Dải liều sử dụng đối với các liều kế

Chương I. Tổng quan nghiên cứu

1.2 Tổng quan về các loại liều kế thông dụng

1.2.2 Một số tiêu chí lựa chọn liều kế cho các dải đo

1.2.2.2 Dải liều sử dụng đối với các liều kế

Các đối tượng của quá trình xử lý bức xạ và công nghệ bức xạ được xếp vào dải liều cao từ vài trăm gray tới hàng trăm kilogray. Bảng 1.1 dưới đây trình bày các dải liều của công nghệ bức xạ ứng dụng trong các lĩnh vực đời sống khác nhau [32].

Bảng 1.1: Dải liều và phạm vi ứng dụng.

Liều, Gy Mức liều Lĩnh vực áp dụng

105107 Mức lò phản ứng hạt nhân Thử độ bền bức xạ của vật liệu

102105 Mức công nghệ bức xạ Tính bền vật liệu, tiệt trùng, bảo quản thực phẩm

100101 Mức điều trị ngoại khoa Xạ trị

10-210-1 Mức liều thanh tra Kiểm tra không phá hủy, chụp ảnh tia X công nghiệp

10-410-2 Mức liều bảo vệ Chụp ảnh y tế (1 lần), tia vũ trụ (1 năm) 10-5 Mức môi trường Môi trường phóng xạ

1.2.3 Đơn vị đo lường và định liều lượng bức xạ a) Liều hấp thụ

Liều hấp thụ D của một chất có khối lượng dm được xác định bằng tỉ số giữa năng lượng dE được chất hấp thụ và khối lượng của chất đó:

dV dE dm D dE

= 

= (1.2)

Trong đó  là mật độ vật chất, dV là thể tích đơn vị. Đơn vị của liều hấp thụ là Gray, viết tắt Gy, 1 Gy = 1 J/kg. Đơn vị ngoài hệ SI là rad: 1 Gy=100 rad=104 erg/g.

b) Suất liều hấp thụ

Suất liều hấp thụ được coi là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian và xác định bằng công thức:

dt

D' = dD (1.3)

Đơn vị của suất liều là Gy/s; 1 Gy/s = 1 J/s.kg = 1 W/kg.

c) Kerma và suất Kerma

Riêng đối với bức xạ không ion hoá trực tiếp, chẳng hạn như gamma, người ta dùng thêm đại lượng Kerma. Kerma là tổng tất cả động năng ban đầu của các hạt tích điện dEk được giải phóng bởi bức xạ trong một đơn vị khối lượng vật chất dm:

13 dV dE dm

K dEk k

= 

= (1.4)

trong đó  là mật độ vật chất, dV là thể tích đơn vị.

Suất Kerma được coi là tốc độ giải phóng tổng động năng của hạt trong một đơn vị thời gian dt và được xác định bằng công thức:

dt

K= dK (1.5) Đơn vị đo của Kerma và suất Kerma tương ứng giống như đơn vị đo của liều và suất liều.

d) Dòng rò năng lượng

Dòng rò năng lượng là năng lượng bị thất thoát khỏi bề mặt của một đơn vị thể tích xem xét và được xác định bằng biểu thức J /, với J là vectơ mật độ dòng năng lượng và  là mật độ vật chất hấp thụ.

e) Phương trình cân bằng liều

Phương trình cân bằng liều được viết như sau:

dm dE J dm dE dm

dE = k − − b

 (1.6)

trong đó dEb là năng lượng tiêu hao cho quá trình hãm của các hạt mang điện.

f) Liều chiếu

Liều chiếu cho biết khả năng ion hoá không khí của bức xạ tại một vị trí nào đó.

Liều chiếu P được xác định bằng số đơn vị điện tích sinh ra ở điều kiện chuẩn khi bị chiếu xạ:

dV dQ dm P dQ

= 

= (1.7)

Trong đó dQ là giá trị tuyệt đối tổng điện tích của tất cả các ion cùng dấu được tạo ra trong một thể tích nguyên tố của không khí, khi tất cả các electron và positron thứ cấp do các gamma tạo ra bị hãm hòan toàn trong thể tích không khí đó, và dm là khối lượng của thể tích nguyên tố không khí đó.

