Thiết kế và phát triển mô đun phát hiện tia phóng xạ phục vụ công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện

Nhan đề : Thiết kế và phát triển môđun phát hiện tia phóng xạ phục vụ công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện Tác giả : Nguyễn Đức Tuyến Người hướng dẫn: Đào Việt Hùng Từ khoá : Bức xạ ion hóa; An toàn bức xạ Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về ứng dụng của bức xạ ion hóa trong y tế, các nguy cơ mất an toàn bức xạ; cơ sở thực hiện đề tài; thiết kế hệ thống; kết quả và thảo luận.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: TS Đào Việt Hùng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Đức Tuyến

Đề tài luận văn: Thiết kế và phát triển mô-đun phát hiện tia phóng xạ phục

vụ công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện

Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh

Mã số SV: CB180190

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25 tháng 7 năm 2020 với các nội dung sau:

1 Chỉnh sửa lại bố cục của luận văn

2 Chỉnh sửa lại các lỗi chế bản và hình vẽ mờ

Ngày … tháng … năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÔ-ĐUN PHÁT HIỆN

TIA PHÓNG XẠ PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIÁM SÁT AN TOÀN BỨC XẠ

TRONG BỆNH VIỆN

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã được Quý thầy cô trang bị cho tôi những kiến thức chuyên sâu, giúp tôi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời biết ơn đến tất cả Quý thầy

cô đã tận tình giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới TS Đào Việt Hùng – giảng viên Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y Sinh, là người thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và định hướng cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Trong quá trình nghiên cứu hoàn thành Luận văn, tôi đã nhận được sự động viên, chia sẻ, giúp đỡ của gia đình, anh em, bạn bè, đồng nghiệp, những người thân Tôi xin phép được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

Xin trân trọng cảm ơn!

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Để đáp ứng nhu cầu an toàn bức xạ ngày càng được chú trọng trong y tế, hệ thống phát hiện bức xạ đã được thiết kế để đảm bảo việc phát hiện và ra cảnh báo

có nguồn phóng xạ đã tạo ra suất liều trong không khí trong khoảng cách năm mét

mà không ảnh hưởng đến hoạt động của bệnh viện Hệ thống được đặt trong trạng thái hoạt động và đảm bảo hoạt động liên tục trong thời gian dài có hệ thống cảnh báo tại chỗ bằng màn hình, đèn, còi và có phần mềm kết nối điều khiển toàn bộ phần mềm hệ thống Các giải phải thiết kế chính là phát triển các mô-đun và triển khai chạy thử, đo đạc các tham số và đánh giá hiệu năng của hệ thống

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Ứng dụng của bức xạ ion hóa trong y tế 4

1.2 Thực trạng công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện 4

1.2.1 Các nguyên tắc bảo vệ an toàn trong bệnh viện 4

1.2.2 Kiểm soát và chôn cất các chất thải phóng xạ 6

1.2.3 Một số thiết bị để đo bức xạ trong bệnh viện 7

1.3 Các nguy cơ mất an toàn bức xạ 8

1.3.1 Sơ lược về bức xạ trong các cơ sở y tế 8

1.3.2 Khảo sát các hệ thống giám sát phóng xạ hiện có 10

1.3.3 Những vấn đề còn tồn tại 14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 15

2.1 Lý thuyết cơ bản về phóng xạ 15

2.2 Các công nghệ ghi đo phóng xạ 15

2.2.1 Công nghệ sử dụng ống đếm Geiger – Muller 15

2.2.2 Công nghệ sử dụng đầu dò 17

2.3 Lý thuyết về ống đếm Geiger – Muller 19

2.3.1 Khái niệm 19

2.3.2 Phân loại 20

2.3.3 Nguyên lý hoạt động 21

2.4 Ghi đo phóng xạ bằng ống đếm GM 23

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 24

3.1 Kiến trúc tổng quát của hệ thống 24

3.2 Sơ đồ khối phần đầu đo 24

3.3 Sơ đồ khối phần mạch xử lý 25

3.4 Sơ đồ khối thuật toán tính toán 26

3.5 Sơ đồ khối hệ thống 28

3.6 Khối nguồn 28

3.6.1 Khối nguồn cao áp 28

3.6.2 Khối nguồn nuôi mạch xử lý 29

3.7 Khối mạch tiền khuếch đại, khuếch đại và xử lý tín hiệu 29

3.8 Khối mạch đếm xung 30

3.9 Mạch truyền thông 32

3.10 Phân tích và lựa chọn công cụ lập trình 34

3.10.1 Nhiệm vụ của phần mềm điều khiển 34

3.10.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình và môi trường phát triển 35

3.11 Thiết kế lưu đồ thuật toán 35

3.11.1 Thuật toán điều khiển giao tiếp với đầu dò phóng xạ 35

3.11.2 Thuật toán điều khiển giao tiếp với mạch thu nhận LoRa 37

3.11.3 Thuật toán điều khiển giao tiếp với mạch nguồn 38

3.11.4 Thuật toán điều khiển với màn hình cảm ứng 40

3.12 Xây dựng phần mềm điều khiển mạch trung tâm 44

3.12.1 Hàm bkRDMBlockReady (callback) 44

3.12.2 Hàm bkRDMCloseUnit 45

3.12.3 Hàm bkRDMGetValues 45

3.12.4 Hàm bkRDMOpenUnit 46

3.12.5 Hàm bkRDMRunBlock 47

3.12.6 Hàm bkLoRaRunStreaming 48

3.12.7 Triển khai các mô-đun phần mềm cho trình điều khiển 48

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 55

4.1 Kết quả 55

4.1.1 Sản phẩm thiết kế 55

4.1.2 Chạy thử mạch điện 56

4.2 Kết luận và kiến nghị 58

4.2.1 Kết luận chung 58

4.2.2 Hướng phát triển của đề tài 58

4.2.3 Kiến nghị và đề xuất 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.0.1 Cổng kiểm xạ RPD [30] 11

Hình 1.0.2 Các phép đo bằng X quang di động [30] 11

Hình 1.0.3 áy dò bức xạ cá nhân [31] 12

Hình 1.0.4 áy quang phổ cầm tay SYCLONE [31] 13

Hình 1.0.5 áy dò bức xạ ba lô [31] 13

Hình 2.1 Sơ đồ ghép nối ống đếm GM 16

Hình 2.2 Ống nhân quang điện 17

Hình 2.3 Nguyên l hoạt động của PIN photodiode 18

Hình 2.4 Nguyên l hoạt động của APD photodiode 18

Hình 2.5 Ống đếm Geiger-Muller 19

Hình 2.6 Nguyên l hoạt động của ống GM 21

Hình 2.7 Ảnh hưởng của điện áp hoạt động tới ống GM 22

Hình 3.1 Sơ đồ hối iến trúc của thiết bị phát hiện phóng xạ 24

Hình 3.2 Cấu taọ phần đầu đo sử dụng ống đếm GM 25

Hình 3.3 Sơ đồ khối cách cấp nguồn và lấy tín hiệu ra 25

Hình 3.4 Sơ đồ khối thiết bị quan trắc liên tục bức xạ gamma 26

Hình 3.5 Thuật toán đếm xung 27

Hình 3.6 Sơ đồ khối của module đo suất liều gamma bằng detector GM 28

Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế mạch cao áp cho detector GM 28

Hình 3.8 Sơ đồ thiết kế khối nguồn 29

Hình 3.9 Sơ đồ thiết kế mạch tiền khuếch đại và xử lý tín hiệu 30

Hình 3.10 Vi điều khiển ATmega128 31

Hình 3.11 Sơ đồ khối ghi nhận tín hiệu phóng xạ và điều khiển quá trình đo 32

Hình 3.12 ưu đồ thuật toán điều khiển hoạt động đầu đo suất liều gamma 33

Hình 3.13 Sơ đồ thiết kế khối truyền tín hiệu từ đầu đo về khối xử lý trung tâm 33 Hình 3.14 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện phóng xạ 34

