Xác định đặc trưng của bức xạ photon và electron phát ra từ máy gia tốc electron và ứng dụng trong nghiên cứu quang hạt nhân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
ĐỂ TÀI
XÁC ĐỊNH ĐẶC TRUNG CỦA BỨC XẠ PHOTON
• • •
VÀ ELECTRON PHÁT RA TỪ MÁY GIA Tốc ELECTRON
VÀ ÚNG DỤNG TRONG NGHIÊN cứ u QUANG HẠT NHÂN
MÃ SỐ: QG 09 - 06
Chủ trì đề tài: PGS. TS. Bùi Văn Loát
Hà Nội, 2011
MỤC LỤC
Mở đáu 12
Chương 1: Đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc

14
1.1. Đặc trưng tương tác của chùm electron với vật chất 14
1.2. Máy gia tốc electron dùng trong xạ trị
20
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm electron và photon
từ máy gia tốc electron primus-siemens 27
2.1. Xác định phân bố liều của chùm electron và chùm photon từ máy gia tốc electron
primus-siemens 27
2.2. Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tới bia và tới trục của trục tia

30
2.3. Xác định đặc trưng của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc electron primus-
siemens của Bệnh viện K Hà Nội 34
2.4. Xác định các thông số đặc trưng của chùm bức x ạ 39
2.5. Xác định liều hấp thụ bằng vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF: Mg, Cu. p

45

Chương 3: Phản ứng quang hạt nhân 49
3.1. Cơ chế của phản ứng quang hạt nhân 49
3.2. Trạng thái đổng phân và tỷ sô đồng phân của phản ứng quang hạt nhân

52
Các kết quả chính của đề tài 66
Kết luận 69
Tài liệu tham khảo 70
Các phụ lục 71
Các minh chứng (danh sách khoá luận tốt nghiệp, luận văn thạc sĩ và các công
trình liên quan đến đề tài)
Scientific Project
Đề cương đăng ký đề tài
Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu
MỞ ĐẦƯ
Với việc xuất hiện máy gia tốc electron năng lượng ngày càng lớn, đã cho
phép tạo ra chùm photon và nơtron có năng lượng và thông lượng cao. Bằng cách
chọn thế gia tốc chùm electron thích hợp có thể tạo ra chùm electron, chùm photon
hoặc chùm nơtron có năng lượng phù họp với từng bài toán cụ thể. Chùm photon và
nơtron được sinh ra từ máy gia tốc electron ngày càng có nhiều ứng dụng trong
nghiên cứu khoa học cũng như nghiên cứu ứng dụng [1,2,3,4,5].
Bức xạ photon được phát ra từ máy gia tốc electron là kết quả tương tác của
chùm electron với bia kim loại nặng như W,Ta. Còn nơtron được phát ra từ máy gia
tốc là bức xạ thứ cấp được sinh ra chủ yếu từ phản ứng quang hạt nhân (y,xn) và phản
ứng phân hoạch được gây bởi chùm photon năng lượng cao. Các đặc trưng năng
lượng và phân bố theo góc của chùm photon và nơtron phụ thuộc vào hình dạng và
kích thước của bia, cũng như cấu tạo lối ra của máy gia tốc. Đe khai thác có hiệu quả
chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc cần phải nắm rõ cơ chế sinh ra và các thông số vật
lý của chùm bức xạ được sử dụng.
Trong khuổn khổ của Đề tài Đặc biệt cấp Đại học Quốc gia Hà Nội, mã số

QG -07-06 có tên gọi “Nghiên cứu một sổ đặc trưng của cơ chế sinh bức xạ hãm và
nơtron trên máy gia tốc electron và một số ứng dụng ” đã xác định đặc trưng phân bố
phổ năng lượng và phân bổ theo góc của chùm photon và nơtron được sinh ra trong
bia mỏng được sử dụng trong các nghiên cứu quang hạt nhân. Đề tài cũng đã tiến
hành xác định bằng thực nghiệm tiết diện của một sổ phản ứng quang hạt nhân.
Tuy nhiên hình dạng bia, cấu tạo đầu ra của máy gia tốc electron dùng trong
xạ trị hoàn toàn khác so với bia và đầu ra máy gia tốc phục vụ cho mục đích nghiên
cứu khoa học. Yêu cầu của chùm bức xạ photon và electron dùng trong xạ trị phải có
độ đồng đều cao trong vùng khối u và liều phải giảm nhanh khi ra ngoài biên. Đề tài
QG 09-06 có tên gọi “Xác định đặc trưng của bức xạ photon và electron phát ra từ
máy gia tốc electron và ứng dụng trong nghiên cứu quang hạt nhân'’ có thể coi là tiếp
nối của Đề tài QG 07-06. Đối tượng chính của Đề tài là máy gia tốc electron Siemens-
Primus dùng trong xạ trị. Việc thực hiện thành công Đề tài ngoài ý nehĩa khoa học và
12
đào tạo. Những số liệu thực nghiệm thu được sẽ trang bị cho sinh viên kiến thức cơ
bản và thực tế về lĩnh vực đo liều và đánh giá phẩm chất của chùm bức xạ phát ra từ
máy gia tốc dùng trong xạ trị. Ngoài phần mở đầu kết luận Bản báo cáo tổng kết Đe
tài được chia thành 3 chương.:
Chương 1. Đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc.
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm electron và
photon từ máy gia tốc electron Primus- Siemens.
Chương 3. Phản ứng hạt nhân .
Phần thực nghiệm của đề tài được thực hiện tại Bộ môn Vật lý hạt nhân trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, tại Bệnh viện K và Viện Khảo cổ học. Một phần số liệu
thực nghiệm liên quan tới phản ứng quang hạt nhân được TS. Phạm Đức Khuê thực
hiện tại Trung tâm máy gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Phần thực nghiệm đo phổ gamma
của nhiên liệu hạt nhân do CN. Nguyễn Văn Quân thực hiện tại Viện đồng vị phóng
xạ thuộc Viện Hàn lâm Hung-ga- ri (Viên KFKI).
Đe tài xin chân thành cám ơn Ban giám đốc Bệnh viện K Hà Nôi, Ban giám đốc
Viện Khảo cổ học, Viện Khoa học và Xã hội Việt Nam đã giúp đỡ tạo điều kiện cho

