Bộ môn Y Vật lý Năm học 2010 - 2011Bức xạ ion hóa và cơ thể sống Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 2 Giới thiệu chung Bức xạ ion hóa Bức xạ khô
Trang 1Bộ môn Y Vật lý Năm học 2010 - 2011
Bức xạ ion hóa và cơ thể sống
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 2
Giới thiệu chung
Bức xạ ion hóa Bức xạ không ion hóa
Nguồn Tần số Năng lượng photon (eV)
Tăng dần
Bước sóng (m)
So sánh bước sóng
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 3
Giới thiệu chung
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 4
Bức xạ ion hóa và không ion hóa
Bức xạ không ion hóa:
có năng lượng thấp (bước sóng dài) như ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, sóng radio
Bức xạ ion hóa: có năng lượng đủ lớn để làm bật các điện tử ra khỏi lớp vỏ nguyên tử
Năng lượng cực tiểu cần thiết để ion hóa nguyên tử vật chất (tia tử ngoại, tia X và gamma): H (13,6 eV),
H2O (12,6 eV), C6H6(9,3 eV)
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 5
Mục tiêu học tập
Nêu bản chất của các bức xạ ion hoá
Trình bày được cơ chế tương tác của bức xạ
ion hoá với vật chất
Phân biệt cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá
lên cơ thể sống và các mức độ tổn thương của
cơ thể sống
Giải thích được nguyên tắc hoạt động của một
số dụng cụ ghi đo bức xạ ion hoá
Trình bày được các nguyên lý kiểm soát và an
toàn bức xạ
1 Nguồn gốc của bức xạ ion hóa
Trang 2Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 7
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 8
Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
• Hạt nhân: hình cầu
3 / 1
0.A R
rhn
R 0 = 1,2.10 -15 fm
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 9
Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
•Hạt nhân: Z proton, N neutron , số khối A=Z+N
• Lực tương tác:
Lực đẩy Coulomb giữa các proton
Lực hạt nhân: lực tương tác giữa các nucleons
(proton và neutron)
• Năng lượng hạt nhân: tính lượng tử, giá trị cỡ MeV
• Mô men từ hạt nhân
có số N khác nhau (nghĩa là cùng điện tích nhưng khác nhau
về khối lượng)
Ví dụ: Hydro: 1H1, deuteri: 1H2(hoặc 1D2, hoặc D), Triti:
1H3(hoặc 1T3, hoặc T)
300 đồng vị tự nhiên, gần 1000 đồng vị phóng xạ nhân tạo
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 11
Cấu tạo hạt nhân nguyên tử
204 79 175
79 Au Au
Sn
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 12
Hiện tượng phóng xạ
Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân
nguyên tử tự biến đổi để trở thành hạt nhân
nguyên tử của nguyên tố khác, hoặc từ một trạng thái năng lượng cao về một trạng thái năng lượng thấp hơn, trong quá trình biến đổi đó hạt nhân
phát ra những tia không nhìn thấy được có
năng lượng cao gọi là tia phóng xạ hay bức xạ
hạt nhân
Trang 3Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 13
Hiện tượng phóng xạ
Khi hiện tượng phóng xạ xảy ra ở một hạt
nhân, hạt nhân đó có thể chịu được một quá
trình biến đổi hay nhiều quá trình biến đổi
liên tiếp nhau hoặc đồng thời với nhau với
những xác suất nhất định Mỗi quá trình biến
đổi đó được gọi là một phân rã phóng xạ (gọi
tắt là phân rã)
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 14
Hiện tượng phóng xạ
• Biểu diễn quá trình phân rã phóng xạ
• Định luật bảo toàn điện tích:
• Định luật bảo toàn số khối:
q(trái) q(phai)
Số nucleon vế trái = Số nucleon vế phải
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 15
