ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ


ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

k

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

ThS.GVC.Hoàng Xuân Dinh

Lê Ánh Hồng

Giáo viên phản biện

Mã số SV: 1110198
Lớp: Sư phạm Vật lý

ThS.GVC Nguyễn Hữu Khanh
ThS. Nguyễn Trường Long

Cần Thơ, Năm 2014

Khóa: 37


LỜI CẢM ƠN

Sau khoảng thời gian 4 năm học tập tại trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ
em đã nhận được những kiến thức, kỹ năng , sự quan tâm tận tình,
chỉ dạy của các thầy, cô trường ĐẠI HỌC CẦN THƠ. Đặc biệt là
các thầy, cô của bộ môn Sư Phạm Vật Lý.
Với vốn kiến thức thu được trong quá trình học tập đã giúp em làm
nền tảng để hỗ trợ cho quá trình công tác ở trường Trung Học Phổ
Thông sau này.
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Xuân Dinh, là
người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này. Thầy đã nhiệt tình
hướng dẫn, góp ý và giúp em sửa bản thảo trong suốt quá trình viết
luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các tác giả đã viết sách, để em có tài liệu
tham khảo nội dung liên quan đến đề tài. Nhờ đó, giúp em hoàn
thành luận văn một cách thuận lợi.
Tuy đã cố gắng hết sức nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, rất
mong sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn để
luận văn được hoàn chỉnh hơn. Thay lời cảm ơn em xin chúc quý
thầy cô và các bạn lời chúc sức khỏe và hạnh phúc.
Cần Thơ, ngày tháng năm 2014

Lê Ánh Hồng

Trang i

MỤC LỤC
Phần MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................................1
3. Giới hạn cuả đề tài......................................................................................................1
4. Phương pháp và phương tiện thực hiện .......................................................................2
5. Các bước thực hiện .....................................................................................................2
6. Các thuật ngữ quan trọng ............................................................................................2
Phần NỘI DUNG
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Phóng xạ và các tia phóng xạ .................................................................................3
1.1.1. Phóng xạ ..............................................................................................................3
1.1.2. Các nguồn tia phóng xạ ........................................................................................3
1.2. Đồng vị và đồng vị phóng xạ .................................................................................4
1.2.1. Đồng vị .................................................................................................................4
1.2.2. Đồng vị phóng xạ ................................................................................................5
1.2.2.1. Các đồng vị từ các lò phản ứng..........................................................................6
1.2.2.2. Các đồng vị từ máy gia tốc ................................................................................6
1.2.2.3. Các đồng vị từ phân hạch ..................................................................................6
1.3. Địa hóa đồng vị ..................................................................................................... 7
1.3.1. Địa hóa đồng vị bền .............................................................................................7
1.3.2. Địa hóa đồng vị phóng xạ ....................................................................................8
1.4. Phân rã phóng xạ ....................................................................................................9
1.5. Các phương pháp đo đếm phóng xạ ........................................................................10
1.5.1. Ống đếm Geiger Miiller ......................................................................................10
1.5.2. Ống đếm nhấp nháy ..............................................................................................11
1.5.3. Đêtecto nhấp nháy lỏng ........................................................................................14
1.5.3.1. Dung môi ..........................................................................................................14
1.5.3.2. Chất hòa tan thứ nhất.........................................................................................14
1.5.3.3. Chất hòa tan thứ hai...........................................................................................15

1.5.3.4. Phát hiện các photon nhấp nháy.........................................................................15
1.5.3.5. Đánh giá kết quả................................................................................................15
1.5.4. Một số kỹ thuật đo đặc biệt..................................................................................16
1.5.5. Một số kỹ thuật đo đặc biệt trong y học hạt nhân ................................................16
1.5.5.1. Đo từng thời điểm .............................................................................................16
1.5.5.2. Ghi đồ thị phóng xạ ...........................................................................................16
1.5.5.3. Ghi hình ............................................................................................................17
1.5.5.4. Chụp hình ..........................................................................................................17
Trang ii


Chương 2: ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
2.1. Những nguyên lý cơ bản của các ứng dụng ............................................................20
2.2. Sản phẩm đồng vị phóng xạ và nguồn phóng xạ .....................................................20
2.3. Các ứng dụng trong nông nghiệp ............................................................................21
2.3.1. Về phân bón ........................................................................................................21
2.3.2. Về chuyển hóa và quang hợp ...............................................................................21
2.3.3. Về bệnh cây.........................................................................................................22
2.3.4. Diệt cỏ dại ...........................................................................................................22
2.3.5. Diệt côn trùng......................................................................................................22
2.3.6. Trong chăn nuôi ..................................................................................................23
2.3.7. Dùng đồng vị phóng xạ tạo giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm .............23
2.3.8. Trong thủy văn ....................................................................................................24
2.3.9. Xác định độ hư mòn ............................................................................................25
2.4. Các ứng dụng trong công nghiệp ............................................................................25
2.4.1. Diệt trùng bằng phóng xạ ....................................................................................25
2.4.2. Thủy học và thủy lực học ....................................................................................25
2.4.3. Tìm chỗ hỏng bằng sử dụng vết phóng xạ...........................................................26
2.4.4. Kiểm tra không phá hủy mẫu ..............................................................................26
2.4.5. Xử lý bức xạ........................................................................................................27

