MỞĐẢU
MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài
Làm việc trong môi trường bức xạ ion hóa đòi hỏi việc bảo vệ sức khỏe nhân viên và đánh giá liều nghề nghiệp phải được thực hiện nghiêm ngặt, theo quy định tại Điều 27 trong Luật Năng lượng nguyên tử 2008 và Điều 5 của Nghị định 142/2020/NĐ-CP Để bảo vệ nhân viên bức xạ và môi trường, Hội đồng Bảo vệ phóng xạ Quốc tế (ICRP) đã khuyến cáo các giới hạn liều dựa trên liều hiệu dụng E và liều tương đương H, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng bức xạ ion hóa và giảm thiểu rủi ro Do các đại lượng này không thể đo được trực tiếp, ICRP và ICRU đã đề xuất các đại lượng tương đương liều thực hành Hp(d) và gần đây, ICRU 95 đã đưa ra các đại lượng thực hành mới như liều cá nhân Hp, liều hấp thụ cá nhân trong mắt Dp, lens, và liều hấp thụ cá nhân trên da Dp.localskin để cải thiện việc đánh giá liều cá nhân.
Phương pháp đo liều thụ động, bao gồm liều kế phim, liều kế thủy tinh, liều kế nhiệt phát quang (TLD) và liều kế quang phát quang (OSLD), đang được sử dụng rộng rãi để đo liều thực hành cá nhân Hp(d) Các thiết bị của hãng Hashaw và Landauer chủ yếu được thiết kế cho mục đích này Mặc dù những phương pháp này đã đạt được nhiều thành công trong việc đánh giá liều cá nhân, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế Nghiên cứu gần đây của nhóm Tran Yen Nhi cho thấy, mặc dù điện áp của máy phát tia X chỉ từ 80 - 90 kVp, năng lượng tia X tới vùng ngực của nhân viên y tế (dưới áo chì) lại cao hơn nhiều, với hầu hết năng lượng nhận được vượt quá 100 keV, thậm chí lên tới 662 keV dưới tạp dề và gần 100 keV cho liều kế trên tạp dề.
Kết quả được đánh giá bằng phần mềm của Hãng Landauer, cho thấy rằng các đại lượng tương đương liều thực hành Hp(d) có thể bị đánh giá sai do việc xác định hệ số hiệu chuẩn CF và hệ số chuyển đổi Cp từ Kerma trong không khí sang liều thực hành không chính xác Việc này ảnh hưởng đến độ chính xác của các phép đo năng lượng (keV).
• OA (Laudauer) • WB(Laudauer) Linear (OA (Laudauer)) Linear (WB (Laudauer))
OA là liêu kê đeo vùng ngực trên tạp dê chì
WB là liêu kê đeo vùng ngực dưới tạp dê chì
Hình 1.1: Đồ thị thể hiện sựkhác biệtgiữanăng lượng tia tới trên vàdưới tạp dề chì được xácđịnh bằng các thuật toán của hãngLandauer
Sự chênh lệch giữa liều hiệu dụng E và liều tương đương H so với liều thực hành Hp(d) là kết quả của các định nghĩa liên quan đến chúng, như đã chỉ ra trong tài liệu [IACRS-Rp2022] [12].
Liều lượng cá nhân Hp(d) được xác định ở độ sâu d trong cơ thể con người, tuy nhiên, các hệ số chuyển đổi được tính toán dựa trên các mô hình hình nộm (phantom) với hình học đơn giản như hình tấm, hình trụ và hình thanh.
Việc đánh giá tương đương liều cá nhân và môi trường tại độ sâu xác định 10 mm không phản ánh đầy đủ sự phức tạp về hình học của cơ thể con người và các cơ quan tại các vị trí khác nhau Điều này được thể hiện rõ trong định nghĩa và tính toán liều hiệu dụng E Đối với neutron, điều này dẫn đến việc đánh giá quá cao liều hiệu dụng E dưới 1 MeV và đánh giá quá thấp E ở năng lượng trên 1 MeV.
Ở năng lượng photon thấp (Ep < 70 keV), việc chọn độ sâu d = 10 mm cho liều cá nhân và môi trường đã dẫn đến sự đánh giá quá cao về liều hiệu dụng Để giải quyết vấn đề này, ICRU 95 đã đưa ra định nghĩa về các đại lượng thực hành mới, bao gồm: liều cá nhân Hp, liều hấp thụ trong thủy tinh DpJens và liều hấp thụ trên da Dp.
Tỷ số giữa liều hiệu dụng E và liều tương đương Hp(10) luôn nhỏ hơn 1, đặc biệt trong vùng năng lượng thấp dưới 10 keV, cho thấy Hp(10) đánh giá cao hơn liều hiệu dụng E Điều này có nghĩa là liều cá nhân thường bị ước lượng cao hơn thực tế Ngược lại, tỷ số giữa liều hiệu dụng E và liều tương đương mới Hp gần bằng 1, cho thấy Hp phản ánh chính xác giá trị liều hiệu dụng.
So sánh các hệ so của đại lượng E(AP), Hp(10) và New Hp 2.00
Hình 1.2: Sosánh các hệ số chuyển đổi của ICRU và ICRP
Hiện nay, việc nghiên cứu các phương pháp xác định và hiệu chuẩn các đại lượng thực hành mới đang được khuyến khích Tuy nhiên, để các đại lượng này được công nhận là hợp pháp như liều cá nhân Hp(d), cần có thời gian Xuất phát từ hai lý do này, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu phát triển một số thuật toán xác định đại lượng thực hành tương đương liều cá nhân bằng liều kế quang phát quang” cho khóa luận tốt nghiệp.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển thuật toán xác định liều hiệu dụng, liều tương đương trên da và liều mắt, thông qua việc đánh giá các đại lượng thực hành tương đương liều cá nhân Các đại lượng này được khảo sát từ các đặc trưng liều bức xạ của liều kế Inlight AhO.ưC và là các giá trị đo được, gần đúng với các giới hạn liều quy định trong Thông tư 19/2012/TT-BKHCN về kiểm soát chiếu xạ nghề nghiệp và dân chúng Đặc biệt, các đại lượng này đã được hiệu chuẩn trên các trường liều chuẩn ISO 4037.