Đề tài thực hiện phần thực nghiệm đã đề ra.
Chủ nhiệm Đe tài xin trân trọng cám ơn Ban Khoa học và Công nghệ
ĐHQGHN, Phòng Khoa học Công nghệ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQGHN và Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để Đề tài
thực hiện tốt nhiệm vụ đã đang ký
13
CHƯƠNG 1. ĐẶC TRƯNG c ơ BẢN CỦA CHÙM BỨC XẠ PHÁT RA TỪ
MÁY GIA TÓC
1.1. Đặc điểm tương tác của chùm electron với vật chất
1.1.1. Cơ chế mát mát năng lượng của chùm electron
Khi chùm electron đi trong môi trường chúng tương tác với các
nguyên tử của môi trường và m ất dần năng lượng của m ình do hai quá
trình chủ yếu là iôn hóa do va chạm và ph át bức xạ hãm. Sự m ất m át
năng lượng của nó do va chạm là kết quả tán xạ không đàn hồi với electron
nguyên tử của môi trường. Khác với hạt nặng tích điện, bức xạ bêta có khối
lượng bằng khối lượng của electron, do đó sau mỗi lần tương tác với
electron của nguyên tử môi trường, electron có thể m ất ph ần lớn năng
lượng của mình. Ngoài ra góc tán xạ biến đổi từ 0° đến 180°. Đường đi của
electron trong môi trường là đường zic-zắc. T rên đường đi năng lượng của
electron giảm dần, nên vận tốc của Ĩ1Ó cunã giảm dần. Electron chuyển
động có gia tốc. Chùm electron chuyển động có gia tốc trong trường
Coulomb của h ạ t n h â n và trường Coulomb của electron. Theo điện động
lực học cổ điển chùm electron phát bức xạ hãm . Xác suất phát bức xạ h ãm
càng lớn khi khôi lượng của h ạt càng nhỏ, năng lượng càng lớn và nguyên
tử sô" của môi trường càng tăng. Độ m ất m át năng lượng riêng do phát bức
xạ trên một đơn vị đường đi của chùm electron được xác định theo [6] công
thức sau:
f dE^
V dx y
r d E

N
dx J Ct
í
'o ul \
CỈE
dx
(1.1)
ro d
;rong đó
JE
dx
dE '
dx
( out
dx
tương ứng là độ m ất m át năng lượng tổng
14
cộng, độ m ất m át năng lượng do iôn hóa và do p h át bức xạ hãm tính trên
một đơn vị đường đi.
Tùy theo năng lượng của electron và nguyên tử sô" của môi trường
các quá trình m ất m át n ăn g lượng do iôn hóa hoặc do phát bức xạ hãm th ể
hiện với mức độ khác nhau. Trên H ình 1.1 đưa ra đồ thị [1,4] mô tả sự phụ
thuộc vào năng lượng của độ m ất m át năng lượng trên một đơn vị chiều
dài đổi với volfram.
H ình 1.1 Độ m ất m át năng lượng riêng của electron trong volfram
L.1.2. S ư m â t m á t n ă n g lư ơ n g củ a chùm bức xạ bêta (electron) d o iôn
hóa
Khi đi trong môi trường, do tương tác Coulomb với các electron của
Ìguyên tử môi trường, hạt electron truyền năng lượng của m ình cho các
ỉlectrôn. N ếu electron nhận được năng lượng lớn hơn th ế năng iôn hóa, nó

