Sử dụng chương trình Geant4 trong việc tính toán truyền năng lượng tuyến tính cho tia betta của đồng vị tritium

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, bài báo sử dụng gói chương trình Monte Carlo Geant 4 và Geant4- DNA để mô phỏng tính toán năng lượng tuyến tính (LET) do các tia beta của tritium gây ra. Ngoài ra, nghiên cứu đã xác định tác động của năng lượng electron lên LET cũng như mô tả quỹ đạo của electron trong nước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Sử dụng chương trình Geant4 trong việc tính toán truyền năng lượng tuyến tính cho tia betta của đồng vị tritium

SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH GEANT4 TRONG VIỆC TÍNH TOÁN TRUYỀN NĂNG LƯỢNG TUYẾN TÍNH CHO TIA BETTA CỦA ĐỒNG VỊ TRITIUM Hoàng Sỹ Minh Tuấn 1 1. Viện Phát Triển Ứng Dụng, Trường Đại Học Thủ Dầu Một, Email: hoangsyminhtuan@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Tritium, một đồng vị phóng xạ quan trọng được xả vào môi trường từ nhà máy điện hạt nhân, gây ra lo ngại về môi trường. Mặc dù Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ (ICRP) khuyến nghị Tỷ lệ Tác động Sinh học Tương đối (RBE) của tritium là 1.0, những nghiên cứu gần đây cho thấy RBE có thể vượt qua giá trị này. Truyền Năng Lượng Tuyến tính (LET) là chỉ số đáng tin cậy cho RBE. Sử dụng mô hình vật lý Geant4-DNA, bài báo đã tính toán LET của tia beta của tritium trong nước và xác định quỹ đạo của chúng. Kết quả cho thấy LET giảm theo độ dài quỹ đạo, vượt qua 100 keV/μm cho các đoạn ngắn hơn 600 nm, cao hơn nhiều so với báo cáo của UNSCEAR năm 2016. LET vẫn > 10 keV/μm cho các đoạn ngắn hơn 4 μm, được quy cho tia beta năng lượng thấp. LET cao chủ yếu do electron < 1 keV gây ra, chiếm 9% của phổ beta. Đáng chú ý, electron có năng lượng thấp thể hiện LET phụ thuộc vào năng lượng, với phạm vi ngắn hơn do phân tán nhiều lần. Các tính toán LET và quỹ đạo này là quan trọng để hiểu tổn thương tế bào gây ra bởi trítium và dự đoán phân phối liều trong tế bào và mô tế bào. Từ khóa: Tritium, LET, Hiệu ứng sinh học 1. MỞ ĐẦU Tritium là một loại đồng vị phóng xạ thường được thải ra vào môi trường từ các nhà máy điện hạt nhân, cả trong điều kiện hoạt động bình thường và trong trường hợp tai nạn (Noriyuki và nnk., 2012). Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu về hợp tử, nơi mà lượng lớn tritium được xử lý trong các reaktor hợp tử (Bornschein và nnk., 2013). Tritium có khả năng biến đổi thành nước tritiated (HTO) trong môi trường, hành vi tương tự như nước và dễ dàng bị hấp thụ bởi con người (UNSCEAR, 2017). Hiện nay, Ủy ban Bảo vệ Phóng xạ Quốc tế (ICRP) đang khuyến nghị một giá trị Tỷ lệ Tác động Sinh học Tương đối (RBE) cho tritium là 1.0, so với chiếu X (Hill và nnk., 2020; Hunter và nnk., 2009). Tuy nhiên, nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng mức độ gây hại của tritium đáng kể lớn hơn so với photon, và giá trị RBE có thể cao hơn 1.0 (Little và nnk., 2008; Chen, 2013; Nikjoo và nnk., 2010). Mức độ RBE cao hơn này có thể liên quan đến mức độ Truyền Năng Lượng Tuyến tính (LET) cao hơn của tritium. Khi electron được phát ra từ tritium, năng lượng của chúng dao động từ 0 keV đến 18.6 keV, tuân theo một phân phối xác suất được xác định bởi lý thuyết phân rã beta Fermi. Chen đã sử dụng mô hình hóa để phân tích RBE của nước tritiated (HTO) và tritium hữu cơ (OBT) (Chen, 2013; Chen, 2016). Kết quả của Chen đã khớp với những kết luận về sinh học phóng xạ, chỉ ra rằng RBE của OBT có thể gấp đôi so với HTO. Alloni đã mô phỏng liều lượng hấp thụ và hiệu suất gây ra gãy đôi sợi DNA do các tia beta tritium gây ra ở mức độ thấp và trung bình bằng cách sử dụng mã cấu trúc đường dẫn sinh học PARTRAC (Alloni, 2014). 274
