Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu che chắn phòng x quang trong chẩn đoán y tế

Nội dung của khóa luận này trình bày nhu cầu, mục đích của việc che chắn bức xạ; nguyên lý hấp thụ tia X và gamma khi xuyên qua vật chất; các loại vật liệu chính dùng trong che chắn phòn

Mỹ Phê đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện khóa luận và cảm ơn Bệnh viện Nhi Đồng I đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi tham quan và thu thập số liệu

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Vật lý-Vật lý Kĩ thuật, hơn hết là quý Thầy Cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên

Tp Hồ Chí Minh về những kiến thức mà tôi đã thu nhận được trong suốt bốn năm đại học

Xin chân thành cảm ơn thầy TS Huỳnh Trúc Phương đã nhận xét và góp ý để hoàn chỉnh khóa luận

Trong những năm xa gia đình, tôi đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn về vật chất và tinh thần từ những người thân Đặc biệt cảm ơn bố mẹ đã ngày đêm động viên, nuôi nấng, dạy dỗ tôi đến ngày hôm nay

Cuối cùng, tôi xin chúc quý Thầy Cô và những người mà tôi yêu quý luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011

Nguyễn Thanh Vương

MỤC LỤC

Trang LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC BẢNG VẼ iv

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Nhu cầu che chắn phòng X-quang 3

1.2 Ý nghĩa kinh tế trong việc che chắn hợp lý 4

1.3 Mục đích chính của việc che chắn 4

1.3.1 Đối với nhân viên bức xạ 4

1.3.2 Đối với môi trường chung quanh 5

1.3.3 Đối với bệnh nhân 5

Chương 2: NGUYÊN LÝ HẤP THỤ TIA X VÀ GAMMA KHI XUYÊN QUA VẬT CHẤT 2.1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 6

2.2 Hệ số hấp thụ khối lượng 8

2.3 Ý nghĩa vật lý của các hệ số hấp thụ 9

2.4 Hình học của chùm tia xuyên qua vật chất 10

2.4.1 Nguồn có chuẩn trực 10

2.4.2 Nguồn không chuẩn trực 11

2.5 Bề dày hấp thụ một nửa (HVL) 15

Chương 3: VẬT LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X-QUANG

3.1 Tấm chì (Pb) 19

3.1.1 Tính chất vật lý và hóa học 19

3.1.2 Đặc tính của chì trong việc che chắn tia X 21

3.2 Thạch cao 22

3.2.1 Tính chất vật lý và hóa học 22

3.2.2 Đặc tính của thạch cao trong việc che chắn tia X 23

3.3 Bê tông 24

3.3.1 Tính chất vật lý và hóa học 25

3.3.2 Đặc tính của bê tông trong việc che chắn tia X 26

Chương 4: ÁP DỤNG TRONG CHE CHẮN PHÒNG X-QUANG 4.1 Nguyên lý cơ bản 28

4.2 Máy X-quang thông thường 29

4.2.1 Tiêu chuẩn kích thước phòng 29

4.2.2 Tính toán bề dày các rào cản 32

4.2.3 Kết quả thu được 45

4.3 Máy X quang chụp nha 46

4.3.1 Tiêu chuẩn kích thước phòng 46

4.3.2 Tính toán bề dày các rào cản 48

4.3.3 Kết quả thu được 55

4.4 Kiểm tra bằng thực nghiệm 55

4.4.1 Phòng chụp X-quang thông thường 56

4.4.2 Phòng chụp X-quang nha khoa 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1 Thông số làm khớp của các vật liệu ứng với các cao áp (kVp) khác nhau 16

Bảng 4.1 Hệ số chiếm giữ (T) cho một số khu vực 33

Bảng 4.2 Bề dày tương đương của các vật liệu “chắn trước” chùm tia chính

(Dixon, 1994) 35

Bảng 4.3 Liều hấp thụ bức xạ thứ cấp tại khoảng cách 1m không có che chắn 37

Bảng 4.4 Kết quả tính toán bề dày các rào cản bức xạ cho phòng X-quang thông thường 46

Bảng 4.5 Những điều kiện của rào cản đối với phòng X-quang nha 47

Bảng 4.6 Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Tây cho thạch cao và chì 50

Bảng 4.7 Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Đông cho thạch cao và chì 52

Bảng 4.8 Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Bắc cho thạch cao và chì 53

Bảng 4.9 Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Nam cho thạch cao và chì 54

Bảng 4.10 Bề dày cần thiết của vật liệu che chắn cho phòng X-quang nha (mm) sử dụng máy Gendex 765DC 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.1 Phổ sóng điện từ 6

Hình 2.2 Chùm tia xuyên qua vật chất khi có chuẩn trực 10

Hình 2.3 Chùm tia xuyên qua vật chất khi nguồn không chuẩn trực 12

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của giá trị HVL vào cao áp (kVp) với một số vật liệu 17

Hình 2.5 Sự mất năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nửa 18

Hình 3.1 Mô hình mặt cắt vách thạch cao 24

Hình 3.2 Minh họa một tấm sàn điển hình với bê tông được đổ lên thép 27

Hình 4.1 Sự phát bức xạ từ ống phát tia X 28

Hình 4.2 Thiết kế điển hình cho khu vực điều khiển trong phòng X-quang 30

Hình 4.3 Bản vẻ phòng X-quang theo chiều dọc 31

Hình 4.4 Bản vẻ phòng X-quang theo chiều ngang 32

Hình 4.5 Sự suy giảm chùm tia chính qua bê tông 35

Hình 4.6 Sự phụ thuộc của bề dày rào cản bê tông thứ cấp vào NT/Pd2 38

Hình 4.7 Sự suy giảm của chùm tia chính qua chì 40

Hình 4.8 Bề dày chì cho rào cản thứ cấp trong phòng X-quang là một hàm số của NT/Pd2 41

