Xác định đặc trưng của bức xạ photon và electron phát ra từ máy gia tốc electron và ứng dụng trong nghiên cứu quang hạt nhân

Trong khuổn khổ của Đề tài Đặc biệt cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số QG -07-06 có tên gọi “Nghiên cứu một sổ đặc trưng của cơ chế sinh bức xạ hãm và nơtron trên máy gia tốc electron và

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

ĐỂ TÀI

MÃ SỐ: QG 09 - 06

Chủ trì đề tài: PGS TS Bùi Văn Loát

Hà Nội, 2011

MỤC LỤC

Mở đ á u 12

C hương 1: Đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ phát ra từ máy gia t ố c 14

1.1 Đặc trưng tương tác của chùm electron với vật chất 14

1.2 Máy gia tốc electron dùng trong xạ t r ị 20

C hương 2: Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm electron và photon từ máy gia tốc electron primus-siemens 27

2.1 Xác định phân bố liều của chùm electron và chùm photon từ máy gia tốc electron primus-siemens 27

2.2 Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tới bia và tới trục của trục t i a 30

2.3 Xác định đặc trưng của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc electron primus-siemens của Bệnh viện K Hà Nội .34

2.4 Xác định các thông số đặc trưng của chùm bức x ạ 39

2.5 Xác định liều hấp thụ bằng vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF: Mg, Cu p 45

C hương 3: Phản ứng quang hạt nhân .49

3.1 Cơ chế của phản ứng quang hạt n h â n 49

3.2 Trạng thái đổng phân và tỷ sô đồng phân của phản ứng quang hạt n h â n 52

Các kết quả chính của đề t à i 66

Kết luận 69

Tài liệu tham k h ả o 70

Các phụ lụ c 71 Các minh chứng (danh sách khoá luận tốt nghiệp, luận văn thạc sĩ và các công trình liên quan đến đề tài)

Scientific Project

Đề cương đăng ký đề tài

Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu

MỞ ĐẦƯ

Với việc xuất hiện máy gia tốc electron năng lượng ngày càng lớn, đã cho phép tạo ra chùm photon và nơtron có năng lượng và thông lượng cao Bằng cách chọn thế gia tốc chùm electron thích hợp có thể tạo ra chùm electron, chùm photon hoặc chùm nơtron có năng lượng phù họp với từng bài toán cụ thể Chùm photon và nơtron được sinh ra từ máy gia tốc electron ngày càng có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học cũng như nghiên cứu ứng dụng [ 1,2,3,4,5]

Bức xạ photon được phát ra từ máy gia tốc electron là kết quả tương tác của chùm electron với bia kim loại nặng như W,Ta Còn nơtron được phát ra từ máy gia tốc là bức xạ thứ cấp được sinh ra chủ yếu từ phản ứng quang hạt nhân (y,xn) và phản

ứng phân hoạch được gây bởi chùm photon năng lượng cao Các đặc trưng năng lượng và phân bố theo góc của chùm photon và nơtron phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của bia, cũng như cấu tạo lối ra của máy gia tốc Đe khai thác có hiệu quả chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc cần phải nắm rõ cơ chế sinh ra và các thông số vật

lý của chùm bức xạ được sử dụng

Trong khuổn khổ của Đề tài Đặc biệt cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số

QG -07-06 có tên gọi “Nghiên cứu một sổ đặc trưng của cơ chế sinh bức xạ hãm và nơtron trên máy gia tốc electron và một số ứng dụng ” đã xác định đặc trưng phân bố phổ năng lượng và phân bổ theo góc của chùm photon và nơtron được sinh ra trong bia mỏng được sử dụng trong các nghiên cứu quang hạt nhân Đề tài cũng đã tiến hành xác định bằng thực nghiệm tiết diện của một sổ phản ứng quang hạt nhân

Tuy nhiên hình dạng bia, cấu tạo đầu ra của máy gia tốc electron dùng trong

xạ trị hoàn toàn khác so với bia và đầu ra máy gia tốc phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học Yêu cầu của chùm bức xạ photon và electron dùng trong xạ trị phải có

độ đồng đều cao trong vùng khối u và liều phải giảm nhanh khi ra ngoài biên Đề tài

QG 09-06 có tên gọi “ Xác định đặc trưng của bức xạ photon và electron phát ra từ

máy gia tốc electron và ứng dụng trong nghiên cứu quang hạt nhân'’ có thể coi là tiếp nối của Đề tài QG 07-06 Đối tượng chính của Đề tài là máy gia tốc electron Siemens- Primus dùng trong xạ trị Việc thực hiện thành công Đề tài ngoài ý nehĩa khoa học và

đào tạo Những số liệu thực nghiệm thu được sẽ trang bị cho sinh viên kiến thức cơ bản và thực tế về lĩnh vực đo liều và đánh giá phẩm chất của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc dùng trong xạ trị Ngoài phần mở đầu kết luận Bản báo cáo tổng kết Đe

tài được chia thành 3 chương.:

Chương 1 Đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc

Chương 2 Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm electron và photon từ máy gia tốc electron Primus- Siemens