-http://www.daviddarling.info/encyclopedia/B/beta_decay.html
-Q Y
• Đặc điểm năng lượng
• Bản chất của các chất phân rã : sự biến đổi tương
hỗ giữa n và p theo các phản ứng sau:
p n + ++ + Q
n p + -+ + Q
- hạt neutrino (), không mang điện, khối lượng tĩnh bằng 0
Trang 4Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 19
là đặc điểm đơn năng của
không làm thay đổi thành phần cấu tạo của hạt nhân mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 22
Phân loại bức xạ ion hóa
1 Hạt vi mô Tích điện
Hạt điện tử có khối lượng tĩnh rất nhỏ, chỉ bằng 1/1840 khối lượng của hạt nhân hydro và mang 1 đơn vị điện tích (đvđt) âm
Hạt proton có khối lượng bằng 1 đvkl và mang 1 đvđt dương
Hạt proton là một trong 2 hạt cơ bản cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử
Hạt alpha có khối lượng và điện tích lớn nhất trong số các hạt vi mô: có 4 đơn vị khối lượng và 2 đơn vị điện tích dương hay gồm 2 proton và 2 notron liên kết lại
Hạt neutron có khối lượng là 1 đvkl và không mang điện, do đó
có một số đặc điểm khác với các hạt trên khi tương tác với vật chất
Ngoài ra còn có những hạt vi mô khác như hạt deuteri, mezon, v.v ít được dùng trong y sinh học
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 23
Phân loại bức xạ ion hóa
2 Photon năng lượng cao (X, gamma)
Các bức xạ có bản chất là các sóng điện từ như ánh
sáng Chúng không có khối lượng tĩnh và không mang
điện
Năng lượng của photon được thể hiện qua bước sóng
của nó theo công thức :
Planck, c tốc độ lan truyền của photon trong chân
không
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 24
Phân loại bức xạ ion hóa
2 Photon năng lượng cao (X, gamma)
Trang 5Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 25
•càng lớn thì theo thời gian số hạt nhân có tính
phóng xạ sẽ giảm càng nhanh Thí dụ của 132I là
0,307 h-1, của 131I là 0,0036 h-1như vậy 132I phân rã
nhanh hơn 131I khoảng 100 lần
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 26
Các đại lượng đặc trưng cho sự phân rã
phóng xạ
693 , 0 2
ln
T
1 1
N dt
T phụ thuộc bản chất của hạt nhân
Đơn vị: Phân rã /giây (Pr/s), Becquerel (Bq), Curi (Ci)
1 Ci = 3,7.1010Bq
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 27
Các đại lượng đặc trưng cho sự phân rã phóng xạ
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 28
Các đại lượng đặc trưng cho sự phân
rã phóng xạ
Hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị phóng xạ thông dụng
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 29
Các đại lượng đặc trưng cho sự phân
rã phóng xạ
Isotopes Used in Medicine
Reactor Radioisotopes (half-life indicated)
Molybdenum-99 (66 h): Used as the 'parent' in a generator to
produce technetium-99m
Technetium-99m (6 h): Used in to image the skeleton and heart
muscle in particular, but also for brain, thyroid, lungs
(perfusion and ventilation), liver, spleen, kidney (structure and
filtration rate), gall bladder, bone marrow, salivary and lacrimal
glands, heart blood pool, infection and numerous specialised
medical studies
Bismuth-213 (46 min): Used for TAT
Chromium-51 (28 d): Used to label red blood cells and
quantify gastro- intestinal protein loss
Cobalt-60 (10.5 mth): Formerly used for external beam
radiotherapy
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 30
Các đại lượng đặc trưng cho sự phân
rã phóng xạMật độ bức xạ: số tia
phóng xạ truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm
đó trong một đơn vị thời gian
2
4 R
n S
n J
Trang 6Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 31
Các đại lượng đặc trưng cho sự phân
rã phóng xạCường độ bức xạ: năng
lượng do tia phóng xạ
truyền qua một đơn vị
diện tích đặt vuông góc
với phương truyền của
tia tại điểm đó trong
một đơn vị thời gian
iE J I
3 Tương tác của neutron với vật chất
Interactions_NE107_Fall08 Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 34
Tương tác của hạt vi mô tích điện với vật chất
F
• Xác suất tương tác phụ thuộc:
+ mật độ, kích thước và điện tích hạt tới+ mật độ , kích thước và điện tích của các thành phần cấu tạo vật chất
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 35
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
• Tác dụng kích thích: Năng lượng hấp thụ từ hạt vi mô
tích điện làm dịch chuyển điện tử từ quĩ đạo có năng
lượng thấp lên quĩ đạo có năng lượng cao hơn
Interactions_NE107_Fall08 Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 36
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
• Tác dụng ion hóa: Năng lượng từ hạt tới cũng có thể làm một điện tử quỹ đạo bứt ra khỏi nguyên tử: có cặp ion âm (hoặc điện tử bị bật ra) và ion dương (phần còn lại của nguyên tử) -nguyên tử (phân tử) đã bị ion hóa
Interactions_NE107_Fall08
Trang 7Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 37
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
Độ ion hóa tuyến tính: số cặp ion do hạt vi mô tới tạo
ra trên một đơn vị chiều dài dọc theo đường đi của nó
xuyên trong vật chất của chùm tia
Độ truyền tải năng lượng tuyến tính (LET): giá trị
năng lượng từ hạt vi mô hoặc photon được chuyên giao
trên chiều dài x của quĩ đạo
x
E LET
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 38
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
• Giá trị LET đối với một số bức xạ thông dụngBức xạ Điện tích Năng lượng tia
(MeV)
LET (keV/m)Điện tử -1 0.0001
0.01
12.32.3
10
164
5
14095Neutron 0 2.5
14.1
15-803-30Tia X, Bóng 200 KV
Nguồn Co60
0.4-360.2-2
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 39
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
• Giá trị LET cho biết khả năng ion hóa của chùm bức xạ
ion hóa
• Chùm tia tới có cùng năng lượng nhưng giá trị LET khác
nhau do khả năng ion hóa khoác nhau
• LET() > LET () > LET (
• LET ở cuối quĩ đạo > LET ở đoạn đầu quĩ đạo ( do vận
tốc hạt chậm, xác suất tương tác lớn, độ ion hóa lớn hơn)
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 40
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
• Trên đường đi qua vật chất, một hạt vi mô tích điện có nhiều lần va chạm với nguyên tử và có thể tạo ra rất nhiều cặp ion: Năng lượng của tia tới giảm dần trên quỹ đạo (công bứt e và cấp động năng cho e)
• Cuối quỹ đạo, các hạt vi mô không còn năng lượng đủ lớn để ion hoá vật chất, sẽ liên kết với các ion trái dấu để thành nguyên tử (phân tử) trung hoà về điện hoặc tồn tại
tự do ở trạng thái chuyển động nhiệt
• Quá trình va chạm giữa hạt vi mô tích điện với nguyên
tử vật chất: quá trình ion hóa trực tiếp
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 41
Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quĩ đạo
Đặc điểm:
Hạt vi mô truyền một phần năng lượng cho điện tử
của nguyên tử vật chất
Sự ion hóa vật chất là trực tiếp
Độ ion hoá tuyến tính i
Với một hạt vi mô xác định, xác suất tương tác để
