Những ứng dụng của đồng vị phóng xạ và công nghệ bức xạ docx

Những ứng dụng của đồng vị phóngxạ và công nghệ bức xạ Đề xuất của tiến sĩ Albert Einstein về sự tương đương năng lượng – khối lượng và các khám phá về năng lượng nguyên tử tạo con đường

Những ứng dụng của đồng vị phóng

xạ và công nghệ bức xạ

Đề xuất của tiến sĩ Albert Einstein về sự tương đương năng lượng – khối lượng và các khám phá về năng lượng nguyên tử tạo con đường cho các ứng dụng không giới hạn của phóng xạ và đồng vị phóng xạ trong các ngành công nghiệp, y tế, nông nghiệp và nghiên cứu hướng tới hòa bình và tiến bộ của nhân loại Các ứng dụng của các đồng vị phóng xạ và các kỹ thuật bức xạ đóng một vai trò to lớn trong các quốc gia phát triển.

1 GIỚI THIỆU

Các hiệu ứng quang điện liên quan đến các hạt có trong hiện tượng phóng

xạ – photon và electron Những nghiên cứu về dao động Brownian đã cung cấp phương tiện đầu tiên để đo kích thước của nguyên tử và thiết lập các cơ sở cho phép xoá tan những nghi ngờ về sự tồn tại của nguyên tử Thông qua các nghiên cứu của mình về lý thuyết tương đối đặc biệt, tiến sĩ Einstein đã đưa ra các khái niệm về tương đương khối lượng – năng lượng trong hình thức của một phương trình đẹp đẽ: m = E/c2 hoặc E = mc2 Phương trình này tạo ra cơ sở để giải phóng lượng lớn năng lượng được lưu giữ trong các nguyên tử thông qua quá trình phân hạch hạt nhân Việc khởi công xây dựng các lò phản ứng hạt nhân trong năm 1942 của Enrico Fermi tạo ra con đường cho việc sử dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình bằng cách sử dụng bức xạ và đồng vị phóng xạ Một thập kỷ trước phát kiến của Einstein, thế giới đã chứng kiến việc phá hiện tia X của giáo sư

Roentgen, khám phá sự phóng xạ tự nhiên của giáo sư Henry Becquerrel và khám phá về các electron của giáo sư J.J Thomson Ba phát kiến này đã được công nhận

là những sự kiện khởi nguồn đến vật lý hiện đại Những hiện tượng phóng xạ tự nhiên, đặc biệt là với các khám phá về chế tạo hạt nhân phóng xạ nhân tạo, đã cung cấp một công cụ mạnh cho việc sử dụng các nguyên tử và phóng xạ với một loạt các ứng dụng hòa bình, đưa đến sự tiến bộ của nhân loại Sơ lược các ứng dụng cơ bản trong các ngành công nghiệp, y tế, nông nghiệp và nghiên cứu sẽ được trình bày trong bài này

2 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CÁC ỨNG DỤNG

Sự tương tác giữa phóng xạ với vật liệu được thử nghiệm để thu thập các thông tin là cơ sở trong quá trình đo lường cho các ứng dụng phóng xạ và đồng vị phóng xạ Nguyên tắc cơ bản được minh hoạ trong hình 1

- Nguồn bức xạ phát ra tia alpha, bêta, gam-ma và nơtron;

- Những quá trình tương tác có thể là sự hấp thụ, sự tán xạ, sự ion hóa hay phát bức xạ thứ cấp;

- Máy dò (detector): máy đếm GM, máy đếm nhấp nháy, buồng ion hóa hay đầu dò bán dẫn …

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý đo đạc ứng dụng bức xạ

Có ba dạng cơ bản khác nhau của những ứng dụng những đồng vị phóng xạ

và bức xạ Dạng đầu tiên phụ thuộc vào hiện thực ảnh hưởng của bức xạ đến vật chất Thuộc tính này được sử dụng trong liệu pháp ung thư phóng xạ, khử trùng

các sản phẩm y học, sự chiếu xạ thực phẩm, tăng liên kết chéo trong pôlime vân vân

