LUẬN văn sư PHẠM vật lý AN TOÀN bức xạ ION hóa TRONG LĨNH vực y tế

Các hạt và các tia được phát ra từ sự phân rã phóng xạ hoặc từ các thiết bị phát bức xạ như máy phát tia X, máy gia tốc có đủ năng lượng để bức các điện tử từ môi trường vật chất mà chún



TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM -o0o -

AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA TRONG LĨNH

VỰC Y TẾ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Ngành : SP VẬT LÝ CÔNG NGHỆ K34

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Hoàng Xuân Dinh Nguyễn Thanh Nhân Lớp: SP Vật lý công nghệ K34

Khóa: 34

MSSV: 1087067

Cần Thơ - 2012

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : BỨC XẠ ION HÓA 1

I Bức xạ ion hóa khái niệm cơ bản 1

1.1 Khái niệm bức xạ ion hóa 1

1.2 Các đại lượng và đơn vị đo 1

1.3 Các loại bức xạ ion hóa 2

II Nguồn gốc của các loại bức xạ 4

2.1 Nguồn bức xạ có nguồn gốc tự nhiên 4

2.2 Bức xạ từ nguồn nhân tạo 7

CHƯƠNG II : TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ĐỐI VỚI CÁC VẬT CHẤT 10

I khái niệm sự ion hóa 10

II Sự ion hóa trực tiếp và gián tiếp 10

III Tương tác của hạt Alpha với vật chất 11

IV Tương tác Beta 11

V Tương tác của tia Gamma và tia X 13

VI Tương tác của neutron 18

CHƯƠNG III : CÁC HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ 21

I Cơ thể con người 21

II Các hiệu ứng bức xạ ở mức phân tử 21

2.1 Tia bức xạ kích thích và ion hóa các nguyên tử và phân tử vật chất 21

2.2 Tác dụng trực tiếp của bức xạ 22

2.3 Tác dụng gián tiếp của bức xạ 23

III Các hiệu ứng bức xạ ở mức tế bào 23

3.1 Cấu tạo tế bào 23

3.2 Sự phân chia tế bào 24

3.3 Sự tổn thương tế bào và việc sửa chữa 24

3.4 Chết tế bào 25

IV Các hiệu ứng bức xạ ở mức cơ thể 25

4.1 Phân loại các hiệu ứng bức xạ ở mức cơ thể 25

4.1.1 Các hiệu ứng soma và di truyền 25

4.1.2 Các hiệu ứng sớm và muộn 26

4.1.3 Các hiệu ứng tất nhiên và ngẫu nhiên 26

4.2 Hiệu ứng tất nhiên 27

4.2.1 Hệ thống tạo máu 27

4.2.2 Cơ quan sinh dục 27

4.2.3 Da 27

4.2.4 Mắt 27

4.2.5 Đườn ruột 28

4.2.6 Hệ thần kinh trung ương 28

4.2.7 Thai nhi 28

4.2.8 Giảm tuổi thọ 29

4.3 Các hiệu ứng ngẫu nhiên 29

4.3.1 Bệnh ung thư 29

4.3.2 Hiệu ứng di truyền (genetic effect) 29

4.4 Các quan hệ hiệu ứng – liều đối với liều thấp 30

CHƯƠNG IV: KHÁI QUÁT CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG BỨC XẠ VÀ CÁC TIÊU CHUẨN AN TOÀN BỨC XẠ 31

I Các cơ chế ghi đo bức xạ 31

II Các dụng cụ đo lường bức xạ 31

2.1 Detector chứa khí 31

2.1.1 Đầu dò buồng ion hóa 32

2.1.2 Ống đếm tỷ lệ 34

2.1.3 Ống đếm Geiger Muller 34

2.2 Detector nhấp nháy 36

2.3 Detector bán dẫn 38

2.3.1 Detector bán dẫn hàng rào mặt 38

2.3.2 Detector gamma bán dẫn siêu tinh khiết HPGe 38

2.3.3 Detector Silic pha Li 38

2.4 Detector nơtron 39

2.4.1.Nguyên tắc hoạt động 39

2.4.2.Các loại đầu dò nơtron 39

CHƯƠNG V: BẢO VỆ ĐỐI VỚI CÁC NGUY HIỂM CHIẾU NGOÀI 41

I Các mối nguy hiểm bức xạ chiếu ngoài 42

CHƯƠNG VI: CÁC BIỆN PHÁP AN TOÀN BỨC XẠ ION HÓA TRONG Y Tế 49

I Các nguyên nhân cơ bản 49

II Bảo vệ an toàn đối với các nguồn kín 50

2.1 Chụp X-quang chuẩn đoán 50

2.2 Soi huỳnh quang chuẩn đoán 51

2.3 Chụp cắt lớp truyền qua 53

2.4 Xạ trị 53

III Bảo vệ an toàn đối với các nguồn phóng xạ hở 55

3.1 Nguyên tắc chung 55

3.2 Xét nghiệm chuẩn đoán bằng đồng vị phóng xạ 56

3.3 Điều trị bằng đồng vị phóng xạ 57

CHƯƠNG VII: QUẢN LÝ AN TOÀN VẬN CHUYỂN CHUYỂN CHẤT PHÓNG XẠ 58

I Vận chuyển an toàn chất phóng xạ 58

1.1 Các nguyên tắc chung 58

1.2 Các quy định chung 58

1.3 Cách ly chất phóng xạ 59

1.3.1 Trường hợp sự cố 59

1.3.2 Bảo đảm chất lượng 59

1.3.3 Bảo đảm sự tuân thủ .60

II Quản lý chất thải phóng xạ 60

III Phân loại các chất thải phóng xạ .62

3.1 Phân loại theo dạng chất thải 62

3.2 Phân loại theo thời gian bán rã .62

3.3 Phân loại theo hoạt độ phóng xạ, công suất nhiệt và suất liều bề mặt 63

3.3.1 Chất thải mức thấp LLW 63

3.3.2 Chất thải mức trung gian ILW 63

3.3.3 Chất thải mức cao HLW 63

3.4 Xử lý các chất thải phóng xạ rắn 64

3.4.1 Các phương pháp xử lý chất thải phóng xạ rắn 64

3.4.2 Xử lý các nguồn phóng xạ thôi sử dụng 64

3.5 Xử lý các chất thải phóng xạ lỏng 65

3.5.1 Các chất thải lỏng mức cao 65

3.5.2 Các chất thải lỏng mức thấp và trung bình 66

3.6 Xử lý chất thải phóng xạ khí 68

Tài liệu tham khảo 69

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Nhận xét của giáo viên phản biện

và có tầm quan trọng lớn trong chẩn đoán y tế là chụp cắt lớp trợ giúp bằng máy tính ( computer tomography), hay thường được gọi tắt là CT hoặc scanning hay chụp vi tính cắt lớp Dù cho chúng ta luôn có những cách bảo vệ an toàn nhất khi sử dụng các

phương pháp điều trị thì ảnh hưởng của bức xạ ion hóa vẫn tồn tại một cách trực tiếp gây nguy hiểm lập tức hoặc về lâu dài cho các thế hệ sau Bởi nguồn phóng xạ phát bức

xạ ion hóa - một loại bức xạ không màu, không mùi, không vị nhưng có thuộc tính cơ bản là đâm xuyên và ion hóa vật chất Chính vì những tính chất như vậy nên ta không nhận thấy được sự nguy hiểm đằng sau đó, việc kiểm soát và định hướng các cơ sở có thiết bị sử dụng năng lượng bức xạ hạt nhân đảm bảo an toàn là một việc làm rất quan trọng Từ khi nhận thức được sự nguy hiểm vô hình của bức xạ ion hóa trong y tế em đã rất lo lắng mỗi khi có người thân hoặc bạn bè cần phải điều trị bằng các công cụ bức xạ nguy hiểm đó, và cuối cùng em quyết định hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài

“ An toàn bức xạ ion hóa trong y tế ” với sự hướng dẫn của thầy Hoàng Xuân Dinh

1.2 Mục đích đề tài

Đề tài này tập trung nghiêng cứu về bức xạ hạt nhân, an toàn bức xạ hạt nhân trong lĩnh vực y tế và những vấn đề có liên quan Từ đó có thể giúp hạ n chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng không tốt của bức xạ hạt nhân, góp phần nâng cao chất lượng

khám và điều trị bệnh bằng bức xạ hạt nhân

1.3 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiêng cứu những cơ sở lý thuyết “An toàn bức xạ ion hóa trong y tế” thông qua tài liệu, không đi sâu vào điều tra thực tế

