Luận văn Thạc sĩ: Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc Primus dùng trong xạ trị

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

84
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn tham khảo Luận văn Thạc sĩ: Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc Primus dùng trong xạ trị sau đây để nắm bắt được những nội dung về phương pháp xạ trị dùng chùm electron; máy gia tốc Primus - Siemens dùng trong xạ trị.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ: Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc Primus dùng trong xạ trị

THƯ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN HÀ VĂN HẢI XÁC ĐỊNH MỘT VÀI THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHÙM ELECTRON NĂNG LƯỢNG 6 MeV, 9 MeV VÀ 15 MeV PHÁT RA TỪ MÁY GIA TỐC PRIMUS DÙNG TRONG XẠ TRỊ Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO Mã số: 60.44.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học PGS. TS: BÙI VĂN LOÁT Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2010
Lời Cảm Ơn Trong suốt thời gian học tập và hoàn thiện đề tài “Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS dùng trong xạ trị ”. Em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ các Thầy, Cô giáo, các Nhân viên Phòng Vật lý Xạ trị Bệnh viện K Hà Nội và sự động viên giúp đỡ nhiệt tình của gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Quý Thầy, Cô giáo khoa Vật Lý, Phòng Sau Đại Học trường Đại Học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Vật lý Xạ trị Bệnh viện K Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để em tiến hành các phép đo thực nghiệm. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Bùi Văn Loát chủ nhiệm đề tài QG 09 – 07 cho phép em tham gia đề tài và lấy số liệu một số phép đo để khai thác số liệu gốc, xử lý và hoàn chỉnh phần thực nghiệm của luận văn. Đồng thời Phó Giáo Sư Tiến Sĩ Bùi Văn Loát cũng là người đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên khích lệ và tạo mọi điều kiện để tôi học tập và hoàn thành luận văn. Dù đã có nhiều cố gắng trong suốt thời gian thực hiện đề tài, song khó mà tránh khỏi những thiếu sót trong luận văn. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các Thầy, Cô giáo, bạn bè và những người quan tâm tới đề tài. TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010 Tác giả Hà Văn Hải
Danh mục các chữ viết tắt: Bq Becquerel CCU Control Unit Ci Curie C/kg Coulomb/kilôgam CT Computed tomography Gy Gray IAEA International atomic energy agency ICRP International Commission on Radiological Protection LET Linear energy transfer M Mitotic MRI Magnetic resonance imaging S Sythesis SSD Source to Surface Distance Sv Sievert R Roentgen Rad Radiation absorbed dose Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt – Anh: Buồng ion hóa Farmer Farmer chamber Buồng ion hóa chính Field Ion chamber Buồng ion hóa tham chiếu Reference Ion chamber Chụp cắt lớp Computed tomography Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế International atomic energy agency Độ truyền năng lượng tuyến tính Linear energy transfer Hình ảnh cộng hưởng từ Magnetic resonance imaging Pha phase Phát bức xạ Cerenkov phát bức xạ hãm Bremstrahlung Phân chia Mitotic Sự tổng hợp Sythesis Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế International Commission on Radiological Protection
Danh mục các bảng biểu: Bảng số Tên bảng Trang Bảng 1.1 Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ 18 Bảng 1.2 Giá trị LET trung bình trong nước của một bức xạ ion hóa 20 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc Bảng 1.3 21 với bức xạ tại thời điểm khác nhau Liều hấp thụ tương đối do chùm electron 6 MeV gây ra trong Bảng 3.1 55 phantom ứng với các trường chiếu khác nhau Liều hấp thụ tương đối do chùm electron 9 MeV gây ra trong Bảng 3.2 61 phantom ứng với các trường chiếu khác nhau Liều hấp thụ tương đối do chùm electron 15 MeV gây ra trong Bảng 3.3 67 phantom ứng với các trường chiếu khác nhau Phân bố liều hấp thụ ứng với chùm electron năng lượng 6 MeV Bảng 3.4 73 ở trường chiếu 10cm x 10cm với độ lệch tâm khác nhau Phân bố liều hấp thụ ứng với chùm electron 9 MeV ở trường Bảng 3.5 75 chiếu 10cm x 10cm với độ lệch tâm khác nhau Phân bố liều hấp thụ ứng với chùm electron 15 MeV ở trường Bảng 3.6 76 chiếu 10cm x 10cm với độ lệch tâm khác nhau Danh mục các hình vẽ: Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu tạo tế bào của cơ thể người 22 Hình1.2 Chu kỳ sinh sản của tế bào 24 Mối tương quan giữa liều lượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót Hình 1.3 26 của tế bào Mối tương quan giữa liều hấp thụ và sai sót của nhiễm sắc Hình 1.4 27 thể Hình 1.5 Mô hình hệ thống xạ trị cơ bản 32 Hình 2.1 Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị 33 Hình 2.2a Sắp xếp các ống tạo sự gia tốc 37 Hình2.2 b Sắp xếp các ống tạo sự gia tốc 37 Sơ đồ mặt cắt một máy gia tốc tuyến tính năng lượng cao Hình 2.3 40 cho xạ trị (Các thành phần bên trong chứa trong khung đỡ
