Sự tƣơng tác của neutron với vật chất chủ yếu là tƣơng tác với hạt nhân nguyên tử. Khi neutron va chạm với hạt nhân thƣờng xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và phản ứng hạt nhân.
Để xem xét sự tƣơng tác của neutron với vật chất, ngƣời ta chia các neutron theo năng lƣợng của chúng, thành các neutron nhiệt (năng lƣợng neutron En từ 0 đến 0,5 eV), các neutron trên nhiệt (En từ 0,5 eV đến 10 keV), các neutron nhanh (En từ 10 keV đến 10MeV) và các neutron rất nhanh (En lớn hơn 10 MeV). Tƣơng tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lƣợng của nó.
24
Tất cả các neutron sinh ra đều là neutron nhanh. Các neutron nhanh mất năng lƣợng khi va chạm đàn hồi với các hạt nhân môi trƣờng trở thành neutron nhiệt hoặc trên nhiệt và cuối cùng bị hấp thụ trong môi trƣờng. Có nhiều loại phản ứng của neutron với vật chất nhƣng từ quan điểm an toàn bức xạ các tƣơng tác chính của neutron đƣợc quan tâm là quá trình tán xạ đàn hồi và quá trình neutron sinh ra các photon hay các hạt khác.
Khi chùm hẹp các hạt neutron đi qua môi trƣờng cũng giống nhƣ tia gamma, cƣờng độ chùm tia cũng giảm đi theo hàm số mũ. Ở đây, thay cho việc sử dụng hệ số hấp thụ tuyến tính hay hệ số hấp thụ khối ngƣời ta dùng tiết diện vĩ mô:
N
, (2.19) trong đó: là tiết diện hấp thụ của môi trƣờng,
N là số các hạt nhân hấp thụ của môi trƣờng trong 1 cm3.
Khi đó cƣờng độ chùm neutron I sau bản hấp thụ dày t liên hệ với cƣờng độ chùm neutron I0 trƣớc bản hấp thụ nhƣ sau: Nt t e I e I I 0 0 . (2.20) 2.4.2. Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi
Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi neuton tƣơng tác với hạt nhân môi trƣờng có số nguyên tử bé. Do tán xạ đàn hồi, năng lƣợng neutron giảm dần khi đi qua môi trƣờng, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trƣờng nhƣ vậy gọi là chất làm chậm.
Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trƣờng giống nhƣ sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lƣợng bằng động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lƣợng A. Sau tán xạ neutron có năng lƣợng E. Do quy luật bảo toàn động năng và
động lƣợng của quá trình tán xạ đàn hồi, ta có:
E E E
25 trong đó: 2 1 1 A A . (2.22) Theo công thức (2.21): E
E khi neutron tán xạ về phía trƣớc,
E
E khi neutron tán xạ giật lùi về phía sau, tức là va chạm trán.
Theo công thức (2.22) trong va chạm với hạt nhân hydrogen thì 0, do đó theo công thức (2.21) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hydrogen khi va chạm trán. Tuy nhiên, đối với hạt nhân nặng hơn, do
0
nên neutron không thể truyền toàn bộ động năng của mình trong một va chạm. Chẳng hạn, đối với tán xạ đàn hồi giữa neutron và hạt nhân oxygen thì
778 , 0
, do đó phần động năng của neutron đƣợc truyền cho hạt nhân oxygen trong một va chạm trán là: 222 , 0 778 , 0 1 1 E E E , tức là 22,2%.
Nhƣ vậy hạt nhân khối lƣợng bé làm chậm neutron có hiệu quả hơn hạt nhân có khối lƣợng lớn.
2.4.2.1. Tham số va chạm
Để biểu thị độ mất năng lƣợng khi neutron va chạm đàn hồi, ngƣời ta dùng tham số va chạm hay độ mất năng lƣợng logarit trung bình:
E E
ln (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
, (2.23) trong đó dấu gạch ngang kí hiệu việc lấy trung bình theo các neutron tham gia tán xạ và theo các góc tán xạ. Thực hiện phép lấy trung bình ta đƣợc:
1 ln 1 . (2.24) Trong trƣờng hợp môi trƣờng làm chậm chứa neutron loại hạt nhân và mỗi loại có tiết diện tán xạ vi mô là si và tham số va chạm i thì giá trị trung bình của tham số va chạm của môi trƣờng là:
26 n i i si n i i i si N N 1 1 . (2.25) Do E E ln , nên e E E
, hay phần năng lƣợng trung bình của neutron vào đƣợc truyền cho hạt nhân bia trong một va chạm là:
e E E f 1 1 . (2.26) Theo công thức (2.26), đối với hydrogen thì =1 nên phần năng lƣợng trung bình của neutron nhanh truyền cho hạt nhân hydrogen trong một va chạm là f = 63%, còn đối với cacbon thì = 0,159 nên f = 14,7%.