Những ứng dụng trong công nghiệp của chất đồng vị sử dụng những hiệu ứng của sự bức xạ trên vật liệu dẫn tới sự định giá những thuộc tính định tính và định lượng của vật chất Hướng thứ ba của ứng dụng, như trong các hệ công nghiệp, thuỷ học hay sinh học được dựa vào nguyên lý vết Mọi ứng dụng này đều yêu cầu những đồng vị phóng xạ hay nguồn bức xạ thích hợp

3 SẢN PHẨM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ VÀ NGUỒN PHÓNG XẠ

Một lượng phong phú các đồng vị phóng xạ được sản xuất trong những lò phản ứng hạt nhân Cả nguồn Côban-60 phóng xạ, được sử dụng rộng rãi như nguồn bức xạ trong công nghiệp và trong phòng thí nghiệm, cũng được sản xuất trong những lò phản ứng năng lượng hạt nhân Những đồng vị phóng xạ này tiếp tục được xử lý trong những phòng thí nghiệm/ô “nóng” với sự thông hơi và thiết bị bốc dỡ từ xa đặc biệt Ngoài ra nhiều đồng vị phóng xạ hữu ích được tách ra từ những nhiên liệu đã cháy và tiếp tục xử lý (Bảng 1)

Rất nhiều loại đồng vị khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp Nổi bật nhất trong số đó là Iridium-192, Co-60, Tm-170, Cs-137, Se-77 Những đồng vị này đang được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn chụp ảnh công nghiệp Trong số các đồng vị này iridium-192, Co-60, Tm-170 được sản xuất trong

lò phản ứng hạt nhân dựa trên phản ứng (n,γ) Trái lại Cs-137 được sản xuất từ tách cesium chloride từ các sản phẩm phân hạch, được hấp thụ và lưu giữ trong khối gốm Các đồng vị phóng xạ được tiếp tục xử lý trong ô “nóng” để xác định đồng vị, đo lường hoạt độ và đóng viên Ngoài các nguồn gamma nguồn beta và neutron cũng được sản xuất lượng lớn cho hạt nhân đánh dấu và cho các mục đích khác

4 CÁC KỸ THUẬT BỨC XẠ

Nhiều dạng kỹ thuật đã được phát triển để thích hợp với các ứng dụng khác nhau Một số ví dụ này được nêu lên trong phần này

4.1 Chụp ảnh Gamma

Chất đồng vị phóng xạ phát tia gamma có những ứng dụng quan trọng trong chụp ảnh công nghiệp Chụp ảnh phóng xạ là kỹ thuật mà nguồn kín đặt ngoài máy chụp ảnh (camera)/ máy chiếu (projector) phóng xạ Có hơn 1000 loại camera chụp ảnh phóng xạ được sử dụng

4.2 Buồng Gamma

Buồng gam-ma là một thiết bị linh hoạt cho những sự nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như sinh học phóng xạ, sự bảo quản chồi ghép cây, sự đột biến sinh sản, sự bảo quản thực phẩm, kỹ thuật vô sinh sâu bọ giống đực, hiệu ứng sinh học

và gien di truyền, hóa học bức xạ, biến đổi và cải biến thuộc tính nguyên liệu Buồng gam-ma cũng còn có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng nghiên cứu khác, khi có yêu cầu chiếu bức xạ vào vật liệu với những bức xạ ion hóa có liều thay đổi

4.3 Đánh giá hạt nhân

Nói chung các nguồn đo mức được sử dụng trong quá trình đo lường công nghiệp Phương pháp bao gồm hiều dạng cấu hình khác nhau của các nguồn, detector, vật liệu được kiểm tra tùy theo đặc điểm của bức xạ / vật liệu và loại chẩn đoán Hàng chục đồng vị trong số khoảng 1000 đồng vị được sử dụng trong các thiết bị theo dõi hạt nhân Sử dụng thường xuyên nhất là nguồn đồng vị: phát hạt alpha Po-210, Pu-239 và Am-241; phát hạt beta Kr-85, Sr-90, Pm-147 và Tl-204; phát gamma Co-60, Cs-137, Tm-170 và Am-241;phát neutron Ra-Be, Po-Be và Am-Be Kỹ thuật này sử dụng thực tế là càng nhiều chất hơn giữa nguồn và detector, bức xạ thông qua càng ít Bằng cách đo lường số lượng bức xạ vượt qua khối vật liệu mà có thể xác định được một số thông số

