Xác định phân bố liều bức xạ photon ở lối ra của máy gia tốc primus – siemens dùng trong xạ trị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NGUYỄN THỊ THU HÀ XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ LIỀU BỨC XẠ PHOTON Ở LỐI RA CỦA MÁY GIA TỐC PRIMUS – SIEMENS DÙNG TRONG XẠ TRỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực hiện, Bản Luận văn “Xác định phân bố liều xạ photon lối máy gia tốc Primus Siemen dùng xạ trị” hoàn thành Với tình cảm đặc biệt chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Văn Loát - Trường Bộ môn Vật Lý Hạt nhân - trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, thầy tận tình, trực tiếp hướng dẫn, bảo em suốt trình thực Luận Văn Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, nhân viên khoa Xạ Trị bệnh viện K- Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em thời gian thực tập bệnh viện Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy cô giáo khoa Vật Lý, khoa KHCN - Sau Đại học Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, dẫn em trình học tập trường Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em thời gian học tập thực đề tài Dù có nhiều cố gắng trình thực hiện, song Luận Văn khó tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý, bảo thầy cô, bạn bè người quan tâm T.P Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Học viên Nguyễn Thị Thu Hà MỞ ĐẦU Ngay sau khám phá tia X Roentgen năm 1895, trình khởi đầu kỹ thuật xạ trị, công nghệ phát tia xạ ban đầu trọng vào việc tạo cường độ lượng chùm electron photon cao Trong suốt năm mươi năm đầu phát triển kỹ thuật xạ trị, công nghệ xạ trị phát triển chậm chạp chủ yếu dựa ống phóng tia X Phát minh thiết bị điều trị từ xa Cobalt- 60 H.E Johns vào đầu năm năm mươi Thế kỉ XX tạo nên bước phát triển lớn việc tìm kiếm nguồn photon lượng lớn thiết bị Cobalt- 60 đặt lên vị trí hàng đầu số năm Trong thời gian đó, máy gia tốc tuyến tính nghiên cứu phát triển nhanh chóng chiếm ưu so với thiết bị Cobalt- 60 Cho đến máy gia tốc dùng xạ trị phát triển qua năm hệ với độ phức tạp ngày tăng trở thành nguồn xạ sử dụng rộng rãi kỹ thuật xạ trị đại Với thiết kế nhỏ gọn hiệu quả, máy gia tốc tuyến tính linh hoạt sử dụng, cung cấp nguồn tia X megevolt electron cho điều trị với dải lượng rộng đáp ứng yêu cầu Với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, máy gia tốc dùng xạ trị kết nối với hệ điều khiển tự động Quá trình chiếu điều khiển tự động từ hệ máy tính trung tâm cho phép điều chỉnh lượng chùm electron photon phát kiểm soát liều suất liều phát Hiện bệnh ung thư bệnh nguy hiểm với mức độ phát triển nhanh giới nói chung Việt Nam nói riêng Do đó, việc chẩn đoán điều trị ung thư có vai trò vô quan trọng chương trình Phòng chống ung thư quốc gia Và việc trang bị thiết bị điều trị, lựa chọn phác đồ, phương pháp điều trị thích hợp cần thiết Có ba phương pháp điều trị ung thư - phương pháp áp dụng riêng rẽ kết hợp với để đạt hiệu điều trị cao nhất:  Phẫu thuật  Xạ trị  Hóa trị Trong xạ trị phương pháp hiệu quả, phát triển toàn giới Việt Nam Xạ trị thực điều trị đơn kết hợp với phẫu thuật hóa trị để loại bỏ hoàn toàn khối u, góp phần làm giảm triệu chứng đau đớn thể người bệnh Phương pháp xạ trị đại phổ biến giới xạ trị chiếu sử dụng máy gia tốc tuyến tính – phương pháp hữu hiệu điều trị ung thư Tháng năm 2001, Bệnh viện K- Hà Nội trang bị hệ thống máy gia tốc tuyến tính Primus hệ với nhiều ưu điểm bật hãng Siemens - hãng sản xuất thiết bị y tế tốt giới Hiện nước có thêm số sở khác sử dụng máy gia tốc xạ trị trị bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viện Đa khoa Đà Nẵng…Phương pháp xạ trị từ xa sử dụng máy gia tốc có xu hướng phát triển mạnh nước ta Một nguyên tắc cần phải đảm bảo điều trị tia xạ nói chung xạ trị chùm photon phát từ máy gia tốc nói riêng liều xạ phải tập trung đồng khối u giảm thiểu tối đa liều tổ chức lành bao quanh khối u Để có thông tin xác việc tính toán liều chiếu hình học chiếu cần phải biết dạng phân bố liều chiếu khu vực xung quanh khối u Xác định liều hấp thụ phân bố liều chùm xạ phát từ máy xạ trị việc làm tuần kỹ sư Vật Lý Khoa Xạ Trị sở y tế có