Mô phỏng máy gia tốc cyclotron của bệnh viện chợ rẫy bằng chương trình MCNPX

Trong quá trình phản ứng hạt nhân khi proton bắn phá các hạt nhân bia để tạo đồng vị phóng xạ, một lượng lớn các neutron năng lượng cao được sinh ra.. Với mục đích nêu trên, luận văn đã

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ĐỨC CHƯƠNG

MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON

CỦA BỆNH VIỆN CHỢ RẪY BẰNG

LỜI CẢM ƠN

Để đạt kết quả như ngày hôm nay, tôi đã nhận được sự dạy dỗ, giúp đỡ tận tình của các thầy cô, bạn bè trong quá trình học tập vừa qua, thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:

 Các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân-Khoa vật lý-Trường Đại học khoa học tự nhiên đã cung cấp cho em những kiến thức chuyên môn bổ ích trong suốt thời gian học cao học

 Thầy PGS.TS MAI VĂN NHƠN, người đã định hướng cho tôi thực

hiện đề tài, thầy luôn luôn theo dõi quá trình thực hiện đề tài của tôi và có những ý kiến hết sức bổ ích và rất kịp thời để tôi có thể thực hiện thành công đề tài

 Cô TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN, người hướng dẫn trực tiếp đề tài

cho tôi, người đã cung cấp cho tôi những tài liệu bổ ích liên quan đến đề tài, người luôn luôn hỗ trợ tôi trong những lúc đề tài gặp khó khăn nhất

 Bạn Th.S ĐẶNG NGUYÊN PHƯƠNG, là người bạn gần gũi, dễ mến

và cũng là người thầy đầy trách nhiệm, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi chỉnh sửa và hoàn thiện file input giúp tôi có thể hoàn thiện được luận văn

 Chị Th.S ĐẶNG TRƯƠNG KAMY, chị đã đóng một vai trò hết sức

quan trọng trong suốt quá trình hình thành và hoàn tất đề tài luận văn này

 Anh KS NGUYỄN TẤN CHÂU, người anh hòa đông và uyên bác trong

lĩnh vực chuyên môn đã tận tình giúp đỡ tôi khi tôi gặp khó khăn

 Bạn Th.S LÊ THANH XUÂN, người đã nhiệt tình giúp đỡ cho tôi kịp

thời những khi luận văn gặp khó khăn

 Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, người đã đồng ý cho tôi được chuyển

bộ môn để tôi được học và nghiên cứu lĩnh vực tôi ưa thích

 Các thầy cô trong Hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những những ý

kiến đóng góp bổ ích để luận văn được hoàn thiện hơn

 Các anh chị Phòng Cyclotron – Bệnh viện Chợ Rẫy đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp cho tôi dữ liệu và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi có thể hoàn

thành luận văn này

 Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K18, gia đình và bạn bè đã ủng hộ, động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua

Nguyễn Đức Chương

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC ĐƠN VỊ i DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON VÀ AN TOÀN

PHÓNG XẠ TRONG Y TẾ 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 5

1.1.1 Lịch sử phát triển [9] 5

1.1.2 Tổng quan về máy gia tốc cyclotron 6

1.1.3 Nguyên lý gia tốc cyclotron 7

1.1.4 Mối liên hệ giữa tần số và vận tốc của hạt được gia tốc 12

1.2 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG Y TẾ 14

1.2.1 Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa [1] [4] 14

1.2.2 Các biện pháp an toàn [6] 21

CHƯƠNG 2-TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNPX 24

2.1 TỔNG QUAN 24

2.2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO [15] 26

2.3 MÔ PHỎNG TRONG MCNP [15] [20] [12] 27

2.3.1 Mô tả hình học 28

2.3.2 Mô tả dữ liệu 30

CHƯƠNG 3-MÔ TẢ HỆ MÁY CYCLOTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY 34

3.1 KHỐI SHIELD BẢO VỆ 35

3.2 HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT 39

3.3 THÂN MÁY CYCLOTRON 39

3.3.1 Nguồn ion H- 39

3.3.2 Buồng chân không 42

CHƯƠNG 4-MÔ PHỎNG HỆ CYCLOTRON VÀ ĐÁNH GIÁ PHÂN BÔ SUẤT LIỀU CHIẾU GAMMA XUNG QUANH HỆ CYCLTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY DÙNG MCNPX 45

4.1 MÔ PHỎNG HỆ CYCLOTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪYBẰNG MCNPX

45

4.1.1 Mô phỏng tường phòng, khối Shiel 45

4.1.2 Nghiên cứu thành phần vật liệu trong Shield 47

4.1.3 Mô phỏng nguồn ion H- , collimator và bia 50

4.2 TÍNH TOÁN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU GAMMA XUNG QUANH HỆ CYCLOTRON BẰNG MCNPX 52

4.2.1 Khảo sát phân bố liều chiếu gamma bên trong phòng cyclotron 52

4.2.2 Khảo sát phân bố liều chiếu gamma bên ngoài phòng cyclotron 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

Kết luận 66

Kiến nghị 66

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

Tiếng Việt 68

Tiếng Anh 68

PHỤ LỤC 1 71

PHỤ LỤC 2 76

PHỤ LỤC 3 80

PHỤ LỤC 4 82

PHỤ LỤC 5 83

PHỤ LỤC 6 85

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC ĐƠN VỊ

chiếu xạ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 : Liều LD50/30 cho một số loài 17

Bảng 1.2 : Đáp ứng liều – hiệu ứng sau chiếu xạ toàn thân 20

Bảng 2.1 : Một số đồng vị phóng xạ phát positron 25

Bảng 2.2 : Phác thảo nội dung một tệp đầu vào đặc trưng trong MCNP 27

Bảng 2.3 : Một số thẻ tally trong MCNP 33

Bảng 3.1 : Các thông số của khối shield bảo vệ 37

Bảng 3.2 : Các thông số hệ thống HP của bệnh viện Chợ Rẫy 43

Bảng 4.1 : Nghiên cứu thành phần phần trăm các chất trong tường che chắn của Shield 48

Bảng 4.2 : Nghiên cứu thành phần phần trăm các chất trong lớp Z cao 49

Bảng 4.3 : Tọa độ các điểm được ghi đo và giá trị suất liều gamma tương ứng của nhà sản xuất 54

Bảng 4.4 : So sánh các giá trị suất liều chiếu mô phỏng của nhóm tác giả (MP*) với giá trị thực nghiệm (TN) và mô phỏng của nhà sản xuất (MP) 58

Bảng 4.5 : Suất liều chiếu tại các điểm xung quanh bên ngoài phòng cyclotron 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 : Nguyên lý gia tốc cyclotron 8

Hình 1.2 : Lực từ tác dụng lên hạt ion dương chuyển động vuông góc với đường sức từ 9

Hình 2.1 : Hình trụ ellip mô tả bằng giao diện đồ họa của MCNP5 29

Hình 3.1 : Hình dạng khối máy cyclotron của bệnh viện Chợ Rẫy nhìn từ bên ngoài 35

Hình 3.2 : Gán tên cho các thành phần chính của máy cyclotron 36

Hình 3.3 : Hệ thống trao đổi nhiệt 39

Hình 3.4 : Nguyên lý tạo nguồn ion H- 41

Hình 3.5 : Các thành phần chính của thân máy cyclotron 42

Hình 4.1 : Mô phỏng mặt cắt dọc của tường phòng, khối shield và thân máy bằng MCNPX 46