gây ra ion hoá tỉ lệ với khối lượng, điện tích và tốc độ
hạt tới: điện tích và khối lượng càng lớn, tốc độ càng
bé thì xác suất tương tác càng lớn (i>> i)
Ở cuối quỹ đạo, số cặp ion bao giờ cũng nhiều hơn ở
đoạn đầu
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 42
Tương tác của hạt vi mô tích điện với hạt nhân nguyên tử
Các hạt vi mô tích điện có thể gây ra phản ứng hạt
nhân tạo ra các hạt nhân nguyên tử mới:
P n
15 27
13 ( , )
Hạt vi mô tích điện tới gần hạt nhân nguyên tử vật chất (cũng mang điện) thì chúng sẽ tương tác với nhau thông qua trường hạt nhân: quỹ đạo và vận tốc của hạt tới bị thay đổi nhiều, tạo ra chuyển động cong (có gia
tốc) phát bức xạ hãm có năng lượng phụ thuộc gia
tốc chuyển động và số Z của nguyên tử vật chất, điện tích và khối lượng hạt tới
Trang 8Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 43
Tương tác của hạt vi mô tích điện với hạt nhân nguyên tử
Bức xạ hãm
Hiện tượng phát bức xạ hãm
Hạt vi mô tích điện tới gần hạt
nhân nguyên tử vật chất (mang
điện) thì chúng sẽ tương tác với
nhau thông qua trường hạt nhân:
quỹ đạo và vận tốc của hạt tới bị
thay đổi nhiều, tạo ra chuyển động
cong (có gia tốc) phát bức xạ
hãm có năng lượng phụ thuộc gia
tốc chuyển động và số Z của
nguyên tử vật chất, điện tích và
khối lượng hạt tới
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 44
So sánh tương tác của hạt vi mô tích điện và
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 45
So sánh tương tác của hạt vi mô tích điện và
với vật chất
Hạt anpha (2 neutron và 2
proton); q=+2 ; có khối
lượng (4 AMU) Năng
lượng trung bình: 4-8 MeV;
Quãng chạy (<10cm trong
từ vài chục KeV to 5 MeV;
Quãng chạy khoảng 12 inch/MeV trong không khí, vài mm trong tổ chức sống
Hệ sô LET thấp (QF=1) ít gây tổn thương (6-8 cặp ion/µm trong tổ chức sống);
Tổn thương chủ yếu khi bị chiếu trong, tuy nhiên tia beta năng lượng lớn cũng
có thể gây tổn thương cho
da khi bị chiếu ngoài
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 46
Tương tác của photon năng lượng cao với vật chất
•Tia X có bản chất là sóng điện từ với bước sóng cực ngắn, có năng lượng cao
•Photon năng lượng cao truyền toàn bộ năng lượng của nó chỉ sau một lần tương tác với nguyên tử vật chất
•Sản phẩm của quá trình tương tác giữa photon năng lương cao với nguyên tử vật chất sẽ ion hoá vật chất tiếp tục: photon năng lượng cao đã ion hoá gián tiếp vật chất
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 47
Tương tác của photon năng lượng cao với vật chất
• Hiệu ứng quang điện: điện
tử quĩ đạo bị bứt ra khỏi lớp
vỏ điện tử của nguyên tử, do
tác dụng của tia (tia X)
• Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện: phụ thuộc số Z
của nguyên tử vật chất và năng lượng của photon tới
• Năng lượng photon để xảy ra hiệu ứng quang điện:
< 0,1 MeV
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 48
Tương tác của photon năng lượng cao với vật chất
Hiệu ứng Compton: photon năng lượng cao tương tác với
điện tử tự do của nguyên tử vật chất, truyền toàn bộ
năng lượng cho điện tử Một phần năng lượng nhận được chuyển thành động năng của điện tử và phần còn lại sẽ phát ra dưới dạng một photon có tần số nhỏ hơn (năng lượng thấp hơn) và có hướng truyền làm thành một góc với hướng truyền của photon tới
hf = hf' + Eđ
Trang 9Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 49
Tương tác của photon năng lượng cao với vật chất
Hiệu ứng tạo cặp: hiện tượng