Chương 3 Phản ứng hạt nhân

Phần thực nghiệm của đề tài được thực hiện tại Bộ môn Vật lý hạt nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên, tại Bệnh viện K và Viện Khảo cổ học Một phần số liệu thực nghiệm liên quan tới phản ứng quang hạt nhân được TS Phạm Đức Khuê thực hiện tại Trung tâm máy gia tốc Pohang, Hàn Quốc Phần thực nghiệm đo phổ gamma của nhiên liệu hạt nhân do CN Nguyễn Văn Quân thực hiện tại Viện đồng vị phóng

xạ thuộc Viện Hàn lâm Hung-ga- ri (Viên KFKI)

Đe tài xin chân thành cám ơn Ban giám đốc Bệnh viện K Hà Nôi, Ban giám đốc Viện Khảo cổ học, Viện Khoa học và Xã hội Việt Nam đã giúp đỡ tạo điều kiện cho

Đề tài thực hiện phần thực nghiệm đã đề ra

Chủ nhiệm Đe tài xin trân trọng cám ơn Ban Khoa học và Công nghệ ĐHQGHN, Phòng Khoa học Công nghệ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN và Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để Đề tài thực hiện tốt nhiệm vụ đã đang ký

CHƯƠNG 1 ĐẶC TRƯNG c ơ BẢN CỦA CHÙM BỨC XẠ PHÁT RA TỪ MÁY GIA TÓC

1.1 Đặc điểm tư ơng tác của chùm electron với vật chất

1.1.1 C ơ chế m át m át năng lượng của chùm electron

lượng c ủ a m ì n h N g o à i r a góc t á n x ạ b i ế n đổi t ừ 0° đ ế n 180° Đ ư ờ n g đi c ủ a

e le c tro n t r o n g m ô i t r ư ờ n g là đ ư ờ n g zic-zắc T r ê n đ ư ờ n g đ i n ă n g lư ợ n g c ủ a

H ìn h 1.1 Độ m ấ t m á t n ă n g lượng riêng của electron trong volfram

L.1.2 S ư m â t m á t n ă n g lư ơ n g c ủ a chùm bức xạ bêta (electron) d o iô n

ìhỏ h ơ n t h e n ă n g iô n h ó a c ủ a n g u y ê n tử , e l e c t r o n n h ả y l ê n m ứ c n ă n g

ượng cao h ơ n Q u á t r ì n h n à y được gọi s ự k íc h t h í c h n g u y ê n t ử m ôi tr ư ờ n g

Với b ứ c x ạ b ê t a có n ă n g lư ợ n g x á c đ ị n h , độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g t r ê n

m ột đ ơ n vị đ ư ò n g đi t ỷ lệ t h u ậ n với m ậ t độ c ủ a m ô i t r ư ờ n g Với m ô i t r ư ờ n g

xác đ ịn h , độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g t r ê n m ộ t đ ơ n vị đ ư ờ n g đi g i ả m d ầ n , s a u

ỉó đ ạ t g iá t r ị h ầ u n h ư k h ô n g đổi

K h i n ă n g l ư ợ n g c ủ a b ứ c x ạ b ê t a n h ỏ , s ự m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do p h á t

rác x ạ h ã m n h ỏ h ơ n so với độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do iô n h ó a T u y n h i ê n

ĩh i n ă n g lư ợ n g c ủ a b ứ c x ạ b ê t a t ă n g , độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do iô n h ó a v à

ú c h t h í c h m ô i t r ư ờ n g g i ả m d ầ n , còn độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do p h á t b ứ c

;ạ h ã m t ă n g d ầ n K h i n ă n g lư ợ n g đ ủ lớ n độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g c ủ a b ứ c

:ạ b ê t a do p h á t b ứ c x ạ c h i ế m ư u th ế

đ iệ n từ , được gọi là b ứ c x ạ h ã m P h ổ b ứ c h ã m là p h ổ l i ê n tụ c , có n ă n g

lư ợ ng t ừ 0 đ ế n n ă n g lư ợ n g cực đ ạ i b ằ n g n ă n g lư ợ n g c ủ a h ạ t t í c h đ iệ n Độ

h ầ u n h ư k h ô n g đổi K h i n ă n g lư ợ n g c ủ a ê e l e c t r o n cỡ v à i M e V t r ở lê n , m ố i

iiên h ệ g iữ a độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do p h á t b ứ c x ạ h ã m v à do iô n h ó a được

cho trư ớ c, k h i n ă n g lư ợ n g n h ỏ độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do i ô n v à k íc h t h í c h

m ô i t r ư ờ n g c h i ế m ư u t h ế , t ạ i đó, t ỷ sô" g iữ a độ m ấ t m á t n ă n g lư ợ n g do p h á t

bức x ạ h ã m v à do iô n h ó a n h ỏ h ơ n đ ơ n vị K h i n ă n g lư ợ n g t ă n g , t ỷ sô" sô"

n à y t ă n g d ầ n , đ ế n g iá t r ị n ă n g lư ợ n g c ủ a e l e c t r o n đ ạ t g iá t r ị n ă n g lư ợ n g tới

t h ấ y r ằ n g : N g u y ê n t ử sô" c ủ a m ôi t r ư ờ n g c à n g lón, n ă n g lư ợ n g tố i h ạ n c à n g

g iảm N ă n g lư ợ n g tớ i h ạ n được x á c đ ị n h t h e o c ô n g t h ứ c s a u [1]:

cạ c ủ a n g u y ê n tô' t h ứ i t r o n g n n g u y ê n tô' c ủ a m ôi t r ư ờ n g ; c ò n q„ A , l ầ n lư ợ t