Hình 4.9 Sự suy giảm của bức xạ thứ cấp qua chì 44

Hình 4.10 Thiết kế phòng X-quang nha khoa cho máy Gendex 765DC 48

Hình 4.11 Máy X-quang RadSpeed MF và bẳng thiết bị điện tử phát tia X 56

Hình 4.12 Mô hình phòng X quang thông thường bệnh viện Nhi Đồng 1 57

Hình 4.13 Máy Gendex expert DC và mô hình phòng X-quang nha 58

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, việc áp dụng các thành tựu khoa học và kĩ thuật vào đời sống và sản xuất ngày càng được chú trọng, trong đó kĩ thuật hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân Ở Việt Nam, tuy chưa có điện nguyên tử nhưng

kỉ thuật hạt nhân đã được sử dụng nhiều trong việc chẩn đoán và điều trị trong y tế, trong chụp ảnh kiểm tra chất lượng mối hàn, các hệ thống đo đạc và điều khiển trong các nhà máy, trong thăm dò địa chất… Xuất phát từ tình hình đó và do tính chất nguy hiểm nên các nguồn bức xạ phải được kiểm soát chặt chẽ để hạn chế đến mức thấp nhất những rủi ro có thể xảy ra

Từ khi Wilhelm Conrad Roentgen phát hiện ra tia X có thể chẩn đoán cấu trúc xương, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp ảnh y tế Các máy X-quang là thiết

bị phát tia X để chẩn đoán và điều trị bệnh, nhưng cũng ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có biện pháp bảo vệ thích đáng Tính nguy hiểm của các loại máy X-quang tuy thấp hơn so với các nguồn phóng xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không phải nhỏ đối với cộng đồng Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ thường xuyên các cơ sở có sử dụng máy X-quang, dù đã được công luận nhiều lần cảnh bảo, vẫn còn bị buông lỏng

Tại một số các bệnh viện hiện nay, việc bố trí các máy X-quang ở các phòng bệnh vẫn đang còn gặp nhiều khó khăn, phòng càng nhỏ nguy cơ liều chiếu trên bệnh nhân càng tăng và liều bức xạ lọt ra ngoài càng cao nếu mức độ che chắn được áp dụng như một phòng có diện tích lớn hơn Bởi vậy, vấn đề che chắn cho các phòng chẩn đoán X-quang có ý nghĩa to lớn trong công tác bảo đảm an toàn bức xạ Nếu không sẽ dẫn đến những hậu quả hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe, cho cuộc sống, thậm chí gây ra những rủi ro cho chính bản thân các bác sĩ và kĩ thuật viên vận hành thiết bị chụp X-quang; cho bệnh nhân phải chiếu chụp để chẩn đoán bệnh; cho cả nhân viên không liên quan đến kĩ thuật này và dân chúng nói chung trong khu vực tác dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát

Mục đích của việc che chắn bức xạ trong phòng chẩn đoán X-quang y khoa là hạn chế việc tiếp xúc bức xạ đối với nhân viên và bệnh nhân trong một giới hạn cho phép Nội dung của khóa luận này trình bày nhu cầu, mục đích của việc che chắn bức xạ; nguyên lý hấp thụ tia X và gamma khi xuyên qua vật chất; các loại vật liệu chính dùng trong che chắn phòng X-quang và ứng dụng các loại vật liệu này trong việc thiết

kế phòng X-quang với kích thước hợp lý nhất

Khóa luận chia làm 4 chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 2: Nguyên lý hấp thụ tia X và Gamma khi xuyên qua vật chất

Chương 3: Vật liệu che chắn phòng X-quang

Chương 4: Áp dụng trong che chắn phòng X-quang

Khóa luận này là bước đầu tiếp cận với cách thức trình bày một tài liệu khoa học, do đó không tránh khỏi những thiếu sót trong việc trình bày và nội dung còn nhiều hạn chế trong việc tìm kiếm tài liệu Vì vậy, tôi rất mong được ý kiến đóng góp chân thành từ qúy Thầy Cô và các bạn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Nhu cầu che chắn phòng X quang

Máy X-quang trong chẩn đoán y khoa là loại thiết bị bức xạ mang tính nguy hiểm, tuy thấp hơn so với nguồn phóng xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không nhỏ đối với cộng đồng Cán bộ y tế thường xuyên tiếp xúc với bức xạ ion hay gặp phải những biểu hiện cụ thể từ việc ảnh hưởng bức xạ, có nhiều người đã vô sinh, suy giảm

nhiên, hiểm họa từ X-quang còn tác động lên cộng đồng dân cư rất lớn do chính nhu cầu khám và điều trị bệnh của người dân

Hiện nay, không chỉ ở các tỉnh mà ngay cả thành phố lớn như TP Hồ Chí Minh vẫn đang còn sử dụng nhiều máy y tế có tuổi thọ trên 30 năm và máy X-quang một pha nửa sóng kĩ thuật rất lạc hậu Chưa kể đến việc nhiều thiết bị cũ đến mức hồ sơ kĩ thuật