Khảo sát các đặc trưng liều của liều kế quang phát quang, đặc điểm của liều kế
OSL (Optically Stimulated Luminescence) là một công nghệ quan trọng trong việc xác định liều cá nhân cho nhân viên tiếp xúc với tia gamma và tia X Bằng cách sử dụng phương pháp so sánh, các kết quả thực nghiệm từ thiết bị OSLD được đánh giá so với các kết quả chuẩn, từ đó phát triển thuật toán xác định đại lượng thực hành tương đương liều cá nhân Hp(d) Việc áp dụng OSL giúp nâng cao độ chính xác trong việc đo liều và bảo vệ sức khỏe cho nhân viên làm việc trong môi trường có bức xạ.
Bố cục của khóa luận gồm 5 chương và 1 phụ lục:
Chương 2 cung cấp cái nhìn tổng quan về hiện tượng và cơ chế quang phát quang, cùng với các mô hình lý thuyết mô tả quá trình động học trong vật liệu quang phát quang Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu các khái niệm cơ bản liên quan đến các đại lượng đo liều bức xạ, nhằm đánh giá liều cá nhân một cách chính xác.
Chương 3: Trình bày cẩu tạo về liều kế OSL - Inlight model 2 và các tính chất đặc trưng của liều kế quangphát quang.
Chương 4 trình bày thí nghiệm về các thuật toán đánh giá liều tương đương cá nhân, dựa trên dữ liệu từ ISO và ICRU Các kết quả thu được sẽ được so sánh và đối chiếu với các giá trị chuẩn của phòng chuẩn, cùng với tiêu chuẩn của ISO và ICRU.
Chương 5: Trình bày kết quả tính liều tương đương liều cá nhân dựa trên các thuậttoán đượcxây dựng.
TỎNG QUAN VÀ cơ SỞ LÝ THUYẾT
Hiện tượng phát quang
Hiện tượng phát quang là hiện tượng mà một số chất (rắn, lỏng, khí) hấp thụ năng lượng và phát ra ánh sáng nhìn thấy Các hiện tượng phát quang được phân loại dựa trên phương pháp kích thích để tạo ra chúng.
+ Hiện tượng quang phát quang (Photoluminescence): Sử dụng ánh sáng kích thích vật liệu và tạo ra phát quang.
+ Sự phát quang do ma sát (Triboluminescence): Phát quang dưới tác động cơ học do chà sát, mài (do các ứng suất cơ học).
+ Sự phát quang bằng phản ứng hoá học (Chemiluminescence): Ánh sáng phát ra từnhữngphản ứnghóa học.
+ Sự phát quang sinh học (Bioluminescence): Ánh sáng phát ra từ phản ứng hóa sinh.
+ Điện phát quang (Electroluminescence): Ánh sáng phát ra do tác động của trườngđiệntừ.
+ Nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL): Ánh sáng phát ra khi vật thề được kích thích bởi nhiệt.
Hiện tượng quang kích thích phát quang
Hiện tượng quang kích thích phát quang (OSL) xảy ra khi vật liệu cách điện hoặc bán dẫn phát ra ánh sáng khi được chiếu bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp, sau khi đã hấp thụ năng lượng từ các nguồn bức xạ ion hóa Cường độ ánh sáng phát ra tỷ lệ thuận với năng lượng mà vật liệu hấp thụ Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu và tên gọi khác nhau cho hiện tượng này, nhưng vẫn chưa có giải thích đầy đủ và chính xác Năm 1963, hiện tượng này chính thức được gọi là quang kích thích phát quang.
Quá trình vật lý liên quan đến hiện tượng quang phát quang bắt nguồn từ chuyển động của các hạt tải điện trong cấu trúc vật rắn, bao gồm vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm Trong vùng cấm, các mức năng lượng cho phép xuất hiện do khuyết tật trong cấu trúc tinh thể Khi vật liệu hấp thụ bức xạ ion hóa, electron và lỗ trống tự do được sinh ra và di chuyển trong vùng dẫn Những electron và lỗ trống này có thể bị bẫy vào các tâm tương ứng Khi được chiếu ánh sáng thích hợp, electron bị bẫy có thể thoát ra và chuyển lên vùng dẫn Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống diễn ra đồng thời với sự phát ánh sáng, tạo nên hiện tượng phát quang Cấu trúc năng lượng thực tế phức tạp hơn nhiều, bao gồm nhiều mức bẫy và các quá trình di chuyển khác nhau.
There are three common models of optically stimulated luminescence (OSL): Continuous Wave OSL (CW-OSL), Linear Modulation OSL (LM-OSL), and Pulsed OSL (POSL) This study will focus specifically on the CW-OSL model.
2.2.1 Mô hình động học bậc 1
Mô hình động học bậc một, hay còn gọi là mô hình một bầy - mộttâm tái hợp, chỉ ra rằng trong vùng cấm chỉ tồn tại một loại bẫy electron và một loại tâm tái hợp là bẫy lồ trống Khi electron hấp thụ ánh sáng, chúng sẽ thoát ra khỏi bẫy và tái hợp ngay với lồ trống mà không bị bắt trở lại vào các bầy Tốc độ thay đổi nồng độ các hạt được xác định bởi hệ số liên quan đến kích thích, bầy và tái hợp, với giả định rằng quá trình bị bắt lại của electron là rất yếu Mô hình này dẫn đến một quá trình giảm dần theo hàm số mũ của cường độ ánh sáng kích thích.