Alloni đã phát hiện rằng liều lượng trong hạt nhân chiếm 15% của liều lượng trung bình trong tế bào, và đã đề xuất cần xem xét về vị trí nội tế của tritium. Ngoài ra, các mô phỏng sử dụng gói phần mềm mới phát triển Geant4-DNA đã cho thấy năng lượng tuyến tính thu được với một hình cầu ghi điểm có đường kính 2 nm gấp đôi so với một hình cầu ghi điểm có đường kính 100 nm (Margis, 2020). Những kết quả này nhấn mạnh sự quan trọng của việc tiếp tục nghiên cứu về các hiệu ứng sinh học phóng xạ của tritium và phát triển các phương pháp đánh giá rủi ro của nó một cách chính xác hơn. Xác định một giá trị RBE chính xác hơn cho tritium là cần thiết để đảm bảo an toàn cho những người tiếp xúc với vật liệu chứa tritium trong các nhà máy điện hạt nhân và lò phản ứng phân hạch, cũng như trong môi trường tự nhiên. Trong nghiên cứu này, bài báo sử dụng gói chương trình Monte Carlo Geant 4 và Geant4- DNA để mô phỏng tính toán năng lượng tuyến tính (LET) do các tia beta của tritium gây ra. Ngoài ra, nghiên cứu đã xác định tác động của năng lượng electron lên LET cũng như mô tả quỹ đạo của electron trong nước. 2. PHƯƠNG PHÁP 2.1. Tính toán LET LET là lượng năng lượng được chuyển giao từ các hạt phóng xạ phân rã đến các mô xung quanh trên đơn vị chiều dài đường đi. LET trong ICRU 60 được định nghĩa như là sức dừng điện tử tuyến tính bị hạn chế, L , mô tả như sau, dE L = (36) dl Trong đó, dE là năng lượng mà một hạt mang điện mất do va chạm điện tử. dl là khoảng cách di chuyển. △ là giá trị cụ thể của năng lượng được chuyển giao. Trong các tính toán sau, △ = ∞. Các mô phỏng được thực hiện trên máy tính HPC (High-Performance Computing servers) trong phòng thí nghiệm của chúng tôi và khả năng tính toán của nó là 32 Tflops/s. Số lượng hạt được theo dõi trong mỗi mô phỏng được đặt là đủ lớn để đảm bảo sai số thống kê trong hầu hết các khung năng lượng ( E = 10 eV) nhỏ hơn 1.0%. 2.2. Công cụ vật lý được sử dụng trong Geant4 Geant4-DNA được sử dụng để mô phỏng tương tác của electron trong nước lỏng (Incerti và nnk. 2018). Mục đích rộng lớn của ứng dụng này trong Geant4 là mở rộng các quy trình để mô hình hóa tổn thương sinh học do bức xạ ion hóa ở mức độ DNA. Công cụ G4EmDNAPhysics_option2 được sử dụng trong các mô phỏng. Các quy trình vật lý cho electron, bao gồm phân tán đàn hồi, kích thích điện tử, ion hóa, kích thích rung, và gắn kết, được giới thiệu trong các mô phỏng. Các mô hình vật lý được sử dụng(G4DNAChampionElasticModel,G4DNABornExcitationModel, G4DNABornIonisation, Model,G4DNASancheExcitationModel, G4DNAMeltonAttachmentModel). Năng lượng cắt theo dõi được sử dụng trong mỗi mô hình lần lượt là 7.4, 9, 11, 2 và 4 eV. Ngoài ra, tương tác Gamma dựa trên các mô hình Livermore/EADL97 của Geant4. Phiên bản của bộ công cụ Geant4 được sử dụng trong các mô phỏng là 4.10.04.p2. 2.3. Phổ beta của Tritium trong các mô phỏng Theo lý thuyết phân rã beta của Fermi, phổ năng lượng của tia beta liên tục có thể được biểu diễn như sau (Mao và nnk., 2012): 275