ìẽ bay ra khỏi nguyên tử, kết quả m ột cặp iôn- electron được tạo thành.
''Iguyên tử bị iôn hóa. Ngược lại nếu năng lượng m à electron nhận được
ìhỏ hơn the năng iôn hóa của nguyên tử, electron nhảy lên mức năn g
ượng cao hơn. Quá trình này được gọi sự kích thích nguyên tử môi trường.
15
Sau mỗi lần tán xạ không đàn hồi của electron- electron, nó có thể
m ất một phần đáng kể năng lượng của mình. Do khối lượng của bêta bằng
khối lượng của electron, nên sau mỗi lần va chạm , xác suấ t để bức xạ bêta
m ất một nửa năng lượng của m ình là lớn nhất. Độ m ất m át năng lượng
của bức xạ bêta trên một đơn vị đường đi được [6] xác định theo công thức
Bethe-Bloch:
dE
dx
2 2 z 1
= 27Ĩ.N r„m,c p .—.—rr.
■
/ col
A p
2(1 ỉ m e z
(1.2)
trong đó: NA là sô" Avôgađrô; re, me bán kính cổ điển tính ra cm và khối
lượng của electron; z, A là điện tích và sô" khối của môi trường; p là m ật độ
khối của môi trường; P - - với V là vận tốc của h ạ t bêta còn c là vậ n tốc án h
c
sáng; k là động năng của h ạt bêta tính trong đơn vị m ec2, ố,c, là hệ sô" hiệu
chỉnh hiệu ứng m ật độ và hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của động năng.
— -(2/fc + l).ln2
H àm F(k) có dạng như sau: F{k) =1 - B2 + —
-

.
(ỳt + 1)2
Với bức xạ bêta có năng lượng xác định, độ m ất m át năng lượng trên
một đơn vị đưòng đi tỷ lệ th u ậ n với m ật độ của môi trường. Với môi trường
xác định, độ m ất m át năng lượng trên một đơn vị đường đi giảm dần, sau
ỉó đạt giá trị hầu như không đổi.
Khi năng lượng của bức xạ bêta nhỏ, sự m ất m át năng lượng do p hát
rác xạ hãm nhỏ hơn so với độ m ất m át năng lượng do iôn hóa. Tuy nhiên
ĩhi năng lượng của bức xạ bêta tăng, độ m ất m át năng lượng do iôn hóa và
úch thích môi trường giảm dần, còn độ m ất m át năng lượng do phát bức
;ạ hãm tăng dần. Khi năng lượng đủ lớn độ m ất m át năng lượng của bức
:ạ bêta do ph át bức xạ chiếm ưu thế.
16
1.1.3. Đ ô m ấ t m á t n ă n g lư ơ n g c ủ a e le c tr o n d o p h á t b ứ c x a h ã m
Khi chuyển động trong điện trường của h ạt nhân, electron có thể th u
được một gia tốc lón. Gia tốc của h ạt tích điện thu được tỷ lệ với điện tích
của hạt nhân và tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó. Theo điện động lực cổ
điển, khi m ột h ạ t tích điện chuyển động có gia tốc, thì nó sẽ ph át ra bức xạ
điện từ, được gọi là bức xạ hãm. Phổ bức hãm là phổ liên tục, có năng
lượng từ 0 đến năng lượng cực đại bằng năng lượng của hạt tích điện. Độ
m ất m át năng lượng trên một đơn vị đường đi do electron ph á t bức xạ hãm
được xác định theo công thức sau [6]:
= 4NEnZ 2rí2a
ra d
In ^ r - W ( Z )
V mcc 3 ,
(1.3)
trong đó N là sô" nguyên tử trong 1 đơn vị thể tích, E0 là năng lượng của
electron, a =— là hằng sô cấu trúc tinh tế, z là điên tích của h at nhân,
137

me là khối lượng nghỉ của electron.
Độ m ất m át năng lượng do p h át bức xạ hãm tăng theo hàm lôgarit
tự nhiên của năng lượng. Khi năng lượng tăng độ m ất m át năng lượng do
phát bức xạ hãm tăng theo, trong khi đó độ m át m át năn g lượng do iôn hóa
hầu như không đổi. Khi năng lượng của êelectron cỡ vài MeV trở lên, mối
iiên hệ giữa độ m ất m át năng lượng do phát bức xạ hãm và do iôn hóa
được
íác định theo công thức sau:
(dE/dx)rad __ EZ
(,dEldx)ml 800 '
Từ các đồ thị trên Hình 1.2 và các công thức (1.2), công thức (1.3)
ìhận thây rằng: Độ m ất m át năng lượng trên một đơn vị đường đi phụ
huộc vào nguyên tử sô" của chất hấp thụ. Đối với m ột môi trường hấp th ụ
17
DAI HỌC Quỏc GIA HA NOI
rRUNG ĨÁM ’ 'C\'3 TIN THU viif.j
JIQCC c c c a u
cho trước, khi năng lượng nhỏ độ m ất m át năng lượng do iôn và kích thích
môi trường chiếm ưu thế, tại đó, tỷ sô" giữa độ m ất m át năng lượng do ph át
bức xạ hãm và do iôn hóa nhỏ hơn đơn vị. Khi năng lượng tăng, tỷ sô" sô"
này tăng dần, đến giá trị năng lượng của electron đ ạt giá trị năng lượng tới
hạn Ec, khi đó độ m ất m át năng lượng do p h át bức xạ hãm bằng độ m ất
m át năng lượng do iôn hóa. Tại năng lượng tới hạn E =EC ta có:
f dE_
dx
ra d V
r dE_
dx
(1.5)
Năng lượng tới hạn phụ thuộc vào điện tích của h ạ t nhân hay chính