Hình 3.15 Sơ đồ chức năng phần mềm của thiết bị phát hiện phóng xạ 35

Hình 3.16 Thuật toán phần mềm thu nhận dữ liệu từ đầu dò phóng xạ 37

Hình 3.17 Thuật toán phần mềm giao tiếp mô-đun oRa 38

Hình 3.18 Thuật toán phần mềm giao tiếp mạch nguồn pin 39

Hình 3.19 ưu đồ thuật toán mô-đun điều khiển màn hình cảm ứng 41

Hình 3.20 ưu đồ thuật toán mô-đun điều khiển màn cảm ứng 43

Hình 3.21 ưu đồ thuật toán mô-đun điều khiển ánh sáng đèn nền 44

Hình 4.1 ô-đun hoàn chỉnh 55

Hình 4.2 Bên trong mô-đun, phía lắp detector GM và mạch xử lý 55

Hình 4.3 Bên trong mô-đun, phía lắp mạch tạo cao áp 56Hình 4.4 ắp đặt sản phẩm 56Hình 4.5 Sản phẩm trong quá trình thử nghiệm 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Đặc điểm của hàm bkRDMBlockReady (callback) 45

Bảng 3.2 Đặc điểm của hàm bkRDMCloseUnit 45

Bảng 3.3 Đặc điểm của hàm bkRDMGetValues 46

Bảng 3.4 Đặc điểm của hàm bkRDMOpenUnit 46

Bảng 3.5 Đặc điểm của hàm bkRDMRunBlock 47

Bảng 3.6 Đặc điểm của hàm bkLoRaRunStreaming 48

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đối tương tự - số AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hoá AES

API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

DMA Direct Memory Access Truy cập bộ nhớ trực tiếp

FDMA Frequency Division Multiple

IC Intergrated Circuit Vi mạch tích hợp

LPWAN Low-Powered Wide Area Network Mạng diện rộng công suất

thấp

IDE Intergrated Development

IMEI International Mobile Equipment

Identity

Số nhận dạng thiết bị di động toàn cầu

MCU Microcontroller Unit Vi điều khiển trung tâm

NVIC Nested Vectored Interrupt

RDS Radiation Dose Sensor Cảm biến đo liều phóng xạ

UART Universal Asynchronous Receiver /

Transmitter

Chuẩn giao tiếp truyền nhận

dữ liệu hông đồng bộ PWM Pulse-Width Modulation Điều chế độ rộng xung

GPIO General-Purpose Input/Output Cổng vào/ra vạn năng

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Thời gian qua, các ứng dụng bức xạ đã được áp dụng rộng rãi tại các cơ sở y

tế để chẩn đoán và điều trị bệnh, tạo nên ba chuyên ngành là chẩn đoán hình ảnh,

y học hạt nhân và xạ trị ung thư Đến năm 2020, 80% tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương có cơ sở y học hạt nhân và cơ sở ung bướu có thiết bị xạ trị Toàn quốc đạt tỷ lệ ít nhất một thiết bị xạ trị và một thiết bị xạ hình trên một triệu dân

Số liệu thống kê của Bộ Khoa học và Công nghệ (KH và CN) cho thấy, đến hết năm 2017, ngành y tế có hơn 1400 cơ sở tiến hành công việc bức xạ, chiếm khoảng 54% tổng số cơ sở sử dụng bức xạ của tất cả các ngành trong cả nước Đây là một tỉ lệ khá cao nên việc ứng dụng bức xạ và kiểm soát an toàn bức xạ tại các cơ sở y tế cần được chú trọng đúng mức

Để ứng dụng đồng vị phóng xạ có hiệu quả trong chẩn đoán và điều trị, vấn

đề cần được quan tâm đúng mức đó là an toàn bức xạ Các chất thải phóng xạ của bệnh viện hầu hết được lưu trữ tại khu vực kiểm soát, loại thải chất phóng

xạ theo đúng quy định Các chất thải phóng xạ rắn, lỏng, hí được thải vào môi trường sau hi đã iểm tra đạt được các giới hạn cho phép theo quy định Đối với các vật liệu rắn bị nhiễm bẩn phóng xạ như ống tiêm, thủy tinh vỡ đều được các bệnh viện đựng trong bao bì riêng biệt và được đặt trong thùng kim loại Các

bể chứa thải tại các bệnh viện được xây dựng ở nơi riêng biệt, được che chắn và bảo vệ để chờ phân rã phóng xạ đến mức nhỏ hơn quy định, trước khi thải ra như rác thường Các cơ sở y học hạt nhân và xạ trị được trang bị cơ bản đủ các thiết bị bảo đảm an toàn theo quy định tại Thông tư liên tịch số 13/2014/TTLT-BKHCN-BYT như: máy đo nhiễm bẩn, máy đo suất liều, các trang thiết bị ứng phó sự cố, v.v

Tuy vậy, thực tế kiểm tra tại một số địa phương có sử dụng nhiều thiết bị quang chẩn đoán trong y tế cho thấy, vẫn còn một số đơn vị chưa thực hiện đầy

X-đủ các quy định về an toàn bức xạ Một số cơ sở sử dụng thiết bị X-quang chẩn đoán trong y tế không có giấy phép tiến hành công việc bức xạ, không tổ chức đánh giá liều chiếu xạ cá nhân cho nhân viên bức xạ ít nhất ba tháng một lần tại

cơ sở có chức năng [1]

Trước những bất cập hiện nay, ngoài việc cần tiếp tục tăng cường công tác thanh tra, kiểm tra đối với cơ sở chưa thực hiện tốt công tác quản lý, bảo đảm an toàn thiết bị bức xạ; đẩy mạnh tuyên truyền cho cán bộ phụ trách an toàn bức xạ thì việc xây dựng hệ thống báo động về bức xạ đặt tại bệnh viện và các cơ sở khám chữa bệnh là vô cùng bức thiết để kịp thời ngăn chặn ảnh hưởng của ô nhiễm bức xạ trong không gian bệnh viện

Mục đích, đối tượng, và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chung: Thiết kế và phát triển mô-đun phát hiện tia phóng xạ phục vụ công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện

Mục tiêu cụ thể:

 Khảo sát các hiện trạng an toàn bức xạ tại các bệnh viện và cơ sở khám chữa bệnh; đánh giá hiện trang công tác phát hiện và giám sát nguồn phóng xạ ngoài kiểm soát; đề xuất mô hình hệ thống và phương án cài đặt thiết bị phù hợp ít gây ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của các cơ sở

 Lựa chọn được phương án và mô hình tổng quan cho hệ đo phóng xạ Từ

đó, nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô-đun phát hiện tia phóng xạ phục vụ công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện Thiết bị không chỉ có chức năng cảnh báo tại chỗ mà còn hỗ trợ các chức năng hoặc cán bộ phụ trách an toàn bức xạ trong việc giám sát từ xa và thời gian thực

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Dựa trên kết quả phân tích đánh giá các công nghệ phát hiện phóng xạ hiện có trên thế giới và phân tích đánh giá năng lực của bản thân, kết hợp với kết quả khảo sát thực tế, kiến trúc và chức năng thiết bị kiểm tra phóng xạ và phát hiện phóng xạ ngoài kiểm soát đã được đề xuất phù hợp với các điều kiện thực tế Thiết bị kiểm tra phóng xạ cố định luôn được đặt trong trạng thái hoạt động,

nó phát hiện và ra cảnh báo có nguồn phóng xạ đã tạo ra suất liều trong không khí hoặc số đếm vượt qua ngưỡng bức xạ nền Các thành phần của hệ thống cần thỏa mãn các yếu tố sau:

 Thiết bị kiểm tra phóng xạ cố định được lắp đặt tại bệnh viện phù hợp với từng vị trí

 Sử dụng hệ thống ống đếm G có độ nhạy cao nhằm phát hiện nguồn phóng xạ trong vòng bán ính năm mét

 Các ống đếm GM phải đảm bảo hoạt động liên tục trong thời gian dài, từ một đến vài năm

 Có hệ thống cảnh bảo tại chỗ bằng màn hình, đèn và còi

 Có hệ thống phần mềm chuyên dụng cho các thiết bị kiểm tra phóng xạ; kết nối và điều khiển toàn bộ hệ thống; giám sát, cảnh báo và quy trình nghiệp vụ xử lý tình huống

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp l luận: Sử dụng các phương pháp bù sai số, hồi quy tuyến tính để giảm sai số của hệ thống do các yếu tố môi trường bên ngoài và nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, công nghệ có liên quan đến đề tài

 Phương pháp thực nghiệm: Đề xuất giải pháp thiết kế cho hệ thống, phát triển các mô-đun và triển khai chạy thử, đo đạc các tham số chất lượng dịch vụ và đánh giá hiệu năng của hệ thống

 Phát hiện hệ thống theo mô hình thác nước (waterfall), đi từ nghiên cứu chỉ tiêu kỹ thuật

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Ứng dụng của bức xạ ion hóa trong y tế

