vẽ bằng MCNP5
Máy X quang phòng khám Thế Hệ Mới được sử dụng là máy TOSHIBA DG-073B-AC.
Hình 3.2: Máy X quang TOSHIBA DG-073B-AC.
Các thông số cần quan tâm khi xây dựng mô hình máy X quang:
Anode: thuộc loại anode cố định, làm bằng Molybdenum bề mặt được phủ hợp kim Rhenium-Tungsten, đường kính 117 mm, góc vát 200.
Cathode: Tungsten có một vết tiêu thực 0,7mm. Điện thế tối đa 70kV.
Vỏ bóng: hình trụ dài 680mm làm bằng nhôm, đường kính lớn nhất 330mm.
Vỏ máy: lớp chì dày 1mm hình trụ đường kính lớn nhất 16cm, dài 27,1cm. Bộ lọc bằng nhôm dày 1mm.
36
XZ YZ
Hình 3.3: Hình vẽ mặt cắt đầu bóng X quang nha của phòng khámThế Hệ Mới. 3.2.3 Khảo sát độ chính xác của mô hình
3.2.3.1 Tally đánh giá
Trong khóa luận này loại hạt mà tôi mô phỏng là electron, photon và sử dụng hai loại Tally *F8 và Tally Fmesh4. Tally *F8 dùng để tính năng lượng hấp thụ của chùm photon trong các ô 122, 123, 124 và 125. Dùng Tally Fmesh4 để chia không gian khảo sát thành nhiều ô nhỏ theo đó trục X chia 130 ô, trục Y 130 ô, trục Z chia 150 ô.
3.2.3.2 Giới thiệu về đầu dò Piranha
Đầu dò Piranha là một đầu dò được thiết kế đặc biệt để đo suất liều thấp. Nó có kích thước nhỏ gọn được bao bọc bởi vỏ kim loại nên rất bền. Vì là một máy dò ở thể rắn nên không cần điều chỉnh nhiệt độ hay áp suất và không cần điện áp phân cực.
Để kiểm tra tính chính xác của mô hình mô phỏng, tôi tiến hành khảo sát suất liều chiếu của chùm tia sơ cấp theo những khoảng cách khác nhau tính từ nguồn phát bằng đầu dò Piranha sau đó suất liều được đổi sang mGy/s để so sánh với giá trị suất liều hấp thụ từ mô phỏng.
37
3.2.3.3 Công thức chuyển đổi từ tally sang suất liều.
+ Tally *f8 là tally được sử dụng để tính năng lượng hấp thụ chùm electron hoặc chùm photon trong một ô. Sau đó để chuyển sang liều hấp thụ chúng tôi tham khảo các tài liệu [1], [3] và xây dựng các công thức chuyển đổi như sau:
-10 e cell *f8[MeV]×1.602×10 [Gy]= ×N m [g] (3.7) Trong đó Ne là: số hạt electron Số hạt Ne: -3 e -19 mAs×10 N = 1.602×10 (3.8)
Trong đó mAs là: mật độ tia X.
+ Tally fmesh4 để chia không gian trong phòng thành các voxel nhỏ có kích thước bằng kích thước của đầu dò detector để tiện cho việc so sánh với giá trị thực nghiệm đo đạc và đánh giá phân bố liều chiếu cao thấp bên trong phòng.
e rem fmesh[ ] Gy h [ ]= ×N s 3600×100 (3.9) Số hạt Ne : -3 e -19 mAs×10 N = 1.602×10
Bảng 3.2: So sánh giá trị mô phỏng bằng MCNP5 với giá trị đo đạc bằng thiết bị Detector Piranha
Khoảng cách (cm)
Suất liều thực nghiệm (mGy/s)
Suất liều mô phỏng (mGy/s) MP/TN 50 0,344 0,637 1,85 70 0,237 0,326 1,37 80 0,195 0,250 1,28 100 0,136 0,169 1,24
Nhìn vào bảng 3.2, ta thấy có sự sai lệch giữa suất liều theo thực nghiệm và suất liều theo mô phỏng. Đối với kết quả mô phỏng, có hai nguyên nhân dẫn đến sai số là sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống.