2 GIẢ THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Sinh viên ngành Sư phạm Vật Lý có thêm nhiều kiến thức về bức xạ hạt nhân, an toàn bức xạ hạt nhân để giảng dạy tốt hơn

- Ngành y học hạt nhân nước ta sẽ phát triển an toàn, hiệu quả, đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều về khám chữa bệnh bằng bức xạ hạt nhân nếu đa số người dân đến khám và chữa bệnh được phổ biến tốt về sự tác hại và nguy hiểm của bức xạ ion hóa, từ

đó có biện pháp phòng tránh thích hợp

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết thông qua tài liệu, giáo trình, sách và một số trang web có liên quan

4 CÁC BƯỚC NGHIÊN CỨU

- Tìm và sưu tầm tài liệu có liên quan

- Trao đổi nội dung và nhận xét

- Lập đề cương nghiên cứu

- Viết bản thảo

- Thông qua sự nhận xét của giáo viên hướng dẫn, điều chỉnh lại, hoàn thành và

nộp bài viết

Chương I

BỨC XẠ ION HÓA

I BỨC XẠ ION HÓA KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Khái niệm bức xạ ion hóa

Lần đầu tiên con người ý thức được rằng mình bị vây quanh bởi những bức xạ vô hình, đó là vào năm 1895 khi Wihelm Roentgen phát hiện ra rằng một tấm phim ảnh có thể bị làm đen bởi một bức xạ vô hình có thể đâm xuyên qua vật chất Nó được gọi là tia

X

Trong những năm đầu của thế kỷ 20, người ta phát hiện ra rằng một vài chất có trong tự nhiên bị biến đổi tự phát về cấu trúc của chúng để trở nên bền hơn Quá trình đó được gọi là phân rã phóng xạ Các quá trình phân rã phóng xạ dẫn đến sự phát xạ của các hạt tích điện và các tia Hầu hết sự phát xạ là phát ra các hạt alpha, hạt beta, các hạt tích điện nặng và tia gamma Các phát xạ khác có thể là positron, tia X và rất hiếm trường hợp phát ra neutron Các hạt và các tia được phát ra từ sự phân rã phóng xạ hoặc từ các thiết bị phát bức xạ (như máy phát tia X, máy gia tốc) có đủ năng lượng để bức các điện tử từ môi trường vật chất mà chúng đi qua, chúng được xếp loại là bức xạ ion hóa (tia phóng xạ)

Bức xạ ion hóa được định nghĩa là một hạt hoặc một tia bất kỳ có đủ năng lượng

để bứt các điện tử khỏi các nguyên tử, phân tử hoặc ion và gây ra sự ion hóa môi trường vật chất mà nó đi qua (Cần phân biệt bức xạ ion hóa và bức xạ không ion hóa như: tia cực tím, tia hồng ngoại, sóng điện từ siêu cao tần…)

Mặc dù nguồn bức xa ion hóa chủ yếu là từ sự phân rã phóng xạ của các hạt nhân phóng xạ, còn có các nguồn khác như các thiết bị phát bức xạ.Ta cũng chú ý rằng các bức

xạ ion hóa từ nguồn bất kỳ có thể tương tác với các tế bào sinh học gây ra sự sai hỏng các

tế bào và các cơ quan của cơ thể người

1.2 Các đại lượng và đơn vị đo

Năng lượng của bức xạ ion hóa được đo bằng đơn vị electronvolts (eV) nó là đơn

vị rất nhỏ của năng lượng, thậm chí trong giới hạn nguyên tử Một electronvolts là năng lượng thu được bởi một điện tử khi gia tốc qua hiệu điện thế một volt và một cách toán học bằng 1,6×10-19 joules Trong thực tế, đơn vị của năng lượng bức xạ ion hóa thường

được biểu diễn dưới dạng bội số của electronvolts như kiloelectronvolt ( 1KeV = 103 e V)

hoặc megaelectronvolt ( 1MeV = 106 eV)

1.3 Các loại bức xạ ion hóa

Bức xạ là sự phát năng lượng vào môi trường dưới dạng sóng điện từ hoặc hạt vi

 Bức xạ không ion hóa

- Bức xạ ion hóa là các bức xạ gây ra sự ion hóa trong vật chất mà nó truyền qua Bao

gồm:

 Các bức xạ dạng hạt, như hạt alpha, hạt beta, hạt neutron

 Các bức xạ dạng sóng điện từ có năng lượng lớn hơn 12,4eV như tia X và tia

gamma

PHÂN LOẠI BỨC XẠ

Bức xạ điện từ ( photon)

Sóng radio Sóng viba Tia hồng ngoại Ánh sang nhìn thấy Tia tử ngoại

Bức xạ không ion hóa ( E < 12.4eV)

Tia X Tia Gamma

Bức xạ hạt

Alpha Beta Neutron

Bức xạ ion hóa

Các bức xạ phổ biến nhất phát ra từ sự phân rã phóng xạ là các hạt bêta và các tia gamma Các phát xạ có thể khác bao gồm các hạt positron, tia-X, và rất hiếm là các hạt neutron

Các loại bức xạ ion hóa từ phân rã phóng xạ

- Hạt alpha : Bao gồm hai proton và hai neutron liên kết chặt chẽ với nhau Nó có thể

được coi là hạt nhân (2He4) có số khối nguyên tử là 4u và điện tích là +2e Hạt alpha

được biểu diễn bằng ký hiệu α, tiếng Hilạp đó là chữ thường của chữ „A‟ Các hat

alpha có khối lượng và điện tích lớn nên chúng chỉ có thể chạy trong không khí được

vài cm và chúng có khả năng ion hóa rất cao

- Hạt beta : Về cơ bản là điện tử mà nó được phóng ra từ nhân của các hạt nhân phóng

xạ chúng được tạo ra khi một nơtron trong nhân đó chuyển thành một proton và một điện tử proton bị giữ lại trong hạt nhân còn điện tử thì được phát ra như một beta Giống như các điện tử, các hạt beta có khối lượng nhỏ (xấp xỉ 1/1840 u) và một điện tích âm đơn lẻ (tức là một điện tích bằng -1e0) Chúng được kí hiệu: β, tiếng Hylạp là

chữ thường của chữ „B‟

- Tia gamma là bức xạ điện từ được tạo ra từ hạt nhân của một nguyên tử Bức xạ điện

từ gồm các bó năng lượng còn gọi là các proton, chúng được truyền dưới dạng sóng với tốc độ ánh sáng Tia gamma không có khối lượng và điện tích, nó được kí hiệu là

γ, tiếng hylạp đó là chữ thường của chữ „G‟

- Hạt positron được tạo ra từ một proton được biến đổi thành một nơtron và một điện

tử dương (positron) Nơtron ở lại trong hạt nhân còn positron được phát ra với tốc độ lớn Positron cũng giống như hạt beta về hầu khắp các khía cạnh nhưng khác biệt chính đó là positron có một điện tích dương Vì thế các positron được kí hiệu la β+ để

chỉ ra sự giống nhau và sự khác biệt của chúng đối với các hạt beta

- Tia X: giống như tia gamma, tia X cũng là bức xạ điện từ không có khối lượng và

điện tích Tuy nhiên, tia X khác tia gamma ở chỗ tia gamma được tạo ra bởi sự biến đổi trong hạt nhân của một nguyên tử trong khi đó tia X được tạo ra khi điện tử

nguyên tử bị thay đổi về quỹ đạo

- Hạt nơtron (được kí hiệu là n) là hạt được tìm thấy trong hạt nhân của một nguyên tử với số khối là 1u và không có điện tích

Tóm tắt các thuộc tính của mỗi loại bức xạ ion hóa

Loại bức xạ ký hiệu khối lượng u * điện tích e #

Alpha α 4 +2

Beta β 1/1840 -1

Gamma γ 0 0

Nơtron n 1 0

Positron β + 1/1840 +1

X-ray X 0 0

* Trong đơn vị khối lượng nguyên tử

# Trong đơn vị điện tích điện tử

II NGUỒN GỐC CỦA CÁC LOẠI BỨC XẠ

- Nguồn gốc bức xạ đối với con người

Con người có thể nhận một liều bức xạ từ các nguồn :

