Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đánh giá các thành phần liều phục vụ nghiên cứu BNCT trên kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của Luận án là mô phỏng thiết kế tối ưu dòng nơtrôn nhiệt tại lối ra của CN2DR phục vụ nghiên cứu BNCT bằng chương trình MCNP5; mô phỏng, tính toán và đo thực nghiệm các tham số đặc trưng về phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt và các thành phần liều bức xạ trong mô hình phantom nước. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đánh giá các thành phần liều phục vụ nghiên cứu BNCT trên kênh ngang của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- PHẠM ĐĂNG QUYẾT NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN LIỀU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU BNCT TRÊN KÊNH NGANG CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2020
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- PHẠM ĐĂNG QUYẾT NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN LIỀU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU BNCT TRÊN KÊNH NGANG CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền 2. TS. Trịnh Thị Tú Anh Hà Nội – 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và các Thầy Cô hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, không sao chép hay sử dụng bất hợp pháp và chưa từng được các tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung và tác quyền của luận án. Tác giả Phạm Đăng Quyết i
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, trước tiên xin cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, tri ân, khắc ghi công lao của Thầy Cô hướng dẫn khoa học PGS.TS. Nguyễn Nhị Điền và TS. Trịnh Thị Tú Anh, những người đã khơi lên trong tôi niềm đam mê nghiên cứu, định hướng cho tôi mục tiêu nghiên cứu và dẫn dắt, hướng dẫn tôi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận án này. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Ngọc Sơn, đã truyền đạt kiến thức và tận tình hướng dẫn trong thời gian tôi thực hiện các thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Cao Đông Vũ, đã truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học. Tôi xin gửi lời cám ơn Ban Lãnh đạo Viện, Ban Giám đốc và các cán bộ tại Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân, Trung tâm An toàn bức xạ, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã tạo mọi điều kiện, tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cám ơn PGS.TS. Nguyễn Đức Hòa, PGS.TS. Nguyễn An Sơn và Quý Thầy Cô giáo Khoa Kỹ thuật hạt nhân Trường Đại học Đà Lạt đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận án này. Xin được cám ơn Quý Thầy Cô đã từng giảng dạy, gia đình và bạn bè đã luôn động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành luận án này. Tác giả Phạm Đăng Quyết ii
MỤC LỤC BẢNG CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT .......................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................... xii MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................... 8 1.1. Nguyên lý của BNCT ............................................................................. 8 1.2. Chữa trị u não bằng BNCT trên thế giới ............................................... 10 1.3. Hệ số KERMA nơtrôn trong mô ........................................................... 12 1.3.1. Tiết diện tương tác của nơtrôn ........................................................ 12 1.3.2. Hệ số KERMA nơtrôn trong mô ...................................................... 14 1.4. Lý thuyết tính liều hấp thụ trong BNCT ............................................... 16 1.4.1. Liều hấp thụ và đơn vị đo ................................................................ 16 1.4.2. Các thành phần liều trong BNCT .................................................... 17 1.4.3. Liều hấp thụ toàn phần trong BNCT ............................................... 23 1.5. Các thành phần trong mô hình nghiên cứu BNCT trên thế giới ............ 