và dàn quay) Bàn điều khiển (trung tâm hoạt động của máy gia tốc tuyến 41 Hình 2.4 tính) Hình cắt đầu điều trị của một máy gia tốc tuyến tính cho Hình 2.5a 42 chùm electron và photon Sơ đồ mặt cắt đầu điều trị của một máy gia tốc tuyến tính Hình 2.5b 42 cho chùm photon và electron Hình2.6 Thiết bị đo liều Dosimeter 43 Hình 2.7 Đầu đo Farmer type chamber FC65 – P 44 Hình 2.8 Buồng ion hóa CC13 46 Hình 2.9 Phantom nước 46 Hình 2.10 Bộ điều khiển của buồng ion hóa CCU 47 Hình 2.11 Giao diện phần mềm Omnipro-Accepts 48 Hình 2.12 Bố trí hình học đo đạc 49 Hình 2.13 Phổ năng lượng của chùm electron và các thông số của nó 50 Hình2.14 Sự phân bố liều hấp thụ trong phantom nước 52 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với Hình 3.1 56 chùm electron năng lượng 6 MeV trường chiếu 5cm x 5cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm Hình 3.2 57 electron năng lượng 6 MeV trường chiếu 10cm x 10cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm Hình 3.3 58 electron năng lượng 6 MeV trường chiếu 15cm X 15cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với Hình 3.4 62 chùm electron năng lượng 9 MeV trường chiếu 5cm X 5cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm Hình 3.5 63 electron năng lượng 9 MeV trường chiếu 10cm X 10cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm Hình 3.6 64 electron năng lượng 9 MeV trường chiếu 15cm X 15cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với Hình 3.7 68 chùm electron năng lượng 15 MeV trường chiếu 5cm X 5cm Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm Hình 3.8 69 electron năng lượng 15 MeV trường chiếu 10cm X 10cm Hình 3.9 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom với chùm 70
electron năng lượng 15 MeV trường chiếu 15cm x 15cm Đường cong phân bố liều hấp thụ theo khoảng cách tới Hình 3.10 74 trục của chùm electron 6 MeV ở nhiệt độ 200C áp suất 1 at Đường cong phân bố liều hấp thụ theo khoảng cách tới Hình 3.11 75 trục của chùm electron 9 MeV ở nhiệt độ 200C áp suất 1 at Đường cong phân bố liều hấp thụ theo khoảng cách tới Hình 3.12 77 trục của chùm electron 15 MeV ở nhiệt độ 200C áp suất 1 at
Mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó. Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả của hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II. Và gần đây nhất là thảm họa về tai nạn nhà máy điện hạt nhân Mayak, ngày 29 tháng 09 năm 1957 và nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng 04 năm 1986 [13]. Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao chất lượng cuộc sống đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính. Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đích phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát, thì nó có tác hại vô cùng to lớn. Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống, thì bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng. Bức xạ được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu xạ, trong việc tạo giống mới và trong điều trị ung thư.... Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm electron nói riêng trong xạ trị là: - Tương tác của chùm electron với vật chất. - Các hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể sống khi chiếu chùm electron. Trong cuộc sống có rất nhiều nguyên nhân và rất nhiều căn bệnh làm giảm tuổi thọ con người hoặc làm cuộc sống trở nên vô nghĩa vì luôn bị hành hạ bởi những cơn đau kéo dài. Một trong những nguyên nhân rất lớn gây hại cho cuộc sống đó là bệnh ung thư. Ung thư là một tập hợp các bệnh được biểu thị bởi sự phát triển lan rộng khối u. “Vấn đề ung thư” là một vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa nhất ở Châu Âu, vượt qua cả bệnh tim và là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao. Ở Canada và Mỹ có tới 130 000 và 1 200 000 người mỗi năm được chuẩn đoán là mắc bệnh ung thư [2]. Đặc biệt là ở những nước đang phát triển như Việt Nam các yếu tố môi trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực sự hợp vệ sinh… là những nguyên nhân làm gia tăng số người bị bệnh ung thư. Theo thống kê từ Bộ trưởng Y tế Đỗ Nguyên Phương cách đây gần chục năm. Theo đó mỗi năm nước ta có khoảng 150 000 người mắc ung thư và 100 000 người chết [12]. Việc điều trị ung thư bằng tia xạ đã có một quá trình lịch sử rất lâu dài có thể nói từ năm 1895, khi Roentgen phát hiện ra tia X và tới ngày 27 tháng 10 năm 1951 bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng tia gamma Coban-60. Việc ra đời sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị ung thư gặp khá nhiều vấn đề bất cập. Chính vì vậy có thể nói ảnh hưởng lớn nhất lên kỹ thuật xạ trị hiện đại là sự phát minh ra máy gia tốc tuyến tính vào những năm 1960. Từ đó tới nay, cùng với việc ứng dụng công nghệ thông tin, và các kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào trong xạ trị bằng
