Bảng 2.1. Một số phản ứng hạt nhân tại hệ thống bia. Đồng Đồng
vị
Phản ứng
hạt nhân Vật liệu bia
Cơng thức hóa học của sản phẩm đồng vị 15O 15N(p,n)O15 15N2 + 16O2 (2.5%) [ 15O]O2
13N 16O(p,α)N13 5mM ethanol trong nước vô trùng [13N]NH4 11C 14N(p,α)C11 15N2 + 16O2 (1%) [11C]CO2 18F 18O(p,n)F18 H218Oc [18F]F- 18F 18O(p,n)F18 18O2 [18F]F2e
j. Hệ điều khiển: Việc điều khiển hoạt động của cyclotron thông qua hệ thống
tự động thiết kế linh hoạt, tin cậy, được xây dựng xung quanh bộ điều khiển logic lập trình PLC – Siemens simatic S7-400, chạy trên PC.
2.1.2 Hệ hotcell tổng hợp, chia liều dược chất phóng xạ 18F-FDG [4]
Hiện tại máy gia tốc cyclone 30 tại Trung tâm máy gia tốc 30 MeV - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 được sử dụng chủ yếu để sản xuất đồng vị 18F là nhân phóng xạ positron dùng cho máy chụp hình cắt lớp bức xạ positron (Positron Emission Tomography-PET).18F được tạo ra tại buồng bia lỏng theo phản ứng hạt nhân
18O(p,α)18F trong khoảng 20-30 phút ở điều kiện năng lượng chùm tia proton 18 MeV, cường đội chùm tia khoảng 35-40 μA. Sản phẩm 18F được tạo ra có hoạt độ 1000 – 1200 mCi sau đó sẽ được dẫn truyền vào hệ tổng hợp, chia liều dược chất phóng xạ (hệ hotcell). Tại đây một phần 18F sẽ được tổng hợp thành FDG, 1 phần sẽ đi vào lọ thải. Sau khi tổng hợp xong, hệ hotcell sẽ tự động chia liều tùy theo lượng hoạt độ mỗi liều đã được đặt trước bởi kỹ thuật viên cho việc kiểm nghiệm hoặc cho các đơn vị sử dụng.
Hệ chia liều là hệ thống rơbốt được thiết kế với độ an tồn rất cao trong việc che chắn bức xạ đồng thời có hệ thống giám sát liều lượng bên trong và bên ngồi đi kèm.
Hình 2.9. Hình dạng bề ngồi (trái) và bên trong (phải) của hệ thống hotcell. Phần bên trong hệ hotcell là khu vực tiếp xúc trực tiếp với chất phóng xạ, được thực hiện bởi cánh tay rơbốt rất linh hoạt có 6 bậc tự do.
Để quan sát quá trình tổng hợp, chia liều và hoạt động của cánh tay rơbốt, có một tấm cửa thủy tinh chì dày 75 mm, kích thước 140 x 140 mm.
Hình 2.10. Cửa sổ thủy tinh chì để quan sát hoạt động của cánh tay rôbốt. Việc chia liều dược chất phóng xạ được đảm bảo độ chính xác cao bằng hệ Việc chia liều dược chất phóng xạ được đảm bảo độ chính xác cao bằng hệ thống Theodorico lập trình chia liều tự động cho rơbốt bằng máy tính.
Hình 2.11. Điều khiển hệ thống hoạt động thơng qua máy tính bên ngồi.
2.1.3. Quy trình sản xuất dược chất phóng xạ18F-FDG [4] [16] a. Giới thiệu chung về 18F-FDG
18F-FDG là một dạng tương tự của đường glucose trong đó nhóm hydroxyl trên một nguyên tử C của một phân tử glucose được thay thế bằng một nguyên tử F. 18F- FDG có tên hóa học là Fluoro deoxy glucose, khối lượng phân tử 181.15 g/mol.