đã biến mất tự bao giờ và nhân viên bức xạ không dùng găng tay, màn chắn chì, tạp dề chì, đeo liều kế cá nhân (thiết bị đo mức độ hấp thu bức xạ), kính bảo vệ mắt, không được thông báo định kỳ liều chiếu đến từng người Các hiểm họa khác vẫn luôn tồn tại: thiếu tín hiệu cảnh báo hoặc hệ thống cửa ra vào không đảm bảo an toàn Nhiều phòng X-quang, chủ yếu ở khu vực y tế tư nhân có diện tích nhỏ hơn quy định

phòng ốc có sao dùng vậy

Máy X-quang trong chẩn đoán y khoa là loại thiết bị bức xạ mang tính nguy hiểm thấp so với nguồn phóng xạ vì mức độ ảnh hưởng chỉ mang tính cục bộ, nhất thời, dễ dàng quản lý và khắc phục nếu xảy ra sự cố về thiết bị Nhưng như vậy không

có nghĩa là liều suất bức xạ từ các phòng X-quang là không nguy hiểm, vì các cơ sở y

tế cũng là những nơi tập trung đông người, đặc biệt là đối tượng sức khỏe suy giảm

Do việc khám chữa bệnh ở các cơ sở y tế hiện nay không thể thiếu máy X-quang nên bắt buộc các phòng X-quang nhất nhất tuân thủ quy định về diện tích phòng X-quang theo tiêu chuẩn cấp phép của Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường

1.2 Ý nghĩa kinh tế trong việc che chắn hợp lý

Có nhiều loại vật liệu được sử dụng để che chắn cho phòng X-quang nhưng được sử dụng chủ yếu có thể kể đến các vật liệu như là chì, bê tông, thạch cao, barit Việc che chắn hợp lý giúp tiết kiệm nguyên vật liệu dùng để xây dựng phòng X-quang

mà vẫn đảm bảo hạn chế được bức xạ nghề nghiệp tới mức tối thiểu cho các nhân viên

y tế, đảm bảo an toàn cho cho bệnh nhân ở khu vực chờ và những người có liên quan đến công việc chụp chiếu làm việc bên ngoài phòng X-quang

Che chắn hợp lý giúp tiết kiệm không gian, diện tích xây dựng; bên cạnh phòng X-quang có thể xây dựng các phòng khám chửa bệnh khác mà không phải giữ một khoảng cách nhất định do các bức xạ thoát ra từ máy X-quang được giữ lại bên trong

và không thoát được ra bên ngoài để gây hại cho con người và môi trường

Ngoài ra, che chắn hợp lý còn giúp người dân có nhu cầu chụp X-quang yên tâm đến những cơ sở này để khám chửa bệnh

1.3 Mục đích chính của việc che chắn

1.3.1 Đối với nhân viên bức xạ

Nhân viên bức xạ hay các kĩ thuật viên X-quang nói riêng là những người tham gia trực tiếp vào quá trình điều chỉnh, vận hành thiết bị và xử lý kết quả sau khi chụp X-quang Trong quá trình chụp các nhân viên X-quang sẽ ở phòng kĩ thuật ở sát bên phòng chụp; khu vực này thông với phòng chụp bằng một cửa thép có ốp chì Nhân viên có thể quan sát toàn bộ phòng chụp qua một lớp kính chì trong suốt Nhân viên sẽ đứng tại phòng kĩ thuật này để bấm nút chụp X-quang, thời gian phát tia là rất ngắn (khoảng vài chục miligiây), đây là khoảng thời gian mà tia X được phát tán khắp nơi

Nhờ có lớp che chắn mà các nhân viên X-quang được đảm bảo làm việc trong

điều kiện an toàn Tránh đến mức tối đa các tia bức xạ có hại phát ra từ máy X-quang, đảm bảo liều bức xạ tại bàn điều khiển không được vượt quá 20 mSv/năm và

10 µSv/h (không kể phông bức xạ tự nhiên)

1.3.2 Đối với môi trường chung quanh

Rò rỉ bức xạ từ phòng X-quang gây ra những hậu quả vô cùng to lớn đến môi

trường xung quanh, bức xa rò rỉ này có thể phát tán khắp nơi ra không khí làm ô nhiễm

môi trường sống của chúng ta Bên cạnh đó, nó còn gây hậu quả nghiêm trọng đến sức

khỏe cho những người dân đang sinh sống tại khu vực có rò rỉ bức xạ vì có khả năng bị

chiếu xạ ngoài

Che chắn hợp lý phòng X-quang sẽ ngăn chặn bức xạ rò rỉ ra ngoài gây ô nhiễm

môi trường và hủy họa hệ sinh thái

1.3.3 Đối với bệnh nhân

Những bệnh nhân chụp X-quang sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của tia X phát ra từ

toàn, phòng chụp, thiết bị chụp không đạt tiêu chuẩn an toàn do Bộ Y tế và tổ chức Y

tế thế giới đề ra, cùng với việc đội ngũ bác sĩ chụp X-quang không được trang bị đầy

đủ kiến thức thì quả là điều nguy hiểm đối với người bệnh Ngoài nguyên nhân từ máy

chụp X-quang không đạt chuẩn, bệnh nhân còn bị nhiễm xạ từ sự lạm dụng của bác sĩ

(thời gian chụp, số lần chụp) Hậu quả của điều này thường rơi trực tiếp lên bệnh nhân

Việc che chắn sẽ ngăn chặn bức xạ thoát ra bên ngoài gây ảnh hưởng đến bệnh

nhân ở khu vực chờ và những bệnh nhân đi qua lại phòng X-quang Đặc biệt là phụ nữ

có thai cần hạn chế chụp X-quang và siêu âm thai ngoài mục đích chẩn đoán bệnh do

bức xạ thoát ra từ những máy được sử dụng có thể gây hại cho thai và đặc biệt tránh lại

gần những khu vực chiếu chụp X-quang

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HẤP THỤ TIA X VÀ GAMMA KHI XUYÊN QUA VẬT CHẤT 2.1 Hệ số hấp thụ tuyến tính

