của không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn thì nó có điện tích là một đơn vị tĩnh điện -1CGSE (cmgs). 1 Roentgen=2,5797. C/kg Û 1C/kg=3,88.Roentgen -Suất liều chiếu xạ: là liều chiếu bức xạ tính cho một đơn vị thời gian +đơn vị SI: -Hiệu suất sinh học tương đối của bức xạ: -Hiệu suất sinh học tương đối của bức xạ được định nghĩa là tỉ số giữa liều bức xạ chuẩn gây ra một hiệu ứng sinh học trên liều bức xạ loại X gây ra cùng hiệu ứng sinh học đó -Bức xạ chuẩn (chọn) là bức xạ Roentgen có phổ năng lượng liên tục: Egmax=180keV Liều hấp thụ : Bức xạ ion hoá KERMA Bức xạ ion hoá gián tiếp Liều chiếu bức xạ Bức xạ lượng tử Hình vẽ: Mối quan hệ giữa các khái niệm Phần 3 :Thiết bị đo liều lượng bức xạ A. Các phương pháp đo liều lượng bức xạ: -Nguyên lí: Cơ thể con người không thể cảm nhận được các bức xạ ion hoá, mà phải phụ thuộc vào các thiết bị phát hiện. Các thiết bị này dựa trên các hiệu ứng vật lí và hoá học của bức xạ khi tương tác với vật chất. Các hiệu ứng ở đây gồm: -Sự ion hóa trong chất khí -Sự ion hoá và kích thích một số chất rắn -Làm thay đổi các liên kết hoá học -Kích hoạt bởi các Nơtron. Đa số các thiết bị phát hiện và đo liều bức xạ có detector được chế tạo dựa trên nguyên lí ion hoá chất khí. Ngoài ra, còn có các detector sử dụng chất rắn dựa trên hiệu ứng tăng độ dẫn điện, gây kích thích như chất nhấp nháy, nhiệt huỳnh quang, hiệu ứng quang ảnh. Các detector sử dụng hiệu ứng hoá học độ nhạy không cao. Phương pháp phát hiện nơtron dựa vào các phản ứng kích hoạt bởi nơtron. -Sơ đồ tổng quát của một thiết bị đo bức xạ: gồm có bốn phần: Phần nhạy với tương tác bức xạ Phần biến đổi tín hiệu Khuếch đại tín hiệu Xử lí và hiển thị kết quả 1 2 3 4 A.1. Xác định liều lượng bức xạ dựa trên hiện tương ion hoá chất khí A.1.1. Cơ sở vật lí: Các detector ion hoá chất khí gồm có hai điện cực: Cathode(+), Anot(-) đặt trong một thể tích chứa đầy một chất khí. Các bức xạ hạt mang điện tích sẽ kích thích và ion hoá các phần tử khí, tạo nên các cặp ion âm (-) và dương (+). Điện trường giữa hai điện cực sẽ làm cho cho các ion âm và dương bị hút về các bản cực trái dấu với nó. Đo độ giảm điện tích trên hai điện cực hoặc dòng ion có thể suy ra được số hạt bức xạ, mức liều, hoặc năng lượng của bức xạ tuỳ theo mục đích và cách thiết kế của máy đo. K K- A+ Uo +độ giảm điện thế giữa hai bản tụ là: -dQ=n.e.V.f(U).dt=k.dD (1) +lấy tích phân hai vế với cận t=(to-t), ta được: Q0-Qt= (2) Công thức (2) cho thấy độ giảm điện tích trên hai bản điện cực tỉ lệ với liều bức xạ. Mặt khác: Q0-Qt=(U0-Ut).C từ (2) đ D= Như vậy ta có thể dùng độ giảm U thay thay cho cho độ giảm Q trong phép đo +Đạo hàm hai vế của (1) theo thời gian, ta có: Như vậy việc đo có thể thực hiện thông qua dòng, thường thì việc đo dòng đơn giản hơn. +Điện áp đặt vào hai điện cực quyết định chế độ làm việc của detector khí. A.1.2.Các thiết bị đo dùng detector ion hoá khí cụ thể: A.1.2.1. Bút đo liều bằng trường ion hoá kiểu điện kế tĩnh điện: Điện