à h à m lư ợ n g v à s ố k h ố i c ủ a n g u y ê n tô' t h ứ i; A M s ố k h ô i h i ệ u d ụ n g c ủ a m ôi

rườ n g: ASi = Ỵ j Ar C h i ể u d à i b ứ c x ạ c ủ a m ộ t s ố n g u y ê n t ố được đ ư a r a t r o n g

(=1

ỉ ả n g 1.2

.2 Máy gia tốc electron dùng trong xạ trị

.2.1.Nguyên lý hoạt động của m áy gia tốc electron

Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị còn gọi là máy gia tốc Megavolt hay láy gia tốc electron

Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối

đơn giản trên hình 1.2 [3,8]

Hình 1.2 Các bộ phận chỉnh của một máy gia tốc xạ trị

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của m áy gia tốc electron

Ban đầu, các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ catod của súng điện tử bị lung nóng Sau đó electron được tăng tổc về phía anod đục lỗ để đi vào ống dẫn sóng

;ia tốc Ỡ đây, các electron được gia tốc bước đầu bằng trường tĩnh điện Trước khi đi 'ào ống dẫn sóng, các electron được điều chế thành xung rồi được phun vào ống dẫn óng

Trong ống dẫn sóng, các electron được gia tốc bằng sóng cao tần Năng lượng ruyền cho electron lấy từ bức xạ vi sóng Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng các xung găn Bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng - đó là các “van” ìagnetron hoặc klystron Klystron thường được dùng với các máy gia tốc năng lượng

ao với mức năng lượng đỉnh là 5 MV hoặc hơn nữa để gia tốc điện tử Các electron ược phun vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng

5 thể được gia tốc Hệ thống ống dẫn sóng và sún2 điện tử được hút chân không cao

sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà không bị va chạm với

các nguyên tử khí

Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và không chyển động chính xác dọc theo trục được Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng này Đó là lực đẩy Culomb 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 các 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 là các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên các electron để dẫn chùm tia đi đủng hướng theo ống dẫn sóng, từ đó hướng ra ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng tới bia tạo ra tia X

Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron, thì chùm tia electron gia tốc 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 từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường họp điều trị cụ thể Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phang, nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp Liều lượng được kiểm soát bằng các detector

Còn nếu ở chế độ phát tia X thì chùm electron đã gia tốc được uốn theo một đường cong thiết kế để đập vào bia Chùm tia 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 :ao Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng

lượng của electron, nguyên tử số, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia Chùm tia X 3hát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định lượng phù hợp

Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và :hế độ phát electron Do đó về mặt cơ khí được cấu tạo để có thể thay đổi từ chế độ

lày sang chế độ khác một cách linh hoạt Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử iụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm photon Trong quá trình hoạt

lộng, khi hãm các chùm electron, bia tia X bị nóns lên, do đó cần hệ thống làm nguội )ăng nước

Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế hệ thổng 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.

1.2.3 M áy gia tốc PR IM U S- SIE M E N S dùng trong x ạ trị

Trên Hình 1.3 là hình ảnh của máy gia tốc Primus-Siemens đang được sử dụng

điều trị ung thư.Đây cũng là máy gia tốc hiện đang được sử dụng điều trị ung thư tại

bệnh viện K- Hà Nội và ở một số cơ sở điều trị khác tại Việt Nam [3]

Máy gia tốc Primus cung cấp hai nguồn bức xạ để điều trị:

C hùm electron trực tiếp với các mức năng lượng khác nhau: 6, 9, 12 và 15

MeV Bức xạ này tuy không có khả năng xuyên sâu nhưng có hệ số truyền năng lượng LET (linear energy transfer) cao hơn nhiều lần so với photon Vì vậy nó có hiệu quả điều trị rất cao với các tổn thương nông Các mức năng lượng dùng để điều trị khối u ở sát bề mặt với độ nông sâu khác nhau như ung thư da và ung thư vú

C hùm p h o to n với hai mức năng lượng 6MeV và 15 MeV dùng để điều trị

khối u ở độ nông sâu khác nhau như u vùng tai mũi họng, vùng cổ, u phổi, u trung thất, các khối u vùng bụng và tiết niệu, khối u xương, não, đầu, cổ, ngực, phổi, hạch bạch huyết, tuyến tụy, xương chậu .và các bệnh trẻ em

Các mức năng lượng này cho phép điều trị hiệu quả ung thư ở khắp nơi trong :ơ thể: trong não, đầu mặt cổ, phổi, các tạng trong ổ bụng, hạch bạch huyết K hi máy

7 chế độ phát phát tia gamma, chùm electron sau khi được gia tốc được đưa đến đập /ào bia, tạo ra chùm tia X đi ra từ cửa sổ trong đầu máy điều trị Tuy nhiên, chùm tia ỉược lấy ra để điều trị không phải là chùm tia sơ cấp này mà là chùm tia sau khi đã đi