38
Sai số ngẫu nhiên của kết quả được tạo nên bởi thăng giáng thống kê (loại tally tính toán, phương thức tính toán, kĩ thuật giảm phương sai, số lịch sử của hạt).
Sai số hệ thống do mô tả hình học (không chính xác cấu hình, vật liệu và phân bố góc của nguồn,…), lỗi của người dùng(sử dụng sai các lựa chọn, sử dụng chương trình không đúng,…), mô hình vật lý, tương tác, thư viện tiết diện.
Đối với kết quả thực nghiệm, nguyên nhân do sai số của dụng cụ đo, sự hấp thụ bức xạ của các vật đặt trong phòng X quang,…
Việc xác định hệ số MP/TN giúp chúng ta thấy được độ chính xác của mô hình mô phỏng và sử dụng để hiệu chỉnh giá trị mô phỏng về giá trị thực nghiệm. Ở đây hệ số MP/TN trung bình là 1,44 do đó các kết quả mô phỏng sẽ được chia cho 1,44 để đưa về giá trị thực nghiệm.
3.3 Giới hạn an toàn cho người làm việc ở phòng X quang nha trong mỗi ca chụp tại phòng khám Thế Hệ Mới. chụp tại phòng khám Thế Hệ Mới.
Hình 3.4 trình bày kết quả mô phỏng phân bố suất liều mặt XZ của chùm tia X từ ống phát tia X tại phòng Nha khoa Thế Hệ Mới. Mặt phẳng cách nguồn phát 75cm, được biểu diễn theo thang 0-0,01mGy/s.
Đối với phòng khám Nha khoa Thế Hệ Mới, năng lượng nguồn phát 70 keV và bán kính cửa thoát của chùm tia khỏi ống tia X là 6cm. Tôi cũng lựa chọn các thông số như: U=1, T=1 giống với trường hợp chụp X-ray thông thường và N=100 bệnh nhân/tuần, 1 năm có 50 tuần và 242ms cho một lần chụp (tương ứng với chụp răng hàm trên của người lớn) và suất liều tối thiểu cho 1 kỹ thuật viên trong 1 năm là 20mSv/năm (theo NCRP 147). Vì vậy: norm m K K 50.N.U.T.t [2] (3.10) Trong đó:
50 là số tuần trong một năm, N: số lần chụp X quang /1 tuần, -3 -3 -3 20 mSv mGy =16,53.10 =16,53.10 50.100.242.10 .1.1 s s
39 U: hệ số sử dụng,
T: hệ số chiếm cứ,
Knorm: là suất liều sau khi qua tường che chắn tại vị trí khảo sát cho mỗi ca chụp,
K: suất liều nhận được tại vị trí khảo sát trong 1 năm, tm: thời gian 1 lần chụp (s).
Hình 3.4: Phân bố suất liều mặt XZ của chùm tia X đến mặt phẳng hướng chùm tia
cách nguồn 75cm, vẽ theo thang 0-0,01mGy/s được mô phỏng theo mô hình của phòng Nha Thế Hệ Mới.
40
Hình 3.5: Đường contour các vùng suất liều của phòng X-quang Nha Thế Hệ Mới. Bảng 3.3: Giá trị suất liều trong các vùng contour ở phòng X quang nha Thế Hệ Mới.
