buc xa BS

 Nguồn bức xạ tự nhiên : tia vũ trụ, tia tử ngoại, tia hồng ngoại, bức xạ mặt trời, các chất phóng xạ trong tự nhiên có trong đất, nước, không khí… Nguồn bức xạ nhân tạo: sóng viba, só

BỨC XẠ ION HÓA VÀ

CƠ THỂ SỐNG

 Nguồn bức xạ tự nhiên : tia vũ trụ, tia tử ngoại, tia hồng ngoại, bức xạ mặt trời, các chất phóng xạ trong tự nhiên có trong đất, nước, không khí…

 Nguồn bức xạ nhân tạo: sóng viba, sóng vô tuyến, phóng xạ trong các hoạt động nghiên cứu của con người (y học, khai thác mỏ, năng lượng nguyên tử, vũ khí hạt nhân…)

MỤC TIÊU

1. TRÌNH BÀY ĐƯỢC BẢN CHẤT CỦA CÁC BỨC XẠ ION HÓA

2. HIỂU ĐƯỢC CƠ CHẾ TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

3. PHÂN BIỆT CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA LÊN CƠ THỂ SỐNG VÀ CÁC

MỨC ĐỘ TỔN THƯƠNG CỦA CƠ THỂ SỐNG

4. GIẢI THÍCH ĐƯỢC NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ DỤNG CỤ GHI ĐO BỨC

XẠ ION HÓA

5. TRÌNH BÀY ĐƯỢC CÁC NGUYÊN LÝ KIỂM SOÁT VÀ AN TOÀN BỨC XẠ

NỘI DUNG

4. Nguyên lý và các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa Nguyên lý và các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa

5. Tác dụng của bức xạ ion hóa lên vật chất sống.

1 BẢN CHẤT CỦA BỨC XẠ ION HÓA

1.1 CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

1.2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

1.1 CẤU TẠO CỦA HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

Cấu tạo HNNT: các nucleon

 Proton: P (q=e=+1,6.10-19C;m=1,00759u; 1u=1,66.10-24g)

 Notron: n (q=0;m= 1,00898u)

 Kí hiệu: zXA Với Z: số p; N=A-Z: số n

Đồng vị: Những nguyên tố hóa học có cùng số P, số n khác nhau

1.2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

 1895,Wilhelm Roentgen phát hiện ra 1 tấm phim ảnh có thể bị cản quang bởi các bức

xạ vô hình, có thể xuyên qua vật chất

 1896, nhà bác học Becquerel đã phát hiện thấy Urrani Sunfat đã phát ra những tia

không nhìn thấy nhưng có khả năng đâm xuyên mạnh

 Mari Curi và Pie Curi đã chứng tỏ rằng: Chùm tia phát ra từ HN của một nhóm các nguyên tố

1.2 HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ

ĐN: Hiện tượng hạt nhân nguyên tử tự biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác, hoặc từ một trạng thái năng lượng cao về một trạng thái năng lượng thấp hơn, trong quá trình biến đổi đó hạt nhân phát ra những tia không nhìn thấy được có năng lượng cao gọi là tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân.

Tính chất của các tia phóng xạ:

- Khả năng đâm xuyên mạnh

- Ion hóa không khí

- Làm đen kính ảnh

- Gây ra các phản ứng hóa học

Các dạng phân rã phóng xạ Bản chất của các tia phóng xạ

Phân rã beta âm (β - )

Z+1 Y A

16 S 32

Phân rã beta dương (β + )

 Điều kiện: đồng vị có N <Z

 Tia β + khả năng xuyên thấu kém, khả năng ion hóa cao

Phân rã alpha α ( 2 He 4 )

 Điều kiện:Các HN của những nguyên tố có khối lượng lớn

 Tia α khả năng đâm xuyên kém, khả năng ion hóa cao

 Phổ năng lượng: đơn năng, Quĩ đạo ít gấp khúc (có thể coi là đường thẳng)

Trong không khí

V: 107 m/s

E: 4-9MeV

R: 3-9cm; Rnhôm = 0,06mm; Rnước=0,1mm;

γ 0,18MeV

Phát xạ tia γ

 Điều kiện: HN chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản

 Bản chất tia γ là sóng điện từ có bước sóng ngắn

 Tia γ khả năng đâm xuyên lớn, khả năng ion hóa kém

Trong không khí

V: 3.108m/s

E: 1-3,5 MeV

R: 10m – hàng trăm m;