24 1.5.1. Dòng nơtrôn phin lọc ...................................................................... 24 1.5.2. Phantom.......................................................................................... 29 1.5.3. Xác định thông lượng nơtrôn nhiệt bằng kỹ thuật NAA ................... 31 1.5.4. Xác định hàm lượng bor bằng kỹ thuật PGNAA .............................. 34 1.5.5. Xác định liều gamma bằng TLD...................................................... 35 1.6. Sử dụng chương trình MCNP5 trong BNCT......................................... 36 1.6.1. Giới thiệu ........................................................................................ 36 1.6.2. Cấu trúc input file và các loại đánh giá .......................................... 37 1.6.3. Chuyển đổi thông lượng nơtrôn và gamma sang suất liều............... 38 1.6.4. Đánh giá sai số ............................................................................... 39 1.6.5. Mô phỏng và tính liều hấp thụ trong BNCT .................................... 41 1.6.6. Thiết kế dòng nơtrôn cho BNCT...................................................... 42 iii
1.7. Dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR ......................................................... 43 1.7.1. Lò phản ứng Đà Lạt ........................................................................ 43 1.7.2. Dòng nơtrôn phin lọc tại CN2DR ................................................... 44 1.8. Tóm tắt chương 1 ................................................................................. 45 Chương 2: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM............................. 46 2.1. Mô phỏng mô hình nghiên cứu BNCT tại LPƯ Đà Lạt ........................ 46 2.1.1. Dòng nơtrôn phin lọc tại kênh số 2 ................................................. 46 2.1.2. Phantom nước ................................................................................. 49 2.1.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 50 2.1.4. Đánh giá sai số mô phỏng............................................................... 57 2.2. Thực nghiệm trên cấu hình hiện tại để nghiên cứu BNCT tại LPƯ Đà Lạt ............................................................................................................. 58 2.2.1. Hiệu chu n detector ........................................................................ 58 2.2.2. Đo phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom ..................... 62 2.2.3. Xây dựng đường chu n hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR .. 68 2.2.4. Đo suất liều gamma trong phantom bằng TLD ............................... 70 2.3. Tóm tắt chương 2 ................................................................................. 71 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................... 72 3.1. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với cấu hình hiện tại trên CN2DR ............................................................................................. 72 3.1.1. Đối với thông lượng nơtrôn ............................................................ 72 3.1.2. Đối với suất liều gamma ................................................................. 76 3.2. Định liều hấp thụ của BNCT trong phantom ........................................ 81 3.3. Kết quả xây dựng đường chuNn hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR .................................................................................................... 85 3.4. Thiết kế cấu hình mới tại CN2DR ........................................................ 86 3.4.1. Kết quả mô phỏng khi thay đổi hình dạng ống chu n trực .............. 86 3.4.2. Tối ưu hóa chiều dài ống chu n trực .............................................. 87 3.4.3. Tối ưu hóa chiều dài phin lọc.......................................................... 90 iv