+ Có nguồn gốc tự nhiên Nguồn tự nhiên tồn tại từ khi hình thành trái đất

+ Có nguồn gốc nhân tạo Nguồn nhân tạo là gây ra từ sự đóng góp bởi chiếu xạ y tế, chiếu xạ nghề nghiệp và ảnh hưởng môi trường từ các hoat động liên quan đến nguồn phóng xạ

2.1 Nguồn bức xạ có nguồn gốc tự nhiên

- Hàng ngày chúng ta bị chiếu một lượng bức xạ từ môi trường xung quanh ta Có ba

nguồn chính là: Bức xạ vũ trụ đến từ bên ngoài trái

đất bức xạ có nguồn gốc từ đất đá bức xạ do

nhiễm xạ tự nhiên trong cơ thể

 Bức xạ vũ trụ

Các bức xạ proton, alpha,… năng lượng cao rơi

vào khí quyển trái đất từ không gian bên ngoài gọi

là các tia vũ trụ Tia vũ trụ có năng lượng cỡ từ

C có trong cơ thể người được đánh giá vào khoảng 50 Bq/g, tương ứng với liều hiệu dụng là 12μSv/năm Bức xạ vũ trụ được chia làm hai loại:

 Bức xạ vũ trụ từ thiên hà

Chúng được sinh ra từ các vật thể vũ trụ rất xa trái đất, thành phần bao gồm 92,5%

là các hạt proton năng lượng cao và khoảng 7% là các hạt alpha và các hạt ion nặng hơn, phần còn lại là các electron, photon, neutrino

tuy nhiên có thể đạt đến 1,8 mSv/năm

và nhiều nơi trên trái đất lên tới 16

mSv/năm (bang Nimasgerais ở Brazil,

bang Kerela ở Ấn Độ)

 Bức xạ từ không khí

Do khí phóng xạ bốc lên từ vỏ trái Hình 1.2 đất (chủ yếu là khí radon) Chiếu xạ gây nên bởi nguyên nhân này là tương đối yếu, trung

 Bức xạ trong các vật liệu xây dựng

Đó là các bức xạ của Uranium, Thorium và Potassium có chứa trong các vật liệu

như: cát sỏi, xi măng, bê tông, tường khô, gỗ, gạch nung…

Radon thoát ra từ đất và các vật liệu xây dựng, do đó lượng radon trong các phòng

kín lớn hơn rất nhiều so với ở ngoài trời

Trên phạm vi toàn cầu, trong quy mô của từng nước, người ta đã nghiên cứu xác

định lượng radon trong các nhà ở:

Ở châu Âu trung bình từ 20 đến 50 Bq/m3; ở mỹ trung bình là 55 Bq/m3

nhưng trong khoảng 1-3% các nhà một căn hộ riêng, tức là khoảng hàng triệu nhà, lượng radon lên tới

300 Bq/m3 Ở Việt Nam, chưa có đầy đủ số liệu thống kê, tuy nhiên kết quả của một số nghiên cứu cho thấy: lượng radon trong nhà ở khu vực Hà Nội vào khoảng 30 Bq/m3, ở miền núi thường lớn hơn vài lần

Lượng radon trong nhà ở phụ thuộc vào vùng địa lý, tuỳ thuộc vào mùa trong năm

và các yếu tố địa lý, khí hậu Trong một nhà: tầng thấp có lượng radon nhiều hơn tầng cao, trong phòng thoáng, lượng radon ít hơn so với trong phòng kín

 Bức xạ từ nước và thức ăn

Nước có chứa K40 và các nguyên tố phóng xạ khác gây chiếu xạ lên cơ thể trung bình đạt tới 0,25 mSv/năm

Các bức xạ tự nhiên này chiếu xạ lên cơ thể con người theo hai cách: chiếu xạ trong

do ăn uống, hít phải và chiếu xạ ngoài

Liều chiếu xạ do bức xạ tự nhiên trung bình lên người ở vùng “bình thường” được cho trong bảng

Bảng 1: Liều lượng con người nhận do bức xạ tự nhiên

Nguồn Liều bức xạ tự nhiên trung bình mỗi

người nhận được trong một năm

2.2 Bức xạ từ nguồn nhân tạo

Mặt dù tất cả các sinh vật là luôn bị chiếu xạ bởi các bức xạ có nguồn gốc tự nhiên,

có hai nhóm người riêng biệt còn bị chiếu xạ bởi các nguồn bức xạ có nguồn gốc nhân

tạo Hai nhóm người này là

 Các cá nhân bị chiếu xạ nghề nghiệp

Dân chúng

 Các nguồn bức xạ có nguồn gốc nhân tạo gây ra sự chiếu xạ dân chúng ngoài các

nguồn có nguồn gốc tự nhiên là:

Thuốc lá

Máy truyền hình

Chuẩn đoán điều trị y tế: máy Xquang y tế, y học hạt nhân, xạ trị

Máy báo khói, báo cháy

Vật liệu xây dựng bị nhiễm phóng xạ

Các hoạt động ứng dụng hạt nhân

Môi trường bị nhiễm bẩn phóng xạ

Bức xạ đối với dân chúng từ nguồn nhân tạo

 Các nguồn bức xạ nhân tạo:

Liều bức xạ tác động lên con người

Tia vũ trụ Đất đá

Nhiễm xạ trong cơ thể

Chăm sóc y tế

Đồ dùng

Các ứng dụng

Liều do nghề nghiệp Dân chúng

PX tự nhiên

PX nhân tạo

NVBX

CHƯƠNG II

TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ĐỐI VỚI CÁC VẬT CHẤT

I KHÁI NIỆM SỰ ION HÓA

Sự ion hóa được định nghĩa như sau: khi một hạt hoặc một tia bất kì có đủ năng lượng để bứt các điện tử từ các nguyên tử hoặc các phân tử Tuy nhiên, để hiểu một cách đầy đủ sự tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất thì phải hiểu quá trình ion hóa của chính nó

Như đã biết về cấu trúc của vật chất, nguyên tử gồm có một hạt nhân chứa các hạt tích điện mang điện dương (proton) và các hạt không mang điện tích (neutron) các hạt này còn được gọi là các nucleon Các hạt tích điện âm (điên tử) chuyển động theo quỹ dao xung quanh hạt nhân Một nguyên tử không mang điện có số điện tích âm bằng số điện tích dương và do đó số proton bằng số điện tử Khi bức xạ ion hóa tương tác với các nguyên tử thì nó có thể cho các điện tử quỹ đạo nhận thêm năng lượng Năng lượng thêm này cho phép một số điện tử có đủ năng lượng thắng được sức hút của hạt nhân trở thành

tự do và rời khỏi nguyên tử Khi các điện tử rời khỏi nguyên tử thì tại thời điểm đó số điện tử tích điện âm trong nguyên tử nhỏ hơn so với các proton tích điện dương, nguyên

tử này khi đó thừa một điện tích dương, và được xem như là một ion dương Điện tử rời khỏi nguyên tử được xem như là một ion âm và các ion tích điện trái dấu nhau này được gọi là một cặp ion Quá trình tạo thành các ion được gọi là sự ion hóa, và loại bức xạ gây

ra quá trình này được gọi là bức xạ ion hóa

II SỰ ION HÓA TRỰC TIẾP VÀ GIÁN TIẾP

Bất kì sự ion hóa nào mang điện tích thì đều có khả năng tác dụng lên các điện tử quĩ đạo của các nguyên tử trong vật chất mà nó đi qua Ví dụ, các hạt alpha mang điện tích dương có khả năng hút các điện tử tích điện âm ở xung quanh hạt nhân để tạo thành các nguyên tử helium Trong trường hợp của các hạt beta thì lực tác dụng lên các điện tử quỹ đạo có thể đủ lớn để đẩy chúng ra khỏi nguyên tử Trong các trường hợp trên, các điện tử bị bứt khỏi nguyên tử bởi tác động trực tiếp của lực Coulomb Vì vậy, với bất kì

loại bức xạ ion hóa nào mà mang điện (như các hạt alpha hoặc beta) được xem như là bức

xạ ion hóa trực tiếp

Các loại bức xạ mà không mang điện, như các tia X, tia gamma và các neutron thì chúng được xem là bức xạ ion hóa gián tiếp Bức xạ ion hóa gián tiếp gây ion hóa môi trường thông qua các hạt tích điên được tạo ra do tương tác của chúng với môi trường vật chất

Sự kích thích:

Khi bức xạ tương tác với một nguyên tử, năng lượng của nó có thể truyền cho nguyên tử là không đủ để gây ra sự ion hóa Một điện tử ở lớp trong của một nguyên tử có thể nhận đủ năng lượng để cho phép nó dịch chuyển đến một trạng thái kích thích ở một mức năng lượng cao hơn nhưng không đủ năng lượng để rời khỏi nguyên tử Trong

trường hợp này sự kích thích đã xảy ra Năng lượng được tăng lên bởi chất hấp thụ

nguyên tử sẽ bị phát lạ thành bức xạ điện từ khi điện tử quay trở lại mức năng lượng ban đầu của nó

III TƯƠNG TÁC CỦA HẠT ALPHA VỚI VẬT CHẤT

So sánh với các hạt khác thì hạt alpha có khối lượng và điện tích khá lớn; bao gồm bốn nucleon trong đó có hai diện tích dương Khi các hạt alpha dịch chuyển qua các chất hấp thụ chúng sử dụng các lực điện tác dụng lên các điện tử quỹ đạo của chất hấp thụ Các điện tử quỹ đạo này sẽ được đẩy lên các lớp vỏ có mức năng lượng cao hơn hoặc bị bức khỏi nguyên tử, do đó tạo thành các cặp ion Một hạt alpha có thể truyền một lượng lớn năng lượng cho chất hấp thụ trên một khoảng cách ngắn và tạo ra một số lượng lớn các cặp ion Ví dụ một hạt alpha có năng lượng 3,5MeV sẽ dịch chuyển xấp xỉ 20mm và tạo ra một trăm nghìn cặp ion trong không khí Với giá trị năng lượng như vậy hạt alpha

sẽ dịch chuyển một khoảng xấp xỉ 0,03mm (hoặc 30µm) trong mô Các hạt alpha có độ đâm xuyên yếu nhất so với các loại bức xạ Quãng chạy của hạt alpha là rất quang trọng khi chúng ta khảo sát mức độ nguy hiểm của các hạt alpha ở bên trong và bên ngoài cở thể con người

IV TƯƠNG TÁC BETA

4.1 Sự ion hóa trực tiếp

So sánh với các hạt alpha thì các hạt beta là rất nhỏ Chúng có một điện tích âm và khối lượng hầu như không đáng kể trong thực tế, chúng giống hệt với các điện tử quỹ đạo của chất hấp thụ nguyên tử và chính sự tương tự về điện tích của chúng có thể gây ra sự ion hóa trực tiếp bằng cách đẩy các điện tử quỹ đạo ra khỏi nguyên tử

Các hạt beta ít gây sự ion hóa hơn so với các hạt alpha dọc quãng đường đi của nó

và do vậy nó sẽ dịch chuyển quãng đường xa hơn so với một hạt alpha có cùng năng lượng Vì vậy, một hạt beta có năng lượng 3,5MeV sẽ dịch chuyển xấp xỉ 11m trong không khí và 17mm trong mô (một hạt beta có năng lượng 0,157 MeV được phát ra từ carton-14 chỉ dịch chuyển 300mm trong không khí và 0,8 trong mô)

4.2 Quá trình hãm

Một vài hạt beta, đặt biệt đối với các hạt có năng lượng cao có thể dịch chuyển sát tới hạt nhân tích điện dương của nguyên tử chất hấp thụ Các hạt này sẽ phải chịu một lực hút làm lệch phương chuyển đông của chúng, sự mất năng lượng diễn ra bằng cách phát

ra tia X (bức xạ hãm) Loại bức xạ này gọi là bremsstrahlung, tiếng Đức có nghĩa là “bức

xạ hãm”

Hình 2.1

Sự tạo ra bức xạ hãm như là một sản phẩm của tương tác các hạt beta với vật chất,

nó có ảnh hưởng rất lớn tới an toàn bức xạ Các tia X đó có thể dịch chuyển qua một lượng lớn vật chất Điều này có nghĩa là bức xạ hãm được tạo ra trong suốt thời gian hấp thụ bức xạ beta có thể gây ra nhiều vấn đề an toàn hơn bức xạ beta ban đầu Để hạn chế lượng bức xạ hãm được tạo ra, chúng ta cần hiểu sự tạo ra chúng một cách chi tiết hơn

- Thứ nhất, hạt nhân nặng hơn thì có nhiều hiệu ứng xảy ra hơn so với hạt nhân nhẹ với

sự tạo ra bức xạ hãm Điều này xảy ra vì lực tác dụng lên một hạt beta từ nhân tích điện dương của hạt nhân nặng là lớn hơn nhiều, vì vậy, sự lệch phương chuyển động của hạt beta cũng lớn hơn nhiều

- Thứ hai, trong suốt thời gian tạo ra bức xạ hãm thì toàn bộ động năng của hạt beta có thể bị biến đổi thành bức xạ tia X nhưng thừng chỉ có một phần năng lượng này bị biến đổi Trong thực tế, phần năng lượng beta tới bị biến đổi thành các tia X là tỉ lệ trực tiếp cả với năng lượng cực đại của các hạt beta và nguyên tử số của chất hấp thụ Mối liên quan này thể hiện ở phương trình

F = 3,3 × 10-4 Z Emax (1)

Trong đó

F : là phần năng lượng beta tới biến đổi thành tia X

Z : là nguyên tử số của chất hấp thụ

Emax : là năng lượng cực đại của hạt beta ( đo bằng MeV )

- Từ phương trình này, dễ dàng thấy rằng tương tác với các vật liệu có Z thấp ( như nước, perspex hoặc nhôm ) tạo bức xạ hãm ít hơn, nhưng ngược lại vật liệu có Z lớn ( như chì ) thì tạo ra bức xạ hãm nhiều hơn Một ví dụ của trường hợp này là khi bức xạ beta từ hạt nhân phosphor-32 ( Emax = 1,7MeV) đi qua chì hoặc Perspex Trong trường hợp chì (Z = 82) thì xấp xỉ 5% năng lượng của nó được biến đổi thành tia X Tuy nhiên, nếu chất hấp thụ là Perspex (Z=7) thì năng lượng biến đổi thành tia X nhỏ hơn 0,5%

V TƯƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA VÀ TIA X

Cách thức mà các tia gamma và tia X tương tác với chất mà chúng đi qua khác so với bức xạ Alpha và beta Các hạt alpha và beta có quãng chạy xác định và chúng mất năng lượng liên tục cho đến khi toàn bộ năng lượng của chúng truyền cho chất hấp thụ Nói cách khác các tia gamma và tia X dịch chuyển một khoảng cách dài giữa các tương tác và năng lượng của chúng không thể bị hấp thụ một cách liên tục Có ba quá trình mà các tia gamma và tia X tương tác với vật chất:

o Hiệu ứng quang điện

o Quá trình tán xạ Compton

o Quá trình tạo cặp

Quá trình tạo ra những sự kiện ion hóa đầu tiên trong chất hấp thụ được gọi là sự ion hóa sơ cấp Các điện tử được tạo ra trong quá trình ion hóa sơ cấp tiếp tục gây ion hóa các nguyên tử khác trong chất hấp thụ Quá trình này được gọi là ion hóa thứ cấp Một sự kiện ion hóa sơ cấp đơn lẻ có thể gây ra rất nhiều sự kiện ion hóa thứ cấp và kích thích Các tương tác thứ cấp này sẽ truyền hầu hết năng lượng cho môi trường hấp thụ, và xu hướng xãy ra điều này trong mô của cơ thể sẽ xác định các sai hỏng tiềm tang trong mô của cơ thể

5.1 Hiệu ứng quang điện

Một photon năng lượng đối thấp (nhỏ hơn 1MeV) có thể truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một điện tử liên kết ở lớp vỏ bên trong nguyên tử, làm cho điện tử này bức ra khỏi nguyên tử hấp thụ

Điện tử được bứt ra này được gọi là proto-điện tử (quang điện tử), điện tử này sẽ dịch chuyển trong chất hấp thụ gây ra ion hóa thứ cấp và kích thích