Tâm tái hợp m 'tt ) Vùng hóa trị
Hình 2.1: Mô hình một bầy electron, một tâm tái hợp
2.2.2 Mô hình động học bậc 2
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng đường cong CW-OSL có hình dạng khác biệt so với mô hình động học bậc một Sự khác biệt này có thể được giải thích bởi hiện tượng electron thoát ra khỏi các tâm bẫy và sau đó bị bắt lại, dẫn đến việc giả thiết không còn phù hợp.
Trong các trạng thái bền, sự phân rã của tín hiệu OSL khi đạt trạng thái cân bằng trở thành một hằng số, thể hiện mô hình động học bậc hai.
2.2.3 Mô hình động học tổng quát
Các phương trình động học bậc một và bậc hai thường được áp dụng để mô tả quá trình OSL Tuy nhiên, đường cong OSL không luôn tuân theo các mô hình này khi xem xét các yếu tố khác Mô hình tổng quát của Chen và McKeever cung cấp một cách giải thích cho quá trình OSL và có thể trở lại mô hình bậc một hoặc bậc hai tùy thuộc vào các thông số động học.
Các đại lượng và đơn vị trong đo liều cá nhân
sự phân rã trở thành một hằng số Đây là mô hình động học bậc hai [17].
2.2.3 Mô hình động học tổng quát
Các phương trình động học bậc một và bậc hai thường được áp dụng để mô tả quá trình OSL Tuy nhiên, đường cong OSL không luôn tuân theo các mô hình này khi có sự ảnh hưởng của các yếu tố khác Mô hình tổng quát của Chen và McKeever cung cấp một cái nhìn sâu sắc về quá trình OSL và có khả năng quay lại mô hình bậc một hoặc bậc hai, tùy thuộc vào các thông số động học cụ thể.
2.3 Mối quan hệ giữaliều vàcường độquang phát quang
Cường độ quang phát quang và liều trong quang phát quang có mối quan hệ chặt chẽ, trong đó cường độ phát quang đo lường số lượng photon phát ra từ vật liệu phát quang trong một diện tích và thời gian nhất định Liều ở đây đề cập đến năng lượng phóng xạ mà vật liệu hoặc môi trường hấp thụ.
Mối tương quan giữa liều lượng và cường độ phát quang phụ thuộc vào tính chất của vật liệu phát quang và quá trình phát quang Khi ánh sáng tác động lên vật liệu, cường độ phát quang có thể tăng lên với liều phóng xạ cao hơn Tuy nhiên, mối quan hệ này chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như tính chất của vật liệu, cấu trúc và hiệu suất của quá trình phát quang.
Trong hệ thống đo phóng xạ, liều kế OSL ghi lại liều phóng xạ thông qua cường độ phát quang Mối quan hệ giữa liều và cường độ quang phát quang được xác định dựa trên thông số và hiệu suất ghi trên các phin lọc cũng như quá trình phát quang trong vật liệu.
2.4 Các đại lượng và đon vị trong đo liều cá nhân
Liều hấp thụ là một đại lượng quan trọng để đánh giá mức độ bức xạ, được xác định bằng tỷ số giữa năng lượng trung bình bức xạ ion hóa (de) truyền cho vật chất có khối lượng dm.
D = £- de (2.1) dm Đơn vị của liều hấp thụ là Joule trên kilogram (J/kg) hoặc Gray (Gy)
Kerma (K) trong hệ SI được định nghĩa là tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt mang điện sinh ra từ bức xạ ion hóa gián tiếp dEk trong vật liệu có khối lượng dm Một phần động năng này có thể được truyền ra ngoài và hấp thụ ngoài giới hạn của đơn vị khối lượng Đơn vị của Kerma là Joule trên kilogram (J/kg) hoặc Gray (Gy).
Theođịnh nghĩaKerma được xác định bằng tỷ số
Liều hấp thụ (D) khác với khái niệm Kerma, trong đó Kerma chỉ đề cập đến động năng do bức xạ ion hóa gián tiếp giải phóng trong một đơn vị khối lượng chất bị chiếu xạ Ngược lại, liều hấp thụ là tổng năng lượng của bức xạ ion hóa được hấp thụ trong cùng một đơn vị khối lượng chất đó.
Khi trạng thái cân bằng điện tử được thiết lập, hai đại lượng Kerma và liều hấp thụ (D) trở nên bằng nhau Trạng thái này xảy ra khi năng lượng bức xạ bị hấp thụ trong một thể tích nhất định của môi trường tương đương với động năng của các hạt mang điện được sinh ra từ sự tương tác của bức xạ với khối vật chất trong thể tích đó.
Liều tương đương là một chỉ số quan trọng để đánh giá liều bức xạ tác động lên mô hoặc cơ quan trong cơ thể Nó được tính bằng cách nhân liều hấp thụ (D) với trọng số bức xạ (WR) của loại bức xạ tương ứng.