Vùng Suất liều (mGy/s) Bán kính tính từ tâm chiếu (cm) A ≤ 1.10-4 >150 B 1.10-4 – 8,26.10-3 >100 C 8,26.10-3 – 16,53.10-3 100 D 16,53.10-3 – 33,06.10-3 35 E 33,06.10-3 – 1 15 F 1 -10 10 G 10 -100 3 H >100 2
Kết luận: Theo hình 3.5 phân bố suất liều cực đại ở vị trí tâm chiếu là >100
mGy/s. Càng ra xa suất liều càng giảm dần, cách tâm trường chiếu 80cm theo hướng phát tia suất liều vào khoảng 1 -10mGy/s. Cách tâm chiếu 100cm theo hướng phát tia suất liều giảm còn 33,06.10-3 – 1mGy/s. Cách tâm chiếu lớn hơn 35cm theo ba hướng còn lại giá trị suất liều vào khoảng 8,26.10-3 – 16,53.10-3mGy/s. Bên
41
ngoài phòng theo bốn hướng suất liều 0 - 1.10-4 mGy/s, rất bé không ảnh hưởng tới người dân đứng bên ngoài. Dựa vào hình 3.5, với cấu hình mô phỏng thì máy X quang không có sự rò rỉ bức xạ. Vậy phòng X quang Nha Thế Hệ Mới đảm bảo an toàn bức xạ cho người dân khi đứng bên ngoài phòng cũng như đảm bảo an toàn cho kỹ thuật viên khi đứng cách tâm trường chiếu lớn hơn 35cm, tức là bên ngoài vùng D hay đứng sau đầu X quang.
3.4 Đánh giá độ an toàn của vật liệu che chắn
Chúng tôi lựa chọn các thông số như: U= 1, T=1 và N bệnh nhân/tuần, 1 năm có 50 tuần và 1430ms cho một lần chụp. Nếu chọn Knorm ứng với liều chiếu dân chúng là 1mSv/năm và chọn N sao cho Knorm giảm ngang phông môi trường 0,2µSv/h thì ta có số ca chụp trong 1 năm sẽ được tính theo phương trình:
3 8 3 1 0, 2 5,56.10 10 50 1430.10 1 1 3600 K mSv mSv NUT N s s (3.11) Do đó N= 251547ca/năm và Knorm < 5,56.10-8 mSv/s
Bảng 3.4: Bảng phân bố suất liều cho từng vùng trong phòng
Vùng Suất liều (mGy/s) Bán kính tính từ tâm chiếu (cm)
A <5,56.10-8 >130
B 5,56.10-8 – 1,865.10-4 130 và phía sau đầu máy X quang
C 1,865.10-4 – 5,59.10-4 100 D 5,59.10-4 – 11,18.10-3 60 E 11,18.10-3 – 32.10-2 15 F 32.10-2 – 3,2 8 G 3,2 – 11,18 3 H 11,18 ≤ 2
42
Như vậy để người dân được an toàn thì phải đứng ngoài vùng B.
Để đánh giá độ an toàn bức xạ của vật liệu che chắn và độ dày của vật liệu che chắn chúng tôi khảo sát một số trường hợp với các vật liệu che chắn phổ biến như chì, bê tông và gạch như sau:
Trường hợp 1: Tường chỉ có lớp chì dày 1,5mm
Hình 3.6: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều khi tường chỉ có lớp
chì dày 1,5mm
Hình trên cho thấy rằng, những khu vực xung quanh tường phòng X quang – tường hứng chùm tia thứ cấp (trừ tường hứng chùm tia trực tiếp- tia sơ cấp) của trường hợp trên có suất liều <5,56.10-8
mGy/s thì trường hợp này đảm bảo. Tuy nhiên, khu vực trong vùng trường chiếu của tường hứng chùm tia sơ cấp lại không an toàn. Với trường hợp chỉ che chắn bằng tường chì 1,5 mm (hình 3.6) có thể thấy rằng tường chì chỉ làm giảm suất liều của chùm tia từ F (32.10-2– 3,2mGy/s) xuống B (5,56.10-8 – 1,865.10-4mGy/s) và đâm xuyên hơn 50cm trong không khí. Vì vậy với việc che chắn này không đảm bảo an toàn cho người dân nếu đứng sau tường hứng chùm tia sơ cấp.
43
Trường hợp 2: Tường gồm chì dày 1,5mm và bê tông dày 15cm được chia làm 3 lớp: lớp bê tông thứ nhất dày 7,5cm, kế đến là lớp chì dày 1,5mm và cuối cùng là lớp bê tông dày 7,5cm
Hình 3.7: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp 15cm bê tông. Hình 3.7 cho ta thấy phân bố suất liều bên trong và bên ngoài phòng khi tường được xây dựng bằng chì dày 1,5mm kết hợp 15cm bê tông.