2.4.6. Phát năng lượng từ những nguồn đồng vị phóng xạ .............................................27
2.4.7. Đo bề dày các bình và đo thể tích, lưu lượng chất lỏng ........................................27
2.4.7.1. Phép đo bề dày ..................................................................................................27
2.4.7.2. Phép đo mức, thể tích, lưu lượng chất lỏng ........................................................28
2.4.8. Sử dụng các tia phóng xạ trong khảo cổ địa chất ..................................................28
2.4.8.1. Qủa đất bao nhiêu tuổi .......................................................................................28
2.4.8.2. Xác định niên đại của những di vật khảo cổ bằng cacbon-14 .............................28
2.5. Các ứng dụng trong y học........................................................................................29
2.5.1. Những đặc điểm của y học hạt nhân (YHHN) hiện đại .........................................30
2.5.2. Các thí dụ về chẩn đoán YHHN ...........................................................................32
2.5.2.1. Thăm dò chức năng thận bằng thận đồ đồng vị ..................................................32
2.5.2.2. Chụp hình tuyến giáp.........................................................................................35
2.5.2.3. Xét nghiệm YHHN in vitro trong phát hiện nhược giáp bẩm sinh ......................37
2.5.3. Tạo ảnh hạt nhân phóng xạ ..................................................................................38
2.5.4. Ứng dụng lâm sàng ..............................................................................................38
2.5.4.1. Một vai nét về ứng dụng đồng vị phóng xạ trong lâm sàng ................................38
2.5.4.2. Nguyên lý ghi hình bằng máy SPECT, PET ......................................................43
2.5.5. Phân tích miễn dịch phóng xạ ..............................................................................46
2.5.6. Ứng dụng chữa bệnh bằng dược phẩm phóng xạ .................................................47
2.5.7. Bước đầu nghiên cứu điều trị HIV bằng đồng vị phóng xạ ...................................49

Trang iii


Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Ở NƯỚC TA
3.1. Ứng dụng trong nông nghiệp ..................................................................................52
3.2. Ứng dụng trong công nghiệp ..................................................................................54
3.3. Ứng dụng trong y tế ...............................................................................................56
3.4. Nghiên cứu các quá trình trong tự nhiên .................................................................61
3.5. Kỹ thuật hạt nhân trong nghiên cứu bảo vệ môi trường ..........................................61

3.6. Phát triển kỹ thuật trong phân tích hạt nhân ............................................................62
3.7. Phát triển năng lượng kỹ thuật hạt nhân phục vụ công nghệ hóa, hiện đại hóa đất
nước ...............................................................................................................................62
Phần KẾT LUẬN ...........................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang iv


Phần MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vật lý học là ngành khoa học mang lại nhiều sự mới lạ trong quá trình nghiên cứu
và tìm hiểu. Các nhà khoa học luôn luôn khám phá để tìm ra nhiều kiến thức mới cho
ngành khoa học này. Trong đó, Vật lý hạt nhân đã góp phần không nhỏ cho sự phát
triển của nền khoa học hiện đại. Một ứng dụng không thể không nhắc đến của Vật lý
hạt nhân là ứng dụng trong y học, nó góp phần quan trọng trong việc chẩn đoán, điều
trị, chăm sóc sức khỏe cho con người, một số biện pháp đạt hiệu quả cao thí dụ: Vật
lý trị liệu, chiếu tia phóng xạ, sản xuất đồng vị và điều chế dược chất phóng xạ phục
vụ chẩn đoán và điều trị bệnh…
Trong vòng 30 năm qua, các chất đồng vị phóng xạ đã chiếm một vị trí ngày càng
quan trọng trong các lĩnh vực nghiên cứu sinh học, sinh lý học, sinh hóa học, các môn
sinh học, sử dụng kỹ thuật nguồn kín để xây dựng các hệ đo đạc hạt nhân như đo mức
chất lỏng, đo độ dày, độ ẩm của vật liệu; trong các dây chuyền tự động hóa của các
nhà máy công nghiệp; phát triển các kỹ thuật phân tích hạt nhân để tham gia vào các
chương trình thăm dò, khai thác tài nguyên khoáng sản và nghiên cứu, bảo vệ môi
trường; sử dụng các đồng vị phóng xạ để đánh giá một số quá trình trong tự nhiên
như hiện tượng bồi lấp, xói mòn; sử dụng các nguồn bức xạ cường độ cao để khử

trùng các dụng cụ, chế phẩm và bảo quản thực phẩm, dược phẩm; ứng dụng kỹ thuật
hạt nhân trong nông nghiệp và sinh học...Hơn thế ngày nay, tất cả các nước tiên tiến
và các nước đang phát triển trên thế giới đã sử dụng đồng vị phóng xạ và đã đạt được
những thành tựu khoa học kỹ thuật, những phát minh sáng kiến mới ứng dụng vào
sản xuất, công nghệ, thông tin liên lạc, dịch vụ, y học,…nhằm phục vụ cho đời sống
con người ngày càng tiến bộ hơn.
Để hiểu thêm về đồng vị phóng xạ cũng như những ứng dụng của nó trong đời
sống, em chọn đề tài “Ứng dụng của các đồng vị phóng xạ”.
2.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu tìm hiểu về đồng vị, phóng xạ và đồng vị phóng xạ cũng như những
ứng dụng của đồng vị phóng xạ trong đời sống.
- Tìm hiểu một số ứng dụng điển hình của đồng vị phóng xạ ở nước ta.

3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời
sống, việc đi sâu tìm hiểu và nghiên cứu cần nhiều thời gian và công sức. Mặt khác,
do không có điều kiện để tiếp xúc với các đồng vị phóng xạ, vì vậy đề tài này chỉ
dừng lại ở mức độ tìm hiểu mang tính lý thuyết cơ bản của các đồng vị và đồng vị
phóng xạ thông qua sách vở, internet chứ không đi sâu vào nghiên cứu bằng thực
nghiệm.

Trang 1


4.

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN

Phương pháp : sưu tầm, phân tích các số liệu có trong sách tham khảo, các tài liệu
trên internet. Trao đổi với giáo viên hướng dẫn, từ đó tổng hợp các thông tin có được
làm thành luận văn hoàn chỉnh.

5. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
Bước 1: Nhận đề tài.
Bước 2: Tìm tài liệu và viết đề cương.
Bước 3: Viết luận văn.
Bước 4: Hoàn chỉnh luận văn.
Bước 5: Bảo vệ luận văn.
6.