Bức xạ ion hoá là một công cụ mạnh được ứng dụng nhiều trong y tế, các loại bức xạ này (hạt α, β và tia γ) vừa là phương tiện trợ giúp chẩn đoán (phổ biến nhất là chụp X - quang chẩn đoán), vừa là phương tiện để điều trị bệnh (đặc biệt

là ung thư) Các hối u ung thư là các nhóm tế bào phân chia nhanh đến mức không thể kiểm soát được và chúng đặc biệt nhạy cảm với phóng xạ nên một số lượng tương đối lớn các bệnh có thể điều trị bằng bức xạ Phương pháp điều trị thông thường nhất là bằng tia X, nhưng các tia từ các nguồn phóng xạ ín như

Ra, 60

Co, 137

Cs, cũng thường được sử dụng Các nguồn phóng xạ ín tương đối nhỏ còn có thể được cấy bằng phẫu thuật vào vùng cần điều trị trong cơ thể Các nguồn phóng xạ ín như 90

/

Sr Yđược dùng để chiếu xạ da hoặc mắt Các thiết bị như máy gia tốc Cyclotron, máy gia tốc Van de Graaff và máy gia tốc tuyến tính ( INAC) cũng được sử dụng để tạo ra các chùm tia điện tử hoặc neutron phục vụ cho công tác khảo cứu hoặc chữa trị

Các nguồn phóng xạ hở cũng được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh Việc truyền một dung dịch phóng xạ vào cơ thể qua miệng hoặc qua mạch máu

sẽ dẫn đến sự tích tụ các lượng hoạt độ phóng xạ vào các bộ phận khác nhau của

cơ thể Tuỳ theo đồng vị phóng xạ cụ thể được sử dụng và dạng chất đưa vào cơ thể mà hoạt độ phóng xạ đó có thể phân bố há đồng đều trong cơ thể hoặc tập trung trong một số cơ quan nhất định Trong các ứng dụng điều trị, mục tiêu là phát một liều định trước vào một cơ quan xác định đồng thời phải giảm đến mức thấp nhất liều gây ra trên phần còn lại của cơ thể Các phép chẩn đoán theo dõi hành vi của các nhân đồng vị phóng xạ đã dưa vào cơ thể bằng cách đo hoạt độ phóng xạ bị bài tiết hoặc đo bức xạ bằng các đầu dò đặt bên ngoài cơ thể Ví dụ,

có thể kiểm tra chức năng của tuyến giáp bằng cách cho bệnh nhân uống dung dịch 131

I và đo tốc độ hấp thụ Iode vào tuyến giáp

1.2 Thực trạng công tác giám sát an toàn bức xạ trong bệnh viện

1.2.1 Các nguyên tắc bảo vệ an toàn trong bệnh viện

Các nguyên tắc bảo vệ an toàn bức xạ cơ bản trong Y tế bao gồm:

 Việc hám và điều trị bệnh bằng bức xạ chỉ được tiến hành hi chúng đem lại lợi ích lớn hơn các phương pháp khác

 Tại mọi nơi có thể, việc hám và điều trị bằng bức xạ phải được tiến hành trong các khoa bức xạ hoặc trong các buồng bệnh đặc biệt

 Liều cho bệnh nhân phải được giảm đến mức thấp nhất có thể bằng cách

áp dụng những kỹ thuật tốt nhất hiện có và phải thực hiện các biện pháp

để giảm đến mức thấp nhất của liều tại các mô lành trên cơ thể bệnh nhân

 Cần áp dụng các biện pháp để giảm liều trên cơ quan sinh dục, ví dụ trong trường hợp sử dụng các tia X, phải hạn chế ích thước trường chiếu và sử dụng các tấm che chắn

 Phải đặc biệt xem xét cẩn trọng trước khi chỉ định chiếu xạ cho phụ nữ có mang và trẻ em

 Mọi phương pháp chẩn trị sử dụng bức xạ phải được tiến hành theo cách

để giảm đến mức thấp nhất liều bức xạ trên những người khác

Việc tổ chức và chịu trách nhiệm bảo vệ an toàn bức xạ trong các cơ sở y tế thay đổi theo mỗi quốc gia Tại Việt Nam, mọi ứng dụng bức xạ trong y tế phải tuân theo các quy định của Pháp lệnh Bảo vệ an toàn bức xạ, ban hành năm 1996 Trách nhiệm cao nhất về bảo đảm an toàn bức xạ trong một bệnh viện thuộc về Ban lãnh đạo bệnh viện Thẩm quyền của Ban lãnh đạo được thực hiện thông qua một Uỷ ban an toàn bức xạ và cán bộ phụ trách an toàn bức xạ của bệnh viện

 Bảo vệ an toàn đối với các nguồn bức xạ kín,

 Bảo vệ an toàn đối với các chất phóng xạ hở

Về cơ bản, sự khác biệt giữa các nguồn kín và các nguồn hở là không có vấn

đề nhiễm bẩn phóng xạ đối với các nguồn kín (trừ khi xảy ra tai nạn)

1.2.1.1 Bảo vệ an toàn đối với các nguồn bức xạ kín

 An toàn bức xạ trong Xquang chẩn đoán, chụp cắt lớp vi tính (CT- scanning)

Liều trên các bác sỹ hay người chụp X-quang được giảm đến mức thấp nhất bằng cách thiết kế phòng chụp tốt và đảm bảo an toàn, thiết bị này thường đặt trong một buồng được che chắn và chỉ trong những hoàn cảnh đặc biệt, bác sỹ mới phải vào phòng trong khi quét chụp

 An toàn bức xạ trong xạ trị

Trừ một vài kỹ thuật xạ trị bằng tia X năng lượng thấp (100 kVp), mọi công việc xạ trị phải được tiến hành trong một phòng có che chắn và lắp các khoá liên động có tác dụng đóng nguồn tia nếu cửa phòng mở ra Phòng xạ trị còn cần có một cửa sổ được che chắn để quan sát bệnh nhân và các phương tiện liên lạc với bệnh nhân trong hi đang điều trị Kỹ thuật xạ trị còn phải tuân theo các quy định đặc biệt để tránh tai nạn chiếu xạ quá liều cho bệnh nhân, bao gồm việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình vận hành đã được phê chuẩn, thiết đặt tự động thời gian chiếu, và thường xuyên căn chuẩn thiết bị

Một kỹ thuật xạ trị có hiệu quả khác, gọi là kỹ thuật xạ trị áp sát, sử dụng các nguồn phóng xạ kín và nhỏ áp trực tiếp trên bề mặt cơ thể, hoặc đặt trong các hốc, hoặc cấy bằng phẫu thuật vào cơ thể tuỳ theo từng vị trí của mô bị bệnh Những

loại nguồn thông dụng nhất là Irvà Cs Nhân viên sử dụng các nguồn này được bảo vệ bằng cách dùng các kẹp và công cụ thích hợp, nhạy bén áp dụng các nguyên tắc bảo vệ an toàn bằng yếu tố thời gian, khoảng cách và che chắn Các nguồn phải được thường xuyên kiểm tra xem có bị dò hay hông và cơ sở phải có các bản hướng dẫn trong tình trạng khẩn cấp, liệt ê các hành động cụ thể cần thực hiện khi nguồn bị mất hoặc bị phá huỷ

Một bệnh nhân đang mang nguồn xạ trị áp sát có thể gây nguy hiểm chiếu xạ cho những người hác nên có thông báo lưu gắn vào giường người bệnh và đặt

ký hiệu chỉ phóng xạ thích hợp Các bệnh nhân này được sắp xếp vào một phòng nhỏ và các giường bệnh xa nhau Người giám sát về an toàn bức xạ, sau khi kiểm

xạ bệnh nhân, sẽ hướng dẫn các y tá về mọi quy định hạn chế thời gian chăm sóc bệnh nhân Trong một số trường hợp, bệnh nhân mang nguồn có thể được phép xuất viện Tuy nhiên, quyết định được đưa ra cho từng trường hợp cụ thể trên cơ

sở xem xét loại đồng vị phóng xạ được sử dụng, chu kỳ bán rã, suất liều và mức nguy hại chiếu xạ có thể gây ra cho những người khác