điều trị ung thư tia phóng xạ Ngoài kết thu phân bố liều chiếu chùm xạ photon phát từ máy gia tốc cho biết rõ chế tương tác electron với vật chất chế sinh xạ hãm chùm electron gia tốc tương tác với vật chất Để nâng cao hiệu việc điều trị bệnh ung thư chùm photon phát từ máy gia tốc electron, đầu máy gia tốc xạ trị, người ta sử dụng colimator đa để định dạng kích thước chùm xạ photon gạt bỏ phần phổ xạ hãm có lượng thấp Vì vậy, theo quy ước, người ta lấy gia tốc chùm electron tạo chùm photon để mức lượng chùm photon tương ứng Cụ máy gia tốc xạ trị Bệnh viện K, chế độ phát chùm photon có mức ứng với gia tốc MV 15MV, tương ứng ta thu chùm photon 6MV 15MV Bản Luận văn: “ Xác định phân bố liều xạ photon lối máy gia tốc PRIMUS - Siemens dùng xạ trị” có nhiệm vụ: - Tìm hiểu chế tương tác chùm xạ photon với vật chất ứng dụng xạ photon điều trị bệnh ung thư - Tìm hiểu chế sinh xạ hãm chùm electron gia tốc tương tác với bia nặng đặc điểm chùm xạ photon phát từ máy gia tốc tuyến tính PRIMUS dùng xạ trị Bệnh viên K - Xác định thực nghiệm phân bố liều hấp thụ chùm xạ photon lượng MV 15 MV điểm cách bia (nguồn) 100cm, ứng với vị trị bệnh nhân nằm điều trị với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đánh giá đồng liều hấp thụ khối u Ngoài phần mở đầu kết luận, Bản Luận văn chia thành ba chương: Chương 1: Phương pháp xạ trị dùng tia gamma Chương trình bày sở vật lý sinh học xạ trị dùng xạ photon, trình tương tác xạ photon với vật chất với thể sống, tác dụng sinh học xạ, đơn vị đo liều lượng xạ Chương 2: Máy gia tốc Primus- Siemens dùng xạ trị Chương trình bày ngắn gọn nguyên lý hoạt đồng sơ đồ cấu tạo máy gia tốc dùng xạ trị, chế lấy chùm xạ photon từ máy gia tốc electron để phục vụ việc điều trị bệnh ung thư Chương 3: Xác định thực nghiệm: - Phân bố liều chiếu xạ photon theo khoảng cách - Phân bố liều chùm xạ photon lượng MV 15 MV mặt phẳng vuông góc với trục chùm xạ không khí phantom, từ đánh giá đồng liều hấp thụ khối u - Xây dựng đường cong liều sâu phần trăm hay đồ thị phân bố liều hấp thụ tương đối theo chiều sâu phantom nước, từ thấy hiệu việc điều trị khối u sâu dùng chùm photon CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG TIA GAMMA 1.1 TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT Khi chùm xạ bêta môi trường chúng tương tác với nguyên tử môi trường dần lượng hai trình chủ yếu ion hóa va chạm phát xạ hãm Sự lượng va chạm kết tán xạ không đàn hồi xạ bêta với electron nguyên tử môi trường Khác với hạt nặng tích điện, xạ bêta có khối lượng khối lượng electron, sau lần tương tác với electron nguyên tử môi trường, hạt bêta phần lớn lượng Ngoài ra, góc tán xạ biến đổi từ 00 đến 1800 Đường hạt bêta môi trường đường zic-zắc Trên đường lượng xạ bêta giảm dần nên vận tốc giảm dần Hạt xạ bêta chuyển động có gia tốc Bức xạ bêta chuyển động có gia tốc trong trường Coulomb hạt nhân trường Coulomb electron Theo điện động lực học cổ điển, xạ bêta phát xạ hãm Xác suất phát xạ hãm lớn khối lượng hạt nhỏ, lượng lớn nguyên tử số môi trường tăng Độ mát lượng riêng phát xạ đơn vị đường xạ bêta [6] xác định theo công thức sau :  dE   dE   dE        dx   dx Coul  dx  rad (1.1)  dE   dE   dE   ,   tương ứng độ mát lượng tổng cộng, độ ,   dx   dx Coul  dx  rad Trong  mát lượng ion hóa phát xạ hãm tính đơn vị đường Tùy theo lượng xạ bêta nguyên tử số môi trường trình mát lượng ion hóa phát xạ hãm thể mức độ khác 1.1.1 Sự mát lượng xạ bêta ion hóa kích thích môi trường Khi môi trường, tương tác Coulomb với electron nguyên tử môi trường, hạt bêta truyền lượng cho electron Nếu eletron nhận lượng lớn ion hóa, bay khỏi nguyên tử, kết cặp ion-electron tạo thành Nguyên tử bị ion hóa Ngược lại lượng mà electron nhận nhỏ ion hóa nguyên tử, electron nhảy lên mức lượng cao Quá trình gọi kính thích nguyên tử môi trường Sau lần tán xạ không đàn hồi electron, phần đáng kể lượng Do khối lượng bêta khối lượng electron, nên sau lần va chạm, xác suất để xạ bêta nửa lượng lớn Độ mát lượng xạ bêta đơn vị đường [6] xác định theo công thức Bethe-Bloch: Z  k (k  1) CV   dE  2 )   P(k )    (1.2   2 N A re me c   ln A   2(1 / me c ) Z   dx Col đó: NA số