Hình 1.3 M áy gia tốc xạ trị Prim us-Siemens

một hệ thống các collimator che chắn, lọc, nêm Trong đó, lọc và nêm là các bộ phận

dùng để lọc phẳng chùm tia, collimator sơ cấp để hạn chế kích thước trường cực đại

của chùm tia X, collimator thứ cấp để định dạng trường chiếu [3,8] của chùm tia Trên

hình 1.4 đưa ra sơ đồ cấu tạo lối ra của máy gia tốc dùng trong xạ trị để thu được

chùm photon có trường chiếu khác nhau

Năng lượng của chùm tia đi ra từ cửa sổ của đầu điều trị được tập trung chủ yếu

trong trường chiếu đã xác định do sự định dạng của collimator thứ cấp Các loại máy

gia tốc xạ trị hiện đại thường dùng loại collimator đa lá có thể định dạng trường chiếu

rất chi tiết

Máy gia tốc tuyến tính Primus của hãng SIEMENS đáp ứng được các yêu cầu của xạ trị chiếu ngoài hiện đại [3,8]

Bia tia X L

Collim ator

thứ cấp

C h ù melectron

V

I

C o llim a to r sơ cấp

Hình ỉ 4 S ơ đồ hệ thống collim ator và lọc p h ẳ ng chùm tia X

trong đầu điều trị của máy gia tốc xạ trị Primus

Chùm tia phát ra từ máy Primus được xác định rõ về năng lượng, liều lượng ổn

định trong suốt thời gian sử dụng Liều đồng đều bên trong chùm tia và được đo đạc chính xác Hướng đi và cường độ của chùm tia, vị trí và kích thước trường chiếu được kiểm soát và điều chinh dễ dàng Thân máy có thể chuyển động quanh giường bệnh nhân, giúp dễ dàng tạo ra các góc chiểu khác nhau

1.2.3 Đặc điểm của c h ù m bức x ạ p h á t ra từ m áy gia tốc electron P rim u s-S ie m e m

dùng trong x ạ trị

Tùy theo chế độ phát, máy gia tốc electron Primus-Siemens dùng trong xạ trị cho

chùm photon hoặc chùm electron Bang cách thay đổi thê gia tốc, chùm bức xạ phát ra

từ đầu ra của máy có các mức năng lượng khác nhau Với chế độ phát chùm photon,

sau khi chùm electron được gia tốc sẽ bắn phá vào bia để sinh bức xạ hãm về nguyên

ắc chùm bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục từ không đến năng lượng cực đại Tuy nhiên các photon có năng lượng thấp cho liều cực đại ngay sát bề mặt da làm ảnh :ho lớn đến hiệu quả điều trị Đe nâng cao hiệu quà điều trị cần phải lọc bớt phần bức

cạ photon năng lượng thấp bằng những tấm lọc Ngoài ra trong điều trị khối u yêu cầu :hùm bức xạ chiếu vào khối u phải có phân bố liều đồng đều Các lá lọc, nêm ở đầu náy gia tốc có chức năng lọc các bức xạ photon năng lượng nhỏ và làm phẳng chùm )ức xạ Ngoài ra để ảnh hưởng ít tới các tế bào lành xung quanh khối u, chùm bức xạ

;ần phải hạn chế kích thước của chùm bức xạ Trong các đầu ra của máy xạ trị đều có

lệ thống collimator Trong đó collimator sơ cấp để xác định kích thước trường chiếu :òn collimator thứ cấp có tác dụng định dạng trường chiếu sao cho trường chiếu có bình dạng như khối u

Đặc điểm của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc Primus-siemens là phân bố liều tương đối đồng đều (phang), có kích thước thay đổi Các đặc trưng của chùm bức

xạ phát ra từ máy gia tốc xạ trị: Độ phẳng, độ đối xứng Để xác định các đặc trưng của chùm bức xạ trong thực nghiệm dựa vào các thông số trong đường cong phân bổ liều theo chiều sâu và theo khoảng cách tới trục của chùm bức xạ

:HƯƠNG 2 PH ƯƠ N G PHÁP THỰC N G HIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA :HÙM ELECTRON VÀ PHOTON TỪ M ÁY GIA TỐC ELECTRON PRIMƯS-

ỈIEMENS

l.ì Xác định phân bố liều của chùm electron và chùm photon từ máy gia tốr

ỉlectron Primus- Siemens

>„1.1 Nguyên tắc chung và thiết bị đo liều dùng trong xạ trị

Trong xạ trị, mỗi bệnh nhân có phác đồ điều trị xác định thể hiện qua tổng liều chiếu, số lần chiếu và liều trong mỗi lần chiếu Với phác đồ điều trị xác định, hiệu quả của việc điều trị phụ thuộc vào việc xác định chính xác liều chiếu hay không Trước khi xạ trị cần phải chuẩn liều tuyệt đối Đây là bước quan trọng nhất

của quá trình xạ trị và là công việc phải tiến hành thường xuyên đối với các kỹ sư vật

lý Bước quan trọng nhất trong việc chuẩn liều tuyệt đối là công việc bắt buộc phải làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng năm đối với các cơ sở y tế có sử dụng máy gia tốc trong xạ trị Công việc này nhằm đảm bảo máy hoạt động đúng, chính xác, phát ra liều lượng như mong muốn