Tia X (hay tia Roentgen) là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 10 đến

dùng trong y tế có điện thế trong khoảng từ 10 kVp đến 50 MV và được tạo ra khi các electron có động năng từ 10 keV tới 50 MeV bị hãm trong bia làm bằng vật liệu đặc biệt

Tia X và tia gamma đều là bức xạ điện từ nhưng có bước sóng khác nhau và được phân biệt qua phổ sóng điện từ

Hình 2.1 Phổ sóng điện từ

cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:

dI = -µIdx (2.1) Trong đó µ là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coefficient) và có đơn vị

dI = - μdx

I (2.2) Tích phân phương trình này từ 0 đến x ta được:

I = I0e-µx (2.3) Nếu đưa vào tiết diện toàn phần của tương tác lượng tử Gamma với một nguyên tử

- Tán xạ Compton: Sự tương tác cuả lượng tử gamma với electron tự do của

nguyên tử Kết quả lượng tử gamma truyền cho electron một phần năng lượng

và bị tán xạ ngược dưới góc θ so với phương tới

- Hiệu ứng tạo cặp: Là do sự tương tác của lượng tử gamma có năng lượng lớn

hơn 1,02 MeV với trường hạt nhân hoặc trường của electron nguyên tử, kết quả

Tiết diện tương tác toàn phần là tổng tiết diện của các quá trình Gọi σ là tiết diện toàn phần vi mô (tính trên một nguyên tử vật chất), ta có:

σ = σphot + σCom + σpair (2.4)

tiết diện vĩ mô hay hệ số suy giảm tuyến tính

µ = Nσ = N(σphot + σsCom + σaCom + σpair) (cm-1)

µ = µphot + µsCom + µaCom + µpair (cm-1) (2.5) Nếu chỉ quan tâm đến sự hấp thu năng lượng thực trong vật chất thì ta loại bỏ đại lượng tán xạ trong (2.5), khi đó ta có hệ số hấp thụ tuyến tính của chùm tia Gamma

kí hiệu là µa:

µa = µphot + µaCom + µpair (cm-1) (2.6)

này ta giả thiết nó thoát ra khỏi chất bị tương tác Điều này sẽ không còn đúng khi môi trường che chắn có bề dày tương đối lớn, khi đó ta phải tính đến hiệu ứng tích lũy (build-up) do các tia tán xạ đóng góp

2.2 Hệ số hấp thụ khối lƣợng

/g), được xác định theo công thức 2.7:

Tương tự, khi chia hệ số hấp thụ tuyến tính cho khối lượng riêng của môi trường

Nếu vật chất tương tác là hỗn hợp của nhiều chất thì hệ số hấp thụ tuyến tính

phải là một tổ hợp của các hệ số hấp thụ của các thành phần của hỗn hợp đó:

- Hệ số hấp thụ tuyến tính: Là xác xuất trên mỗi cm để tương tác xảy ra khi chùm

gamma song song hẹp truyền qua vật chất có bề dầy x

I = I0exp(-µx)

I : Số lượng tử γ đến tấm vật chất bề dày x

Hệ số hấp thụ tuyến tính mô tả sự dịch chuyển của bức xạ gamma qua môi trường khi không để ý đến các photon tán xạ,nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của lượng tử gamma

- Hệ số hấp thụ khối: Là tỉ lệ của hệ số hấp thụ tuyến tính với mật độ vật chất

) Đây là đại lượng có phần cơ bản hơn so với hệ số hấp thụ tuyến tính vì có thể áp dụng cho bất kì dạng nào của chất hấp thụ: rắn, lỏng, khí

2.4 Hình học của chùm tia xuyên qua vật chất

2.4.1 Nguồn có chuẩn trực

Bức xạ gamma có thể không được hấp thụ hoàn toàn, mà chỉ giảm cường độ khi

đi qua vật chất Nếu việc đo sự suy giảm của bức xạ gamma năng lượng đơn được thực hiện dưới điều kiện hình học tốt, với chuẩn trực tốt,một chùm bức xạ hẹp chỉ ra trong hình 2.2 một đường thẳng biểu diễn mối quan hệ giữa logarit của cường độ với bề dày

( x là bề dày vật liệu hấp thụ; µ là hệ số suy giảm tuyến tính )

Hình dưới đo sự suy giảm của bức xạ gamma dưới điều kiện hình học tốt Lý tưởng nhất, chùm tia nên được chuẩn trực và nguồn đặt càng xa detector càng tốt Vật liệu hấp thụ được đặt giữa nguồn và detector, nó phải đủ mỏng để có tương tác thứ cấp giữa photon vừa tán xạ với vật liệu hấp thụ và sự hấp thụ này là không đáng kể Ngoài

ra, không nên có vật liệu nằm rải rác trong vùng lân cận của máy dò

Hình 2.2 Chùm tia xuyên qua vật chất khi có chuẩn trực

Tích số µx của phương trình trên không có thứ nguyên, nếu bề dày hấp thụ được

có bề dày Δx Hệ số suy giảm trên được gọi là hệ số suy giảm toàn phần tuyến tính

Nói chung, đối với năng lượng nằm trong koảng từ 0,75 đến 5 MeV, gần như tất

cả các vật liệu có cùng tính chất về sự suy giảm bức xạ gamma Vì vậy, tính chất che chắn xấp xỉ tỉ lệ thuận với mật độ của vật liệu che chắn Trong điều kiện có chuẩn trực thì sự suy giảm của chùm bức xạ gamma được cho bởi:

2.4.2 Nguồn không chuẩn trực

2.4.2.1 Qúa trình tán xạ

Với điều kiện hình học không tốt, ví dụ chùm tia rộng hoặc một lá chắn rất dày, điều này ảnh hưởng đến những đòi hỏi cần thiết đối với bề dày che chắn Gỉa sử rằng mỗi photon tương tác với lá chắn và bị lệch khỏi chùm tia và máy đếm sẽ không đếm được Trong điều kiện hình học không tốt được chỉ ra trong hình 2.3, giả thiết này

không hợp lệ, bởi một số lượng đáng kể photon có thể tán xạ bởi lá chắn và đi vào máy

dò, hoặc photon đã tán xạ lệch hướng khỏi chùm tia có thể tán xạ trở lại máy dò sau một số va chạm thứ cấp

Hình 2.3 Chùm tia xuyên qua vật chất khi nguồn không chuẩn trực

Bề dày vật liệu che chắn trong điều kiện không có chuẩn trực có thể được thiết lập bằng cách biến đổi mối quan hệ suy giảm cường độ chùm gamma nêu trên thông

2.4.2.2 Hệ số build up

Trong thực tế khi chùm lượng tử Gamma đi qua lớp vật chất dày, cường độ dòng bức xạ qua lớp vật chất được đóng góp bởi bức xạ tán xạ và bức xạ không tán xạ Nghĩa là cường độ của chùm bức xạ rộng sau khi qua tấm vật liệu được đóng góp thêm bởi các bức xạ tán xạ thứ cấp và được mô tả bằng công thức:

I = I0e-µxBN(hυ,Z,µx) (2.16)

góp của bức xạ tán xạ, Z bậc số nguyên tử của môt trường, hυ là năng lượng của bức

xạ tới, x là bề dày của lớp vật liệu

Nếu dùng máy dò để xác định cường độ bức xạ trong điều kiện chùm rộng và hẹp với các tham số (hυ,Z,µx) như nhau, thì chỉ số của máy dò trong các điều kiện của chùm rộng sẽ lớn hơn trong các điều kiện của chùm hẹp một đại lượng do đóng góp

của bức xạ tán xạ Hệ số tích lũy phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử gamma, bậc

số nguyên tử và bề dày của vật liệu, vị trí của nguồn và máy dò so với lớp bảo vệ, dạng hình học và tổ hợp của lớp bảo vệ

Hệ số tích lũy có thể được định nghĩa như là tỉ số của cường độ chùm bức xạ rộng với cường độ của chùm bức xạ hẹp hoặc định nghĩa như là tỉ số hiệu ứng của bức

xạ không tán xạ và hiệu ứng của bức xạ tán xạ với bức xạ không tán xạ

+ Các hệ số tích lũy có liên quan đến đặc trưng của bức xạ tới:

- Hệ số tích lũy số: (hệ số tích lũy đối với số lượng tử) là tỉ số giữa dòng lượng tử

của tất cả các năng lượng (không tán xạ và tán xạ) tại điểm đo với mật độ dòng lượng tử ban đầu không tán xạ tại cùng vị trí

- Hệ số tích lũy năng lượng: Là tỉ số giữa cường độ bức xạ ban đầu của chùm tia

sơ cấp và chùm tia thứ cấp J(r,hυ)=hυN(r,hυ) tại điểm đo với cường độ bức xạ

BE(r) =

0

hνN(r,hν)dhνhνN (r,hν)dhν



 (2.18)

bức xạ tại điểm đo với liều chiếu trong không khí chỉ tính cho lượng tử ban đầu không tán xạ tại cùng vị trí

BD(r) =

0

hνN(r,hν)γ(hν)dhνhνN (r,hν)γ(hν)dhν



vật liệu đã cho của các bức xạ tại điểm đo với liều hấp thụ chỉ tính cho lượng tử ban đầu không tán xạ

hνN(r,hν)γ (hν)dhνhνN (r,hν)γ (hν)dhν



 (2.20)

+ Các hệ số tích lũy liên quan đến đặc trưng của môi trường: Xét nguồn điểm đẳng hướng trong môi trường vô hạn thì hệ số tích lũy được tính dưới dạng tổng của hai số hạng hàm mũ

BN(hυ,Z,µx)=A1exp(-α1µx) + A2exp(-α2µx) (2.21)

thuộc vào hυ và Z

+ Các hệ số tích lũy đối với môi trường che chắn có nhiều lớp: Giả sử trong thiết kế che chắn chúng ta dùng hai tấm vật liệu khác nhau, ta có thể tính gần đúng ba trường hợp sau, với vật liệu 1 gần nguồn hơn vật liệu 2

- Nếu Z1 ≈ Z2 khi đó những hệ số tích lũy thay đổi rất chậm theo Z, ở những năng

- Nếu Z1« Z2: Trong trường hợp này, tán xạ Compton trong môi trường thứ nhất dịch chuyển năng lượng của bức xạ tới xuống vùng hấp thụ quang điện của vật liệu thứ hai Như thế sự đóng góp vào hệ số tích lũy là rất ít với môi trường thứ

- Nếu Z1»Z2: Nếu năng lượng bức xạ nhỏ hơn năng lượng cực tiểu trong µ1 (khoảng 3MeV đối với vật liệu có Z cao), những hệ số tích lũy có thể được nhân với nhau B(µ1x1)× B(µ2x2)min

Đối với môi trường che chắn gồm nhiều lớp không đồng nhất hệ số tích lũy được tính theo công thức (2.22)