Advogadro, re, me bán kính cổ điển tính cm khối lượng electron; Z, A điện tích số khối môi trường,  mật độ khối môi trường;   v với v vận tốc c hạt bêta c vận tốc ánh sáng, k động hạt bêta tính đơn vị mec2, , Cv hệ số hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ hiệu ứng vỏ; F(k) hàm động Hàm F(k) có dạng sau: k2  (2k  1) ln F (k )     (k  1) (1.3) Với xạ bêta có lượng xác định, độ lượng đơn vị đường tỉ lệ thuận với mật độ môi trường Với môi trường xác định, độ mát lượng đơn vị đường giảm dần, sau đạt giá trị không đổi Khi lượng xạ bêta nhỏ, mát lượng phát xạ hãm nhỏ độ mát lượng ion hóa Tuy nhiên lượng xạ bêta tăng, độ mát lượng ion hóa kích thích môi trường giảm dần, độ mát lượng phát xạ hãm tăng dần Đến giá trị lượng đủ lớn, độ mát lượng xạ bêta phát xạ hãm chiếm ưu 1.1.2 Độ mát lượng xạ bêta phát xạ hãm Khi chuyển động điện trường hạt nhân, xạ bêta thu gia tốc lớn Gia tốc hạt tích điện thu tỉ lệ với điện tích hạt nhân tỉ lệ nghịch với khối lượng Theo điện động lực học cổ điển, hạt tích điện chuyển động có gia tốc, phát xạ điện từ, gọi xạ hãm Phổ xạ hãm phổ liên tục, có lượng từ đến lượng cực đại lượng hạt tích điện Độ mát lượng phát xạ hãm đơn vị đường [6] xác định theo công thức :  E0   dE  2    f ( Z )  (1.4)   N E0 Z re   ln  dx  rad  me c  N số nguyên tử môi trường đơn vị thể tích; E0 động electron,  số cấu trúc tinh tế, me khối lượng nghỉ electron; Z điện tích hạt nhân 137 Độ mát lượng phát xạ hãm tăng theo hàm logarit tự nhiên lượng Khi lượng tăng độ mát lượng phát xạ hãm tăng theo, đó, độ mát lượng ion hóa không đổi Khi lượng electron cỡ vài MeV trở lên, mối liên hệ độ mát lượng phát xạ hãm ion hóa xác định theo công thức sau:  dE     dx  rad  EZ 800  dE     dx col (1.5) Từ công thức (1.2) (1.4) nhận thấy, độ mát lượng đơn vị đường electron phụ thuộc vào nguyên tử số chất hấp thụ Với môi trường hấp thụ cho trước, lượng nhỏ, độ mát lượng ion hóa kích thích môi trường chiếm ưu thế, đó, tỉ số độ mát lượng phát xạ hãm ion hóa nhỏ đơn vị Khi lượng tăng, tỉ số tăng dần Đến giá trị lượng gọi lượng tới hạn Ec độ mát lượng phát xạ hãm độ mát lượng ion hóa Tại lượng tới hạn E=EC, ta có:  dE   dE       dx  rad  dx col (1.6) Năng lượng tới hạn Ec phụ thuộc vào điện tích hạt nhân hay xác phụ thuộc vào nguyên tử số môi trường Từ biểu thức (1.5) nhận thấy: Nguyên tử số môi trường lớn, lượng tới hạn giảm Năng lượng tới hạn [6] xác định theo công thức: EC  800 MeV Z  1,2 (1.7) Khi lượng electron lớn nhiều lượng tới hạn, mát lượng chủ yếu phát xạ hãm Để đặc trưng cho khả hãm xạ bêta môi trường người ta đưa khái niệm chiều dài xạ môi trường Chiều dài làm chậm xạ chất khoảng cách mà lượng electron giảm hệ số  0,367 phát xạ hãm Chiều dài e xạ chất phụ thuộc vào nguyên tử số số khối Chiều dài xạ kí hiệu X0 xác định theo công thức [6 ]: Xo  716,4 A ( g / cm )  287  Z ( Z  1) ln   Z  (1.8) Z nguyên tử số, A số khối nguyên tử môi trường Đối với môi trường phức tạp nhiều thành phần, chiều dài làm chậm xạ môi trường xác định theo chiều dài làm chậm xạ tất thành phần có môi trường theo công thức sau: n 1 A   qi i  X o i 1 AM X i (1.9) đó: Xo chiều dài làm chậm xạ môi trường phức tạp; Xi chiều dài làm chậm xạ môi trường có nguyên tử có số khối Ai ; qi hàm lượng nguyên tử có số khối n Ai; AM   Ai số khối hiệu dụng môi trường i 1 Khi môi trường tương tác electron với vật chất, lượng giảm dần Khi lượng electron lớn lượng tới hạn, độ mát lượng electron chủ yếu phát xạ hãm Sự thay đổi lượng trung bình E hàm đường x electron môi trường, xác định theo công thức sau:  x   E  Eo exp   Xo  (1.10) E0, X0 lượng ban đầu xạ bêta chiều dài xạ môi trường 1.1.3 Các đặc trưng xạ hãm Trong nguyên lí máy gia tốc dùng xạ trị, máy chế độ phát tia X, chùm electron sau gia tốc lái đến đập vào bia làm phát xạ hãm (tia X ) Với mục đích đó, lượng chùm hạt phải lớn lượng tới hạn nhiều để phần động truyền cho electron phần lớn chuyển thành lượng xạ hãm Mặt khác, bia phát xạ hãm phải cấu tạo cho suất phát xạ hãm tối ưu Từ công thức (1.7) cho thấy lượng tới hạn tỉ lệ nghịch với nguyên tử số môi trường Mặt khác từ công thức (1.8) nhận thấy chiều dài làm chậm xạ giảm nguyên