máy gia tốc, kết hợp với việc cải tiến về phần cơ khí đã làm cho phương pháp xạ trị đang dần thay thế hoàn toàn các phương pháp xạ trị từ xa khác, đem lại hiệu quả ngày càng cao trong điều trị ung thư. Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh viện K Hà Nội) đã dùng máy Coban, các nguồn radium vào trong xạ trị. Bên cạnh đó, một số cơ sở y tế khác như bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 đã sử dụng các đồng vị phóng xạ trong điều trị ung thư. Máy gia tốc được đưa vào Việt Nam từ tháng 1 năm 2001 tại Bệnh Viện K – Hà Nội. Hiện nay ngoài bệnh viện K – Hà Nội, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị như Bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương,… Phương pháp xạ trị từ xa dùng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển mạnh ở nước ta. Tuy nhiên số lượng máy còn quá ít so với yêu cầu thực tế. Và đây cũng là thiết bị mới đòi hỏi người sử dụng phải có kỹ thuật chuyên môn cao. Vấn đề nguồn nhân lực của nước ta để đáp ứng nhu cầu khai thác, sử dụng triệt để máy còn hạn chế chứ chưa nói đến những vấn đề sửa chữa, nâng cấp và chế tạo mới. Chính vì vậy việc tìm hiểu và quảng bá những kiến thức về xạ trị, nguyên lý hoạt động của máy và tìm hiểu chính xác những thông số mà tia xạ của máy phát ra, để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân là vấn đề rất cần thiết. Nên tôi đã chọn đề tài: “Xác định một vài thông số đặc trưng của chùm electron năng lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS dùng trong xạ trị ”. Mục đích của đề tài đặt ra: Tìm hiểu phương pháp dùng chùm electron trong xạ trị và những ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác. Tìm hiểu cơ chế phát chùm electron của máy PRIMUS – SIEMENS và khảo sát bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của chùm electron phát ra từ máy PRIMUS – SIEMENS Dựa trên kết quả thực nghiệm thu được tiến hành thảo luận để rút ra kết luận về năng lượng đặc trưng và xác định phân bố liều hấp thụ của chùm electron với năng lượng khác nhau. Bảng luận văn này dài 81 trang gồm 39 hình vẽ và bảng biểu. Ngoài phần mở đầu và kết luận bảng luận văn này được chia thành ba chương: Chương 1: Phương pháp xạ trị dùng chùm electron đề cập đến cơ chế sinh học của việc sử dụng chùm electron trong xạ trị. Chương 2. Máy gia tốc PRIMUS - SIEMENS dùng trong xạ trị đề cập đến nguyên lý của loại máy gia tốc electron nói chung và của máy PRIMUS – SIEMENS nói riêng. Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận tiến hành thực nghiệm đo năng lượng và xác định phân bố liều của chùm electron. Dựa trên kết quả thực nghiệm tiến hành thảo luận để sử dụng
chùm electron lượng 6 MeV, 9 MeV và 15 MeV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS trong điều trị ung thư một cách hiệu quả nhất.
Chương 1. PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG CHÙM ELECTRON 1.1. Tương tác của electron với vật chất Khi Electron đi trong môi trường vật chất nó tương tác chủ yếu với electron trong nguyên tử của môi trường. Do hai hạt tương tác giống hệt nhau nên mỗi lần tương tác hạt electron sẽ có xác suất rất cao mất phần năng lượng của mình. Đồng thời đường đi của nó trong môi trường là ziczăc, góc tán xạ biến đổi từ 00 đến 1800. Do mất dần năng lượng nên vận tốc của nó cũng giảm dần. Mặt khác, hạt electron là một hạt tích điện tích âm, có vận tốc chuyển động thay đổi liên tục nghĩa là nó chuyển động có gia tốc trong trường coulomb của các hạt nhân và các electron khác. Theo điện động lực học, một hạt tích điện chuyển động có gia tốc như vậy sẽ phát ra bức xạ hãm. Hơn nữa, xác suất phát bức xạ hãm càng lớn nếu khối lượng của hạt càng nhỏ, năng lượng (động năng) càng lớn và nguyên tử số của môi trường càng lớn. Do đó, khi hạt electron có động năng lớn chuyển động trong môi trường có nguyên tử số lớn thì xác suất phát bức xạ hãm rất cao [1, 6, 9, 11, 16]. Do đó, độ mất mát năng lượng của electron trên một đơn vị đường đi bằng tổng độ mất mát năng lượng do cả hai quá trình trên. dE  dE   dE  Ta có:     (1.1) dX  dX  vc  dX  bc  dE  Trong đó:   là độ mất mát năng lượng tổng cộng.  dX   dE    là độ mất mát năng lượng do ion hóa.  dX  vc  dE    là độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm.  dX  bc Tùy theo năng lượng của bức xạ electron và nguyên tử số của môi trường mà độ mất mát năng lượng của electron trong môi trường do mỗi quá trình trên sẽ có mức độ khác nhau. Trong các môi trường có nguyên tử số lớn gần nhau thì độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi cũng có đặc điểm chung. Sau đây ta sẽ xét riêng từng quá trình làm mất mát năng lượng của hạt electron trong môi trường. 1.1.1. Quá trình kích thích và ion hóa nguyên tử môi trường Khi đi trong môi trường, do tương tác coulomb với các electron của nguyên tử môi trường, electron tới truyền năng lượng của mình cho các electron của nguyên tử môi trường [9]. Nếu năng lượng electron nhận được E lớn hơn thế năng ion hóa của nguyên tử môi trường , electron bay ra