BT = N n n i i N n n=1 i i

n=1 i=1 n=2 i=1

B ( μ x )- B ( μ x )

tích lũy trong môi trường đồng tính đối với tổng bề dày đến n-1 lớp

2.5 Bề dày hấp thụ một nửa (HVL)

Hệ số suy giảm tuyến tính B của chùm tia X qua các vật liệu che chắn khác nhau, ứng dụng cho phòng X-quang được mô tả bằng một phương trình toán học được Archer công bố năm 1983 và trước đây được nghiên cứu bởi Simpkin

Bảng 2.1 Thông số làm khớp của các vật liệu ứng với các cao áp (kVp) khác nhau

Bề dày hấp thụ một nửa (HVL) là bề dày của một vật liệu bất kì mà khi bức xạ tới truyền qua cường độ của nó bị giảm đi một nửa HVL biểu diễn theo đơn vị khoảng

dày vật liệu dùng trong che chắn, sử dụng phương trình (2.25):

(2.25)

Phương trình (2.25) sẽ tiệm cận giá trị HVL = (ln2)/α tại những giá trị lớn của x

và cung cấp một sự ước tính giá trị HVL ở sự suy giảm cao Cũng giống như hệ số suy giảm, giá trị HVL phụ thuộc vào năng lượng photon, khi năng lượng của chùm photon tăng thì giá trị HVL của vật liệu cũng tăng

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của giá trị HVL vào cao áp (kVp) với một số vật liệu

Một cách tính khác, thì giá trị HVL sẽ tỉ lệ nghịch với hệ số suy giảm µ Xét

vật liệu có bề dày x là I=0,5, thì ta có:

 ln2=-µx

Gía trị này cũng được sử dụng trong việc che chắn trong các phòng X quang chỉ đơn giản vì nó dễ nhớ và thực hiện tính toán đơn giản Trong việc tính toán che chắn,

có thể thấy rằng khi biết bề dày hấp thụ một nửa (HVL) ta có thể nhanh chóng xác định được bao nhiêu vật liệu là cần thiết để giảm cường độ bức xạ xuống dưới 1% Tuy nhiên, việc tính toán che chắn còn phụ thuộc vào khoảng cách từ ống phát tia X đến vị trí rào cản Còn phương pháp này chỉ chính xác khi biết cường độ bức xạ ngay phía trước và sau rào cản

Hình 2.5 Sự mất năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nử

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X QUANG 3.1 Tấm chì (Pb)

3.1.1 Tính chất vật lý và hóa học

3.1.1.1 Tính chất vật lý

- Tính chất chung: Chì là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn hóa học viết tắt

là Pb (Latin: Plubum) có số hiệu nguyên tử là 82 Chì có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khi tiếp xúc với không khí Chì có tính chất vật lý chung của kim loại, nó dẫn điện và nhiệt(mặc dù không tốt như một số kim loại khác, chẳng hạn như đồng và nhôm), là một kim loại có ánh kim và có nhiệt độ nóng chảy

nặng Tuy nhiên, chì không phải là nguyên tố nặng nhất, kim loại nặng hơn khác bao

chúng bị ngăn lại và cường độ của chúng bị suy giảm Do đó, chì là vật liệu che chắn rất tốt và giá thành cũng tương đối so với các kim lọai khác như Al, Fe

- Cản trở âm : Khi sóng âm đi qua chì sẽ bị biến dạng và cường độ suy giảm Vì chì

là dày đặc nên một lớp chì mỏng có thể cản âm thanh hiệu quả hơn nhiều so với một lớp khác có hệ số cản âm thanh thấp Tính mềm dẻo của chì cũng tránh được hiện tượng cộng hưởng

- Tính dẻo và độ bền kéo: Chì là một kim loại mềm, dễ dát mỏng và dễ kéo dài thành sợi

3.1.1.2 Tính chất hóa học

- Tính chất chung: Chì bị hòa tan nhanh bởi axit nitric; chì dễ tan trong các axit

hữu cơ (như axit axetic, thực phẩm có môi trường axit) và trong nước có chứa muối nitrat

- Tính ăn mòn: Chì không phải là một kim loại hoàn toàn trơ, mặc dù không phải

là rất phản ứng Nói chung, nó ít phản ứng hơn sắt và thiếc nhưng phản ứng nhiều hơn

so với đồng Trong một số điều kiện, chì có thể hòa tan trong nước (trong thời kì nhiều năm) Việc ăn mòn của chì thường rất chậm, bởi vì nhiều hợp chất của nó có thể hình thành hàng rào bảo vệ trên bề mặt

Chì trong không khí: Trong không khí ẩm, chì xỉn nhanh chóng, tạo thành một lớp mỏng oxit chì trên bề mặt Chì có thể do phản ứng với lượng khí carbon dioxide trong không khí để tạo thành chì cacbonat Những bề mặt này bảo vệ chì chống lại thêm phản ứng trong điều kiện bình thường của khí quyển

Pb => Pb2+ + 2e

- Tính độc hại: Chì và hợp chất của chì đều độc, càng dễ hòa tan, độc tính càng cao

bị nhiễm độc, nếu ăn phải 1 g bụi chì thì có thể bị chết Hằng ngày một người hấp thụ 1mg chì, sau nhiều ngày xuất hiện nhiễm độc mạn tính, liều 1mg này mới chỉ gấp 3 lần lượng chì vào cơ thể hằng ngày qua ăn uống

Chì vừa gây độc theo cơ chế tiếp xúc vừa gây độc theo cơ chế tác động men Khả năng gây độc theo cơ chế tiếp xúc của chì rất cao do chì ion bám vào đâu là gây

độc cho tế bào đến đó Về tác động men thì chì tác động lên nhiều chặng của quá trình tổng hợp hemoglobin