cực Nắp đậy Vỏ buồng Sợi thạch anh có phủ KL Thang đo TK hội tụ -Cấu tạo: -Hoạt động: +Sử định luật Culong: hai vật tích điện cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau. +Ban đầu: nạp điện cho điện cực, điện cực tích điện lớn nhất, góc a giữa thạch anh và điện cực ban đầu có giá trị max-ứng với giá trị 0 của thang đo. +Khi chiếu xạ, xảy ra hiện tượng ion hoá chất khí trong buồng đo, điện tích trên bản cực giảm dần, lực đẩy giữa sợi thạch anh và và điện cực giảm, góc a vì thế giảm, vị trí sợi thạch anh khi đó ứng với gía trị đo được. +Thường dải đo nằm trong dải (0á200 mR) hay (0á2mSv). -ưu nhược điểm: +Dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, bụi, va chạm (đứt thạch anh). A.1.2.2.Bút đo liều bằng buồng ion hoá kiểu tụ điện: -Cấu tạo: K- A+ K1 K2 Uo -Hoạt động: +Ban đầu K1,K2 mở. +Đóng K1 để nạp điện cho bản tụ một điện thế ban đầu +Ngắt khoá K1 +Đưa buồng ion hoá vào trường bức xạ +Đưa buồng ion hoá khỏi trường bức xạ và đóng khoá K2đ có dòng chạy qua điện kếđ xác định được dòngđ đọc được liều +Có thể thay đổi độ nhạy bằng thay đổi U, C. -Ưu nhược điểm: A.1.2.3.Đo suất liều bằng buồng ion hoá ở chế độ dòng: -Cấu tạo: K- >> A+ U0 -Hoạt động: +dựa trên nguyên lí: i(t)=k.P(t). +Mỗi khi đo liều: đóng mạch A.1.2.4.Đo suất liều chiếu xạ bằng ống đếm Geiger-Muller: -Cấu tạo: C K- K A+ Cu, Al R -Hoạt động: +Điện áp đặt vào hai bản cực nằm ở khu vực IV của hình vẽ. Khi đó, mỗi bức xạ ion hoá riêng lẻ sẽ tạo ra một thác lũ ion và một xung dòng rất lớn. Biên độ của các xung này giống nhau bất kể năng lượng truyền ban đầu là bao nhiêu, và được xác định bởi hệ ngoài nhiều hơn là hệ đếm. +Prọi bx=mkm.Eg.Ng. trong đó: Prọi bx: Suất liều rọi bức xạ mkm: hệ số truyền năng lượng của bức xạ trong không khí S : diện tích hiệu dụng của mặt cắt ống đếm. Ng : số lượng tử tới ống đếm/ 1 đơn vị thời gian Eg : Năng lượng của lượng tử (gamma, roentgen). +Số xung đếm/1 đơn vị thời gian =n=tốc độ đếm xung n=eg.Ng +Độ nhạy đo suất liều rọi của ống G-M: Điện áp Dòng ion a b I II III IV V 10-6 I: Vùng tái hợp ion II: Buồng ion hoá III: ống đếm tỉ lệ IV: ống đếm G-M V : Vùng phóng điện Hình vẽ: Các vung điện áp đặc trưng của đầu dò ion hoá khí -Ưu nhược điểm: +Ưu điểm: rẻ, mạch tương đối đơn giản, bền, nên được sử dụng rộng rãi, kinh tế, an toàn. +Nhược điểm: độ chính xác không cao do hiệu suất eg phụ thuộc vào năng lượng, đến một mức nào đó e giảm. A.2. Xác định liều lượng bức xạ dựa trên cơ sở hiệu ứng phát quang: A.2.1. Cơ sở vật lí: Có một số chất có cấu trúc tinh thể có khả năng phát quang khi bị chiếu xạ bởi các bức xạ ion hoá. Sự phát quang của chất đó khi bị chiếu xạ có thể rơi vào một trong hai trường hợp sau: -Tức thời ngay khi vật liệu bị chiếu xạ. Ngừng chiếu xạ là chấm dứt. nphoton(t) = k.DE.()= ki.P()@ki.P(t) (vì trễ ngắn nên ) -Sau khi bị chiếu xạ và có kích thích phụ.