khỏi nguyên tử. Như vậy một cặp ion dương – electron được tạo thành, ta nói nguyên tử bị ion hóa. Nếu E năng lượng nhận được nhỏ hơn thế năng ion hóa, electron nhảy ra quỹ đạo xa hơn. Nguyên tử ở trạng thái kích thích. Quá trình tương tác của hạt electron với electron nguyên tử môi trường mà năng lượng của electron bị mất đi, đồng thời hướng chuyển động của nó bị lệch đi gọi là quá trình tán xạ không đàn hồi của electron – electron. Trong quá trình tán xạ này, do hai hạt có khối lượng giống nhau nên xác suất để electron tới nói chung mất một nửa năng lượng của mình là lớn nhất. Độ mất mát năng lượng của electron trên một đơn vị đường đi được [9, 15, 16] xác định theo công thức Bethe – Bloch:  dE  2 2 Z 1  k 2 k  1 C     2 .N A .re .me c   ln  F (k )    v  (1.2)  dx  col 2   A   2 I / me c 2  Z  dE  Trong đó:    là độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do ion hóa.  dx  col NA là số Avôgađrô; re, me là bán kính cổ điển tính ra cm và khối lượng của electron; Z, A là điện v tích và số khối của môi trường;   với v là vận tốc của hạt electron, còn c là vận tốc ánh sáng; k c là động năng của hạt electron tính trong đơn vị m ec2,  , CV là hệ số hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của động năng. Hàm F(k) có dạng như sau: k2  (2k  1). ln 2 F(k) = 1 -  2  8 (1.3) (k  1) 2 Công thức xác định độ mất mát năng lượng của bức xạ electron trên một đơn vị đường đi do quá trình kích thích môi trường và ion hóa do va chạm rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào năng lượng của hạt electron, số khối và điện tích của nguyên tử môi trường, mật độ khối của môi trường. Có thể diễn tả một cách ngắn gọn, với bức xạ electron có năng lượng xác định, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do quá trình ion hóa và kích thích nguyên tử môi trường tỷ lệ thuận với mật độ môi trường. Còn với môi trường xác định, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do quá trình này giảm dần sau đó đạt giá trị hầu như không đổi. Khi năng lượng của bức xạ electron còn nhỏ, sự mất mát năng lượng của nó chủ yếu là do quá trình ion hóa do va chạm và kích thích môi trường, sự mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm nhỏ hơn. Tuy nhiên, khi năng lượng của bức xạ electron tăng lên, độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường chiếm tỉ lệ nhỏ dần, còn độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng dần. Khi năng lượng của electron đạt đến giá trị đủ lớn thì độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm sẽ trở thành chiếm ưu thế [9].
1.1.2. Quá trình phát bức xạ hãm Do electron mang điện tích đi vào trong trường coulomb của hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương nó bị hút nên bị hãm lại nghĩa là vận tốc giảm dần, chuyển động có gia tốc. Gia tốc này càng lớn khi điện tích của hạt nhân càng lớn. Theo điện động lực học, một hạt mang điện tích chuyển động có gia tốc sẽ phát ra bức xạ điện từ gọi là bức xạ hãm. Bức xạ hãm có phổ liên tục, năng lượng từ không đến giá trị cực đại bằng động năng của hạt electron. Độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm trên một đơn vị đường đi phụ thuộc vào nguyên tử số của môi trường, mật độ khối của môi trường, năng lượng của hạt electron được [8, 9] xác định theo công thức sau:  dE  1  2E 1   2 2   4 N .E.Z .re . . ln 2   f  z  (1.4)  dx  bx 137  me .c 3  Trong đó:  dE    là độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do phát bức xạ hãm.  dx  bx N là số nguyên tử khối của môi trường trong một đơn vị thể tích (mật độ khối). E là động năng của electron, me là khối lượng nghỉ của electron. Z là điện tích của hạt nhân. Từ công thức (1.4) ta thấy mật độ mất mát năng lượng của hạt electron do phát ra bức xạ hãm tăng theo hàm logarit tự nhiên của năng lượng. Với mức năng lượng lớn, khi năng lượng electron tăng thì mật độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng lên nhưng độ mất mát năng lượng do ion hóa lại không thay đổi. Độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do phát bức xạ hãm cũng tỷ lệ với số hạt nhân bia. Nói chung, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi của hạt electron phụ thuộc vào nguyên tử số của môi trường. Với một môi trường xác định, khi năng lượng của chùm electron còn nhỏ thì độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường chiếm ưu thế, hay tỷ số giữa độ mất mát năng lượng do bức xạ hãm với độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường nhỏ hơn một. Tỉ số này tăng dần khi năng lượng của electron tăng lên. Khi năng lượng của hạt electron đạt đến một giá trị ngưỡng E0 nào đó, gọi là năng lượng tới hạn thì tỉ số trên bằng một, nghĩa là khi đó độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do hai hiệu ứng bằng nhau:  dE   dE      (1.5)  dx  vc  dx  bx Khi năng lượng E > E0 thì tỉ số trên lớn hơn một, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm chiếm ưu thế.