Hình 4.2 : Mô phỏng mặt cắt ngang của tường phòng, khối shield và thân máy bằng MCNPX 47

Hình 4.3 : Mặt cắt ngang qua các khối shield, collimator và bia 50

Hình 4.4 : Hình 3D của hai khối collimator và bia 51

Hình 4.5 : Sơ đồ vị trí 40 điểm điển hình được tiến hành ghi đo suất liều chiếu gamma 53

Hình 4.6 : Sơ đồ vị trí 8 điểm điển hình được tiến hành ghi đo suất liều chiếu gamma 63

MỞ ĐẦU

Bệnh ung thư là một trong những căn bệnh nguy hiểm nhất đối với con người Nó nguy hiểm ở chỗ ai cũng có thể có nguy cơ mắc bệnh, và căn bệnh này lại cực kỳ khó chữa ngay cả đối với nền y học phát triển như hiện nay Tỉ lệ điều trị ung thư thành thành công chiếm khoảng 45% trường hợp Trong đó 22% riêng phẫu thuật; 12% riêng

xạ trị; 6% (phẫu + xạ); và 5% (phẫu + xạ + hóa trị) [3] Đặc biệt trong những năm gần đây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng, nhất là ở các nước đang phát triển Theo

dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có 15 triệu người mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong đó 2/3 là ở các nước đang phát triển [7] Tính riêng ở Việt Nam, theo thống kê chưa đầy đủ ở TP Hồ Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nước ước tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn người người mới mắc bệnh ung thư và có khoảng 50 đến 70 nghìn người chết vì căn bệnh hiểm nghèo này, cao gấp 7 lần số người chết do tai nạn giao thông [8]

Do đó, việc điều trị căn bệnh ung thư đã được loài người quan tâm từ lâu, đặc biệt

là vào những thập niên gần đây khi mà y học hạt nhân phát triển mạnh và có những cống hiến to lớn trong lĩnh vực y học nói chung và chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư nói riêng Ứng dụng to lớn của y học hạt nhân trong lĩnh vực điều trị ung thư phải kể đến là phương pháp điều trị bằng xạ trị Xạ trị bao gồm ba hình thức: Xạ trị ngoài, Xạ trị áp sát và Xạ trị bằng dược chất phóng xạ

Đối với chẩn đoán và các phương pháp điều trị bằng xạ trị áp sát và xạ trị bằng dược chất phóng xạ, yếu tố then chốt là phải có các nguồn đồng vị phóng xạ phù hợp Các nguồn đồng vị phóng xạ này phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của xạ trị, đặc biệt trong kỹ thuật ghi nhận ảnh của từng ca bệnh riêng biệt Chất lượng của ảnh chẩn đoán và sự an toàn của bệnh nhân lẫn môi trường xung quanh phụ thuộc vào đồng

vị phóng xạ, dược chất phóng xạ cũng như kỹ thuật nghi nhận ảnh Yêu cầu khắt khe

nhất đối với nguồn lý tưởng dùng trong chẩn đoán ghi nhận ảnh là nguồn phải có chu

kỳ bán rã xấp xỉ bằng thời gian chẩn đoán [3] Do đặc điểm có chu kỳ bán rã ngắn, nên

để thuận tiện thì các đồng vị phóng xạ phải được tạo ngay ở trong bệnh viện Điều này lại kéo theo những vấn đề về an toàn bức xạ đối với những nhân viên vận hành thiết bị cũng như mức độ an toàn đối với môi trường xung quanh thiết bị tạo đồng vị phóng xạ Mục tiêu tập trung của luận văn này là tính toán mức độ an toàn ở môi trường xung quanh thiết bị tạo đồng vị phóng xạ trong bệnh viện Chợ Rẫy dựa trên mô hình mô phỏng Monte Carlo

Loại thiết bị tạo đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến hiện nay là máy gia tốc vòng Máy gia tốc vòng đầu tiên được Ernest O Lawrence và M.S Livingston phát minh vào năm 1930 Để tạo nguồn đồng vị phóng xạ, trước tiên, thiết bị tạo đồng vị phóng xạ (trong trường hợp cụ thể này là thiết bị cyclotron) tạo ra các hạt ion H- Sau

đó gia tốc hạt này nhờ một điện áp cao giữa các cực hình chữ D, cỡ vài chục kV Chùm hạt ở cuối đoạn đường được gia tốc có năng lượng cao đến đập vào một lớp carbon (stripper foil) có độ dày cỡ 5 µm để tách ra 2 electron của H- tạo thành chùm H+ (chùm proton) Chùm proton sau đó được định hướng nhờ một ống collimator bay tới bia là các hạt nhân tương ứng (18O, 16O, 14N, …) để tạo ra các đồng vị phóng xạ yêu cầu Trong quá trình phản ứng hạt nhân khi proton bắn phá các hạt nhân bia để tạo đồng vị phóng xạ, một lượng lớn các neutron năng lượng cao được sinh ra Chùm neutron không mang điện tích nên dễ dàng xuyên qua các vật liệu, gây nguy hiểm cho các kỹ

sư điều hành thiết bị cũng như đội ngũ y bác sỹ và bệnh nhân làm việc ở phạm vi gần thiết bị và gây ô nhiễm môi trường Do đó, đo liều neutron để đánh giá mức độ an toàn,

từ đó đánh giá bề dày phù hợp của các khối lớp che chắn là hết sức quan trọng

Phương pháp Monte Carlo là phương pháp nghiên cứu thông dụng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng khảo sát các đặc trưng của chùm tia, năng lượng để lại cũng như liều hấp thụ chùm tia xạ của môi trường Trong lĩnh vực mô

phỏng máy gia tốc, một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chương trình mô phỏng Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát chất lượng chùm tia, vùng thể tích chịu ảnh hưởng khi thay đổi kích thước collimator lên phan tom và lên kế hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron [2] Các chương trình mô phỏng thường hay được sử dụng có thể kể đến bao gồm MCNP [11][10], GEANT [17], PENELOPE [16], EGS [18][19][14], Các chương trình này đều có những ưu điểm và khuyết điểm nhất định trong mô phỏng chẳng hạn như thời gian tính toán, độ chính xác của từng chương trình,

Luận văn này được thực hiện nhằm mục đích ứng dụng chương trình Monte Carlo MCNPX phiên bản 2.5.0 để mô phỏng máy gia tốc cyclotron tại Bệnh viện Chợ Rẫy, kiểm tra mức độ an toàn bức xạ trong phòng tạo đồng vị phóng xạ trong bệnh viện Điều này sẽ giúp cho công tác bảo hộ an toàn trong phòng máy được tốt hơn

Với mục đích nêu trên, luận văn đã được hoàn thành với bố cục bao gồm 4 chương:

Chương 1 – Tổng quan về máy gia tốc cyclotron và an toàn phóng xạ trong y tế: Trình bày khái quát về máy gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc cyclotron, nguyên lý của quá trình gia tốc vòng tròn khi ứng dụng dòng điện xoay chiều để gia tốc hạt, các thành phần quan trọng của đầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện đại Trình bày sơ lược về các tác hại sinh học của bức xạ lên cơ thể sống và một số biện pháp an toàn phóng xạ trong y tế