xác phụ thuộc vào nguyên tử sô" của môi trường. Từ biểu thức (1.4) nh ận
thấy rằng: N guyên tử sô" của môi trường càng lón, năng lượng tối h ạn càng
giảm. N ăng lượng tới h ạn được xác định theo công thức sau [1]:
Ec =
800MeV
z + 1,2
(1.6)
Bảng sô 1.1. N ă n g lư ơ n g tớ i h a n c ủ a m ô t số v ậ t liê u [1,6]
V ật liệu
E c (MeV)
V ật liệu
Ec (MeV)
Chì (Pb)
9,51
Không khí
102
Nhôm(Al)
51,0
Polystyrene
109
Sắt (Fe)
27,4
lốt tua n átri
(Nai)
17,4
Đồng (Cu)
24,8
Nước (H?0)
92
18

Trong B ảng 1.1 đưa ra giá trị năng lượng tới h ạn của một số vật
liệu thông dụng.
Khi năn g lượng của electron lốn hơn nhiều năng lượng tới hạn, sự
m ất m át năng lượng của nó chủ yếu do phát bức xạ hãm. Để đặc trư ng cho
khả năng hãm bức xạ bêta của môi trường người ta đưa ra khái niệm chiều
dài bức xạ của môi trường. Chiều dài bức xạ của m ột chất được định nghĩa
là khoảng cách m à năng lượng của electron giảm đi hệ số -= 0,367 do phát
e
bức xạ hãm. Chiều dài bức xạ của một chất phụ thuộc vào nguyên tử sô" và
số khối của nó. Chiều dài bức xạ kí hiệu là X0, được xác định theo công
thức sau:
X 0 =

716.4/1— J = ( g / c m 2) (1.6)
Z(Z + l)ln(287/VZ)
trong đó Z,A lần lượt là nguyên tử số và sô" khối của môi trường.
Đôì vối môi trường phức tạp nhiều thành phần, chiểu dài làm chậm
bức xạ của môi trường được xác định theo chiều dài làm chậm bức xạ của
2ấc nguyên tô" th à n h ph ần theo công thức sau:
— = ĩ<7. — '*— (1.7)
Y ^ Ã Y
A o / = 1 M A t
;rong đó X0 là chiều dài bức xạ của môi trường phức tạp, X! là chiều dài bức
cạ của nguyên tô' th ứ i trong n nguyên tô' của môi trường; còn q„ A, lần lượt
à hàm lượng và số khối của nguyên tô' thứ i; AM số khôi hiệu dụng của môi
rường: ASi = Ỵ j Ar Chiểu dài bức xạ của một số nguyên tố được đưa ra trong
(=1
ỉảng 1.2.
19
Khi đi trong môi trường do tương tác của electron vói vật chất,

năng lượng của nó giảm dần. Khi năng lượng của electron lớn hơn năng
lượng tói hạn, độ m ất m át năng lượng của electron chủ yếu do p h át bức xạ
hãm. Sự thay đổi năng lượng trung bình E như là một hàm của đường đ i X
của electron trong môi trường, được xác định theo công thức sau:
B ảng 1.2. C h iều dài bức xạ củ a m ột số n g u y ên tố [1,6]
Nguyên tô"
z
A
X0(g/cm")
H
1
1,008
61,8
AI
13
26,98
23,9
Ta 73
180,95
6,8
w
74
183,84
6,7
P b
82
207,21
6,2
E=Ea exp(-
-*-)

x0
(1.8)
;rong đó E0, X0 lần lượt là năng lượng ban đầu của bức xạ bêta và chiểu dài
)ức xạ của môi trường , E là năng lượng trun g bình của h ạt bêta sau khi
ti được đoạn đường X.
.2. Máy gia tốc electron dùng trong xạ trị
.2.1.Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron
Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị còn gọi là máy gia tốc Megavolt hay
láy gia tốc electron.
20
Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối
đơn giản trên hình 1.2 [3,8].
Hình 1.2. Các bộ phận chỉnh của một máy gia tốc xạ trị
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron
Ban đầu, các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ catod của súng điện tử bị
lung nóng. Sau đó electron được tăng tổc về phía anod đục lỗ để đi vào ống dẫn sóng
;ia tốc. Ỡ đây, các electron được gia tốc bước đầu bằng trường tĩnh điện. Trước khi đi
'ào ống dẫn sóng, các electron được điều chế thành xung rồi được phun vào ống dẫn
óng.
Trong ống dẫn sóng, các electron được gia tốc bằng sóng cao tần. Năng lượng
ruyền cho electron lấy từ bức xạ vi sóng. Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng các xung
găn. Bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng - đó là các “van”
ìagnetron hoặc klystron. Klystron thường được dùng với các máy gia tốc năng lượng
ao với mức năng lượng đỉnh là 5 MV hoặc hơn nữa để gia tốc điện tử. Các electron
ược phun vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng
5 thể được gia tốc. Hệ thống ống dẫn sóng và sún
2 điện tử được hút chân không cao.
21
sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà không bị va chạm với
các nguyên tử khí.

Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và
không chyển động chính xác dọc theo trục được. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện
tượng này. Đó là lực đẩy Culomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu, do sự
lắp ghép không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm,
do tác động của các điện từ trường ngoài Do đó, chùm electron gia tốc phải được
lái một cách chủ động. Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ
chùm tia theo quỹ đạo thẳng. Sau đó là các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực
lên các electron để dẫn chùm tia đi đủng hướng theo ống dẫn sóng, từ đó hướng ra
ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng tới bia tạo ra tia X.
Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron, thì chùm tia electron gia tốc
được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ. Sau đó được tán xạ trên các lá
tán xạ hoặc được từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng,
diện tích trường chiếu trong các trường họp điều trị cụ thể. Chùm tia được tạo hình
dạng bằng các bộ lọc phang, nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp. Liều lượng được kiểm
soát bằng các detector.
Còn nếu ở chế độ phát tia X thì chùm electron đã gia tốc được uốn theo một
đường cong thiết kế để đập vào bia. Chùm tia electron có động năng lớn xuyên sâu
vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng
:ao. Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng
lượng của electron, nguyên tử số, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X
3hát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định lượng phù hợp.
Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và
:hế độ phát electron. Do đó về mặt cơ khí được cấu tạo để có thể thay đổi từ chế độ
lày sang chế độ khác một cách linh hoạt. Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử
iụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm photon. Trong quá trình hoạt
lộng, khi hãm các chùm electron, bia tia X bị nóns lên, do đó cần hệ thống làm nguội
)ăng nước.
22
Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế hệ thổng cơ khí chuyển động
linh hoạt như cần máy và giường điều trị. Các hệ thống này đều được kiểm soát an

toàn bằng một chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm
bức xạ với nhau.
1.2.3. Máy gia tốc PRIMUS- SIEMENS dùng trong xạ trị
Trên Hình 1.3 là hình ảnh của máy gia tốc Primus-Siemens đang được sử dụng
điều trị ung thư.Đây cũng là máy gia tốc hiện đang được sử dụng điều trị ung thư tại
bệnh viện K- Hà Nội và ở một số cơ sở điều trị khác tại Việt Nam [3].
Máy gia tốc Primus cung cấp hai nguồn bức xạ để điều trị:
Chùm electron trực tiếp với các mức năng lượng khác nhau: 6, 9, 12 và 15
MeV. Bức xạ này tuy không có khả năng xuyên sâu nhưng có hệ số truyền năng
lượng LET (linear energy transfer) cao hơn nhiều lần so với photon. Vì vậy nó có hiệu
quả điều trị rất cao với các tổn thương nông. Các mức năng lượng dùng để điều trị
khối u ở sát bề mặt với độ nông sâu khác nhau như ung thư da và ung thư vú.
Chùm photon với hai mức năng lượng 6MeV và 15 MeV dùng để điều trị
khối u ở độ nông sâu khác nhau như u vùng tai mũi họng, vùng cổ, u phổi, u trung
thất, các khối u vùng bụng và tiết niệu, khối u xương, não, đầu, cổ, ngực, phổi, hạch
bạch huyết, tuyến tụy, xương chậu và các bệnh trẻ em.
Các mức năng lượng này cho phép điều trị hiệu quả ung thư ở khắp nơi trong
:ơ thể: trong não, đầu mặt cổ, phổi, các tạng trong ổ bụng, hạch bạch huyết Khi máy
7 chế độ phát phát tia gamma, chùm electron sau khi được gia tốc được đưa đến đập
/ào bia, tạo ra chùm tia X đi ra từ cửa sổ trong đầu máy điều trị. Tuy nhiên, chùm tia
ỉược lấy ra để điều trị không phải là chùm tia sơ cấp này mà là chùm tia sau khi đã đi
23
Hình 1.3. Máy gia tốc xạ trị Primus-Siemens
một hệ thống các collimator che chắn, lọc, nêm. Trong đó, lọc và nêm là các bộ phận
dùng để lọc phẳng chùm tia, collimator sơ cấp để hạn chế kích thước trường cực đại
của chùm tia X, collimator thứ cấp để định dạng trường chiếu [3,8] của chùm tia. Trên
hình 1.4. đưa ra sơ đồ cấu tạo lối ra của máy gia tốc dùng trong xạ trị để thu được
chùm photon có trường chiếu khác nhau.
Năng lượng của chùm tia đi ra từ cửa sổ của đầu điều trị được tập trung chủ yếu
trong trường chiếu đã xác định do sự định dạng của collimator thứ cấp. Các loại máy