Hình 2.12. Cấu trúc phân tử 18F-FDG. - Dạng hóa học: 18F-FDG - Dạng hóa học: 18F-FDG
- Phản ứng trên bia: 18O (p,n) 18F - Thời gian bán rã T1/2 = 110 phút - Vật liệu bia: H218O
- Thời gian chiếu: 60 phút cho 400µl hoặc 120 phút cho 2 ml - Hoạt độ (mCi): 700 (400µl), 5000 (2ml)
b. Quy trình sản xuất 18F-FDG
Các giai đoạn sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG gồm: - Chuẩn bị bia, bia dùng cho sản xuất 18F là bia nước giàu 18O; - Tính tốn tối ưu các điều kiện chiếu xạ và chiếu bia;
- Xử lý hóa học bia nóng sau khi đã được chiếu xạ; - Tổng hợp 18F thành dược chất phóng xạ 18F-FDG; - Chia liều dược chất phóng xạ 18F-FDG;
- Kiểm nghiệm dược chất18F-FDG đáp ứng các tiêu chuẩn dược chất;
Trong các giai đoạn sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG, giai đoạn tổng hợp, chia liều và vận chuyển dược chất phóng xạ là khoảng thời gian chủ yếu gây nên liều chiếu cho các nhân viên ngay tại thời điểm sản xuất. Quá trình xử lý, lưu giữ chất thải phóng xạ sinh ra trong q trình sản xuất 18F-FDG cũng có nguy cơ làm tăng liều chiếu xạ đối với các nhân viên. Ngoài ra như đã trình bày tại Chương 1, một số vật liệu nằm trong hệ thống máy gia tốc có thể bị chiếu xạ và kích hoạt trở thành vật liệu phóng xạ, do đó trong q trình bảo dưỡng, sửa chữa máy gia tốc, đặc biệt là tại buồng bia có thể gây liều chiếu xạ thêm cho nhân viên.
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Khảo sát suất liều gamma a. Phương pháp và vị trí đo
Khảo sát phơng và suất liều bức xạ gamma tại các vị trí cửa buồng bia (1), cửa phòng hệ hotcell (2), trung tâm phòng hotcell (3), hành lang đi lại (4), cách cửa buồng bia 0,5m (5), cách cửa buồng bia 4m (6) thể hiện trên sơ đồ mặt bằng khu vực máy gia
tốc hình 2.13, phịng lấy mẫu 18F-FDG (phịng Lab phân tích phổ gamma), phịng kiểm nghiệm 18F-FDG (phịng Lab sắc ký) trước, trong và sau khi sản xuất 18F-FDG.
Đo suất liều gamma bên ngoài các container chứa dược chất phóng xạ 18F-FDG sau khi đã tổng hợp và bên ngoài xe kéo tay chở các container này.
Các giá trị suất liều gamma được đo 03 lần và lấy giá trị trung bình.
Hình 2.13. Sơ đồ mặt bằng khu vực máy gia tốc và các điểm khảo sát suất liều bức xạ, nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt.
b. Thiết bị đo
Thiết bị sử dụng đo suất liều bức xạ gamma là máy phổ kế AT6102A cầm tay đa chức năng, bên trong có đầu dị nhấp nháy với tinh thể Na(TI) Ø40x40 mm và ống đếm Geiger-Muller.
Hình 2.14. Thiết bị AT6012A sử dụng đo suất liều bức xạ gamma. Bảng 2.2. Thơng số kỹ thuật đầu dị của phổ kế AT6102A. Bảng 2.2. Thơng số kỹ thuật đầu dị của phổ kế AT6102A.