Từ thực nghiệm cho thấy rằng các năng lượng tới hạn Ec nói trên phụ thuộc vào điện tích hay nguyên tử số môi trường. Khi năng lượng của hạt electron cỡ từ vài MeV trở lên, độ mất mát năng lượng của nó do phát bức xạ hãm và do kích thích – ion hóa môi trường có thể liên hệ với nhau bằng biểu thức [8, 9, 11, 15]:  dE     dx  bx EZ  (1.6)  dE  800    dx  vc Trong đó: E là năng lượng của hạt electron; Z là nguyên tử số của môi trường. Từ công thức (1.6) trên ta thấy, năng lượng tới hạn ứng với tỉ số ở vế trái bằng một, nghĩa là khi 800 đó Ec  . Rõ ràng nguyên tử số của môi trường càng lớn thì năng lượng tới hạn càng giảm. Z Chính xác hơn, người ta tính được năng lượng tới hạn theo nguyên tử số của môi trường [9]. 800 EC = MeV (1.7) Z  1,2 Khi năng lượng của hạt electron lớn hơn năng lượng tới hạn rất nhiều, sự mất mát năng lượng do quá trình bức xạ chiếm tỉ lệ lớn, nghĩa là hạt electron mất mát năng lượng chủ yếu do phát bức xạ hãm. Môi trường có khả năng hãm bức xạ electron tốt là môi trường mà chùm bức xạ chuyển động trong đó bị mất mát năng lượng nhanh nhất. Người ta sử dụng chiều dài làm chậm bức xạ của một môi trường để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ electron của nó. Chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường là khoảng cách mà chùm electron chuyển động trong môi trường đó thì năng lượng sẽ bị 1 giảm đi một hệ số  0,367 do phát bức xạ hãm. Chiều dài làm chậm được tính bằng công thức sau e [9]: 716,4. A X0  (1.8)  287  Z .( Z  1). ln    Z  Trong đó: Z, A là điện tích và số khối của nguyên tử môi trường. Khi môi trường có cấu tạo gồm nhiều thành phần nguyên tử khác nhau thì chiều dài làm chậm bức xạ của nó được xác định theo chiều dài làm chậm của tất cả các thành phần có trong nó. Lúc này có thể xác định chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường phức tạp bằng công thức: n 1 A 1   qi . i . (1.9) X 0 i1 AM X i Trong đó: X0 là chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường phức tạp. qi là hàm lượng nguyên tử số của môi trường.
n AM =  A là số khối hiệu dụng của môi trường. i 1 i Xi là chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường chỉ có nguyên tử có số khối Ai. Trong thực nghiệm người ta đi xây dựng một hệ thống số liệu về chiều dài làm chậm bức xạ của từng nguyên tố để làm cơ sở tính chiều dài làm chậm của các môi trường phức tạp. Từ khái niệm về chiều dài làm chậm bức xạ, ta có thể đưa ra công thức tính năng lượng trung bình của hạt electron sau khi đi được đoạn đường trong môi trường có chiều dài làm chậm bức xạ X0 là [9]. x E  E0 . exp( ) (1.10) X0 Trong đó: E0 là năng lượng ban đầu của bức xạ electron. X0 là chiều dài bức xạ của môi trường. E là năng lượng trung bình của hạt electron sau khi đi được đoạn đường x. 1.1.3. Quãng chạy của chùm electron trong vật chất Do quỹ đạo của electron là đường ziczăc do đó quãng đường thực sự mà các electron có năng lượng như nhau đi trong vật chất rất khác nhau. Quãng chạy của electron có năng lượng xác định, được hiểu là bề dày lớp vật chất có khả năng hãm hoàn toàn chùm electron được tính theo phương chuyển động của electron theo hướng vuông góc với bề mặt của lớp vật chất. Quãng chạy của electron trong vật chất phụ thuộc vào năng lượng electron và môi trường thường được xác định theo công thức bán thực nghiệm. Với năng lượng ban đầu của electron nhỏ hơn 3 MeV, trong [9, 15] đưa ra công thức xác định quãng chạy của electron trong vật chất như sau: 0,11 R ( 1  22,4 E02  1) (1.11)  Trong đó:  là mật độ khối của môi trường (g/cm 3). E0 là năng lượng ban đầu của electron, tính ra MeV. R là quãng chạy của electron tính ra cm. Gần đúng bậc nhất, quãng chạy của electron tỉ lệ thuận với năng lượng ban đầu của electron và tỉ lệ nghịch với mật độ khối của môi trường. Khi năng lượng của electron lớn hơn 1 MeV (E0 > 1 MeV) sự phụ thuộc của quãng chạy của electron vào năng lượng của nó trong môi trường được [15] biểu diễn bằng công thức sau: 1 R (0,571.E0  0,161) khi E0 > 1 MeV (1.12)  Các đại lượng  , E0 và R đã được giải thích trong công thức (1.11).