gia tốc xạ trị hiện đại thường dùng loại collimator đa lá có thể định dạng trường chiếu
rất chi tiết.
Máy gia tốc tuyến tính Primus của hãng SIEMENS đáp ứng được các yêu cầu
của xạ trị chiếu ngoài hiện đại [3,8].
24
Bia tia X L
Collimator
thứ cấp
Chùm
electron
V
I
Collimator sơ
cấp
\ Bộ lọc phẳng
Buồng ion
hóa
V V
' Chùm tia X đi
^ ra điều tri
Hình ỉ. 4. Sơ đồ hệ thống collimator và lọc phẳng chùm tia X
trong đầu điều trị của máy gia tốc xạ trị Primus
Chùm tia phát ra từ máy Primus được xác định rõ về năng lượng, liều lượng ổn
định trong suốt thời gian sử dụng. Liều đồng đều bên trong chùm tia và được đo đạc
chính xác. Hướng đi và cường độ của chùm tia, vị trí và kích thước trường chiếu được
kiểm soát và điều chinh dễ dàng. Thân máy có thể chuyển động quanh giường bệnh
nhân, giúp dễ dàng tạo ra các góc chiểu khác nhau.
1.2.3. Đặc điểm của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc electron Primus-Siem em
dùng trong xạ trị
Tùy theo chế độ phát, máy gia tốc electron Primus-Siemens dùng trong xạ trị cho

chùm photon hoặc chùm electron. Bang cách thay đổi thê gia tốc, chùm bức xạ phát ra
từ đầu ra của máy có các mức năng lượng khác nhau. Với chế độ phát chùm photon,
sau khi chùm electron được gia tốc sẽ bắn phá vào bia để sinh bức xạ hãm.
về nguyên
25
ắc chùm bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục từ không đến năng lượng cực đại.
Tuy nhiên các photon có năng lượng thấp cho liều cực đại ngay sát bề mặt da làm ảnh
:ho lớn đến hiệu quả điều trị. Đe nâng cao hiệu quà điều trị cần phải lọc bớt phần bức
cạ photon năng lượng thấp bằng những tấm lọc. Ngoài ra trong điều trị khối u yêu cầu
:hùm bức xạ chiếu vào khối u phải có phân bố liều đồng đều. Các lá lọc, nêm ở đầu
náy gia tốc có chức năng lọc các bức xạ photon năng lượng nhỏ và làm phẳng chùm
)ức xạ. Ngoài ra để ảnh hưởng ít tới các tế bào lành xung quanh khối u, chùm bức xạ
;ần phải hạn chế kích thước của chùm bức xạ. Trong các đầu ra của máy xạ trị đều có
lệ thống collimator. Trong đó collimator sơ cấp để xác định kích thước trường chiếu
:òn collimator thứ cấp có tác dụng định dạng trường chiếu sao cho trường chiếu có
bình dạng như khối u.
Đặc điểm của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc Primus-siemens là phân bố
liều tương đối đồng đều (phang), có kích thước thay đổi. Các đặc trưng của chùm bức
xạ phát ra từ máy gia tốc xạ trị: Độ phẳng, độ đối xứng. Để xác định các đặc trưng của
chùm bức xạ trong thực nghiệm dựa vào các thông số trong đường cong phân bổ liều
theo chiều sâu và theo khoảng cách tới trục của chùm bức xạ
26
:HƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CỦA
:HÙM ELECTRON VÀ PHOTON TỪ MÁY GIA TỐC ELECTRON PRIMƯS-
ỈIEMENS
l.ì. Xác định phân bố liều của chùm electron và chùm photon từ máy gia tốr
ỉlectron Primus- Siemens
>„1.1. Nguyên tắc chung và thiết bị đo liều dùng trong xạ trị
Trong xạ trị, mỗi bệnh nhân có phác đồ điều trị xác định thể hiện qua tổng
liều chiếu, số lần chiếu và liều trong mỗi lần chiếu. Với phác đồ điều trị xác định,

hiệu quả của việc điều trị phụ thuộc vào việc xác định chính xác liều chiếu hay
không. Trước khi xạ trị cần phải chuẩn liều tuyệt đối. Đây là bước quan trọng nhất
của quá trình xạ trị và là công việc phải tiến hành thường xuyên đối với các kỹ sư vật
lý. Bước quan trọng nhất trong việc chuẩn liều tuyệt đối là công việc bắt buộc phải
làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng năm đối với các cơ sở y tế có sử dụng
máy gia tốc trong xạ trị. Công việc này nhằm đảm bảo máy hoạt động đúng, chính
xác, phát ra liều lượng như mong muốn.
Trong mỗi phép đo phân bố, liều chiếu chùm bức xạ photon cũng như electron
đầu tiên là phải xác định chế độ chiếu và liều chiếu tương ứng. Quá trình này được
thực hiện bằng một phần mềm chuyên dụng do hãng Siemens cung cấp[3,8]-
Chế độ chiếu bao gồm loại bức xạ sử dụng là photon hay electron. Sau khi
xác lập loại bức xạ, bước tiếp theo là xác lập năng lượng bức xạ cần sử dụng. Công
việc tiếp theo là chuẩn liều tuyệt đối cần chiếu. Đây là bước quan trọng nhất của quá
trình xạ trị và là công việc phải tiến hành thường xuyên đổi với các kỹ sư vật lý. Bước
quan trọng nhất trong việc chuẩn liều tuyệt đối là công việc bắt buộc phải làm hàng
ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng năm đối với các cơ sở y tế có sử dụng máy gia tốc
tuyến tính trong xạ trị. Công việc này nhằm đảm bảo máy hoạt động đúng, chính xac,
phát ra liều lượng như mong muốn.
Đơn vị MU (Monitor Unit). MU được hiểu là đơn vị phóng xạ mà máy phát ra
đôi với mỗi mức năng lượng khác nhau. MU của một mức năng lượns được quy
chuẩn về liều lượng hấp thụ như sau: 1MƯ tươne ứn2 với liều lượna lcGy(10'2Gy) đo
27
trong phantom nước tại độ sâu liều cực đại (dmax) của mức năng lượng đó với khoảng
cách từ nguồn đến bề mặt là SSD = 100cm và trường chiếu chuẩn 10x10 cm2.
Tỷ số: c = Liều lượng đo được/số MU phát ra được gọi là hệ số chuẩn hóa
(Calibration factor). Liều lượng đo đạc ở đây là tại độ sâu dmax của mức năng lượng
cần chuẩn liều với SSD = 100 và trường chiếu lOxlOcm2.
Việc chuẩn liều tuyệt đối cho một mức năng lượng chính là việc điều chỉnh
máy làm sao để hệ số chuẩn hóa của mức năng lượng đó c = 1. Như vậy nếu máy
phát ra a MU ứng với năng lượng đã cho, có nghĩa liều tại dmax, SSD=100 của trường