CÁC THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TRONG ĐỀ TÀI
ĐVPX

Đồng Vị Phóng Xạ

DCPX

Dược Chất Phóng Xạ

GM

Ống Geiger Muller

GC

Gamma Camera

SPECT

Single Photon Emision Computed Tomography

YHHN

Y Học Hạt Nhân

RIA

Phóng Xạ Miễn Dịch

WHO

Tổ Chức Y Tế Thế Giới

IAEA

Ủy Ban Năng Lượng Hạt Nhân Quốc Tế

PET

Chụp hình cắt lớp phát xạ Positron

CHHN

Chụp Hình Hạt Nhân

SOL

Tổn thương choán chỗ

PPO

Diphenyloxazo

PPD

Phenyldiphenyl Oxadiazol

CT

Scanner

INBA

Chất điều hòa tăng trưởng

NDT

Kiểm tra không phá hủy mẫu

CAT

Computerized Axial Tomography

MRI

Mannetic Resonance Emaging

RNI

Radio Nuclide Imging

DAT

Data Acquisition Systen
Trang 2


Phần NỘI DUNG
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.PHÓNG XẠ VÀ CÁC TIA PHÓNG XẠ
1.1.1. Phóng xạ
Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát
ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). Các nguyên tử có tính
phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là
các đồng vị bền. Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không có
đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ. Các tia phóng xạ có từ tự nhiên có thể bị
chặn bởi các tầng khí quyển của trái đất.
- Tia phóng xạ theo nghĩa gốc là các dòng hạt chuyển động nhanh chóng từ các chất
phóng xạ. Các hạt phóng ra có thể chuyển động thành các dòng định hướng.
- Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt anpha, hạt proton,
mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta), không mang điện như hạt
nơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn
nhiều). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân rã
phóng xạ hay phân rã hạt nhân.

Hình 1.1: Phân rã hạt nhân
1.1.2. Các nguồn tia phóng xạ

Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia làm hai loại:
- Tia phóng xạ có bản chất là hạt như các hạt beta β (electron mang điện âm), alpha α
(nhân helium mang điện dương).
- Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ<10 Å) như tia X
hay tia gamma.
Tia alpha là hạt mang điện tích dương dễ dàng bị chặn lại bởi tờ giấy hoặc da người.
Nếu hấp thụ vào cơ thể qua đường hô hấp hay đường tiêu hoá, những chất phát tia
alpha sẽ gây tác hại cho cơ thể.
Tia beta là các điện tử, sức xuyên thấu của nó mạnh hơn so với tia alpha nhưng có thể
bị chặn lại bằng tấm kính mỏng hoặc tấm kim loại. Sẽ nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ
thể những chất phát ra tia beta.

Trang 3


Tia gamma và tia X tương tự sóng radio và tia sáng, nhưng là sóng điện từ có bước
sóng ngắn. Vì sức xuyên thấu của nó rất lớn nên chỉ có thể chặn lại bằng vật liệu có
nguyên tử lượng lớn như chì hoặc béton, nước.

Hình 1.2: Các tia phóng xạ
Nguồn phóng xạ trong tự nhiên:
1. Mỗi người trung bình trong một năm nhận tia phóng xạ tự nhiên: khoảng 1,1mSv
(1,3mSv nhận từ Radon trong không khí thì con số này trở thành 2,4mSv).
2. Từ vũ trụ: khoảng 0, 38mSv .
3. Từ đất: khoảng 0, 46mSv từ đất.
4. Thông qua thực phẩm: khoảng 0.24mSv. Dù phải nhận một lượng tia phóng xạ tự
nhiên như vậy nhưng sinh vật vẫn sống bình thường.
5. Mức độ của tia phóng xạ tự nhiên phụ thuộc khu vực. Ở Trung Quốc, Ấn Độ
khoảng 10mSv một năm. Vậy thì phải chăng những người sống ở khu vực có mức độ
phóng xạ tự nhiên cao như thế sẽ bị ung thư? Và phải chăng là tuổi thọ trung bình sẽ

ngắn? Kết quả những cuộc điều tra từ trước tới nay cho thấy những hiện tượng như
thế không hề xuất hiện.
6. Mức độ gấp 10 lần của phông phóng xạ tự nhiên trung bình cũng không có ảnh
hưởng xấu nào đến sức khoẻ con người.
7. Các hoạt động chẩn đoán y tế gây nhiễm phóng xạ: Kiểm tra dạ dày bằng chụp tia
X sẽ nhận 0,6mSv/lần, kiểm tra chụp tia X cắt lớp vùng ngực sẽ nhận 6,9mSv/lần, du
lịch đi bằng máy bay khứ hồi New York - Tokyo sẽ nhận 0,19mSv.

1.2.ĐỒNG VỊ VÀ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
1.2.1. Đồng vị
Cũng như các nhà hóa học, các nhà vật lý học có một hệ thống kí hiệu để xác
định các nguyên tử khác nhau. Cách ký hiệu hiện được dùng là:
A
Z

X

N

X – ký hiệu hóa học của nguyên tố.
A – số khối (số tổng cộng các neutron và proton cấu thành hạt nhân nguyên tử).
Z – số điện tích của hạt nhân nghĩa là số proton, của các hạt nhân hay cũng là số
electron của nguyên tử. Đó là nguyên tử số, xác định vị trí của nguyên tố trong bảng
phân loại tuần hoàn các nguyên tố của Menđêleep và quy định các thuộc tính hóa học
của nguyên tử.
Trang 4


N – số neutron của hạt nhân nguyên tử (N = A – Z).
Trong ký hiệu thông thường, số N thường không được ghi. Với hệ thống ký hiệu này

ta viết: 11 H ,126 C ,168 O để chỉ các nguyên tử hydro, cacbon, oxy phổ biến trong thiên
nhiên.
Điều đáng lưu ý là trong thiên nhiên đa số các nguyên tố bao gồm không phải một
loại nguyên tố mà là nhiều loại nguyên tử có số khối khác nhau. Những nguyên tử
này có cùng nguyên tử số Z nhưng trong hạt nhân có số neutron khác nhau do đó số
khối A khác nhau ta gọi đó là các đồng vị (isotope).
Ví dụ hydro có 3 đồng vị :