2,50 MeV

1,33 MeV

0 MeV

α1(5,17 MeV) 0,2%

5 MeV 0,22MeV 0,08 MeV

0 MeV

α3 (5,34MeV) 0,88%

α1(5,42 MeV) 71%

28 Ni 60

88 Ra 224

Photon năng lượng cao

 Có bản chất là Sóng điện từ

1.3 Định luật phân rã phóng xạ

 Định luật: Nt = N0 e -λt

λ: hằng số phân rã: Đặc trưng cho tính phóng xạ của từng nguyên tố, không phụ thuộc vào các điều kiện ngoài

 Chu kỳ bán rã T: Là khoảng thời gian cần thiết để số HN có tính phóng xạ của nguồn

đó giảm xuống một nửa so với ban đầu

 T= ln2/λ

 T đặc trưng cho tính phóng xạ của nguyên tố phóng xạ

Tốc độ phân rã phóng xạ (hoạt độ phóng xạ)

 ĐN:Tốc độ phân rã PX của một nguồn là một đại lượng vật lý cho biết số hạt nhân có

tính PX của nguồn đó bị phân rã trong một đơn vị thời gian.

q = λ.N t

 Bq là tốc độ phân rã của nguồn mà cứ mỗi giây trung bình có một HN bị phân rã

 1Ci = 3,7.1010 Bq

VD: Độ phóng xạ của 3mg Co 60 là 3,41Ci Tìm chu kỳ bán rã của Co 60 và độ phóng xạ của

nó sau 20 năm.

Đ/s

Đ/s 5.33 năm 5.33 năm

0,93 10 10 Bq

2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất

2.1 Phân loại

2.2 Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

2.3 Tương tác của pho ton năng lượng cao với vật chất

2.4 Tương tác của notron với vật chất

2 Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất

2.1 Phân loại

- Hạt vi mô có khối lượng tĩnh: Hạt anpha, electron, proton ….

- Photon năng lượng cao: Tia X, tia gamma

Bản chất: Tính chất sóng và hạt

Tương tác của hạt vi mô tích điện với vật chất

 Tương tác của hạt vi mô tích điện với electron trên quỹ đạo

 Tương tác của hạt vi mô tích điện với hạt nhân nguyên tử

- Cơ chế tương tác trực tiếp

- Lực tương tác: F = kqq*2 /r2

- Xác suất tương tác phụ thuộc vào mật độ, kích thước, điện tích hạt tới và thành phần cấu tạo của vật chất.

Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

 Hạt vi mô tích điện truyền một phần NL của nó cho điện tử quỹ đạo Hạt vi mô tích điện truyền một phần NL của nó cho điện tử quỹ đạo.

 Ion hóa VC: Đưa nguyên tử lên trạng thái kích thích, sau đó lại trở về trạng thái ban đầu và phát ra các photon

 Electron bứt ra khỏi nguyên tử VC tạo thành các cặp ion trong môi trường Và có thể gây lên

sự ion hóa tiếp theo.

Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

 Dọc đường đi của hạt vi mô tích điện có nhiều lần va chạm tạo ra nhiều cặp ion và NL của tia tới giảm dần

 Cuối quỹ đạo hạt VMTĐ kết hợp với các ion trái dấu tạo thành nguyên tử trung hòa hoặc tồn tại ở trạng thái chuyển động nhiệt

Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

 Các cặp ion tồn tại không lâu mà gây nên các phản ứng hóa học hoặc kết hợp tạo thành nguyên tử trung hòa

 Độ lớn của khả năng ion hóa: mật độ ion hóa tuyến tính

 Độ ion hóa tuyến tính được đo bằng số cặp ion do hạt vi mô tới tạo ra trên một đơn vị

chiều dài dọc theo đường đi của nó

Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

Xác suất của tương tác tỷ lệ thuận với khối lượng, điện tích và tỷ lệ nghịch với tốc độ hạt

- Ở cuối quỹ đạo, số cặp ion hóa nhiều hơn ở đoạn đầu

- Mật độ ion hóa tuyến tính của các hạt anpha lớn hơn nhiều so với điện tử

Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

 Trong y sinh học các hiệu ứng xảy ra phụ thuộc vào độ ion hóa tuyến tính

 Áp dụng chung cho tất cả các loại bức xạ: Sự truyền tải năng lượng tuyến tính LET