tạo ra cặp electron và pozitron
khi photon năng lượng cao
tương tác với trường hạt nhân
nguyên tử (năng lượng của
photon chuyển hóa thành 2 hạt
cơ bản và động năng của
chúng)
Xác suất của hiệu ứng: tăng tỷ lệ với giá trị
năng lượng của photon và số Z của vật chất
hf = Eđ+ + Eđ-+ 1.02 MeV
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 50
Tương tác của neutron với vật chất
Nguồn phát neutron:
• Phản ứng hạt nhân dây chuyền:
• Phản ứng 9Be ( , n ) 12C (từ phân rã của 241Am hoặc
226Ra): neutron nhanh (> 1 MeV) và đa năng
• Phản ứng Gamma-Neutron 9Be(,n)He4(tia nhận được
từ phân rã của Antimoan-124): đơn năng
MeV n
Xe Sr n
0 144 54 90 38 1 0
1 0 12 6 4 2 9
4 2 1 0 9
4 ( 1 7 MeV ) n 2 He
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 51
Tương tác của neutron với vật chấtĐặc điểm của neutron
• Điện tích q = 0, tương tác điện từ yếu, dễ dàng xuyên
qua vật chất, không thể ion hóa trực tiếp vật chất
• Khối lượng: 939.56 MeV/c2, nặng hơn proton một chút
• Thời gian sống: 886.7 s
Neutron tự do không bền vững dễ bị phân rã và phát ra
tia beta (T1/2khoảng 13 phút)
• Moment từ: -1.91 μN (−9.6623640 × 10−27J/T), rất nhạy
với tính chất từ của vật liệu
• Spin s = ½
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 52
Tương tác của neutron với vật chấtPhân loại neutron
• Lạnh < 1 meV
• Nhiệt < 0.5 eV
• Epithermal 0.5 eV–50 keV
• Nhanh > 50 keV
• Năng lượng TB > 1 MeV
• Năng lượng cao > 10 MeV
Các dạng tương tác
• Tán xạ đàn hồi
• Phản ứng hạt nhân:
– Chiếm bức xạ (n,γ)– Chiếm các hạt (n,p) or (n,α)
–Tán xạ không đàn hồi (n,x)– Phản ứng nhiệt hạch (n,f)
cỡ mạng tinh thể
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 53
Tương tác của neutron với vật chất
Đặc điểm tương tác của neutron với vật chất:
Khác với electron, photon hay hạt mang điện
neutron có tương tác điện từ rất yếu
Do đó neutrons xuyên qua vật liệu một cách dễ
dàng và chỉ tương tác với hạt nhân nguyên tử
Quãng chạy và hệ số LET của neutron phụ thuộc
vận tốc của nó: neutron chậm (<10 KeV), neutron
nhiệt có QF=3, neutron nhanh (> 10 KeV) có QF = 10
3 dạng tương tác phổ biến: hấp thụ, tán xạ và phản
ứng hạt nhân dây chuyền
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 54
Tương tác của neutron với vật chất
• Năng lượng và hướng chuyển động của neutron thay đổi
• Không xuất hiện trạng thái kích thích trung gian của hạt nhân
• Xảy ra chủ yếu với các neutron có năng lượng từ trung bình đến năng lượng lớn
Tán xạ đàn hồi neutron-hạt nhân A(n,n)A : thường xảy
ra với hạt nhân nhẹ
Trang 10Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 55
Tương tác của neutron với vật chất
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 56
Tương tác của neutron với vật chất
Phản ứng chiếm neutron kèm phát xạ gamma (n,γ)
• Để che chắn neutron thường phải kết hợp vật liệu làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ neutron chậm
• Các hạt nhân chiếm neutron quan trọng: Boron, Cadmium và Gadolinium
• Xảy ra với neutron chậm
• Quá trình bao gồm
sự hấp thụ neutron kéo theo sự phát xạ tia gamma
• Vai trò quan trọng trong an toàn phóng xạ: một số đồng vị có tiết diện chiếm rất lớn ở năng lượng thấp
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 57
Tương tác của neutron với vật chất
Chiếm neutron và phát ra các hạt proton, alpha
Ví dụ: 10B(n,) (ứng dụng trong điều trị) và 3He(n,p)
(phát hiện neutron)
