ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Một ứng dụng không thể không nhắc đến của Vật lý hạt nhân là ứng dụng trong y học, nó góp phần quan trọng trong việc chẩn đoán, điều trị, chăm sóc sức khỏe cho con người, một số biện phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

ThS.GVC Nguyễn Hữu Khanh Lớp: Sư phạm Vật lý

Cần Thơ, Năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian 4 năm học tập tại trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ

em đã nhận được những kiến thức, kỹ năng , sự quan tâm tận tình, chỉ dạy của các thầy, cô trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ Đặc biệt là các thầy, cô của bộ môn Sư Phạm Vật Lý

Với vốn kiến thức thu được trong quá trình học tập đã giúp em làm nền tảng để hỗ trợ cho quá trình công tác ở trường Trung Học Phổ Thông sau này

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Xuân Dinh, là người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, góp ý và giúp em sửa bản thảo trong suốt quá trình viết luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các tác giả đã viết sách, để em có tài liệu tham khảo nội dung liên quan đến đề tài Nhờ đó, giúp em hoàn thành luận văn một cách thuận lợi

Tuy đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn chỉnh hơn Thay lời cảm ơn em xin chúc quý thầy cô và các bạn lời chúc sức khỏe và hạnh phúc

Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Lê Ánh Hồng

MỤC LỤC

Phần MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Giới hạn cuả đề tài 1

4 Phương pháp và phương tiện thực hiện 2

5 Các bước thực hiện 2

6 Các thuật ngữ quan trọng 2

Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phóng xạ và các tia phóng xạ 3

1.1.1 Phóng xạ 3

1.1.2 Các nguồn tia phóng xạ 3

1.2 Đồng vị và đồng vị phóng xạ 4

1.2.1 Đồng vị 4

1.2.2 Đồng vị phóng xạ 5

1.2.2.1 Các đồng vị từ các lò phản ứng 6

1.2.2.2 Các đồng vị từ máy gia tốc 6

1.2.2.3 Các đồng vị từ phân hạch 6

1.3 Địa hóa đồng vị 7

1.3.1 Địa hóa đồng vị bền 7

1.3.2 Địa hóa đồng vị phóng xạ 8

1.4 Phân rã phóng xạ 9

1.5 Các phương pháp đo đếm phóng xạ 10

1.5.1 Ống đếm Geiger Miiller 10

1.5.2 Ống đếm nhấp nháy 11

1.5.3 Đêtecto nhấp nháy lỏng 14

1.5.3.1 Dung môi 14

1.5.3.2 Chất hòa tan thứ nhất 14

1.5.3.3 Chất hòa tan thứ hai 15

1.5.3.4 Phát hiện các photon nhấp nháy 15

1.5.3.5 Đánh giá kết quả 15

1.5.4 Một số kỹ thuật đo đặc biệt 16

1.5.5 Một số kỹ thuật đo đặc biệt trong y học hạt nhân 16

1.5.5.1 Đo từng thời điểm 16

1.5.5.2 Ghi đồ thị phóng xạ 16

1.5.5.3 Ghi hình 17

Chương 2: ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

2.1 Những nguyên lý cơ bản của các ứng dụng 20

2.2 Sản phẩm đồng vị phóng xạ và nguồn phóng xạ 20

2.3 Các ứng dụng trong nông nghiệp 21

2.3.1 Về phân bón 21

2.3.2 Về chuyển hóa và quang hợp 21

2.3.3 Về bệnh cây 22

2.3.4 Diệt cỏ dại 22

2.3.5 Diệt côn trùng 22

2.3.6 Trong chăn nuôi 23

2.3.7 Dùng đồng vị phóng xạ tạo giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm 23

2.3.8 Trong thủy văn 24

2.3.9 Xác định độ hư mòn 25

2.4 Các ứng dụng trong công nghiệp 25

2.4.1 Diệt trùng bằng phóng xạ 25

2.4.2 Thủy học và thủy lực học 25

2.4.3 Tìm chỗ hỏng bằng sử dụng vết phóng xạ 26

2.4.4 Kiểm tra không phá hủy mẫu 26

2.4.5 Xử lý bức xạ 27

2.4.6 Phát năng lượng từ những nguồn đồng vị phóng xạ 27

2.4.7 Đo bề dày các bình và đo thể tích, lưu lượng chất lỏng 27

2.4.7.1 Phép đo bề dày 27

2.4.7.2 Phép đo mức, thể tích, lưu lượng chất lỏng 28

2.4.8 Sử dụng các tia phóng xạ trong khảo cổ địa chất 28

2.4.8.1 Qủa đất bao nhiêu tuổi 28

2.4.8.2 Xác định niên đại của những di vật khảo cổ bằng cacbon-14 28

2.5 Các ứng dụng trong y học 29

2.5.1 Những đặc điểm của y học hạt nhân (YHHN) hiện đại 30

2.5.2 Các thí dụ về chẩn đoán YHHN 32

2.5.2.1 Thăm dò chức năng thận bằng thận đồ đồng vị 32

2.5.2.2 Chụp hình tuyến giáp 35

2.5.2.3 Xét nghiệm YHHN in vitro trong phát hiện nhược giáp bẩm sinh 37

2.5.3 Tạo ảnh hạt nhân phóng xạ .38

2.5.4 Ứng dụng lâm sàng 38

2.5.4.1 Một vai nét về ứng dụng đồng vị phóng xạ trong lâm sàng 38

2.5.4.2 Nguyên lý ghi hình bằng máy SPECT, PET 43

2.5.5 Phân tích miễn dịch phóng xạ 46

2.5.6 Ứng dụng chữa bệnh bằng dược phẩm phóng xạ 47

2.5.7 Bước đầu nghiên cứu điều trị HIV bằng đồng vị phóng xạ 49

Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Ở NƯỚC TA

3.1 Ứng dụng trong nông nghiệp 52

3.2 Ứng dụng trong công nghiệp 54

3.3 Ứng dụng trong y tế 56

3.4 Nghiên cứu các quá trình trong tự nhiên 61

3.5 Kỹ thuật hạt nhân trong nghiên cứu bảo vệ môi trường 61

3.6 Phát triển kỹ thuật trong phân tích hạt nhân 62

3.7 Phát triển năng lượng kỹ thuật hạt nhân phục vụ công nghệ hóa, hiện đại hóa đất nước 62

Phần KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý học là ngành khoa học mang lại nhiều sự mới lạ trong quá trình nghiên cứu

và tìm hiểu Các nhà khoa học luôn luôn khám phá để tìm ra nhiều kiến thức mới cho ngành khoa học này Trong đó, Vật lý hạt nhân đã góp phần không nhỏ cho sự phát triển của nền khoa học hiện đại Một ứng dụng không thể không nhắc đến của Vật lý hạt nhân là ứng dụng trong y học, nó góp phần quan trọng trong việc chẩn đoán, điều trị, chăm sóc sức khỏe cho con người, một số biện pháp đạt hiệu quả cao thí dụ: Vật

lý trị liệu, chiếu tia phóng xạ, sản xuất đồng vị và điều chế dược chất phóng xạ phục

vụ chẩn đoán và điều trị bệnh…

Trong vòng 30 năm qua, các chất đồng vị phóng xạ đã chiếm một vị trí ngày càng quan trọng trong các lĩnh vực nghiên cứu sinh học, sinh lý học, sinh hóa học, các môn sinh học, sử dụng kỹ thuật nguồn kín để xây dựng các hệ đo đạc hạt nhân như đo mức chất lỏng, đo độ dày, độ ẩm của vật liệu; trong các dây chuyền tự động hóa của các nhà máy công nghiệp; phát triển các kỹ thuật phân tích hạt nhân để tham gia vào các chương trình thăm dò, khai thác tài nguyên khoáng sản và nghiên cứu, bảo vệ môi trường; sử dụng các đồng vị phóng xạ để đánh giá một số quá trình trong tự nhiên như hiện tượng bồi lấp, xói mòn; sử dụng các nguồn bức xạ cường độ cao để khử trùng các dụng cụ, chế phẩm và bảo quản thực phẩm, dược phẩm; ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp và sinh học Hơn thế ngày nay, tất cả các nước tiên tiến

và các nước đang phát triển trên thế giới đã sử dụng đồng vị phóng xạ và đã đạt được những thành tựu khoa học kỹ thuật, những phát minh sáng kiến mới ứng dụng vào sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ, y học,…nhằm phục vụ cho đời sống con người ngày càng tiến bộ hơn

Để hiểu thêm về đồng vị phóng xạ cũng như những ứng dụng của nó trong đời sống, em chọn đề tài “Ứng dụng của các đồng vị phóng xạ”

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu tìm hiểu về đồng vị, phóng xạ và đồng vị phóng xạ cũng như những ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong đời sống

- Tìm hiểu một số ứng dụng điển hình của đồng vị phóng xạ ở nước ta

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, việc đi sâu tìm hiểu và nghiên cứu cần nhiều thời gian và công sức Mặt khác,

do không có điều kiện để tiếp xúc với các đồng vị phóng xạ, vì vậy đề tài này chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu mang tính lý thuyết cơ bản của các đồng vị và đồng vị phóng xạ thông qua sách vở, internet chứ không đi sâu vào nghiên cứu bằng thực nghiệm

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Phương pháp : sưu tầm, phân tích các số liệu có trong sách tham khảo, các tài liệu trên internet Trao đổi với giáo viên hướng dẫn, từ đó tổng hợp các thông tin có được

làm thành luận văn hoàn chỉnh

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Bước 1: Nhận đề tài

Bước 2: Tìm tài liệu và viết đề cương

Bước 3: Viết luận văn

Bước 4: Hoàn chỉnh luận văn

Bước 5: Bảo vệ luận văn

6 CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TRONG ĐỀ TÀI

Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 PHÓNG XẠ VÀ CÁC TIA PHÓNG XẠ

1.1.1 Phóng xạ

Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát

ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ) Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là các đồng vị bền Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ Các tia phóng xạ có từ tự nhiên có thể bị chặn bởi các tầng khí quyển của trái đất

- Tia phóng xạ theo nghĩa gốc là các dòng hạt chuyển động nhanh chóng từ các chất phóng xạ Các hạt phóng ra có thể chuyển động thành các dòng định hướng

- Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt anpha, hạt proton, mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta), không mang điện như hạt nơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều) Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân

Hình 1.1: Phân rã hạt nhân 1.1.2 Các nguồn tia phóng xạ

Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia làm hai loại:

- Tia phóng xạ có bản chất là hạt như các hạt beta β (electron mang điện âm), alpha α (nhân helium mang điện dương)

- Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ<10 Å) như tia X hay tia gamma

Tia alpha là hạt mang điện tích dương dễ dàng bị chặn lại bởi tờ giấy hoặc da người Nếu hấp thụ vào cơ thể qua đường hô hấp hay đường tiêu hoá, những chất phát tia alpha sẽ gây tác hại cho cơ thể

Tia beta là các điện tử, sức xuyên thấu của nó mạnh hơn so với tia alpha nhưng có thể

bị chặn lại bằng tấm kính mỏng hoặc tấm kim loại Sẽ nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ thể những chất phát ra tia beta

Tia gamma và tia X tương tự sóng radio và tia sáng, nhưng là sóng điện từ có bước sóng ngắn Vì sức xuyên thấu của nó rất lớn nên chỉ có thể chặn lại bằng vật liệu có nguyên tử lượng lớn như chì hoặc béton, nước

Hình 1.2: Các tia phóng xạ

Nguồn phóng xạ trong tự nhiên:

1 Mỗi người trung bình trong một năm nhận tia phóng xạ tự nhiên: khoảng 1,1mSv (1,3mSv nhận từ Radon trong không khí thì con số này trở thành 2,4mSv)

6 Mức độ gấp 10 lần của phông phóng xạ tự nhiên trung bình cũng không có ảnh hưởng xấu nào đến sức khoẻ con người

7 Các hoạt động chẩn đoán y tế gây nhiễm phóng xạ: Kiểm tra dạ dày bằng chụp tia

X sẽ nhận 0,6mSv/lần, kiểm tra chụp tia X cắt lớp vùng ngực sẽ nhận 6,9mSv/lần, du lịch đi bằng máy bay khứ hồi New York - Tokyo sẽ nhận 0,19mSv

X – ký hiệu hóa học của nguyên tố

A – số khối (số tổng cộng các neutron và proton cấu thành hạt nhân nguyên tử)

Z – số điện tích của hạt nhân nghĩa là số proton, của các hạt nhân hay cũng là số electron của nguyên tử Đó là nguyên tử số, xác định vị trí của nguyên tố trong bảng phân loại tuần hoàn các nguyên tố của Menđêleep và quy định các thuộc tính hóa học của nguyên tử

N – số neutron của hạt nhân nguyên tử (N = A – Z)

Trong ký hiệu thông thường, số N thường không được ghi Với hệ thống ký hiệu này

ta viết: 11H,126C,168O để chỉ các nguyên tử hydro, cacbon, oxy phổ biến trong thiên nhiên

Điều đáng lưu ý là trong thiên nhiên đa số các nguyên tố bao gồm không phải một loại nguyên tố mà là nhiều loại nguyên tử có số khối khác nhau Những nguyên tử này có cùng nguyên tử số Z nhưng trong hạt nhân có số neutron khác nhau do đó số khối A khác nhau ta gọi đó là các đồng vị (isotope)

Ví dụ hydro có 3 đồng vị :

H

1

Hình 1.3: Đồng vị của nguyên tử hydro 1.2.2 Đồng vị phóng xạ (ĐVPX)

Trong thiên nhiên chỉ có 20 nguyên tố không có đồng vị ta gọi đó là các nguyên

tố không đồng vị (anisotopic elements) hay là các nguyên tố đơn hạt nhân (mononuclidic elements) Các nguyên tố khác đều có đồng vị, từ 2 đồng vị ( như antimon, clo, bo, brom, lithi) đến 10 đồng vị (như thiếc) Đa số đồng vị trong thiên nhiên ở dạng bền, hạt nhân của chúng không thay đổi theo thời gian Đó là những đồng vị bền Nhưng cũng có các đồng vị mà hạt nhân của chúng ở trạng thái không

ổn định về mặt năng lượng và có khuynh hướng thâu đoạt thêm hoặc mất bớt điện tích, giải phóng năng lượng thừa để chuyển sang trạng thái ổn định hơn Bằng cách

đó đồng vị của nguyên tố này sẽ chuyển thành đồng vị của các nguyên tử khác, cũng

có trường hợp chuyển thành đồng phân của cùng nguyên tố đó Những chất đồng vị này được gọi là đồng vị phóng xạ (ĐVPX) và vì có sẵn trong thiên nhiên nên được gọi là các ĐVPX thiên nhiên

Vậy nhân nguyên tử của các đồng vị của một nguyên tố có thể bền (stable) tức là

tồn tại mãi mãi, hoặc không bền (unstable) Nhân đồng vị không bền hủy biến tự

nhiên theo thời gian để đạt tới trạng thái bền hơn Đồng vị có nhân không bền đuợc gọi là đồng vị phóng xạ (radioisotope)

Thí dụ như trong ba đồng vị của hydrogen đồng vị tritiumH-3 là đồng vị phóng xạ vì

có nhân không bền Tính bền của nhân nguyên tử phụ thuộc vào tỉ lệ giữa số neutron

và số proton trong nhân Các nguyên tố mà Z có trị số thấp thì nhân bền nếu tỉ lệ này khoảng bằng 1, còn đối với các nguyên tố có Z cao thì tỉ lệ này phải bằng khoảng từ 1.6 tới 1

Các chất ĐVPX thường có thời gian bán rã quá dài, lượng của chúng lại ít do đó không thỏa mãn các yêu cầu sử dụng Người ta đã tìm cách chế tạo các ĐVPX và

trong thực tế các chất ĐVPX dùng trong sinh học, y học, nông học và nhiều ngành khác đều do con người tạo ra và được gọi là các chất ĐVPX nhân tạo Chúng có thể được tạo ra bằng các phản ứng hạt nhân trong các lò phản ứng, trong các máy gia tốc hay là sản phẩm của các quá trình phân hạch (fission) của urani hay piotoni trong các

là phản ứng

1.2.2.1 Các đồng vị từ các lò phản ứng

Việc sản xuất đồng vị trong lò phản ứng dựa trên tương tác giữa các neutron do lò cung cấp với hạt nhân của các nguyên tử mục tiêu (còn gọi là “bia”) Kiểu phản ứng quan trọng nhất là kiểu dùng neutron nhiệt trong đó hạt nhân của nguyên tử bia thâu

Thí dụ ĐVPX vàng -198 bằng phản ứng :

0 0 198 79 1 0 197

Ngoài ra kiểu phản ứng neutron nhanh cũng thông dụng, các neutron nhanh khi nhập vào hạt nhân của nguyên tử bia còn đủ năng lượng để làm văng các hạt khác như proton, alpha, ra khỏi hạt nhân nguyên tử

1 1 32 15 1 0 32

4 2 3 1 1 0 6

3Li  n  H  He

1.2.2.2 Các đồng vị từ máy gia tốc

Nếu các lò phản ứng sản xuất ra các loại đồng vị “thừa neutron” thì các máy gia tốc sản xuất ra các loại đồng vị “thiếu neutron” Các hạt tích điện được gia tốc để có năng lượng cao bắn vào nhân của các nguyên tử bia cũng đánh văng các hạt khác ra theo cơ chế tương tự như kiểu phản ứng thu nhận neutron nhanh Thí dụ có thể sản xuất natri -22 bằng xyclotron từ magie -22 hoặc magie -25 qua các phản ứng:

4 2 22 11 2 1 24

4 2 22 11 1 1 25

1.2.2.3 Các đồng vị từ phân hạch

Hạt nhân của các chất phân hạch như uran – 235 khi thâu đoạt neutron có thể tách thành 2 mảnh gần đều nhau kèm theo việc phát neutron và năng lượng Đó là hiện tượng phân hạch Từ các sản phẩm của quá trình phân hạch ta có thể lấy ra được một

số đồng vị như 13153 I ,13755 Cs ,14458 Ce ,9043 Tc ,13354 Xe và 9139Y Việc sản xuất ĐVPX bằng quá trình phân hạch có đặc điểm là tạo được những lượng lớn các chất đồng vị Chỉ một “mẻ”có thể sản suất hàng trăm đến hàng nghìn curi Thực tế thì ngoài Coban -60-

và hầu như cả Iridi – 192 việc sản xuất các đồng vị giới hạn ở số lượng cần dùng từ milicuri đến vài trăm curi Vì thế các lò phản ứng của các nước trên thế giới đã bỏ phí hàng triệu curi Các ĐVPX sản phẩm của phân hạch thường khá rẻ giá mổi curi của chúng thường hạ hơn giá mỗi milicuri của các đồng vị sản phẩm của lò phản ứng hay máy gia tốc Ngày nay khoảng 200 ĐVPX đã trở thành quen thuộc trên thị trường,

ngoài ra còn hơn 400 ĐVPX có những thuộc tính có thể đưa ra sử dụng nếu như triển khai được việc sản xuất chúng

1.3 ĐỊA HÓA ĐỒNG VỊ

Địa hóa đồng vị là một khía cạnh của địa chất học, dựa trên các nghiên cứu về nồng độ tương đối và tuyệt đối của các nguyên tố và các đồng vị của chúng trong Trái Đất Những biến đổi về nồng độ của các đồng vị, đặc biệt được đo đạc bằng máy quang phổ khối lượng tỉ số đồng vị hay máy quang phổ khối lượng gia tốc, có thể cung cấp thông tin về tuổi của đá, hay chúng có nguồn từ nước hoặc không khí Các tỉ

số đồng vị thậm chí có thể làm sáng tỏ các quá trình hóa học trong khí quyển Ở khía cạnh rộng hơn, lĩnh vực địa hóa đồng vị có thể được chia thành 2 nhánh là địa hóa đồng vị bền và đồng vị phóng xạ