chiếu 10x10 cm2 sẽ là a cGy.
2.1.2.XÓC định írực tiếp phân bố liều của chùm bức xạ photon và electron tie mảy
gia tốc Primus Siemens
Đe tài đã xác định phân bố liều do các bức xạ phát ra từ máy gia Primus-
Siemens dùng trong xạ trị tại Bệnh viện K Hà Nội. Khi đo phân bố liều ở đầu ra của
máy gia tốc buồng ion hóa được đặt tại trên giường bệnh. Vị trí tâm của buồng ion
hóa được xác định bằng hệ thống laze định vị 2 chiều với sai số nhỏ hơn 2mm. Trong
các bài toán đánh giá phẩm chất của chùm bức xạ dùng trong xạ trị, theo qui định của
IAEA [7,8,9,10] các thông số đặc trưng của chùm bức xạ được xác định dựa vào
thông số đặc trưng trong đường cong phân bố liều hấp thụ trong phantom nước, môi
trường tương đương mô. Các phép đo cho giá trị liệu tuyệt đổi.
. Thiết bị đo là một Dosimeter kết nổi với đầu đo là buồng ion hóa Farmer
Type chamber FC65 - p.
Trên hình 2.1a là thiết bị đo Dosimeter và trên hình 2.1 b là đầu đo Famer type
:hamber FC65-P được sử dụng.
28
Hình 2. la. Thiết bị đo Dosimeter
Hình 2.1b .Đầu đo Famer type chamber FC65-P
Một sổ thông số kỷ thuật của buồng ion hóa Farmer Type chamber FC65 - p như
sau:
Công dung
+ Đo liều tuyệt đối chùm photon và electron trong xạ trị.
+ Đo trong không khí, chất ran, trong phantom nước.
+ Sử dụng trong việc đo liều thường quy.
Các đăc trung
+ Buồng ion hóa không khí.
+ Có cấu trúc lớp nhựa vừng chắc giúp việc kiểm tra liều hàng ngày.
+ Không thấm nước.
+ Có các lỗ thoát khí qua các lớp không thấm nước.
29

+ Được bảo vệ chắc chắn.
+ Cung cấp cho việc chuẩn máy và có hướng dẫn sử dụng.
Vẳt liêu
+ Điện cực ngoài POM ( 1.42g/cm3).
+ Điện cực trong làm bằng nhôm (2.7g/cm3).
Kích thước vùng hoat
+ Thể tích thông thường 0,65 cm3
4- Tổng chiều dài của vùng hoạt 23,2 mm.
+ Đường kính bên trong của hình trụ 6,2 mm.
+ Độ dày của lớp vỏ 0,4 mm.
Thông số hoat đông
+ Dòng điện dò < 10'15 A.
+ Độ nhạy 21.10'9 C/Gys.
2.2. Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tói bia và tói trục của chùm
2 2.1. Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tới bia
Để khảo sát sự phân bố liều theo khoảng cách tới bia đã tiến hành đo liều hấp
thụ tại các vị trí tương ứng trong điều kiện chế độ phát của máy gia tốc là không đổi.
Đề tài đã xác lập chế độ phát chùm bức xạ photon năng lượng 6MV và chùm electron
6MeV và suất liều hấp thụ tại điểm cách bia lOOcm là 100cGy/5s. Thời g:an đo mỗi
điểm 5s. Buồng ion hóa được đặt cố định trong phantom bằng polystyrence. Kết quả
cho trong phụ lục 1 và Phụ lục 2.
Từ số liệu Phụ lục 1 và Phụ lục 2 tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ
thuộc của liều hấp thụ vào khoảng cách tới trục của chùm bức xạ. Hình 2.2a và Hình
2.2b là dạng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của liêu hâp thụ trona không khí theo khoảng
cách tới bia. Liều hấp thụ được đo trên trục chùm chiếu. Từ các đồ thị nhận thấy sự
suy giảm của liều chiếu tuân theo quy luật giảm theo bình phương khoảng cách tới bia
30
đối với chùm photon 6MV hệ số tương quan R=0,9884, đổi với chùm electron 6
leV hệ số tương quan là R=0,9896.
160