1
1

H Hydrogen

2
1

H Deuterium

3
1

H Tritium

Hình 1.3: Đồng vị của nguyên tử hydro
1.2.2. Đồng vị phóng xạ (ĐVPX)
Trong thiên nhiên chỉ có 20 nguyên tố không có đồng vị ta gọi đó là các nguyên
tố không đồng vị (anisotopic elements) hay là các nguyên tố đơn hạt nhân
(mononuclidic elements). Các nguyên tố khác đều có đồng vị, từ 2 đồng vị ( như
antimon, clo, bo, brom, lithi) đến 10 đồng vị (như thiếc). Đa số đồng vị trong thiên
nhiên ở dạng bền, hạt nhân của chúng không thay đổi theo thời gian. Đó là những

đồng vị bền. Nhưng cũng có các đồng vị mà hạt nhân của chúng ở trạng thái không
ổn định về mặt năng lượng và có khuynh hướng thâu đoạt thêm hoặc mất bớt điện
tích, giải phóng năng lượng thừa để chuyển sang trạng thái ổn định hơn. Bằng cách
đó đồng vị của nguyên tố này sẽ chuyển thành đồng vị của các nguyên tử khác, cũng
có trường hợp chuyển thành đồng phân của cùng nguyên tố đó. Những chất đồng vị
này được gọi là đồng vị phóng xạ (ĐVPX) và vì có sẵn trong thiên nhiên nên được
gọi là các ĐVPX thiên nhiên.
Vậy nhân nguyên tử của các đồng vị của một nguyên tố có thể bền (stable) tức là
tồn tại mãi mãi, hoặc không bền (unstable). Nhân đồng vị không bền hủy biến tự
nhiên theo thời gian để đạt tới trạng thái bền hơn. Đồng vị có nhân không bền đuợc
gọi là đồng vị phóng xạ (radioisotope).
Thí dụ như trong ba đồng vị của hydrogen đồng vị tritiumH-3 là đồng vị phóng xạ vì
có nhân không bền. Tính bền của nhân nguyên tử phụ thuộc vào tỉ lệ giữa số neutron
và số proton trong nhân. Các nguyên tố mà Z có trị số thấp thì nhân bền nếu tỉ lệ này
khoảng bằng 1, còn đối với các nguyên tố có Z cao thì tỉ lệ này phải bằng khoảng từ
1.6 tới 1.
Các chất ĐVPX thường có thời gian bán rã quá dài, lượng của chúng lại ít do đó
không thỏa mãn các yêu cầu sử dụng. Người ta đã tìm cách chế tạo các ĐVPX và
Trang 5


trong thực tế các chất ĐVPX dùng trong sinh học, y học, nông học và nhiều ngành
khác đều do con người tạo ra và được gọi là các chất ĐVPX nhân tạo. Chúng có thể
được tạo ra bằng các phản ứng hạt nhân trong các lò phản ứng, trong các máy gia tốc
hay là sản phẩm của các quá trình phân hạch (fission) của urani hay piotoni trong các
là phản ứng.
1.2.2.1. Các đồng vị từ các lò phản ứng
Việc sản xuất đồng vị trong lò phản ứng dựa trên tương tác giữa các neutron do lò
cung cấp với hạt nhân của các nguyên tử mục tiêu (còn gọi là “bia”). Kiểu phản ứng
quan trọng nhất là kiểu dùng neutron nhiệt trong đó hạt nhân của nguyên tử bia thâu

nhận neutron đồng thời phát tia  .
Thí dụ ĐVPX vàng -198 bằng phản ứng :
79

Au 197  0 n 1  79 Au 198  0 

0

Ngoài ra kiểu phản ứng neutron nhanh cũng thông dụng, các neutron nhanh khi
nhập vào hạt nhân của nguyên tử bia còn đủ năng lượng để làm văng các hạt khác
như proton, alpha, ra khỏi hạt nhân nguyên tử.
Thí dụ tạo photpho – 32 và triti (3H) bằng các phản ứng :
16
3

S 32  0 n1 15 P 32 1 H 1

Li 6  0 n 1 1 H 3  2 He 4

1.2.2.2. Các đồng vị từ máy gia tốc
Nếu các lò phản ứng sản xuất ra các loại đồng vị “thừa neutron” thì các máy gia
tốc sản xuất ra các loại đồng vị “thiếu neutron”. Các hạt tích điện được gia tốc để có
năng lượng cao bắn vào nhân của các nguyên tử bia cũng đánh văng các hạt khác ra
theo cơ chế tương tự như kiểu phản ứng thu nhận neutron nhanh. Thí dụ có thể sản
xuất natri -22 bằng xyclotron từ magie -22 hoặc magie -25 qua các phản ứng:
12

Mg 24 1 H 2 11 Na 22  2 He 4

12

Mg 25 1 H 1 11 Na 22  2 He 4

1.2.2.3. Các đồng vị từ phân hạch
Hạt nhân của các chất phân hạch như uran – 235 khi thâu đoạt neutron có thể tách
thành 2 mảnh gần đều nhau kèm theo việc phát neutron và năng lượng. Đó là hiện
tượng phân hạch. Từ các sản phẩm của quá trình phân hạch ta có thể lấy ra được một
137
144
90
133
số đồng vị như 131
và 91
39Y .Việc sản xuất ĐVPX bằng
53 I , 55 Cs , 58 Ce , 43 Tc , 54 Xe
quá trình phân hạch có đặc điểm là tạo được những lượng lớn các chất đồng vị. Chỉ
một “mẻ”có thể sản suất hàng trăm đến hàng nghìn curi. Thực tế thì ngoài Coban -60và hầu như cả Iridi – 192 việc sản xuất các đồng vị giới hạn ở số lượng cần dùng từ
milicuri đến vài trăm curi. Vì thế các lò phản ứng của các nước trên thế giới đã bỏ phí
hàng triệu curi. Các ĐVPX sản phẩm của phân hạch thường khá rẻ giá mổi curi của
chúng thường hạ hơn giá mỗi milicuri của các đồng vị sản phẩm của lò phản ứng hay
máy gia tốc. Ngày nay khoảng 200 ĐVPX đã trở thành quen thuộc trên thị trường,

Trang 6


ngoài ra còn hơn 400 ĐVPX có những thuộc tính có thể đưa ra sử dụng nếu như triển
khai được việc sản xuất chúng.