Chương 2 – Tổng quan về chương trình mô phỏng MCNPX: Trình bày tổng quan

về chương trình MCNPX, lịch sử phát triển, kỹ thuật Monte Carlo và cách xây dựng một input file cho MCNPX

Chương 3 – Mô tả hệ máy cyclotron tại bệnh viện Chợ Rẫy: Trình bày chi tiết cấu trúc, các thông số hoạt động và các thành phần chính của máy cyclotron

Chương 4 – Mô phỏng hệ cyclotron và đánh giá phân bố suất liều chiếu gamma xung quanh hệ cyclotron tại bệnh viện Chợ Rẫy dùng MCNPX: Mô phỏng cấu trúc máy cyclotron bằng chương trình MCNPX Khảo sát phân bố liều gamma bên trong phòng máy cyclotron, so sánh với kết quả thực nghiệm và mô phỏng của nhà sản xuất

để kiểm tra độ chính xác của việc mô phỏng Khảo sát phân bố liều gamma bên ngoài phòng cyclotron để kiểm tra đánh giá mức độ an toàn bức xạ đối với môi trường xung quanh bên ngoài phòng cyclotron

sự bắt đầu của một thời kì mới, kỉ nguyên điện tử vì thế được khai sinh từ năm 1896 Máy gia tốc phổ biến nhất ngày nay là ống tia cathode dùng trong các bộ hiển thị truyền hình và máy tính

Các loại máy gia tốc khác nhau hiện có đã được phát minh ra trong khoảng thời gian gần bốn thập kỉ Khoảng năm 1920, chiếc máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu tiên gồm hai điện cực đặt bên trong một bình chân không có độ thế giọt vào bậc 100 kilovolt, được phát minh bởi John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton Walton Cuối thập niên 1920, người ta đề xuất sử dụng hiệu điện thế biến thiên theo thời gian đặt qua một loại khe (máy gia tốc thẳng) Các đề xuất gia tốc các hạt theo kiểu lặp đi lặp lại đã thúc đẩy Ernest Orlando Lawrence đi tới một quan niệm mới cho việc gia tốc các hạt Trong cyclotron do ông phát minh, các hạt được làm cho quay tròn trong một từ trường và đi qua đi lại cùng một khe gia tốc nhiều lần Thay cho hiệu điện

thế một chiều, người ta thiết đặt một hiệu điện thế cao vào khe sao cho các hạt được gia tốc trong một quỹ đạo xoắn ốc theo kiểu lặp đi lặp lại Sau phát minh ra nguyên lí cân bằng pha vào giữa những năm 1940, hai loại máy gia tốc mới đã hình thành: máy gia tốc thẳng và synchrotron, từ trường tăng lên trong quá trình gia tốc sao cho các hạt chuyển động trong các vòng về cơ bản là quỹ đạo không đổi Trong các máy gia tốc kiểu này, các hạt được gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại và năng lượng hạn chế bởi kích thước của máy gia tốc và không bị hạn chế bởi hiệu điện thế tối đa có thể đạt tới

1.1.2 Tổng quan về máy gia tốc cyclotron

Nguyên lí gia tốc tuần tự được khám phá ra trong thập niên 1920 là một nền tảng quan trọng trong cuộc truy tìm các năng lượng ngày càng cao Theo nguyên lí này, sự gia tốc thu được bằng phương tiện là hiệu điện thế biến thiên theo thời gian thay cho hiệu điện thế tĩnh sử dụng trong các máy gia tốc ví dụ như máy gia tốc van de Graff Máy gia tốc đầu tiên có tầm quan trọng thực tiễn dựa trên nguyên lí gia tốc tuần

tự là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh ra Trong cyclotron, các hạt tích điện quay tròn trong một từ trường mạnh và được gia tốc bằng điện trường tại một hay nhiều khe Sau khi đi qua một khe, các hạt chuyển động bên trong một điện cực và được che chắn khỏi điện trường Khi các hạt đi ra khỏi khu vực được che chắn và đi vào khe tiếp theo, pha của hiệu điện thế xoay chiều thay đổi 180 độ sao cho các hạt được gia tốc lần nữa Quá trình cứ thế tiếp tục Sau nhiều vòng gia tốc, kết quả là một quỹ đạo xoắn ốc mở ra phía ngoài, các hạt quay tròn ở gần ranh giới của từ trường mạnh Ở đây, từ trường có hình dạng sao cho chùm hạt quay tròn có thể đi ra và hình thành vào chùm tia bên ngoài Lawrence được trao giải Nobel vật lí năm 1939 cho việc phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu được với nó, nhất là ghi nhận nghiên cứu của ông về các nguyên tố phóng xạ tự nhiên

Ở châu Âu, ba nhà khoa học đoạt giải Nobel, Frédéric Joliot, Niels Henrik David

tiên Năm 1938, cyclotron châu Âu đầu tiên tại Collège de France ở Paris gia tốc một chùm deuteron lên tới 4 MeV và khi va chạm vào bia, một nguồn neutron mạnh được tạo ra Khoảng cùng thời gian đó, cyclotron Copenhagen tại viện Niels Bohr đã sẵn sàng và ở Stockholm, nghiên cứu khởi động việc xây dựng máy gia tốc Thụy Điển đầu tiên đã sẵn sàng khoảng năm 1940

Một vấn đề nghiêm trọng đầu tiên đối với các cyclotron là sự hạn chế về năng lượng khoảng 10 MeV đối với sự gia tốc proton Hạn chế này phụ thuộc vào việc làm chậm các proton đang quay trong từ trường đều do sự tăng khối lượng tương đối tính của chúng, hay năng lượng toàn phần tương đương Khối lượng nghỉ của proton ứng với năng lượng 938 MeV và sẵn sàng sau khi gia tốc đến động năng 10 MeV, thì tần số quay của proton, đại lượng tỉ lệ nghịch với năng lượng toàn phần của nó (938 + 10), giảm đi một phần trăm Khi tần số quay proton và tần số điện bằng nhau lúc bắt đầu chu trình gia tốc, thì không có sự lệch pha và proton được gia tốc với cùng hiệu điện thế gia tốc tại mỗi khe Tuy nhiên, khi các proton thu năng lượng và giảm dần tần số quay của chúng, chúng sẽ đi tới mỗi khe càng lúc càng trễ hơn đối với cực đại của hiệu điện thế có tần số cố định Sau khi pha bị lệch nhiều quá thì không còn có sự thu năng lượng khi đi qua khe

Cyclotron không có ích cho việc gia tốc electron vì tần số quay của chúng trong

từ trường giảm khá nhanh ngay cả khi năng lượng thấp cỡ vài MeV do khối lượng nghỉ nhỏ của electron Khối lượng nghỉ của electron tương ứng với năng lượng nghỉ 0,511 MeV theo công thức Einstein Ee = mc2