5 CÁC ỨNG DỤNG

5.1 Trong công nghiệp

Hiện nay đồng vị phóng xạ đang được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp bao gồm cả luyện thép, hóa chất và tổng hợp hoá dầu, điện hạt nhân và nhiệt điện và các cơ sở kỹ thuật công nghiệp nặng Dưới đây là một vài ví dụ

Kiểm tra không phá huỷ mẫu (Non-destructive testing: NDT)

Ngày nay phương pháp chụp ảnh phóng xạ bằng cách sử dụng nguồn bức xạ gamma cobalt-60 và iridium-192 được sử dụng rộng rãi nhấẩttong số các phương pháp NDT bảo đảm chất lượng công trình

Diệt trùng bằng phóng xạ

Bức xạ trị liệu là phương pháp ưa thích cho sự diệt trùng các sản phẩm và thiết bị y tế trên khắp thế giới Sản phẩm bao gồm chỉ khâu, dụng cụ cho và truyền máu, dụng cụ tiêm, dụng cụ phẫu thuật và dao mổ và một số dược phẩm

Bức xạ gamma và điện tử cũng có thể được sử dụng tiêu diệt các vi sinh gây bệnh trong bùn nước thải Bùn sau xử lý như vậy là an toàn, hoặc được sử dụng vào môi trường hoặc sử dụng như là phân bón, thức ăn gia súc

Thủy học và thủy lực học

Thủy lực học phóng xạ (isotope hydrology) đã nổi lên như là một môn khoa học riêng biệt và đã được minh chứng có giá trị trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước, điều rất quan trọng với nhiều quốc gia Lò phản ứng sản xuất những chất đồng vị cũng như những chất đồng vị môi trường (cả phóng xạ lẫn bền) được sử dụng để khảo sát nguồn gốc của nguồn nước và những vấn đề xây dựng dân dụng Chúng bao gồm những nghiên cứu về tái tạo nước bề mặt, sự xâm nhập nước biển vào tầng ngậm nước ven biển, sự thấm tạo rò rỉ trong các con đập và hệ thống kênh dẫn cũng như sự di chuyển lớp trầm tích dưới đáy biển của một lượng lớn các cảng biển và cảng trong nước và quốc tế

Tìm chỗ hỏng bằng sử dụng vết phóng xạ (Trouble shooting using radiotracers)

Những đồng vị phóng xạ được sử dụng như những đồng vị đánh dấu là những công cụ duy nhất để chẩn đoán những vấn đề trong những quá trình sản xuất công nghiệp, từ sự dò tìm rò rỉ trong những ống dẫn chôn ngầm dưới đất đến

sự đánh giá các chức năng hoạt động của những lò phản ứng hóa học Gần như mọi nhà máy sản xuất thép sử dụng những đồng vị phóng xạ để theo dõi sản phẩm trong những lò luyện sắt lót gạch chịu lửa Thủy ngân phóng xạ thường được sử dụng để kiểm tra thủy ngân trong những nhà máy sản xuất sôđa ăn da

Xử lý bức xạ (Radiation Processing)

Xử lý bức xạ công nghiệp đang mở rộng một cách nhanh chóng vùng sử dụng bức xạ năng lượng cao cho sự sản xuất các vật liệu công nghiệp mới và tốt hơn Bức xạ năng lượng cao trong khi xuyên qua vật chất sẽ gây ion hóa và kích thích những phân tử Sự xử lý bức xạ nhằm sử dụng một cách thành công những biến đổi hóa – lý này để sinh ra những sản phẩm mới có những tính chất được cải tiến