Hình 2.2 Đối với các năng lượng proton phổ biến thì proto-điện tử ban đầu có xác suất lớn nhất nằm ở quỹ đạo điện tử trong cùng hoặc lớp vỏ K Nguyên tử hấp thụ chuyển lên trạng thái kích thích cùng với sự tạo ra một lỗ trống ở lớp vỏ trong của nó Lỗ trống này đuợc lấp đầy bằng cách chiếm một điện tử tụ do từ chất hấp thụ, hoặc bằng cách sắp xếp lại các điện tử từ các lớp vỏ khác của nguyên tử Ở trường hợp sau, các điện tử dịch

chuyển từ lớp vỏ có mức nảng lượng cao hơn để lấp đầy chổ trống, khi chúng thực hiện quá trình này thì đồng thời được giải phóng tạo ra các tia X đặc trưng.Trong một vài

trường hợp, các tia X được tạo ra bởi quá trình trên sẽ tương tác với một điện tử ở lớp vỏ ngoài và làm nó bị bứt ra khỏi nguyên tử Nó có năng lượng thấp và được gọi là điện tử Auger

Hình 2.3 Lưu ý rằng hiệu ứng quang điện thường xảy ra trong các chất có số nguyên tử cao, vì vậy một chất như chì (Z=82) được sử dụng là chất che chắn tốt đối với các proton năng lượng thấp Hiệu ứng quang điện không quan trọng lắm với các chất có số Z thấp như là nhôm

5.2 Tán xạ Compton

Quá trình tán xạ Compton được thực hiện thông qua một va chạm giữa một proton với một điện tử ở lớp vỏ ngoài mà chỉ có một phần năng lượng proton truyền cho nguyên tử hấp thụ Điện tử này được giải phóng khỏi nguyên tử (sự ion hóa sơ cấp) và sẽ tiếp tục dịch chuyển qua chất hấp thụ gây ra sự ion hoá thứ cấp và sự kích thích Proton tán xạ bị giảm năng lượng và có thể tiếp tục tương tác với các nguyên tử hấp thụ khác

Góc mà proton bị tán xạ phụ thuộc vào ban đầu của nó và năng lượng truyền cho điên tử Các proton năng lượng thấp truyền rất ít năng lượng để giải phóng điện tử này và chúng bị tán xạ dưới các góc lớn Tuy nhiên, các proton năng lượng cao (10 đến 100MeV) truyền hầu hết năng lượng của chúng để giải phóng các điện tử và không bị tán

xạ nhiều

Sự tán xạ Compton quan trọng nhất đối với các proton năng lượng nằm trong khoảng 0,2 đến 5,0MeV, và chiếm ưu thế với các chất hấp thụ có giá trị Z cao

Hình 2.4

5.3 Quá trình tạo cặp

Quá trình tạo cặp xảy ra khi một proton với năng lượng lớn hơn 1,02MeV tương tác với điện trường mạnh của hạt nhân nặng của một nguyên tử hấp thụ và tạo ra hai hạt , một điện tử và một positron Giá trị năng lượng 1,02MeV tương đương năng lượng của tổng khối lượng một cặp electron-positron (một điện tử và một positron) và với năng lượng proton bất kì vượt qua giới hạn của giá trị này thì động này thì động năng cung cấp cho điện tử và positron cũng có thể gây ra hạt nhân của nguyên tử bia bị giật lùi Sau đó điện

tử và positron dịch chuyển ra xa nhau và mất động năng do sự ion hóa thứ cấp Positron khi bị mất toàn bộ năng lượng của nó thì sẽ kết hợp với một điện tử của nguyên tử hấp thụ bởi một quá trình được gọi là quá trình hủy cặp Trong quá trình này, hai hạt cùng bị phá hủy và biến đổi thành hai proton, với mỗi mức năng lượng là 0,51MeV Các proton này được phát ra theo các hướng đối nhau Đối với các proton có năng lượng vượt ngưỡng, xác suất mà quá trình tạo cặp xảy ra sẽ tăng theo số nguyên tử của chất hấp thụ Hiệu ứng này cũng sẽ tăng phụ thuộc vào năng lượng proton, tăng chậm khi năng lượng trong

khoảng từ 1,02MeV đến 5MeV và tăng nhanh hơn khi năng lượng lớn hơn 5MeV

Quá trình tạo cặp là quá trình tương tác chủ yếu đối với các proton năng lượng cao trong các chất có số nguyên tử cao

Hình 2.5 Tóm tắt các tương tác của proton Hiệu ứng quang điện Sự tán xạ Compton Quá trình tạo cặp Phần nguyên tử

tham gia tương

Trung gian ( 0,2 đến 5 MeV )

tử

Tạo các tia X đặc trưng

Điện tử ở lớp vỏ ngoài bức khỏi nguyên tử

Photon bị tán xạ đông thời với sự giảm năng lượng

Tạo cặp positron Positron bị hủy cặp

electron-để tạo thành hai photon với mỗi photon có năng lượng 0,51 MeV

Hình 2.6 : Mối liên hệ của 3 loại tương tác photon chủ yếu

VI TƯƠNG TÁC CỦA NEUTRON

Như ta đã biết neutron sinh ra bởi sự phân hạch hay các phản ứng hạt nhân, toàn bộ neutron tự do bắt đầu sự sống là các neutron nhanh, với năng lượng lớn hơn 100 keV, các neutron nhanh sau đó bị làm chậm do va hạm với các hạt nhân nguyên tử chất hấp thụ để tạo thành neutron trung gian ( E = 0,025 đến 100 keV ) và neutron nhiệt ( E nhỏ hơn 0,025keV )

Các neutron tương tác với vật chất thông qua ba phương thức :

Hình 2.7 Như vậy cách thức đạt hiệu quả nhất để neutron truyền năng lượng cho môi trường hấp thụ là cho neutron đập vào bia neutron hay proton có cùng khối lượng Thực tế, tán xạ đàn hồi hầu như xảy ra tương tác giữa neutron nhanh trong mô sinh học và gây nguy hiểm cho cơ thể người

Trong tán xạ không đàn hồi không sự bảo toàn động năng vì một phần năng lượng đã được dùng để tạo ra tia gamma, xác suất

xảy ra tán xạ không đàn hồi phụ thuộc vào

năng lượng của neutron Nó tăng theo

năng lượng của neutron Trong phản ứng

này có tạo ra các tia gamma và các tia

gamma này cần được xem xét đến khi tính

toán bảo vệ các rào chắn neutron

6.3.Chiếm neutron

Do các quá trình tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, các neutron nhanh và trung gian

sẽ được lam chậm đến neutron nhiệt 0,025 eV Hầu hết các neutron nhiệt sẽ bị bắt và trở thành một phần của hạt nhân chất hấp thụ, hạt nhân chất hấp thụ khi bắt neutron sẽ trở thành bị kích thích và sau đó sẽ giải phóng năng lượng dư dưới dạng tia gamma Khả năng bắt neutron của chất hấp thụ phụ thuộc tiết diện bắt neutron ( đo bằng barn ) của chất đó Các chất cadmium, lithium và boron là các chất hấp thụ neutron nhiệt tốt, nhưng cadmium và boron tạo ra nhiều bức xạ gamma Trong thực tế hỗn hợp polyethylene và boron hoặc lithium thường được dùng làm các rào chắn neutron Các nguyên tử hydro trong polyethylene sẽ nhiệt hóa các neutron và sau đó chúng bị bắt bởi các hạt nhân boron hoặc lithium và phát ra hạt alpha, các hạt alpha tạo thành sẽ bị làm yếu nhanh, còn lại là các tia gamma 0,48 MeV và có thể có các tia gamma 2,26 MeV tạo thành khi các hạt nhân hydrogen hấp thụ các neutron này (nhưng xác suất thường rất thấp )

CHƯƠNG III

CÁC HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ

I CƠ THỂ CON NGƯỜI

Cơ thể con người là đối tượng quan trọng nhất khi nghiên cứu các hiệu ứng sinh học của bức xạ Có hai cách chiếu xạ lên cơ thể người, là chiếu xạ ngoài (external

exposure) từ bên ngoài cơ thể và chiếu xạ trong (internal exposure) từ bên trong cơ thể Chiếu xạ ngoài là sự chiếu xạ do nguồn bức xạ từ bên ngoài lên cơ thể Chiếu xạ trong là

sự chiếu xạ do nguồn phóng xạ hở xâm nhập vào trong cơ thể Sự hiểu biết về cơ thể người cho phép trả lời hai vấn đề cơ bản khi cơ thể chịu tác dụng của bức xạ, đó là, thứ nhất, các hiệu ứng sinh học của bức xạ đối với các cơ quan trong cơ thể như thế nào, thứ hai, các chất phóng xạ xâm nhập vào cơ thể , di chuyển trong đó và bị thải ra như thế nào