LET= ∆E/∆x

∆E là NL của bức xạ chuyển giao trên chiều dài ∆x

Tương tác của hạt vi mô tích điện với các điện tử quỹ đạo

- Các tia tới khác nhau có cùng một NL thì giá trị LET khác nhau

- Giá trị LET của hạt anpha lớn hơn của beta và photon gam ma

- Giá trị LET ở đoạn cuối quỹ đạo của một hạt bức xạ bao giờ cũng lớn hơn ở đoạn đầu quỹ đạo

Hạt vi mô tích điện tương tác với hạt nhân nguyên tử

Hạt VMTĐ tương tác với HN nguyên tử

 Hạt tới sau tương tác quỹ đạo và vận tốc đều bị thay đổi Chuyển động có quỹ đạo cong

và có gia tốc tạo ra các BỨC XẠ HÃM

 Hạt tới tiếp tục di chuyển lệch hướng và giảm dần NL

 Nguyên tử: Vị trí và NL của HN ít bị thay đổi

Hạt VMTĐ tương tác với HN nguyên tử

 NL của BXH phụ thuộc vào độ giảm vận tốc của chuyển động: Zhn, z và m của hạt tới

 Ít dùng vật liệu có số Z lớn để che chắn các nguồn phát tia beta

Hạt VMTĐ tương tác với HN nguyên tử

 Hạt β sinh ra lại tương tác với VC: kích thích ion hóa VC giống như e

 Cuối quỹ đạo e+ + e- =2hf

e-hf hf

2.2 Tương tác của photon năng lượng cao với vật chất

 Khi xuyên qua VC photon NL cao truyền hết NL của nó chỉ sau một lần tương tác.

 Photon NL cao ion hóa gián tiếp VC thông qua 3 hiệu ứng:

 Hiệu ứng quang điện

 Hiệu ứng tạo cặp

 Hiệu ứng Comton

Hiệu ứng quang điện

 Hạt tới có E<0,1 MeV

 Năng lượng của hạt tới truyền hết cho điện tử quỹ đạo:

hf = A +Eđ

 Điện tử sau tương tác có một động năng xác định Eđ>>A tiếp tục ion hóa VC gây hiện

tượng ion hóa thứ cấp

Hiệu ứng quang điện

hf e-

hf e-

e- hf’

Hiệu ứng quang điện

 Nguyên tử VC sau tương tác có sự dịch chuyển các electron từ vành ngoài vào chỗ trống Phát ra BỨC XẠ ĐẶC TÍNH

hf = EM,L… – EK

 Xác suất xảy ra hiệu ứng phụ thuộc vao Z của VC và giảm khi NL của hạt tới tăng.

Hiệu ứng Comton

 Điện tử lùi tiếp tục ion hóa VC gây hiện tượng ion hóa thứ cấp

Hiệu ứng tạo cặp

 Hạt tới có E>1,02 MeV

 Hạt tới tương tác với HN tạo thành cặp Poziton và electron

hf

e−

e+

Hiệu ứng tạo cặp

 Cặp Poziton và electron có động năng xác định gây hiện tượng ion hóa với VC.

 Động năng của cặp giảm dần rồi chuyển về dạng chuyển động nhiệt

 Xác suất của hiệu ứng tăng tỷ lệ với giá trị nL của hạt tới và tỉ lệ với Z của nguyên tử VC

Xác suất tương đối của các hiệu ứng phụ thuộc vào năng lượng tia

1 – Hiệu ứng quang điện

Một số câu hỏi áp dụng

1 Nguồn phóng xạ 60Co được sử dụng trong điều trị có hoạt độ phóng xạ 4 mCi Mỗi phân

rã phát ra hai tia gamma Tính mật độ bức xạ tại một điểm cách nguồn 2m ?

a. 3,7 10 6 tia/s.m2

b. b 5,9 10 6 tia/s.m2

c. c 3,7.10 4 tia/s.m2

d. d 7,4.10 6 tia/s.m2

Một số câu hỏi áp dụng

1 Nguồn phóng xạ 60Co được sử dụng trong điều trị có hoạt độ phóng xạ 4 mCi Mỗi phân

rã phát ra hai tia gamma Tính mật độ bức xạ tại một điểm cách nguồn 2m ?