1.1.3 Nguyên lý gia tốc cyclotron

Cyclotron được phát triển vào năm 1930 bởi E.O.Lawrence để gia tốc các ion (proton, deuteron, và các hạt nặng hơn) tới động năng cỡ vài MeV Ban đầu, cyclotron được sử dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản, nhưng sau đó đã trở nên quan trọng trong các ứng dụng y học Nó cho phép tạo ra các đồng vị phóng xạ cho y học hạt

nhân cũng như tạo ra các chùm proton và neutron cho xạ trị Trong cyclotron, các hạt được gia tốc theo các quỹ đạo xoắn ốc đi trong hai điện cực hình bán trụ chân không bởi từ trường đều (khoảng 1 T) được tạo ra giữa các mảnh cực của một nam châm lớn Một điện áp tần số vô tuyến (RF) với tần số giữa 10 và 30MHz được đặt vào giữa hai điện cực Các hạt mang điện được gia tốc khi chúng vượt qua khoảng trống giữa hai điện cực này Bên trong các điện cực không có điện trường và các hạt này trôi đi dưới ảnh hưởng của từ trường theo quỹ đạo nửa vòng tròn với tốc độ không đổi cho tới khi chúng lại đi qua khoảng trống giữa hai điện cực trên Nếu trong lúc đó, điện trường đổi chiều thì hạt sẽ lại được tăng tốc qua khoảng trống giữa hai điện cực và có thêm một lượng động năng nhỏ trôi trong điện cực kia theo nửa vòng tròn có bán kính lớn hơn nửa vòng tròn trong điện cực trước, tạo nên một quỹ đạo hình xoắn ốc và động năng của hạt tăng dần sau một số lớn lần vượt qua khoảng trống giữa hai điện cực (hình 2.1) [5]

Hình 1.1 Nguyên lý gia tốc cyclotron

Biện pháp gia tốc hạt trong điện trường xoay chiều như sau:

Ion âm H- được tạo ra từ nguồn khí hydrogen (Ion Source) đặt tại tâm của cyclotron, dưới tác động của lực điện kéo ra khỏi nguồn ion vào vùng gia tốc Vùng gia

điện cao tần cỡ vài chục kV, với tần số vài chục MHz Các điệc cực này lại nằm giữa hai cực của nam châm điện, tạo từ trường vuông góc với quỹ đạo của hạt gia tốc Tất

cả chúng đều nằm trong buồng chân không cao để tránh sự giảm tốc do va chạm của hạt với các phân tử không khí Vì hạt bay theo phương vuông góc với các đường sức

từ, nên lực từ tương tác lên hạt đóng vai trò là lực hướng tâm làm cho hạt có quỹ đạo tròn (hình 1.2)

Hình 1.2 Lực từ tác dụng lên hạt ion dương

chuyển động vuông góc với đường sức từ

Theo công thức lực Lorentz:

F q v.B.sinα q v.B (1.1) Trong đó v (m/s) là vận tốc của hạt, B (T) là từ trường đều có phương vuông góc với mặt phẳng chuyển động của hạt, α là góc hợp bởi hai vector từ trường và vận tốc của hạt (trong trường hợp cụ thể này α = 900)

Vận tốc của hạt khi vào cyclotron do sự chênh lệch điện thế V là:

2Vqv

m

Lực này đóng vai trò là lực hướng tâm, nên được tính theo công thức:

Do đó, sau khi đi vào điện cực Dee kia, hạt có vận tốc lớn hơn, nên chuyển động trong một quỹ đạo tròn có bán kính R lớn hơn Nguyên nhân là do bán kính quỹ đạo tròn tỷ lệ với vận tốc chuyển động của hạt Từ (1.1) và (1.3), và lưu ý rằng ở đây α =

900, ta có:

mv R

q B

Sau khi hạt chuyển động ra khỏi điện cực Dee này, đến khoảng trống giữa hai điện cực, hạt lại được gia tốc một lần nữa Do đó, khi đi qua điện cực kia, hạt lại chuyển động với vận tốc lớn hơn, và do đó bán kính quỹ đạo R mới lớn hơn R cũ Cứ như vậy hạt được gia tốc đến một vận tốc lớn hơn và quỹ đạo chuyển động lớn hơn Mỗi lần qua khoảng trống của hai điện cực, dưới tác động của điện trường, chùm hạt ion âm nhận được một độ lợi năng lượng bằng ∆E1gt, làm cho động năng và vận tốc của

hạt tăng lên, rồi tiếp tục bay về phía điện cực còn lại với vận tốc lớn hơn vận tốc ban đầu:

Dee 1gt

  2 2

tach 2

max

mv qR B1

từ trường làm cho chùm hạt proton đổi hướng ra ngoài đậu vào bia Tại bia quá trình bắn phá hạt nhân giữa proton và vật liệu bia sẽ sinh ra các đồng vị phóng xạ với hoạt

độ tăng dần nhất định theo thời gian

Để hạt được gia tốc mỗi khi đi qua khoảng trống giữa hai điện cực thì tần số của hạt phải bằng tần số của dòng điện Cứ mỗi khi hạt đi ra khỏi điện cực, thì dòng điện phải đổi chiều để hạt được hút về cực bên kia Do đó, khi tần số của hạt thay đổi và không còn bằng tần số của dòng điện nữa thì hạt không được gia tốc thêm nữa

1.1.4 Mối liên hệ giữa tần số và vận tốc của hạt được gia tốc

Trong trường hợp không tương đối tính:

Từ (1.1) và (1.3) ta có:

2mv

B q v

Do đó,

B qv

Mà v/r là vận tốc góc ω, vì vậy:

B qωm

Với ω 2πf , nên:

B qf2πm

Để gia tốc hạt thì tần số của dòng điện điều khiển có cùng tần số của hạt, để hạt băng qua khoảng trống của các điện cực Dee tại cùng thời điểm điện áp đổi chiều Điều này chỉ ra rằng, đối với các hạt có khối lượng không đổi, tần số không phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo của hạt Khi chùm tia chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc ra ngoài, tần số của hạt không giảm, do đó hạt tiếp tục được gia tốc khi đi qua các khoảng trống

kế tiếp của các điện cực D

B qf

2πm

Với fc là tần số của dòng điện gia tốc trong cyclotron

Khi hạt đạt đến vận tốc gần với vận tốc ánh sáng, ta phải xét đến tương đối tính Bán kính cong của hạt chuyển động tương đối tính trong trường điện từ tĩnh là:

γmvr

v1-c

Chùm hạt H- sau khi được gia tốc đến đập vào lá carbon mỏng trở thành chùm proton Chùm hạt proton sau đó được cho tham gia các phản ứng sản xuất đồng vị phóng xạ cho máy PET: 18O(p,n)18F (dạng lỏng và khí), 16O(p,α)13N (lỏng), 14N(p, α)11

C … Trong phản ứng tạo đồng vị, có xuất hiện các bức xạ ion hóa như n, alpha, gamma … Do đó phải có những biện pháp che chắn an toàn bức xạ Do thời gian có hạn, trong phạm vi luận văn này chúng tôi chỉ khảo sát phân bố suất liều của bức xạ gamma

1.2 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG Y TẾ

1.2.1 Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa [1] [4]