Trong mỗi phép đo phân bố, liều chiếu chùm bức xạ photon cũng như electron đầu tiên là phải xác định chế độ chiếu và liều chiếu tương ứng Quá trình này được thực hiện bằng một phần mềm chuyên dụng do hãng Siemens cung cấp[3,8]-

Chế độ chiếu bao gồm loại bức xạ sử dụng là photon hay electron Sau khi xác lập loại bức xạ, bước tiếp theo là xác lập năng lượng bức xạ cần sử dụng Công việc tiếp theo là chuẩn liều tuyệt đối cần chiếu Đây là bước quan trọng nhất của quá trình xạ trị và là công việc phải tiến hành thường xuyên đổi với các kỹ sư vật lý Bước

quan trọng nhất trong việc chuẩn liều tuyệt đối là công việc bắt buộc phải làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng năm đối với các cơ sở y tế có sử dụng máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị Công việc này nhằm đảm bảo máy hoạt động đúng, chính xac, phát ra liều lượng như mong muốn

Đơn vị MU (Monitor Unit) MU được hiểu là đơn vị phóng xạ mà máy phát ra đôi với mỗi mức năng lượng khác nhau MU của một mức năng lượns được quy

chuẩn về liều lượng hấp thụ như sau: 1MƯ tươne ứ n 2 với liều lượna lcG y (1 0 '2Gy) đo

trong phantom nước tại độ sâu liều cực đại (dmax) của mức năng lượng đó với khoảng cách từ nguồn đến bề mặt là SSD = 100cm và trường chiếu chuẩn 10x10 cm2.

Tỷ số: c = Liều lượng đo được/số M U phát ra được gọi là hệ số chuẩn hóa (Calibration factor) Liều lượng đo đạc ở đây là tại độ sâu dmax của mức năng lượng cần chuẩn liều với SSD = 100 và trường chiếu lOxlOcm2

Việc chuẩn liều tuyệt đối cho một mức năng lượng chính là việc điều chỉnh máy làm sao để hệ số chuẩn hóa của mức năng lượng đó c = 1 Như vậy nếu máy phát ra a MU ứng với năng lượng đã cho, có nghĩa liều tại dmax, SSD=100 của trường chiếu 10x10 cm2 sẽ là a cGy

2.1.2.XÓC định írực tiếp phân bố liều của chùm bức xạ photon và electron tie m ảy gia tốc Primus Siem ens

Đe tài đã xác định phân bố liều do các bức xạ phát ra từ máy gia Primus-

Siemens dùng trong xạ trị tại Bệnh viện K Hà Nội Khi đo phân bố liều ở đầu ra của

máy gia tốc buồng ion hóa được đặt tại trên giường bệnh Vị trí tâm của buồng ion

hóa được xác định bằng hệ thống laze định vị 2 chiều với sai số nhỏ hơn 2mm Trong

các bài toán đánh giá phẩm chất của chùm bức xạ dùng trong xạ trị, theo qui định của

IAEA [7,8,9,10] các thông số đặc trưng của chùm bức xạ được xác định dựa vào

thông số đặc trưng trong đường cong phân bố liều hấp thụ trong phantom nước, môi

trường tương đương mô Các phép đo cho giá trị liệu tuyệt đổi

Thiết bị đo là một Dosimeter kết nổi với đầu đo là buồng ion hóa Farmer

Type chamber FC65 - p

Trên hình 2.1a là thiết bị đo Dosimeter và trên hình 2.1 b là đầu đo Famer type

:hamber FC65-P được sử dụng

Hình 2 la Thiết bị đo D osimeter

Hình 2.1b Đầu đo Famer type chamber FC 65-P

Một sổ thông số kỷ thuật của buồng ion hóa Farmer Type chamber FC65 - p như

sau:

Công du n g

+ Đo liều tuyệt đối chùm photon và electron trong xạ trị

+ Đo trong không khí, chất ran, trong phantom nước

+ Sử dụng trong việc đo liều thường quy

Các đăc t r u n g

+ Buồng ion hóa không khí

+ Có cấu trúc lớp nhựa vừng chắc giúp việc kiểm tra liều hàng ngày

+ Không thấm nước

+ Có các lỗ thoát khí qua các lớp không thấm nước

4- Tổng chiều dài của vùng hoạt 23,2 mm.

+ Đường kính bên trong của hình trụ 6,2 mm

+ Độ dày của lớp vỏ 0,4 mm

Thông số hoat đông

+ Dòng điện dò < 10'15 A

+ Độ nhạy 21.10'9 C/Gys

2.2 Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tói bia và tói trục của chùm

2 2.1 Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tới bia

Để khảo sát sự phân bố liều theo khoảng cách tới bia đã tiến hành đo liều hấp

thụ tại các vị trí tương ứng trong điều kiện chế độ phát của máy gia tốc là không đổi

Đề tài đã xác lập chế độ phát chùm bức xạ photon năng lượng 6M V và chùm electron

6MeV và suất liều hấp thụ tại điểm cách bia lOOcm là 100cGy/5s Thời g:an đo mỗi

điểm 5s Buồng ion hóa được đặt cố định trong phantom bằng polystyrence Kết quả

cho trong phụ lục 1 và Phụ lục 2

Từ số liệu Phụ lục 1 và Phụ lục 2 tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ

thuộc của liều hấp thụ vào khoảng cách tới trục của chùm bức xạ Hình 2.2a và Hình