ở đây ta chỉ nghiên cứu các loại tổn thương do bức xạ gây ra ở mức phân tử, mức tế bào

và mức cơ thể Việc hiểu biết cấu trúc và chức năng các cơ quan trong cơ thể giúp ích trong việc xác định liều bức xạ của các chất phóng xạ trong cơ thể và tính toán được giới hạn an toàn các chất phóng xạ được phép xâm nhập vào cơ thể

Cơ thể con người dựa trên một bộ xương Bao phủ bên ngoài là một lớp da làm nhiệm vụ bảo vệ, trao đổi nhiệt và cân bằng thể dịch Bên trong là những cơ quan chức năng như hô hấp, tiêu hóa, tuần hoàn, tiết niệu, v.v các cơ quan này có nhiệm vụ thu nhận không khí , thức ăn, nước, vận chuyển các chất và thải chất thải ra ngoài Về phương diện an toàn bức xạ, các cơ quan đó cũng là phương tiện nhờ đó các nhân phóng xạ xâm nhập vào cơ thể, vận chuyển bên trong đó và cuối cùng bị thải ra ngoài

II CÁC HIỆU ỨNG BỨC XẠ Ở MỨC PHÂN TỬ

2.1 Tia bức xạ kích thích và ion hóa các nguyên tử và phân tử vật chất

Các bức xạ ion hóa như tia X, tia gamma, các hạt alpha, beta và neutron đều tương tác với vật chất khi đi qua môi trường Các cơ chế tương tác chủ yếu gồm hai hiệu ứng là kích thích và ion hóa nguyên tử vật chất

Đối với tia X và tia gamma quá trình tương tác không gây ra sự ion hóa trực tiếp Trong các hiệu ứng quang điện, các electron bị bức ra sẽ gây ion hóa môi trường, đó là quá trình ion hóa gián tiếp

Sự kích thích và ion hóa nguyên tử hay phân tử nêu trên làm thay đổi tính chất hay sinh học của các phân tử sinh học, hay nói khác đi, làm tổn thương các phân tử sinh học Tổn thương gây ra bởi bức xạ là hệ quả của tổn thương ở nhiều mức độ liên tục diễn ra trong cơ thế sống từ tổn thương phân tử,tế bào, mô đến tổn thương các cơ quan và các hệ thống của cơ thể Hậu quả của các tổn thương này làm phát sinh những triệu chứng lâm sàn, có thể dẫn tời tử vong Tác dụng của bức xạ lên phân tử được phân thành hai loại, là tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp Tác dụng trực tiếp xảy ra khi bức xạ kích thích và ion hóa các phân tử hữu cơ còn tác dụng gián tiếp xảy ra khi bức xạ kích thích hay ion hóa các phân tử nước, sau đó các sản phẩm độc hại của các phân tử nước có tác dụng lên các phân tử hữu cơ

2.2 Tác dụng trực tiếp của bức xạ

Để giải thích cơ chế tác dụng trực tiếp, người ta thường sử dụng lí thuyết bia, trong

đó các phân tử quan trọng nhất trong tế bào được coi là bia mà tia bức xạ bắn phá vào Hiện nay người ta thừa nhận rộng rãi rằng phân tử bia quan trọng nhất trong tế bào động vật có vú là phân tử DNA, nhân tố chính trong quá trình phân chia tế bào và là kho chứa tất các thông tin di truyền Phân tử DNA gồm cặp dây xoắn mà trong mỗi dây có một chuỗi xác định các nucleotide Vì cấu trúc của DNA là dây xoắn kép cho nên khi tia bức

xạ có thể tác dụng vào một hoặc cả hai dây,làm tổn thương chúng Nếu tổn thương bức xạ chỉ xảy ra ở một dây của DNA thì cơ chế sửa chữa trong tế bào có thể sửa chữa và phục hồi phần hỏng của dây đó Có thể có hai khả năng: sự sửa chữa là hoàn thiện, khi đó không thể hiện hiệu ứng tổn thương, và sự sửa chữa là không hoàn thiện hay còn sót lại một khâu không được sửa chữa, khi đó tính chất di truyền trên khâu dây này của DNA bị thay đổi Chẳng hạn một thay đổi base đơn được xem như một sự kiện đột biến Các tổn thương này nhỏ và ở mức dưới chết (sublethal) Nếu bức xạ làm hỏng cả hai dây của DNA thì khả năng sửa chữa các chổ hỏng là rất thấp vì trong phân tử DNA không còn sợi dây bổ sung nào làm khuôn sửa chữa các sợi dây hỏng kia Dạng tổn thương này được

xếp hạn từ mức dưới chết đến mức chết (lethal) phụ thuộc vào vị trí trong chuỗi di truyền chịu tác động

2.3 Tác dụng gián tiếp của bức xạ

Ta biết rằng trong tế bào có khoảng 1,2.107 phân tử nước trên một phân tử DNA

Vì vậy tia bức xạ vào sẽ tương tác với các phân tử nước nhiều hơn các phần tử DNA Dưới tác dụng của bức xạ, phân tử nước bị ion hóa và một electron được giải phóng theo phương trình sau:

H2O  H2O+ + eElectron này sẽ kết hợp với một phân tử nước gần đó để tạo nên phân tử nước mang điện tích âm:

-tử khác Số lượng các gốc tự do phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, lượng oxygen trong tế bào và độ pH Chúng có thể trao hoặc chiếm một electron đối với các phân tử nước khác, làm tổn thương phân tử DNA và các thành phần hữu cơ trong tế bào như các protein và lipid Ngoài ra gốc tự do OH còn tự kết hợp với nhau tạo nên hydrogen peroxide H2O2 :

OH + OH  H2O2Hydrogen peroxide là một tác nhân hydro hóa rất mạnh nên nó có thể làm tổn thương các phân tử hữu cơ mạnh hơn tác dụng trực tiếp của bức xạ

III CÁC HIỆU ỨNG BỨC XẠ Ở MỨC TẾ BÀO

3.1 Cấu tạo tế bào

Tế bào thường có 3 phần chính là màng tế bào, nhân tế bào, và tế bào chất, trừ tế bào hồng cầu không có nhân tế bào Trong 3 thành phần chính của tế bào thì nhân tế bào đóng vai trò quan trọng nhất

Nhân tế bào trong cơ thể người chứa 46 nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể gồm các phân tử DNA và các protein DNA là một chất trùng hợp, tạo nên do sự nối liền của nhiều đơn phân cùng kiểu gọi là nucleotide Phân tử DNA là vật chất mang thông tin di truyền Tính chất này được thể hiện ở các đặc điểm sau:

- DNA chứa và truyền đạt thông tin di truyền

- Có khả năng biến dị di truyền

- Khả năng sửa sai

3.2 Sự phân chia tế bào

Một trong các tính chất quan trọng của tế bào là khả năng phân chia và hình thành các bản sao chính xác của chính mình để tạo nên các tế bào mới Sự phân chia, hay còn gọi là sự phân bào là một giai đoạn trong toàn bộ quá trình tồn tại của tế bào Quá trình phân chia tế bào bảo đảm vừa nhân đôi chính xác bộ máy di truyền vừa phân bố đều vật chất di truyền về các tế bào con

Khi bức xạ chiếu vào tế bào trong bất cứ giai đoạn nào của chu trình tế bào thì tế bào cũng bị tổn thương Tuy nhiên ở giai đoạn phân bào tế bào nhạy cảm nhất, tức là dễ

bị tổn thương nhất, còn ở giai đoạn tổng hợp DNA, nó ít nhạy cảm nhất đối với bức xạ Một trong các tác động của bức xạ là kéo dài chu trình tế bào, tức là làm chậm quá trình phân bào, hay còn gọi là ức chế phân bào

3.3 Sự tổn thương tế bào và việc sửa chữa

Sự tổn thương tế bào bởi bức xạ, chủ yếu do các hiệu ứng trên DNA gồm 3 hiệu ứng chính như sau:

Các tế bào có cơ chế sửa chữa rất hữu hiệu và hồi phục khỏi tổn thương do các tác nhân bên ngoài gây ra, kể cả tác nhân bức xạ Nếu tốc độ tổn thương tế bào khá chậm thì khả năng phục hồi cao Việc chiếu xạ với liều nhận được trong thời gian dài, hàng tháng hay hàng năm, thì khả năng sửa chửa tế bào cao Khi chiếu một liều lớn nhận được trong một vài giờ hay ngắn hơn, thì khả năng sửa chữa thấp hơn Chính vì vậy, khi điều trị bằng bức xạ, liều chiếu cần được phân ra thành một số lần chứ không chiếu một lần để cho các

tế bào khỏe mạnh gần với khối u có thời gian phục hồi, trong lúc các tế bào ung thư có độ nhạy cảm bức xạ cao có khả ăng tổn thương cao hơn và khó phục hồi