3.1.2 Đặc tính của chì trong việc che chắn tia X

Đặc tính che chắn bức xạ của chì chủ yếu là do khối lượng riêng của nó Chì có

của nó lớn hơn so với các vật liệu khác Điều đáng quan tâm hơn ở mật độ của chì là một photon có khả năng ion hóa dễ tương tác với một điện tử quỷ đạo và có thể bị hấp thụ Khối lượng riêng càng tăng khi số hiệu nguyên tử tăng Một vài nguyên tố khác có khối lượng riêng lớn hơn chì và do đó sẽ che chắn tốt hơn chì nhưng chúng rất hiếm hoặc đắt tiền Ví dụ vàng, bạch kim, chất độc hai như thủy ngân và chất phóng xạ như

bởi vì nó tương đối rẻ, phổ biến và dễ dàm tạo thành thỏi hoặc tấm chì Khi thể tích của

thay thế cho chì

Hầu hết các photon ion hóa (gamma và tia X) tương tác với vật chất thông qua hai quá trình chính là hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton Trong hiệu ứng quang điện, năng lượng từ một photon được hấp thụ hoàn toàn bởi một electron liên kết bên trong nguyên tử Kết quả là electron bị bứt ra khỏi nguyên tử,năng lương photon biến thành động năng của electron và để lại trong nguyên tử một lỗ trống Lỗ trống ngay sau

đó được lấp đầy bởi các electron từ lớp ngoài với năng lượng liên kết nhỏ hơn (từ lớp L hay M) Chính sự dịch chuyển này đã tạo ra tia X đặc trưng Electron thoát ra va chạm với các điện tử xung quanh và thường chỉ đi được vài mm

Trong tán xạ Compton, photon chỉ còn lại một phần năng lượng khi tương tác với electron liên kết trong nguyên tử, các photon tán xạ có năng lượng thấp hơn ban đầu và phụ thuộc vào góc tán xạ Nếu photon tương tác trực diện với điện tử, năng lượng photon sẽ được chuyển hết cho electron giật lùi và photon bị tán xạ theo hướng

ngược lại Điều này tiếp tục diễn ra nhiều lần cho đến khi tất cả hay hầu hết năng lượng của photon được hấp thụ bởi sự tương tác với các điện tử quỹ đạo trong tấm chắn Cuối cùng, năng lượng của photon được chuyển thành nhiệt, thông thường lượng nhiệt này không nhận thấy được Trong thực tế, các nguồn bức xạ vô cùng lớn, được bảo vệ trong thùng bằng chì thường cảm thấy hơi ấm hơn so với môi trường xung quanh khi chạm tay vào

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng dù có tấm chắn chì dày thì một số photon ion hóa vẫn xuyên qua được Photon ion hóa như tia X hoặc tia Gamma có thể giảm cường độ nhưng không bao giờ bị hấp thụ hoàn toàn chỉ với một lớp che chắn Lá chắn thiết kế đúng được thiết kế để hấp thụ hầu hết các photon, do đó chỉ có vài phần trăm các photon xuyên qua được tấm chắn

3.2 Thạch cao

Thạch cao là khoáng vật trầm tích hay phong hóa rất mềm, với thành phần là

tìm thấy trong đá vôi và hầu như có mặt ở mọi vùng trên trái đất

3.2.1 Tính chất vật lý và hóa học

3.2.1.1 Tính chất vật lý

Thạch cao là vật liệu được sử dụng nhiều trong lĩnh vực trang trí nội thất Nét nổi bật của thạch cao là đa dạng, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về kĩ thuật như chống cháy, chống ẩm, cách âm và tiêu âm

bằng khoảng 12% trọng lượng vách ngăn bằng tường gạch nên vách thạch cao làm giảm đáng kể tính tải khi tính toán thiết kế kết cấu cho công trình, giảm kích thước nền móng, tiết diện đà, cột, trọng lượng thép chịu lực, có thể tiết kiệm khoảng 15% chi phí xây dựng cho cả công trình Thạch cao nhẹ cũng dễ vận chuyển, không mất thời gian

chờ khô, rút ngắn thời gian thi công Mức độ an toàn cũng cao hơn khi có những cơn địa chấn, động đất

Tấm trần thạch cao không gây hại cho sức khỏe do không chứa amiăng, phù hợp với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, không co giãn, không bị rạn nứt Sản phẩm này cũng dễ dàng kết hợp với các VLXD khác như sơn, giấy dán, fabric, veneer, vẽ

3.2.1.2 Tính chất hóa học

cao khan":

thạch cao Đem vữa thạch cao ở trạng thái tươi đi đổ khuôn sau đó đợi ninh kết (sản

thì nhận được vật liệu màu trắng có cường độ và độ ổn định nhất định, tên của dạng vật liệu cuối cùng nhận được này thường được gọi một cách đơn giản là "thạch cao" hay

khuôn thạch cao

Bột thạch cao khan được dùng trong công nghiệp xi măng, gạch men, giấy, kỹ

thuật đúc tượng, bó bột Nếu nung ở nhiệt độ cao hơn, phản ứng xảy ra:

Thạch cao ít tan trong nước và hòa tan trong axit HCl

3.2.2 Đặc tính của thạch cao trong việc che chắn tia X

Vách thạch cao được sử dụng nhiều cho cấu trúc tường trong các cơ sở y tế Cấu tạo vách thạch cao gồm một lớp lõi bằng bông thủy tinh với hệ thống thanh đứng, thanh ngang làm khung, bên ngoài ốp một hoặc hai lớp thạch cao cách đều hai bên lõi