1.2.1.2 Bảo vệ an toàn đối với các nguồn phóng xạ hở

Các phòng thí nghiệm nơi chuẩn bị và cấp phát các nguồn phóng xạ hở để sử dụng trong y tế là các phòng thí nghiệm hoá phóng xạ truyền thống và được áp dụng các phương pháp bảo vệ an toàn bằng cách giảm tối đa các lượng chất phóng xạ cần xử lý và sử dụng các trang thiết bị tốt Các tủ hút là một trang bị cơ bản nhất ngay cả khi chỉ sử dụng những lượng hoạt độ khá thấp Đối với các công việc xử l các lượng hoạt độ lớn, càn phải sử dụng các tủ găng Các bàn ghế, tủ hút, và tủ găng cần phải có có kết cấu thích hợp để đỡ được tấm che chắn tạm thời hoặc thường xuyên khi phải pha chế một lượng lớn của các chất phát Cần phải tách riêng những việc ở mức hoạt độ thấp nhỏ với các việc ở mức hoạt

độ cao vào các phòng thí nghiệm khác nhau, vì các xét nghiệm chẩn đoán mức thấp có thể bị hỏng do xảy ra sự nhiễm bẩn chéo từ các thiết bị có hoạt độ cao dùng để xạ trị

1.2.2 Kiểm soát và chôn cất các chất thải phóng xạ

Một bệnh viện lớn thường có nhiều nguồn phóng xạ, cả nguồn kín và nguồn

hở, vì vậy cần phải có một khu vực kho chứa nguồn đặc biệt đặt ở nơi rất khó có thể xảy ra hoả hoạn hoặc lụt lội Việc lưu giữ đầy đủ và chính xác các hồ sơ về vị trí của từng nguồn và thường xuyên kiểm kê các nguồn là có vai trò rất quan trọng Cần tiến hành kiểm tra sự rò rỉ của tất cả các nguồn kín ít nhất mỗi năm một lần và bất kỳ một nguồn nào bị rò đều phải ngừng sử dụng ngay lập tức Các nguồn không nằm trong kho chứa nguồn chính thì phải được cất giữ và vận chuyển chỉ trong các container Các container này có cấu trúc tạo thành một lớp che chắn và bao ín đủ tốt để chất phóng xạ không bị thoát ra ngoài trong trường hợp bị hư hại Các container phải được đánh dấu rõ ràng bằng ký hiệu phóng xạ

chuẩn Phải có bản hướng dẫn nêu chi tiết các hành động cần thực hiện trong trường hợp nguồn bị mất hoặc bị vỡ Theo quy định của các văn bản pháp quy, các bệnh viện thường phải đăng việc sử dụng các chất phóng xạ bức xạ và xin cấp phép để thu và thải các chất thải phóng xạ Chính sách chung về việc thải chất thải phóng xạ của bệnh viện là sử dụng các phương thức thải truyền thống tại địa phương Các chất thải rắn chứa các chế phẩm sinh học (gọi là các chất thải buồng bệnh) thường được thu gom vào các túi nhựa có màu vàng và đem đi đốt ở nhiệt độ cao Tro đốt các chất thải đó sẽ được chôn cất cùng với các chất thải rắn mức thấp khác tại các bãi rác thải của địa phương Các chất thải lỏng mức thấp như nước rửa từ các phòng thí nghiệm hoặc các chất bài tiết của bệnh nhân thường được thải vào hệ thống cống bình thường Vì hầu hết các chất phóng xạ

hở dùng trong y tế có thời gian sống ngắn, nên thực tế chỉ cần lưu giữ các chất thải mức cao một thời gian cho đến hi chúng phân rã đến một mức chấp nhận được thì thải vào hệ thống cống bình thường Chất thải mức cao (bao gồm trạng thái rắn và lỏng) có chu kỳ bán rã dài, cần được thu gom và gửi đến bãi chôn cất chất thải quốc gia theo sự thoả thuận trước và cần phải lập, lưu giữ hồ sơ trong quá trình thu và thải chất thải Thực tế không phải lúc nào cũng đo được hoạt độ

và thành phần của mọi chất thải, nhưng cũng có thể ước lượng chúng dựa trên sự hiểu biết về các lượng đồng vị phóng xạ đang được sử dụng

1.2.3 Một số thiết bị để đo bức xạ trong bệnh viện

Như đã nêu ở trên rằng một lượng chất phóng xạ nhỏ, dù không gây nguy hiểm khi chiếu xạ ngoài, vẫn có thể rất nguy hiểm khi chiếu xạ trong cơ thể Điều này có nghĩa là liều gây bởi một lượng bẩn xạ đủ để gây nguy hiểm do chiếu xạ trong thường thấp hơn nhiều mức liều gây nguy hiểm do chiếu xạ ngoài Để đạt được yêu cầu về độ nhạy cao, các thiết bị đo thường dùng các detector tự có hệ thống khuếch đại (ví dụ, các ống đếm nhấp nháy và ống Geiger - uller) ượng bẩn xạ được chỉ thị dưới dạng suất đếm (số đếm trong một giây hoặc trong một phút), và thiết bị đo phải được hiệu chuẩn thích hợp trước khi tính toán mức độ nhiễm bẩn (ví dụ, )

Các máy đo nhiễm bẩn thường sử dụng một ống đếm Geiger - Muller (GM) đặt trong một đầu đo hoặc hộp có giá đỡ thích hợp Đầu đo có một cửa kéo và được mở ra hi đo Nếu nghi ngờ có nhiễm bẩn năng lượng thấp thì phải sử dụng ống GM có cửa sổ mỏng, ngoài ra, một loại detector đo khác sử dụng photpho dẻo Những chất này được dùng cùng với màn ZnS để tạo thành một đầu

đo ép cho phép kiểm tra đồng thời cả và Một ống nhân quang điện đơn được dùng cùng với một mạch điện để phân biệt các xung của bức xạ với xung

của Các đầu đo cũng cho tín hiệu hưởng ứng đối với bức xạ Điều này làm

cho việc đo nhiễm bẩn trực tiếp trở nên hó hăn trong những vùng có phông

bức xạ cao Trong hoàn cảnh đó, các phương pháp đo gián tiếp phải được sử dụng

Có thể nhận thấy rằng, điều quan trọng trong đảm bảo an toàn bức xạ trong bệnh viên là cập nhật kiến thức về sự nguy hiểm của bức xạ và nâng cao ý thức phòng tránh ảnh hưởng của phóng xạ đối với các nhân viên y tế cũng như bệnh nhân Các nhân viên có thể bị chiếu xạ trong quá trình làm việc cần được hướng dẫn đúng đắn về bản chất của các mối nguy hại do chiếu xạ và các biện pháp đề phòng cần thực hiện Điều này kết hợp với các thiết bị phát hiện và đo lường phóng xạ trong y tế sẽ đảm bảo được nguy cơ phơi nhiễm phóng xạ ở mức tối thiểu tại các bệnh viện

1.3 Các nguy cơ mất an toàn bức xạ

1.3.1 Sơ lƣợc về bức xạ trong các cơ sở y tế

1.3.1.1 Số lượng nguồn phóng xạ trong y tế

Thời gian qua, các ứng dụng bức xạ đã được áp dụng rộng rãi tại các cơ sở y

tế để chẩn đoán, điều trị bệnh, tạo nên ba chuyên ngành là chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân và xạ trị ung thư Thực hiện Quy hoạch chi tiết phát triển, ứng dụng bức xạ trong y tế đến năm 2020 tại Quyết định số 1958/QĐ-TTg ngày 4-11-2011 của Thủ tướng Chính phủ, nước ta đang và sẽ xây dựng năm trung tâm xạ trị - y học hạt nhân trọng điểm trên cả nước, bao gồm: Trung tâm Xạ trị T.Ư tại Bệnh viện K, Trung tâm Y học hạt nhân và xạ trị tại Bệnh viện T.Ư quân đội 108 và các trung tâm tại các bệnh viện: Ung bướu TP Hồ Chí inh, Ung bướu Đà Nẵng,

đa hoa Kiên Giang ục tiêu đến năm 2020, 80% tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương có cơ sở y học hạt nhân và cơ sở ung bướu có thiết bị xạ trị Toàn quốc đạt tỷ lệ ít nhất 1 thiết bị xạ trị và 1 thiết bị xạ hình trên 1 triệu dân Số liệu thống ê của Bộ Khoa học và Công nghệ (KH và CN) cho thấy, đến hết năm

2017, ngành y tế có hơn 1.400 cơ sở tiến hành công việc bức xạ, chiếm hoảng 54% tổng số cơ sở sử dụng bức xạ của tất cả các ngành trong cả nước