1.3.1 Địa hóa đồng vị bền

Đối với hầu hết các đồng vị bền, độ lớn giữa phân đoạn động học và phân đoạn cân bằng là rất nhỏ; do đó, các giá trị được biểu diễn ở dạng "phần ngàn" (‰) Các giá trị này (δ) là tỉ số giữa đồng vị nặng và đồng vị nhẹ trong mẫu so với tỉ số chuẩn như sau:

oo o C

C C C C

Ch

m

1000 1

12 13 12 13

biến đổi về tỉ số này trong xác của thực vật ám chỉ sự biến đổi mức độ của hoạt động quang hợp

Trong quá trình quang hợp, các sinh vật sử dụng thực vật C3 cho thất các mức độ làm

khoa học không chỉ phân biệt vật chất hữu cơ từ cacbon vô sinh mà còn chỉ ra phương thức quang hợp được sử dụng

+ Thực vật C3: Là các loài thực vật chỉ tồn tại duy nhất theo kiểu cố định cacbon C3 – một kiểu trao đổi chất để cố định cacbon trong quang hợp ở thực vật Qúa trình này chuyển hóa đioxit cacbon và ribuloza bisphotphat (RuBP – một đường chứa 5 cacbon) thành 3-photphoglyxerat

+ Thực vật C4; Là loài thực vật tồn tại duy nhất cố định cacbon C4 – liên kết các

tạo ra từ malat

 Nitơ

Nitơ có hai đồng vị bền, 14N, và 15N Tỉ số giữa các đồng vị này được so sánh tương đối với nitơ trong không khí xung quanh Các tỉ số nitơ thường có mối liên hệ với các hoạt động nông nghiệp Đồng vị nitơ cũng được sử dụng để đo đạc lược trao

 Ôxy

Ôxy có 3 đồng vị bền, 16O, 17O, và 18O Các tỉ số ôxy được đo đạc tương đối với Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) hay Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) Các biến động tỉ số đồng vị ôxy được sử dụng để theo dõi sự chuyển động của nước, cổ khí hậu, và cả các khí trong khí quyển như ôzôn và carbon dioxide Đặc biệt, tham chiếu VPDB được dùng cho trường hợp cổ khí hậu, trong khi VSMOW được dùng cho hầu hết các ứng dụng khác Các đồng vị ôxy thể hiện các tỉ số dị thường trong ôzôn khí quyển, là kết quả của sự phân đoạn khối lượng độc lập Các tỉ

số đồng vị trong foraminifera hóa thạch đã và đang được sử dụng để suy luận nhiệt

độ trong các biển cổ

 Lưu huỳnh

thấy trong thiên thạch Canon Diablo Tiêu chuẩn chung được chấp nhận đối với tỷ số 34S/32S là 1/22.22 Các biến động về tỉ số đồng vị được sử dụng để nghiên cứu nguồn gốc của lưu huỳnh trong thân quặng và nhiệt độ hình thành các khoáng vật chứa lưu huỳnh

oo o S

S S S S

ch

32 34 32 34

Chì được tạo ra trong Trái Đất từ quá trình phân rã các nguyên tố siêu urani, mà chủ yếu là urani và thori Địa hóa đồng vị chì cung cấp các thông tin về tuổi đồng vị ban đầu đối với nhiều loại vật liệu khác nhau Do các đồng vị chì được tạo ra từ việc phân rã nhiều nguyên tố siêu urani khác nhau nên các tỉ số của 4 đồng vị so với đồng

vị còn lại có thể có nhiều ứng dụng hữu ích trong việc theo dõi nguồn của các đá mácma nóng chảy, nguồn của trầm tích và thậm chí nguồn gốc con người thông qua tỉ

số đồng vị trong vật liệu trong răng, da và xương của họ

Phương pháp này đang được sùng để định tuổi lõi băng ở thềm Bắc Cực, và cung cấp các thông tin về nguồn ô nhiễm chì trong khí quyển

Các đồng vị chì-chì đã được ứng dụng thành công trong khoa học pháp y để lấy dấu vân tay trên trên các viên đạn, bởi vì mỗi lô đạn có các đặc thù riêng về tỉ

Thực nghiệm cho thấy rằng trong một khoảng thời gian nhất định số phân rã đặc hiệu cho một chất ĐVPX nào đó tỷ lệ với số lượng các nguyên tử ĐVPX có mặt và với thời gian:

Trong đó N0 là số nguyên tử phóng xạ ở thời điểm ban đầu t = 0 và N là số

và 131I là 0.307 giờ -1 và 0.0036 giờ-1 như thế 132I phân rã nhanh hơn 131I gần 100 lần Tốc độ phân rã phóng xạ hoàn toàn không chịu ảnh hưởng của các tác nhân hóa học (thí dụ như thay đổi liên kết hóa học) cũng như các tác nhân vật lý (thí dụ như áp suất, nhiệt độ…)

Trong thực hành người ta rất hay thể hiện tốc độ phân rã phóng xạ bằng thời gian bán

rã còn gọi là chu kỳ bán rã hay “nửa đời sống vật lý” ký hiệu là Tp Đó là khoảng thời gian cần thiết để diễn ra sự phân rã của một nửa số nguyên tử ban đầu Trong đẳng thức (2) khi t = Tp ta có







693 , 0 2 ln 2

Tp được tính theo đơn vị thời gian: giây, phút, giờ, ngày hay năm, đó là một khái

năm

Người ta đánh giá một lượng ĐVPX nhiều hay ít qua hoạt tính phóng xạ (hay còn gọi là độ phóng xạ) của nó Hoạt tính A của một lượng ĐVPX được xác định bằng số

phân rã hạt nhân diễn ra trong một đơn vị thời gian Đơn vị hoạt tính là curi (kí hiệu Ci) đó là hoạt tính của một lượng nguyên tố phóng xạ có số phân rã trong một giây là 3,7.1010

)10

Be-cquerel (kí hiệu là Bq) :

1

pCi Ci

Bq

Bq Ci

03,2710

703,21

107,31

11 10

Bức xạ phát sinh do các kiểu phân rã hạt nhân có thể chia làm hai nhóm:

Các ĐVPX nhân tạo thông dụng trong phương pháp dùng chất đánh dấu trong

Đa số các ĐVPX có phân rã phức tạp Ứng với một phân rã hạt nhân có sự phát

một số lượng tử gamma với năng lượng khác nhau Các chất phân rã  cũng phóng

electron từ hạt nhân có năng lượng cực đại khác nhau với một tỷ lệ phần trăm hoàn toàn xác định Cần nắm vững những thuộc tính này của ĐVPX ( thời gian bán rã, năng lượng bức xạ) mới có thể sử dụng chúng một cách có hiệu quả

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẾM PHÓNG XẠ

Phần này chỉ trình bày các phương pháp phát hiện và đo đếm các ĐVPX nhân tạo dùng làm chất chỉ điểm (chất đánh dấu) trong các nghiên cứu sinh học, chủ yếu là các

Nói chung mỗi máy đo bức xạ hạt nhân gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ phận phát hiện (còn gọi là đêtecto), bộ phận khuếch đại, bộ phận phân tích, bộ phận đếm

Bộ phận phát hiện làm nhiệm vụ chuyền tia phóng xạ ( 1 photon hoặc 1 hạt) thành dạng có thể đo đếm được (thường là một xung điện) Tùy theo dạng bức xạ, năng lượng bức xạ mà ta chọn máy đo có đêtecto phù hợp Các đêtecto dùng trong sinh học chủ yếu thuộc loại ion hóa chất khí (ống đếm Geiger Muller) và loại dùng chất nhấp nháy (ống đếm nhấp nháy tinh thể hoặc ống đếm nhấp nháy lỏng)

1.5.1 Ống đếm Geiger Muller (GM)

Ống GM được cấu tạo bởi một ống kín bằng thủy tinh hoặc kim loại chứa khí trơ như acgon, heli dưới áp suất 100 – 200 mmHg Ở giữa ống căng một sợi dây tungsten làm cực dương, cực âm là thành ống giữa hai cực thiết lập một điện áp từ 1000 đến 1500V

Khi có bức xạ đi vào ống gây nên hiện tượng ion hóa sơ cấp nghĩa là biến một số nguyên tử chất khí trong ống thành cặp ion dương và electron Các electron ảnh

tung ra hàng loạt ion 103 đến 1010 tất cả ion âm đều về cực dương tạo nên một xung điện

Vấn đề quan trọng là chuỗi hiện tượng mô tả trên sau khi phát sinh phải được dập tắt càng sớm càng tốt để ống GM có thể tiếp nhận tia bức xạ khác và phát sinh ra một xung điện mới Thời gian ngắn nhất giữa hai xung điện liên tiếp gọi là thời gian chết của ống đếm Để có thời gian chết ngắn người ta tạo ra những ống GM tự dập tắt, bằng cách thêm vào ống một số hợp chất có dạng hơi (etylic, axeton) Một hỗn hợp khí này 907 acgon và 107 hơi cồn ở áp suất 100 mmHg hấp thu hết các photon trên đường đi tới catot dài 4cm Nhưng mỗi lần có hiện tượng ion hóa để làm phân hủy

Hình 1.4: Sơ đồ lắp ống GM

các ống đếm này hoạt động với điện áp 400 – 600V Thời gian chết của ống đếm tự ngắn, cỡ 10-4 – 3.10-5 giây

Hình 1.5: Ống đếm GM đo  Hình 1.6: Ống đếm GM đo 

Trong sinh học thường dùng các loại ống đếm GM sau đây:

- Ống GM hình chuông có cửa sổ với màng mỏng (thường bằng mica) để đo  Với

1.5.2 Ống đếm nhấp nháy ( scintillation detector)

Một số chất vô cơ và hữu cơ có khả năng chuyển năng lượng bức xạ mà chúng hấp thu được thành ánh sáng trông thấy Ở đây bức xạ ion hóa gây hiện tượng kích thích các nguyên tử và phân tử Các nguyên tử và phân tử chỉ ở trạng thái kích thích

trạng thái cơ bản bằng cách phát ra các photon ở những chỗ nhất định trong chất nhấp nháy gọi là các tâm sáng Các tâm sáng này thường là những nguyên tử tạp chất nằm trong lòng chất nhấp nháy đó là các chất hoạt hóa (activator) thường được ký hiệu trong hoặc sau chất nhấp nháy Thí dụ đơn tinh thể nhấp nháy natri iodua hoạt hóa bằng thali được ký hiệu là NaI (Tl) là loại rất hay được sử dụng