tử số môi trường tăng Do đó, người ta sử dụng bia nặng, tức bia nguyên tố có nguyên tử số lớn, để làm bia phát xạ Từ công thức (1.10) ta thấy mát lượng chùm hạt electron tỉ lệ với chiều dài đường môi trường vật chất, hay suất hãm tăng bề dày bia tăng Tuy nhiên, kết thực nghiệm cho thấy bề dày bia tăng kéo theo nhiều hiệu ứng không mong muốn Khi bề dày bia lớn, lượng hạt electron bị mát không phát xạ tăng lên Mặt khác, photon xạ sinh bị hấp thụ phần bên bia Trong bia có bề dày lớn chiều dài xạ chùm electron lượng cao chuyển động tạo tượng mưa rào thác lũ electron - photon làm cho việc tính toán phân bố chùm tia tạo rắc rối, khó thực Do đó, bề dày bia phải tính toán thật phù hợp Một bia hãm phù hợp bia cho lượng xạ hãm lớn lượng xác định electron tới Khi nghiên cứu phụ thuộc suất hãm xạ vào bề dày bia nặng với giá trị lượng xác định electron, biểu diễn đường cong có dạng hình 1.1 Từ đồ thị ta thấy đường cong có đỉnh cực đại Như vậy, với chất liệu làm bia, giá trị lượng electron xác định có giá trị bề dày để suất hãm xạ đạt giá trị lớn Giá trị bề dày tối ưu bia hãm xạ bêta Giá trị tìm từ thực nghiệm Người ta thấy với electron có lượng khoảng MeV đến 30 MeV g bia nặng có bề dày tối ưu để hãm xạ khoảng 0,3 lần chiều dài xạ 1.4 E e = 17 M e V ( 1.2 1.0 0.8 p ¸ 0.4 g 0.6 0.2 0.0 0.01 0.1 10 Hình 1.1: Sự phụ thuộc suất hãm vào bề dày bia Au ( với mức lượng Ee= 17MeV) Năng suất hãm xạ bia phụ thuộc mạnh vào lượng chùm electron Đối với bia làm nguyên tố nặng, suất hãm [6] xác định công thức : P  82.Eo2.63 (1.11) Eo lượng ban đầu electron Nói chung bề dày tối ưu bia hãm xạ thường nhỏ quãng chạy electron môi trường 10 -8 -6 -4 -2 Hình 1.2 Sự phụ thuộc cường độ trung bình xạ hãm tạo chùm electron 25MeV từ bia Ta có bề dày 4mm vào góc phát xạ Từ thực nghiệm, người ta xác định phân bố theo góc phát xạ xạ hãm Từ hình ta nhận thấy cường độ trung bình xạ hãm đạt cực đại góc phát xạ 0o 1.2 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ PHOTON VỚI VẬT CHẤT Khi chùm photon có lượng lớn môi trường vật chất, chúng tương tác với môi trường thông qua hiệu ứng: hiệu ứng tán xạ, hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tạo cặp quang hạt nhân Các tượng có xảy hay không xảy với mức độ phụ thuộc vào lượng photon nguyên tử số môi trường mà qua Phương pháp xạ trị sử dụng chùm photon với mức lượng lớn 15 MeV nên ta quan tâm tới hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ Compton tượng tạo cặp 1.2.1 Hiện tượng hấp thụ quang điện Khi lượng xạ photon lớn ion hóa nguyên tử, tượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy tượng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng Mỗi photon đến bị hấp thụ toàn nguyên tử Năng lượng truyền toàn cho electron nguyên tử Electron nhận lượng lớn ion hóa nó, nên bị bứt khỏi nguyên tử Electron gọi quang electron Một phần lượng để thắng ion hóa, phần lại biến thành động chuyển động quang electron Tia gamma tới Tia X đặc trưng e- e- quang điện Hình 1.3 Sơ đồ hiệu ứng hấp thụ quang điện Để xảy tượng hấp thụ quang điện electron nằm lớp nguyên tử lượng photon bị hấp thụ phải lớn ion hóa lớp Xác suất xảy hấp thụ quang điện đặc trưng tiết diện hấp thụ quang điện nguyên tử  a (cm2) Người ta gọi xác suất xảy tượng quang điện đơn vị thể tích môi trường chất hấp thụ hệ số suy giảm tuyến tính môi trường hiệu ứng quang điện, ký hiệu kq , [6] tính công thức: kq   NA  a MA (1.12) đó:  mật độ môi trường; MA: nguyên tử gam chất hấp thụ; NA: số Avôgađrô Mặt khác, để đặc trưng cho khả hãm xạ môi trường, người ta thường dùng hệ số suy giảm khối Hệ số suy giảm khối môi trường hiệu ứng quang điện tính sau: q  kq ( 1.13 )  Từ hai công thức ta rút công thức tính hệ số suy giảm khối hấp thụ quang điện môi trường theo hệ số suy giảm tuyến tính theo công thức: q  NA  a MA ( 1.14 ) Người ta tính hệ số hấp thụ quang điện nguyên tử phụ thuộc vào lượng photon tới nguyên tử số môi trường theo công thức [6]:  a  5,01.10 23  a  1,62.10 24 Z 3,94  Z 4,3  Khi E > IK Khi IK> E >IL ( 1.15 ) ( 1.16 ) Z nguyên tử số môi trường; IK IL ion hóa lớp K lớp L nguyên tử môi trường Từ hai công thức ta thấy Z lớn hệ số hấp thụ quang