1.3.ĐỊA HÓA ĐỒNG VỊ
Địa hóa đồng vị là một khía cạnh của địa chất học, dựa trên các nghiên cứu về

nồng độ tương đối và tuyệt đối của các nguyên tố và các đồng vị của chúng trong Trái
Đất. Những biến đổi về nồng độ của các đồng vị, đặc biệt được đo đạc bằng máy
quang phổ khối lượng tỉ số đồng vị hay máy quang phổ khối lượng gia tốc, có thể
cung cấp thông tin về tuổi của đá, hay chúng có nguồn từ nước hoặc không khí. Các tỉ
số đồng vị thậm chí có thể làm sáng tỏ các quá trình hóa học trong khí quyển. Ở khía
cạnh rộng hơn, lĩnh vực địa hóa đồng vị có thể được chia thành 2 nhánh là địa
hóa đồng vị bền và đồng vị phóng xạ.
1.3.1. Địa hóa đồng vị bền
Đối với hầu hết các đồng vị bền, độ lớn giữa phân đoạn động học và phân đoạn
cân bằng là rất nhỏ; do đó, các giá trị được biểu diễn ở dạng "phần ngàn" (‰). Các
giá trị này (δ) là tỉ số giữa đồng vị nặng và đồng vị nhẹ trong mẫu so với tỉ số chuẩn
như sau:



13
 C  











13
12

13
12



m

C

C  Ch
C
C




 1   1000




o

oo

( với m là mẫu, ch là chuẩn)
 Cacbon
Cacbon có hai đồng vị bền, 12C và 13C, và 1 đồng vị phóng xạ 14C. Các tỉ số đồng
vị cacbon được đo đạc so với Vienna Pee Dee Belemnitida (VPDB). Chúng được sử
dụng để theo dõi dòng hải lưu. Đồng vị cacbon bền ban đầu được tách ra bằng

phương pháp quang hợp. Tỉ số 13C/12C cũng được xem là một chỉ số về cổ khí hậu: sự
biến đổi về tỉ số này trong xác của thực vật ám chỉ sự biến đổi mức độ của hoạt động
quang hợp.
Trong quá trình quang hợp, các sinh vật sử dụng thực vật C3 cho thất các mức độ làm
giàu khác nhau khi so sánh với các thực vật sử dụng C4, điều này cho phép các nhà
khoa học không chỉ phân biệt vật chất hữu cơ từ cacbon vô sinh mà còn chỉ ra
phương thức quang hợp được sử dụng.
+ Thực vật C3: Là các loài thực vật chỉ tồn tại duy nhất theo kiểu cố định cacbon C3
– một kiểu trao đổi chất để cố định cacbon trong quang hợp ở thực vật. Qúa trình này
chuyển hóa đioxit cacbon và ribuloza bisphotphat (RuBP – một đường chứa 5
cacbon) thành 3-photphoglyxerat.
+ Thực vật C4; Là loài thực vật tồn tại duy nhất cố định cacbon C4 – liên kết các
phân tử CO2 dạng khí thành các hợp chất hòa tan trong thực vật, đioxit cacbon được
tạo ra từ malat.
 Nitơ
Trang 7


Nitơ có hai đồng vị bền, 14N, và 15N. Tỉ số giữa các đồng vị này được so sánh
tương đối với nitơ trong không khí xung quanh. Các tỉ số nitơ thường có mối liên hệ
với các hoạt động nông nghiệp. Đồng vị nitơ cũng được sử dụng để đo đạc lược trao
đổi không khí giữa stratosphere và troposphere sử dụng dữ liệu từ khí nhà kính N2O.
 Ôxy
Ôxy có 3 đồng vị bền, 16O, 17O, và 18O. Các tỉ số ôxy được đo đạc tương đối
với Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) hay Vienna Pee Dee Belemnite
(VPDB). Các biến động tỉ số đồng vị ôxy được sử dụng để theo dõi sự chuyển động
của nước, cổ khí hậu, và cả các khí trong khí quyển như ôzôn và carbon dioxide. Đặc
biệt, tham chiếu VPDB được dùng cho trường hợp cổ khí hậu, trong khi VSMOW
được dùng cho hầu hết các ứng dụng khác. Các đồng vị ôxy thể hiện các tỉ số dị
thường trong ôzôn khí quyển, là kết quả của sự phân đoạn khối lượng độc lập. Các tỉ

số đồng vị trong foraminifera hóa thạch đã và đang được sử dụng để suy luận nhiệt
độ trong các biển cổ.
 Lưu huỳnh
Lưu huỳnh có 4 đồng vị bền phong phú gồm: 32S (0.9502), 33S (0.0075), 34S
(0.0421) và 36S (0.0002). Các đồng vị này được so sánh với những đồng vị được tìm
thấy trong thiên thạch Canon Diablo. Tiêu chuẩn chung được chấp nhận đối với tỷ số
34S/32S là 1/22.22. Các biến động về tỉ số đồng vị được sử dụng để nghiên cứu
nguồn gốc của lưu huỳnh trong thân quặng và nhiệt độ hình thành các khoáng vật
chứa lưu huỳnh.



34
 S  











34
32
34
32





 m  1   1000

S 



S  ch

S
S

o

oo

1.3.2. Địa hóa đồng vị phóng xạ
 Chì
Chì có 4 đồng vị bền - 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb và một đồng vị phóng xạ phổ
biến 202Pb với chu kỳ bán rã ~53,000 năm.
Chì được tạo ra trong Trái Đất từ quá trình phân rã các nguyên tố siêu urani, mà
chủ yếu là urani và thori. Địa hóa đồng vị chì cung cấp các thông tin về tuổi đồng vị
ban đầu đối với nhiều loại vật liệu khác nhau. Do các đồng vị chì được tạo ra từ việc
phân rã nhiều nguyên tố siêu urani khác nhau nên các tỉ số của 4 đồng vị so với đồng
vị còn lại có thể có nhiều ứng dụng hữu ích trong việc theo dõi nguồn của các đá
mácma nóng chảy, nguồn của trầm tích và thậm chí nguồn gốc con người thông qua tỉ
số đồng vị trong vật liệu trong răng, da và xương của họ.