Theo Cục An toàn bức xạ và hạt nhân (Bộ KH và CN), số lượng nguồn bức

xạ, thiết bị bức xạ ứng dụng trong y tế rất lớn, nhưng đến nay chưa xảy ra sự cố gây ảnh hưởng xấu tới sức hỏe cộng đồng, an toàn và an ninh xã hội Các chất thải phóng xạ của bệnh viện hầu hết được lưu trữ tại hu vực iểm soát, loại thải chất phóng xạ theo đúng quy định Các chất thải phóng xạ rắn, lỏng, hí được thải vào môi trường sau hi đã iểm tra đạt được các giới hạn cho phép theo quy định Đối với các vật liệu rắn bị nhiễm bẩn phóng xạ như ống tiêm, thủy tinh vỡ đều được các bệnh viện đựng trong bao bì riêng biệt và được đặt trong thùng im loại Các bể chứa thải tại các bệnh viện được xây dựng ở nơi riêng biệt, được che chắn và bảo vệ để chờ phân rã phóng xạ đến mức nhỏ hơn quy định, trước hi thải ra như rác thường Các cơ sở y học hạt nhân và xạ trị được trang bị cơ bản

đủ các thiết bị bảo đảm an toàn theo quy định tại Thông tư liên tịch số 13/2014/TTLT-BKHCN-BYT như: máy đo nhiễm bẩn, máy đo suất liều, các trang thiết bị ứng phó sự cố, v.v

Tuy vậy, thực tế iểm tra tại một số địa phương có sử dụng nhiều thiết bị quang chẩn đoán trong y tế cho thấy, vẫn còn một số đơn vị chưa thực hiện đầy

X-đủ các quy định về an toàn bức xạ Phó Giám đốc Sở KH và CN Hà Nội Phạm Trung Chính cho biết, tại TP Hà Nội, một số cơ sở sử dụng thiết bị X-quang chẩn đoán trong y tế hông có giấy phép tiến hành công việc bức xạ, hông tổ chức đánh giá liều chiếu xạ cá nhân cho nhân viên bức xạ ít nhất 3 tháng 1 lần tại cơ

sở có chức năng Việc hám sức hỏe định ỳ cho nhân viên bức xạ y tế được hướng dẫn tại Thông tư số 19/2011/TT-BYT nhưng hiện nay, thông tư nêu trên

đã hết hiệu lực, chưa có hướng dẫn mới, gây hó hăn cho công tác triển hai

ột số cơ sở hám, chữa bệnh lắp đặt thiết bị X-quang trong phòng hông bảo đảm về ích thước theo quy định tại Thông tư số 13/2014/TT T-KHCN-BYT Thí dụ, tại tỉnh Quảng Ninh, có 20 phòng đặt thiết bị X-quang chẩn đoán trong y

tế chưa bảo đảm ích thước; tại TP Hồ Chí inh, Hà Nội cũng có tình trạng tương tự Với những trường hợp này, các Sở KH và CN từ chối cấp giấy phép tiến hành công việc bức xạ, nhưng thực tế một số ết quả đo iểm xạ môi trường vẫn đạt, các cơ sở y tế có iến nghị xem xét, sửa đổi, bổ sung quy định về diện tích phòng đặt thiết bị bức xạ phù hợp với từng loại thiết bị Nhiều Sở KH và CN cho rằng, cần sớm tháo gỡ vướng mắc này, tránh tình trạng sử dụng thiết bị bức

xạ chui, gây hó hăn cho công tác quản l

1.3.1.2 Công tác phát hiện và phòng ngừa nguồn phóng xạ trong bệnh viện

Các cơ sở y học hạt nhân và xạ trị được trang bị cơ bản đủ các thiết bị bảo đảm an toàn theo quy định tại Thông tư liên tịch số 13/2014/TTLT-BKHCN-BYT như: máy đo nhiễm bẩn, máy đo suất liều, các trang thiết bị ứng phó sự cố Tuy vậy, thực tế kiểm tra tại một số địa phương có sử dụng nhiều thiết bị X-quang chẩn đoán trong y tế cho thấy, vẫn còn một số đơn vị chưa thực hiện đầy

đủ các quy định về an toàn bức xạ Phó Giám đốc Sở KH và CN Hà Nội Phạm Trung Chính cho biết, tại TP Hà Nội, một số cơ sở sử dụng thiết bị X-quang chẩn đoán trong y tế không có giấy phép tiến hành công việc bức xạ, không tổ chức đánh giá liều chiếu xạ cá nhân cho nhân viên bức xạ ít nhất 3 tháng 1 lần tại cơ

sở có chức năng Việc khám sức khỏe định kỳ cho nhân viên bức xạ y tế được hướng dẫn tại Thông tư số 19/2011/TT-BYT nhưng hiện nay, thông tư nêu trên

đã hết hiệu lực, chưa có hướng dẫn mới, gây khó khăn cho công tác triển khai Một số cơ sở khám, chữa bệnh lắp đặt thiết bị X-quang trong phòng không bảo đảm về ích thước theo quy định tại Thông tư số 13/2014/TTLT-KHCN-BYT Thí dụ, tại tỉnh Quảng Ninh, có 20 phòng đặt thiết bị X-quang chẩn đoán trong y

tế chưa bảo đảm ích thước; tại TP Hồ Chí Minh, Hà Nội cũng có tình trạng

tương tự Với những trường hợp này, các Sở KH và CN từ chối cấp giấy phép tiến hành công việc bức xạ, nhưng thực tế một số kết quả đo iểm xạ môi trường vẫn đạt, các cơ sở y tế có kiến nghị xem xét, sửa đổi, bổ sung quy định về diện tích phòng đặt thiết bị bức xạ phù hợp với từng loại thiết bị Nhiều Sở KH và CN cho rằng, cần sớm tháo gỡ vướng mắc này, tránh tình trạng sử dụng thiết bị bức

xạ chui, gây hó hăn cho công tác quản lý

Trước những bất cập hiện nay, một số chuyên gia, nhà quản lý cho rằng, cần tiếp tục hoàn thiện các văn bản pháp luật; tăng cường công tác thanh tra, kiểm tra đối với cơ sở chưa thực hiện tốt công tác quản lý, bảo đảm an toàn thiết bị bức xạ; đẩy mạnh tuyên truyền cho cán bộ phụ trách an toàn bức xạ Về lâu dài, cần bảo đảm các cơ sở y tế sử dụng thiết bị bức xạ có đủ cán bộ đã qua đào tạo cơ bản, chính quy, trở thành những cán bộ vật lý y học có trình độ, nhằm tiến hành các kỹ thuật chẩn đoán, điều trị

1.3.2 Khảo sát các hệ thống giám sát phóng xạ hiện có

Các thiết bị bị ghi đo phóng xạ trên thế giới được liệt kê có thể xác định các đồng vị phóng xạ bằng cách phân tích phổ phát xạ gamma đặc trưng Quang phổ tia gamma là nghiên cứu định lượng về phổ năng lượng của các nguồn tia gamma trong phòng thí nghiệm hạt nhân Sau đó các nghiên cứu này được ứng dụng trong thực tiễn

Các thiết bị ghi đo phóng xạ trên thế giới bao gồm:

 Cổng kiểm xạ (RPM),

 Máy dò bức xạ cá nhân (PRD),

 Thiết bị nhận dạng đồng vị phóng xạ cầm tay (RIID),

 Máy dò bức xạ di động của con người (HPRD, ba lô, …),

Các công nghệ hác như máy quang phổ có độ phân giải gamma cao, máy dò quang phổ lớn, cổng kiểm xạ quang phổ, máy dò neutron và các thiết bị khác cũng được sử dụng nhưng việc triển khai còn hạn chế

1.3.2.3 Cổng kiểm xạ (RPM)

Cổng kiểm xạ (Radiation Portal Monitors hay RPM) được thiết kế để phát

hiện dấu vết bức xạ phát ra từ một vật thể đi qua RP Bức xạ gamma được phát hiện và trong một số trường hợp, độ nhạy của RP đối với vật liệu hạt nhân cao

sẽ phát hiện thêm bức xạ neutron Ứng dụng RP ban đầu được phát triển để sàng lọc các cá nhân và phương tiện tại các cơ sở cần đảm bảo sự an toàn như phòng thí nghiệm vũ hí Ngày nay, chúng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thép trong việc thăm dò và phát hiện ô nhiễm phóng xạ trong kim loại phế liệu RPM có thể quét hàng hóa trong các phương tiện vận chuyển lớn xe tải, tàu biển và chúng thường được đặt tại các cửa khẩu hoặc cảng xuất nhập cảnh (các cảng container hàng hải)

nh 1.0.1 Cổng kiểm xạ RPD [30]

