Bài tiểu luận YHHN dành cho y học hạt nhân và sinh viên y

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA Y DƯỢC BÀI TIỂU LUẬN CÁC LOẠI TIA PHÓNG XẠ THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG Y HỌC HẠT NHÂN Nhóm sinh viên: Nguyễn Tuấn Anh Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Huy Du Gs TSKH Phan Sỹ An Trần Thị Giang Ths Bs Doãn Văn Ngọc Mai Thị Huệ Nguyễn Minh Quân Đồng Thị Diệu Thu MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ ĐẶT VẤN ĐỀ Năm 1896, Becquerel phát minh tượng phóng xạ qua việc phát xạ quặng Uản Tiếp theo phát minh lĩnh vực vật lỹ hật nhân ông bà Marie Pierre Curie nhiều nhà khoa học khác Kể từ đó, tượng phóng xạ áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đặc biệt ứng dụng y học Năm 1941, lần Halminton dùng I 131 điều trị bệnh tuyến giáp, mở rộng việc áp dụng rộng rãi đồng vị phóng xạ vào điều trị bệnh Với đời kỹ thuật điện tử, tin học, hóa học…những ứng dụng tia phóng xạ chẩn đoán điều trị bệnh góp phần tích cực việc bảo vệ sức khỏe người Các tia xạ khảo sát bao gồm tia α, tia β, tia γ tia X Trong trình tương tác phóng xạ với vật chất, lượng tia phóng xạ truyền cho electron quỹ đạo cho hạt nhân tùy thuộc vào loại lượng xạ xũng chất môi trường hấp thụ Các hiệu ứng chung chúng gây ion hóa làm kích thích vật chất Đặc biệt chúng có tác dụng sinh học mạnh mẽ sử dụng thể người Bài tiểu luận xin đặc điểm loại tia phóng xạ số ứng dụng chúng y học, cụ thể chẩn đoán điều trị Qua ta hiểu rõ chất việc sử dụng đồng vị phóng xạ cách khoa học cụ thể, đồng thời thấy thành tựu lớn công bảo vệ sức khỏe người, chống lại bệnh tật ứng dụng công nghệ hạt nhân vào y học I ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA TIA α 1.Định nghĩa Hạt Alpha hay tia alpha dạng phóng xạ Hạt alpha gồm hai proton hai neutron liên kết với thành hạt giống hệt hạt nhân nguyên tử helium, đó, hạt alpha viết He2+ 2.Nguồn gốc Những hạt alpha có tên chữ bảng chữ Người Hy Lạp, α Ký hiệu cho tia alpha α or α2+ , chúng đồng với hạt nhân Helium Do đó, hạt alpha viết He2+ Các hạt Alpha thông thường sản phẩm trình phân rã alpha ( Alpha decay ), nhiên sản phẩm nhiều trình khác Hạt alpha xuất phân rã hạt nhân phóng xạ Uranium Radium trình gọi phân rã alpha Đôi phân rã làm hạt nhân trạng thái kích thích khởi động phân rã gamma để giải thoát lượng Tính chất vật lý Alpha decay Thành phần protons, neutrons Ký hiệu α, α2+, He2+ Khối lượng 6.644657230(82)×10−27 kg[1] 4.001506466(49) u 3.727379508(44) GeV/c2 Điện tích 2e Spin 0[2] - Quãng chạy hạt alpha vật chất Hạt alpha có khả đâm xuyên thấp số xạ ion hóa Trong không khí, hạt alpha có lượng cao nguồn phóng xạ phát vài centimet, mô sinh học, quãng chạy có kích thước cỡ micromet - - Truyền lượng hạt alpha Cũng hạt beta, hạt alpha qua môi trường vật chất bị lượng ion hóa kích thích nguyên tử môi trường hấp thụ Khi qua phần không khí tế bào xốp, hạt alpha lượng trung bình 35eV cho cặp ion Do hạt alpha có điện tích lớn hạt beta hai lần khối lượng lớn, dẫn tới vận tốc tương đối thấp nên độ ion hóa riêng cao, vào khoảng hàng nghìn cặp ion cm không khí Phân rã Alpha ( Alpha decay ) Là tượng hạt nhân (zXA) tự động phát alpha (2He4 ) trở thành hạt nhân (Z-2YA-4) XA → 2He4 + Z-2Y A-4 Z • Năng lượng phân rã alpha Khi so sánh lượng phân rã alpha E α đồng vị nguyên tố thấy lượng E α giảm A tăng Hiện tượng A < 209 A > 215 Với A ∊ (209, 215) ngược lại Nhờ tính chất ta tiên đoán lượng phân rã alpha đồng vị chưa biết nguyên tố cho trước Hình 1.1: Năng lượng phân rã alpha phụ thuộc theo số khối A đồng vị Năng lượng hạt alpha xác định phổ kế từ hay buồng ion hóa Bộ phận phổ kế từ nam châm điện tập trung hạt alpha lượng khác vị trí khác Một mỏng vật liệu hoạt tính alpha nguồn phát alpha detector ghi hạt alpha phim ảnh ống đếm alpha Độ phân giải lượng phổ kế từ cao, đạt đến 5keV Ứng dụng tia α Phân rã α loại xạ ion hóa hạt alpha phóng từ hạt nhân nguyên tử không ổn định Các hạt alpha lớn, hạt hạ nguyên tử mạnh mẽ mà có hại cho tế bào người; Tuy nhiên, chúng có xu hướng lượng cách nhanh chóng, hạn chế khả xâm nhập vào vật liệu Có nhiều cách khoa học sử dụng thành công xạ alpha cách có lợi -Điều trị ung thư (Cancer Treatment) Bức xạ alpha sử dụng để điều trị dạng ung thư khác nhau.Trong trình này, gọi niêm phong nguồn xạ trị, bao gồm việc chèn lượng nhỏ radium-226 vào khối ung thư Các hạt alpha tiêu diệt tế bào ung thư thiếu khả thâm nhập làm tổn hại đến tế bào khỏe mạnh xung quanh Radium-226 phần lớn thay an toàn hơn, nguồn xạ có hiệu hơn, chẳng hạn cobalt-60 Xofigo, tên thương hiệu Radium-223, sử dụng để điều trị ung thư xương II Đặc điểm tia β Định nghĩa Tia Beta gặp trường hợp hạt nhân không ổn định không nặng lại có nhiều proton hay notron Khi có nhiều notron biến đổi notron thành proton phát sinh điện tử(-), tốc độ cao, hạt ß (-) Khi có nhiều protron, biến đổi ngược lại phát sinh điện tử (+) hay positron hạt ß (+) Như vậy, tia ß chùm điện tử, phát sinh từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo tượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) ngược lại Nguồn gốc - Phân rã Là hạt electron (e) với khối lượng m = 9,1.10-31 kg, điện tích điện tích electron e = -1,6.10 -19 Phân rã beta xảy hạt nhân phóng xạ thừa neutron Khi phân rã beta, hạt nhân ban đầu zXA chuyển thành hạt nhân z+1 YA phát hạt electron phản hạt neutrino V Trong M(Z,A), M(Z+1,A) me khối lượng hạt nhân , khối lượng electron = M(Z, A) + Z me = M(Z +1, A) + (Z +1) me Khi điều kiện phân rã ß- thành: > - Phân rã ß+ Là hạt positron có khối lượng khối lượng electron song có điện tích dương + 1e Phân rã positron xảy hạt nhân có tỉ số thấp phân rã alpha không xảy không thỏa mãn điều kiện lượng theo công thức: Đối với phân rã ß+ điều kiện khối lượng hạt nhân là: M ( Z, A) > M ( Z -1, A) + me Còn điều kiện với khối lượng nguyên tử là: Mị > Mf + 2me Mi = M(Z, A) + Zme Mf = M(Z -1, A) + (Z - 1) me Tính chất vật lý - Sự ion hóa Do hạt beta mang điện tích nên chế tương tác với vật chất tương tác tĩnh điện với electron quỹ đạo làm kích thích ion hóa nguyên tử môi trường Trong trường hợp nguyên tử môi trường bị ion hóa, hạt beta phần lượng E t để đánh bật electron quỹ đạo Động E k electron bị bắn liên hệ với lượng ion hóa nguyên tử E độ lượng E t sau: Ek = Et - E Năng lượng ion hóa E xác định theo công thức: E = Rh( -1) = -Rh Trong nhiều trường hợp electron bắn