140
Ọ.
o
120
100
80-
60-
\
X
■ B
—I
I 1 ;—
90 100 110
kh oa ng cach toi bia (cm)
120
H'mh2.2a. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc liều hấp thụ trong không khí theo
khoảng cách của chùm photon năng lượng 6 MV
khoang cach toi bia (cm)
31
Hình 2.2b. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc liều hấp thụ trong không khí theo
khoảng cách của chùm electron năng lượng 6MeV
2.2.2. Phăn bố liều hấp thụ ngoài không khỉ theo khoảng cách tới trục chùm
chiếu
Thực nghiệm xác định phân bố liều photon phát ra từ máy gia tốc chính là xác
định phân bố liều hấp thụ trong không khí. Trong thí nghiệm tại mỗi điểm đo chế độ
chiếu và thời gian đo không thay đổi. Buồng ion hóa đặt cố định trên mặt bàn, như
vậy liều đo hấp thụ đo được thực chất là liều hấp thụ ở ngoài không khí. Tiến hành tại
các khoảng cách tính từ bia là 90cm, 100 cm và 110 cm, với kích thước trường chiếu
lớn nhất, tức là không hạn chế trường chiếu. Với mỗi khoảng cách trên, tiến hành đo
liều hấp thụ tại điểm nằm trên cùng mặt phang vuông góc với trục của chùm chiếu.

Khoảng cách từ tâm của buồng ion hóa đến trục của chùm chiếu được xác định nhờ hệ
thống laze chính xác đến lmm. Quá trình chiếu và đo được giữ không đổi trong các
phép đo, tức là tại mỗi điểm đo liều hấp thụ suất lieu chiếu và thời gian đo như nhau.
Ket quả đo cho trong các phụ lục 3 và phụ lục 4.
Từ các số liệu thu được tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của liều
hấp thụ theo khoảng cách tới trục. Hình 2.3a mô tả sự phân bố của liều hấp thụ trong
không khí theo khoảng cách tính tới trục của chùm electron năng lượng 15 MeV ứng
với 3 khoảng cách tới bia là 90cm; 100cm và 110cm. Tương tự Hình 2.3b mô tả sự
phân bố của liều hấp thụ trong không khí theo khoảng cách tính tới trục của chùm bức
Kạ năng lượng 15 MV ứng với 3 khoảng cách tới bia là 90cm; 100cm và 110cm.
32
Phân bố liều hấp thụ trong không khí với chùm photon
6MeV
-*•— C ách bia 90 cm
Cách bia 100 cm
Cách bia 110 cm
Khoảng cách trục (cm)
Hình 2.3a Đường cong phân bổ liều hấp thụ trong không khí
với chùm electron 15MeV
33
Từ các đồ thị trên Hình 2.3a và Hình 2.3b nhận thấy liều hấp thụ tương đối bằng
phẳng trong khoảng cách 30cm tới trục của chùm chiếu và giảm nhanh khi ra biên.
Tại khoảng cách 35cm tới trục liều hấp thụ giảm chỉ còn 50% liều hấp thụ tại điểm
nằm trên trục, sau đó giảm nhanh tới phông khi ra xa biên. Đặc điểm này này cho
phép khảng định chùm bức xạ hãm phát ra từ máy xạ trị Primus tại Bệnh viện K Hà
Nội chỉ tập trung trong góc nhỏ ngay cả khi không hạn chế trường chiếu, về mặt an
toàn bức xạ hạt nhân, đây chính là một ưu việt nổi bật của xạ trị dùng máy gia tốc so
với máy co-ban.
2.3. Xác định đặc trưng của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc Primus-
Simnens của bệnh viện K Hà Nội

2.3.1. Xác định phân bố liều theo chiểu sâu trong phantom nước- Đường cong
oh ân bố liều theo chiều sâu.
Trong xạ trị nước được coi là môi trường gần tương đương với tế bào. Vì vậy
ỉể đánh giá chất lượng của chùm bức xạ dùng trong xạ trị thường đo liều hấp thụ
rong môi trường nước. Phẩm chất của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc xạ trị được
lánh giá dựa vào phân bố liều theo khoảng cách tới trục được đo ở độ sâu ứng với liêu
;ực đại.VỊ trí liều cực đại được xác định dựa vào đường cong phân bố liều theo chiều
;âu trong phantom nước. Buồng ion hóa được đặt trong phantom nước. Hình 2.4. là
lình ảnh phantom nước tại Bệnh viện K, được sử dụng trong đo phân bố liều hấp thụ
:ủa chùm bức xạ dùng trong xạ trị.
Trong quá trình đo tâm của buồng ion hóa được đặt trên trụcvà được di chuyển dọc
heo trục của chùm tia. Việc di chuyển buồng ion hóa được thực hiện qua bộ điều
±iiển nhờ Bộ điều khiển -CCU. Bộ điều khiển này được kết nối với máy tính có cài
[ạt phần mềm OmniPro- Accepts cho phép di chuyển ( sang trái sang phải, lên xuống)
Hình 2.3b. Đường cong phân bố liều hấp thụ trong không khí của chùm photon
15MV
34