H = D X WR (2.3) Đơn vị của liều tương đương là Sievert (Sv) hoặc Millisievert(mSv)
Liều hiệu dụng là tổng liều tươngđương của từng mô H-r nhân với trọng số mô tương ứng cho tất cả các mô và cơ quan WT,
Trong đó: Hĩlà liều tương đương của mô T, Wt làtrọng số mô của mô T Đơn vị của liều hiệu dụng là Sievert (Sv) hoặc Millisievert (mSv)
2.4.5 Các đại lượng tương đương liều thực hành, liều cá nhân Hp(d)
Các đại lượng liều hiệu dụng và liều tương đương không thể đo đạc trực tiếp, do đó, ICRU và ICRP đã đề xuất các đại lượng thực hành mới như Hp*(d) và Hp(d) Gần đây, ICRU 95 đã giới thiệu các đại lượng liều thực hành mới bao gồm: liều cá nhân Hp, liều hấp thụ cá nhân trên da Dp, liều hấp thụ cá nhân tại vùng da địa phương, và liều hấp thụ cá nhân tại mắt Dp, lens Những cải tiến này nhằm khắc phục những hạn chế trong việc sử dụng các đại lượng Hp*(d) và Hp(d) để đánh giá liều cá nhân.
Tương đương liều cá nhân Hp(d) là thước đo lượng bức xạ mà các cơ quan hoặc mô cụ thể trong cơ thể con người nhận được, giúp đánh giá các tác động sinh học tiềm tàng từ việc tiếp xúc với bức xạ Định nghĩa này xác định tương đương liều cá nhân H tại một điểm trong mô.
Trong đó Q là hệ số chất lượng phụ thuộc vào năng lượng của tia bức xạ tới D là liều hấp thụ trong mô.
Theo khuyến cáo của ICRU 39 và ICRU 51 từ công thức (2.7) có thể xác định tương đương liều cánhân như sau:
Kerma không khí (Kkk) là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá liều bức xạ Đương đương liều cá nhân tại độ sâu d = 10 mm (Hp(d)) cung cấp thông tin gần đúng về liều hiệu dụng, trong khi tại độ sâu d = 3 mm, nó đánh giá liều mắt, và ở độ sâu d = 0.07 mm, nó đánh giá liều trên da Hp(d) có đơn vị là Sievert (Sv), trong khi Cp(d) là hệ số chuyển đổi từ Kerma trong không khí sang tương đương liều cá nhân tại các độ sâu tương ứng, với đơn vị là Sv/Gy.
Kerma đại diện cho động năng được giải phóng trên một đơn vị khối lượng bởi bức xạ ion hóa khi đi qua vật liệu Để chuyển đổi Kerma sang liều tương đương cá nhân Hp(d), cần xem xét các hệ số chuyển đổi được xác định bởi các tổ chức quốc tế như ICRU và ISO Đối với Hp(10), liều tương đương được tính ở độ sâu 10 mm dưới da, với hệ số này tính đến chất lượng và năng lượng bức xạ, cũng như các mô cụ thể được chiếu xạ Điều này cho phép ước tính liều tương đương ở độ sâu 10 mm dưới da dựa trên giá trị Kerma đo được.
Hp(3) tương đương với liều 3 mm dưới da, trong khi Hp(0.07) tương đương với liều 0.07 mm dưới da Các hệ số này xem xét chất lượng, năng lượng bức xạ và độ sâu cụ thể cùng các mô liên quan Việc sử dụng các hệ số chuyển đổi phù hợp từ hướng dẫn của ICRU và ISO là cần thiết để đảm bảo ước tính liều lượng chính xác và đáng tin cậy cho từng cá nhân Các hệ số này được cập nhật liên tục với dữ liệu và nghiên cứu mới, vì vậy việc theo dõi và áp dụng hướng dẫn mới nhất là rất quan trọng để thực hiện đánh giá liều lượng chính xác và đảm bảo an toàn bức xạ trong môi trường y tế.
CÁU TẠO, CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LIỀU KẾ OSL VÀ MÁY ĐỌC LIỀU KẾ OSL MICROSTAR
Máy đọc liều kế Microstar
Máy đọc liệu ke Microstar có kích thước 32.7 cm x 10.9 cm, bao gồm các bộ phận chính như nguồn sáng, tấm lọc quang học, hệ thu nhận ánh sáng và hệ điện tử.
Hình 3.6: Máy đọc liều kế Microstar
Nguồn sáng của Microstar sử dụng 36 diot phát quang (LEDs) để tạo ra ánh sáng màu xanh lá với đỉnh phổ khoảng 525 nm Nhiệm vụ chính của nguồn sáng này là cung cấp ánh sáng có bước sóng phù hợp để kích thích các điện tử thoát ra khỏi các bẫy trong các chip từ E1 đến E4 của liều kể OSL.
Hình 3.7: Nguồn sáng của Microstar (chuỗi 36 LED)
Tấm lọc quang học trong Microstar cho phép ánh sáng có bước sóng từ 300 đến 450 nm truyền qua, với độ dày khoảng 7.5 mm Điều này đảm bảo chỉ những ánh sáng nằm trong dải sóng này được sử dụng trong quá trình đo, tối ưu hóa độ chính xác của kết quả.
Hệ thu nhận ánh sáng trong Microstar sử dụng ống nhân quang điện (PMT) để thu nhận ánh sáng từ các chip OSL và đo liều bức xạ Các PMT trong Microstar có màng lọc quang nhạy với ánh sáng từ 160 đến 650 nm, với độ nhạy cực đại tại 400 nm Điều này đảm bảo rằng chỉ ánh sáng trong một khoảng phổ nhất định được thu nhận, phục vụ cho việc tính toán liều bức xạ.
Các đèn LED được sử dụng để kích thích sự giải phóng electron từ các bẫy trên chip, trong đó OSL phát ra ánh sáng màu xanh lá Khi bị kích thích, electron thoát ra và tương tác với các tâm phát quang, tạo ra ánh sáng màu xanh dương Để đo ánh sáng OSL, cần kết hợp với ánh sáng từ đèn LED và các nguồn sáng khác, trong đó các bộ lọc quang học loại bỏ ánh sáng không mong muốn Ánh sáng sau đó được ghi nhận bởi ống nhân quang điện và chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc số đếm Tín hiệu này được chuyển đổi thành liều cá nhân thông qua các hệ số độ nhạy hiệu chuẩn (ECC) và hệ số hiệu chuẩn máy đọc (RCF).