N (W) = C  F (Z , W) W2 − 1(W0 − W)2 W (2) E E Trong đó, W = 2 + 1, W0 = m2 + 1, E, Em là năng lượng động của tia beta và năng mec mec lượng tối đa, tương ứng. me là khối lượng nghỉ của một electron, c là tốc độ ánh sáng. C là hệ số chuẩn hóa. F(Z,W) là hàm Fermi, và có thể được biểu diễn như sau: F (Z , W) = 2 ( ZW )1/2[1 − exp(−2 ( ZW )1/2 )]−1 (3) Trong đó,  là hằng số cấu trúc tinh xảo. Do đó, phổ năng lượng của tia beta Tritium có thể được mô tả như trong Hình 1. Hình 1: Phổ năng lượng cho tia beta của Tritium. Tỷ lệ của electron có các năng lượng khác nhau được biểu diễn trong biểu đồ hình bánh. Trong Hình 1, được thể hiện rằng phần lớn phân bố năng lượng của electron nằm trong khoảng từ 1 keV đến 5 keV và từ 5 keV đến 10 keV, tương ứng là 40.11% và 35.86%. Ngoài ra, khoảng 9% các electron được phát ra từ các phân rã của Tritium có năng lượng thấp hơn 1 keV. Nói cách khác, các electron có năng lượng dưới 10 keV đóng góp khoảng 75.97% vào tia beta của Tritium. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. LET cho tia beta của Tritium Hình 2 minh họa LET của tia beta của Tritium. Phổ năng lượng của tia beta trong Hình 1 đã được sử dụng cho các mô phỏng. Có thể quan sát được rằng đối với các tia beta của Tritium, LET giảm đáng kể khi năng lượng của electron tăng lên trong một đoạn đường dài khoảng 200 nm. Sau đó, nó dần giảm khi độ dài đoạn đường kéo dài. Nói chung, giá trị LET vượt quá 100 keV/μm cho các đoạn đường ngắn hơn 600 nm, điều này đáng kể cao hơn so với giá trị LET được báo cáo trong UNSCEAR 2016 (4.7 keV/μm). Giá trị LET lớn hơn 10 keV/μm cho các đoạn đường ngắn hơn 4 μm. Nó giảm xuống còn 1 keV/μm cho đến khi độ dài đoạn đường đạt khoảng 7 μm. Gần đây, Kyriakou và cộng sự đã sử dụng mô phỏng Geant4-DNA để nghiên cứu RBE của electron có năng lượng thấp-trung bình (Kyriakou và nnk., 2021). Những kết quả của họ cho thấy rằng RBE của electron là khoảng 1.0, chỉ đúng khi năng lượng vượt quá 50 keV. Tuy nhiên, ở năng lượng thấp hơn, RBE trở nên phụ thuộc vào năng lượng. Nghiên cứu 276
của Michael Joiner cho thấy rằng RBE tăng theo LET, đạt giá trị tối đa ở LET khoảng 100 keV/μm. Sau đó, nó giảm mạnh khi LET tăng (Joiner và nnk., 2009). Hơn nữa, một nghiên cứu về đánh giá các tác động trực tiếp và gián tiếp của electron năng lượng thấp thông qua Geant4- DNA cho thấy rằng sự phân ly nước xảy ra thường xuyên hơn ở 1 keV, và gãy mạch trực tiếp thường xuyên xảy ra ở 0.5 keV (Liang và nnk., 2017). Do đó, giá trị LET cao của Tritium có thể được quy cho phần năng lượng thấp của phổ năng lượng tia beta của Tritium. Tiếp theo, để chỉ rõ ảnh hưởng của năng lượng động của electron đối với LET, các mô phỏng sử dụng electron với một năng lượng duy nhất đã được thực hiện trong phần tiếp theo. Hình 2: Tính toán của LET cho các tia beta của Tritium có năng lượng liên tục. 3.2. Kết quả LET cho electron có năng lượng khác nhau Các giá trị LET của electron ở 1 keV, 5 keV, 10 keV và 18 keV đã được tính toán theo độ dài đoạn đường tương ứng của chúng. Kết quả được mô tả trong Hình 3. Như được thể hiện trong Hình 3, độ dài của đoạn đường của các electron tăng theo cấp độ năng lượng của chúng. Độ dài đoạn đường của các electron có năng lượng 0.1 keV chỉ hơi dài hơn 150 nm. Tuy nhiên, giá trị LET ở đầu đoạn đường của chúng cao đến mức vài trăm keV/μm. Sau đó, nó giảm đáng kể khi độ dài đoạn đường tăng lên. Đối với các electron có năng lượng cao hơn 0.5 keV, giá trị LET ban đầu tăng và sau đó giảm sau khi đạt giá trị tối đa. Như được minh họa trong Hình 3, các giá trị LET cao hơn 100 keV/μm là do các electron có năng lượng thấp hơn 1 keV, chiếm khoảng 9% của phổ năng lượng beta của Tritium. Giá trị LET tối đa cho electron có năng lượng 5 keV là khoảng 10 keV/μm, giảm xuống khoảng 2 keV/μm cho electron 18 keV. Trái lại, độ dài đoạn đường kéo dài ra hơn 10 μm cho electron có năng lượng 18 keV. Nói chung, độ dài đoạn đường của các electron có năng lượng dưới 10 keV ngắn hơn so với phạm vi tối đa (6 μm) của các tia beta Tritium, tương ứng với đường kính của hạt nhân tế bào (6-15 μm). Quan trọng là, có thể nhận thấy rằng sự thay đổi trong xu hướng