2.4.2.2. Số va chạm S
Số va chạm cần thiết để làm chậm neutron năng lƣợng từ E1 đến năng lƣợng E2 là: 2 1 2 1, 1ln E E E E S . (2.27) Nhƣ vậy số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh có năng lƣợng E0 = 2 MeV đến neutron nhiệt có năng lƣợng ET = 0,025 eV là:
0, 12,8
T
T S E E
S . (2.28) Từ bảng (2.1) dẫn ra các giá trị và ET đối với một số chất làm chậm.
Bảng 2.1: Các thông số đối với một số chất làm chậm Chất làm chậm Mật độ γ (g/cm3) N 10 24 /cm3 ST H2O 1 0,0335 0,948 18,2 D2O 1,1 0,0331 0,570 31,8 Be 1,85 0,1236 0,209 86 C 1,6 0,0803 0,158 114
27
Từ các biểu thức (2.22), (2.24), (2.27), (2.28) và bảng (2.1) thấy rằng khi số khối lƣợng của các hạt nhân tăng thì giảm và do đó số va chạm cần thiết để chuyển từ neutron nhanh đến neutron nhiệt tăng. Điều này cho thấy rằng các hạt nhân nhẹ có tác dụng làm chậm tốt hơn các hạt nhân nặng.
2.4.2.3. Hấp thụ neutron
Trong quá trình neutron nhanh làm chậm thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt trong môi trƣờng, xác suất hấp thụ chúng tăng dần. Tiết diện hấp thụ của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lƣợng nhiệt tuân theo quy luật một trên v nhƣ sau:
E 1 v 1 . (2.29) Chẳng hạn đối với B10, quy luật này đúng trong miền năng lƣợng từ 0,001 eV đến 1000 eV. Tiết diện neutron có giá trị cao nhất T tại năng lƣợng nhiệt ET
= 0,025 eV. Khi đó quy luật (2.29) có thể viết thành: V VT T E ET T . (2.30) Các phản ứng hấp thụ neutron nhiệt đƣợc quan tâm trong an toàn bức xạ nhƣ H1(n,γ)H2
với T 0,33 barns; N14(n,p)C14 với T 1,70 barns; B10(n,)Li7 với T 4,01.103 barns và Cd113(n,γ)Cd114
với T 2,1.104 barns. Các phản ứng H1(n,γ)H2
và N14(n,p)C14 đƣợc quan tâm trong an toàn bức xạ do H và N là các nguyên tố chủ yếu trong mô hình sinh học, còn các phản ứng B10(n,)Li7 và Cd113(n,γ)Cd114
đƣợc quan tâm khi che chắn neutron. Thông thƣờng khi che chắn neutron nhanh ngƣời ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với nhau, vật liệu nhẹ nhƣ nƣớc, pharaphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh neutrron nhiệt nhƣ Bo10 hay Cd113 để hấp thụ neutron nhiệt.
28
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC NGUỒN BỨC XẠ
Các nguồn bức xạ đƣợc ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, y tế, địa chất, nông nghiệp, giao thông, xây dựng,…Ở đây trình bày một cách tóm lƣợc các ứng dụng trong y tế, công nghiệp và một vài ngành khác.
Bảng 3.1 dƣới đây chỉ ra các mức liều khác nhau đối với các ứng dụng chủ yếu của bức xạ.
Bảng 3.1: Các ứng dụng chủ yếu của bức xạ và các dải liều tƣơng ứng
Ứng dụng Dải liều áp dụng
Y tế - chẩn đoán 10 – 100 mGy
Y tế - điều trị 1 – 10 Gy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công nghiệp - thực phẩm và nông nghiệp 0,1 – 10 KGy, hoặc cao hơn
Công nghiệp – khử trùng 10 – 30 kGy
Công nghiệp – biến tính vật liệu 50 -100 kGy, hoặc cao hơn
3.1. Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong y tế
Việc ứng dụng kĩ thuật hạt nhân vào y học trên thế giới đã có từ hơn 60 năm, ngày nay y học hạt nhân đã trở thành một bộ phận quan trọng của nền y học khoa học kĩ thuật. Trong lĩnh vực y tế hiện nay đang sử dụng khá phổ biến các nguồn bức xạ để phục vụ chẩn đoán, điều trị bệnh (đặc biệt là điều trị ung thƣ) nhƣ máy phát tia X, các nguồn phóng xạ kín và hở.