điện lớn Nghĩa tượng quang điện xảy mạnh với với chất có nguyên tử số lớn hay nguyên tố nặng Mặt khác, lượng xạ photon tăng tiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm E3 1.2.2 Tán xạ Compton Theo tăng lượng xạ photon, tiết diện xảy hấp thụ quang điện giảm tiết diện tán xạ Compton tăng lên Khi đó, trình chủ yếu làm suy giảm lượng xạ photon môi trường vật chất Tán xạ Compton trình tán xạ không đàn hồi photon với electron tự electron liên kết yếu nguyên tử môi trường Trong trình tán xạ Compton, photon tới truyền phần lượng cho electron bị tán xạ theo hướng tạo với phương tới góc gọi góc tán xạ Kết electron tán xạ nhận lượng giật lùi lượng chùm photon bị giảm Hình 1.4 Sơ đồ tượng tán xạ Compton Tán xạ Compton xảy mạnh lượng xạ photon lớn nhiều so với lượng liên kết electron Khi lượng xạ photon tăng, electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên phía trước (nghĩa góc tán xạ nhỏ) Năng lượng xạ photon tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ lượng xạ photon tới theo công thức [6]: Etx  Et  k (1  cos ) ( 1.17 ) Etx lượng xạ photon tán xạ; Et lượng xạ photon tới;  góc tán xạ photon; k lượng tương đối xạ photon tới Vì tán xạ Compton xảy electron tự do, nên lượng xạ photon tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà phụ thuộc vào lượng xạ gamma tới góc tán xạ Khi xảy tán xạ, photon bị tán xạ bay theo góc tán xạ bất kỳ, xác suất tán xạ theo góc lại phụ thuộc vào lượng xạ photon tới góc tán xạ Đối với lượng xạ photon nhỏ, phân bố góc xạ có tính đối xứng qua góc tán xạ 90o Năng lượng xạ photon tăng xạ photon tán xạ có xu hướng ưu tiên phía trước Khi lượng tử photon bị tán xạ với góc nhỏ lượng thay đổi không đáng kể, lúc electron bay theo phương gần vuông góc với Khi lượng tử gamma bị tán xạ với góc 180o electron bay theo phía trước với động cực đại Xác suất tán xạ Compton theo hướng electron gọi xác suất tán xạ Compton toàn phần electron tính theo công thức [6 ]:  e  2ro2 k  2k  k  k  8k  ln(  k )  2k k (1  2k ) ( 1.18) ro bán kính cổ điển, 2,82.10-13cm Trong nguyên tử có Z electron, tiết diện tán xạ Compton nguyên tử xác định theo công thức:  a  Z  e (1.19) Hệ số suy giảm khối trình tán xạ Compton tính công thức: Z  C  A  C  ( N A / M A ) a  N A  ( 1.20) đó, Z MA nguyên tử số nguyên tử lượng chất tán xạ; NA số Avôgađrô 1.2.3 Hiện tượng tạo cặp Khi lượng photon tiếp tục tăng lớn 1,022MeV, photon vật chất xảy tượng tạo cặp Hiện tượng tạo cặp xảy trường Coulomb hạt nhân electron, lượng photon biến đổi hoàn toàn thành hạt vật chất Hình 1.5 Hiệu ứng tạo cặp Xét trình tạo cặp xảy trường Coulomb hạt nhân Khi photon lượng cao bay vào trường Coulomb hạt nhân bị hấp thụ hoàn toàn, tạo cặp electron positron ( e+, e-) Theo định luật bảo toàn lượng, ta có:   M o c  me  me .c  Te  Te   M c  K       2.me c  T  K  ( M  M o )c e ( 1.21) me-, me+ khối lượng nghỉ electron pozitron chúng có giá trị nhau, T tổng động cặp e+,e-; Movà M khối lượng hạt nhân trước sau tạo cặp; K động giật lùi hạt nhân Do T, K đại lượng không âm MM0, nên ta có:   2.mo c  1,022MeV ( 1.22 ) Từ thấy lượng nhỏ lượng tử gamma để xảy tượng tạo cặp trường Coulomb hạt nhân 1,022 MeV Năng lượng gọi ngưỡng tạo cặp trường Coulomb hạt nhân Người ta xác định tiết diện tạo cặp trường Coulomb hạt nhân phương pháp thực nghiệm, thu công thức tính gần sau:  tc ~ Z ln  ( 1.23 ) đó, Z nguyên tử số môi trường;  lượng lượng tử gamma Từ công thức thấy tượng tạo cặp xảy mạnh trường Coulomb hạt nhân môi trường có nguyên tử số lớn lượng lượng tử gamma tăng Người ta thấy rằng, lượng lớn ngưỡng tạo cặp, tiết tạo cặp tăng nhanh lượng xạ photon tăng Xét trình tạo cặp xảy trường Coulomb electron Khi đó, có hai cặp electron - positron tạo thành Ngưỡng tạo cặp trường hợp gấp đôi trường hợp trường Coulomb hạt nhân, có giá trị là:  ng  4.mo c  2,044 MeV ( 1.24) Tuy nhiên, xác suất tạo cặp trường Coulomb electron nhỏ nhiều so với xác suất tạo cặp trường Coulomb hạt nhân 1.3 CÁC ĐƠN VỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ 1.3.1 Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ nguồn phóng xạ hay lượng chất phóng xạ số hạt nhân phân rã phóng xạ đơn