Hình 3.8: Nguyên lýhoạtđộngcủa mảy Microstar.
Quy trình đánh giá liều cá nhân sử dụng liều kế OSL
Các liều kế OSL sẽ được đọc dữ liệu theo quy trình được lập trình sẵn trên phần mềm Microstar, sử dụng thuật toán tính liều NVLAP/DOELAP Quy trình đọc và giao diện của phần mềm được minh họa trong các hình ảnh tương ứng.
Hình 3.9: Quytrình đọc dữ liệu của phần mềm Microstar
Hình 3.10: Giao diện màn hình của phần mềm Microstar trong quả trình đọc liều kế
3.3.1 Hiệu chuẩn máy đọc liều
Mục tiêu của việc chuân là xác định hệ số chuẩn của máy đọc RCF (Reader Calibration Factor) để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng từ ống nhân quang điện của liều keOSL thành liều tương ứng Máy đọc Microstar sử dụng một bộ card đặc biệt để thực hiện quá trình này.
Bài viết đề cập đến 15 liều kế OSL được chia thành 5 nhóm với các mức liều khác nhau: 5 mSv, 50 mSv, 500 mSv, 5 Sv và một nhóm không chiếu xạ dùng làm liều kế phông Nhóm I được sử dụng cho mức liều 5 mSv, nhóm II cho 50 mSv, nhóm III cho 500 mSv, nhóm IV cho 5 Sv, và nhóm V không bị chiếu xạ Nhóm I và II phục vụ cho việc xác định hệ số chuẩn của máy đọc ở mức liều thấp, trong khi nhóm II và IV xác định hệ số chuẩn ở mức liều cao Hệ số chuẩn của máy đọc được tính theo công thức (3.7).
RCFj là hệ số hiệu chuẩn cho máy đọc tại vị trí i, trong khi Rj đại diện cho số đọc trung bình của liều kế OSL ở vị trí đó Bj là số đọc phông trung bình của liều kế OSL tại vị trí i, và c là giá trị liều chuẩn.
3.3.2 Hiệu chuẩn độ nhạy của chip OSLD
Liều kế OSL có độ nhạy khác nhau, gây ra sự khác biệt trong kết quả đo khi được chiếu với cùng một giá trị liều chuẩn Để điều chỉnh sự sai khác này, hệ số hiệu chỉnh độ nhạy ECC được áp dụng.
Hệ số hiệu chuẩn độ nhạy của chip tại vị trí i của liều kế thứ j được ký hiệu là ECCij Trong đó, Rị là số đọc trung bình của n chip ở vị trí thứ i, còn Riị là số đọc của chip tại vị trí i của liều kế thứ j.
CHƯƠNG 4PHƯƠNG PHÁP XÂY DỤNG THUẬT TOÁNTÍNH TƯƠNG ĐƯƠNG LIÈU CÁ NHÂN
Thiết lập chiếu chuẩn liều kế OSL
Liều kế OSL-Inlight loại XA từ hãng Landauer, cùng với thiết bị MicroStar Reader, được sử dụng trong thí nghiệm này Mồi liều kế sẽ được đọc ba lần để tính giá trị trung bình, sau đó sẽ trừ số đọc phông khỏi số đọc của mồi liều kế.
Liều kế OSL-Inlight được chiếu chuẩn trên 5 trường tia X (N40, N60, N80, N100, NI20) và 1 trường của Cs-137 Kerma chiếu chuẩn là 2 mGy cho trường tia X và 5 mGy cho trường Cs-137 Quá trình chiếu chuẩn diễn ra tại phòng chuẩn liều cấp 2 của Trung tâm Hạt nhân TP.Hồ Chí Minh, sử dụng slab phantom chuẩn.
Liều kế OSL dạng chip được thiết kế với bốn cửa sổ khác nhau, mỗi cửa sổ sử dụng một loại phin lọc riêng biệt Cửa sổ mở cho phép đo liều beta, trong khi cửa sổ plastic được sử dụng để đo liều tương đương trên da với Hp(0.07) Cửa sổ nhôm giúp đo liều tương đương của thủy tinh thể với Hp(3), và cửa sổ đồng được dùng để đo liều toàn thân với Hp(10).
Trước khi tiến hành đo lường trên máy đọc Microstar, cần kiểm tra độ ổn định của thiết bị để đánh giá tính chính xác của kết quả Việc khảo sát này giúp đảm bảo rằng các thông số đặc trưng của máy đọc được kiểm tra đầy đủ, từ đó nâng cao độ tin cậy của dữ liệu thu được.
Để đánh giá độ ổn định, cần xem xét các thông số như Dark, CAL và LED, những thông số này được hiển thị trên giao diện của phần mềm Microstar (Hình 4.1).
Dark là tín hiệu phông của máy đọc, được đo bởi PMT khi không có nguồn sáng (các đèn LED tắt) Theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất, Dark Current luôn phải nhỏ hơn 40 (số đếm) để máy đọc đạt tiêu chuẩn thực hiện các phép đo CAL (Calibration) là tín hiệu được đo bởi PMT khi sử dụng nguồn chuẩn 14C để kiểm tra độ chính xác của PMT.
+ LED: làtín hiệu đo được bởi PMT khi sử dụng nguồn sáng mạnh (sử dụng tất cả 36 LED) để chi thị cường độ của chùm ánh sángkích thích.