3.4.4. Đề xuất cấu hình mới cho CN2DR .................................................. 92 3.5. Tóm tắt chương 3 ................................................................................. 95 KẾT LUẬN ........................................................................................ 97 KIẾN NGHN VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............. 98 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 100 PHỤ LỤC ......................................................................................... 110 v
BẢNG CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu, Tiếng Anh Tiếng Việt từ viết tắt Brookhaven Medical Lò phản ứng nghiên cứu BMRR Research Reactor y học Brookhaven Boron neutron capture Xạ trị bằng phản ứng bắt BNCT therapy nơtrôn bởi bor Brookhaven National Phòng thí nghiệm BNL Laboratory quốc gia Brookhaven Một loại hợp chất chứa bor BPA p-dihydroxyborylphenylalanine dùng trong BNCT L-p-boronophenylalanine Một loại hợp chất chứa bor BPA-F –fructose dùng trong BNCT disodium mercaptoundecahydro Một loại hợp chất chứa bor BSH -closo-dodecaborate dùng trong BNCT CL Collimator length Chiều dài ống chuNn trực CN2DR Channel No.2 of Dalat Reactor Kênh số 2 Lò phản ứng Đà Lạt Con. Concentration Hàm lượng CT Computed Tomography Chụp cắt lớp điện toán Dγ Gamma dose Liều gamma &γ D Gamma dose rate Suất liều gamma & D Neutron dose rate Suất liều nơtrôn n E Energy Năng lượng Eff. Full-peak efficiency Hiệu suất ghi Err. Error Sai số Exp. Experimental Thực nghiệm FiR-1 Finnish Reactor Lò phản ứng của Phần Lan FL Filter length Chiều dài phin lọc GBM GlioBlastoma Multiforme U não nguyên bào Gd- DieThylenetriamine Penta- Một loại hợp chất chứa DTPA acetic Acid gadolinium dùng trong MRI Gadolinium Neutron Capture Xạ trị bằng phản ứng bắt GdNCT Therapy nơtrôn bởi gadolinium HFR High Flux Reactor Lò phản ứng thông lượng cao vi
Ký hiệu, Tiếng Anh Tiếng Việt từ viết tắt I Intensity of the gamma peak Cường độ phát gamma International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng nguyên tử IAEA Agency Quốc tế Lò phản ứng nghiên cứu số 4 JRR-4 Japan Research Reactor No.4 Nhật Bản KF KERMA Factor Hệ số KERMA Kinetic Energy Released per Năng lượng giải phóng trên KERMA unit Mass đơn vị khối lượng Sự chuyển đổi năng lượng LET Linear Energy Transfer tuyến tính LPƯ Reactor Lò phản ứng m Mass Khối lượng Chương trình Monte Carlo MCNP Monte Carlo N – Particle cho loại hạt N Mean Giá trị trung bình Bệnh viện đa khoa MGH Massachusetts General Hospital Massachusetts Massachusetts Institute of MIT Viện công nghệ Massachusetts Technology Lò phản ứng nghiên cứu của MITR MIT Nuclear Research Reactor Viện công nghệ Massachusetts Miniature Neutron Source Một loại lò nghiên cứu công MNSR Reactor suất nhỏ do Trung Quốc thiết kế MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp ảnh bằng cộng hưởng từ Musashi Institute of Viện nghiên cứu công nghệ lò MuITR Technology Reactor phản ứng Musashi Phân tích kích hoạt nơtrôn đo NAA Neutron Activation Analysis gamma trễ NCT Neutron Capture Therapy Xạ trị bằng phản ứng bắt nơtrôn NOH Number of the history Số hạt gieo P Power Công suất Prompt Gamma Neutron Phân tích kích hoạt nơtrôn đo PGNAA Activation Analysis gamma tức thời Pos. Position Vị trí vii
Ký hiệu, Tiếng Anh Tiếng Việt từ viết tắt tm Measuring time Thời gian đo T1/2 Half-life Chu ký bán hủy ThermoLuminescence TLD Liều kế nhiệt phát quang Dosimeter Một loại lò phản ứng nghiên cứu Training, Research, Isotopes, TRIGA do hãng General Atomics của General Atomics Hoa Kỳ thiết kế TRR Tehran Research Reactor Lò phản ứng nghiên cứu Tehran V Volume Thể tích WSU Washington State University Đại học bang Washington σth Thermal neutron cross-section Tiết diện nơtrôn nhiệt φth Thermal neutron flux Thông lượng nơtrôn nhiệt viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hàm lượng và tiết diện phản ứng của các nguyên tố trong mô với nơtrôn nhiệt .................................................................................................... 