Hiệu suất năng lượng của hiện tượng nhấp nháy được tính theo công thức:

Thuộc tính của một số chất nhấp nháy thường dùng được ghi trong bảng 1.1

Trong đêtecto các photon nháy sáng được dẫn đến quang âm cực (photocathode) của ống nhân quang Ống nhân quang sẽ biến nháy sáng thành một xung điện Nguyên tắc hoạt động của nó như sau: photon bứt một số điện tử ra khỏi mặt photocatot (có thể đạt tới 9 electron cho 1 keV) Các điện tử này được định hướng và gia tốc bằng điện trường giữa photocatot và điện cực nhân điện tử (còn gọi là đinot) đầu tiên Khi đập vào đinot mỗi điện tử được gia tốc sẽ bức ra khỏi đinot và điện tử thứ cấp, cứ thế dòng điện tử này được nhân lên nhanh chóng khi đi qua hệ 8 – 14 đinot ( hệ số nhân

một nguồn cao áp cỡ 1 đến 2 kV, điện áp này được chia đều giữa ác đinot rải từ anot đến catot của ống nhân quang Nguồn cao áp phải rất ổn định với độ ổn định cỡ 0,01%

Bảng 1.1: Thuộc tính của một số chất nhấp nháy

lượng riêng (g/cm)

Bước sóng nhấp nháy (A)

Hiệu suất năng lượng

%

Thời gian phát sáng

10-9 giây Antraxen

Stiben Xylol – Terfenyl

125

115 0,86

Nal (Tl) ZnS (Ag)

3,67 4,1

Hình 1.7: Sơ đồ chức năng của một hệ thống đếm dùng đêtecto nhấp nháy

Các loại đêtecto nhấp nháy có những điểm sau đây:

Bảo đảm được những tốc độ đếm hết sức cao

- Hiệu suất ghi khá cao Dùng đêtecto tinh thể nhấp nháy NaI (Tl) có thể đạt hiệu

lỏng (máu, nước tiểu, ) người ta dùng loại tinh thể giếng (Well – type crystal) Dung tích giếng thường là 5 cm3 với kích thước đủ để đặt ống nghiệm chứa mẫu đo vào (xem hình 1.8)

- Độ phân giải năng lượng của đêtecto nhấp nháy tuy không cao lắm nhưng cũng đủ cho phép tiến hành phân tích phổ năng lượng Sử dụng tinh thể NaI (Tl) đo electron năng lượng 100 – 150mkeV thì độ phân giải năng lượng cỡ 14%, năng lượng 2 – 4

Hình 1.8: Ống đếm tinh thể giếng

Nguồn cao áp

Đếm thời gian

Đếm số xung

Ghi số liệu

Việc đo phân biệt các mức năng lượng rất quan trọng trong các phương pháp đánh dấu kép (dùng đồng thời 2 hoặc nhiều hơn) chất ĐVPX phát tia gamma năng lượng khác nhau mà ta có thể đo phân biệt được nhờ các máy phân tích một hay nhiều kênh Thí dụ để nghiên cứu chuyển hóa iot trong cơ thể động vật ta có thể dùng đồng thời

trên cùng một mẫu đo

Việc đo với máy phân tích nhiều kênh cũng rất quan trọng trong phương pháp phân tích kích hoạt trong đó trên cùng một mẫu ta phải xác định nhiều hạt nhân phóng xạ khác nhau

1.5.3 Đêtecto nhấy nháy lỏng

Trong việc đo tia beta, năng lượng thấp của cacbon – 14, triti, lưu huỳnh – 35

đo nhấp nháy lỏng có tầm quan trọng đặc biệt trong sinh học vì hầu hết các hợp chất sinh học như các axit amin, glucoza, các steroit các bazo của axit nucleic đều có thể

(và nhiều trường hợp chỉ có thể) đánh dấu bằng các ĐVPX phát thuần túy bức xạ 

năng lượng thấp như cacbon – 14, hydro – 3 (triti)

Chất nhấp nháy lỏng là một dung dịch hòa tan một vài hộp chất huỳnh quang trong một dung môi thích hợp Hạt bức xạ trong chất nhấp nháy lỏng cũng gây hiện tượng kích thích như trong tinh thể nhấp nháy Ở đây năng lượng kích thích được chuyển cho các phân tử huỳnh quang và phân tử này phát ra một lóe sáng Lóe sáng này cũng được phát hiện bởi ống nhân tạo thành 1 xung điện để được khuếch đại, phân tích biên độ rồi được đếm bởi một hệ đếm

1.5.3.1 Dung môi

Có hai chức năng: Hòa tan các hợp chất huỳnh quang và mẫu đo, hấp thụ và chuyển năng lượng của hạt bức xạ đến phân tử chất huỳnh quang Chất lỏng chuyển kích thích điện tử với hiệu suất cao nhất là chất lỏng thơm (armatic liquids) như toluen, xylen, dioxan Các chất khác có thể được hòa tan bằng cách thêm một ít dung môi thích hợp khác nhưng phải chọn sao cho không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển năng lượng cũng như đặc tính phát quang của các chất nhấp nháy

1.5.3.2 Chất hòa tan thứ nhất

PPO (2.5 diphenyloxazol), PPD (phenyldiphenyl oxadiazol) và p – ter- phenyl là chất thường được dùng làm chất hòa tan thứ nhất Vai trò của chất hòa tan thứ nhất là nhận năng lượng kích thích từ dung môi và phát năng lượng đó dưới dạng lóe sáng Tiêu chuẩn quan trọng nhất để chọn chất hòa tan thứ nhất là số photon phát ra ứng với một đơn vị năng lượng bức xạ hấp thu bởi dung môi Cần một nồng độ 5 đến 10g/l của các chất này để gây số phát quang tối đa, việc sử dụng chúng bị giới hạn bởi tính hòa tan kém trong toluen Chẳng hạn p – terphenyl là một trong những chất được dùng đầu tiên làm chất hòa tan thứ nhất giá lại rẻ nhưng vì hòa tan kém trong toluen lạnh nên phải nhường chỗ cho PPO là chất hiện được dùng nhiều nhất Tiêu

chuẩn thứ hai là photon phát ra phải có bước sóng ứng với độ nhạy cao nhất của photocatot ống nhân quang Bước sóng thích hợp nhất là 400 nm

1.5.3.3 Chất hòa tan thứ hai

Chính vì bước sóng của photon phát ra bởi các chất hòa tan thứ nhất thông dụng thường ngắn hơn 400nm nên người ta thêm vào dung dịch một số chất hòa tan huỳnh quang thứ hai như POPOP (1,4 bis-2 [5 – phenyloxazoly] – benzen) Chất này hấp thu photon phát bởi chất hòa tan thứ nhất để phát lại một photon huỳnh quang với bước sóng dài hơn Vì vậy chất huỳnh quang thứ hai còn được gọi là chất “chuyển dịch phổ” (sepectrum shifter)

Chúng thường được dùng với nồng độ bằng 1/10 nồng độ của chất hòa tan thứ nhất nghĩa là khoảng 0,5 g/lít tolugen

1.5.3.4 Phát hiện các photon nhấp nháy

Trong phép đo nhấp nháy lòng đòi hỏi ống nhân quang có độ nhạy cao Photocatot của ống nhân quang có thể phát một số electron khi không có photon đập vào Để giảm phông nhiệt thường dùng các biện pháp sau đây Biện pháp thứ nhất là các ống nhân quang được đặt trong môi trường lạnh để giảm phát electron nhiệt Những sự tiến bộ trong công nghệ ống nhân quang hiện nay cho phép sản xuất các ống nhân quang không phát electron nhiệt mà không cần làm mạnh Tuy nhiên để duy trì độ nhạy photocatot và các dinot cũng như việc tạo ra các xung điện đồng đều cần

Biện pháp thứ hai để khử phông là dùng phân tích biên độ xung Tương tác giữa các photon lóe sáng với photocatot làm văng ra đồng thời một số electeon do đó xung điện tạo nên thường có biên độ lớn hơn xung điện do electron nhiệt Phân tích biên độ giúp ta tách các tín hiệu khỏi xung phông Biện pháp thứ ba có hiệu quả nhất là đếm

trùng phùng Khi chất nhấp nháy hấp thu một hạt  nó phát ra đồng thời một số

photon Nếu hai ống nhân quang nhìn chất nhấp nháy và lối ra (output) của chúng được bố trí sao cho chỉ những xung điện cùng phát sinh đồng thời ở hai ống nhân quang mới được đếm thì có thể loại bỏ được các xung nhiệt chỉ phát sinh ở riêng từng ống Với cách bố trí này có thể giảm phông xuống dưới 10xung/ph trong điều kiện do cacbon – 14 đạt hiệu suất 80%, do triti hiệu suất 60% hoặc cao hơn Các mẫu thường được đếm trong 10 đến 15 mg dung dịch nhấp nháy trong lọ thủy tinh hoặc polyetylen dung tích 20 ml

1.5.3.5 Đánh giá kết quả

Trong các nghiên cứu chuyển hóa không thể khẳng định rằng hoạt tính phóng xạ trong một tổ chức hay một chất dịch của cơ thể là ở cùng dạng hóa học với chất phóng xạ đã đưa vào cơ thể Việc nhận định đúng các kết quả còn tùy thuộc cả vào độ tinh khiết của hợp chất phóng xạ đã dùng và các phương pháp hóa học đã dùng để cô lập và tinh khiết mẫu

Một chất đánh dấu rất hay dùng trong sinh học (đặc biệt trong định lượng phóng

xạ miễn dịch học) là Iot – 125 phát  mềm Iot – 125 có thể đo bằng phương pháp

nhấp nháy lỏng với độ nhạy cao hơn phép đo dùng tinh thể Kỹ thuật đo tương tự như với cacbon – 14

1.5.4 Một số kỹ thuật đo đặc biệt

Trong nghiên cứu nông nghiệp, sinh học và y học hiện đại người ta còn dùng các loại máy đo phóng xạ đặc biệt như:

- Máy đo phóng xạ toàn thân (Wholebody counter) để phát hiện các chất phóng xạ gamma tồn lưu trong cơ thể động vật thí nghiệm Với những máy dùng tinh thể NaI (Tl) có phân tích biên độ nhiều kênh và bảo đảm phông đệm rất thấp ở mọi cơ thể động vật ta ghi được hai đỉnh: một đỉnh ứng với kali – 40 chất phóng xạ thiên nhiên

có nhiều trong cơ thể và đỉnh ứng với xesi – 137 (hậu quả của các vụ nổ hạt nhân) Máy này rất thuận lợi cho việc nghiên cứu chuyển hóa

- Máy ghi phân bố hoạt tính phóng xạ trên bề mặt Đêtecto của máy di chuyền tự động theo hai trục x, y Thường dùng máy nảy để ghi các vệt phóng xạ trên các băng sắc ký trên giấy hay sắc ký lớp mỏng hoặc để ghi hình phân bố phóng xạ trong cơ thể động vật thực nghiệm (tương tự như scintiscan – ner để làm trên người nhưng nhỏ hơn)

1.5.5 Một số kỹ thuật ghi đo đặc biệt trong y học hạt nhân

Các đồng vị sử dụng trong chẩn đoán chủ yếu phát tia gamma và các phép đo tia gamma trên cơ thể sống (đo in vivo) chiếm vị trí đặc biệt quan trọng Các phép đo này nhằm phát hiện động học của một chất phóng xạ đã đưa vào cơ thể bệnh nhân (bằng đường uống hay tiêm) tại một hay một số cơ quan khác nhau trong cơ thể bệnh nhân Có 4 phương pháp thườn sử dụng : đo từng thời điểm, ghi đồ thị tự động, ghi hình và chụp hình

1.5.5.1 Đo từng thời điểm

Phép đo được lặp lại trong từng khoảng thời gian với những điều kiện hình học không thay đổi, cho ta biết mức độ tập trung chất phóng xạ tại một cơ quan nào đó ở những thời điểm khác nhau Thí dụ điển hình là đo độ tập trung iot – 131 tại tuyến giáp ở các thời điểm 2 giờ, 4 giờ, 6 giờ, 24 giờ sau khi uống liều chuẩn iot – 131 Trong phép đo này (cũng như các phép đo in vivo khác) ta dùng đêtecto nhấp nháy có bao định hướng (collimator) bảo đảm ghi nhận được các tia gamma phát ra từ

cơ quan cần đo và ngăn chặn đến mức tối đa các tia gamma phát ra từ các vùng lân cận khác trong cơ thể Khi đo độ tập trung iot – 131 ở tuyến giáp collimator bảo đảm trường nhìn cho phép đo là vùng tuyến giáp và không để các tia gamma từ các vùng khác lọt vào đêtecto

1.5.5.2 Ghi đồ thị phóng xạ

Người ta thường ghi đồ thị phóng xạ với máy có bộ phận tự ghi để thăm dò các cơ quan có chức năng sinh lý diễn ra nhanh mà phép đếm xung không theo kịp Thí dụ điển hình là ghi đồ thị phóng xạ thận (isotopic nephrography) sau khi tiêm vào tỉnh

thận Các máy hiện dùng trong y học hạt nhân thường có nhiều kênh, nghĩa là nhiều đêtecto (với collimator tương ứng) nối với nhiều bút ghi

1.5.5.3 Ghi hình (Scanning)

Các máy ghi hình có nguyên lý chung là: một đêtecto nối liền với một bộ phận ghi hình, trong khi đêtecto quét trên bề mặt cơ quan có tập trung chất phóng xạ thì bộ phận ghi hình cũng chuyển động đồng dạng, và vạch hình với mật độ vạch càng dày đặc khi hoạt tính phóng xạ nhận được càng lớn (hoặc theo mẫu khác nhau ứng với hoạt tính phóng xạ theo một thang quy ước) Các máy ghi hình này được ra đời hồi những năm 50 có nhược điểm là không bắt kịp những thay đổi nhanh của hoạt tính phóng xạ ở cơ quan ghi nên không ghi được hành động Thêm nữa việc ghi hình tốn nhiều thời gian nhất là với các tạng lớn (gan chẳng hạn), vì vậy ngày nay hầu như rất

ít được dùng, nếu còn dùng chủ yếu để ghi hình tuyến giáp

1.5.5.4 Chụp hình (Imaging)

Các máy chụp hình tia gamma (Gamma Camera) có bộ phận phát hiện cố định, cho ta hình ảnh tức thì của cả cơ quan trong trường nhìn Phương pháp này có nhiều thuận lợi hơn so với ghi hình nhờ thời gian chụp nhanh Những hình chụp liên quan liên tiếp với tốc độ nhanh giúp ta nghiên cứu động học của chức năng một cơ quan như quá trình thở của phổi, hoạt động bơm của tim v.v Người ta gọi đó là chụp hình động học (dynamic imaging)

Nguyên lý chụp hình như sau: tia gamma được thu nhận bởi một tinh thể NaI (Tl) mỏng (khoảng 12 mm) nhưng có đường kính lớn 290 đến 400 mm Các photon phát

ra được thu nhận bởi một tập hợp các ống nhân quang gồm 19 đến 37 ống nhân quang

bố trí thành hình 6 cạnh bảo đảm việc truyền tín hiệu sáng có định vị đến dao động

ký Dao động ký biến các nhấp nháy thành một chấm sáng, chấm này càng sáng khi

số nhấp nháy trước ống nhân quang càng nhiều Các GC (và col – limator tương ứng) ngày nay thường thích hợp nhất với tia gamma năng lượng 140 keV của tecneti – 99

m Điều này cũng dễ hiểu vì tecneti – 99 m cung cấp bởi nguồn sinh (generator) được dùng để đánh dấu các hợp chất khác nhau trong hầu hết các phép chụp hình các tổ chức, cơ quan trong cơ thể

Những năm gần đây, chụp hình hạt nhân có những bước tiến lớn các máy GC tương tự (analog) đã được thay thế bằng các máy số hóa (digital) và có gắn máy tính với các phần mềm chuyển dụng để chụp theo chương trình định trước và để phân tích, xử lý hình ảnh Thế hệ máy mới nhất cho phép chụp hình cắt lớp phát xạ đơn photon hỗ trợ bằng máy tính (Single photon emision computed tomography gọi tắt là SPECT) SPECT dùng một GC quay để thu được các hình ảnh từ nhiều góc của sự phân bố DCPX phát tia gamma trong cơ quan Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị vì riêng nó có khả năng định vị chính xác một sự bất thường sinh lý trong cơ thể thông qua hàng loạt lát cắt 2 chiều của cơ quan tạo ra bởi computer, từ đó các hình ảnh không gian 3 chiều của cơ quan có thể được tái tạo Ở nước ta một số khoa YHHN đã trang bị được Gamma Camera, riêng bệnh viện quân y 108 đã có SPECT

Trong chụp hình hạt nhân hiện đại cũng cần phải nhắc tới kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron emisson tomography (gọi tắt là PET) Trong kỹ thuật này người ta

2 photon gamma 0,511 MeV, hai photon này ngược chiều nhau Như vậy dùng 2 máy phát hiện đặt quay mặt vào nhau, nối với một bộ trùng phùng để ghi những tia cùng đồng thời đập lên 2 máy phát hiện, thì sẽ xác định được vị trí phát Với một hay một

số vòng các đêtecto cố định bố trí quanh cơ thể bệnh nhân ta thu được thông tin và xử

lý chúng tạo thành các lát cắt cơ thể tương tự như trong kỹ thuật SPECT PET đặc biệt tốt trong việc định vị không gian các quá trình sinh hóa trong cơ thể và có thể chỉ

ra cơ sở sinh hóa của các rối loạn thần kinh và bệnh tâm thần PET cũng rất tốt trong chẩn đoán định vị các khối u não chỉ dẫn cho phẫu thuật Bảng sau đây giới thiệu một

số chất đồng vị phóng xạ phát positron dùng trong chẩn đoán (xem bảng kèm theo, các hạt nhân phóng xạ từ cacbon – 11 đến Gali)

Bảng 1.2: Một số chất đồng vị phóng xạ đời sống ngắn hiện dùng trong chẩn





MeV

726,1





Mev

645,0

MeV

078,1





(97%) 85%

1,88MeV 3%

“Vắt sữa” của “bò”

(16%) 1,13 MeV (2%) 93,6%

6,4%

 s:

0,44 MeV (17%) 0,53 MeV (1,8%) 0,98 MeV (0,3%) 0,753 MeV (0,3%)

Ytri-87

“Vắt sữa” của “bò” Molypden-99

I – 127 (n, ) I - 128

Qua bảng trên chúng ta thấy các đồng vị phát positron đều có thời gian bán hủy rất ngắn và được sản xuất bằng cyclotron Hiện nay một số cơ sở y học nhân ở các nước tiên tiến được trang bị cyclotron để sản xuất ĐVPX đời sống ngắn dùng tại chỗ thí dụ bệnh viện Hammersmith tại Luân Đôn (Anh), Trường Y của Viện Đại học Washington tại Louis (Hoa kỳ) v.v…

Chương 2: ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

2.1 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CÁC ỨNG DỤNG

Sự tương tác giữa phóng xạ với vật liệu được thử nghiệm để thu thập các thông tin

là cơ sở trong quá trình đo lường cho các ứng dụng phóng xạ và ĐVPX Nguyên tắc

cơ bản được minh hoạ trong hình 2.1.