của LET với độ dài đoạn đường khác biệt giữa các electron có năng lượng khác nhau. LET của các electron có năng lượng dưới 10 keV đã cho thấy một sự tăng đột ngột với độ dài đoạn đường cho đến khi đạt đến giá trị tối đa, sau đó là một sự giảm mạnh. So với đó, LET của một electron 18 keV tăng nhẹ với độ dài đoạn đường trong khu vực tương tự. Những kết quả thu được từ những tính toán này hỗ trợ kết luận đã được báo cáo rằng LET của electron năng lượng thấp phụ thuộc mạnh vào năng lượng. Hơn nữa, các đoạn đường của electron có năng lượng thấp dự kiến sẽ phức tạp do quá trình phân tán nhiều lần, và phạm vi của chúng sẽ ngắn đáng kể so với độ dài của các đoạn đường. Để làm rõ quá trình vận chuyển, các đoạn đường của electron có năng lượng biến đổi đã được ghi lại, như minh họa trong Hình 4. 277
Trong Hình 4, các đoạn đường được ghi lại trong các quả cầu nước có đường kính lần lượt là 100 nm, 4000 nm và 10000 nm, tương ứng với electron có năng lượng là 1 keV, 10 keV và 18 keV. Rõ ràng rằng phạm vi của electron có năng lượng 1 keV là khoảng 30 nm, đáng kể ngắn hơn so với độ dài của các đoạn đường được mô tả trong Hình 3. Mối quan hệ giữa độ dài đoạn đường và phạm vi cho các electron có năng lượng 10 keV và 18 keV tương tự nhau. Do đó, đối với các nguyên tử Tritium nằm trong hạt nhân tế bào có kích thước vài micromet, sự kết tụ năng lượng sẽ bị hạn chế trong một vùng có kích thước nhỏ hơn nhiều so với độ dài của đoạn đường do phân tán electron. Hình 3: Tính toán LET cho electron có năng lượng từ 1 đến 18 keV. Hình 4: Tính toán của đường đi của electron có năng lượng 1, 10 và 18 keV. 3.3. Thảo luận Trong lĩnh vực sinh phóng xạ, rõ ràng rằng LET cao có thể tạo ra các sự kiện kích thích đáng chú ý tại các không gian cục bộ, đặc biệt là khi điều này xảy ra tại các mục tiêu nhạy cảm với bức xạ nội tại trong tế bào, gây ra các tác động có hại (Moore và nnk., 2014; Choi và nnk., 2021). Các nghiên cứu mô phỏng cũng đã chứng minh rằng khi xem xét tổn thương trực tiếp 278
của DNA do electron năng lượng thấp gây ra, cả tỷ lệ sản xuất DSB đơn giản và DSB tập trung đều phụ thuộc mạnh mẽ vào năng lượng electron (Magnander và nnk., 2012). Đối với Tritium, khi nó tương tác với Hydrogen trong cơ sở của DNA hoặc các lớp gạch đường phosphate, các tia beta có năng lượng dưới 10 keV phát ra từ sự phân rã của Tritium có thể hoàn toàn tiêu thụ năng lượng của mình trong phân tử DNA. Như được biểu hiện trong Hình 3, những electron có năng lượng thấp này có LET cao, từ đó đóng góp vào việc tạo ra các tổn thương phức tạp trên DNA không dễ dàng được sửa chữa mà không gây lỗi và là một yếu tố quan trọng trong việc xác định số phận của tế bào (Magnander và nnk., 2012). Do đó, khác với bức xạ từ bên ngoài từ tia X hoặc gamma, tiếp xúc nội bộ với Tritium có tiềm năng gây ra sự phân phối liều không đồng nhất trong tế bào do đặc tính của LET trong electron năng lượng thấp, dẫn đến một RBE cao hơn cho Tritium so với HTO. Tương tự, điều này cũng có thể đóng góp vào RBE cao hơn của OBT so với HTO vì các nguyên tử Tritium có thể được tích hợp vào các phân tử, dẫn đến thời gian cư trú lâu hơn. 4. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, LET của tia beta của Tritium đã được xác định bằng cách sử dụng mô hình vật lý Geant4-DNA. Kết quả cho thấy rằng LET của tia beta của Tritium có thể lên đến vài trăm keV/μm cho các đoạn ngắn hơn 600 nm. Điều này có thể được giải thích bởi sự tồn tại của các tia beta có năng lượng thấp hơn 1 keV (chiếm khoảng 9%). Các electron này thể hiện một LET phụ thuộc mạnh vào năng lượng, với giá trị tăng cao nhất khi năng lượng của electron giảm. Điều quan trọng là, phạm vi của các electron này ngắn hơn nhiều so với độ dài của đoạn đường của chúng do quá trình phân tán nhiều lần. Các tính toán về LET và đoạn đường này cung cấp thông tin quan trọng để hiểu tổn thương tế bào do Tritium gây ra và dự đoán phân phối liều trong tế bào và mô tế bào. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bornschein, B., Day, C., Demange, D., & Pinna, T. (2013). Tritium management and safety issues in ITER and DEMO breeding blankets. Fusion Engineering and Design, 88, 466-471. 2. Chen, J. (2006). Radiation quality of tritium. Radiation Protection Dosimetry, 122(4), 546-548. 3. Chen, J. (2013). Radiation quality of tritium: A comparison with 60Co gamma rays. Radiation Protection Dosimetry, 156(3), 372–375. 4. Choi, E., Chon, K. S., & Yoon, M. G. (2020). Evaluating direct and indirect effects of low-energy electrons using Geant4-DNA. Radiation Effects and Defects in Solids, 175(12), 1042-1051. 5. Choi, E., Kim, Y., & Chon, K. S. (2021). Monte Carlo simulation of base damage as a function of linear energy transfer for applications in radiation biophysics. Journal of the Korean Physical Society, 79(10), 973–979. 6. Hill, M. A. (2020). Radiation track structure: How the spatial distribution of energy deposition drives biological response. Clinical Oncology, 32, 75-83. 7. Hunter, N., & Muirhead, C. R. (2009). Review of relative biological effectiveness dependence on linear energy transfer for low-LET radiations. Journal of Radiological Protection, 29(1), 5-21. 8. Kyriakou, I., Tremi, I., Georgakilas, A. G., & Emfietzoglou, D. (2021). Microdosimetric investigation of the radiation quality of low-medium energy electrons using Geant4-DNA. Applied Radiation and Isotopes, 172, 109654. 9. Liang, Y., Fu, Q. B., Wang, X. D., Liu, Y., Yang, G., Luo, C. X., ... & Wang, Y. G. (2017). Relative biological effectiveness for photons: Implication of complex DNA double-strand breaks as critical lesions. Physics in Medicine & Biology, 62(6), 2153–2175. 279
10. Little, M. P., & Lambert, B. E. (2008). Systematic review of experimental studies on the relative biological effectiveness of tritium. Radiation and Environmental Biophysics, 47(1), 71–93. 11. Magnander, K., & Elmroth, K. (2012). Biological consequences of formation and repair of complex DNA damage. Cancer Letters, 327(1-2), 90-96. 12. Margis, S., Magouni, M., Kyriakou, I., Georgakilas, A. G., Incerti, S., & Emfietzoglou, D. (2020). Microdosimetric calculations of the direct DNA damage induced by low energy electrons using the Geant4-DNA Monte Carlo code. Physics in Medicine & Biology, 65(4), 045007. 13. Momoshima, N. (2022). Tritium in the environment. Radiation Protection Dosimetry, 198, 13-15. 14. Nikjoo, H., & Lindborg, L. (2010). RBE of low energy electrons and photons. Physics in Medicine & Biology, 55(14), R65– R109. 15. UNSCEAR. (2017). UNSCEAR 2016 report to the General Assembly, with scientific annexes. In Sources, Effects and Risks of Ionizing Radiation. Annex C, Biological Effects of Selected Internal Emitters-Tritium. New York, NY: United Nations. 16. Noriyuki, M., & Noriyuki, M. (2012). Effect of geometrical parameter’s uncertainty of BIXS experimental setup for tritium analysis. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 289, 52-55. 17. Joiner, M., & van der Kogel, A. (2009). Basic Clinical Radiobiology. Hodder Arnold. 18. Incerti, S., Kyriakou, I., Bernal, M. A., et al. (2018). Geant4-DNA example applications for track structure simulations in liquid water: A report from the Geant4-DNA Project. Medical Physics, 45(8). 280