Hiện nay, hơn 1400 RP được triển khai tại biên giới Hoa Kỳ và một số lượng tương tự tại các địa điểm nước ngoài với mục đích ngăn chặn các vật liệu phóng xạ và hạt nhân bất hợp pháp Ngoài ra, công nghệ này cũng đang được triển khai với các trường hợp hác như:

 Giám sát cổng thông tin bức xạ cho người đi bộ,

 Giám sát cổng thông tin vận tải hàng không,

 Giám sát cổng thông tin bức xạ dựa trên cần cẩu,

 Giám sát cổng thông tin hành lý không khí,

 Giám sát cổng thông tin bức xạ đường sắt

Ngoài ra, hệ thống hình ảnh X quang sử dụng tia X hoặc tia gamma để chụp lại hình ảnh phương tiện và để xác định bất thường của hàng hóa đặt trong đó

Nó có khả năng phản ánh sự hiện diện của lá chắn hạt nhân và nguyên liệu phóng

xạ Hình ảnh sau khi quét sẽ được xem xét riêng biệt nên có thể xác định bất thường trong hàng hóa

nh 1.0.2 Các phép đo bằng X quang di động [30]

Hệ thống này phù hợp với môi trường công nghiệp hơn, hó có thể ứng dụng

hệ thống RP vào môi trường bệnh viện

1.3.2.4 Máy dò bức xạ cá nhân

Máy dò bức xạ cá nhân (Personal Radiation Detector hay PRD) là các thiết bị

điện tử nhỏ cảnh báo người đeo về sự hiện diện của bức xạ nhằm mục đích chặn các vật liệu phóng xạ bất hợp pháp Chúng đôi hi được sử dụng như một

"tripwire" để phát hiện sự hiện diện của bức xạ, sau đó các thông tin được đưa vào để xác định nguồn gốc của bức xạ Một số PRD, được gọi là máy dò bức xạ quang phổ cá nhân (Spectroscopic Personal Radiation Detector hay SPRD) cũng được sử dụng để đo phổ năng lượng của bức xạ, đặc biệt thiết bị này có thể xác định hạt nhân phóng xạ

Kích thước nhỏ gọn của PRD khiến nó trở nên l tưởng cho các vị trí kiểm tra nhỏ hẹp Vì vây, PRD được Cục Hải quan và Biên phòng Hoa Kỳ và nhân viên của Cảnh sát biển Hoa Kỳ sử dụng rộng rãi

nh 1.0.3 Máy dò bức xạ cá nhân [31]

1.3.2.5 Thiết bị nhận dạng đồng vị phóng xạ cầm tay

Thiết bị nhận dạng đồng vị phóng xạ cầm tay (Radioisotope Identification Devices hay RIID) là hệ thống di động được thiết kế để tìm kiếm, phát hiện và xác định các nguồn vật liệu phóng xạ RIID thường là một thiết bị cầm tay nhỏ,

dễ sử dụng và triển hai, được thiết kế để xác định thành phần đồng vị của các nguồn phóng xạ RIID là các thiết bị đa năng và đa nhiệm, có thể phát hiện các dạng bức xạ khác nhau và thực hiện nhiều chức năng hác nhau

Thiết bị này thường sử dụng bộ dò có độ nhạy gamma như PVT hay Sodium Iodide cùng với dãy bộ đếm 3He để phát hiện neutron Chúng được gắn trong

phương tiện hoặc vận chuyển và được sử dụng để giám sát khu vực và tìm kiếm nguồn phóng xạ

nh 1.0.4 Máy quang phổ cầm tay SYCLONE [31]

1.3.2.6 Máy dò bức xạ di động của con người

Máy dò bức xạ di động của con người (Human Portable Radiation Detector

hay HPRD) bao gồm một số bộ phận phát hiện bức xạ được đặt bên trong ba lô

hoặc vỏ bọc tương tự cùng với một thiết bị điều khiển bên ngoài Thiết bị này thường có khả năng phát hiện cả phổ gamma và neutron, nó có thể phát hiện sự hiện diện của vật liệu phóng xạ và hạt nhân trong một khu vực rộng xung quanh

vị trí lắp đặt Do phần tử dò và nguồn năng lượng lớn hơn, hả năng phát hiện và nhận dạng của các thiết bị này thường lớn hơn nhiều so với máy dò bức xạ cá nhân quang phổ (SPRD) hoặc thiết bị nhận dạng đồng vị vô tuyến (RIID)

nh 1.0.5 Máy dò bức xạ ba lô [31]

1.3.3 Những vấn đề còn tồn tại

Trong khi hầu hết các nước tiên tiến đều có các hệ thống kiểm soát rất nghiêm ngặt cả bằng các hệ thống kỹ thuật và biện pháp quản lý nghiệp vụ để ngăn chặn khả năng ô nhiễm phóng xạ nguồn phóng xạ Ở Việt Nam ,vấn đề an toàn bức xạ trong ý tế đã có văn bản quy định yêu cầu các cơ sở y tế tuân thủ nghiêm những yêu cầu an toàn búc xạ, nhưng một số cơ sở y tế vẫn chưa nghiêm túc thực hiện đầy đủ các quy định về an toàn bức xạ

Các cơ sở y tế sử dụng nguồn phóng đều có các thiết bị đo lường, kiểm soát phóng xạ nhưng hầu hết các thiết bị này đều nhập khẩu, với giá thành rất cao nên một số cơ sở y tế hông đủ điều kiện để mua sắm, lắp đặt tại nhiều nơi Vì thế cần có một thiết bị đo liều lường phóng xạ thực hiện đầy đủ chức năng theo yêu cần của bộ y tế mà giá thành lại phù hợp để toàn bộ các cơ sở y tế có thể lắp đặt

dễ dàng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

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

sự phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân

Ô nhiễm phóng xạ chính là sự gia tăng mức độ bức xạ tự nhiên dưới các hoạt động của động của con người Ô nhiễm phóng xạ là việc chất phóng xạ nằm trên các bề mặt, hoặc trong chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí (kể cả cơ thể con người), nơi mà sự hiện diện của chúng là ngoài ý muốn Các hoạt động liên quan đến chất phóng xạ như hai thác, lưu trữ vật liệu phóng xạ và xử lý chất thải phóng xạ; sử dụng các phản ứng phóng xạ để tạo ra năng lượng là những hoạt động gây

ô nhiễm bằng phóng xạ

Mất an toàn nguồn phóng xạ đã và đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng tới sức khỏe con người cũng như môi trường sống Vì vậy, để kiểm soát nguồn phóng xạ và phát hiện các nguồn phóng xạ không mong muốn, việc xây dựng các

hệ thống phát hiện và ghi đo phóng xạ là vô cùng cần thiết

2.2 Các công nghệ ghi đo phóng xạ

2.2.1 Công nghệ sử dụng ống đếm Geiger – Muller

Ống đếm Geiger - uller (thường được nói đến như là ống đếm Geiger), hay đơn giản là ống đếm GM) là một trong các loại đầu đo bức xạ cổ nhất còn tồn tại,

đã được giới thiệu bởi Geiger và uller vào năm 1928 Tuy nhiên, sự đơn giản, giá thành thấp và dễ dàng hoạt động của các đầu đo này làm cho chúng tiếp tục được sử dụng cho đến ngày nay

Cùng với buồng ion hóa và ống đếm tỷ lệ, ống đếm GM là loại đầu đo chứa khí dựa trên hiện tượng ion hóa Giống với ống đếm tỷ lệ, chúng sử dụng hiện tượng nhân điện tích để gia tăng mạnh điện tích của các cặp ion ban đầu được hình thành dọc theo quỹ đạo của bức xạ nhưng theo một cách thức về cơ bản là khác Trong ống đếm tỷ lệ, mỗi điện tử ban đầu tạo ra một thác lũ, nó về cơ bản độc lập với tất cả các thác lũ hác được hình thành do các điện tử khác cùng

được sinh ra từ sự kiện ion hóa ban đầu Do tất cả thác lũ gần như đồng nhất nên điện tích được thu hồi vẫn tỷ lệ với số điện tử ban đầu

Trong ống đếm G , điện trường cao hơn làm cho cường độ của mỗi thác lũ sinh ra lớn hơn Trong các điều kiện thích hợp, sẽ có một tình huống xảy ra trong