vị thời gian Hoạt độ phóng xạ xác định theo công thức sau: a dN dt (1.25) N số hạt nhân phóng xạ thời điểm t; a hoạt độ phóng xạ;  số phân rã Như ta có : a= N=N0exp(-t) (1.26) Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ Becquerel, viết tắt Bq 1Bq tương ứng phân rã giâ Trước đây, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ Curie, kí hiệu Ci, liên hệ với đơn vị Bq sau: Ci = 3,7.1010 Bq (1.27) Hoạt độ phóng xạ riêng hoạt độ phóng xạ tính đơn vị khối lượng chất phóng xạ dạng rắn, tính đơn vị thể tích chất lỏng hay chất khí Đối với chất phóng xạ dạng rắn, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ riêng thường dùng Bq/kg Còn chất phóng xạ dạng lỏng hay khí, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ riêng thường dùng Bq/m3 hay Bq/l 1.3.2 Liều chiếu suất liều chiếu a) Liều chiếu Liều chiếu áp dụng cho xạ gamma tia X, môi trường chiếu xạ không khí Liều chiếu cho biết khả ion hóa không khí xạ vị trí Kí hiệu liều chiếu X, xác định theo công thức: X  dQ dm (1.28) Trong đó: dm khối lượng không khí chùm tia X chùm xạ gamma bị hấp thụ hoàn toàn, kết tạo dm tổng điện tích dấu dQ Đơn vị liều chiếu hệ SI C/kg Ngoài ra, kỹ thuật người ta dùng đơn vị Rơnghen, kí hiệu R R = 2,58.10-4 C/kg (1.29) b) Suất liều chiếu Suất liều chiếu liều chiếu đơn vị thời gian Suất liều chiếu kí hiệu * X xác định theo công thức sau: * X X t (1.30) X liều chiếu thời gian t Đơn vị đo suất liều chiếu hệ SI C/kg.s Tuy nhiên, thực nghiệm, đơn vị đo suất liều chiếu thường dùng R/h hay R/h 1.3.3 Liều hấp thụ suất liều hấp thụ a) Liều hấp thụ Tác hại xạ lên thể phụ thuộc vào hấp thụ lượng xạ gần tỉ lệ với nồng độ phần trăm lượng hấp thụ mô sinh học Do đơn vị liều xạ biểu diễn qua lượng hấp thụ đơn vị khối lượng mô Khái niệm liều hấp thụ không dùng cho đối tượng sinh học mà dùng cho môi trường vật chất Liều hấp thụ, kí hiệu D, tỉ số lượng trung bình dE mà xạ truyền cho vật chất thể tích nguyên tố khối lượng vật chất dm thể tích đó: D dE dm (1.31) Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ Gray (kí hiệu Gy) Gy lượng June truyền cho 1kg vật chất: 1Gy = 1J/kg (1.32) Trước chấp nhận đơn vị theo hệ SI, liều hấp thụ đo đơn vị Rad Rad liều hấp thụ 100 erg gam Ta có: rad = 100 erg/g (1.33) Do 1J = 107 erg kg = 1000g nên: rad = 0,01 Gy hay 1Gy = 100 rad (1.34) Qua định nghĩa, ta nhận thấy liều hấp thụ liều chiếu có mối liên hệ tuyến tính với nhau: D = f X (1.35) Trong D liều hấp thụ, X liều chiếu, f hệ số tỉ lệ Trong không khí hệ số f = 0,869 rad/R Trong thể người, f= 0,869 rad/R b) Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ * D liều hấp thụ đơn vị thời gian, xác định theo công thức: * D D t (1.36) Đơn vị đo suất hiều hấp thụ hệ SI Gy/s rad/s 1.3.4 Liều tương đương suất liều tương đương a) Liều tương đương Cùng liều hấp thụ tác dụng sinh học loại xạ khác khác Để đặc trưng cho khả tác dụng sinh học xạ an toàn xạ nói chung xạ trị nói riêng ta dùng liều tương đương Liều tương đương H đại lương để đánh giá mức độ nguy hiểm loại xạ tích liều hấp thụ D với hệ số chất lượng (Quality Factor) loại xạ Ủy ban Quốc tế bảo vệ xạ ICRP ( International Commission on Radiation Protection) đặt lại tên hệ số chất lượng trọng số xạ (RadiationWeighting Factor) kí hiệu WR Khi liều hấp thụ liều tương đương liên hệ với theo biểu thức sau: H=D WR (1.37) Để thuận tiện cho việc theo dõi sử dụng thực tế, bảng 1.1 dẫn giá trị hệ số WR xạ thường gặp Đơn vị liều tương đương hệ SI Sievert (kí hiệu Sv) Theo công thức (1.37) ta có: Sv = Gy WR (1.38) Ngoài Sv, liều tương đương thường dùng rem: rem= rad WR (1.39) 1Sv=100 rem hay rem = 0,01 Sv (1.40) Bảng 1.1 Trọng số xạ WR số loại xạ [2], [6] Loại xạ Năng lượng Tia X, gamma, beta Neutron Proton WR Bất kỳ Nhiệt (0,025eV) 0,01 MeV 10 0,1 MeV 10 0,5 MeV 20 > 0,1 MeV - MeV 20 > MeV – 20 MeV Năng lượng cao Hạt anpha, mảnh vỡ phân hạch, hạt 20 nhân nặng b) Suất liều tương đương * Suất liều tương đương H liều tương đương đơn vị thời gian: * H H t (1.41) H liều tương đương thời gian t Đơn vị suất liều tương đương hệ SI Sv/s Đơn vị khác Sv/h, Sv/h, rem/s hay rem/h Lưu ý: Khi định nghĩa liều tương đương, coi tất mô sinh học