Đơn vị liều chiếu trong hệ SI là C/kg. Đơn vị ngoài hệ SI thường dùng là Roentgen (R). 1R = 2,58x10-4 C/kg. Đối với không khí trong điều kiện cân bằng electron thì mối quan hệ giữa liều chiều và liều hấp thụ là 1 R = 0,877 Rad.

14

Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian:

dt

P. = dP (1.8) Đơn vị suất liều chiếu trong hệ SI là C/kg/s. Đơn vị ngoài hệ SI là R/h hay mR/h.

g) Liều tương đương

Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng để đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích của liều hấp thụ D với trọng số bức xạ WR :

. R

H =D W (1.9)

Đơn vị liều tương đương trong hệ SI là Sievert (Sv). Từ công thức trên ta có :

1 Sv = 1 Gy x WR (1.10)

h) Phân bố liều theo chiều sâu

Độ xuyên sâu của năng lượng bức xạ vào vật liệu có thể được mô tả bằng đường phân bố theo chiều sâu, trong đó liều hấp thụ tương đối tại các điểm đo được vẽ theo khoảng cách hay độ sâu tính từ bề mặt vật liệu chiếu xạ. Dạng của đường phân bố liều-độ sâu phụ thuộc vào bản chất của bức xạ, năng lượng của bức xạ hay chùm hạt, cấu hình của nguồn và mẫu.

i) Hiệu ứng bức xạ thứ cấp

Khi bị hấp thụ trong vật chất, bức xạ điện từ có thể tạo ra các electron thứ cấp.

Tại các điểm cách bề mặt chất hấp thụ một khoảng cách lớn hơn quãng chạy lớn nhất của electron thứ cấp, một đơn vị thể tích nhận được electron tán xạ từ mọi phía.

Tuy nhiên ở càng gần bề mặt, số lượng electron thứ cấp mà một đơn vị thể tích vật liệu nhận được càng giảm do một phần electron thứ cấp thoát ra khỏi bề mặt. Do đó phân bố liều theo độ sâu của bức xạ ion hoá tăng dần theo bề mặt và đạt tới giá trị cực đại ở khoảng cách bằng quãng chạy lớn nhất của electron thứ cấp. Ở các độ sâu lớn hơn electron suy giảm theo qui luật hàm mũ như bức xạ sơ cấp.

j) Hiệu suất hóa bức xạ G và xác suất tạo phân tử kích họat

Hiệu suất hóa bức xạ G là đại lượng đo bằng số những biến đổi hóa học xác định nào đó như nguyên tử, ion và phân tử… tính cho một đơn vị năng lượng hấp thụ của bức xạ ion hóa [36]. Giá trị G được đo bằng số các biến đổi hóa học tính cho 100 eV năng lượng hấp thụ của bức xạ ion hóa và được xác định bằng công thức [1]:

15 G (phân tử/100eV) = 100

W M x

N (1.11)

Trong đó M là số phân tử bị biến đổi dưới tác dụng của bức xạ, N là số cặp ion được tạo ra từ các phân tử biến đổi, W là năng lượng trung bình để tạo ra một cặp ion trong vật liệu bị chiếu xạ, M

N được gọi là hiệu suất tạo cặp ion. Đối với đa số các chất thì giá trị W  30 eV nên giá trị G gần bằng 3 lần hiệu suất tạo cặp ion.

Mối tương quan giữa liều hấp thụ, hiệu suất hóa học và hiệu suất hóa bức xạ trong hệ SI được biểu diễn như sau [1]:

G (phân tử/100eV) = 9,648 x 106 ( )

( )

. 1

H mol kg D Gy

−

(1.12)

trong đó H là hiệu suất hóa, D là liều hấp thụ.

1.2.4 Một số loại liều kế đo liều cao 1.2.4.1 Nhiệt lượng kế

Phương pháp đo nhiệt lượng là một phương pháp đo trực tiếp năng lượng hấp thụ của một chất đối với bức xạ. Nhiệt lượng kế là thiết bị đo nhiệt độ trong khối vật liệu đặt trong trường bức xạ. Các nguyên tắc của nhiệt lượng bức xạ trong công nghệ được áp dụng tương đối đơn giản. Nguyên tắc làm việc là nó đo tổng số năng lượng tiêu thụ hoặc tỷ lệ tiêu hao năng lượng trên vật liệu thông qua việc quan sát sự gia tăng nhiệt độ của đối tượng bị chiếu xạ. Ví dụ, nhiệt độ nước tăng khoảng 2,4°C cho liều 10 kGy ở điều kiện nhiệt độ lý tưởng. Chính vì vậy nhiệt lượng kế là máy đo liều lượng tuyệt đối mà có thể được sử dụng trong ngành công nghệ bức xạ [6, 8].