Từ các công thức (1.11) và (1.12) nhận thấy quãng chạy của electron, được tính theo bề dày khối, chỉ phụ thuộc vào năng lượng của electron. 1.2. Các đơn vị đo liều bức xạ 1.2.1. Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ nào đó chính là số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Nếu trong một lượng chất phóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, thì hoạt độ phóng xạ của nó được [3, 9] tính theo công thức sau: dN A(t )   .N ( t )  .N 0 exp(t )  A( 0) exp( t ) hay A = . N (1.13) dt Trong đó: A là hoạt độ phóng xạ.  là hằng số phân rã phóng xạ. N là số hạt nhân phóng xạ hiện có. Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel, viết tắt là Bq. Một Becquerel tương ứng với một phân rã trong 1 giây. Trước kia, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Curie, viết tắt là Ci. Curie là hoạt độ 226 phóng xạ của 1 gam Ra, tương ứng với 3,7.1010 phân rã trong một giây. Theo định nghĩa, Becquerel và Curie có mối liên hệ như sau: 1Ci = 3,7.1010Bq. 1.2.2. Liều chiếu và suất liều chiếu a. Liều chiếu Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, trong môi trường chiếu xạ là không khí. Liều chiếu ký hiệu là X, được [3, 4, 9] xác định theo công thức: dQ X (1.14) dm Trong đó: dm là khối lượng không khí tại đó chùm tia X hoặc chùm bức xạ gamma bị hấp thụ hoàn toàn, kết quả tạo ra trên dm tổng các điện tích cùng dấu là dQ. Trong hệ đo SI, đơn vị đo liều chiếu là Coulomb trên kilôgam, viết tắt là C/kg. Coulomb trên kilôgam được định nghĩa như sau: "1 C/kg là liều bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1 kilôgam không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó 1 Coulomb ion cùng dấu". Ngoài đơn vị C/kg, trong kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo liều chiếu là Rơnghen, viết tắt là R. Theo định nghĩa Rơnghen là một lượng bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1 kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó tổng điện tích của các ion cùng dấu là 2,58.10-4 C. Theo định nghĩa có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilôgam sang Rơnghen theo tỷ lệ như sau:
1 R = 2,58.10-4 C/kg. b. Suất liều chiếu  Suất liều chiếu chính là liều chiếu trong một đơn vị thời gian. Suất liều chiếu, ký hiệu là X được [3, 4, 9] xác định theo công thức:  X X  (1.15 a) t Trong đó: X là liều chiếu trong thời gian t. Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s. Tuy nhiên trong thực nghiệm đơn vị đo suất liều chiếu thường dùng là Rơnghen/giờ. Rơnghen/giờ được ký hiệu là R/h, thông thường suất liều chiếu thường dùng nhiều hơn cả là R/h. Với một nguồn phóng xạ, suất liều chiếu do nó gây ra tại một điểm cho trước tỷ lệ thuận với hoạt độ phóng xạ của nó và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ điểm đó tới nguồn. Xét một nguồn phóng xạ có kích thước nhỏ, có độ phóng xạ A, suất liều chiếu do nó gây ra tại điểm M cách nguồn một khoảng d được [9] xác định theo công thức gần đúng sau:  0,525.E. A X  (1.15 b) d2 Trong đó: d là khoảng cách từ điểm khảo sát đến nguồn được đo bằng mét. E là năng lượng trung bình của bức xạ gamma tính trên một phân rã. A là hoạt độ phóng xạ của nguồn phóng xạ được đo bằng Ci.  X là suất liều chiếu được đo bằng R/h. 1.2.3. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ a. Liều hấp thụ Thực tế cho thấy những sự thay đổi trong môi trường chiếu xạ phụ thuộc chủ yếu vào liều hấp thụ và liều tương đương. Với khái niệm liều hấp thụ và liều tương đương, cho phép mở rộng đối tượng bức xạ nghiên cứu và môi trường chiếu xạ. Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trường chiếu xạ là không khí. Còn liều hấp thụ và liều tương đương sẽ áp dụng cho các loại bức xạ ion hóa khác nhau và môi trường được chiếu xạ khác nhau. dE Liều hấp thụ ký hiệu là D, được định nghĩa là thương số . Trong đó dE là năng lượng trung dm bình mà bức xạ ion hóa truyền cho lượng vật chất môi trường có khối lượng là dm [3, 9]. Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là June/kilôgam, viết tắt là J/kg. 1 J/kg là lượng bức xạ chiếu vào môi trường chiếu xạ sao cho chúng truyền cho 1 kg môi trường vật chất đó một năng lượng là 1 J.