2.2b là dạng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của liêu hâp thụ trona không khí theo khoảng

cách tới bia Liều hấp thụ được đo trên trục chùm chiếu Từ các đồ thị nhận thấy sự

suy giảm của liều chiếu tuân theo quy luật giảm theo bình phương khoảng cách tới bia

đối với chùm photon 6M V hệ số tương quan R=0,9884, đổi với chùm electron 6

leV hệ số tương quan là R=0,9896

H'mh2.2a Đ ường cong biểu diễn sự ph ụ thuộc liều hấp thụ trong không khí theo

khoảng cách của chùm photon năng lượng 6 M V

khoang cach toi bia (cm)

Hình 2.2b Đ ường cong biểu diễn sự p h ụ thuộc liều hấp thụ trong không khí theo

khoảng cách của chùm electron năng lượng 6M eV

2.2.2 Phăn bố liều hấp thụ ngoài không k h ỉ theo khoảng cách tới trục chùm chiếu

Thực nghiệm xác định phân bố liều photon phát ra từ máy gia tốc chính là xác

định phân bố liều hấp thụ trong không khí Trong thí nghiệm tại mỗi điểm đo chế độ

chiếu và thời gian đo không thay đổi Buồng ion hóa đặt cố định trên mặt bàn, như

vậy liều đo hấp thụ đo được thực chất là liều hấp thụ ở ngoài không khí Tiến hành tại

các khoảng cách tính từ bia là 90cm, 100 cm và 110 cm, với kích thước trường chiếu

lớn nhất, tức là không hạn chế trường chiếu Với mỗi khoảng cách trên, tiến hành đo

liều hấp thụ tại điểm nằm trên cùng mặt phang vuông góc với trục của chùm chiếu

Khoảng cách từ tâm của buồng ion hóa đến trục của chùm chiếu được xác định nhờ hệ

thống laze chính xác đến lmm Quá trình chiếu và đo được giữ không đổi trong các

phép đo, tức là tại mỗi điểm đo liều hấp thụ suất lieu chiếu và thời gian đo như nhau

Ket quả đo cho trong các phụ lục 3 và phụ lục 4

Từ các số liệu thu được tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của liều

hấp thụ theo khoảng cách tới trục Hình 2.3a mô tả sự phân bố của liều hấp thụ trong

không khí theo khoảng cách tính tới trục của chùm electron năng lượng 15 MeV ứng

với 3 khoảng cách tới bia là 90cm; 100cm và 110cm Tương tự Hình 2.3b mô tả sự

phân bố của liều hấp thụ trong không khí theo khoảng cách tính tới trục của chùm bức

Kạ năng lượng 15 M V ứng với 3 khoảng cách tới bia là 90cm; 100cm và 110cm.

Phân bố liều hấp thụ trong không khí với chùm photon

Từ các đồ thị trên Hình 2.3a và Hình 2.3b nhận thấy liều hấp thụ tương đối bằng

phẳng trong khoảng cách 30cm tới trục của chùm chiếu và giảm nhanh khi ra biên

Tại khoảng cách 35cm tới trục liều hấp thụ giảm chỉ còn 50% liều hấp thụ tại điểm

nằm trên trục, sau đó giảm nhanh tới phông khi ra xa biên Đặc điểm này này cho

phép khảng định chùm bức xạ hãm phát ra từ máy xạ trị Primus tại Bệnh viện K Hà

Nội chỉ tập trung trong góc nhỏ ngay cả khi không hạn chế trường chiếu, về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, đây chính là một ưu việt nổi bật của xạ trị dùng máy gia tốc so

với máy co-ban

2.3 Xác định đặc trưng của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc Primus-

Simnens của bệnh viện K Hà Nội

2.3.1 X ác định phân bố liều theo chiểu sâu trong phantom nước- Đ ường cong

oh ân bố liều theo chiều sâu.

Trong xạ trị nước được coi là môi trường gần tương đương với tế bào Vì vậy

ỉể đánh giá chất lượng của chùm bức xạ dùng trong xạ trị thường đo liều hấp thụ

rong môi trường nước Phẩm chất của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc xạ trị được

lánh giá dựa vào phân bố liều theo khoảng cách tới trục được đo ở độ sâu ứng với liêu

;ực đại.VỊ trí liều cực đại được xác định dựa vào đường cong phân bố liều theo chiều

;âu trong phantom nước Buồng ion hóa được đặt trong phantom nước Hình 2.4 là

lình ảnh phantom nước tại Bệnh viện K, được sử dụng trong đo phân bố liều hấp thụ

:ủa chùm bức xạ dùng trong xạ trị

Trong quá trình đo tâm của buồng ion hóa được đặt trên trụcvà được di chuyển dọc

heo trục của chùm tia Việc di chuyển buồng ion hóa được thực hiện qua bộ điều

±iiển nhờ Bộ điều khiển -C C U Bộ điều khiển này được kết nối với máy tính có cài

[ạt phần mềm OmniPro- Accepts cho phép di chuyển ( sang trái sang phải, lên xuống)