Phương pháp này đang được sùng để định tuổi lõi băng ở thềm Bắc Cực, và cung
cấp các thông tin về nguồn ô nhiễm chì trong khí quyển.

Trang 8


Các đồng vị chì-chì đã được ứng dụng thành công trong khoa học pháp y để lấy
dấu vân tay trên trên các viên đạn, bởi vì mỗi lô đạn có các đặc thù riêng về tỉ
số 204Pb/206Pb so với 207Pb/208Pb.
 Đồng vị dưới nước
Triti/heli-3 được phóng thích vào khí quyển trong các lần thử bom hạt nhân trong
khí quyển. Phân rã phóng xạ của triti tạo ra khí hiếm heli-3. So sánh tỉ số giữa triti và
heli -3 (3H/3He) cho phép ước lượng tuổi của nước ngầm trong thời gian gần đây.

1.4. PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
Phân rã phóng xạ (disintegration) là sự chuyển hạt nhân đồng vị này thành hạt nhân
đồng vị khác. Sự phân rã này có kèm theo việc phát ra các tia hạt và sóng nên được
gọi là phân rã phóng xạ. Phân rã phóng xạ là một hiện tượng ngẫu nhiên tuân theo
quy luật thống kê. Vì thường sử dụng một số rất lớn các nguyên tử của một ĐVPX
nào đó nên có thể dự đoán được sự phân rã của chúng với độ chính xác cao.
Thực nghiệm cho thấy rằng trong một khoảng thời gian nhất định số phân rã đặc hiệu
cho một chất ĐVPX nào đó tỷ lệ với số lượng các nguyên tử ĐVPX có mặt và với
thời gian:
dN

   Ndt

Tích phân phương trình này ta có:
N  N 0e

 t

Trong đó N0 là số nguyên tử phóng xạ ở thời điểm ban đầu t = 0 và N là số
nguyên tử hiện diện ở thời điểm t.  là hằng số phân rã, hằng số này phản ánh tỷ số
lượng ĐVPX bị phân rã trong một đơn vị thời gian. Nói một cách khác  quy định
tốc độ phân rã, tốc độ này đặc trưng cho từng ĐVPX. Thí dụ hằng số phân rã của 132I
và 131I là 0.307 . giờ -1 và 0.0036 . giờ-1 như thế 132I phân rã nhanh hơn 131I gần 100
lần. Tốc độ phân rã phóng xạ hoàn toàn không chịu ảnh hưởng của các tác nhân hóa
học (thí dụ như thay đổi liên kết hóa học) cũng như các tác nhân vật lý (thí dụ như áp
suất, nhiệt độ…).
Trong thực hành người ta rất hay thể hiện tốc độ phân rã phóng xạ bằng thời gian bán
rã còn gọi là chu kỳ bán rã hay “nửa đời sống vật lý” ký hiệu là Tp. Đó là khoảng thời
gian cần thiết để diễn ra sự phân rã của một nửa số nguyên tử ban đầu. Trong đẳng
thức (2) khi t = Tp ta có
N
1

 e   Tp
N0
2
Tp 

ln 2
0 , 693




Tp được tính theo đơn vị thời gian: giây, phút, giờ, ngày hay năm, đó là một khái
niệm rất thông dụng. Thí dụ, Tp của 132I và 2,33 giờ của 131I là 8 ngày và 3H là 12,4

năm.
Người ta đánh giá một lượng ĐVPX nhiều hay ít qua hoạt tính phóng xạ (hay còn
gọi là độ phóng xạ) của nó. Hoạt tính A của một lượng ĐVPX được xác định bằng số
Trang 9


phân rã hạt nhân diễn ra trong một đơn vị thời gian. Đơn vị hoạt tính là curi (kí hiệu
Ci) đó là hoạt tính của một lượng nguyên tố phóng xạ có số phân rã trong một giây là
3,7.1010.
Người ta thường dùng các ước số của curi là milicuri ( mCi  103 Ci ) và microcuri
( Ci  10 6 Ci ) . Đơn vị hệ thống quốc tế (SI unit) của hoạt tính phóng xạ là Becquerel (kí hiệu là Bq) :
1Bq  1 phân rã S-1
1Ci  3,7  1010 Bq
1Bq  2,703  10 11 Ci  27,03 pCi

Bức xạ phát sinh do các kiểu phân rã hạt nhân có thể chia làm hai nhóm:
- Bức xạ hạt  ,  được tạo nên bởi các hạt có điện tích.
- Bức xạ  và Renghen (X) là các sóng điện từ.
Các ĐVPX nhân tạo thông dụng trong phương pháp dùng chất đánh dấu trong
sinh học và y học đều không phát bức xạ  . Do đó các phép đếm phóng xạ chủ yếu
trong phương pháp này là đo  và đo  .
Đa số các ĐVPX có phân rã phức tạp. Ứng với một phân rã hạt nhân có sự phát
một số lượng tử gamma với năng lượng khác nhau. Các chất phân rã  cũng phóng
electron từ hạt nhân có năng lượng cực đại khác nhau với một tỷ lệ phần trăm hoàn
toàn xác định. Cần nắm vững những thuộc tính này của ĐVPX ( thời gian bán rã,
năng lượng bức xạ) mới có thể sử dụng chúng một cách có hiệu quả.