9 Bảng 1.2. Một số thử nghiệm lâm sàng của BNCT trên thế giới ................... 11 Bảng 1.3. Hệ số KERMA đối với nơtrôn nhiệt của các nguyên tố có trong mô ..................................................................................................................... 14 Bảng 1.4. Bảng trọng số bức xạ .................................................................... 17 Bảng 1.5. Hệ số hấp thụ theo năng lượng tia gamma trong mô ..................... 21 Bảng 1.6. Hệ số hấp thụ theo năng lượng của các tia gamma 0,478 MeV và 2,22 MeV trong mô ...................................................................................... 22 Bảng 1.7. Một số LPƯ tạo ra dòng nơtrôn nhiệt bằng các phin lọc đơn tinh thể Si và Bi ........................................................................................................ 26 Bảng 1.8. Một số LPƯ sử dụng phin lọc để tạo ra dòng nơtrôn sử dụng cho BNCT........................................................................................................... 27 Bảng 1.9. Một số phantom nước sử dụng trong nghiên cứu BNCT trên thế giới ............................................................................................................... 30 Bảng 1.10. Sai số của một số loại TLD ........................................................ 36 Bảng 1.11. Các loại đánh giá trong MCNP5 ................................................. 37 Bảng 1.12. Suất liều nơtrôn được chuyển đổi từ thông lượng nơtrôn ............ 38 Bảng 1.13. Suất liều gamma được chuyển đổi từ thông lượng gamma ......... 38 Bảng 1.14. Ý nghĩa của giá trị sai số tương đối R trong MCNP5.................. 40 Bảng 1.15. Thông số cơ bản trong thiết kế dòng nơtrôn nhiệt phục vụ nghiên cứu BNCT .................................................................................................... 43 Bảng 1.16. Các thông số vật lý của dòng nơtrôn nhiệt tại lối ra của CN2DR 45 Bảng 2.1. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom được mô phỏng bằng MCNP5 với cấu hình hiện tại ....................................................................... 51 ix
Bảng 2.2. Suất liều gamma trong phantom được mô phỏng bằng MCNP5 với cấu hình hiện tại ........................................................................................... 55 Bảng 2.3. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình hiện tại ............................................................. 57 Bảng 2.4. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng suất liều gamma trong phantom với cấu hình hiện tại ...................................................................... 58 Bảng 2.5. Đặc trưng của hệ phổ kế gamma sử dụng tại CN2DR................... 59 Bảng 2.6. Hiệu suất ghi tuyệt đối của detector HPGe ứng với năng lượng tia gamma tại CN2DR ....................................................................................... 60 Bảng 2.7. Hiệu suất ghi tuyệt đối và sai số của detector HPGe đối với tia gamma có năng lượng 1434 keV .................................................................. 61 Bảng 2.8. Các tính chất phân rã của hạt nhân trong lá dò kích hoạt .............. 64 Bảng 2.9. Các thông số chiếu và đo cho lá dò 51V bằng phương pháp kích hoạt ..................................................................................................................... 65 Bảng 2.10. Kết quả đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình hiện tại ở CN2DR......................................................................................... 66 Bảng 2.11. Kết quả xác định tốc độ đếm tia gamma tức thời 478 keV của hệ PGNAA tại CN2DR ..................................................................................... 69 Bảng 2.12. Kết quả đo suất liều gamma trong phantom bằng TLD-900........ 70 Bảng 3.1. Thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục trung tâm của phantom giữa MCNP5 và thực nghiệm ....................................................................... 72 Bảng 3.2. Thông lượng nơtrôn nhiệt theo chiều bán kính của dòng nơtrôn tại z = 1 cm trong phantom, giữa MCNP5 và thực nghiệm .................................. 74 Bảng 3.3. Thông lượng nơtrôn nhiệt tại lối vào phantom trong trường hợp có hoặc không có phantom, bằng MCNP5 ........................................................ 76 Bảng 3.4. Suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom bằng MCNP5 và thực nghiệm ............................................................................... 76 x