- Nguồn bức xạ phát ra tia alpha, bêta, gam-ma và nơtron

- Những quá trình tương tác có thể là sự hấp thụ, sự tán xạ, sự ion hóa hay phát bức

xạ thứ cấp

- Máy dò đetector: máy đếm GM, máy đếm nhấp nháy, buồng ion hóa hay đầu dò bán dẫn …

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đo đạc ứng dụng bức xạ

Có ba dạng cơ bản khác nhau của ứng dụng ĐVPX và bức xạ Dạng đầu tiên phụ thuộc vào hiện thực ảnh hưởng của bức xạ đến vật chất Thuộc tính này được sử dụng trong liệu pháp ung thư phóng xạ, khử trùng các sản phẩm y học, sự chiếu xạ thực phẩm, tăng liên kết chéo trong pôlim v.v Dạng thứ hai, những ứng dụng trong công nghiệp của chất đồng vị sử dụng những hiệu ứng của sự bức xạ trên vật liệu dẫn tới

sự định giá những thuộc tính định tính và định lượng của vật chất Dạng thứ ba của ứng dụng, như trong các hệ công nghiệp, thuỷ học hay sinh học được dựa vào nguyên

lý vết Mọi ứng dụng này đều yêu cầu những ĐVPX thích hợp

2.2 SẢN PHẨM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ VÀ NGUỒN PHÓNG XẠ

Một lượng phong phú các ĐVPX được sản xuất trong những lò phản ứng hạt nhân Cả nguồn Côban-60 phóng xạ, được sử dụng rộng rãi như nguồn bức xạ trong công nghiệp và trong phòng thí nghiệm, cũng được sản xuất trong những lò phản ứng năng lượng hạt nhân Những ĐVPX này tiếp tục được xử lý trong những phòng thí nghiệm/ô “nóng” với sự thông hơi và thiết bị bốc dỡ từ xa đặc biệt Ngoài ra nhiều ĐVPX hữu ích được tách ra từ những nhiên liệu đã cháy và tiếp tục xử lý

Rất nhiều loại đồng vị khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp Nổi bật nhất trong số đó là Ir-192, Co-60, Tm-170, Cs-137, Se-77 Những đồng vị này đang được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn chụp ảnh công nghiệp Trong số các

nhân dựa trên phản ứng (n,γ) Trái lại Cs-137 được sản xuất từ tách cesium chloride

từ các sản phẩm phân hạch, được hấp thụ và lưu giữ trong khối gốm Các ĐVPX được tiếp tục xử lý trong ô “nóng” để xác định đồng vị, đo lường hoạt độ và đóng viên Ngoài các nguồn gamma nguồn beta và neutron cũng được sản xuất lượng lớn cho hạt nhân đánh dấu và cho các mục đích khác

2.3 CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Ứng dụng ĐVPX rất có hiệu quả trong nghiên cứu sử dụng các loại phân bón, các hoocmon tăng trưởng, hóa chất diệt cỏ trừ sâu, sử dụng các chất ĐVPX trong nghiên cứu quản lý dinh dưỡng đất cho một số cây trồng (rau, chè, cà phê, hồ tiêu…), nghiên cứu sói mòn đất và sản xuất vật liệu sinh học cải tạo đất, phân bón và các hóa chất nông nghiệp khác

Ngoài ra chỉ với ĐVPX giúp ta tìm được cách chuyển vận phân bón trong bản thân cây trồng và ảnh hưởng của độ ẩm, nhiệt độ lên quá trình này Sử dụng photpho phóng xạ như nguyên tử đánh dấu đã cho phương pháp xác nhận loại photpho mà thỏa mãn một cách tốt nhất cho đất đai và cây trồng

Cách bón phân photpho tốt nhất cho gốc cây, bón theo chiều sâu đất trồng và bón theo thời gian cho năng suất tốt hơn Sử dụng những nguyên tố đánh dấu trong phân bón dinh dưỡng, cơ chế của sự quang hợp, bảo vệ thực vật bao gồm hoạt động của thuốc trừ sâu, sự trao đổi chất trong cây v.v Ứng dụng ĐVPX đánh dấu các phần tử trong phân bón, từ đó đánh giá được hiệu quả sử dụng phân bón, giảm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu quả kinh tế

2.3.2 Về chuyển hóa và quang hợp

Trong kỹ thuật hiện đại trồng trọt người ta thường dùng các chất kích thích tăng trưởng (như gibberelin, auxin) chất điều hòa tăng trưởng (INBA), một số protein và axit hạt nhân, tác dụng của chúng đều được đánh giá một cách chuẩn xác nhờ dùng phương pháp đánh dấu bằng ĐVPX Cũng nhờ ĐVPX đã theo dõi được những thay đổi quá sinh quan trọng xảy ra ở hoa trong khi thụ phấn và ở quả đang lớn lên Hàng loạt những công trình nghiên cứu chuyển hóa protein và axit amin Các ion vô cơ và đặc biệt các yếu tố vi lượng đóng góp tốt cho việc tăng năng suất cây trồng và chất lượng sản phẩm trồng trọt

Chúng ta cũng nên nhớ rằng cả những vấn đề rất cơ bản và có tầm lý thuyết to lớn trong quá trình sinh vật như quá trình quang hợp cũng được làm sáng tỏ bằng ĐVPX

cacbon – 14 và oxy – 18 Chính nhờ những công trình này mà người ta phát hiện được là tất cả oxy mà cây xanh giải phóng ra trong quá trình quang hợp đều lấy từ nước và chất diệp lục đóng vai trò chất xúc tác quang học

2.3.3 Về bệnh cây

Chất ĐVPX còn giúp vào việc nghiên cứu những biện pháp chống các loại bệnh của cây trồng, vào việc diệt cỏ diệt côn trùng Qua kinh nghiệm lịch sử chúng ta thấy từng các vụ dịch bệnh cây luôn luôn hoành hành và có lúc bùng lên như những “thiên tai” khủng khiếp gây ra đói kém Người ta tính rằng ở Mỹ thất thu trong nông nghiệp

do bệnh cây lên đến hàng tỷ đôla mỗi năm, bên cạnh việc chọn các giống cây có sức

đề kháng cao hiện nay phương pháp phổ biến là dùng hóa chất để phòng trừ các vi sinh vật gây bệnh Với các chất đánh dấu bằng ĐVPX (thường dùng lưu huỳnh – 35)

có thể đánh giá được việc bón chất diệt khuẩn vào tận từng nha bào, theo dõi chu kỳ đời sống của vi sinh vật và vai trò của nhiệt độ và độ ẩm

2.3.4 Diệt cỏ dại

Trong nông nghiệp cỏ dại gây thiệt hại không kém các bệnh cây Việc tìm các hóa chất diệt cỏ và cách sử dụng chúng sao cho không làm hại cây trồng và độ phì nhiêu của đất có tầm quan trọng đặc biệt Các ĐVPX như cacbon – 14, photpho – 32, iot –

131 đã được sử dụng có hiệu quả trong vấn đề này

ong nghệ mà là bọ ngựa ăn rệp cây (hình 2.2)

Hình 2.2: Xác định vật diệt côn trùng có hại

ĐVPX cũng giúp ta tìm cách dùng thuốc diệt côn trùng sao cho có hiệu quả hơn chẳng hạn chọn dung môi nào hòa tan thuốc để khi phun thuốc dễ ngấm vào sâu bệnh

người ta đã theo dõi việc xâm nhập chất này vào các sản phẩm sữa khi phun thuốc cho các đồng cỏ

Trên thế giới, nhiều nước đã xây nhà máy sản xuất côn trùng tiệt sản và được tung vào trong sản xuất rau, quả, giao phối với côn trùng trên đồng ruộng, kết quả là làm tiệt giống gây hại mà không phải dùng đến thuốc bảo vệ thực vật Phương pháp này không gây ô nhiễm môi trường, hiệu quả cao Ứng dụng ĐVPX để gây bất dục côn trùng đực, xác định sự di chuyển của các loài côn trùng và nghiên cứu tồn dư thuốc bảo vệ thực vật trong sản phẩm

2.3.6 Trong chăn nuôi

Những ĐVPX đã được dùng để nghiên cứu các quá trình tăng trưởng phát triển cơ thể và các thói quen của động vật nuôi Hiệu quả của các chế độ ăn đối với tăng trọng, vai trò của các vitamin, các nguyên tố vi lượng, các hoocmon đối với động vật

vỗ béo cũng như việc dùng các thuốc bất động để làm giảm việc cân trong quá trình chuyên chở đều được tiến hành nghiên cứu với các chất ĐVPX đặc biệt là cacbon –

14, lưu huỳnh – 35, photpho – 32, canxi – 45, iot – 131, sắt – 59 v.v

Một hướng rất bổ ích của việc dùng ĐVPX trong chăn nuôi là thăm dò hoạt động của tuyến giáp để đánh giá trước khả năng cung cấp sữa của bò sữa và khả năng đẻ trứng ở gà Mối tương quan giữa hoạt động của tuyến giáp (thăm dò bằng iot – 131 )

và khả năng tiết sữa hay đẻ trứng đáng tin cậy đến mức chúng ta có thể sàng lọc đàn

bò sữa tương lai hay đàn gà trứng tương lai để năng cao năng suất một cách chắc chắn nhờ một kỹ thuật đơn giản và rất ít tốn kém là đánh giá hoạt động của tuyến giáp

Những năm gần đây người ta đặc biệt lưu ý đến việc sử dụng các hóa chất nông nghiệp và tồn dư của chúng trong môi trường và trong lượng thực phẩm ảnh hưởng đến sức khẻo con người Các thuốc trừ sâu được dùng rộng rãi trên quy mô toàn thế giới để bảo vệ cây trồng và để kiểm soát các côn trùng đóng vai trò như các vecto truyền bệnh cho người và động vật Để tránh các tác dụng phụ có hại cho môi trường

và sức khẻo con người cần biết và kiểm soát được những gì xảy ra sau khi dùng các loại thuốc trừ sâu Các hợp chất đánh dấu bằng ĐVPX là những công cụ vô giá trong việc tìm hiểu hành vi và hiệu quả của các thuốc trừ sâu

Ngoài ra, sử dụng ĐVPX để tạo ra các chủng vi sinh vật dùng trong sản xuất văc xin phòng bệnh, để diệt ấu trùng ký sinh trùng