1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẾM PHÓNG XẠ
Phần này chỉ trình bày các phương pháp phát hiện và đo đếm các ĐVPX nhân tạo
dùng làm chất chỉ điểm (chất đánh dấu) trong các nghiên cứu sinh học, chủ yếu là các

phép đo  , đo  cùng với những đặc điểm của phép đo với các đối tượng sinh học.
Nói chung mỗi máy đo bức xạ hạt nhân gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ phận phát hiện
(còn gọi là đêtecto), bộ phận khuếch đại, bộ phận phân tích, bộ phận đếm.
Bộ phận phát hiện làm nhiệm vụ chuyền tia phóng xạ ( 1 photon hoặc 1 hạt) thành
dạng có thể đo đếm được (thường là một xung điện). Tùy theo dạng bức xạ, năng
lượng bức xạ mà ta chọn máy đo có đêtecto phù hợp. Các đêtecto dùng trong sinh học
chủ yếu thuộc loại ion hóa chất khí (ống đếm Geiger Muller) và loại dùng chất nhấp
nháy (ống đếm nhấp nháy tinh thể hoặc ống đếm nhấp nháy lỏng).
1.5.1. Ống đếm Geiger Muller (GM)
Ống GM được cấu tạo bởi một ống kín bằng thủy tinh hoặc kim loại chứa khí trơ
như acgon, heli dưới áp suất 100 – 200 mmHg. Ở giữa ống căng một sợi dây tungsten
làm cực dương, cực âm là thành ống giữa hai cực thiết lập một điện áp từ 1000 đến
1500V.
Khi có bức xạ đi vào ống gây nên hiện tượng ion hóa sơ cấp nghĩa là biến một số
nguyên tử chất khí trong ống thành cặp ion dương và electron. Các electron ảnh
hưởng điện trường di chuyển nhanh gây ra hiện tượng ion hóa thứ cấp do va chạm
Trang 10


tung ra hàng loạt ion 103 đến 1010 tất cả ion âm đều về cực dương tạo nên một xung
điện.
Vấn đề quan trọng là chuỗi hiện tượng mô tả trên sau khi phát sinh phải được dập
tắt càng sớm càng tốt để ống GM có thể tiếp nhận tia bức xạ khác và phát sinh ra một
xung điện mới . Thời gian ngắn nhất giữa hai xung điện liên tiếp gọi là thời gian chết
của ống đếm. Để có thời gian chết ngắn người ta tạo ra những ống GM tự dập tắt,
bằng cách thêm vào ống một số hợp chất có dạng hơi (etylic, axeton). Một hỗn hợp
khí này 907 acgon và 107 hơi cồn ở áp suất 100 mmHg hấp thu hết các photon trên
đường đi tới catot dài 4cm. Nhưng mỗi lần có hiện tượng ion hóa để làm phân hủy
một phần chất hữu cơ do đó đời sống của ống đếm có giới hạn 103 đến 109 xung).

Hình 1.4: Sơ đồ lắp ống GM
Người ta có thể thay các phân tử hữu cơ bằng các phân tử khí halogen như Cl2, Br2, I2
các ống đếm này hoạt động với điện áp 400 – 600V. Thời gian chết của ống đếm tự
ngắn, cỡ 10-4 – 3.10-5 giây.

Hình 1.5: Ống đếm GM đo 

Hình 1.6: Ống đếm GM đo 

Trong sinh học thường dùng các loại ống đếm GM sau đây:
- Ống GM hình trụ thủy tinh đo  .
- Ống GM hình chuông có cửa sổ với màng mỏng (thường bằng mica) để đo  . Với
năng lượng cao của photpho – 32 (Emax = 1,7 MeV) dùng ống đếm có màng cửa sổ
khoảng 5 mg.cm-2. Với  - năng lượng tháp thí dụ cacbon -14(Emax = 0,155 MeV)
màng cửa sổ phải chọn xấp xỉ 1 mg/cm2.
1.5.2. Ống đếm nhấp nháy ( scintillation detector)

Trang 11


Một số chất vô cơ và hữu cơ có khả năng chuyển năng lượng bức xạ mà chúng
hấp thu được thành ánh sáng trông thấy. Ở đây bức xạ ion hóa gây hiện tượng kích
thích các nguyên tử và phân tử. Các nguyên tử và phân tử chỉ ở trạng thái kích thích
trong một thời một thời gian rất ngắn (khoảng 10-5 đến 10-8 giây) sau đó chuyển về
trạng thái cơ bản bằng cách phát ra các photon ở những chỗ nhất định trong chất nhấp
nháy gọi là các tâm sáng. Các tâm sáng này thường là những nguyên tử tạp chất nằm
trong lòng chất nhấp nháy đó là các chất hoạt hóa (activator) thường được ký hiệu
trong hoặc sau chất nhấp nháy. Thí dụ đơn tinh thể nhấp nháy natri iodua hoạt hóa
bằng thali được ký hiệu là NaI (Tl) là loại rất hay được sử dụng.
Hiệu suất năng lượng của hiện tượng nhấp nháy được tính theo công thức:

 

W s  n
W p

Trong đó  hiệu suất năng lượng
WP  Năng lượng hấp thu từ photon hay 1 hạt tới
Ws  Năng lượng của photon nhấp nháy phát ra bởi chất nhấp nháy
n  Số photon phát ra trong 1 nhấp nháy

Thuộc tính của một số chất nhấp nháy thường dùng được ghi trong bảng 1.1.
Trong đêtecto các photon nháy sáng được dẫn đến quang âm cực (photocathode) của
ống nhân quang. Ống nhân quang sẽ biến nháy sáng thành một xung điện. Nguyên tắc
hoạt động của nó như sau: photon bứt một số điện tử ra khỏi mặt photocatot (có thể
đạt tới 9 electron cho 1 keV). Các điện tử này được định hướng và gia tốc bằng điện
trường giữa photocatot và điện cực nhân điện tử (còn gọi là đinot) đầu tiên. Khi đập
vào đinot mỗi điện tử được gia tốc sẽ bức ra khỏi đinot và điện tử thứ cấp, cứ thế
dòng điện tử này được nhân lên nhanh chóng khi đi qua hệ 8 – 14 đinot ( hệ số nhân
thường là 105 – 108), cuối cùng đập vào anot tạo ra một xung điện. Thời gian các điện
tử bay qua ống nhân quang khoảng 10-8 giây. Cung cấp điện áp giữa anot và catot là
một nguồn cao áp cỡ 1 đến 2 kV, điện áp này được chia đều giữa ác đinot rải từ anot
đến catot của ống nhân quang. Nguồn cao áp phải rất ổn định với độ ổn định cỡ
0,01%.
Bảng 1.1: Thuộc tính của một số chất nhấp nháy