a. 3,7 10 6 tia/s.m2

b. b 5,9 10 6 tia/s.m2

c. c 3,7.10 4 tia/s.m2

d. d 7,4.10 6 tia/s.m2

2 sau bao nhiêu lần phân rã phát tia α và bao nhiêu lần phân rã phát tia β- sẽ biến thành

2 sau bao nhiêu lần phân rã phát tia α và bao nhiêu lần phân rã phát tia β- sẽ biến thành

3 Khi tương tác với môi trường vật chất, hạt vi mô tích điện sẽ:

a Gây nên hiệu ứng quang điện.

b Truyền toàn bộ năng lượng cho một electron nào đó của môi trường.

c Truyền một phần năng lượng cho mỗi electron của môi trường khi tương tác với electron đó.

d Biến mất sau mỗi tương tác.

3 Khi tương tác với môi trường vật chất, hạt vi mô tích điện sẽ:

a Gây nên hiệu ứng quang điện.

b Truyền toàn bộ năng lượng cho một electron nào đó của môi trường.

c Truyền một phần năng lượng cho mỗi electron của môi trường khi tương tác với electron đó.

d Biến mất sau mỗi tương tác.

4 Hiệu ứng Compton:

a Xảy ra khi tia β tương tác với hạt nhân nguyên tử.

b Xảy ra khi tia gama tương tác với hạt nhân nguyên tử vật chất.

c Xảy ra khi tia α tương tác với các điện tử tự do và bị đổi hướng.

d Xảy ra khi pho ton năng lượng cao tương tác với các điện tử tự do

4 Hiệu ứng Compton:

a Xảy ra khi tia β tương tác với hạt nhân nguyên tử.

b Xảy ra khi tia gama tương tác với hạt nhân nguyên tử vật chất.

c Xảy ra khi tia α tương tác với các điện tử tự do và bị đổi hướng.

d

d Xảy ra khi pho ton năng lượng cao tương tác với các điện tử tự do Xảy ra khi pho ton năng lượng cao tương tác với các điện tử tự do

2.3 Tương tác của notron với vật chất

 Tương tác của notron với vật chất

Nguồn phát notron

 Notron là hạt cơ bản

 Thu được notron từ một vài đồng vị phóng xạ hoặc từ lò phản ứng phân chia HN nặng

U235 + n1_ Sr90+Xe144+2n1+γ+200MeV

Nguồn phát notron

Be9 +α4 _ n1 + C12

Tương tác của notron với vật chất

 Notron va chạm với HN và bị tán xạ năng lượng của chúng bị giảm

n + XA _ XA+1

Các phản ứng quan trọng trong hấp thụ notron

Các phản ứng quan trọng trong hấp thụ notron

- Hạt n mất dần NL sau tán xạ và chuyển động chậm lại.

_ phản ứng này có tác dụng làm chậm n Các nguyên tố nhẹ thường được sử dụng trong mục đích này như parafin, nước,…

- Hạt n truyền một phần NL và kích thích Hn bia

- HN bia sau tán xạ phát ra hạt Gamma

- Tán xạ phi đàn hồi chủ yếu xảy ra đối với các HN nặng

Các phản ứng quan trọng trong hấp thụ notron

- Notron bị bắt bởi các HN rồi sau đó phát ra một hạt hoặc một photon khác

- Các tia Gamma phát ra có khả năng xuyên sâu

- Việc che chắn bức xạ n rất phức tạp vì khoảng năng lượng lớn,khả năng đâm xuyên lớn và gây hiệu ứng sinh học cao

- Thường che chắn n bằng vật liệu có nguyên tử số cao để kết hợp hấp thụ tia gamma

3 SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ - LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ

SỰ HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ

QUY LUẬT

GIẢM MẬT ĐỘ TIA α

SỰ SUY GIẢM CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ

QUY LUẬT GIẢM CƯỜNG ĐỘ

TIA γ ,X, β

QUY LUẬT GIẢM MẬT ĐỘ TIA α

 Các hạt α trong chùm tia có năng lượng đồng đều, quỹ đạo của hạt α trong vật chất là đường thẳng

 Do tương tác năng lượng của từng hạt α sẽ giảm dần dọc theo quỹ đạo của nó cho đến khi dừng lại

J=Jo nếu x< R J=0 nếu x ≥R

 Jo là mật độ chùm tia α song song, có cùng năng lượng xuyên vuông góc với bề mặt của lớp vật chất.

 x là chiều dày lớp vật chất chùm tia xuyên qua

 J là mật độ chùm tia ló sau khi đi qua lớp vật chất.