(hình 3.1) Mặc dù,vách thạch cao cung cấp sự suy giảm tương đối ít đối với bức xạ năng lượng cao, nhưng nó cung cấp sự suy giảm đáng kể cho chùm tia X năng lượng thấp trong các phòng nhủ ảnh và các thiết bị X quang có công suất thấp như máy chụp nha, loãng xương Tuy nhiên, vách thạch cao thường có lỗ rỗng và những chổ không đều nên khi sử dụng trong che chắn cần phải đảm bảo tính an toàn của nó

Hình 3.1 Mô hình mặt cắt vách thạch cao 3.3 Bê tông

Bê tông (gốc từ béton trong tiếng Pháp) là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc nhào trộn các thành phần: Cốt liệu thô (đá, sỏi, đôi khi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông nhẹ); cốt liệu mịn (thường là cát, đá mạt, đá xay, ); chất kết dính (xi măng + nước, nhựa đường, ) theo một tỷ lệ nhất định tạo nên một hổn hợp keo Hổn hợp keo này biến đổi qua một quá trình lý hoá khá phức tạp và đông kết tạo thành đá xi măng Toàn bộ quá trình này diễn ra trong 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn sẽ đạt cường độ tiêu chuẩn được qui uớc trong tính toán và thiết kế công trình

Có các loại bê tông phổ biến là: bê tông nhựa, bê tông Asphalt, bê tông Polime,

các công trình, cốt thép được đưa vào trong bê tông đóng vai trò là bộ khung chịu lực

nhằm cải thiện khả năng chịu kéo của bê tông, được gọi là bê tông cốt thép

3.3.1 Tính chất vật lý và hóa học

3.3.1.1 Tính chất vật lý

Bê tông là vật liệu dòn, tính đồng nhất kém và dị hướng Trong bê tông, chất kết dính làm vai trò liên kết các cốt liệu thô và cốt liệu mịn và khi đóng rắn, làm cho tất cả thành một khối cứng như đá Ba đặc tính quan trọng của bê tông là: Tính lưu động, độ bền thích hợp và chi phí tối thiều Điều chỉnh nó bằng việc thay đổi tỷ lệ xi măng/nước,

tỷ lệ xi măng/cốt liệu, cỡ cốt liệu, tỷ lệ cốt liệu mịn/cốt liệu thô, loại xi măng

Bê tông có cường độ chịu nén cao , bền trong môi trường Chất lượng bê tông tốt có thể chịu được cường độ lớn hơn 40 MPa Độ bền bị ảnh hưởng lớn bởi tỷ lệ nước/xi măng Trong quá trình chịu lực độ bền bị ảnh hưởng bởi các tác dụng tải trọng (ngắn, dài hạn), ảnh hưởng của môi trường (khô, ẩm) Mặc dù chịu nén tốt nhưng bê tông chịu kéo rất kém Cốt thép được dùng trong bê tông nhằm tăng khả năng chịu kéo của bê tông Bê tông có hệ số giản nở nhiệt xấp xỉ so với thép và do đó chúng có thể làm việc tốt với nhau khi nhiệt độ thay đổi

Bê tông có các lỗ rổng chứa khí hoặc nước, chúng ảnh hưởng rất lớn đến độ bền

và khả năng chịu lực của bê tông

cho sự hình thành lớp thụ động trên bề mặt cốt thép Lớp thụ động này được hình thành

từ các oxit không hòa tan, sản phẩm của các phản ứng nhiệt động học giữa thép, nước

và oxi trong môi trường có pH cao Màng thụ động đóng vai trò rào cản, cản trở quá trình ăn mòn cốt thép

Bê tông không có lớp bảo vệ, do đó dễ dàng bị xâm nhập bởi các chất từ môi trường bên ngoài Hai dạng phá hoại hóa học quan trọng là ăn mòn sunfat và phản ứng giữa silicat và kiềm

- Ăn mòn sunfat do quá trình phản ứng hóa học giữa sunfat hòa tan và các thành

phần trong xi măng Các sản phầm hình thành chiếm thể tích lớn hơn rất nhiều

so với các chất mà chúng đã thay thế và làm cho vửa xi măng bị phá hoại, do đó gây giãn nở và phá hoại bê tông

- Phản ứng giữa silicat và kiềm là phản ứng hóa học giữa các khoáng silic trong

cốt liệu với kiềm trong bê tông.Phản ứng tạo ra gel trương nở sau khi xi măng hình thành cường độ, gây ứng xuất bên trong dẫn đến giãn nở và nứt bê tông

3.3.2 Đặc tính của bê tông trong việc che chắn tia X

Bê tông là vật liệu xây dựng cơ bản được sử dụng trong tấm sàn Nó cũng được

sử dụng cho tấm tường đúc sẵn, tường và mái nhà Bê tông được thiết kế và quy định như bê tông khối lượng chuẩn và bê tông nhẹ Từ khi nền công nghiệp hạt nhân bắt đầu thì bê tông đã được sử dụng như một vật liệu che chắn bức xạ Sự suy giảm bức xạ hiệu quả của một rào cản bê tông phụ thuộc vào bề dày, mật độ và thành phần của nó

Hình 3.1 minh họa cấu trúc một tấm sàn điển hình sử dụng trong các cơ sở chụp X-quang, cụ thể là bê tông được đổ lên sàn thép và tạo thành tấm Các nhà vật lí y học, kiến trúc sư và kĩ sư xây dựng sẽ thảo luận về sự kết hợp của các vật liệu để bổ sung che chắn cho sàn, đảm bảo được tính bền vững và khả năng che chắn bức xạ của nó