đó một thác lũ có thể tự nó khởi phát một thác lũ thứ hai tại một vị trí khác ở trong ống Ở một giá trị điện trường tới hạn, mỗi thác lũ có thể tạo ra, một cách trung bình, ít nhất thêm một thác lũ nữa, và dẫn đến phản ứng chuỗi dây chuyền

tự phát Ở các giá trị điện trường lớn hơn, quá trình trở nên phân kỳ rất nhanh và

về nguyên tắc, có thể sinh ra số thác lũ tăng theo hàm mũ trong hoảng thời gian rất ngắn Tuy nhiên, ngay hi quá trình phóng điện Geiger đạt đến độ lớn nhất định, các hiệu ứng tích lũy của tất cả các thác lũ riêng lẻ bắt đầu có hiệu lực và cuối cùng sẽ ngăn chặn phản ứng dây chuyền Do điểm giới hạn này luôn đạt được sau gần như cùng một số thác lũ được tạo ra nên tất cả các xung điện từ ống đếm Geiger đều có cùng biên độ bất kể số cặp ion ban đầu khởi phát quá trình là bao nhiêu Do vậy không thể sử dụng ống đếm Geiger trong phổ kế bức xạ vì tất

cả thông tin về lượng năng lượng mà bức xạ truyền cho đầu đo đều bị mất

Một xung điển hình của ống đếm Geiger là kết quả của một lượng điện tích thu hồi cực lớn, khoảng 109 - 1010 cặp ion (trong một quá trình phóng điện Geiger, sự nhân điện tích đạt từ 106 - 108 lần) được tạo ra trong quá trình phóng điện Do đó, biên độ xung đầu ra cũng lớn (điển hình có độ lớn cỡ hàng chục vôn) Tín hiệu mức cao này làm cho các thiết bị điện tử liên quan đơn giản đi đáng ể, thường không cần bộ phận tiền khuếch đại Do bản thân các ống đếm tương đối rẻ nên bộ đếm G thường là sự lựa chọn đầu tiên khi cần đến hệ đo đếm đơn giản và kinh tế

Thiết kế sơ đồ lắp ráp ống đếm:

nh 2.1 Sơ đồ ghép nối ống đếm GM

Do thường không yêu cầu có bộ tiền khuếch đại nên hệ đếm cho các ống đếm

Geiger có thể đơn giản đến mức như trên Hình 2.1 Điện trở nối tiếp R giữa

nguồn cao áp và anode của ống là điện trở tải trên đó điện áp của xung xuất hiện

Tổ hợp song song của điên trở và điện dung của ống và mạch điện có liên quan xác định hằng số thời gian của mạch thu hồi điện tích Hằng số thời gian này

thường được chọn cỡ vài micro giây để cho chỉ các thành phần tăng lên nhanh của xung được bảo toàn

Các photon ánh sáng được tạo ra từ tinh thể nhấp nháy sẽ được ghi nhận và khuếch đại bởi ống nhân quang điện hoặc photodiode

Một số tinh thể nhấp nháy thường được sử dụng là NaI(Tl) và CsI(Tl)

b) Ống nhân quang điện

nh 2.2 Ống nhân quang điện

Ống nhân quang điện (còn gọi là đèn nhân quang điện) là một ống chân không, hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện

Cực âm của ống nhân quang điện gọi là photocathode, có nhiệm vụ thu nhận các photon ánh sáng Các electron trong photocathode hấp thụ năng lượng từ photon trong ánh sáng, từ đó nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích và các electron sẽ thoát ra khỏi nguyên tử Các điện cực giữa cực âm và cực dương (gọi

là dynode) đặt trong ống chân hông được bố trí và phân áp thích hợp để các electron phát xạ di chuyển về hướng cực dương ỗi lần electron đập vào dynode, electron sẽ làm bật ra thêm các electron mới, hay các electron thứ cấp với một hệ số nhân nào đó tùy thuộc vào vật liệu phủ dynode và động lượng của electron Dãy dynode thực hiện khuếch đại nhiều lần và kết thúc ở anode, tạo ra một xung dòng điện Như vậy ống nhân quang điện đã chuyển xung ánh sáng thu

nhận được từ tinh thể nhấp nháy thành một xung dòng điện đủ lớn để đưa đến các mạch xử lý, giúp nhận biết và đo lường các bức xạ

c) Photodiode

 PIN photodiode:

nh 2.3 Nguyên lý hoạt động của PIN photodiode

PIN photodiode (còn gọi là diode thu quang PIN) có cấu trúc gồm một lớp bán dẫn p, một lớp bán dẫn n và một lớp bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp ít i nằm giữa hai lớp p và n Lớp i này có độ dày hơn nhiều so với hai lớp p và n Để diode thu quang hoạt động được cần định thiên ngược cho nó Do lớp i (còn được gọi là vùng trôi) có trở kháng cao nên phần lớn điện trường sẽ đặt vào lớp i Khi một photon có năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode tới, photon này sẽ bị hấp thụ và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn Quá trình này sẽ hình thành các cặp điện tử - lỗ trống tự do Trong photodiode PIN, do lớp i có độ dày lớn hơn nhiều so với lớp p và n nên các cặp điện tử - lỗ trống này chủ yếu được tạo ra trong lớp i Dưới tác động của điện trường lớn bên trong lớp i, các điện tử,

lỗ trống sẽ nhanh chóng trôi ra mạch ngoài và tạo thành dòng điện

 APD photodiode:

nh 2.4 Nguyên lý hoạt động của APD photodiode

So với cấu trúc của PIN, APD có thêm lớp p được cấu tạo từ vật liệu loại p có điện trở suất cao Lớp này đóng vai trò vùng nhân vì các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp được tạo ra trong vùng này nhờ hiện tượng ion hóa do va chạm Lớp i trong APD vẫn đóng vai trò vùng hấp thụ tương tự như trong PIN photodiode

Hoạt động của APD: Ánh sáng đi vào APD qua lớp p+ rất mỏng Hầu như

toàn bộ hấp thụ photon đều xảy ra trong miền nghèo (miền i), miền này là bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp nhẹ Cũng như trong diode tách quang PIN, điện trường trong miền nghèo của APD điều khiển các lỗ trống và điện tử chuyển động ngược hướng với nhau Dưới tác động của điện trường phân cực ngược, các

lỗ trống trong lớp này hướng tới lớp p+, còn các điện tử hướng tới lớp n+ Tại miền nhân, do điện trở suất của lớp này cao nên hình thành một vùng điện trường lớn tại tiếp giáp p- n+ Khi đi vào miền này, gặp điện trường lớn, các điện tử - lỗ trống sẽ được tăng tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hóa do va chạm Các hạt tải điện thứ cấp qua miền điện trường lớn lại được tăng tốc và chúng có đủ động năng để tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống mới Đó chính là hiệu ứng thác lũ, hay còn gọi là hiệu ứng nhân Quá trình này làm tăng dòng điện bên ngoài và cũng chính là tăng độ nhạy của APD Để xảy ra hiện tượng ion hóa do va chạm, điện trường trong vùng nhân phải gần với mức đánh thủng zener Đối với photodiode

Si, ngưỡng trường điện cần thiết để thu được sự nhân là ở mức 105 V/cm

2.3 Lý thuyết về ống đếm Geiger – Muller

2.3.1 Khái niệm

Ống đếm Geiger-Muller (GM) là một thiết bị giúp phát hiện các bức xạ hạt nhân dựa trên hiện tượng ion hóa chất khí có trong ống

nh 2.5 Ống đếm Geiger-Muller

Bộ đếm Geiger (ống Geiger-Muller) là một thiết bị được sử dụng để phát hiện

và đo lường tất cả các loại bức xạ: bức xạ alpha, beta và gamma Về cơ bản nó bao gồm một cặp điện cực được bao quanh bởi một chất hí Các điện cực có điện áp cao trên chúng Khí được sử dụng thường là Helium hoặc Argon Khi bức xạ đi vào ống nó có thể làm ion hóa khí Các ion (và electron) bị hút vào các điện cực và một dòng điện được tạo ra Một máy đo tỷ lệ đếm các xung hiện tại,