Sau khám ra hiện tượng phóng xạ của Becquerel và việc tìm ra tia chất phóng xạ

tự nhiên Radium và Poloium của ông bà Curie, bắt đầu một kỷ nguyên nghiên cứu và ứng dụng đồng vị phóng xạ trong y sinh học Cho đến nay các chất phóng xạ và các nguồn bức xạ ion hóa đã được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, y tế, sản xuất điện, nghiên cứu y sinh học… Đặc biệt trong y tế, việc sử dụng bức xạ đã đem lại những hiệu quả vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán và điều trị Những lợi ích của việc sử dụng bức xạ trong đời sống con người thực sự to lớn nhưng không vì thế mà con người xem nhẹ những tác hại của chúng

Khi quy mô sử dụng bức xạ trong cuộc sống ngày càng tăng thì con người càng quan tâm nhiều hơn về những tác hại mà chúng có thể gây ra cho chính họ và con cháu của họ Từ những nghiên cứu trên động vật thực nghiệm, quan sát trên những nạn nhân

bị chiếu xạ tai nạn, các bệnh nhân xạ trị và những người làm việc tiếp xúc với phóng

xạ, những kiến thức về hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa đã dần được tích lũy [6]

Sự khác nhau cơ bản giữa bức xạ hạt nhân và các bức xạ thông thường như nhiệt

và ánh sáng là ở chỗ bức xạ hạt nhân có năng lượng đủ lớn để gây ion hóa Sự ion hóa những phân tử nước (thành phần chủ yếu của các phân tử cấu tạo nên tế bào) có thể dẫn đến những thay đổi bên trong phân tử và tạo ra các loại hợp chất gây hại cho các nhiễm sắc thể Sự hủy hoại này thể hiện ở sự biến đổi về cấu trúc và chức năng của phân tử Trong cơ thể người, sự thay đổi này có thể tự biểu lộ qua các triệu trứng bệnh

lý như ốm mệt do phóng xạ, đục thủy tinh thể hoặc về lâu dài là ung thư Sau khi các phân tử sinh học cấu tạo tổ chức sống chịu tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp của bức xạ ion hóa, các sản phẩm phản ứng tương tác với các phân tử hữu cơ quan trọng của tế bào Các gốc tự do và các tác nhân oxy hóa có thể tấn công các phân tử phức tạp là

thành phần của các nhiễm sắc thể Ví dụ, chúng có thể tự gắn vào một phân tử hoặc làm gãy các liên kết trong các phân tử dạng chuỗi dài đó

Những tổn thương hóa sinh ở giai đoạn đầu nếu không được hồi phục sẽ dẫn đến những rối loạn về chuyển hóa Các gốc tự do phản ứng với những gốc hoạt động của hệ thống men có nhóm –SH biến chúng thành những nhóm disulfur không hoạt động Kết quả là hoạt tính phân giải của hệ thống men có gốc –SH bị phá hoại, một phần chất men này rất cần thiết đối với sự tổng hợp nucleoproteit và acid nucleic là những nhân

tố quan trọng trong sự sống của cơ thể Ngoài ra các chất men enzym protein bị suy biến, có những độc chất sinh ra, những chất enzym là những chất xúc tác điều hòa đời sống của tế bào, nếu chúng bị suy biến thì tế bào không thể hoạt động bình thường dẫn đến tế bào bị chết hay bị hủy hoại Do ảnh hưởng của sự chiếu bức xạ ion hóa, số lượng các DNA và dexexyripo nucleoproteit trong các tổ chức sống và nhân tế bào bị giảm nên tốc độ hồi phục của chúng chậm

Các hiệu ứng của bức xạ trên cơ thể con người là kết quả của các thương tổn

trong từng tế bào đơn lẻ Những hiệu ứng này có thể chia thành hai loại, loại soma và

loại di truyền Các hiệu ứng soma bắt đầu từ những thương tổn trong các tế bào bình

thường của cơ thể và chỉ ảnh hưởng đến người bị chiếu xạ Các hiệu ứng di truyền thì lại do những tổn thương trong các tế bào của cơ quan sinh dục Sự khác biệt quan trọng trong trường hợp này là những thương tổn đó có thể truyền sang cho con của người bị chiếu xạ và các thế hệ sau nữa Các tổn thương do bức xạ ion hóa có thể phân thành:

1.2.1.1 Tổn thương ở mức phân tử

Các tương tác của bức xạ ion hóa với tổ chức sống cũng giống như môi trường vật chất không sống, nghĩa là kích thích và ion hóa các nguyên tử, phân tử Đặc điểm của các phân tử sinh học là các phân tử lớn, thường có rất nhiều mối liên kết hóa học Khi bị chiếu xạ, năng lượng của chùm tia bức xạ truyền trực tiếp hoặc gián tiếp cho các phân tử sinh học làm phá vỡ các mối liên kết hóa học hoặc phân li các phân tử sinh

học Tuy nhiên các bức xạ ion hóa thường khó làm đứt hết các mối liên kết hóa học mà thường chỉ làm mất thuộc tính sinh học của các phân tử sinh học

1.2.1.2 Tổn thương ở mức tế bào

Sự thay đổi đặc tính của tế bào có thể xảy ra trong nhân và nguyên sinh chất của chúng sau khi bị chiếu xạ Trong nhiều trường hợp người ta thấy thể tích tế bào tăng lên do có sự hình thành các khoảng trống trong nhân và trong nguyên sinh chất của chúng sau chiếu xạ Nếu bị chiếu xạ liều cao tế bào có thể bị phá hủy hoàn toàn Các tổn thương phóng xạ lên tế bào có thể làm cho:

- Tế bào chết do bị tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất

- Tế bào không chết nhưng không phân chia được

- Tế bào không phân chia được nhưng nhiễm sắc thể tăng lên gấp đôi và trở thành

tế bào khổng lồ

- Tế bào vẫn phân chia thành hai tế bào mới nhưng có rối loạn ở cơ chế di truyền Khi phân tử có số lượng trên 100000 sẽ có chừng 10000 liên kết hóa học Cấu trúc như thế này làm cho các phân tử sinh học gần giống các tinh thể nhỏ Quá trình ion hóa không nhất thiết làm đứt nhiều liên kết hóa học đến mức phân hủy phân tử mà nhiều khi chỉ làm thay đổi phân tử ở mức làm mất thuộc tính sinh học của chúng Chiếu xạ với các đối tượng này, chúng ta có công thức chỉ ra quy luật logarit của phân tử còn sống sót (còn hoạt tính sinh học) tỉ lệ nghịch với liều chiếu:

0

N

Ln -KDN

 



 

Với N0 là số phân tử ban đầu, N là số phân tử còn hoạt tính sau khi chiếu liều D,

K là hệ số (K không đổi với một loại phân tử sinh học nhất định bị chiếu bởi một loại bức xạ ion hóa trong những điều kiện nhất định)

Năm 1906, Bergonia và Tribondean đã đưa ra một định luật về tác dụng sinh học của bức xạ lên tế bào sống, và nó được nghiệm đúng trong phần lớn các trường hợp, là

“Độ nhạy cảm của tế bào trước bức xạ ion hóa tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỉ lệ nghịch với mức biệt hóa của chúng” Ngoài ra còn phụ thuộc vào trạng thái trao đổi chất, trạng thái phân chia và nuôi dưỡng