2.3.7 Dùng đồng vị phóng xạ tạo giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm

Sự chiếu xạ có thể làm thay đổi gen của cây tạo nên những đột biến, do đó có thể tạo nên những giống mới Chiếu xạ lương thực, thực phẩm bằng tia gamma phát ra từ đồng vị Co-60 có tác dụng diệt khuẩn – bảo quản lương thực, thực phẩm được lâu dài Sự biến đổi phóng xạ được sử dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều quốc gia để nâng cao sản lượng, tạo các loại giống cây trồng có chất dinh dưỡng cao hơn, như các giống lạc, lúa, cây xanh v.v… Nghiên cứu ĐVPX kết hợp với những tác nhân khác để cải tạo giống cây trồng, sử dụng đồng vị đánh dấu để nghiên cứu các quá trình sinh

học, đặc biệt là vấn đề dinh dưỡng cây con, được ngành hạt nhân thực hiện từ nhiều năm qua Các nghiên cứu chiếu xạ một số giống cây (ngô, khoai, lúa, một số loài hoa, dâu tằm, v.v ) ở liều kích thích hoặc đột biến để tạo giống có năng suất cao hơn hoặc thích hợp hơn với điều kiện môi trường khắc nghiệt, nghiên cứu quy trình nhân giống

vô tính in-vitro, nuôi cấy tế bào một số loài hoa, cây đặc sản và cây rừng quý hiếm v.v Xử lý bức xạ cà phê hạt bằng cách sử dụng electrons nhanh, nâng cao chất lượng sản phẩm

Ứng dụng các ĐVPX kết hợp với các phương pháp truyền thống và công nghệ sinh học để chọn tạo ra các giống cây trồng mới (cây lúa, ngô, đậu đỗ, cây có củ, cây rau, cây hoa, cây ăn quả, cây công nghiệp, cây lâm nghiệp) có năng suất cao, chất lượng tốt, chống chịu sâu bệnh hại chính và các điều kiện khó khăn, thích hợp với các vùng sinh thái, chọn tạo các giống vi sinh vật mới phục vụ cho sản xuất phân bón, chế phẩm xử lý môi trường và bảo vệ cây trồng, vật nuôi, thuỷ sản

Ngoài ra kỹ thuật hạt nhân trong nghiên cứu công nghệ nấm là một hướng đang được Ngành hạt nhân quan tâm Từ các kết quả nghiên cứu, cho phép tuyển chọn, nuôi trồng và chuyển giao công nghệ trồng các loại nấm quý như nấm Linh chi, nấm Bào ngư, v.v cho nông dân nhằm tận thu nguồn phụ phế liệu xơ - sợi nông nghiệp Ngoài ra, sử dụng kỹ thuật hạt nhân để xử lý các chất thải nông nghiệp, tận thu để làm thức ăn cho động vật cũng được các cán bộ của ngành hạt nhân quan tâm và thực hiện

Ví dụ 1: Bào tử nấm penicilum xử lí Chủng penicilum có hoạt tính penicilin tăng gấp

200 lần so với dạng ban đầu bằng tia phóng xạ

Ví dụ 2: Viện di truyền nông nghiệp xử lí giống lúa Mộc Tuyền bằng tia gama tạo giống lúa MT1 xó nhiều đặc tính tốt: Chín sớm, thấp và cứng cây, chịu chua, chịu phân, năng suất tăng từ 15 – 25%

Nghiên cứu phát triển, ứng dụng bức xạ để xử lý và bảo quản một số sản phẩm rau, quả chủ yếu, thịt gia súc, gia cầm và sản phẩm từ gia súc, gia cầm ở dạng tươi sống hoặc đông lạnh, sản phẩm thuỷ sản tươi sống phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu

Thành tựu của ngành vật lý-năng lượng hạt nhân, ĐVPX, ngày càng được ứng dụng rộng rãi để bảo quản lương thực, thực phẩm và kiểm tra các quá trình sản xuất Liên Xô (cũ) có hàng chục viện nghiên cứu đang đi sâu nghiên cứu việc sử dụng ĐVPX để bảo quản thịt, cá và rau quả, ngũ cốc Trong quy định của cơ quan bảo vệ sức khỏe nhà nước Liên Xô (cũ) đã cho phép dùng các lương thực, thực phẩm đã bảo quản bằng tia bức xạ

2.3.8 Trong thủy văn

Ứng dụng kỹ thuật ĐVPX trong nghiên cứu về khí tượng (bao gồm cả cổ khí tượng và khí tượng hiện đại) phục vụ công tác dự báo thời tiết, thiên tai và biến đổi khí hậu; triển khai ứng dụng kỹ thuật đồng vị nghiên cứu về thủy văn, quá trình xói mòn, bồi lắng của các lòng sông, hồ chứa, đập thủy điện và bến cảng Phương pháp

đánh dấu ĐVPX đã được áp dụng và đem lại nhiều hiệu quả có ý nghĩa thực tế cao hơn so với các phương pháp khác Hai trong các thí dụ điển hình thường được kể đến

là nghiên cứu sự thấm nước qua đập và nghiên cứu sự di chuyển của cát sa bồi hoặc

quy luật của trầm tích sa khoáng

theo hoạt độ phóng xạ đo được ở nước ở phía bên kia đập mà ta có thông tin về sự thấm của nước qua đập Các lượng tử gamma cứng (1400 và 2700keV) phát r trong

thông thường Trong các nghiên cứu di chuyển của cát sa bồi, người ta trộn hỗn hợp

hư mòn của vòng bi trong động cơ là một trong những ví dụ minh họa cho một ưu điểm đặc biệt của phương pháp đánh dấu ĐVPX: Độ nhạy rất cao

Ngoài ra, sử dụng ĐVPX để xác định lượng và phương thức xói mòn của đất Với cách này, có thể xác định được đất sườn đồi bị rửa trôi đi đâu, bao nhiêu, từ đó đề xuất các phương pháp phòng chống xói mòn

2.4 CÁC ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Hiện nay ĐVPX đang được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp bao gồm

cả luyện thép, hóa chất và tổng hợp hoá dầu, điện hạt nhân và nhiệt điện và các cơ sở

kỹ thuật công nghiệp nặng Dưới đây là một vài ví dụ

2.4.1 Diệt trùng bằng phóng xạ

Bức xạ trị liệu là phương pháp ưa thích cho sự diệt trùng các sản phẩm và thiết bị y

tế trên khắp thế giới Sản phẩm bao gồm chỉ khâu, dụng cụ cho và truyền máu, dụng

cụ tiêm, dụng cụ phẫu thuật và dao mổ và một số dược phẩm

Bức xạ gamma và điện tử cũng có thể được sử dụng tiêu diệt các vi sinh gây bệnh trong bùn nước thải Bùn sau xử lý như vậy là an toàn, hoặc được sử dụng vào môi trường hoặc sử dụng như là phân bón, thức ăn gia súc

2.4.2 Thủy học và thủy lực học

Thủy lực học phóng xạ đã nổi lên như là một môn khoa học riêng biệt và đã được minh chứng có giá trị trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước, điều rất quan trọng với nhiều quốc gia Lò phản ứng sản xuất những đồng vị được sử dụng để khảo sát nguồn

gốc của nguồn nước Chúng bao gồm những nghiên cứu về tái tạo bề mặt nước, sự xâm nhập nước biển vào tầng ngầm nước ven biển, sự thấm tạo rò rỉ trong các con đập và hệ thống kênh dẫn cũng như sự di chuyển lớp trầm tích dưới đáy biển của một lượng lớn các cảng biển và cảng trong nước và quốc tế

2.4.4 Kiểm tra không phá hủy mẫu

Sử dụng ĐVPX dùng để phát hiện các khuyết tật như vết nứt, rỗ khí, ngậm xỉ, tách lớp, không ngấu, không thấu trong các mối hàn, kiểm tra ăm mòn của kim loại, tách lớp của vật liệu compoosit, đo độ cứng của vật liệu, kiểm tra độ ẩm của bê tông, đo

bề dày vật liệu, xác định kích thước và định vị cốt thép trong bê tông v.v

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong (và trên bề mặt) của đối tượng kiểm tra đây là một phương pháp kiểm tra không phá hủy sử dụng tia X hoặc tia gamma để phát hiện các bất liên tục bên trong, dùng

để đo bề dày và phát hiện ăn mòn Với việc kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ, vật liệu được chụp với tia đồng nhất từ ĐVPX hoặc máy chiếu tia X, song song đó, một phim

âm bản được định vị phía sau vật liệu cần chụp Khi đi qua vật, chùm tia phóng xạ bị suy yếu đi, mức độ suy giảm của chùm phụ thuộc vào loại vật liệu (nhẹ hay nặng) và chiều dày mà nó đi qua Khi đi qua các vùng có khuyết tật, rỗ khí chẳng hạn, cường

độ của chùm tia bị suy giảm ít hơn khi đi qua vùng không có khuyết tật Nếu ta đặt tấm phim ở phía sau vật kiểm tra (tương tự như đặt phim X-quang sau lưng bệnh nhân khi chụp phổi) ta sẽ thấy trên ảnh chụp được, có các vùng hình tròn đen sẫm hơn rất nhiều so với vùng xung quanh Đó chính là hình chiếu của khuyết tật trên phim

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ cho kết quả kiểm tra tin cậy, số liệu kiểm tra có thể lưu lại được Tuy nhiên phương pháp này không cho ta biết về chiều sâu của khuyết tật Phương pháp cũng có nguy cơ gây độc hại phóng xạ và khi thực hiện ở công trường thường làm gián đoạn công việc khác

Ngoài ra, NDT được dùng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp dầu khí, cơ khí, hàng không, năng lượng (nhiệt điện, thuỷ điện, hạt nhân), đóng tàu, công nghiệp hoá chất và chế biến thực phẩm Trong ngành dầu khí NDT dùng để kiểm tra chất lượng, độ an toàn và toàn vẹn của các đường ống dẫn dầu, bồn chứa, dàn khoan, hệ thống ống dẫn và bình áp lực của nhà máy lọc dầu, nhà máy khí hoá lỏng v.v Trong ngành cơ khí chế tạo, NDT dùng để

kiểm soát và đánh giá chất lượng của các sản phẩm đúc, nén, kéo và đặc biệt là chất lượng mối hàn của các cấu kiện, thiết bị đòi hỏi cao về chất lượng và an toàn Trong ngành hàng không NDT là công cụ không thể thiếu trong bảo trì bảo dưỡng và đảm bảo an toàn cho máy bay dân dụng và quân sự Hệ thống nồi hơi áp lực trong nhà máy nhiệt điện, tuốc bin cánh quạt trong nhà máy thuỷ điện v.v là các lĩnh vực ứng dụng quan trọng trong ngành năng lượng Trong công nghiệp đóng tàu, chỉ đối với mỗi một con tàu, ụ nổi mà đã có hàng trăm tấn thép, hàng trăm đường hàn đòi hỏi phải kiểm tra chất lượng bằng các kỹ thuật không phá huỷ