Vật liệu sử dụng trong nhiệt lượng kế phải có độ dẫn nhiệt tốt và đảm bảo sao cho toàn bộ năng lượng hấp thụ được biến thành nhiệt. Trong thực tế graphit hoặc kim loại là các vật liệu thích hợp cho nhiệt lượng kế. Nhiệt độ trong nhiệt lượng kế được đo bằng nhiệt điện trở. Liều hấp thụ D (Gy) được xác định theo công thức:

m C

D =T. (1.13)

16

trong đó, T là nhiệt độ gia tăng tính theo đơn vị K, C là nhiệt dung của nhiệt lượng kế tính theo đơn vị là [JK-1], m là khối lượng của vật hấp thụ bức xạ tính theo đơn vị là [kg].

Đối với các nguồn bức xạ có cường độ nhỏ, nhiệt độ gia tăng không đáng kể, do đó phương pháp nhiệt lượng kế không phải là phương pháp đo liều thích hợp cho trường hợp này [34]. Chúng đặc biệt hữu ích cho việc đo liều cao trong chế biến thực phẩm, đặc biệt cho việc kiểm soát đo liều hấp thụ hoặc suất liều hấp thụ từ máy phát chùm tia electron. Nhiệt lượng kế trong ứng dụng đời sống thông thường có tính phổ cập cao, tuy nhiên, thường là không đơn giản khi ứng dụng trong ngành công nghệ bức xạ, và không được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong ngành công nghệ chiếu xạ [7].

1.2.4.2 Phương pháp đo liều dựa trên sự ion hóa chất khí

Hiện tượng ion hoá trong chất khí được sử dụng trong phép đo liều lượng.

Nhóm detector chứa khí gồm buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ và ống đếm G-M với các ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, hệ số khuếch đại khí lớn, mạch điện tử đơn giản, đường đặc trưng ít phụ thuộc vào năng lượng bức xạ. Tham số vật lí để đo trong hàm đặc trưng của liều kế chứa khí là dòng điện trung bình đi qua ống đếm.

Theo nguyên lý Bragg-Gray, liều hấp thụ trong một chất được xác định bằng công thức:

m W. m

D = S P (1.14)

Trong đó W là năng lượng tạo cặp ion trong chất khí (J/ion), Sm là tỉ số của năng lượng bị mất tính cho một đơn vị mật độ của vật liệu khảo sát và không khí, P là số cặp ion tạo ra trong một đơn vị khối lượng chất khí (cặp/kg). Điều đó cho thấy số cặp ion hay dòng điện là một hàm tuyến tính đối với liều [1].

Dòng điện I trong buồng ion hóa tương đối nhỏ, cỡ 10-12A, do hệ số khuếch đại khí xấp xỉ bằng 1. Các chất khí thường được dùng trong buồng ion hóa như H2, He, N2, O2, Ar, CH4. Buồng ion hóa dùng để đo liều trong dải suất liều từ vài chục

Sv/h trở lên và dải năng lượng từ 0,3 đến 10 MeV. Buồng ion hoá có thể sử dụng như các liều kế sơ cấp hoặc thứ cấp [58].

17

Ống đếm tỉ lệ với hệ số khuếch đại khí đạt tới 103-104, quá trình khuếch đại khí chỉ ở trong một thể tích giới hạn và chỉ cần những thiết bị khuếch đại đơn giản.

Ống đếm Geiger-Muller có điện áp cao hơn so với buồng chứa khí và ống đếm tỉ lệ. Hệ số khuếch đại khí có thể đạt tới 1010 nên nó có độ nhạy cao nhất trong các ống chứa khí. Do hệ sô khuếch đại khí lớn nên hệ G-M có thể không cần tới bộ khuếch đại. Chính vì vậy hệ thiết bị này thường gọn nhẹ, được ưa dung làm các máy đo bức xạ và liều kế xách tay [1].