Hình 2.3b Đường cong phân bố liều hấp thụ trong không kh í của chùm photon 15MV

leo các vị trí đã được lấp trình sẵn và xác định vị trí của buồng đo trong phantom

ước chính xác tới mm Phần mềm cho phép xác định liều tương đối tại các điểm đo

0 với liều tại mỗi điểm đo Trong quá trình đo liều chế độ chiếu không thay đổi, thời

ian đo mỗi điểm là như nhau Phần mền cho phép tính phân bố liều tương đối và hiện

hì trên màn hình đường cong phân bố liều tương đối ( Hình 2.5)

Hình 2.4 Phantom nước trong hệ đo liều tại Bệnh viện K

R e Ed* Vtew M m w « Toofe Equ^xnent optxxw \Mrtdow He*)

IDItflBliSlBllxl^lelPl I^MllEIE|ir1frll^l)"l. -1vlMr lirwn

Hình 2.5 Giao diện phần mềm đo đạc dữ liệu OmniPro-Accept

Phụ lục 5 và Phụ lục 6 đưa ra số liều liều hấp thụ tương đối theo chiều sâu

ìối với chùm photon 6 MV và 15 MV tương ứng với các trường chiếu khác nhau

Tinh 2.6a và Hình 2.6b là đồ thị phân bố liều tương đổi trong phantom nước tương

rng đối với 2 chùm bức xạ photon trên

Hình 2.6a Đường cong biếu diễn phân bố liều hấp thụ tương đối

theo chiều sâu của chùm photon 6 M V

-Trường 10x 10cm

■ Trương 20x20cm Trường 30x30cm

Đường cong phân bố liều tương đối theo chiều sâu của chùm electron năng

ợng 6 MeV; 9 MeV; 12 MeV và 15 MeV được đưa ra trong [24, 25,26,27] và các số

u từ Phụ lục 7 và phụ lục 8 Từ các đường cona phân bố liều tương đối theo chiều

J trong phantom nước xác định được chiều sâu liều cực đại của các chùm photon

ng lượng 6 MV; 15 M V và chùm electron năng lượng 6 MeV; 9 MeV; 12 MeV và

MeV Bảng 2.1 đưa ra liều sâu cực đại của các chùm bức xạ trên [21],

Bảng 2.1 Vị trí liều hấp thụ cực đại trong phantom nước ứng với chùm bức xạ 'hát ra từ máy gia tốc xạ trị tại Bệnh viện K

13.2 Phân bố liều trong phantom nước theo khoảng cách tới trục cùa chùm bức

Đã tiến hành đo phân bố liều tương đối trong phantom nước theo khoảng cách

ýi trục của chùm bức xạ Tại độ sâu xác định tiến hành xác định phân bố liều tương

ối nằm trên mặt phang vuông góc với trục của chùm bức xạ với trường chiếu 1 0 x 10 m2 Kết quả chi tiết của thực nghiệm được chỉ ra trong các tài liệu [24, 26,27], Trên [ình 2.7a và Hình 2.7b [21] đưa ra đồ thị phân bố liều theo khoảng cách tới trục của lùm tia trên các mặt phang nằm trong phantom nước vuông góc với trục của chùm

a ở các độ sâu khác nhau đối với chùm photon năng lượng 6MV và chùm electron ỉng lượng 15MeV tương ứng

Hình 2 la Phăn bổ liều tương đổi theo khoảng Hình 2 7b Phân bổ liều tương đối

ới trục của chùm tia đổi với chùm bức xạ khoảng cách tới trục của đối với chùm

0x 1 Ocm2

Với trường chiếu 10x10cm2 ở chiều sâu cực đại và độ sâu ứng với liêu hâp

hụ có giá trị cỡ 80% liều hấp thụ cực liều tương đối đồng đều Sau đó khi ra xa trục iều giảm rất nhanh Tại vị trí cách trục 5cm liều hấp thụ giảm đi 50%

Đối với chùm electron trong vùng kích thước bằng 80% trường chiếu khi ở chiều sâu liều cực đại ứng với vị trí điều trị, liều phân bố đồng đều Khi tới biên liều hấp thụ còn lại 50% liều cực đại Tiếp tục ra xa trục chùm tia, liều giảm nhanh về phông Ngược lại ở độ sâu lớn hơn vị trí điều trị khi ra xa biên liều hấp thụ giảm chậm Khi điều trị chọn năng lượng sao cho tại vị trí điều trị liều hấp thụ đạt ít nhất 85% liều hấp thụ cực đại Khi đó tại khối u liều hấp thụ đồng đều, ra xa khỏi khối u liều giảm nhanh, tia xa ảnh hưởng nhỏ tới tế bào lành xung quanh

1.4 Xác định các thông số đặc trưng của chùm bức xạ

Hệ số đồng đều và hệ sổ đối xứng là hai thông số đặc trưng của cho chất lượng của :hùm tia Ngoài ra đối với chùm electron các thông số trên phổ năng lượng của nó ìhư năng lượng có xác suất cực đại, năng lượng trung bình là hai thông số quan trọng tược sử dụng khi tính toán liều