Hiện nay, các phương pháp kiểm tra không phá huỷ đã được ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới và ngày càng chứng tỏ vai trò của chúng trong ngành xây dựng nói chung và đối với cầu bê tông cốt thép nói riêng Kỹ thuật kiểm tra không phá huỷ đã trở nên rất phổ biến trong công tác kiểm tra chất lượng của nhiều ngành công nghiệp trọng điểm ở Việt Nam và đem lại những hiệu quả kinh tế kỹ thuật đã được xã hội thừa nhận nhưng trong thực tế, vì nhiều lý do, việc áp dụng các phương pháp này vẫn đang ở mức độ hết sức hạn chế

2.4.5 Xử lý bức xạ

Về cơ bản, xử lý bức xạ công nghiệp bao gồm bắn phá các vật liệu bằng bức xạ năng lượng cao dưới những điều kiện được kiểm soát để đưa ra những thay đổi mong muốn trong vật liệu Các nguồn gamma (Co-60 và Cs-137) và thiết bị dòng electron (electron beam: EB) dựa trên công nghệ cao được sử dụng rộng rãi trong xử lý bức

xạ, hơn 50% của toàn bộ thiết bị y tế sử dụng một lần được khử trùng bằng bức xạ của Co-60 dựa trên thiết bị bức xạ Hệ thống gồm băng tải mang trên đó sản phẩm được chuyển động với tốc độ chậm xung quanh nguồn và sản phẩm thông thường sẽ được chiếu bởi liều 25 kGy để diệt trùng dụng cụ y tế Thiết bị EB được sử dụng trong xử lý polimer, chế biến, ghép nối phân tử hoá chất bằng bức xạ (radiation crosslinks) cho dây và cáp điện, nhuộm màu bằng bức xạ cho đá quý (ngọc) Bảo quản thực phẩm bằng xử lý bức xạ là một trong những công nghệ mới nổi bật lên hiện nay liên quan đến việc khử trùng diệt gen sinh sản của sản phẩm gia vị, hành, khoai tây, thịt cá

Xử lý bức xạ công nghiệp đang mở rộng một cách nhanh chóng vùng sử dụng bức

xạ năng lượng cao cho sự sản xuất các vật liệu công nghiệp mới và tốt hơn Bức xạ năng lượng cao xuyên qua vật chất sẽ gây ion hóa và kích thích những phân tử Sự xử

lý bức xạ nhằm sử dụng một cách thành công những biến đổi hóa – lý này để sinh ra những sản phẩm mới có những tính chất được cải tiến

2.4.6 Phát năng lượng từ những nguồn đồng vị phóng xạ

Máy phát nhiệt đồng vị (Radioisotopes Thermal Generators: RTG) được sử dụng ngày càng tăng trong những tàu vũ trụ, đèn hải đăng định vị từ xa, và những ứng dụng trong y học Những nguồn thường được sử dụng là Sr-90 và Pu-238 Nhiệt được phát sinh bởi sự phân rã hạt nhân được chuyển thành điện năng bằng việc sử dụng những cặp nhiệt điện và nguồn điện cỡ vài hàng trăm oát có thể tạo bằng RTG có

thiết kế thích hợp Pu-238 được sử dụng rộng rãi như là một tế bào tim mạch để phát những xung điện điều chỉnh nhịp đập tim

2.4.7 Đo bề dày các bình và đo thể tích, lưu lượng chất lỏng

2.4.7.1 Phép đo bề dày

sử dụng các đồng vị phát 

Với các vật liệu nặng hoặc bề dày lớn thí dụ như các lớp thép dày hàng chục cm, thì

(E  0,662MeV) hoặc Co60 (E  1,17MeV và E  1,33MeV)

2.4.7.2 Phép đo mức, thể tích, lưu lượng chất lỏng

Đo mức chất lỏng: đối với chất lỏng trong bể kín, có nhiều phương pháp đo mức bằng cách sử dụng các đồng vị phóng xạ, thường là đồng vị phát bức xạ gamma

Đo thể tích chất lỏng: trong một số trường hợp, bình chứa có hình dạng không xác định được bằng tính toán Thể tích của chất lỏng chứa trong bình đó có thể được xác định bằng cách hòa trộn một lượng xác định đồng vị vào chất lỏng Sau đó người ta

đo hoạt độ phóng xạ của chất lỏng trong bình đã hòa tan chất phóng xạ

2.4.8 Sử dụng các tia phóng xạ trong khảo cổ và địa chất

2.4.8.1 Quả đất bao nhiêu tuổi?

Khi biết tốc độ phân huỷ của một ĐVPX (chu kì bán huỷ), ta có thể xác định được thời gian cần thiết để làm giảm đi một lượng chất nào đó Chẳng hạn sự phân huỷ của urani-238 để biến thành chì-206 là cơ sở của phương pháp xác định tuổi của các loại

đá trong vỏ Trái Đất Ta biết rằng lúc sơ khai trong vỏ Quả Đất chứa urani – 238 chứ không phải chì – 206 Tỉ lệ hiện thời của U- 238/Pb- 206 là căn cứ để tính thời gian trôi qua từ khi đá được hình thành

Sử dụng phương pháp đó người ta biết được tuổi của đá thay đổi từ 40 triệu đến

4000 triệu năm Các nhà địa chất thường lấy tuổi của Quả Đất là 4 tỉ năm

2.4.8.2 Xác định niên đại của những di vật khảo cổ bằng cacbon-14

Cơ sở của việc xác định niên đại bằng cacbon-14 là quá trình tạo thành cacbon-14 đồng thời với quá trình phân rã nó Cacbon-14 được liên tục hình thành trên tầng cao của khí quyển bởi sự va chạm của nơtron với nguyên tử nitơ

H C

14





Do sự phân rã và hình thành xảy ra đồng thời trong khí quyển nên khí quyển luôn

thâm nhập vào cây cỏ thông qua quá trình quang hợp của cây và từ cây cỏ chuyển sang động vật Như vậy, tất cả mọi sinh vật đều có một tỉ lệ không đổi cacbon -14 Bây giờ, khi động vật và thực vật chết đi thì sự hấp thụ thay thế cacbon-14 bị ngừng lại nhưng sự phân rã cacbon-14 vẫn tiếp tục Giả sử cacbon-14 chiếm x tổng số cacbon trong cơ thể sinh vật Sau khi sinh vật chết đi khoảng 5700 năm (chu kì bán huỷ của cacbon-14), lượng cacbon -14 chỉ còn một nửa tức là x/2 Sau 5700 nãm nữa thì lượng cacbon-14 còn lại là x/4 Chỉ cần so sánh nồng độ của cacbon-14 chứa trong một mẫu vật khảo cổ với nồng độ của cacbon-14 trong những vật liệu tương tự trong thời hiện tại là có thể tính được tuổi của mẫu vật nghiên cứu

Bằng cách dùng ĐVPX của cacbon-14, người ta xác lập được niên đại của thời Cổ

Ai Cập và kiểm tra được độ tin cậy của những di vật thời cổ

Cả hai loại nghiệm pháp này đều đòi đưa ĐVPX vào cơ thể bệnh nhân

- Xét nghiệm y học hạt nhân in vitro Khác với hai nhóm chẩn đoán trên đều phải đưa thuốc phóng xạ vào cơ thể bệnh nhân (uống, tiêm, hít, thở vào) nên gọi chúng là chẩn đoán YHHN in vivo, trong nhóm thứ ba này ta không phải đưa thuốc phóng xạ vào cơ thể bệnh nhân mà chỉ thêm các chất phóng xạ vào bệnh phẩm (huyết thanh hay huyết tương, nước tiểu, sữa,…) để định lượng các chất có trong bệnh phẩm qua

đó chẩn đoán bệnh Thí dụ điển hình của xét nghiệm YHHN in vitro là xét nghiệm định lượng phóng xạ miễn dịch học (RIA và IRMA) để định lượng các hoocmon, các kháng nguyên, kháng thể, các chất chỉ thị khối u (tumor markers)

Năm 1972, một hội đồng chuyên viên của tổ chức y tế thế giới (WHO) và ủy ban năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã tổng kết giá trị của 3 nhóm nghiệm pháp trên như trong bảng sau đây:

Bảng 2.1: Đánh giá các nghiệm phép chẩn đoán và điều trị bằng ĐVPX

năng

Thăm dò hình thể định khu

Xét nghiệm invitro

+++ Rất ích lợi, không có phương pháp thay thế được hoàn toàn

++ Rất ích lợi, nhưng có phương pháp khác có giá trị tương đương

+ Có ích lợi

Từ đó đến nay đã hơn 25 năm, theo đánh giá chung của thế giới, YHHN sau nhiều thập kỹ phát triển nhanh nay đã chững lại và có xu thế chọn lọc hơn, chỉ phát triển những kỹ thuật thật sự ưu việt mà các kỹ thuật phi hạt nhân không thay thế được

2.5.1 Những đặc điểm của y học hạt nhân (YHHN) hiện đại

Y học hạt nhân (YHHN) là một chuyên ngành sử dụng các ĐVPX hay các dược chất phóng xạ (DCPX) để chẩn đoán và điều trị bệnh Khi chẩn đoán, điều trị phải đưa các ĐVPX hay DCPX vào trong cơ thể người bệnh bằng nhiều con đường khác nhau như đường uống, tiêm Các chất phóng xạ này khi vào cơ thể theo dòng tuần hoàn sẽ đến từng cơ quan, tế bào người bệnh dưới dạng lỏng, khí, dịch Với những loại bệnh cụ thể, người ta sẽ lựa chọn một loại ĐVPX hay một DCPX thích hợp để có thể tập trung chính xác vào nơi bị bệnh, tổn thương Vì vậy, các bác sĩ, kỹ thuật viên

có thể chẩn đoán sớm và chính xác bệnh lý ở một cơ quan cụ thể trong cơ thể, cũng như điều trị tập trung một tổ chức, một mô bệnh lý nào đó mà ít ảnh hưởng tới các tổ