Loại đầu dò của phổ kế AT6012A
Khoảng đo suất liều bức xạ gamma
Khoảng năng lượng bức xạ gamma ghi nhận được (keV)
Nal (Tl) 0.01 uSv/h - 300 uSv/h 50 - 3000 Geiger-Muller 10uSv/h-100 mSv/h 60 - 3000
2.2.2. Khảo sát suất liều neutron a. Phương pháp và vị trí đo
Khảo sát phơng và suất liều bức xạ neutron tại các vị trí 1, 2, 3, 4, 5, 6 trên sơ đồ mặt bằng khu vực máy gia tốc hình 2.13 trước, trong và sau khi sản xuất 18F-FDG. Các giá trị suất liều neutron được đo 03 lần và lấy giá trị trung bình.
b. Thiết bị đo [7]
Nguyên lý ghi đo bức xạ neutron: Neutron năng lượng cao bay đến, bị làm chậm khi đi qua lớp polyetylen và trở thành neutron nhiệt. Sau đó đi vào ống chứa khí He-3,
tại đây neutron nhiệt sẽ phản ứng với He3 theo phương trình
3 3
0, 764
He n T p MeV .
Hình 2.15. Phản ứng giữa neutron và He3.
Các hạt mang điện Triti và proton sẽ được phát hiện bởi đám mây tích điện được tạo ra trong vùng khí của ống đếm tỉ lệ hoặc ống đếm Gerger Muler.
Thiết bị đo suất liều neutron được sử dụng trong Luận văn là Thermo FH 40 GL-10 có cấu tạo và đặc tính kỹ thuật được mơ tả tại hình 2.16 và bảng 2.3. Cấu tạo Thermo FH 40 GL-10 gồm: ống trụ có vỏ dày làm bằng polyetylen; lớp bột Vonfram; ống đếm chứa khí He-3; vá cao su tẩm boric; tiền khuếch đại; màn hình hiển thị Led; cáp kết nối
Bảng 2.3. Thơng số kỹ thuật đầu dị neutron FH 40 GL-10. Dải đo (Cf-252) 1 nSv/h – 100 mSv/h
Độ nhạy (Cf-252) 0,84 1
s /(µSv/h)
Dải năng lượng 25 meV – 5GeV
Góc đo ± 20% tất cả các hướng
Gamma truyền qua <5. 5
10 với 100 mSv/h (Cs137)
Khí lấp đầy He3, 2 bar
Kích thước/Khối lượng Φ 230 mm×h 340 mm/13,5 kg
2.2.3. Khảo sát nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt a. Phương pháp, vị trí đo
Như đã biết, Trung tâm máy gia tốc Cyclotron 30 MeV hiện chủ yếu chỉ sản xuất 18F-FDG, 18F là đồng vị phát bức xạ positron năng lượng 0.6335 MeV với suất ra 97%. Ngồi đồng vị chính 18F cịn nhiều các đồng vị khác sinh ra trong quá trình bắn bia, đối tượng khảo sát nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt khơng chỉ có positron và gamma mà có thể có cả beta- và alpha. Tuy nhiên trong quá trình khảo sát, chưa khi nào phát hiện được nhiễm bẩn phóng xạ alpha, do đó loại bức xạ gây nhiễm bẩn bề mặt được đánh giá trong Luận văn là bức xạ positron, beta- và gamma.
Do quá trình sản xuất 18F-FDG là một chu trình khép kín, nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt thường có khả năng lớn nhất xảy ra tại phòng hotcell tổng hợp và chia liều 18F- FDG. Đo nhiễm bẩn bằng phương pháp trực tiếp, giữ đầu dò đo nhiễm bẩn cách bề mặt cần đo 0,1 cm tại các vị trí cách chân hệ hotcell 1m (B), 0,3m (C), sát chân hệ hotcell (B) thể hiện tại hình 2.17. Mỗi điểm đo 3 lần, mỗi lần đo trong thời gian 2 phút và lấy giá trị trung bình độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt.
Hình 2.17. Các vị trí đo độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt trong phịng hotcell. Ta thấy rằng tại vị trí cửa đưa vào, ra container chứa dược chất phóng xạ 18F- FDG có thể có khả năng nhiễm bẩn phóng xạ cao, tuy nhiên nếu thực hiện khảo sát độ nhiễm bẩn tại đây, kết quả đo sẽ không khách quan do bên trong hệ hotcell đang có dược chất phóng xạ 18F-FDG, do đó khơng thực hiện đo nhiễm bẩn phóng xạ tại vị trí này.
b. Thiết bị đo
Việc đo nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thiết bị Radiagem 2000 đi kèm đầu dò Đầu dò nhiễm bẩn α/β SAB – 100.