1.2.4.3 Liều kế hoá học

Liều kế hoá học thuộc nhóm liều kế thứ cấp, trong đó liều lượng hấp thụ D được xác định từ các biến đổi hoá học do bức xạ gây ra:

(1.15)

trong đó hiệu suất sản phẩm tính bằng [mol.kg-1], còn giá trị G được tính bằng số phân tử kích họat được đo khi hấp thụ 100 eV. Để tăng độ nhạy, người ta thường bổ sung các chất phụ gia vào thành phần chính của liều kế hoá học. Liều kế hoá học rất đa dạng. Nhìn chung đây là loại liều kế đơn giản, có thể chế tạo tại các phòng thí nghiệm và cơ sở chiếu xạ, thiết bị đo đạc không đắt tiền. Có thể giới thiệu một số liều kế hoá học tiêu biểu sau đây.

a) Liều kế thể khí

Liều kế thể khí thường sử dụng các dạng khí như N2O, H2S và ethylen C2H2. Liều lượng được đánh giá theo áp suất đo được hoặc bằng phương pháp sắc ký khí đối với các sản phẩm phân tích bức xạ. Loại liều kế này ít được sử dụng hơn so với liều kế thể lỏng và thể rắn.

b) Liều kế thể lỏng

Hai loại liều kế chất lỏng sử dụng phổ biến nhất là sắt sulfate hay còn gọi là liều kế Fricke và xeri sulfate.

Liều kế Fricke

Liều kế Fricke là rất nhạy với các tạp chất, đặc biệt là các tạp chất hữu cơ, và các ion kim loại. Do vậy nó có độ chính xác cao, khoảng ± 1%. Liều kế Fricke thường được sử dụng làm liều kế so sánh để chuẩn các liều kế thông dụng. Việc sử

18

dụng liều kế này phải quan tâm tới nhiệt độ trong quá trình chiếu xạ vì nó ảnh hưởng đến quá trình phản ứng hoá học của liều kế. Thông thường, nhiệt độ được khuyến cáo là 1060°C. Giới hạn liều của liều kế Fricke là 20400 Gy. Liều kế Fricke được sử dụng trong chiếu xạ thực phẩm, y dược học. Nguyên lý làm việc của liều kế Fricke là hoá trị sắt trong liều kế thay đổi từ Fe2+ thành Fe3+ khi bị chiếu xạ, phổ hấp thụ bức xạ có bước sóng đặc trưng ở 303 nm và có thể đo bằng quang phổ kế. Liều lượng hấp thụ tỷ lệ với độ thay đổi của mật độ quang ΔA [5, 7]:

( )

d G

N

D A A





=  (1.16)

trong đó D là liều hấp thụ (Gy), A là sự thay đổi độ hấp thụ ở 303 nm và 25°C (không thứ nguyên), A = Ai - A0, với Ai và A0 là mật độ quang được chiếu xạ và không bị chiếu xạ tương ứng, NA là số Avogadro (6,022 × 1023 mol-1),  là mật độ của liều kế, G là năng suất bức xạ hóa của Fe3+ ion (Giá trị G này phù hợp cho các electron hay photon trong phạm vi năng lượng 0,5-16 MeV tại liều hấp thu dưới 2 × 107 Gy/s),  là hệ số hấp thụ tuyến tính mol (ở 303 nm và 25°C) được đo cho máy quang phổ đặc biệt và d là độ dài đường quang học trong hộp thạch anh, thường là d

= 0,01 m.

Liều kế xeri sulfate

Trong liều kế xeri sulfate, ion Ce4+ biến đổi thành Ce3+ dưới tác dụng của bức xạ.

Ngoài hai loại liều kế thể lỏng trên, người ta còn sử dụng các loại liều kế khác như dichromate, glucose, ethanol-chlorobenzene, v.v...

Hình 1.2 và Bảng 1.2 dưới đây giới thiệu các đăc trưng cơ bản của các liều kế thể khí và thể lỏng như sự biến đổi hóa học của chúng, phương pháp đo và dải liều ứng dụng phù hợp nhất có thể.