Với CAL giá trị trung bình là 2207, với LED giá trị trung bình là 3260 Đối với cảba giátrị Dark, CAL, LED sai sô sè không được vượt quá 10%.
Hình 4.1: Giaodiện màn hình tiếnhành đo Dark - CAL - LED
Xây dựng thuật toán
Trong thực tiễn, để đánh giá Hp(d), cần xác định được Kkk Đại lượng này sẽ được xác định như sau:
Công thức tính toán hiệu chuẩn bức xạ được biểu diễn như sau: Kkk = CFE x R x Cpacị x Csuper (4.1), trong đó CFE là hệ số hiệu chuẩn tương ứng với kerma chuẩn và số đọc của máy đo (Gy/số đọc) tại bức xạ có năng lượng E (keV) R là số đọc từ máy đo, Crad là hệ số hiệu chỉnh cho hiệu ứng mất tín hiệu theo thời gian Trong nhiều trường hợp, khi hiệu ứng mất tín hiệu có thể bỏ qua, Cpad được coi là 1, và Csuper là hệ số hiệu chỉnh khoảng phí tuyến, với giá trị Csuper = 1 trong giải liều cá nhân.
Trong bài viết này, chúng ta tìm hiểu về các khái niệm liên quan đến liều kế, trong đó KkkC là Kerma chuẩn tại năng lượng E, và Rc là số đọc của liều kế khi chiếu chuẩn với Kerma KkkC CFElà một hàm phụ thuộc vào năng lượng và tính chất của vật liệu, đặc biệt là nguyên tử số z của vật liệu làm liều kế Độ nhạy của liều kế được định nghĩa là số đọc trên một đơn vị liều (số đọc/ liều) hoặc là nghịch đảo của hệ số chuẩn Mỗi loại liều kế có độ nhạy khác nhau tùy thuộc vào năng lượng Để tiện lợi, người ta sử dụng độ nhạy tương đối RR, quy chuẩn với độ nhạy ở năng lượng 662 keV (nguồn chuẩn Cs-137) hoặc 1125 keV (nguồn chuẩn Co-60).
RR được tính như sau:
RRe = cfe => CFE = rre (4.3)V ) Như vậy tương đương liều cánhân được xác định nhưsau:
CF662 Hp(d) = CFE X Rx CpE(d) = -^-F- X R X CpE(d) (4.4)
Trong bài viết này, Hp(d) được định nghĩa với đơn vị là Sv hoặc mSv, trong khi CFE có đơn vị là Gy/số đọc hoặc mGy/số đọc CpE(d) là hệ số chuyển đổi từ Kerma trong không khí sang tương đương liều cá nhân ở độ sâu d tương ứng với chùm tia có năng lượng E, với đơn vị là Sv/Gy hoặc mSv/mGy Để đánh giá cụ thể liều cá nhân, liều mắt và liều da, cần áp dụng công thức (4.4) dựa trên các giá trị hệ số chuyển đổi phù hợp nhằm đánh giá đại lượng thực hành tương đương liều cá nhân mới.
Dp, local skin = CFE X R X CsEkin = X R X CsEkin (4.9)
CF662 Dp,lens — CFE X R X C|ens = RRE X R X C|ens (4.10)
Để xác định Hp(d), cần biết số đọc R, hệ số hiệu chuẩn CFE và Cp(d) Việc xác định CFE yêu cầu phải có CF662 và độ nhạy tương đối RRE Tất cả các yếu tố này đều phụ thuộc vào năng lượng của tia tới E Các thuật toán xác định E sẽ được trình bày trong các nội dung dưới đây.
RR, CF, Cp(d) và cuối cùng là Hp(d).
4.2.1 Xác định các hệ số chuẩn
Dựa vào các số liệu Kerma và năng lượng đã được chuẩn tại phòng chuẩn, chúng tôi áp dụng các công thức ở mục 4.2 để xây dựng các bảng dữ liệu chuẩn, bao gồm tỷ số phin lọc (Bảng 4.1) và hiệu suất ghi tương đối (Bảng 4.4).
4.2.2 Xác định năng lượngchùm tia tó’i
Sử dụng kỹ thuật đa phin lọc, năng lượng của chùm tia tới có thể được xác định thông qua tỷ số tín hiệu dưới các phin lọc khác nhau Kết quả tỷ số tín hiệu dưới các phin lọc El, E2, E3 và E4 được trình bày trong Bảng 4.1, cho thấy các tỷ số E1/E4, E2/E4 và E3/E4 thực nghiệm là hàm số phụ thuộc vào năng lượng.
Báng 4.1: Tỷ so giữa các phin lọc khác nhau
Tỷ số tín hiệu giữa các phin 1( >c
Sau khi thu thập đủ dữ liệu thực nghiệm, phần mềm MATLAB được sử dụng để xác định các hàm phù hợp mô tả các đường cong thực nghiệm Đối với sự phụ thuộc của các tỷ số tín hiệu giữa các phin lọc vào năng lượng E (keV), các hệ số a, b, c đã được tìm thấy và được trình bày trong Bảng 4.2 Hàm (4.8) mô tả tốt đường cong thực nghiệm của các tỷ số E1/E4, E2/E4, E3/E4 với năng lượng E, đạt giá trị R² là 0.99 Công thức hàm được biểu diễn là y = a X exp(-b X E) + c (4.8), trong đó Bảng 4.2 cung cấp các hệ số a, b, c tương ứng với các đường cong mô tả mối quan hệ giữa tỷ số tín hiệu dưới các phin lọc khác nhau với năng lượng E của tia tới.