Trong thực tế, ngoài đơn vị đo liều hấp thụ là J/kg, người ta còn dùng đơn vị là Gray viết tắt là Gy và Rad để đo liều hấp thụ. Rad được viết tắt từ: “Radiation absorbed dose”. Chuyển đổi từ J/kg sang Rad hoặc Gray và ngược lại theo tỷ lệ sau [9, 11]: 1 Gy = 1 J/kg 10-2 J/kg = 1rad. 1 Gy = 1J/kg = 102 rad. Qua các định nghĩa trên về liều hấp thụ và liều chiếu, nhận thấy giữa liều chiếu hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ với nhau. Với loại bức xạ ion hóa xác định, môi trường chiếu xạ cho trước, thì liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu. Liều hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ nhau theo công thức sau [3, 9]: D = f.X (1.16) Trong đó: D là liều hấp thụ; X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ f thực chất là hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ. Giá trị của f tùy thuộc vào môi trường chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tương ứng. Đối với không khí và rad trong nước hệ số tỷ lệ f = 0,869 . R b. Suất liều hấp thụ  Suất liều hấp thụ D chính là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Suất liều hấp thụ được [3, 9] xác định theo công thức: * D D (1.17) t Trong đó: D là liều hấp thụ trong thời gian t. Đơn vị đo suất liều hấp thụ là Gy/s hay rad/s. 1.2.4. Liều tương đương và suất liều tương đương a. Liều tương đương Đối với sinh vật và cơ thể sống, dưới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn đến hiện tượng làm biến đổi hoặc gây tổn thương nào đó cho đối tượng được chiếu xạ. Người ta gọi hiện tượng trên là hiệu ứng sinh học. Với liều hấp thụ D cho trước, hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ được sử dụng, điều kiện chiếu xạ, khoảng thời gian chiếu xạ. Đối với một sinh vật cho trước, để gây ra một tổn thương xác định, trong các lần chiếu khác nhau thì cần một liều hấp thụ khác nhau. Khi đánh giá ảnh hưởng của bức xạ đến hiệu ứng sinh học, thay cho liều hấp thụ ta dùng liều tương đương, ký hiệu là H. Với một loại bức xạ và môi trường sống xác định, liều tương đương tỷ lệ với liều hấp thụ. Liều tương đương và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau [9]: H = QND (1.18)
Trong đó: D là liều hấp thụ tính bằng rad. H là liều tương đương tính bằng rem. Q là hệ số phẩm chất của bức xạ. N là hệ số tính đến các yếu tố khác nhau như sự phân bố của liều chiếu. Hệ số phẩm chất Q dùng trong an toàn bức xạ đánh giá ảnh hưởng của các loại bức xạ lên đối tượng sinh học, cho biết mức độ nguy hiểm của từng loại bức xạ đối với cơ thể sống. Hệ số phẩm chất Q cho biết sự phụ thuộc của quá trình truyền năng lượng tuyến tính của bức xạ trong vật chất. Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế (International Commission on Radiological Protection - ICRP) đã khuyến cáo hệ số phẩm chất đối với các bức xạ thông thường ứng với năng lượng khác nhau. Giá trị hệ số phẩm chất do ICRP khuyến cáo được cho trong Bảng 1.1. Bảng 1.1: Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ Loại bức xạ và năng lượng Hệ số phẩm chất Q Bức xạ gamma và tia X với mọi năng lượng 1 Electron với mọi năng lượng 1 Nơtron năng lượng nhỏ hơn 10 keV 5 Nơtron năng lượng từ 10 keV đến 100 keV Từ 10 đến 20 Nơtron năng lượng từ 100 keV đến 2 MeV 20 Nơtron năng lượng từ 2 MeV đến 20 MeV 10 Nơtron năng lượng lớn hơn 20 MeV Từ 5 đến 10 Proton năng lượng nhỏ hơn 2 MeV Từ 3 đến 5 Proton năng lượng lớn hơn 2 MeV 5 Hạt alpha và hạt nặng, mảnh phân chia 20 Trong hệ SI, đơn vị đo liều tương đương là Sievert, kí hiệu là Sv. Đối với bức xạ gamma, tia X và electron nếu liều hấp thụ là 1 J/kg hay 1 Gy thì liều tương đương là 1 Sv. Từ công thức (1.18) nếu D đo bằng rad, thì H đo bằng rem, còn nếu liều hấp thụ đo bằng Gy thì liều tương đương được tính ra rem. Vì 1 Gy = 100 Rad, nên theo biểu thức (1.18) suy ra 1 Sv = 100 rem. Như vậy, với cùng một đối tượng chiếu xạ và liều hấp thụ như nhau chẳng hạn D = 100 rad, khi bức xạ chiếu là tia gamma liều hiệu ứng sinh học tương đương là 100 rem, còn với nơtron nhanh liều tương đương sẽ là 1000 rem [9]. b. Suất liều tương đương Suất liều tương đương chính là liều tương đương trong một đơn vị thời gian. Suất liều tương  đương ký hiệu H được xác định theo công thức [9]:
* H H (1.19) t Trong đó t là thời gian, H là liều tương đương mà cơ thể sống nhận được trong thời gian t. Đơn vị đo suất liều tương đương là Sv/s hoặc Sv/h. Với suất liều chiếu gamma cho trước, liều hiệu dụng tương đương tỷ lệ thuận với thời gian chiếu. Giữa liều hiệu dụng, liều tương đương và suất liều chiếu liên hệ với nhau theo công thức sau [9]: * H = f.Q.N. X .t (1.20) Trong đó: f là hệ số tỷ lệ tùy thuộc vào môi trường, với không khí f = 0,869; Q là hệ số phẩm chất; N là hệ số tính đến điều kiện chiếu và độ đồng đều khi chiếu, * t là thời gian chiếu; X là suất liều chiếu; H là liều hiệu dụng tương đương. 1.2.5. Độ truyền năng lượng tuyến tính Năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trong vật chất chưa đủ để đặc trưng cho hiệu ứng sinh học xảy ra trong vật chất. Thực nghiệm chỉ ra rằng các hiệu ứng sinh học phụ thuộc vào sự phân bố của năng lượng đã bị hấp thụ trên đường đi của bức xạ trong vật chất. Để đặc trưng cho sự phân bố độ mất mát năng lượng bức xạ trên đường đi trong vật chất, ta dùng khái niệm độ truyền năng lượng tuyến tính, ký hiệu là LET viết tắt của “Linear energy transfer”. Độ truyền năng lượng tuyến tính, được [9, 11] xác định theo công thức: dE LET  (1.21) dl Trong đó dE là độ mất mát năng lượng trên quãng đường dl. Trong hệ SI đơn vị đo độ truyền năng lượng tuyến tính là J/m hoặc keV/ m. Sự phân bố năng lượng bị hấp thụ của bức xạ trong vật chất còn tùy thuộc vào bản chất của mỗi loại bức xạ. Đối với bức xạ ion hóa gián tiếp, độ truyền năng lượng tuyến tính nhỏ hơn nhiều so với bức xạ ion hóa trực tiếp. Bảng 1.2 đưa ra các giá trị LET trung bình của các loại bức xạ ion hóa khác nhau trong môi trường là nước. Bảng1.2: Giá trị LET trung bình trong nước của một bức xạ ion hóa Bức xạ gây ion hóa LET Mật độ ion Bức xạ môi trường (KeV/  m) trên 1  m Tia X Electron thứ cấp 0,28 8,5 Gamma Electron thứ cấp 0,36 11 Tia X (30KeV – 180KeV) Electron thứ cấp 3,2 100 Tia X 8 KeV Electron thứ cấp 4,7 145
Tia anpha 5 MeV Ion hóa trực tiếp 120 3700 Nơtron 12 MeV Proton 3,5 290 1.2.6. Liều giới hạn Khi tiếp xúc với chất phóng xạ hoặc các nguồn phóng xạ và các bức xạ ion hóa, nhân viên công tác bị chiếu xạ nhận được một liều hấp thụ nào đó. Tùy thuộc vào liều hấp thụ mà nhân viên nhận được, bức xạ hạt nhân sẽ ảnh hưởng khác nhau đến họ. Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên làm việc với chất phóng xạ cần phải giảm ảnh hưởng của các bức xạ đến nhân viên. Về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, cần phải đưa ra những quy định cụ thể về liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên còn có thể làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay bức xạ ion hóa [9]. Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm mà người làm việc trực tiếp với bức xạ hạt nhân có thể chịu được, sao cho nếu bị chịu một liều hấp thụ tích lũy liên tục như vậy trong nhiều năm liên tục vẫn không ảnh hưởng đến sức khỏe của bản thân. Liều hấp thụ cho phép còn phụ thuộc vào độ tuổi. Theo quy định chung về luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở lên mới được làm việc trong cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân. ICRP đã khuyến cáo công thức tính liều hấp thụ tích lũy cho phép trong một năm đối với nhân viên, chuyên viên làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ trong một năm như sau [3, 9]. D = 50(N – 18) mSv hay D = 5(N – 18) rem Trong đó: N là độ tuổi của nhân viên chuyên nghiệp N  19, D là liều hấp thụ tích lũy trong một năm. Tính trung bình, liều tích lũy cho phép là D = 50 mSv/năm. Đối với các đối tượng khác liều hấp thụ cho phép giảm 10 lần. Giá trị liều hấp thụ tích lũy toàn thân cho phép D được các cơ quan ICRP khuyến cáo tại các thời điểm khác nhau, được cho ở Bảng 1. 3. Bảng 1.3: Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc với bức xạ tại thời điểm khác nhau Giới hạn liều Thời gian đề nghị Cơ quan đề nghị 150 mSv/năm 1950 ICRP 50 mSv/năm 1977 ICRP 20 mSv/năm 1990 ICRP Theo Pháp lệnh An toàn và Kiểm soát Bức xạ hạt nhân Việt Nam, liều hấp thụ tương đương cho toàn thân đối với nhân viên làm việc với nguồn phóng xạ và bức xạ hạt nhân là 20 mSv trong một năm. Trong 5 năm có một năm liều hấp thụ trên toàn thân có thể lên tới 50 mSv. Tuy nhiên tổng liều trong 5 năm liên tục không vượt quá 100 mSv [3, 9]. Quy định này phù hợp với quy định của Ủy ban An toàn Bức xạ Quốc tế. Tuy nhiên các cơ quan trong cơ thể người có mức nhạy cảm khác nhau