Nguồn kín là các máy có sử dụng đồng vị phóng xạ nhƣ máy xạ trị cobatl, máy gia tốc điện tử tuyến tính tạo chùm electron hay tia X với năng lƣợng 4 – 25 MeV, dao phẫu thuật bằng tia gamma…
Nguồn hở là các chất phóng xạ đƣợc đƣa trực tiếp vào trong cơ thể qua đƣờng tiêu hóa hoặc tiêm để chẩn đoán và chữa trị bệnh (hay còn gọi là phƣơng pháp điều trị chiếu trong) bằng cách tiêm hoặc uống. Các nguồn này thƣờng phát ra năng lƣợng bức xạ beta.
29
Tuy nhiên đây cũng là “con dao hai lƣỡi” bởi nếu không đƣợc đầu tƣ trang thiết bị đủ điều kiện an toàn và kiểm soát chặt chẽ thì đây lại là một tác hại rất nguy hiểm đối với nhân viên y tế, ngƣời bệnh và môi trƣờng.
Các ứng dụng chính của các nguồn bức xạ trong y tế là: xạ hình để chuẩn đoán, xạ trị bằng chùm tia, xạ trị bằng nguồn áp sát và dùng dƣợc chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh.
3.1.1. Xạ hình để chuẩn đoán
Nguyên tắc xạ hình để chuẩn đoán dựa trên hiệu ứng hấp thụ của chùm tia X và tia gamma khi đi qua cơ thể. Chiếu chùm tia X hay tia gamma qua bộ phận cơ thể và phía đối diện đặt phim hoặc màn huỳnh quang, hoặc qua bộ phận tăng hình ra hệ ti vi và dùng video ghi lại. Phƣơng pháp chuẩn đoán bằng X-quang đƣợc sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện cũng nhƣ phòng khám X-quang tƣ nhân.
Trong chiếu xạ nhân tạo thì chiếu xạ y học là nguồn chủ yếu. trong đó, liều lƣợng đóng góp chủ yếu là do chuẩn đoán bằng X-quang.
30
Bảng 3.2. Liều lƣợng do chiếu xạ y học
Nguồn gốc mSv/năm
X-quang và chuẩn đoán 0,60
X-quang và phóng xạ điều trị 0.03
Chuẩn đoán y học hạt nhân 0,002
Điều trị y học hạt nhân < 1
Có hai phƣơng pháp chẩn đoán là chụp hình và soi hình
Chụp hình: Chùm tia có cƣờng độ tƣơng đối mạnh, chiếu nhanh trong thời gian ngắn (tia X quang), tạo hình trên phim âm bản giúp cho việc chẩn đoán bệnh.
Soi hình: Chùm tia tƣơng đối yếu, chiếu liên tục (máy phát tia X, nguồn phóng xạ), tạo hình trên màn huỳnh quang hoặc qua hệ tăng hình ra hệ ti vi và video ghi lại.
31
Các nguồn bức xạ thƣờng dùng là máy phát tia X có cao thế định cỡ 30-130 kVp hoặc nguồn phóng xạ I-125 có hoạt độ 4-20 GBq hay 100-500 mCi.
3.1.2. Xạ trị bằng chùm tia
Chiếu chùm tia gamma hoặc tia X tập trung vào khối u để diệt khối u. Phƣơng pháp này làm khối u bị diệt, song các mô lành cũng bị tổn thƣơng. Để giảm thiểu sự tổn thƣơng các mô lành ngƣời ta dùng kĩ thuật đa chùm tia, tức là nhiều chùm tia hội tụ từ nhiều phía khác nhau vào khối u (dao cắt gamma).