Thí dụ: Tế bào ở tay chân có khả năng chịu đựng lớn nhất, trái lại những mô ở trạng thái phát triển mạnh kém chịu đựng nhất, tủy xương thuộc loại mô này, tủy xương sản sinh ra hồng huyết cầu nên một trong những triệu chứng đầu tiên của bệnh phóng xạ là hồng huyết cầu bị giảm, các cơ quan sinh dục cũng thuộc loại này Nói chung các mô của trẻ con, người đang phát triển thì tia phóng xạ nguy hiểm hơn đối với người có tuổi

1.2.1.3 Tổn thương ở mức toàn cơ thể

Độ nhạy cảm của các sinh vật trước bức xạ và khả năng phục hồi của sinh vật sau chiếu xạ rất khác nhau Để đánh giá độ nhạy cảm của các loài động vật trước bức xạ, người ta đưa ra khái niệm liều LD50/30 (LD50/30 là liều tử vong 50% số cá thể bị chiếu trong vòng 30 ngày đầu sau chiếu xạ) Ví dụ liều LD50/30 ở một số loài động vật

và người được cho trong bảng 1.1 bên dưới

Bảng 1.1 Liều LD50/30 cho một số loài

bị chiếu xạ có thể xuất hiện các triệu chứng sinh học gọi là hiệu ứng sớm Các hiệu ứng này xảy ra do sự suy giảm nhanh chóng số lượng tế bào trong một số cơ quan của cơ thể, vì nhiều tế bào đã bị hủy diệt hoặc quá trình phân chia tế bào bị cản trở hoặc chậm lại Các hiệu ứng xảy ra chủ yếu do tổn thương trên da, tủy xương, bộ máy tiêu hóa, hoặc cơ thần kinh tùy thuộc vào liều chiếu đã nhận

- Máu và cơ quan tạo máu: Mô limpho và tủy xương là những tổ chức nhạy cảm cao với bức xạ Sau khi bị chiếu xạ liều cao chúng có thể ngừng hoạt động và số lượng tế bào trong máu ngoại vi giảm xuống nhanh chóng Mức độ tổn thương

và thời gian kéo dài tổn thương phụ thuộc vào liều chiếu và thời gian chiếu Biểu hiện lâm sàng ở đây là các triệu trứng xuất huyết, phù, thiếu máu Trong y học gọi là hội chứng huyết học

- Hệ tiêu hóa: Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ống vị tràng gây ảnh hưởng đến việc tiết dịch của các tuyến tiêu hóa với các triệu chứng như: ỉa chảy, sút cân, nhiễm độc máu, giảm sức đề kháng của cơ thể Những thay đổi trong hệ thống tiêu hóa thường quyết định hậu quả của bệnh phóng xạ

- Da: Một hiệu ứng sớm xuất hiện trên da sau khi bị chiếu xạ với liều cao là hiệu ứng ban đỏ xuất hiện trên da Các tổn thương này có thể dẫn tới viêm da, xạm

da Nó còn có thể dẫn đến viêm loét, thoái hóa, hoại tử da hoặc phát triển các khối u ác tính ở da Một liều chiếu 3 Gy của tia X năng lượng thấp sẽ gây ban

đỏ và những liều lớn hơn có thể gây ra các triệu chứng khác như bỏng rộp và loét

- Cơ quan sinh dục: Các tuyến sinh dục có độ nhạy cảm cao với bức xạ Cơ quan sinh dục nam nhạy cảm với bức xạ cao hơn cơ quan sinh dục nữ Liều 2Sv lên

cơ quan sinh dục nam (đã trưởng thành) có thể gây vô sinh tạm thời ở nam trong một vài tháng Một liều chiếu cấp diễn, 5Sv gây vô sinh lâu dài ở cả nam và nữ

Tất nhiên đây chỉ là liều chiếu cục bộ, vì với liều chiếu toàn thân như vậy sẽ gây

tử vong

- Sự phát triển của phôi thai: Những bất thường có thể xuất hiện trong quá trình phát triển phôi thai và thai nhi khi người mẹ bị chiếu xạ trong thời gian mang thai, đặc biệt trong giai đoạn đầu, với các biểu hiện như xảy thai, thai chết lưu hoặc sinh ra những đứa trẻ bị dị tật bẩm sinh Một bào thai đang phát triển, tất

cả các tế bào phân chia rất nhanh và do vậy chịu nguy hiểm lớn nhất Không có thời kỳ nào khác trong cuộc đời cá nhân mà liều bức xạ nhận được có tác dụng phá hoại lớn hơn nữa

 Hiệu ứng muộn

Với liều chiếu thấp hoặc sức đề kháng của cơ thể mạnh thì một thời gian dài sau khi chiếu xạ các hậu quả của sự tác hại mới xuất hiện và được gọi là hiệu ứng muộn, các hiệu ứng muộn được chia làm hai loại là hiệu ứng sinh thể và hiệu ứng di truyền

- Hiệu ứng sinh thể (somatic effects)

 Già sớm, giảm tuổi thọ

và da là những ung thư thường gặp trên các đối tượng bị chiếu xạ cao hơn bình thường Ung thư là sự phát triển áp đảo của một số loại tế bào nhất định trong cơ thể Người ta cho rằng ung thư có thể là kết quả của các thương tổn trong hệ thống điều khiển của tế bào, làm cho nó phân chia nhanh hơn các tế bào bình thường Sự sai lệch này được truyền sang các tế bào con vì vậy số lượng vượt trội của các tế bào bất thường sẽ gây tổn hại cho các tế bào bình thường trong cơ quan đó

thủy tinh thể là hiện tượng mất độ trong suốt của mắt Thủy tinh thể của mắt đặc biệt ở chỗ nó không có hệ thống thay thế tế bào, vì vậy nó trở nên bị đục khi các tế bào của

nó bị tổn thương

- Hiệu ứng di truyền (genetic effects)

 Nhân tế bào chứa các nhiễm sắc thể mà số lượng, cấu trúc, kích thước của chúng là đặc trưng cho từng loài và mang chất liệu di truyền, chịu trách nhiệm truyền các đặc tính di truyền Những thay đổi về số lượng, hình thái và cấu trúc nhiễm sắc thể của tế bào sinh dục sẽ dẫn đến những di truyền mà ta gọi là đột biến Bình thường các đột biến xuất hiện một cách ngẫu nhiên với tần số thấp và ổn định

 Bức xạ ion hóa có thể gây đột biến, người ta tìm thấy mối liên hệ giữa tần

số xuất hiện đột biến với liều chiếu từ 20rad đến hàng ngàn rad Do đó một số tác giả

đề xuất khái niệm: “liều chiếu gấp đôi” Đó là liều bức xạ cần thiết để gây ra số lượng đột biến bằng hai lần số lượng đột biến ngẫu nhiên (nghĩa là tăng gấp đôi số lượng đột biến ngẫu nhiên) Thực nghiệm cho biết liều gấp đôi trong khoảng từ 15  30rad Nếu chiếu xạ với liều nhỏ và kéo dài thì khả năng gây đột biến giảm nhiều và liều gấp đôi

có thể lên đến 100rad Các hiệu ứng di truyền không nguy hiểm đối với cá thể bị chiếu, song chúng có thể xuất hiện ở những thế hệ sau Bức xạ ion hóa gây ra những đột biến trong nhân tế bào mà dưới tác dụng của chúng sẽ xuất hiện những biến đổi hóa lí trong các gen riêng biệt Những đột biến phát sinh, có thể là đột biến trội hoặc đột biến ẩn Đột biến trội về tính di truyền còn đột biến ẩn – thể hiện ở một số thế hệ sau trong di truyền có thể hiện khi một gen biến đổi với một gen có cùng sự phá hủy như vậy Bảng 1.2 dưới đây mô tả một số mức liều chiếu toàn thân khác nhau và các hiệu ứng sau chiếu xạ tương ứng [6]