 R là quãng chạy của chùm tia α trong vật chất mà nó đi qua

Tia α (vệt màu)

QUY LUẬT GIẢM CƯỜNG ĐỘ TIA γ ,X, β

 Do chùm β±, y có phổ năng liên tục, quỹ đạo của hạt β±, y trong vật chất là đường gấp khúc quanh co Do hiệu ứng tương tác của tia γ, tia X với vật chất xảy ra theo quy luật xác suất, nên đối với các chùm tia này la quy luật giảm cường độ tia

I = Io ℮^-(μ x x)

 Io là cường độ chùm tia γ (hoặc tia X, tia β) tới mặt bản,

 I là cường độ sau khi ra khỏi bản,

 X là chiều dày của bản (tính bằng cm)

QUY LUẬT GIẢM CƯỜNG ĐỘ TIA γ ,X, β

 N/X:Quy luật giảm cường độ của chùm tia gama và beta theo hàm số mũ.



Chiều dày hấp thụ một nửa ( Half Value Layer: HVL) là chiều dày thực tế của lớp vật chất mà

Ta có thể tính được mối tương quan giữa d 1/2 và hệ số hấp thụ μ là:

d 1/2 = 0,693/ μ

II LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ

Liều lượng bức xạ

Liều hấp thụ

Liều

chiếu

Liều tương

dụng

II LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ

 Liều chiếu chỉ dung cho tia X, tia gama.

 Liều chiếu là đại lượng cho biết tổng số diện tích của các ion cùng dấu được tao ra trong một đơn vị khối lượng không khí ở điều kiện tiêu chuẩn dưới tác dụng của các hạt mang điện sinh

ra do tia gama hoặc tia X tương tác với các nguyên tử, phân tử khí:

Dc= ∆Q/ ∆m Đơn vị:C/kg hay Rơnghen( R)

1R=2,57976.10^-4 C/kg hay 1 C/kg ≈3876 R

1 LIỀU CHIẾU

2 Liều hấp thụ

Liều hấp thụ D là tỷ số giữa năng lượng ∆E mà một đối tượng hấp thụ từ chùm tia chiếu tới và khối lượng ∆m của nó:

D= ∆E / ∆m Đơn vị: J/kg hay Gy.

1 rad = 0,01 Gy hay 1 Gy = 100 rad

Liều hiệu dụng thể hiện những tổn thương sinh học khác nhau của cùng một liều hấp thụ_đó là do nhạy cảm phóng xạ của các mô khác nhauđặc

Liều hiệu dụng = liều tương đương x W

Đơn vị của liều hiệu dụng cũng la Sv

Dưới đây là một vài giá trị W của các mô:

4.Liều hiệu dụng

III NGUYÊN LÝ VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐO ION HÓA

Cơ sở:các phản ứng hóa học hoặc hiệu hiệu ứng vật lý của sự tương tác giữa bức xạ và vật chất hấp thụ.

Về phương diện vật lý,khi khảo sát hệ ghi đo,cần lưu ý:

-Dạng của vật chất hấp thụ (đặc, lỏng, khí)

-Bản chất của các hiệu ứng vật lý (kích thích hay ion hóa)

-Cánh thể hiên kết quả ghi đo, nếu la xung điện thì biên độ xung là cố định hay tỉ lệ với -Cánh thể hiên kết quả ghi đo, nếu la xung điện thì biên độ xung là cố định hay tỉ lệ với năng lượng hấp thụ được.

III NGUYÊN LÝ

VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐO ION HÓA

CÁC LOẠI ĐẦU DÒ

1.Ghi đo phóng xạ dựa vào sự biến đổi hóa học và tạo quang ảnh ở trên phim

vào nhũ tương, các điện tử có thể bị bứt ra khỏi nguyên tử cấu tạo các điện tử này có xu hướng tập trung về một điểm trong mạng tinh thể muối

Ag Sau dó các ion Ag+ cũng bị lôi cuốn về các điểm này và nhận các điện tử để trở thành các nguyên twe

Ag Số lương nguyen tử Ag trong điểm

đó phụ thuộc vào số điện tử có mặt hay là cường độ chùm tia.