Báng 4.2: Hệ so a,b,c dựa trên hàm được khớp bởiMATLAB
4.2.3 Xác định hiệu suất ghi tương đối
Dựa vào số liệu chuẩn từ phòng chuẩn, hệ số hiệu chuẩn được xác định thông qua công thức (4.2) Đồng thời, công thức (4.3) được sử dụng để tính toán hiệu suất ghi tương đối và độ nhạy tương đối của liều kế Inlight, như thể hiện trong Bảng 4.4.
Bảng 4.3: Hiệu suất ghitương đối dướicác phin lọc khác nhau
ISO keV RR1 RR2 RR3 RR4
Để thuận lợi cho việc lập trình, chúng ta cần xác định thuật toán tính toán RR Đối với hiệu suất ghi tương đối RR, công cụ Curve Fitting Toolbox (cftool) của MATLAB sẽ được sử dụng Trong trường hợp này, sự phụ thuộc của RR và năng lượng dưới các phin lọc khác nhau (RR1, RR2, RR3, RR4) được mô tả bằng các hàm Gaussian với hệ số làm khớp.
4.2.4 Xác định hệ số chuyển đỗi Cp(d)
Hệ số chuyển đổi Cp(d) là yếu tố quan trọng trong việc tính toán các đại lượng tương đương liều cá nhân, bao gồm các hệ số Cp(10), Cp(3) và Cp(0.007) Những hệ số này chuyển đổi Kerma không khí sang liều Hp(d) và được xác định dựa trên phương pháp Monte Carlo, theo công bố của ICRP trong tài liệu ICRP 74 và ICRU trong ICRU 95.
Dựa trên số liệu hiệu chuẩn của ISO và ICRU 95, thuật toán chính xác được xây dựng để phân chia các vùng năng lượng khác nhau Sử dụng phần mềm MATLAB, các thuật toán phù hợp với từng vùng năng lượng được phát triển, nhằm cung cấp hệ số chuyển đổi với sai số thấp nhất Điều này giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy trong việc tính toán liều cá nhân Các thuật toán cụ thể cho từng vùng năng lượng được xây dựng dựa trên đại lượng thực hành Hp(10) và đại lượng thực hành mới theo ICRU 95.
KÉT QUẢVÀ BÀN LUẬN
Thuật toán xác định năng lượng chùm tia tới
Dựa vào công thức bán thực nghiệm (4.8), chúng ta có thể xác định năng lượng của tia tới Kết quả từ ba giá trị năng lượng tính toán từ ba đường cong khác nhau cho thấy sự trùng khớp đáng kể Vì vậy, để thuận tiện, chúng ta chỉ chọn hàm liên quan đến tỷ số E2/E4 Năng lượng E được xác định theo công thức sau.
Công thức E = -ln((E2/E4 - 1.188)/65.81)/0.085 (keV) cho thấy rằng khi tỷ số Khitỷ đạt giá trị 1.1880000000000001, năng lượng sẽ đạt 473.3 keV Nếu tỷ số nhỏ hơn giá trị tối thiểu này, năng lượng sẽ mặc định là 662 keV Đây là một hạn chế của phương pháp đa phin lọc và phản ánh bản chất của liều kế có z lớn Độ nhạy của phương pháp này phụ thuộc rõ rệt vào năng lượng khi năng lượng nhỏ hơn 100 keV, trong khi khi năng lượng lớn hơn 100 keV, độ nhạy ít bị ảnh hưởng bởi năng lượng.
Thông thường, người ta quy ước sử dụng hệ số chuẩn từ nguồn l37Cs hoặc 60Co làm chuẩn cho vùng năng lượng lớn hơn 100 keV Độ chênh lệch giữa thuật toán và thực nghiệm được thể hiện trong bảng 5.1 và hình 5.1.
Hình 5.1: Tỷsổ tín hiệu giữa các phin lọc thực nghiệm và theo công thức bán thực nghiệm
Báng 5.1: Tỷsố giữa các phin lọc khác nhau (E1/E4L, E2/E4L và E3/E4L là các tỷ so tính bằng các công thức bán thực nghiệm
Tỳ sô tín hiệu giữa các phin lọc ISO keV E1/E4 E1/E4 L E2/E4 E2/E4 L E3/E4 E3/E4L N-40 33.3 5.03 5.02 5.08 5.07 4.18 4.1'
Thuật toán xác định hiệu suất ghi tương đối
Sau khi thực hiện làm khớp dựa trên các số liệu chuẩn (Bảng 4.4), các thuật toán đã xác định hiệu suất ghi tương đối RR dưới các phin lọc.
RR4 = 0.8608 X e ( 10.52 > 4- 1.537 X e 1 59.55 ’ 4- e c 90.72 > (5.4) Độ chênh lệch của các giá trị RR tính theo thuật toán (5.1), (5.2), (5.3) và (5.4) so với số liệu thực nghiệm được trình bày trong Bảng 5.2 vàHình 5.2
—RR1 —RR1L —RR2 RR2L —RR3 —RR3L —RR4 —RR4L
Hình 5.2: Đồ thị so sảnh hiệu suất tương đối tính bằng công thức bản thực nghiệm với so liệu thựcnghiệm
Thuật toán xác định hệ số chuyển đồi Kerma sang đại lượng tương đương liều cá nhân
ISO keV RR1 RR1L RR1/RR1L RR2 RR2L RR2/RR2I RR3 RR3L RR3/RR3L RR4 RR4I RR4/RR4L N40 33.3 3.56 3.54 1.01 3.55 3.56 1.00 3.05 3.16 0.96 1.00 1.02 0.98 N60 47.9 4.11 4.00 1.03 4.07 4.00 1.02 3.83 3.93 0.97 2.09 2.10 0.99 N80 65.2 2.15 2.42 0.89 2.17 2.47 0.88 2.13 2.38 0.90 1.61 1.63 0.98 N100 83.3 1.73 1.64 1.06 1.72 1.66 1.04 1.71 1.46 1.17 1.48 1.53 0.97 N120 100 1.51 1.60 0.94 1.50 1.62 0.93 1.47 1.41 1.04 1.35 1.41 0.95 Cs-137 661.7 1.00 0.92 1.09 1.00 0.95 1.05 1.00 0.99 1.01 1.00 1.00 1.00
Tỷ số giữa số liệu thực nghiệm và số liệu tính từ công thức bán thực nghiệm gần bằng 1 đối với năng lượng nhỏ hơn 100 keV, cho thấy độ khớp khá tốt Sau khi xác định năng lượng, chúng ta có thể sử dụng các công thức (5.1), (5.2), (5.3) và (5.4) để xác định độ nhạy tương đối và hệ số chuẩn cho các số đọc dưới các phin lọc El, E2, E3 và E4.