32
3.1.3. Xạ trị bằng nguồn áp sát
Nguồn phóng xạ đặt trực tiếp vào bề mặt hoặc bên trrong khối u để tiêu diệt khối u. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng để chữa trị các ung thƣ trên da và các mô, hốc mà kĩ thuật chùm tia không thích hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.4. Dùng dƣợc chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh
Y học hạt nhân là một chuyên ngành sử dụng các đồng vị phóng xạ hay dƣợc chất phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh. Bình thƣờng các phân tử hoạt chất trong cơ thể có độ phóng xạ rất thấp. Do đó, để có thể tạo ra đƣợc nguồn phóng xạ bên trong cơ thể, ta phải đƣa vào một lƣợng chất phóng xạ đƣợc gọi là dƣợc chất phóng xạ hay chính là đồng vị phóng xạ. Các chất phóng xạ này khi vào cơ thể theo đƣờng tuần hoàn sẽ đến từng cơ quan, tế bào ngƣời bệnh dƣới dạng lỏng, khí, dịch,...Với những loại bệnh cụ thể ngƣời ta sẽ lựa chọn một loại đồng vị phóng xạ hay dƣợc chất phóng xạ thích hợp để có thể tập trung chính xác vào nơi bị bệnh, tổn thƣơng … Vì vậy các bác sĩ, kĩ thuật viên có thể chẩn đoán sớm, chính xác bệnh lí ở một cơ quan cụ thể trong cơ thể, cũng nhƣ điều trị tập trung một tổ chức, một mô bệnh lí nào đó mà ít ảnh hƣởng tới tổ chức chung quanh. Đây là một trong những phƣơng pháp điều trị chọn lọc, điều trị đích nên kết quả cao và an toàn. Các tia bức xạ này có quãng chạy, khả năng đâm xuyên trong tổ chức rất ngắn nên các tế bào ác tính cũng nhƣ tế bào bệnh sẽ bị tiêu diệt một cách chọn lọc, ít ảnh hƣởng tới các cơ quan chung quanh. Phƣơng pháp này rất hiệu quả trong việc điều trị ung thƣ. Những phần chất phóng xạ không đƣợc hấp thụ hết sẽ đƣợc đào thải ra khỏi cơ thể qua đƣờng nƣớc tiểu và phân.
33
Bảng 3.3. Một số đồng vị phóng xạ sử dụng trong y tế
Đồng vị phóng xạ Phát ra bức xạ Ứng dụng
Bi-213 Alpha Điều trị ung thƣ
Co-60 Gamma Xạ trị ngoài, khử trùng
Ho-166, Cu-64 Chẩn đoán, điều trị
I-125 Chẩn đoán
Ỉ-192, Pd-103 Xạ trị trong
Fe-59 Chẩn đoán
Lu-177, I-131 Gamma Chụp ảnh
P-32 , Y-90 Beta Xạ trị
Re-186, Sm-153, Sr-89 Beta, gamma yếu Giảm đau
3.2. Các ứng dụng của nguồn bức xạ trong công nghiệp
Công nghệ kĩ thuật ngày càng phát triển cùng với đó là những ứng dụng của kĩ thuật hạt nhân trong công nghiệp ngày càng đa dạng và phổ biến.
3.2.1. Xạ hình công nghiệp
Xạ hình công nghiệp gồm các kĩ thuật chụp ảnh phóng xạ và chụp ảnh X-quang. Các phƣơng pháp này đều dựa trên nguyên tắc hấp thụ tia bức xạ khi đi qua các đối tƣợng đƣợc kiểm tra. Chiếu chùm tia X hay tia gamma vào vật thử. Đặt vật thử vào một hộp kín đựng phim nhạy X-quang, phim này đƣợc kẹp giữa hai tấm chì mỏng có tác dụng tăng độ đậm của hình ảnh. Phim sau khi chụp đƣợc hiện và đọc nhờ máy đo độ đen. Từ đó biết đƣợc các khuuyết tật và vật lạ trong vật thử.
34
Phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ hay tia X đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm tra chất lƣợng mối hàn, chất lƣợng vật đúc và các sản phẩm kim loại. Kĩ thuật này còn đƣợc dùng để chụp ảnh các cấu kiện bê tông cốt thép nhằm xác định kích thƣớc và mạng phân bố các cốt thép trong cấu kiện bê tông.
3.2.2. Máy đo độ dày sản phẩm
Máy đo độ dày sản phẩm dựa vào hiệu ứng hấp thụ phản xạ của chùm tia bức xạ đi qua vật thử. Khi đi qua vật liệu, các tia bức xạ càng bị yếu nếu vật liệu càng dày. Cho nên ngƣời ta dùng tia gamma để đo bề dày của các vật liệu nhƣ giấy, kim loại , nhựa… Trong các máy đo độ dày, thay vì việc dùng phim nhạy X-quang, ngƣời ta dùng detector bức xạ đặt ngay sau vật thử. Các detector thƣờng dùng là các buồng ion hóa, detector Geiger-Muller hay detector nhấp nháy. Khi có bức xạ đi qua vùng hoạt động của detector thì detector sẽ cho ra tín hiệu. Một hệ điện tử xử lí các tín hiệu này và đƣa vào máy đếm hay máy tự ghi.
Việc sử dụng tia bức xạ để đo bề dày vật liệu ƣu việt ở chỗ không cần cắt các vật liệu đó ra. Các tia beta có thể dùng để đo bề dày của lá thép cỡ 0,2 cm, còn tia gamma có thể dùng để xác định độ dày của lá thép tới 10 cm.
35
3.2.3. Máy đo mật độ vật chất và nồng độ dung dịch