Hình 2.18. Thiết bị Radiagem 2000. Hình 2.19. Đầu dị nhiễm bẩn α/β SAB – 100. Đầu dò nhiễm bẩn α/β SAB – 100: Đầu dị có khả năng chỉ đo bức xạ alpha; chỉ Đầu dò nhiễm bẩn α/β SAB – 100: Đầu dị có khả năng chỉ đo bức xạ alpha; chỉ
Cửa đưa vào, ra container chứa dược chất phòng xạ 18F- FDG
dụng một tấm phim nhấp nháy ZnS(Ag) đặt lên trên một tấm plastic nhấp nháy dày 0.5mm. Diện tích phát hiện 102 cm2 (68 x 150 mm). Dải đo từ 0 – 10000 c/s.
2.2.4. Xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ bằng hệ phổ kế gamma [8] [9] [23] a. Phương pháp xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ
Hiện nay, để xác định hoạt độ của một số đồng vị trong mẫu môi trường, phương pháp thường được sử dụng nhiều đó là phương pháp tuyệt đối. Trong phương pháp này, chúng ta cần phải xác định được hiệu suất ghi đối với đỉnh năng lượng tia gamma phát ra tương ứng với dạng hình học của mẫu. Chính điều này đặt ra nhu cầu xây dựng đường cong hiệu suất đối với detector ứng với từng đỉnh năng lượng theo độ cao. Việc xây dựng đường cong hiệu suất này giúp tính tốn hoạt độ phóng xạ của các mẫu đo có dạng hình học nhất định. Đường cong hiệu suất ghi là đường mô tả sự phụ thuộc của hiệu suất ghi vào năng lượng bức xạ gamma. Hiệu suất ghi đỉnh của detector ηh(E) được tính theo cơng thức:
ηh(E) = N
IγAfsumt [7] [8] [9] (2.1)
Trong đó: N: diện tích (số đếm) của đỉnh năng lượng quan tâm, Iγ [%]: là hiệu suất phát gamma ứng với năng lượng Eγ A [Bq]: hoạt độ của mẫu tại thời điểm đo
fsum: hệ số hiệu chỉnh cho hiệu ứng trùng phùng tổng t [s]: thời gian đo mẫu
Ngồi ra cịn có các hiệu chỉnh khác như: tự hấp thụ, hình học đo… Hiệu suất ghi đỉnh là hàm theo năng lượng, ηh(E) có dạng:
ln[ηh(E)] = a0 + a1.ln(E) + a2.[ln(E)]2 + a3.[ln(E)]3 + a4.[ln(E)]4…. [23] (2.2) Do vậy, đầu tiên cần xác định hiệu suất ghi ηh(E) tương ứng với từng đỉnh năng lượng E của mẫu nguồn chuẩn, sau đó làm khớp bộ số liệu đo được với hàm tại biểu thức (2.2) nêu trên để xác định hệ số ai. Sau khi đã xác định được hiệu suất ghi đỉnh ηh(E), áp dụng vào biểu thức (2.1) ta sẽ tính được hoạt độ A[Bq] của các đồng vị phóng xạ có trong mẫu cần phân tích.
b. Hệ phổ kế gamma bán dẫn dùng xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ [23]
Phổ kế gamma với detector bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng của khoa học và công nghệ hạt nhân. Trung tâm Máy gia tốc Cyclotron 30MeV – Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 hiện được trang bị một hệ phổ kế gamma bán dẫn dải năng lượng rộng BEGe- Canberra, với tinh thể có đường kính 80.5mm, diện tích 5000 mm2, chiều dày 31mm, làm lạnh bằng ni tơ lỏng do hãng Canberra chế tạo. Hệ phổ kế gamma này được sử dụng tại Trung tâm cho công tác kiểm nghiệm dược chất phóng xạ và nghiên cứu.