hay quan thể có độ nhạy cảm xạ 1.3.5 Độ truyền lượng tuyến tính Năng lượng xạ bị hấp thụ vật chất chưa đủ để đặc trưng cho hiệu ứng sinh học xảy vật chất Thực nghiệm hiệu ứng sinh học phụ thuộc vào phân bố lượng bị hấp thụ đường xạ vật chất Để đặc trưng cho phân bố độ mát lượng xạ đường vật chất, người ta dùng khái niệm độ truyền lượng tuyến tính, ký hiệu LET Độ truyền lượng tuyến tính, xác định theo công thức: LET  dE dl (1.42) dE độ mát lượng quãng đường dl Bảng 1.2 Giá trị LET trung bình nước số xạ ion hóa [2] Bức xạ Bức xạ gây ion hóa môi trường Tia X Gamma Tia X (30KeV-180KeV) Tia X KeV Tia anpha 5,5 MeV Nơtron 12 MeV Electron thứ cấp Electron thứ cấp Electron thứ cấp Electron thứ cấp Ion hóa trực tiếp proton LET (KeV/m) 0,28 0,36 3,2 4,7 120 3,5 Mật độ ion /1m 8,5 11 100 145 3700 290 Trong hệ SI, đơn vị đo độ truyền lượng tuyến tính J/m hay keV/m Sự phân bố lượng hấp thụ xạ vật chất phụ thuộc vào chất loại xạ Đối với xạ ion hóa gián tiếp, độ truyền lượng tuyến tính nhỏ nhiều so với xạ ion hóa trực tiếp 1.3.6 Liều giới hạn Khi tiếp xúc với chất phóng xạ hay nguồn phóng xạ, xạ ion hoá, nhân viên công tác bị chiếu xạ nhận liều hấp thụ Tùy thuộc vào liều hấp thụ mà nhân viên nhận được, xạ hạt nhân ảnh hưởng khác đến họ Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên làm việc, cần phải giảm ảnh hưởng xạ Về mặt an toàn xạ hạt nhân, cần đưa quy định cụ thể liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay xạ ion hóa Liều giới hạn hiểu giá trị lớn liều hấp thụ tích lũy năm mà người làm việc trực tiếp với xạ hạt nhân chịu được, không ảnh hưởng đến sức khỏe thân [1], [2] ,[6] Theo quy định chung luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở lên làm việc sở sử dụng xạ hạt nhân ICRP khuyến cáo công thức tính liều hấp thụ tích lũy cho phép năm nhân viên chuyên nghiệp làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ [2]: D = 50 (N-18) nSv hay D = 5(N-18) rem (1.43) Trong N tuổi nhân viên chuyên nghiệp N19, D liều hấp thụ tích lũy năm Bảng 1.3 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép người làm việc với xạ [3] Giới hạn liều Thời gian đề nghị Cơ quan đề nghị 150 mSv/năm 1950 ICRP 50 mSv/năm 1977 ICRP 20 mSv/năm 1990 ICRP Theo Pháp lệnh An toàn Kiểm soát xạ hạt nhận Việt Nam [8], liều hấp thụ tương đương cho toàn thân nhân nhiên làm việc với nguồn xạ xạ hạt nhân 20mSv/năm Trong năm có năm lên đến 50mSv tổng liều năm liên tục không vượt 100mSv Quy định phù hợp với quy định Ủy ban An Toàn Bức xạ Quốc tế 1.4 HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ Khi xạ xuyên vào mô tế bào thể sống, tương tác chủ yếu thông qua trình ion hóa Kết trình ion hóa tế bào tạo cặp ion có khả phá hoại cấu trúc phân tử tế bào, làm tế bào bị biến đổi bị tiêu diệt [7] Đối với người, cấu tạo mô thể chủ yếu nước Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành cặp H+ OH-, ion bị kích thích lại tạo ion khác…Năng lượng xạ qua thể người lớn số lượng ion tạo nhiều Các ion gây phản ứng mạnh, tác động trực tiếp tới phân tử sinh học phổ biến protein, lipit, ADN làm cho cấu trúc phân tử bị sai hỏng gây hậu quả: kìm hãm ngăn cản phân chia tế bào, làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết bị biến đổi chức gây đột biến gen, tổn thương sau làm xếp lại vật chất di truyền phân tử ADN, làm chết tế bào Trong trình làm chết tế bào trình quan trọng việc điều trị ung thư Các tác dụng sinh học tia xạ tạo kéo dài nhiều so với thời gian hấp thụ lượng Quá trình hấp thụ lượng diễn khoảng 10-10 s hiệu ứng sinh học kéo dài từ vài giây đến vài năm.Tùy theo liều lượng xạ mà thể hấp thụ hay nhiều mà biến đổi tế bào phục hồi hay không Và với liều lượng xạ, hấp thụ làm nhiều lần biến đổi bệnh lí xảy với mô tế bào hấp thụ lần Sau bị chiếu xạ, tổn thương tế bào phục hồi Kết nghiên cứu cho thấy, tế bào bình thường (các tế bào lành) có khả phục hồi nhanh tế bào ung thư Khi chiếu liều lượng phù hợp tiêu diệt tế bào ung thư tế bào lành phục hồi lại [4,5] Người ta xây dựng biểu đồ phụ thuộc xác suất tiêu diệt tế bào theo liều chiếu có dạng hình 1.6 [...]