Theo hướng trường chiếu: suất liều trong phòng chụp sát tường bê tông theo hướng của trường chiếu khoảng 11,18.10-3
– 32.10-2mGy/s (vùng E). Vùng E xuyên sâu 5cm trong bê tông ở lớp tường thứ nhất sau đó suất liều giảm xuống vùng D (5,59.10-4 – 11,18.10-3mGy/s). Khi tiến đến gần lớp chì suất liều giảm xuống vùng C (1,865.10-4 – 5,59.10-4mGy/s). Khi đi qua lớp chì dày 1,5mm vùng C còn đâm xuyên khoảng 1cm trong bê tông ở lớp tường thứ hai và giảm suất liều còn khoảng 5,56.10-8 – 1,865.10-4 (vùng B). Vùng B đâm xuyên 2cm trong lớp bê tông thứ 2 sau đó suất liều trở về 0mGy/s trong lớp tường thứ hai chính vì vậy không có sự rò rỉ các tia bức xạ tại tường bên ngoài theo hướng trường chiếu an toàn cho người dân.
Các hướng còn lại: suất liều trong phòng chụp sát tường 5,56.10-8
– 1,865.10-4 mGy/s (vùng B) và giảm xuống 0mGy/s khi đi qua lớp chì vì vậy không ảnh hưởng
44
tới người bên ngoài phòng. Ngoài ra khu vực sau máy là vùng B suất liều vào khoảng 5,56.10-8 – 1,865.10-4 mGy/s đảm bảo an toàn cho nhân viên kĩ thuật.
Trường hợp 3: Tường bao gồm chì dày 1,5mm và bê tông 20cm được chia làm 3 lớp: lớp bê tông thứ nhất dày 10cm, kế đến là lớp chì dày 1,5mm và cuối cùng là lớp bê tông dày 10cm
Hình 3.8: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp 20cm bê tông Hình 3.8 cho ta thấy phân bố suất liều bên trong và bên ngoài phòng khi tường được xây dựng bằng chì dày 1,5mm kết hợp 20cm bê tông.
Theo hướng trường chiếu: suất liều trong phòng chụp sát tường gạch theo hướng của trường chiếu phân bố khoảng 11,18.10-3 – 32.10-2mGy/s (vùng E). Vùng E xuyên sâu khoảng 5cm trong gạch (brick) sau đó suất liều giảm xuống vùng D (5.59.10-4 – 11,18.10-3mGy/s). Vùng D xuyên sâu khoảng 2,5cm trong lớp bê tông thứ nhất, đến sát lớp chì suất liều giảm xuống vùng C (1,865.10-4 – 5,59.10-4mGy/s). Khi đi qua lớp chì dày 1,5mm suất liều trở về vùng B (5,56.10-8
– 1,865.10-4) vùng này xuyên sâu khoảng 3cm rồi giảm xuống 0mGy/s trong lớp tường thứ hai chính vì vậy không có sự rò rỉ các tia bức xạ tại tường bên ngoài theo hướng trường chiếu an toàn cho người dân.
45
Các hướng còn lại: suất liều trong phòng chụp sát tường 5,56.10-8 – 1,865.10-4 mGy/s (vùng B) và giảm xuống 0mGy/s khi đi qua lớp chì vì vậy không ảnh hưởng tới người bên ngoài phòng. Ngoài ra khu vực sau máy là vùng B suất liều vào khoảng 5,56.10-8 – 1,865.10-4 mGy/s đảm bảo an toàn cho nhân viên kĩ thuật.
Trường hợp 4: Tường bao gồm chì dày 1,5mm và gạch dày 15cm được chia làm 3 lớp: lớp gạch thứ nhất dày 7,5cm, kế đến là lớp chì dày 1,5mm và cuối cùng là lớp gạch dày 7,5cm
Hình 3.9: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp 15cm gạch Hình 3.9 cho ta thấy phân bố suất liều bên trong và bên ngoài phòng khi tường được xây dựng bằng chì dày 1,5mm kết hợp gạch bề dày 15cm.