Bảng 3.5. Suất liều gamma theo chiều bán kính chùm nơtrôn, tại z = 3 cm trong phantom giữa MCNP5 và thực nghiệm ............................................... 78 Bảng 3.6. Suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom khi có và không có phantom ........................................................................................ 80 Bảng 3.7. Liều hấp thụ trong phantom tại CN2DR trong nghiên cứu BNCT 82 Bảng 3.8. Thông lượng nơtrôn tại lối vào phantom với ống chuNn trực hình trụ và ống chuNn trực hình nón ..................................................................... 87 Bảng 3.9. Các thông số của ống chuNn trực sử dụng trong mô phỏng MCNP5 ..................................................................................................................... 87 Bảng 3.10. Thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại vị trí chiếu mẫu theo chiều dài của ống chuNn trực hình nón .................................................. 89 Bảng 3.11. Thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại lối vào phantom ứng với chiều dài của các tổ hợp phin lọc khác nhau .................................... 90 Bảng 3.12. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình đề xuất tại CN2DR ........................................................................................................ 92 Bảng 3.13. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình mới ................................................................... 93 Bảng 3.14. Một số thiết kế dòng nơtrôn nhiệt trên LPƯ của các nước đã thực hiện bằng MCNP .......................................................................................... 95 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Minh họa phản ứng bắt nơtrôn nhiệt bởi bor ................................... 8 Hình 1.2. Minh họa kỹ thuật BNCT sử dụng chùm nơtrôn nhiệt để chữa trị u não ................................................................................................................. 9 Hình 1.3. Công thức cấu tạo của BSH và BPA ............................................. 11 Hình 1.4. Mô tả tiết diện tương tác của nơtrôn ............................................. 12 Hình 1.5. Hai loại tương tác của nơtrôn với hạt nhân bia .............................. 13 Hình 1.6. Mối liên hệ giữa KERMA và năng lượng của nơtrôn .................... 15 cho một số nguyên tố trong mô .................................................................... 15 Hình 1.7. Sơ đồ mức năng lượng phân rã của hạt nhân 11B* ......................... 18 Hình 1.8. Minh họa phản ứng của 14N với nơtrôn nhiệt ................................ 19 Hình 1.9. Minh họa phản ứng của 1H với nơtrôn nhanh ................................ 20 Hình 1.10. Minh họa phản ứng của 1H với nơtrôn nhiệt ............................... 21 Hình 1.11. Hệ số hấp thụ năng lượng tia gamma trong mô ........................... 22 Hình 1.12. Tiết diện toàn phần của nơtrôn đối với đơn tinh thể Si ................ 25 Hình 1.13. Tiết diện toàn phần của nơtrôn đối với đơn tinh thể Bi ............... 25 Hình 1.14. Mặt cắt ngang của kênh ngang và tổ hợp phin lọc tại LPƯ HANARO để tạo ra dòng nơtrôn nhiệt ......................................................... 28 Hình 1.15. Mặt cắt đứng của vùng hoạt, cột nhiệt và tổ hợp phin lọc tại LPƯ JRR-4 để tạo ra dòng nơtrôn nhiệt/trên nhiệt ................................................ 28 Hình 1.16. Phân bố thông lượng nơtrôn trong phantom nước ở các chế độ khác nhau tại LPƯ JRR-4 ............................................................................. 29 Hình 1.17. So sánh hệ số KERMA nơtrôn của nước và mô .......................... 29 Hình 1.18. Phantom nước tại LPƯ TRR (Iran) ............................................. 30 Hình 1.19. Phantom nước tại LPƯ TRIGA (Malaysia) ................................. 31 xii