5.3 Thuật toán xác định hệ số chuyển đổi Kerma sang đại lượng tương đương liều cá nhân
5.3.1 Xây dựng thuật toán tính hệ số chuyển đổi Kerma sang đại lương tuơng đương liều cá nhân theo ISO
5.3.1.1 Hệ số chuyển đỗi từ Kerma sang Hp(10) Đối với các mức năng lượng sè có các hàm được làm khớp khác nhau cụ thể nhưsau:
Cp(10) = 3 X 10“8E4 - 2 X 10“6E3 - 0.0007E2 + 0.0884xE - 0.9204 (5.5) (Với cácgiá trị 16.3 keV < E < 90 keV)
Cp(10) = -8 X 10“9E3 + 2 X 10“5E2 - 0.0075E + 2.3837 (5.6) (Với cácgiá trị 90 keV < E < 248 keV)
Hệ số chuyến dổi Kerma sang Hp(10) theo ISO 2.00
Nàng lương E (keV) -•-Hp(lO)Hp(10)L
Hình 5.3: Đường cong bán thực nghiệm và thực nghiệm của hệ so chuyển đôitừ
5.3.1.2 Hệ số chuyển đổi từ Kerma sang Hp(3) Đối với các mức năng lượng sẽ có các hàm được làm khớp khác nhau cụ thể nhưsau:
(Với cácgiá trị 8.5 keV < E < 33 keV)
Cp(3) = 1 X 10“8E4 - 3 X 10“7E3 - 0.0005E2 + 0.0557E - 0.0324 (5.9) (Với cácgiá trị 33 keV < E < 65 keV)
(Với cácgiá trị 65 keV < E < 288 keV)
Hệ số chuyên đổi từ Kerma sang Hp(3) theo ISO
Hình 5.4: Đường cong bán thực nghiệm và thực nghiệm của hệ số chuyển đổitừ
5.3.1.3 Hệ số chuyển đổi tù'Kerma sang Hp(0.07) Đối với các mức năng lượng sẽ có các hàm được làm khớp khác nhau cụ thể nhưsau:
(Với cácgiá trị 8.5 keV < E < 43 keV)
Cp(0.07) = 8 X 10“7E3 - 0.0004E2 + 0.0431E + 0.2512 (5.13) (Với cácgiá trị 43 keV < E < 65 keV)
Cp(0.07) = 1 X 10“5E2 - 0.0054E + 2.0956 (5.14) (Với cácgiá trị 65 keV < E < 288 keV)
Cp(0.07) = 4 X 10“7E2 - 0.0008E + 1.5449 (5.15) (Với cácgiá trị E > 288 keV)
Conversion coefficient Kerma to Hp(0.007)
Hình 5.5: Đường cong bán thực nghiệm và thực nghiệm của hệ so chuyển đôitừ
5.3.1.4 Sai số Đối với các công thức tính hệ số chuyển đoi từ kerma sang Hp(d) được xây dựng dựa trên số liệu tính theo trường chuẩn ISO có độ chênh lệch thấp nam trong khoảng 1% - 3% nhưng ở khoảng năng lượng 65 keV có thể thấy rõ sự chênh lệnh nằm trong khoảng 5%.
5.3.2 Xây dựng thuật toán tính hệ số chuyển đổi Kerma sang đại lượng thực hành mới (ICRU 95)
5.3.2.1 Hệ số chuyển đổi từ Kerma sang liều cá nhân (Hp) Đối với các mức năng lượng sẽ có các hàm được làm khóp khác nhau cụ thể nhưsau:
Cp =- 444780E4 + 35941E3 - 161.45E2 + 0.0557E - 0.0073 (5.16) (Với cácgiá trị 0.05 MeV < E < 0.039 MeV
Cp = 65666E5 - 54967E4 + 17391E3 - 2595.6E2 + 180.11E - 3.21 (5.17) (Với cácgiá trị 0.04 MeV < E < 0.2MeV)
Cp =- 0.3172E3 + 0.8409E2 - 0.78121E + 1.2578 (5.18) (Với cácgiá trị 0.21 MeV < E < 1.04 MeV)
Cp = 0.0001E3 - 0.003E2 - 0.0003E + 1.0009 (5.19) (Với cácgiá trị 1.05 MeV < E < 8.04 MeV)
Hệ số chuyển dổi tù' Kerma sang liều cá nhân theo ICRU 95
Hình 5.6: Đường cong bán thực nghiệm và thực nghiệm của hệ sốchuyển đôitừ
5.3.2.2 Hệ số chuyển đổi từ Kerma sang liều mắt (Dp.iens) Đối với các mức năng lượng sẽ có các hàm được làm khóp khác nhau cụ thể nhưsau:
(5.21) (Với cácgiá trị 0.013 MeV < E