Theo hướng trường chiếu: suất liều trong phòng chụp sát tường gạch theo hướng của trường chiếu phân bố khoảng 11,18.10-3 – 32.10-2mGy/s (vùng E) và xuyên sâu gần 5cm trong gạch ở lớp tường thứ nhất. Sau đó suất liều giảm xuống 5,59.10-4 – 11,18.10-3mGy/s (vùng D) và khi tiến đến sát lớp chì thì suất liều giảm xuống vùng C(1,865.10-4 – 5,59.10-4mGy/s). Khi đi qua lớp chì dày 1,5mm thì vùng C (1,865.10-4 – 5,59.10-4mGy/s) đâm xuyên khoảng 2cm nữa trong lớp gạch (brick) thứ hai, sau đó suất liều giảm xuống vùng B (5,56.10-8 – 1,865.10-4). Vùng B đâm xuyên 1,5cm trong lớp bê tông thứ 2 sau đó suất liều trở về 0mGy/s trong tường
46
gạch chính vì vậy không có sự rò rỉ các tia bức xạ tại tường bên ngoài theo hướng trường chiếu an toàn cho người dân.
Các hướng còn lại: suất liều trong phòng chụp sát tường 5,56.10-8
– 1,865.10-4 mGy/s (vùng B) và giảm xuống 0mGy/s khi đi qua lớp chì vì vậy không ảnh hưởng tới người bên ngoài phòng. Ngoài ra khu vực sau máy là vùng B suất liều vào khoảng 5,56.10-8 – 1,865.10-4 mGy/s đảm bảo an toàn cho nhân viên kĩ thuật.
Trường hợp 5: Tường bao gồm chì dày 1,5mm và gạch dày 20cm được chia làm 3 lớp: lớp gạch thứ nhất dày 10cm, kế đến là lớp chì dày 1,5mm và cuối cùng là lớp gạch dày 10cm
Hình 3.10: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp 20cm gạch Hình trên cho ta thấy phân bố suất liều bên trong và bên ngoài phòng khi tường được xây dựng bằng chì dày 1,5mm kết hợp gạch bề dày 20cm.
Theo hướng trường chiếu: suất liều trong phòng chụp sát tường gạch theo hướng của trường chiếu phân bố khoảng 11,18.10-3 – 32.10-2mGy/s (vùng E) và xuyên sâu khoảng 5cm trong gạch sau đó suất liều giảm xuống vùng D (5,59.10-4 – 11,18.10-3mGy/s). Vùng D xuyên sâu khoảng 5cm nữa trong gạch rồi giảm xuống vùng C (1,865.10-4 – 5,59.10-4mGy/s) khi tiến đến sát lớp chì. Khi đi qua lớp chì
47
dày 1,5mm thì suất liều vùng C còn xuyên sâu khoảng 1cm sau đó suất liều trở về vùng B (5,56.10-8 – 1,865.10-4) và giảm xuống 0mGy/s trong lớp gạch thứ hai chính vì vậy không có sự rò rỉ các tia bức xạ tại tường bên ngoài theo hướng trường chiếu an toàn cho người dân.
Các hướng còn lại: suất liều trong phòng chụp sát tường 5,56.10-8
– 1,865.10-4 mGy/s (vùng B) và giảm xuống 0mGy/s khi đi qua lớp chì vì vậy không ảnh hưởng tới người bên ngoài phòng. Ngoài ra khu vực sau máy là vùng B suất liều vào khoảng 5,56.10-8 – 1,865.10-4 mGy/s đảm bảo an toàn cho nhân viên kĩ thuật.
Kết luận: Dựa vào những kết quả thu được từ những trường hợp trên ta lập
bảng so sánh các giá trị tính toán của từng vùng trong năm trường hợp trên.
Bảng 3.5: So sánh độ xuyên sâu của các vùng suất liều trong các trường hợp được
khảo sát theo hướng trường chiếu
Vùng Trường hợp 1 Trường hợp 2 Trường hợp 3 Trường