Hình 1.20. Sơ đồ minh họa quá trình tương tác của nơtrôn với hạt nhân bia trong phân tích kích hoạt nơtrôn ................................................................... 31 Hình 1.21. Sơ đồ phân rã và phát tia gamma của 28Al................................... 32 Hình 1.22. Phân bố thông lượng nơtrôn trong phantom nước bằng mô phỏng và thực nghiệm tại LPƯ HFR (Hà Lan) ........................................................ 41 Hình 1.23. Cấu trúc tạo ra dòng nơtrôn nhiệt của Matsumoto tại LPƯ TRIGA Mark II (Nhật Bản)....................................................................................... 42 Hình 1.24. Mặt cắt ngang của LPƯ Đà Lạt ................................................... 44 Hình 2.1. Cấu trúc phần dẫn dòng nơtrôn tại CN2DR .................................. 47 Hình 2.2. Cấu trúc phần chuNn trực dòng nơtrôn tại CN2DR........................ 47 Hình 2.3. Cấu trúc CN2DR với cấu hình hiện tại.......................................... 47 Hình 2.4. Hình dạng phổ tại lối vào CN2DR ................................................ 48 Hình 2.5. Hình dạng phổ tại vị trí chiếu mẫu trên CN2DR với cấu hình hiện tại ................................................................................................................. 48 Hình 2.6. Phantom sử dụng tại CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5 ........ 49 Hình 2.7. Vị trí tương đối giữa phantom và lối ra của CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5 ............................................................................................... 50 Hình 2.8. Cấu trúc chi tiết CN2DR và vị trí phantom sử dụng trong mô phỏng MCNP5 ........................................................................................................ 50 Hình 2.9. Hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe (model: GR7023) tại CN2DR ........................................................................................................ 59 Hình 2.10. Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối các tia gamma của detector HPGe cho các mẫu chuNn tại vị trí 5 cm cách mặt detector .......................... 61 Hình 2.11. Phantom sử dụng tại CN2DR ...................................................... 63 Hình 2.12. Nắp phantom sử dụng tại CN2DR .............................................. 63 Hình 2.13. Thiết lập thực nghiệm đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom xiii
tại CN2DR ................................................................................................... 64 Hình 2.14. Phổ gamma của lá dò Vanadium sau khi chiếu xạ với nơtrôn nhiệt trong phantom tại CN2DR............................................................................ 65 Hình 3.1. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục trung tâm của phantom bằng thực nghiệm và mô phỏng ............................................... 73 Hình 3.2. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt theo chiều bán kính của dòng nơtrôn bằng thực nghiệm và mô phỏng ................................................ 75 Hình 3.3. Phân bố suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom giữa MCNP5 và thực nghiệm ............................................................................... 77 Hình 3.4. Phân bố suất liều gamma theo chiều bán kính của dòng nơtrôn tại z = 3 cm trong phantom bằng MCNP5 và thực nghiệm ................................... 79 Hình 3.5. Phân bố suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom khi có và không có phantom ............................................................................... 