(bổ sung). Kích thích phụ này có thể là nhiệt hoặc ánh sáng. nphoton=k2.DE=k3.D Trong các chất này, các điện tử nằm trong giải năng lượng (energy band). Giải năng lượng cao nhất bình thường chứa các điện tử gọi là giải hoá trị (valence band). Nếu một điện tử được bức xạ truyền năng lượng thì nó có thể nhảy từ dải hoá trị qua giải cấm (fobbiden band) vào giải dẫn (conduction band) hoặc giải exciton. Chỗ mà điện tử để lại trong giải hoá trị gọi là lỗ trống (hole). Lỗ trống có tính chất như một ion dương. Tuy nhiên, có thể xảy sự bắt điện tử vào trong giải cấm nếu trong cấu trúc tinh thể có những khuyết tật hoặc lẫn tạp chất Như vậy, sau khi bị bức xạ truyền năng lượng, điện tử có thể nhảy vào một trong ba giải năng lượng (dẫn, exciton, cấm). Khi điện tử trở lại giải hoá trị, hiệu độ chênh lệch mức năng lượng được phát ra dưới dạng bức xạ huỳnh quang, thường là một photon ánh sáng nhìn thấy được, ta có hiện tượng phát quang tức thời. Trong trường hợp điện tử nằm trong dải cấm (bị bẫy), cần phải cung cấp năng lượng để điện tử có thể thoát khỏi bẫy, nhảy lên giải exciton trước khi nhảy xuống dải hoá trị. Khi đó ta có hiện tượng phát quang sau chiếu xạ. Năng lượng để giải phóng các điện tử này có thể được cung cấp bằng tăng nhiệt độ hoặc chiếu quang. e- Lỗ trống e- e- Giải dẫn Giải exciton Giải cấm Giải hoá trị Bị kích thích Hình vẽ: Sự ion hoá , kích thích, bẫy điện tử. A.2.2.Xác định liều hấp thụ bằng phương pháp huỳnh quang: -Phương pháp nhiệt huỳnh quang ( TLD): +Sơ đồ nguyên lí: >> 1 > 2 ống nhân quang điện Phòng thí nghiệm đo liều 1 Nguồn nhiệt +Hoạt động: detector nhiệt huỳnh quang sử dụng hiệu ứng bẫy điện tử. Vật liêu được chọn phải thoả mãn các điện tử bị bắt do bị chiếu xạ ion hoá sẽ bền ở nhiệt độ thường. Sau khi được chiếu xạ, chất đó được nung nóng đến nhiệt độ thích hơp (khoảng C), các điện tử bị bẫy sẽ được giải phóng và quay trở lại giải hoá trị đồng thời phát ra một lượng tử ánh sáng. Như vậy, nếu chất đó được nung nóng trong bóng tối với một ống nhân quang điện thì lượng ánh sáng phát ra có thể đo được và tỉ lệ với liều bức xạ mà detector đã nhận. Chất liệu dùng phổ biến ở đây là LiF (flouride lithium). +ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong đo liều bức xạ cá nhân -Phương pháp quang huỳnh quang : +Sơ đồ nguyên lí: >> Phòng thí nghiệm đo liều 1 > 2 5 1 Nguồn sáng kich thích bổ xung +ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong đo liều cá nhân nhưng đắt tiền. A.2.3.Xác định suất liều hấp thụ bằng phương pháp nhấp nháy: -Sơ đồ nguyên lí: > 2 1 >> ống nhân quang Chất nhấp nháy -Hoạt động: Đầu dò nhấp nháy dựa trên hiệu ứng phát các bức xạ huỳnh quang khi một điện tử chuyển từ trạng thái kích thích về về giải hoá trị. Vật liệu được chọn phải đảm bảo quá trình này xảy ra rất nhanh (0,1ms). ánh sáng nhấp nháy được thu vào ống nhân quang điện biến đổi ánh sáng thành các xung điện, các xung này được sẽ được khuếch đại lên. Biên độ mỗi xung tỉ lệ với năng lượng truyền cho tinh thể bởi một hạt bức xạ ion hoá. -Điểm khác biệt của phương pháp này với hai phương pháp trên là đo tức thời. A.2.3. Phương pháp đo liều