và người ta có được một số đếm điểm bất cứ khi nào bức xạ làm ion hóa khí Bộ máy bao gồm hai phần, ống và (bộ đếm + nguồn cung cấp) Các ống Geiger- ueller thường có hình trụ, với một dây xuống trung tâm (Bộ đếm + nguồn cung cấp) có các điều khiển điện áp và tùy chọn hẹn giờ Một điện áp cao được thiết lập trên toàn bộ hình trụ và dây dẫn như được hiển thị trên trang của hình Khi bức xạ ion hóa như hạt alpha, beta hoặc gamma đi vào ống, nó có thể ion hóa một số phân tử khí trong ống Từ các nguyên tử bị ion hóa này, một electron bị loại ra khỏi nguyên tử và nguyên tử còn lại được tích điện dương Điện áp cao trong ống tạo ra một điện trường bên trong ống Các electron bị loại ra khỏi nguyên tử bị hút vào điện cực dương và các ion tích điện dương bị hút vào điện cực âm Điều này tạo ra một xung dòng trong các dây kết nối các điện cực, và xung này được tính Sau hi đếm xung, các ion tích điện trở nên trung hòa và bộ đếm Geiger sẵn sàng ghi lại một xung hác Để ống đếm Geiger tự phục hồi nhanh chóng về trạng thái ban đầu sau khi bức xạ đi vào, một chất hí được thêm vào ống Để sử dụng đúng bộ đếm Geiger, người ta phải có điện áp phù hợp trên các điện cực Nếu điện áp quá thấp, điện trường trong ống quá yếu sẽ gây ra xung hiện tại Nếu điện áp quá cao, ống sẽ trải qua quá trình phóng điện liên tục, và ống có thể bị hỏng Thông thường nhà sản xuất khuyến nghị điện áp chính xác để

sử dụng cho ống Các ống lớn hơn đòi hỏi điện áp lớn hơn để tạo ra các điện trường cần thiết bên trong ống Trong lớp, một thí nghiệm được thực hiện để xác định điện áp hoạt động thích hợp Đầu tiên, một đồng vị phóng xạ được đặt vào

từ ống Geiger- uller, sau đó, từ từ thay đổi điện áp trên ống và đo tốc độ đếm Trên trang số liệu là một biểu đồ thể hiện tốc độ đếm hi điện áp được tăng trên ống

2.3.2 Phân loại

Dựa trên cấu tạo của ống GM có thể chia ống thành hai loại như sau:

 Ống đếm chứa khí hữu cơ: Ống có vỏ làm bằng thuỷ tinh, hình chuông, đường kính khoảng 20mm Chính giữa là cực dương làm bằng sợi Vonfram rất mảnh với đường kính khoảng 0.1mm Cực âm là một lá đồng cuộn trong lòng ống thuỷ tinh, nối với một sợi vonfram ra ngoài Đáy ống là một lớp mica mỏng

để các hạt beta yếu có thể bay vào Trong ống được hút hết không khí, nạp vào khí hữu cơ (hơi rượu etylic, benzen, isopentane, vv) với áp suất khoảng 1mmHg

và hí trơ (thường là argon) với áp suất khoảng 9mmHg

 Ống đếm chứa khí halogen: Ống đếm GM loại này cũng có vỏ ngoài tương tự như ống đếm chứa khí hữu cơ Trong ống có cực dương là sợi Vonfram mảnh, cực âm là một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng kỹ thuật phun muối SnCl2 vào mặt trong của ống

2.3.3 Nguyên lý hoạt động

Giữa hai bản cực của ống G được đặt một hiệu điện thế cao tạo nên một điện trường rất lớn giữa chúng Khi các bức xạ hạt nhân (alpha, beta, các hạt nặng) đi qua thì chất khí trong ống sẽ bị ion hoá dọc theo quỹ đạo của hạt, tạo thành các ion dương và electron Do có điện trường trong ống, các electron sẽ chuyển động về hướng anode và các ion dương chuyển động theo hướng ngược lại tạo nên dòng điện giữa hai bản cực Cường độ điện trường ảnh hưởng đến sự hoạt động của ống GM Cụ thể, hi tăng dần điện áp đặt vào hai cực của ống, ở các vùng điện áp khác nhau hiện tượng xảy ra khác nhau:

 Vùng I: Do điện trường yếu, các electron và ion dương tạo ra trong quá trình ion hóa va chạm với các phân tử khí trong ống GM, chúng sẽ tái hợp lại với nhau gây suy giảm tín hiệu ra (dòng điện) Dòng điện thu được rất nhỏ, vì vậy, vùng này hông được sử dụng

 Vùng II: Ống đếm làm việc ở vùng này gọi là buồng ion hoá Tại vùng này, dòng điện ổn định, ít phụ thuộc vào điện áp, tỉ lệ với số cặp điện tử và ion dương (hay năng lượng của bức xạ bị hấp thụ) Tuy nhiên dòng thu được khá bé dẫn đến việc xác định dòng không chính xác

nh 2.6 Nguyên lý hoạt động của ống GM

 Vùng III: Ống đếm làm việc ở vùng này được gọi là ống đếm tỉ lệ Cường

độ điện trường tăng lên hiến các điện tử có động năng đủ lớn để làm ion hoá các nguyên tử, phân tử khí khác (quá trình ion hoá thứ cấp) Hiện tượng này gọi là khuếch đại hí Dòng điện tạo ra gần như tuyến tính với

sự thay đổi của điện áp Càng tăng điện áp đặt vào ống GM thì quá trình ion hóa thứ cấp càng diễn ra mạnh Tới một vùng điện áp nhất định gọi là vùng tỉ lệ giới hạn, mức tăng dòng điện diễn ra chậm lại hi tăng điện áp

do diện tích ống GM hữu hạn, quá trình khuếch đại khí bị cản trở

 Vùng IV (vùng Geiger): Ống đếm làm việc ở vùng này gọi là ống đếm Geiger - uller Dòng điện thu được lúc này không phụ thuộc vào quá trình ion hoá mà phụ thuộc vào điện thế đặt vào ống đếm

Ưu điểm của ống G là có độ nhạy cao (phản hồi với nhiều loại bức xạ), tín hiệu đầu ra lớn và chi phí chế tạo mạch điện thấp hơn các công nghệ khác Tuy nhiên, ống G là có “thời gian chết” (khoảng thời gian ống đếm không thể phát hiện bức xạ) tương đối lớn Nguyên nhân của nhược điểm này là do điện trường cao làm quá trình ion hoá thứ cấp diễn ra mạnh, các ion dương có nguyên tử khối lớn ém linh động, rất nhanh tạo thành “đám mây” ion dương bao quanh cathode, làm giảm điện trường giữa hai cực của ống G và làm cơ chế khuếch đại khí dừng lại Khi đó ống đếm sẽ không phát hiện được bức xạ mới do không diễn ra ion hoá sơ cấp Sử dụng ống GM chỉ có thể xác định được sự có mặt của các bức

xạ mà hông xác định được cường độ bức xạ do tín hiệu ra không tỉ lệ với số bức

xạ nhận được (phụ thuộc điện áp đặt vào ống đếm)

nh 2.7 Ảnh hưởng của điện áp hoạt động tới ống GM

“Có” hay “Không” có nguồn bức xạ ở lân cận gần đó thì hông cần thiết đưa về

hệ thống chỉ thị suất liều mà chỉ cần hệ đếm chỉ thị số đếm thông thường: Khi không có nguồn thì tốc độ đếm là A với A là chỉ thị phông môi trường bức xạ Khi có nguồn phóng xạ thì số đếm là B và nếu nguồn đáng lưu thì số đếm B phải lớn hơn B0 = A + 5 Và hi B lớn B0 thì hệ thống sẽ báo động

Việc thiết kế đơn giản nói trên xuất phát từ thực tế đó là tốc độ đếm từ ống đếm G , đối ngược với cường độ dòng đo được từ buồng ion hóa, không mang mối liên hệ cơ bản nào với suất liều chiếu gamma Đối với một năng lượng nào

đó của tia gamma, tốc độ đếm hiển nhiên tuyến tính với cường độ, nhưng các ứng dụng có khả năng bao hàm các tia gamma có nhiều mức năng lượng khác nhau và biến đổi Thước đo suất liều chiếu có thể được chuẩn chính xác ở một năng lượng tia gamma cố định nào đó, nhưng nếu máy đo hảo sát được áp dụng vào các phép đo bao hàm các mức năng lượng khác của tia gamma thì sự thay đổi của hiệu suất ghi theo năng lượng cần phải được xem xét Một cách l tưởng, đường cong hiệu suất cần ghi theo năng lượng phù hợp chính xác với đồ thị của liều chiếu gamma theo năng lượng Nếu sự phù hợp này chính xác, thì máy đo

GM có thể cơ bản được ứng dụng cho tất cả các mức năng lượng vì tầm quan trọng của mỗi lượng tử có thể được đánh giá đúng bởi hiệu suất ghi của chính bản thân đầu đo Tỷ lệ của hai đường cong tại mọi mức năng lượng đã cho là thước đo của hệ số hiệu chỉnh và phải được áp dụng vào các số đo của máy đo