Về cơ bản, xử lý bức xạ công nghiệp bao gồm bắn phá các vật liệu bằng bức

xạ năng lượng cao dưới những điều kiện được kiểm soát để đưa ra những thay đổi mong muốn trong vật liệu Các nguồn gamma (Co-60 và Cs-137) và thiết bị dòng electron (electron beam: EB) dựa trên công nghệ cao được sử dụng rộng rãi trong

xử lý bức xạ; hơn 50% của toàn bộ thiết bị y tế sử dụng một lần được khử trùng bằng bức xạ của Co-60 dựa trên thiết bị bức xạ Hệ thống gồm băng tải mang trên

đó sản phẩm được chuyển động với tốc độ chậm xung quanh nguồn và sản phẩm thông thường sẽ được chiếu bởi liều 25 kGy để diệt trùng dụng cụ y tế Thiết bị EB được sử dụng trong xử lý polimer, chế biến, ghép nối phân tử hoá chất bằng bức xạ (radiation crosslinks) cho dây và cáp điện, nhuộm màu bằng bức xạ cho đá quý (ngọc) Bảo quản thực phẩm bằng xử lý bức xạ là một trong những công nghệ mới nổi bật lên hiện nay liên quan đến việc khử trùng diệt gien sinh sản của sản phẩm gia vị, hành, khoai tây, thịt cá

Phát năng lượng từ những nguồn đồng vị phóng xạ

Máy phát nhiệt đồng vị (Radioisotopes Thermal Generators: RTG) được sử dụng ngày càng tăng trong những tàu vũ trụ, đèn hải đăng định vị từ xa, và những ứng dụng trong y học Những nguồn thường được sử dụng là Sr-90 và Pu-238 Nhiệt được phát sinh bởi sự phân rã hạt nhân được chuyển thành điện năng bằng việc sử dụng những cặp nhiệt điện và nguồn điện cỡ vài hàng trăm oát có thể tạo bằng RTG có thiết kế thích hợp Pu-238 được sử dụng rộng rãi như là một tế bào tim mạch để phát những xung điện điều chỉnh nhịp đập tim

5.2 Trong Y học

Các ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong y học đã dẫn tới sự phát triển nhánh mới của y học được gọi là "Y học hạt nhân" Nhánh mới này dùng dược phẩm

phóng xạ cho chẩn đoán những bệnh xác định, theo dõi và nhận diện sự phát triển

và diễn tiến của chúng Phương pháp này cũng tham gia điều trị những bệnh nhất định với sự sử dụng dược phẩm phóng xạ

Trong chẩn đoán, hai dạng kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, cụ thể là kỹ thuật trong-cơ thể (in-vivo) và trong-ống nghiệm (in-vitro) Đối với nghiên cứu in-vivo, một dược phẩm phóng xạ thực sự phân tán vào cơ thể của bệnh nhân trong khi đó trong kỹ thuật in-vitro không có dược phẩm phóng xạ nào phân tán vào cơ thể của bệnh nhân, và đánh giá tỉ mỉ số lượng các hoóc môn, thuốc và các chế phẩm sinh học hoà tan trong mẫu máu được thực hiện với giúp đỡ của các đồng vị phóng xạ trong phòng thí nghiệm Kỹ thuật in-vivo bao gồm nghiên cứu cả hình ảnh và không – hình ảnh Trong những nghiên cứu không – hình ảnh, động học và phân bố sinh học của dược phẩm phóng xạ phân tán trong cơ thể được nghiên cứu với sự giúp đỡ của các thiết bị hạt nhân thích hợp Nghiên cứu hình ảnh với các hạt nhân phóng xạ là phần chính yếu của y học hạt nhân ngày nay

Tạo ảnh hạt nhân phóng xạ (Radio Nuclide Imaging: RNI)