3.4 Chết tế bào

Sự chết tế bào chia làm hai loại là chết sinh sản và chết pha trung gian Chết sinh sản khi các tế bào bị chiếu xạ trong giai đoạn phân bào của chu trình tế bào bị chiếu xạ trong giai đoạn phân bào của chu trình tế bào và mất khả năng sinh sản sau một số kỳ phân bào Chết sinh sản xảy ra ở mức liều xạ cỡ vài chục Gy Còn chết pha trung gian khi

tế bào bịa chiếu xạ trong các chu trình khác nhau của tế bào ( từ sau khi tế bào chia đến bắt đầu sao chép vật chất di truyền, thời kỳ tổng hợp DNA, giai đoạn bắt đầu phân bào mới ) và chết ngay sau chiếu xạ mà không qua giai đoạn phân bào Chết pha trung gian đối với tế bào bạch cầu xảy ra với liều xạ thấp, khoảng 0,5 Gy, trong khi đối với các tế bào trưởng thành hay các tế bào không sinh sản như tế bào thần kinh, tế bào cơ chỉ xảy ra

ở liều chiếu cao hơn so với liều gây chết sinh sản Mức độ chết của tế bào phụ thuộc vào liều chiếu, vào độ nhạy cảm bẩm sinh của từng loại tế bào và từng loại môi trường bị chiếu xạ

IV CÁC HIỆU ỨNG BỨC XẠ Ở MỨC CƠ THỂ

Các tế bào tạo nên các mô và các cơ quan hoạt động một cách có hệ thống Nếu tế bào mất khả năng sinh sôi hoặc các chức năng của tế bào bị hạ chế thì các mô và các cơ quan cũng bị thay đổi, gây nên các bệnh, như bệnh đục thủy tinh thể, giảm số lượng bạch cầu, bệnh ban sốt đỏ, v.v Khi đó chức năng chung của cơ thể cũng thay đổi, xuất hiện các triệu chứng như nôn mửa, chảy máu hay co giật Các bệnh ung thư có thể xuất hiện nhiều năm sau đó

4.1 Phân loại các hiệu ứng bức xạ ở mức cơ thể

4.1.1 Các hiệu ứng soma và di truyền

Khi một người bị chiếu xạ, hiệu ứng bức xạ có thể xảy ra với bản thân người đó và cũng có thể xảy ra đối với con cháu họ Loại hiệu ứng thứ nhất gọi là hiệu ứng soma, khi

đó bức xạ tác dụng lên các tế bào soma, với các bệnh thường gặp là bệnh về hệ thống tạo máu, đường ruột, hệ thần kinh, da , sinh duc, các bệnh ung thư, v.v Loại hiệu ứng thứ hai gọi là hiệu ứng di truyền, xảy ra ở các gene truyền lại cho con cháu, các hiệu ứng đó chỉ xuất hiện ở những người có khả năng sinh sản và người bị đột biến trong các tuyến sinh dục do chiếu xạ Hiệu ứng di truyền thể hiện ở các bệnh di truyền vẫn gặp

4.1.2 Các hiệu ứng sớm và muộn

Các hiệu ứng soma được chia thành các hiệu ứng sớm và các hiệu ứng muộn, tùy theo các khoảng thời gian giữa lúc chiếu xạ và lúc thể hiện triệu chứng bệnh Các hiệu ứng sớm xuất hiện trong vài tuần sau khi chiếu xạ Các hiệu ứng muộn xuất hiện hơn vài tháng đến hàng chục năm sau khi chiếu xạ

Các hiệu ứng còn phụ thuộc vào thời gian chiếu bức xạ vào người Chiếu xạ với liều lớn trong một thời gian ngắn được gọi là chiếu xạ cấp,còn chiếu xạ trong một thời gian dài hoặc được chia làm nhiều lần gọi là chiếu xạ trường diễn Các hiệu ứng sớm xuất hiện do sự chiếu xạ cấp, tùy thuộc vào độ lớn của liều xạ, thường là các bệnh về mắt, hệ sinh dục, da, hệ thống sinh máu, đường tiêu hóa, hệ thống thần kinh trung ương, v.v Các hiệu ứng muộn có thể do cả sự chiếu xạ cấp lẫn do sự chiếu xạ trường diễn, thường là bệnh đục thủy tinh thể của mắt, bệnh ung thư và bệnh di truyền

4.1.3 Các hiệu ứng tất nhiên và ngẫu nhiên

Theo độ lớn của liều xạ,các hiệu ứng bức xạ được phân loại thành các hiệu ứng ngẫu nhiên và các hiệu ứng tất nhiên Trong các hiệu ứng tất nhiên tồn tại các liều

ngưỡng, tức là các giá trị liều tối thiểu mà hiệu ứng xảy ra trên đồ thị hiệu ứng-liều

(đường cong A, giá trị ngưỡng tại a) Các hiệu ứng tất nhiên xảy ra nếu cơ thể bị chiếu liều lớn hơn giá trị ngưỡng và hiệu ứng ngày càng nguy hiểm khi liều chiếu càng tăng

Đối với các hiệu ứng ngẫu nhiên thì không tồn tại liều tối thiểu gây ra các hiệu ứng

mà xác suất xuất hiên các hiệu ứng tăng khi liều xạ tăng Ung thư và các hiệu ứng di truyền được liệt vào loại hiệu ứng này Mức độ triệu chứng do các hiệu ứng ngẫu nhiên

không được xác định bởi liều chiếu, nghĩa là không có sự khác nhau về triệu chứng của ung thư và các hiệu ứng di truyền gây bởi liều chiếu lớn hay bé

4.2 Hiệu ứng tất nhiên

Hiệu ứng tất nhiên xảy ra khi các cơ quan hay toàn bộ cơ thể bị chiếu bức xạ với mức liều cao trong khoảng thời gian ngắn Khi đó một số lượng lớn tế bào sẽ bị giết chết, không thể bù trừ bằng các tế bào sống sót

4.2.2 Cơ quan sinh dục

Cơ quan sinh dục khá nhạy cảm với bức xạ Một liều gamma và khoảng 300 mGy (30rad) chiếu vào các tinh hoàn cũng gây cho người đàn ông bị vô sinh tạm thời Đối với phụ nữ, liều xạ cỡ 3 Gy (300rad) chiếu vào buồng trứng cũng gây vô sinh tạm thời Các liều cao hơn sẽ kéo dài thời gian vô sinh tạm thời, chẳng hạn với liều 4,4Gy (440 rad) sẽ không có tinh trùng trong một vài năm Phụ thuộc vào liều chiếu, phụ nữ bị mất kinh nguyệt trong một vài tháng

Mắt cũng khá nhạy cảm với bức xạ Liều gamma vài Gy cũng có thể gây viêm kết mạc và viêm giác mạc

Đục thủy tinh thể do bức xạ là một hiệu ứng tất nhiên và là hiệu ứng muộn Bệnh này xuất hiện khi mắt bị chiếu xạ tới một liều ngưỡng nhất định hay chiếu xạ liều thấp kéo dài Bức xạ có thể làm tổn thương giác mạc, màng kết, tròng mắt và thủy tinh thể mắt Trong trường hợp thủy tinh thể,nơi chính bị tổn thương là các biểu mô ở mặt trước của bầu thủy tinh thể, tạo nên một miền mờ đục ngăn cản của ánh sáng tới võng mạc Sự

mờ đục này gọi là đục thủy tinh thể

4.2.5 Đường ruột

Hiệu ưng đường ruột thường là hiệu ứng cấp Với liều gamma chiếu toàn thân cỡ

10 Gy ( 1000 rad ) hay cao hơn thì xuất hiện hiệu ứng đường ruột, do sự phá hủy các biểu

mô đường ruột cùng với sự phá hủy hoàn toàn tủy sống Các triệu chứng như nôn mửa và

ỉa chảy xảy ra rất sớm sau khi chiếu xạ Bệnh nhân bị chết trong một vài tuần kể cả trường hợp điều trị rất tích cực