có động đủ lớn để ion hóa nguyên tử tiếp theo, electron thứ cấp (delta electron) Do hạt beta phần lượng để ion hóa nguyên tử, nên dọc theo đường mình, gây thêm số lớn cặp ion Bởi vì, trình ion hóa, hạt beta lượng kích thích nguyên tử - Độ ion hóa riêng Độ ion hóa riêng số cặp ion tạo hạt beta chuyển động centimet môi trường hấp thụ Độ ion hóa riêng cao đối vối hạt beta lượng thấp, giảm dần tăng lượng hạt beta đạt cực tiểu lượng khoảng MeV, sau tăng chậm( hình 1.1 ) Độ ion hóa riêng xác định qua tốc độ lượng tuyến tính hạt beta ion hóa kích thích - Hệ số truyền lượng tuyến tính Khi quan tâm đến môi trường hấp thụ, thường sử dụng tốc độ hấp thụ lượng tuyến tính môi trường hạt beta qua Đại lượng xác định tốc độ hấp thụ lượng nói hệ số truyền lượng tuyến tính Hệ số truyền lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer) định nghĩa theo công thức sau: LET= d lượng trung bình mà hạt beta truyền cho môi trường hấp thụ qua quãng đường dài dl Đơn vị đo thường dùng LET keV / μm - Bức xạ hãm Khi hạt beta đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu lượng dạng xạ điện từ, gọi xạ hãm, hay Bremsstrahlung Năng lượng xạ hãm phân bố liên tục từ đến giá trị cực đại động hạt beta - Quãng chạy hạt beta vật chất Nếu cho chùm tia beta qua vật chất, chùm tia bị dừng lại sau khoảng đường Khoảng đường gọi quãng chạy (range) hạt beta, quãng chạy hạt beta phụ thuộc vào lượng tia beta mật độ vật chất môi trường hấp thụ Hình 1.2 trình bày phụ thuộc quãng chạy cực đại hạt beta vào lượng chúng số chất hấp thụ cho thấy quãng chạy hạt beta với lượng cho trước giảm tăng mật độ chất hấp thụ Năng lượng hạt beta, MeV Hình 1.3 trình bày đường cong miêu tả phụ thuộc quãng chạy hạt beta tính theo đơn vị bề dày mật độ vào lượng Đường cong dùng thay cho đường cong hình 1.2 tính quãng chạy theo đơn vị bề dày mật độ - Phổ lượng β Khác với phân rã alpha, phân rã beta có hai hạt bay electron phản neutrino Do phân bố lượng phân rã beta quan tâm đến lượng tổng cộng mà phân bố lượng hai hạt bay Ở bỏ qua lượng giật lùi bé hạt nhân Do tính chất thống kê trình phân rã nên phân chia lượng electron phản neutrino phân rã ngẫu nhiên, lượng electron có giá trị từ đên lượng cực đại Emax Tuy nhiên với số lớn phân rã beta phân bố lượng electron ngẫu nhiên mà có dạng xác định Phân bố lượng gọi phổ electron phân rã beta Khác với phổ alpha phổ vạch, tất hạt alpha nhóm có lượng Trong phổ beta liên tục có dạng hình vẽ: 0,5 1,0 1,5 Năng lượng hạt beta, MeV Hình 1.4: Phổ lượng electron phân rã beta đồng vị phóng xạ P32 - Tính đâm xuyên Tia beta điện tử, sức xuyên thấu mạnh so với tia alpha bị chặn lại kính mỏng kim loại Sẽ nguy hiểm hấp thụ vào thể chất phát tia beta Ứng dụng tia β Tia β có mức lượng lớn so với tia α lại nhỏ nhiều Với tính chất đâm xuyên mình, đưa đồng vị phóng xạ phát tia β vào thể tia β mô mềm khoảng cách nhỏ Điều phù hợp điều trị Cụ thể người ta ứng dụng dược chất phóng xạ phát tia β để điều trị khối u có kích thước nhỏ thể phương pháp chiếu III ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨN DỤNG CỦA TIA γ Định nghĩa Tia gamma kí hiệu γ, loại xạ điện từ hay quang tử có tần số cực cao Tia gamma có bước sóng thấp (