X-quang đã được sử dụng trong nhiều năm cho việc chụp các hình ảnh của các cơ quan nội tạng Trong những năm gần đây, phương thức tạo hình ảnh mới, chủ yếu là phương pháp tái tạo hình ảnh cắt lớp bằng điện toán (computerized axial tomography: CAT), hình ảnh siêu âm và hình ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging: MRI) đã được đưa ra trong chẩn đoán y tế Những phương pháp này, nhìn chung, cung cấp thông tin sinh động chi tiết của bộ khung và cấu trúc của các cơ quan được chụp ảnh, và chúng rất hữu ích trong chẩn đoán đáng tin cậy nhiều loại bệnh

RNI theo sự so sánh thì rất hữu ích trong chức năng thu thập các thông tin về nhiều cơ quan thông tin cấu trúc làm cho kỹ thuật này trở nên là duy nhất và nhạy cảm trong chẩn đoán lâm sàng

Ứng dụng lâm sàng

Tạo ảnh phóng xạ đang giữ một vai trò hữu ích ngày càng tăng trong thực hành lâm sàng thường ngày Một số ứng dụng tiêu biểu gồm:

§ Sự đánh giá bệnh nhân với bệnh động mạch vành để quyết định giải phẫu và theo dõi sau giải phẫu

§ Chẩn đoán sự quá áp gây ra do những vấn đề của thận

§ Xác định sớm ung thư và di căn của nó tới những cơ quan khác

§ Sự tắc nghẽn luồng máu tới phổi trong những bệnh nhân sau khi giải phẫu

§ Xác định sự tắc nghẽn ống dẫn mật dẫn tới bệnh vàng da’ phẫu thuật’

§ Đánh giá bướu tuyến giáp

§ Chụp ảnh toàn bộ não để đánh giá bệnh động kinh và chứng loạn trí

§ (Radionuclide hình ảnh là một sân chơi bổ ích tăng cường vai trò cách thường xuyên, thực hành lâm sàng

Những ví dụ này chỉ minh họa và còn có nhiều phát triển mới, cả về thiết bị lẫn dược phẩm phóng xạ, mà chúng cung cấp thông tin chẩn đoán chính xác hơn dẫn tới bệnh nhân được điều trị tốt hơn

Phân tích miễn dịch phóng xạ

Phân tích miễn dịch phóng xạ (Radio immunoassay: RIA), như tên gọi được

đề nghị, là một kỹ thuật dựa trên các đo lường hoạt độ phóng xạ và phản ứng hoá học của hệ miễn dịch (immunochemical) giữa một hoóc môn và một kháng thể độc chống lại hoóc môn đó

Một số ứng dụng lâm sàng quan trọng của RIA bao gồm:

§ Chẩn đoán về đithionit (hypo) và sự hoạt động quá mức của tuyến giáp bằng việc đánh giá mức hoóc môn tuyến giáp (T3, T4, TSH) trong máu

§ Quản lý của những bệnh nhân đái đường bởi sự đánh giá insulin, kháng thể insulin và chuỗi C các axit amin

§ Chẩn đoán nguyên nhân của sự vô sinh bằng RIA đối với các hooc môn sinh sản (FSH, LH, và prolactin)

§ Ki m tra quá trı̀nh mang thai b ng đánh giá lượng HCG bêta và HPL

§ Ước lượng mức máu của những loại thuốc mạnh nhưng mà độc, như phenytoin, được dùng trong điều trị bệnh động kinh

§ Xác định sớm ung thư bằng RIT qua những sinh kháng thể khối u như

là sinh kháng thể phôi thai carcino

Ứng dụng chữa bệnh dược phẩm phóng xạ

Dược phẩm phóng xạ cũng có thế sửdụng trong việc điều trị của một số bệnh

Sử dụng iodine-131 trong việc điều trị quá chức năng của tuyến giáp (hyper thyrodism) là một ví dụ nổi bật của điều trị với đồng vị phóng xạ xâm nhập bên trong cơ thể Việc điều trị là rất đơn giản và tránh được những chấn thương và sự phức tạp của cuộc giải phẫu Iodine-131 cũng được sử dụng trong điều trị bệnh ung thư tuyến giáp bằng cách tiêu diệt mô ung thư tuyến giáp còn dư sau khi phẫu thuật điều trị tuyến giáp, và bằng cách cho I-131 tập trung nơi di căn