19

Hình 1.2 Một số liều kế hoá học thể khí và thể lỏng thể khí và thể lỏng Bảng 1.2: Các đặc trưng chủ yếu của các liều kế hoá học

thể khí và thể lỏng [7, 58]

Liều kế Biến đổi hoá học (và giá trị G)

Phương pháp đo (bước sóng nm)

Dải liều (Gy) (độ chính xác) Fricke Fe2+ →Fe3+(15,5) Quang phổ kế

(304) 40350 (1%)

Xeri sulphat Ce4+ →Ce3+(2,41) Quang phổ kế

(320) 102105 (3%) Dichromate Cr2O72− →Cr3+(0,38) Quang phổ kế

(440) (14)x104 (1%) Cholorobenzene C6H5Cl →HCl(47) Điện trở kế 50106 (3%) Ethylene C2H4 →H2(1,35)

Áp suất kế, sắc ký khí

103105 (5%) Hydrogen sulphide H2S →H2(7) 3x103105 (7%)

Nitrous oxide N2O→N2(10) 5x1024x104

(5%) c) Liệu lượng kế thể rắn

Liều kế thể rắn có một số ưu điểm so với liều kế thể lỏng và thể khí như có thể chế tạo dưới dạng các tấm hoặc phim tiện lợi cho việc đo đạc và sử dụng, chúng có độ bền cơ học cao, dễ bảo quản, dễ vận chuyển và nhiều loại trong số đó có thể sử dụng nhiều lần. Chúng rất được ưa dùng dưới dạng các liều kế thông dụng. Nhược điểm có thể thường gặp trong một số loại liều kế thể rắn là có thể chịu tác động của

20

một số tác nhân như nhiệt độ, độ ẩm, suất liều trong quá trình chiếu xạ và bảo quản, khi đó giá trị G của liều kế có thể thay đổi. Chính vì vậy đối với phép xử lý bằng chùm electron nhanh, loại liều kế phim hay màng mỏng rất được ưa chuộng hơn cả.

Liều kế Polymethyl Methacrylate (PMMA)

Có hai loại liều kế được chế tạo từ chất PMMA, đó là PMMA trong suốt và PMMA nhuộm màu.

+ Liều kế PMMA trong suốt: PMMA là một chất polyme rắn thường được chế tạo dưới dạng thanh hoặc thẻ. Bước sóng hấp thụ đặc trưng của PMMA ở gần 300 nm.

Ngưỡng của loại liều kế này ở khoảng 1 kGy, dải liều từ 1÷60 kGy. Hàm đặc trưng liều có dạng hàm mũ bão hòa; tuy nhiên trong thực tế, dải tuyến tính từ 1÷10 kGy thường được ưa chuộng để sử dụng. Các loại liều kế PMMA trong suốt thường được sử dụng là DRD – 0.4/4, HX Dosimetry Perxpex, Radix RN 15 …

+ Liều kế PMMA nhuộm màu: Liều kế PMMA nhuộm màu thường được chế tạo với các chất màu hổ phách hoặc đỏ (chẳng hạn red perxpex 4034, amber perxpex 3042, GAMMACHROME YR, v.v… Loại liều kế này thường bị sẫm màu khi chiếu xạ. Chúng được chế tạo dưới dạng các thẻ 10x4 mm2 với bề dày từ 1-3 mm. Độ hấp thụ được đo bằng quang phổ kế.

Liều kế analine

Có một số dạng analine, như dạng CH3CH(NH2)CO2H thường được sử dụng để đo liều lượng. Khi bị chiếu xạ, các gốc tự do hình thành thường bị giữ lại trong các bẫy, tạo ra hiện tượng cộng hưởng spin của electron (EPS). Các gốc tự do bị bắt giữ tồn tại rất lâu trong analine, vì vậy loại liều kế này thường được dùng làm liều kế so sánh giữa các phòng thí nghiệm. Người ta thường dùng thiết bị đo EPS để xác định liều hấp thụ. Biên độ của tín hiệu EPS tỷ lệ với liều hấp thụ [78].

Liều kế phim đổi màu do bức xạ

Các phim mỏng được sử dụng như là liều kế màng mỏng với phương pháp phân tích xác định liều bằng phép đo mật độ quang trên máy quang phổ kế là một trong số các nhóm liều kế được sử dụng phổ biến nhất trong công nghệ bức xạ hiện nay.

Hầu hết các hệ liều kế phim mỏng đổi màu dựa trên nguyên tắc khi bị chiếu xạ thì