4.2.6 Hệ thần kinh trung ương

Với liều gamma toàn thân vượt quá 20 Gy ( 2000 rad ) xảy ra các tổn thương hệ thần kinh trung ương cũng như các hệ thống khác trong cơ thể, đó là hiệu ứng cấp Bệnh nhân bị ngất đi trong một vài phút sau chiếu xạ và có thể chết sau vài giờ đến vài ngày Liều gamma cỡ 1000 Gy ( 100000 rad ) gây hiệu ứng gọi là chết phân tử, dặc trưng bởi triệu chứng co giật và hôn mê, bệnh nhân chết trong vài phút đến vài giờ và không thể cứu chữa được Hiệu ứng này xảy ra trong chiến tranh hay trong các tai nạn phóng xạ lớn, chẳng hạ trong các tai nạn trong các nhà máy chế biến plutonium

4.2.7 Thai nhi

Hiệu ứng và mức độ tổn thương thai nhi phụ thuộc vào các giai đoạn phát triển của thai, gồm các hiệu ứng gây chết, làm dị dạng, chậm phát triển tâm thần và ung thư Ba hiệu ứng đầu thuộc loại hiệu ứng tất nhiên trong quá trình phát triển thai nhi, đặc biệt trong quá trình hình thành các cơ quan của cơ thể Bằng chứng về sự chậm phát triển tâm thần đã được tìm thấy ở một số trẻ em ở Nhật bản khi mẹ chúng bị chiếu xạ thai nhi do bom nguyên tử, đặc biệt trong giai đoạn từ 8 tuần đến 15 tuần sau khi thụ tinh

4.2.8 Giảm tuổi thọ

Giảm tuổi thọ thuộc loại hiệu ứng muộn Liều xạ lớn có thể làm giảm tuổi thọ do làm tăng tốc độ già của cơ thể Hiệu ứng giảm tuổi thọ được tìm thấy đối với các động vật thực nghiệm, tuổi thọ của chúng giảm từ 2,5% đến 5% dưới tác dụng của liều 1Gy Theo dõi tuổi thọ của nhân viên X quang ở Mỹ cho thấy tuổi thọ của họ ngắn hơn người bình thường trung bình 5,2 năm, niếu họ phải nhận liều xạ 200 mR/tuần (2mSv/tuần)

4.3 Các hiệu ứng ngẫu nhiên

4.3.1 Bệnh ung thư

Ung thư là một loại hiệu ứng ngẫu nhiên và hiệu ứng muộn Ung thư thường gặp đối với hệ thống tạo máu, tuyến giáp, xương, da Trong tất cả các trường hợp, quá trình tạo khối u khá dài, vào khoảng từ 5 đến 20 năm sau khi chiếu xạ Ung thư da là loại ung thư đầu tiên có liên quan đến chiếu tia X Các nhân viên X quang trước đây, kể cả các nhà vật lý và các bác sĩ, bị ung thư da với tần suất cao hơn tần suất ung thư do các nguồn gốc ngẫu nhiên khác Đã xác định được khoảng trên 100 trường hợp ung thư da có liên quan đến chiếu xạ quá liều Đối với các bác sĩ nha khoa, bệnh nghề nghiệp của họ cũng là ung thư các ngón tay do họ dùng tay giũ phim chụp X quang răng ở miệng bệnh nhân trong khi chụp răng Các loai bệnh ung thư có thể xuất hiện trong hiệu ứng ngẫu nhiên :

- Ung thư bạch cầu (Leukemia)

- Ung thư xương (Bone cancer)

- Ung thư phổi (Lung cancer)

- Ung thư tuyến giáp (Thyroid cancer)

4.3.2 Hiệu ứng di truyền (genetic effect)

Hiệu ứng di truyền do bức xạ đã được nghiên cứu rất kĩ trên động thực vật, nhưng trên con người thì chưa có số liệu đầy đủ về dịch tễ học.Tuy nhiên từ các kết quả trên thực vật có thể dự đoán nguyên nhân gây ra các hiệu ứng di truyền ở người là sự rối loạn các

cơ chất di truyền

Nếu thông tin di truyền của tế bào soma bị thay đổi thì các tế bào ở các thế hệ sau

sẽ mang cùng một số tính chất di thường nào đó Còn niếu thông tin di truyền trong tế bào sinh dục bị thay đổi và tế bào đó được thụ tinh thì cơ thể mới sẽ mang một khuyết tật di

truyền, hay là một đột biến (mutation) Đột biến đó thường gọi là đột biến điểm vì nó xảy

ra do tổn thương trên một điểm trên một gene Đa số các đột biến điểm trên cơ thể con người điều là đột biến có hại Ngoài đột biến điểm, tổn thương di truyền có thể xuất hiện

do đứt gãy nhiễm sắc thể Trong đa số các đứt gãy này, các mảnh đứt gãy được nối trở lại Tuy nhiên trong một số ít trường hợp, các mảnh đứt gãy không được nối trở lại và một trong các mảnh đó bị mất đi khi tế bào phân chia, khi đó tế bào con không nhận được thông tin di truyền chứa trong mảnh gãy bị mất Một khả năng khác do sự gãy nhiễm sắc thể, đặc biệt niếu như hai hay một số nhiễm sắc thể bị gãy có sự trao đổi các mảnh gãy giữa chúng với nhau và gây ra sự sai lệch nhiễm sắc thể Các tế bào có nhiễm sắc thể bị sai lệch bị suy kém khả năng sinh sản và mang các dị thường khác

4.4 Các quan hệ hiệu ứng – liều đối với liều thấp

Nhu cầu cho hoạt động sống bình thường của con người không cần có sự tác động của bức xạ lên cơ thể Tuy nhiên điều đó không thể có được, do đó phải tìm biện pháp để

cơ thể không bị chiếu xạ liều cao mà chỉ bị chiếu xạ liều càng thấp càng tốt

Về phương diện dịch tễ học, liều cao là liều gây tổn thương khó hồi phục được, hay còn gọi là liều gây chết (lethal dose) Liều thấp là liều gây nên tổn thương có khả năng được hồi phục, hay còn gọi là liều dưới chết (sublethal dose) Mức liều giới hạn giữa liều thấp và liều cao phụ thuộc vào từng mô, từng cơ quan trong cơ thể Ngoài khái niệm liều thấp người ta còn dùng khái niêm suất liều thấp

Về phương diên sinh thái học người ta lấy phông phóng xạ môi trường làm chuẩn

để xác định liều thấp Liều thấp là liều hay suất liều bằng hay cao hơn phông tự nhiên một ít Phông phóng xạ môi trường trên bề mặt trái đất vào khoảng 2mSv/năm, trong đó phông các tia vũ trụ là 0,38mSv/năm; phông từ đất đá là 0,43mSv/năm và phông từ khí radon là 1,2mSv/năm Như vậy trong suốt cuộc đời, một người có thể nhận liều 100mSv, vào cỡ mức liều thấp do UNSCEAR khuyến cáo Ở Hoa Kì, phông phòng xạ môi trường trên bề mặt trái đất khoảng 2,55mSv/năm, trong đó phông tia vũ trụ là o,27 mSv/năm, từ đất là 0,28 mSv/năm và từ khí radon là 2 mSv/năm Do đó liều tổng cộng là 125 mSv/năm

CHƯƠNG IV

KHÁI QUÁT CÁC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG BỨC XẠ VÀ CÁC TIÊU

CHUẨN AN TOÀN BỨC XẠ

I CÁC CƠ CHẾ GHI ĐO BỨC XẠ

Nguyên tắc chung của các đầu dò ghi đo bức xạ là dựa vào cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất Bức xạ khi đi qua môi trường vật chất có thể tương tác với môi

trường vật chất thông qua các quá trình vật lý, hoá học, sinh học Kết quả của quá trình tương tác được sử dụng để ghi đo bức xạ tới

điện cho tụ điện tạo nên một tín hiệu lối ra

Các detector chứa khí gồm có buồng ion hóa, ông đếm tỉ lệ và ông đếm Muller ( G-M )

Geiger-Hoạt động dựa trên sự hình thành các cặp ion trong khí nạp của đầu dò Ba loại đầu

dò này chỉ khác nhau ở các quá trình xảy ra trong đầu dò sau khi các sự kiện ion hoá sơ cấp kết thúc Đầu dò chứa khí có nhiều loại và kích thước khác nhau Nhưng tất cả đều có