Phophorus-32, đồng vị điều trị khác, được sử dụng cho việc chữa trị bệnh hiếm, được gọi là polycythemia Vera Một số dược phẩm phóng xạ mới khác sử dụng trị liệu bệnh ung thư cũng được phát triển và chúng được dự kiến sẽ cung cấp công cụ mới trong việc điều trị các bệnh ung thư

5.3 Trong Nông nghiệp

Các đồng vị phóng xạ và công nghệ bức xạ đang được sử dụng theo nhiều cách trong nông nghiệp để cung cấp những thông tin mà chúng có thể là không bảo đảm có được theo bất kỳ phương pháp nào khác:

§ Sử dụng phốt pho phóng xạ như nguyên tử đánh dấu đã cho phương pháp xác nhận loại phốt phát mà thỏa mãn một cách tốt nhất cho đất đai và cây trồng

§ Cách bón phân phốt pho tốt nhất cho gốc cây, bón theo chiều sâu đất trồng và bón theo thời gian cho năng suất tốt hơn

§ Sử dụng những nguyên tố đánh dấu trong phân bón dinh dưỡng, cơ chế của sự quang hợp, bảo vệ thực vật bao gồm hoạt động của thuốc trừ sâu, sự trao đổi chất trong cây, vân vân

§ Sự biến đổi phóng xạ được sử dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều quốc gia để nâng cao sản lượng, tạo các loại giống cây trồng có chất dinh dưỡng cao hơn, như các giống lạc, lúa, cây xanh v.v

§ Xử lý bức xạ cà phê hạt bằng cách sử dụng electrons nhanh, nâng cao chất lượng sản phẩm

Vâng, trong danh sách sẽ không bao giờ kết thúc!!

5.4 Trong nghiên cứu

Để minh hoạ vầ những ứng dụng trong nghiên cứu của kỹ thuật hạt nhân, chúng tôi giới thiệu vài nét về nghiên cứu trên Microtron

Microtron là một máy gia tốc nhằm cấp năng lượng để gia tốc cho các electron Đó là một thiết bị cyclotron điện tử, trong đó electrons được gia tốc bằng điện trường RF thay đổi theo tần số không đổi trong một từ trường đồng nhất và không đổi Các electron di chuyển trong quỹ đạo tròn, tất cả các quỹ đạo có cùng một đường tiếp tuyến chung tại trục của lỗ RF gia tốc Sự đồng bộ chuyển động của electrons với trường RF gia tốc đạt được bằng cách làm cho chu kì của mỗi quỹ đạo

kế tiếp lớn hơn so với quỹ đạo trước đó bằng cách lấy tổng bội số chu kỳ của RF

Microtron cũng được sử dụng như là một nguồn mạnh phát bức xạ hãm (bremsstrahlung) bằng cách bắn electrons nhanh vào bia có Z cao được đặt ở phần cuối của kênh khai thác Những electrons và bức xạ hãm năng lượng cao đang được sử dụng để thực hiện các nghiên cứu về quang phân hạch, quang phân tích kích hoạt, chiếu xạ các thiết bị bán dẫn, v.v Microtron cũng được sử dụng như

là một phương tiện nguồn neutrons bằng việc thiết lập một thiết bị chuyển đổi neutron ở cuối kênh khai thác và sử dụng phản ứng (γ, n) để sản xuất neutrons Các neutrons nhiệt với thông lượng lên đến 107n/cm2.sec thu được bằng cách sử dụng thiết bị chuyển đổi neutron chế tạo từ đĩa beryllium có độ dày khác nhau Những neutrons được sử dụng để phân tích kích hoạt neutron cho các mẫu địa chất và môi trường, và cho thử nghiệm chụp ảnh neutron

Để minh hoạ thêm, thảo luận đôi chút về chiếu xạ các thiết bị bán dẫn Trong quá trình chiếu xạ, thời gian chiếu có thể được kiểm soát bởi liều bức xạ, mà liều