bức xạ bằng phim ảnh (nhũ tương ảnh): Lớp nhũ tương ảnh (AgBr) Đế Vỏ bọc Lớp bao trong suốt mỏng -Cấu tạo phim ảnh: -Nguyên lí tạo ảnh: Bức xạ ion hoá tác động lên phim ảnh. Dưới tác dụng của photon ánh sáng kích thích, một số phân tử AgBr trong những hạt bạc bromua bị phân tích thành bạc và brom theo cơ chế chế: AgBr + +hfđ Ag+ Các hạt bạc nguyên tử này trở thành gọi là các tâm ảnh ẩn. Khi cho vào trong thuốc hiện hình, toàn bộ hạt bạc bromua có chứa phân tử bị phân li bị phân tích hoá học tạo thành bạc kim loại bám trên vỏ nhựa. Đây là quá trình khuếch đại số nguyên tử bạc lên lần. Những hạt bạc bromua không chứa những những phân tử đã bị phân li sẽ không bị thuốc hiện hình tác dụng. Sau khi tráng phim, phim đã đựơc định hình hay ổn định bằng cách rửa trong dung dịch Thiosulphite (hypo) Natri, quá trình này sẽ tẩy đi mọi phân tử AgBr không bị phân li. Phim được đọc bằng cách cho chùm sáng đi qua và đo mật độ quang học của nó. Mật độ quang học đo được sẽ được chuyển thành liều bức xạ qua một đường cong chuẩn (calibration) thiết lập bằng cách rọi một số phim với liều đã biết và xây dựng đồ thị liều- mật độ quang học. I0 I L S0 S Lg D Phim S= Lg S: Mật độ quang học A.2.4. Xác định liều lượng bức xạ bằng các phương pháp khác: -Đầu dò bán dẫn: Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn(vd: CdS) do hiệu ứng ion hoá. -đầu dò tạo dấu vết tương tác -đầu dò đ Dt ( thay đổi nhiệt độ, nhiệt lượng) B. Đo liều cá nhân: Có ba loại chủ yếu sau: -Đo liều cá nhân bằng phim: có thể lưu giữ thông tin cá nhân suốt cả cuộc đời -Đo liều bằng dụng cụ bán dẫn -Đo liều bằng nhiệt huỳnh quang. Ngày nay các phương pháp huỳnh quang được sử dụng ngày cành rộng rãi, đặc biệt là nhiệt huỳnh quang, vì gọn, nhẹ, có thể tách rời quá trình chiếu xạ, bị chiếu xạ, hiển thị kết quả. Loại dụng cụ đo liều cá nhân Đại lượng đo Loại bức xạ đo được Dải liều đo được Mức quản lí, kiểm tra liều Phim -Mật độ quang -Số vết -Gamma -Roentgen -Nơtron nhanh -Nơtron nhiệt 0,5mGy1Gy 0,2mSv0,5Sv 0,2mSv0,2Sv Tập trung Nội bộ Buồng ion hoá nhỏ Điện tích -Gamma -Roentgen -Nơtron 0,2mGy2mGy Nội bộ Nhiệt huỳnh quang Cường độ ánh sáng -Gamma,roentgen -Beta,nơtron 0,1mGy10Gy -tập trung -nội bộ Quang huỳnh quang Cường độ ánh sáng a, b, Roentgen Nơtron 0,5mGy10Gy 0,1mSv2mSv Nội bộ Tạo vết Số vết -Nơtron nhiệt -Nơtron nhanh - Nơtron trung gian 0,01mSv100mSv mSv1000Sv Tập trung Nội bộ Bảng tổng kết: Một số loại dụng cụ đo liều cá nhân phổ biến nhất C. Máy cảnh báo bức xạ hạt nhân: -Nguyên lí: Bức xạ hạt nhân Bức xạ hãm Đầu dò bức xạ Xử lí tín hiệu Hiển thị kết quả > >> ánh sáng Âm thanh +Với máy báo động khi suất liều vượt quá giới hạn: I (liên quan đến suất liều P(t)) t t Báo động +Với máy cảnh báo bảo mật: Cảnh báo Máy cảnh báo I -yêu cầu: +Nhạy với sự thay đổi của P(t) +Phản ánh kịp thời sự thay đổi suất liều theo thời gian để phát ra tín hiệu báo động. +Khi nguồn chiếu xạ chuyển trạng thái làm việc (để làm việc hoặc để kết thúc) thì máy cảnh báo phải đáp ứng n._.