Bảng 1.2 Đáp ứng liều – hiệu ứng sau chiếu xạ toàn thân

0.1 Gy Không có dấu hiệu tổn thương trên lâm sàng Tăng sai lạc nhiễm sắc

thể phát hiện được Bạch cầu có thể giảm đến 20% nhưng sẽ trở lại bình thường trong một thời gian ngắn

Liều chiếu Hiệu ứng sau chiếu xạ

1 Gy Xuất hiện triệu chứng nhiễm xạ trong số 5 7% cá thể sau chiếu xạ

với các biểu hiện như buồn nôn, đau đầu

2 – 3 Gy Xuất huyết dưới da, nhiễm khuẩn, mất nước Giảm 50% số lượng cả

hồng cầu và bạch cầu Bệnh nhiễm xạ gặp ở hầu hết các đối tượng bị chiếu Tử vong 10  30% số cá thể sau chiếu xạ

3 – 5 Gy Bán xuất huyết, xuất huyết, nhiễm khuẩn, rụng lông, tóc Giảm bạch

cầu nghiêm trọng Tử vong 50% số cá thể sau chiếu xạ

6 Gy Tổn thương đường tiêu hóa, xuất huyết niêm mạc ruột, dạ dày Tử

vong trên 50% số cá thể bị chiếu, thậm chí cả những trường hợp được điều trị tốt nhất

1.2.2 Các biện pháp an toàn [6]

1.2.2.1 Giảm thời gian tiếp xúc với phóng xạ

Ta biết rằng liều lượng D là tích số giữa suất liều p với thời gian chiếu t Rút ngắn thời gian tiếp xúc với phóng xạ là biện pháp đơn giản nhưng rất có hiệu quả để giảm liều chiếu Thạo nghề là yếu tố quan trọng để giảm thời gian tiếp xúc với phóng xạ Muốn vậy, nhân viên phải luyện tập thao tác rất thành thạo và chuẩn bị kĩ lưỡng trước khi bắt đầu một công việc có tiếp xúc với phóng xạ Đối với một thao tác mới nên tập trước với mô hình không phóng xạ cho đến mức thành thạo mới bắt đầu làm với phóng

xạ

Trong chụp chiếu X quang, có thể giảm liều chiếu cho cả nhân viên và bệnh nhân nếu phòng X quang thực sự tối và thầy thuốc trước đó đã ngồi trong phòng đủ lâu để mắt thích nghi với bóng tối

Với các chất thải phóng xạ: chất thải rắn thường giữ lại chờ phân rã cho đến lúc hoạt tính xuống ở mức an toàn mới xử lý, đối với chất thải lỏng có thể lưu lại hoặc pha loãng để giảm hoạt độ phóng xạ

1.2.2.2 Tăng khoảng cách từ nguồn tới người làm việc

Đây cũng là một biện pháp đơn giản và đáng tin cậy vì cường độ bức xạ giảm tỷ

lệ nghịch với bình phương khoảng cách Để tăng khoảng cách người ta thường dùng các biện pháp sau: sử dụng cặp dài, dùng các thiết bị thao tác từ xa Trong những cơ sở đặc biệt có sử dụng nguồn phóng xạ có hoạt tính cao, thường dùng người máy hoặc các thiết bị điều khiển tự động (máy xạ trị)

1.2.2.3 Che chắn phóng xạ

Khi không thể kéo dài khoảng cách hơn nữa hoặc một biện pháp dùng khoảng cách không đủ người ta thường dùng các tấm chắn để hấp thụ một phần năng lượng của bức xạ Theo công dụng, tấm chắn chia làm 5 loại:

- Tấm chắn dạng bình chứa (côngtenơ) chủ yếu dùng để bảo quản và vận chuyển chất phóng xạ trong trạng thái không làm việc

- Tấm chắn là thiết bị (blove box, tủ hoot) bao bọc toàn bộ nguồn phát trong trạng thái làm việc có tác dụng che chắn và hút khí thải để suất liều ngoài màn chắn không vượt quá mức cho phép

- Tấm chắn di động dùng để bảo vệ chỗ làm việc của nhân viên và thường di động trong một vùng hoạt động lớn (ví dụ: Tấm chì di động, gạch chì)

- Tấm chắn bộ phận của các công trình xây dựng: tường, trần, cửa nhà được thiết

kế đặc biệt để bảo vệ cho các phòng lân cận

- Màn chắn bảo hiểm cá nhân như áo giáp chì, kính chì, quần áo, găng tay, ủng pha chì để bảo vệ cho nhân viên và bệnh nhân trong quá trình chẩn đoán và điều trị bằng phóng xạ

 Nguyên liệu dùng để che chắn phóng xạ:

- Với tia X và gamma, nguyên liệu tốt nhất để giảm năng lượng của bức xạ là chì Nhưng để giảm giá thành người ta có thể dùng những vật liệu rẻ hơn như gang,

bê tông, bê tông trộn barit, bê tông cốt sắt Ngay cả nước và gạch cũng có thể được dùng để cản tia nhất là đối với chùm hạt nơtron

- Với bức xạ beta, vật liệu thường được dùng ở đây là thủy tinh thường, thủy tinh hữu cơ pha chì, chất dẻo, nhôm

Suất liều và các dạng bức xạ quyết định việc chọn nguyên liệu và chiều dày của màn chắn Khi lựa chọn nguyên liệu cần phải phân tích đến cả 3 yếu tố: công nghệ, an toàn và giá thành

Trong máy cyclotron, chùm hạt proton năng lượng cao đến đập vào các hạt nhân (của vật liệu bia) gây ra phản ứng hạt nhân Sản phẩm của phản ứng là các đồng vị phóng xạ phát positron, đáp ứng cho nhu cầu chẩn đoán hình ảnh về chức năng và điều trị ung thư Bia có thể là chất rắn, lỏng hoặc khí Bảng 2.1 nêu một số đồng vị phóng

xạ phát positron và chu kỳ bán rã của nó

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng MCNPX mô phỏng quá trình xảy ra trong tương tác của proton và bia là 18O dạng lỏng để chế tạo 18F

có năng lượng lớn tối thiểu là 1,02 MeV thì mới gây ra được hiện tượng tạo cặp Nếu năng lượng photon lớn hơn giá trị 1,02MeV, thì phần năng lượng vượt quá sẽ trở thành dạng năng lượng động năng chia đều cho electron và positron Do đó, quá trình tạo cặp bao gồm sự chuyển đổi năng lượng photon tương tác thành năng lượng động năng cho electron và positron Các hạt electron và positron là những hạt mang điện tích do đó chúng bị làm chậm lại bởi tương tác Coulomb liên tục do ảnh hưởng của vật liệu tạo thành các photon bức xạ hãm (Bremsstrahlung), với năng lượng nhỏ hơn nhiều năng lượng của photon tương tác tạo cặp ban đầu Khi positron mất hầu hết năng lượng của

nó, nó kết hợp với một electron mang điện tích âm Cả hai hạt cơ bản biến mất, và hai photon hủy cặp được tạo thành, mỗi photon có năng lượng đúng bằng năng lượng nghỉ

của electron Hai photon hủy cặp bay về hai hướng ngược nhau, tạo với nhau một góc xấp xỉ bằng 1800