Trong phạm vi của Luận văn, hệ phổ kế gamma này được sử dụng để xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ có trong các màng mỏng của cửa sổ buồng bia máy gia tốc (lá Havar). Màng mỏng này bị chiếu xạ và kích hoạt bởi chùm proton trong quá trình bắn phá bia tạo ra các đồng vị phóng xạ 18F.
Sơ lược cấu tạo hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe- Canberra
Cấu tạo hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra gồm: buồng chì, detector bán dẫn Ge giải năng lượng rộng (BEGe), các hệ điện tử như tiền khuếch đại, khuếch đại phổ, bộ biến đổi tương tự số (ADC), máy phân tích biên độ nhiều kênh (MCA), nguồn ni cao áp…
Hình 2.20. Sơ đồ khối hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra.
Hệ phổ kế gamma tại Trung tâm máy gia tốc Cyclotron 30MeVđược sử dụng trong luận văn này khơng có các khối cao áp, khuếch đại như các hệ thông thường mà chúng đã được tích hợp vào khối phân tích phổ số (DSA-1000) sẽ được trình bày dưới
Một số đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế gamma bán dẫn BEGe – Canberra tại Trung tâm máy gia tốc Cyclotron 30MeV
Detector BEGe: Có dải năng lượng rộng từ 3 keV tới 3 MeV. Độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng thấp của BEGe tương đương với độ phân giải năng lượng của detector Ge năng lượng thấp, độ phân giải năng lượng ở vùng năng lượng cao tương đương với độ phân giải năng lượng của detector đối xứng trục chất lượng tốt.
Khối phân tích số DSA-1000: Là thiết bị được tích hợp bộ phân tích đa kênh
(MCA) 16000 kênh dựa trên kĩ thuật xử lý tín hiệu số tiên tiến (DSP). Khi kết hợp với máy tính, DSA-1000 sẽ trở thành thiết bị phân tích phổ hồn chỉnh, có khả năng thu nhận và phân tích với chất lượng cao nhất. Thiết bị này tích hợp với phần lớn đầu dò hiện nay như HPGe, NaI, Si (Li), CDT hoặc Cd(Zn)Te. [18]
DSA-1000 được vận hành thông qua phần mềm phân tích phổ Genie 2000. Phần quan trọng nhất của DSA-1000 là hệ thống phụ xử lý tín hiệu số. Khơng giống như hệ thống thường mà tại đó tín hiệu được số hóa ở cuối chuỗi xử lý tín hiệu, đối với DSA- 1000 thì tín hiệu được số hóa ở trước chuỗi xử lý tín hiệu. Phương pháp này giúp giảm thiểu số mạch tương tự dẫn đến tăng tính ổn định, tính chính xác. [18]
Hình 2.21. Khối phân tích số DSA-1000.
Buồng chì: Để giảm bớt phơng do các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo phân bố xung quanh detector làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích phổ gamma đo được,
điều tất yếu là phải có vật liệu che chắn thích hợp. Với detector BEGe dạng thẳng đứng sử dụng buồng chì có vỏ ngồi làm bằng thép cacbon. [23]
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
3.1. SUẤT LIỀU BỨC XẠ TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ QUAN TRỌNG TRUNG TÂM MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 30 MeV TRONG QUÁ TRÌNH SẢN SUẤT 18F-FDG
Suất liều bức xạ gamma được khảo sát tại các vị trí đã nêu tại Chương 2. Thời gian khảo sát thực hiện trong 6 lần sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG định kỳ (khoảng 02 tháng) được thể hiện tại bảng 3.1 như dưới đây.
Bảng 3.1. Trung bình suất liều bức xạ gamma tại các vị trí trong khu vực kiểm soát Trung tâm máy gia tốc.
Vị trí đo Điểm đặt thiết bị đo Trung bình suất liều bức xạ γ (µSv/h)
Trước khi bắn chùm tia vào bia
Trong quá trình bắn chùm
tia vào bia
Sau khi sản