1.4.1 Đánh giá các h ệ sổ p h ẩ m chất của c h ù m tia

Theo qui định của của IAEA hệ số đồng đều và độ đổi xứng của chùm tia là 2 thông

0 quan trọng khi tiến hành đánh giá phẩm chất của chùm bức xạ dùng trong xạ trị 'ác hệ số đồng đều và độ đối xứng được xác định dựa vào phân bổ liều trong ihantom nước do chùm bức xạ gây ra ở độ sâu liều cực đại Hệ sổ đồng đều F được ác định theo công thức [9,10]:

đây F là hệ số đối xứng, D max, Dmim là giá trị liều hấp thụ cực đại và cực tiểu trong ùng 80% kích thước trường chiếu (Hình 2.8a)

>ộ đối xứng s của chùm tia [9,10] được xác định theo công thức sau:

rig h l

( 2 . 2 )

(a) (b)

Hình 2.8: Phân bo liều tương đổi theo khoảng cách tới trục của chùm tia

đây areaief và arearjght là diện tích bên trái và bên phải trục của chùm tia được tính từ

ục đến điểm tại đó liều giảm đi một nữa (Hình 2.8b)

Từ các số liệu phân bổ liều tương đối đã tiến hành xác định các hệ số đồng đều

ì độ đối xứng của các chùm bức xạ photon vứi 2 mức năng lượng 6 MV và 15 MV

ì chùm electron với năng lượng 6 MeV; 9 MeV; 12 MeV và 15 MeV Ket quả thực ỊỊhiệm xác định hệ số đồng đều F và hệ số đối xứng s được đưa ra trong các Bảng

ảng 2.3 Hệ số đồng đều và đối xứng của chùm photon năng lượng 15 MV

ảng 2.7 Hệ số đồng đều và đối xứng của chùm electron năng lưựng 15 MeV

!) Đối với chùm electron trong cột 2 trong các Bảng 2.4 đén 2.7 tương ứng với liều sâu cực đại độ đồng đều lớn nhất là 1,8 % đối với chùm electron 6 MeVcòn độ )i xứng lớn nhất là 0,17% đổi với chùm electron 15 MeV

4.2 X ác định các đặc trung năng lượng trong p h ổ năng lượng của chùm electron

' mảy gia tốc xạ

Do tương tác của chùm electron được gia tốc với vật liệu ở đầu ra của máy gia

c cũng như tương tác của chùm electron với không khí từ đầu ra máy gia tốc đến bề

ặt da của bệnh nhân nên chùm electron khi đến bề mặt da không phải là chùm đơn

ng mà phổ của nó đã bị lệch về phía năng lượng thấp Năng lượng trung bình và

ng lượng có xác suất lớn nhất là 2 thông số quan trọng nhất trên phổ năng lượng

a chùm electron dùng trong xạ trị Các đặc trưng năng lượng trên được xác định

•a vào các thông số quãng đường trên đường phân bổ liều theo chiều sâu [7]

Chùm electron năng lượng có xác suất lớn nhất Ep,a được xác định theo công thức

|:

lây Q = 0.22 MeV, c 2 = 1.98 M eV cm '1 c 3 = 0.0025 MeV cm '2 còn Rp chính là iều sâu tại đó liều hấp thụ do electron gây ra bằng không, coi như là quãne chạy của ctron

Công thức (2.3) đủng với chùm chiếu có kích thước trường chiếu lớn từ

) x l 0cm2 trở lên

Năng lượng trung bình Ẽữ của chùm electron tại bề mặt của phantom được

íc định dựa vào chiều sâu R 50 tại đó liều hấp thụ bằng 50% liều hấp thụ cực đại rong [7] đưa ra công thức bán thực nghiệm xác định năng lượng trung bình của lùm electron theo R50 theo công thức sau:

ra ra số liệu kiểm tra chất lượng của máy gia tốc electron Primus-Siemens cũng

lủng loại với máy gia tốc tại Bệnh viện K

Depth in water

Hình 2.9 Đường cong phân bố liều tương đối theo chiều sâu trong

phantom nước: Dm là liều cực đại;Rioo là chiều sâu ứng với liều

cực đại, R-85 là chiều sâu ứng với liều bằng 80% liều cực đại; R50 là

chiều sâu ứng với liều bàng 50% liều cực đại; Rp là quãng chạy

thực của electron [7]

Kết quả [8] là giá trị trung bình được lấy trung bình trong các kỳ kiểm tra

ất lượng trong các năm 2005 và 2006 Trong phạm vi sai số nhỏ hơn 2%, kết quả

h toán và thực nghiệm phù hợp nhau

Từ số liệu trong B ảng 2 8 theo cô n g thức (2 3 ) và (2 4 ) đã tiến hành xác định các năng lượng c ó xác

ỉt lớn nhất và năng lư ợ n g trung bình cùa các chùm electron đang được dùng trong xạ trị tại Bệnh viện K

ng 2.9 đưa ra giá trị cùa các năng lượng đặc trưng của chùm electron đang sử dụng ở Bệnh viện K.

Bảng 2.8 Các thông số chiều sâu đặc trung của chùm electron từ máy gia tốc

[ trị tạ i Bệnh viện K í • • •

Các thông sô chiêu sâu đặc

trưng của elctron

Chùm electron năng lượng 6 MeV