MCNPX tích hợp được với hầu hết tất cả các hệ điều hành của máy tính như Unix, Linux, Windows MCNPX đã được cải tiến từ MCNP để mô phỏng nhiều loại hạt khác nhau hơn, ở mức năng lượng rộng hơn Năng lượng hạt được mô phỏng trong MCNPX được coi như liên tục Các hạt có thể được mô phỏng bởi MCNPX được cho trong phụ lục 1

2.2 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO [15]

Các phương pháp Monte Carlo rất khác với các phương pháp vận chuyển tất định Các phương pháp tất định giải phương trình vận chuyển đối với trạng thái hạt trung bình Ngược lại, phương pháp Monte Carlo không giải phương trình tường minh mà đúng hơn nhận các trả lời bằng mô phỏng các hạt riêng rẽ và ghi một số khía cạnh (các đánh giá) của trạng thái trung bình của chúng Trạng thái trung bình của các hạt trong vật lý khi đó được rút ra từ trạng thái trung bình của các hạt được mô phỏng (bằng cách

sử dụng định lý giới hạn trung tâm) Phương pháp Monte Carlo cho phép biểu diễn chi tiết tất cả các khía cạnh của các số liệu vật lý trong quá trình vận chuyển hạt Nó rất thích hợp để giải các bài toán phức tạp, 3 chiều, phụ thuộc thời gian

Độ chính xác được xác định như là thước đo độ gần với giá trị chính xác của tính chất hệ vật lý được mô phỏng Điều này đôi khi được quy cho là “sai số hệ thống” Các chương trình mô phỏng Monte Carlo không thể ước lượng một cách trực tiếp các sai số này Các nhân tố ảnh hưởng đến độ chính xác là: độ chính xác các mô hình vật lý, sai

số từ thông tin của đối tượng nghiên cứu (nguồn, hình học, v.v…) và các sai số khác từ người sử dụng Mặt khác, độ chính xác được xác định như là độ không chắc chắn trong

Xn do thăng giáng thống kê trong giá trị của mẫu Độ chính xác đôi khi được gọi là “sai

số tương đối” và được ước lượng bởi các chương trình mô phỏng Monte Carlo

2.3 MÔ PHỎNG TRONG MCNP [15] [20] [12]

Việc mô phỏng một mô hình trong MCNP nói chung bao gồm các bước sau:

1 Xây dựng tệp đầu vào: để xây dựng tệp đầu vào cần

- Thu thập thông tin chi tiết hình học của hệ khảo sát

- Xác định các loại vật liệu tương ứng

- Xác định dạng hình học, phân bố năng lượng, loại hạt phát ra của nguồn

- Loại bài toán cần đánh giá (tallies)

2 Chạy chương trình tính toán

3 Nghiên cứu và thu thập thông tin trên tệp đầu ra

Phần quan trọng để có một chương trình MCNP chính là tệp đầu vào Tệp đầu vào chuẩn thường được chia ra làm 3 phần: định nghĩa ô, định nghĩa mặt và định nghĩa dữ liệu Các phần được ngăn cách nhau bằng các dòng trống Bảng 2.2 minh họa một tệp đầu vào chuẩn trong MCNP

Bảng 2.2 Phác thảo nội dung một tệp đầu vào đặc trưng trong MCNP

TITLE CARDS (Thẻ tiêu đề)

CELL CARDS (Thẻ ô)

Trong tệp đầu vào các thông số như cấu hình hệ đo, thời gian gieo hạt, số hạt cần gieo, các thông số chính xác của nguồn được khai báo Qua các thông số nhận được MCNP sử dụng thư viện số liệu hạt nhân và các quá trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử phát ra từ nguồn cho đến hết thời gian sống của nó

2.3.1 Mô tả hình học

Khả năng mô tả hình học ba chiều của MCNPX là rất tốt

Định nghĩa ô dựa trên các mặt biên được liên kết lại với nhau tạo thành và được lấp đầy vật chất đồng nhất tương ứng

Định nghĩa mặt là các dạng toàn phương liên kết tạo thành các ô

Ví dụ, trong luận văn này, việc mô phỏng có liên quan đến mặt phẳng, mặt trụ tròn và mặt trụ ellip

- Câu lệnh cho định nghĩa mặt trụ tròn:

+ REC là ký hiệu để gọi trong thẻ nhớ của MCNPX về hình trụ ellip

+ Vx Vy Vz là các tọa độ của một điểm nằm trên mặt phẳng đáy của ellip

+ hx hy hz là các tọa độ của một điểm nằm trên mặt phẳng đầu của ellip

+ V1x V1y V1z , V2x V2y V2z theo thứ tự là độ dài hình chiếu của hai trục ellip lên ox, oy, oz

Hình 2.1 bên dưới mô tả hình ảnh 3D của một trụ ellip bằng MCNP5

Hình 2.1 Hình trụ ellip mô tả bằng giao diện đồ họa của MCNP5

- Trong luận văn này, việc mô phỏng dạng hình học của cả một hệ thống trên cùng một trục tọa độ là rất khó khăn Việc mô phỏng một bộ phận nhỏ của hệ thống ở trên một hệ trục tọa độ khác là dễ dàng hơn nhiều Do đó, chúng tôi sử dụng tính năng

hỗ trợ của thẻ TRn Thẻ TRn cho phép ta mô phỏng một phần hình học trong một hệ tọa độ mới trên nền hệ trục tọa độ cũ Như vậy, trong một hệ thống, ta có thể mô tả từng phần khác nhau trên một hệ trục khác nhau, sau đó khai báo trên thẻ TRn để MCNPX ghép các hình học về một hệ trục tọa độ duy nhất mà ta chọn trước Dạng khai báo của thẻ TRn:

TRn O1 O2 O3 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 M

Trong đó:

+ n là số của sự chuyển đổi Giả sử, nếu ta muốn khai báo hai bộ phận nhỏ a và

b của hệ thống trong hai hệ trục tọa độ mới, thì ta gán số n = 1 cho hệ trục tọa độ khai báo a, và n = 2 cho hệ trục tọa độ khai báo b Đồng thời, trước tất cả các mặt khai báo

a, ta thêm số 1, trước tất cả các mặt khai báo b, ta gán thêm số 2 Một điều cần lưu ý là

1 < n < 999

+ O1 O2 O3 là tọa độ của gốc tọa độ mới (trên nền gốc tọa độ cũ)

+ B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 lần lượt tương ứng với giá trị cosin của các góc tạo bởi các cặp ox và ,

+ M có thể nhận một trong hai giá trị là: 1 là sử dụng hệ trục tọa độ cũ làm chuẩn, tất cả các khối được mô phỏng trong hệ trục tọa độ mới sẽ được tự động quy về

hệ trục tọa độ cũ -1 dùng hệ trục tọa độ mới làm chuẩn