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 58
Tương tác của neutron với vật chất
Tán xạ không đàn hồi A(n,n’)A*: thường xảy ra
với hạt nhân nặng
Neutron có năng lượng lớn cỡ MeV: hạt nhân chuyển sang trạng thái kích thích khi tương tác với neutron
Kết quả của tán xạ không đàn hồi: neutron mất phần lớn năng lượng, hạt nhân chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ thứ cấp (photon gamma)
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 59
Tương tác của neutron với vật chất: Phản ứng dây chuyền
Hạt nhân nặng tách thành 2 (hoặc > 2) hạt nhân nhỏ
hơn
Giải phóng năng lượng lớn (do năng lượng liên kết
của hạt nhân nhỏ (Z khoảng 100) so với năng
lượng liên kết của hạt nhân lớn)
Các sản phẩm phụ: neutron, photon và các bức xạ
khác
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 60
Tương tác của neutron với vật chất: Phản ứng dây chuyền
Hạt nhân nặng tách thành 2 (hoặc > 2) hạt nhân nhỏ hơn
Giải phóng năng lượng lớn (do năng lượng liên kết của hạt nhân nhỏ (Z khoảng 100) so với năng lượng liên kết của hạt nhân lớn)
Các hạt nhân quan trọng nhất trong chu trình nhiên liệu hạt nhân (Uranium, Plutonium and Thorium are the most importantfissile nuclides in the nuclear fuel cycle.)
Các sản phẩm phụ: neutron, photon và các bức xạ khác
Trang 11Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 61
Kỹ thuật xạ trị bằng phản ứng chiếm neutron
được tiêm Bo)
Tổ chức bệnh bị tiêu diệt bởi các tia alpha phát ra
trong phản ứng chiếm neutron 10B(n,)7Li
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 62
Kỹ thuật xạ trị bằng phản ứng chiếm neutron
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 63
Tương tác của neutron với vật chất
Chùm neutron khác với các bức xạ ion hóa thông
thường (photon, e, hạt vi mô tích điện)
Tương tác điện từ của neutron rất yếu, chủ yếu là va
chạm với hạt nhân dẫn tới sự hấp thụ, tán xạ hoặc phản
ứng hạt nhân dây chuyền
Sự nguy hiểm của chùm neutron gắn với khả năng
đâm xuyên của chúng và khả năng sinh ra các bức xạ ion
hóa thứ cấp bên trong cơ thể
Che chắn neutron cũng như việc tính toán để bảo vệ
khỏi tác dụng của chúng rất phức tạp
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 64
Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất
Các hạt vimô tích điện tương tác mạnh và ion hóa trực tiếpCác hạt trung hòa điện ion hóa gián tiếp và xuyên sâu hơn
Sự hấp thụ các bức xạ ion
hóa Liều lượng bức xạ
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 66
Trang 12Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 67
Hạt : đơn năng, quỹ đạo trong vật chất - đường thẳng
Khi tương tác, năng lượng của từng hạt sẽ giảm dần
dọc theo quỹ đạo của nó cho đến khi dừng lại
J0- mật độ chùm tia song song, có cùng năng lượng
xuyên vuông góc với bề mặt của lớp vật chất
x - chiều dày lớp vật chất chùm tia xuyên qua
J - mật độ chùm tia ló sau khi đi qua lớp vật chất
R- quãng chạy của chùm tia trong vật chất
J = Jo nếu x < R
J = 0 nếu x R
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 68
Hạt có phổ năng liên tục, quỹ đạo của hạt trong vật chất là đường gấp khúc quanh co
Tương tác của tia , tia X với vật chất xảy ra theo quy luật xác suất
-cường độ chùm tia , (hoặc tia X, hoặc tia ) tới
I -cường độ sau khi ra khỏi lớp vật chất
x -chiều dày của bản (tính bằng cm)
trong đó xgọi là hệ số giảm bậc nhất
x
x
e I
Tại x = HVL ta có I = I0/2
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 70