81 Hình 3.6. Phân bố liều hấp thụ dọc theo trục trung tâm trong phantom tại CN2DR ........................................................................................................ 84 Hình 3.7. Phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt 2 chiều trong phantom ............. 85 Hình 3.8. Đường chuNn hàm lượng bor trong dung dịch được thực hiện tại CN2DR ........................................................................................................ 85 Hình 3.9. Bản vẽ thiết kế ống chuNn trực hình nón của CN2DR ................... 86 Hình 3.10a. Cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón dài 240 cm....... 88 Hình 3.10b. Cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón dài 140 cm ...... 88 Hình 3.10c. Cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón dài 90 cm......... 88 Hình 3.10d. Cấu hình CN2DR với ống chuNn trực hình nón dài 40 cm ........ 89 Hình 3.11. Phổ nơtrôn tại lối vào phantom của các cấu hình mới và cấu hình hiện tại, mô phỏng bằng MCNP5 cho CN2DR ............................................. 91 Hình 3.12. Bản vẽ thiết kế tổng quát của cấu hình mới phục vụ nghiên cứu xiv
BNCT tại CN2DR ........................................................................................ 92 Hình 3.13. Phân bố thông lượng nhiệt trong phantom sử dụng cấu hình mới cho CN2DR, mô phỏng bằng MCNP5.......................................................... 94 Hình 3.14. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom của cấu hình mới và cấu hình hiện tại, mô phỏng bằng MCNP5 ......................................................... 94 xv
MỞ ĐẦU Theo thống kê của Quỹ nghiên cứu ung thư Quốc tế, năm 2012 trên toàn thế giới có khoảng 14,1 triệu trường hợp mắc bệnh ung thư, trong đó có khoảng 1,8% số bệnh nhân liên quan đến não [93]. Riêng ở Mỹ, năm 2012 ước tính có khoảng 4.200 trường hợp trẻ em dưới 20 tuổi được chNn đoán với u não nguyên phát [7]. Tại Việt Nam, mỗi năm cả nước có thêm khoảng 150.000 ca mắc bệnh mới và 75.000 ca tử vong do ung thư, trong đó, ung thư não và các bệnh lý về não là khá phổ biến, với tỷ lệ mắc phải tương đối cao, đặc biệt là ở nhóm tuổi từ 15 đến 30 chiếm khoảng 30% [94]. U não là một khối các tế bào phát triển bất bình thường trong não. Sự tăng trưởng của khối u xuất hiện như là kết quả của sự phát triển không kiểm soát được của tế bào. Có 2 loại u não là u não nguyên phát và u não di căn. U não nguyên phát bắt đầu từ các tế bào trong não, u não di căn được tạo thành bởi các tế bào từ một phần khác của cơ thể đã di căn, hay lan rộng đến não. U não thường gặp ở người lớn là u thần kinh đệm (GlioBlastoma Multiforme – GBM), chúng có nguồn gốc từ các tế bào thần kinh đệm của não và rất dễ gây tử vong nếu không được điều trị [7]. Phẫu thuật, hóa trị và xạ trị là 3 phương pháp phổ biến để điều trị ung thư. Tuy nhiên, xạ trị vẫn là phương pháp có hiệu quả cao trong điều trị các loại khối u ác tính ở thể rắn [47]. Xạ trị (chữa trị bằng bức xạ) là phương pháp được áp dụng để điều trị các khối u thông qua sự tương tác của bức xạ đối với các tế bào. Trong đó, xạ trị bằng phản ứng bắt neutron (Neutron Capture Therapy – NCT) là một kỹ thuật được thiết kế để phá hủy khối u ở cấp độ tế bào, dựa trên sự chuyển đổi năng lượng tuyến tính cao (Linear Energy Transfer – LET) của các hạt nhân nặng 10 mang điện [48]. Một số nguyên tố như B, 6Li, 157 Gd và 235 U có thể được sử dụng trong NCT đã được giới thiệu và bàn luận trong các tài liệu [76, 81]. Tuy nhiên, 6Li và 235 U không có sẵn, khó tạo thành hợp chất để dùng trong NCT [76], hơn nữa 235U còn có tính phóng xạ [81]. Trong đó, 157Gd đã được lựa chọn để nghiên cứu chữa trị ung thư gan [81] với hàm lượng khoảng 140 ppm, 10B có 1