... Khi năng lượng của bức xạ photon tăng, các electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạ nhỏ) Năng lượng của bức xạ photon tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và năng lượng của bức xạ photon tới theo công thức [6]: Etx  Et 1  k (1  cos ) ( 1.17 ) trong đó Etx là năng lượng của bức xạ photon tán xạ; Et là năng lượng của bức xạ photon tới;  là góc tán xạ của photon; k là năng... tương đối của bức xạ photon tới Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron tự do, nên năng lượng của bức xạ photon tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới và góc tán xạ Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có thể bay theo góc tán xạ bất kỳ, nhưng xác suất tán xạ theo một góc nào đó lại phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ photon tới và góc tán xạ Đối với...Hình 1.2 Sự phụ thuộc của cường độ trung bình của bức xạ hãm tạo bởi chùm electron 25MeV từ bia Ta có bề dày 4mm vào góc phát xạ Từ thực nghiệm, người ta xác định được phân bố theo góc phát xạ của bức xạ hãm Từ hình trên ta nhận thấy cường độ trung bình của bức xạ hãm đạt cực đại tại góc phát xạ 0o 1.2 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ PHOTON VỚI VẬT CHẤT Khi chùm photon có năng lượng lớn đi trong môi trường vật... lượng của bức xạ photon nhỏ, phân bố góc của bức xạ có tính đối xứng qua góc tán xạ 90o Năng lượng của bức xạ photon càng tăng thì các bức xạ photon tán xạ càng có xu hướng ưu tiên về phía trước Khi lượng tử photon bị tán xạ với một góc nhỏ thì năng lượng của nó thay đổi không đáng kể, lúc đó electron bay theo phương gần vuông góc với nó Khi lượng tử gamma bị tán xạ với góc 180o thì electron bay ra theo... trong an toàn bức xạ nói chung và trong xạ trị nói riêng ta dùng liều tương đương Liều tương đương H là đại lương để đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ bằng tích của liều hấp thụ D với hệ số chất lượng (Quality Factor) đối với các loại bức xạ Ủy ban Quốc tế về bảo vệ bức xạ ICRP ( International Commission on Radiation Protection) đặt lại tên hệ số chất lượng là trọng số bức xạ (RadiationWeighting... keV/m Sự phân bố năng lượng hấp thụ của bức xạ trong vật chất còn phụ thuộc vào bản chất của mỗi loại bức xạ Đối với bức xạ ion hóa gián tiếp, độ truyền năng lượng tuyến tính nhỏ hơn nhiều so với bức xạ ion hóa trực tiếp 1.3.6 Liều giới hạn Khi tiếp xúc với các chất phóng xạ hay nguồn phóng xạ, các bức xạ ion hoá, các nhân viên công tác bị chiếu xạ và nhận được một liều hấp thụ nào đó Tùy thuộc vào liều. .. với nguồn bức xạ và bức xạ hạt nhân là 20mSv/năm Trong 5 năm có một năm có thể lên đến 50mSv nhưng tổng liều trong 5 năm liên tục không được vượt quá 100mSv Quy định này phù hợp với quy định của Ủy ban An Toàn Bức xạ Quốc tế 1.4 HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủ yếu thông qua quá trình ion hóa Kết quả của quá trình ion hóa trong tế... viên nhận được, bức xạ hạt nhân sẽ ảnh hưởng khác nhau đến họ Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên làm việc, cần phải giảm ảnh hưởng của các bức xạ Về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, cần đưa ra những quy định cụ thể về liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên còn có thể làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay bức xạ ion hóa Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm... b) Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ * D chính là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian, xác định theo công thức: * D D t (1.36) Đơn vị đo suất hiều hấp thụ trong hệ SI là Gy/s hoặc rad/s 1.3.4 Liều tương đương và suất liều tương đương a) Liều tương đương Cùng liều hấp thụ tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau là khác nhau Để đặc trưng cho khả năng tác dụng sinh học của bức xạ trong an... gấp đôi trong trường hợp trong trường Coulomb của hạt nhân, có giá trị là:  ng  4.mo c 2  2,044 MeV ( 1.24) Tuy nhiên, xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của electron nhỏ hơn rất nhiều so với xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân 1.3 CÁC ĐƠN VỊ ĐO LIỀU BỨC XẠ 1.3.1 Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ nào đó chính là số hạt nhân phân rã