Định luật suy giảm cường độ tia gamma, X
Chiều dày hấp thụ một nửa, mm (inch)
192
Iridium-44.5 (1.75)
12.7 (0.5)
4.8 (0.19)
3.3 (0.13)
2.8 (0.11)
(2.38)
21.6 (0.85)
12.5 (0.49)
7.9 (0.31) 6.9 (0.27)
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 71
Định luật suy giảm cường độ tia gamma, X
d = x.- chiều dày khối của bản vật chất, đơn vị g/cm3
d x
e I e I I
=x/- hệ số giảm khối, đơn vị đo: cm2/g
Nguyên nhân suy giảm cường độ tia beta:
sự lệch hướng của hạt khi tương tác với hạt thành
phần của vật chất
sự dừng của hạt trong vật chất khi năng lượng của
nó giảm xuống bằng năng lượng của chuyển động nhiệt
Hệ số hấp thụ khối phụ thuộc vào năng lượng cực
đại của hạt có trong chùm tia đó
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 72
Định luật suy giảm cường độ tia gamma, X
d x
e I e I I
= + +
Các hệ số hấp thụ khối , , , và tỉ lệ các giá trị của , , trong hệ số hấp thụ khối toàn phần phụ thuộc vào năng lượng của photon
Trang 13Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 73
Định luật hấp thụ tia gamma, X
Năng lượng photon (hf/m 0 c 2 )
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 74
Định luật hấp thụ tia gamma, X
mô cơ) và năng lượng của bức xạ ion hóa
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 75
Định luật hấp thụ tia gamma, X
Năng lượng photon (keV) Năng lượng photon (keV)
Hệ số hấp thụ (giảm) tuyến tính và hấp thụ
khối phụ thuộc năng lượng photon
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 76
Định luật hấp thụ tia gamma, X
Hệ số giảm khối của một số vật liệu
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 77
So sánh hệ thụ hấp thụ tuyến tính và hệ
số hấp thụ khối
Vật liệu Mật độ Số e/khối lượng Mật độ e (50keV) / (50keV)
(g/cm 3 ) (e/g.10 23 ) (e/cm 3 10 23 ) (1/cm) (cm 2 /g) Không khí
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 78
Liều lượng bức xạ: liều hấp thụ
lượng vật chất hấp thụ
Định nghĩa: Liều hấp thụ D là tỉ số giữa năng
chiếu tới và khối lượng m của nó:
Đơn vị: gray (Gy) = 1 joule/kg
1 rad = 0.01 Gy
m
E D
Trang 14Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 79
Liều lượng bức xạ: suất liều hấp thụ
Định nghĩa: Suất liều hấp thụ D là tỉ số giữa liều
tia chiếu tới và thời gian t để có được liều đó.
Đơn vị: gray/s (Gy/s) = 1 joule/kg.s
t
D P
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 80
Liều lượng bức xạ: liều chiếu
Định nghĩa: Liều chiếu là đại lượng cho biết tổng số điện tích của các ion cùng dấu được tạo ra trong một đơn vị khối lượng không khí ở điều kiện tiêu chuẩn dưới tác dụng của các hạt mang điện sinh ra do tia gamma hoặc tia X tương tác với các nguyên tử, phân tử khí
Áp dụng cho tia X và gamma
Đơn vị: C/kg, Rơnghen (R)
m
Q Dc
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 81
Liều lượng bức xạ: suất liều chiếu
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 82
Liều lượng bức xạ: liều tương đương
tương tác với cơ thể sống: khái niệm hệ
Liều tương đương H = Liều hấp thụ D x WR
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 83
Liều lượng bức xạ: liều tương đương
neutrons (10 keV – 100 keV) 10
neutrons (100 keV – 2 MeV) 20
neutrons (2 meV – 20 MeV) 10
neutrons >2 MeV 5
Bức xạ ion hóa QF (WR)
• QF càng lớn thì LET càng lớn
Radiation Protection in Radiotherapy Part 3, lecture 1: Radiation protection 84
Liều lượng bức xạ: liều hiệu dụng
với tác dụng của bức xạ ion hóa: khái niệm