thể sử dụng để chữa trị ung thư phổi [22] nhưng chủ yếu vẫn là chữa trị ung thư não [81] với hàm lượng nằm trong khoảng từ 30-60 ppm [66]. Sau khi Goldhaber phát hiện ra tiết diện bắt neutron nhiệt cao bất thường của 10B (σ = 3837 barn; 1 barn = 10-24 cm2) năm 1934 [48]. Năm 1936 Locher [19, 23, 45, 76] đã đưa ra ý niệm về phương pháp xạ trị bằng phản ứng bắt neutron của hạt nhân 10B (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT) để chữa trị ung thư não (Hình 1.2). Bởi vì năng lượng giải phóng trong phản ứng này có thể gây thiệt hại một cách chọn lọc đến tế bào ung thư mà các phương pháp điều trị khác khó thực hiện được [23, 87]. Vì vậy BNCT đã được đề nghị như một khả năng để điều trị u não vào năm 1951 [23]. Nghiên cứu đầu tiên liên quan đến sự phù hợp của phản ứng 10 B(n, α) 7 Li trong xạ trị đã được báo cáo bởi Kruger, Zahl, Cooper và Dunning [36]. Các nghiên cứu lâm sàng đầu tiên của BNCT cho các khối u não sử dụng chùm nơtrôn nhiệt để chiếu xạ đã được thực hiện tại Mỹ trong thập niên 50 [35]. Tuy nhiên, những thử nghiệm này đã không thành công, nguyên nhân là do (i) hàm lượng của 10B tập trung trong khối u thấp và/hoặc tỷ lệ của hàm lượng 10B trong khối u và mô thường thấp (không đạt tỷ lệ 3:1); và (ii) thông lượng nơtrôn nhiệt không đủ lớn. Cuối thập niên 60 của thế kỷ 20, tại Nhật Bản, Hatanaka đã bắt đầu các kiểm tra lâm sàng với BNCT, kết hợp cả phẫu thuật (mở hộp sọ) và xạ trị với chùm nơtrôn nhiệt để điều trị khoảng 100 bệnh nhân bị các khối u GBM. Thời gian sống trung bình của những bệnh nhân này được kéo dài thêm từ 5 đến 15 năm và có xu hướng tăng lên đối với bệnh nhân mắc khối u ở phần ngoài của não [43]. Từ những năm 1980s phương pháp xạ trị BNCT đã được đầu tư nghiên cứu ở nhiều phòng thí nghiệm lớn ở trên thế giới với mục tiêu để nghiên cứu phát triển và thiết lập các chùm nơtrôn ứng dụng trong việc triển khai phương pháp BNCT. Ở châu Âu, thực nghiệm xạ trị khối u thần kinh đệm bằng BNCT đã 2
được thực hiện lần đầu tại lò phản ứng (LPƯ) thông lượng cao (High Flux Reactor – HFR) ở Petten của Hà Lan vào tháng 11/1997 [78]. Trong giai đoạn đầu của tiến trình nghiên cứu phát triển phương pháp BNCT, các thông tin về liều nơtrôn và gamma được đánh giá trên cơ sở số liệu trong lĩnh vực vật lý LPƯ. Tuy nhiên, sự phân bố phổ năng lượng nơtrôn và gamma tại các kênh thực nghiệm BNCT có sự khác biệt đáng kể so với phổ năng lượng nơtrôn và gamma trong vùng hoạt LPƯ [78]. Do đó, nghiên cứu chuyên sâu nhằm đánh giá chính xác các đặc trưng về phân bố phổ năng lượng, liều nơtrôn, liều gamma và liều do bức xạ thứ cấp phát sinh trong phản ứng BNCT là rất cần thiết. Và hiện nay, vấn đề này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu tại nhiều cơ sở có LPƯ hạt nhân nghiên cứu nhằm nâng cao tri thức và tiếp cận ứng dụng phương pháp BNCT một cách hiệu quả nhất. Các bài toán vật lý quan trọng trong phạm vi phương pháp BNCT cần thiết được quan tâm nghiên cứu cả về lý thuyết, tính toán mô phỏng và thực nghiệm có thể kể đến bao gồm: (i) thiết kế kênh nơtrôn phù hợp với các tham số đặc trưng về phổ năng lượng nơtrôn và photon; (ii) tính toán mô phỏng và thực nghiệm xác định các đặc trưng phân bố thông lượng nơtrôn, liều hấp thụ nơtrôn và gamma trong mô hình phantom; (iii) tính toán các thành phần liều từ phản ứng bắt nơtrôn trong BNCT trên cơ sở thông tin về phổ năng lượng nơtrôn; và (iv) phát triển các kỹ thuật phân tích bổ trợ để định lượng và kiểm soát hàm lượng bor trong quá trình xạ trị. Chùm nơtrôn sử dụng trong BNCT luôn tồn tại các tia gamma tạo ra trong các vật liệu dẫn dòng nơtrôn cũng như từ vùng hoạt của LPƯ [87]. Thêm vào đó, trong khối u và mô không chỉ có nguyên tố 10B được tập trung mà còn có các nguyên tố khác tồn tại như: nitơ, hydro, v.v... Vì vậy, liều hấp thụ trong BNCT bao gồm có 4 thành phần liều thường được quan tâm, đó là: (i) liều bor; (ii) liều nơtrôn nhiệt; (iii) liều nơtrôn nhanh; và (iv) liều gamma [20, 31, 41, 77]. Tuy nhiên, chỉ có 2 thành phần liều đầu tiên có đóng góp chủ yếu và chỉ có thể được xác định gián tiếp thông qua thông lượng nơtrôn và hàm lượng của các nguyên tố 10B [67, 77]. Trong đó, thông lượng nơtrôn nhiệt thường được xác định bằng 3