Chất

Trọng
Bước
Hiệu suất

lượng riêng sóng nhấp năng lượng
(g/cm)
nháy (A) %

Antraxen

125

4400

Stiben

115

4100

Xylol – Terfenyl

0,86

4000
Trang 12

4,8

Thời gian
phát sáng
10-9 giây
36
30  70

1,6

3


Nal (Tl)

3,67

4100

ZnS (Ag)

4,1

4500

10

250
10000

Sơ đồ chức năng của một hệ thống đếm dùng đêtecto nhấp nháy được trình bày trong
hình 1.7.
Nguồn
cao áp

Khuyếch đại

Đếm thời
gian.
Đếm số xung

Phân tích

Ghi số liệu

Hình 1.7: Sơ đồ chức năng của một hệ thống đếm dùng đêtecto nhấp nháy
Các loại đêtecto nhấp nháy có những điểm sau đây:
- Độ phân giải thời gian cao. Ống đếm NaI (Tl) có độ phân giải thời gian là 2.10-8.
Bảo đảm được những tốc độ đếm hết sức cao.
- Hiệu suất ghi khá cao. Dùng đêtecto tinh thể nhấp nháy NaI (Tl) có thể đạt hiệu
suất ghi 80% với tia  . Để có hiệu suất cao khi đo các mẫu sinh học nhất là các mẫu
lỏng (máu, nước tiểu,..) người ta dùng loại tinh thể giếng (Well – type crystal). Dung
tích giếng thường là 5 cm3 với kích thước đủ để đặt ống nghiệm chứa mẫu đo vào
(xem hình 1.8).
- Độ phân giải năng lượng của đêtecto nhấp nháy tuy không cao lắm nhưng cũng đủ
cho phép tiến hành phân tích phổ năng lượng. Sử dụng tinh thể NaI (Tl) đo electron
năng lượng 100 – 150mkeV thì độ phân giải năng lượng cỡ 14%, năng lượng 2 – 4
MeV chỉ đạt 4 – 5% do bức xạ  thì độ phân giải năng lượng cỡ 7 – 10%.

Hình 1.8: Ống đếm tinh thể giếng
Trang 13


Việc đo phân biệt các mức năng lượng rất quan trọng trong các phương pháp đánh
dấu kép (dùng đồng thời 2 hoặc nhiều hơn) chất ĐVPX phát tia gamma năng lượng
khác nhau mà ta có thể đo phân biệt được nhờ các máy phân tích một hay nhiều kênh.
Thí dụ để nghiên cứu chuyển hóa iot trong cơ thể động vật ta có thể dùng đồng thời

iot – 131 (phát  năng lượng 364 keV) mà ta có thể đo phân biệt được từng đồng vị
trên cùng một mẫu đo.
Việc đo với máy phân tích nhiều kênh cũng rất quan trọng trong phương pháp
phân tích kích hoạt trong đó trên cùng một mẫu ta phải xác định nhiều hạt nhân
phóng xạ khác nhau.
1.5.3. Đêtecto nhấy nháy lỏng
Trong việc đo tia beta, năng lượng thấp của cacbon – 14, triti, lưu huỳnh – 35
14
( C, 3H, 35S) để đạt hiệu suất cao người ta dùng chất nhấp nháy lỏng. Phương pháp
đo nhấp nháy lỏng có tầm quan trọng đặc biệt trong sinh học vì hầu hết các hợp chất
sinh học như các axit amin, glucoza, các steroit các bazo của axit nucleic đều có thể
(và nhiều trường hợp chỉ có thể) đánh dấu bằng các ĐVPX phát thuần túy bức xạ 
năng lượng thấp như cacbon – 14, hydro – 3 (triti).
Chất nhấp nháy lỏng là một dung dịch hòa tan một vài hộp chất huỳnh quang
trong một dung môi thích hợp. Hạt bức xạ trong chất nhấp nháy lỏng cũng gây hiện
tượng kích thích như trong tinh thể nhấp nháy. Ở đây năng lượng kích thích được
chuyển cho các phân tử huỳnh quang và phân tử này phát ra một lóe sáng. Lóe sáng
này cũng được phát hiện bởi ống nhân tạo thành 1 xung điện để được khuếch đại,
phân tích biên độ rồi được đếm bởi một hệ đếm.
1.5.3.1. Dung môi
Có hai chức năng: Hòa tan các hợp chất huỳnh quang và mẫu đo, hấp thụ và
chuyển năng lượng của hạt bức xạ đến phân tử chất huỳnh quang. Chất lỏng chuyển
kích thích điện tử với hiệu suất cao nhất là chất lỏng thơm (armatic liquids) như
toluen, xylen, dioxan. Các chất khác có thể được hòa tan bằng cách thêm một ít dung
môi thích hợp khác nhưng phải chọn sao cho không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển
năng lượng cũng như đặc tính phát quang của các chất nhấp nháy.
1.5.3.2. Chất hòa tan thứ nhất
PPO (2.5 diphenyloxazol), PPD (phenyldiphenyl oxadiazol) và p – ter- phenyl là
chất thường được dùng làm chất hòa tan thứ nhất. Vai trò của chất hòa tan thứ nhất là
nhận năng lượng kích thích từ dung môi và phát năng lượng đó dưới dạng lóe sáng.

Tiêu chuẩn quan trọng nhất để chọn chất hòa tan thứ nhất là số photon phát ra ứng
với một đơn vị năng lượng bức xạ hấp thu bởi dung môi. Cần một nồng độ 5 đến
10g/l của các chất này để gây số phát quang tối đa, việc sử dụng chúng bị giới hạn
bởi tính hòa tan kém trong toluen. Chẳng hạn p – terphenyl là một trong những chất
được dùng đầu tiên làm chất hòa tan thứ nhất giá lại rẻ nhưng vì hòa tan kém trong
toluen lạnh nên phải nhường chỗ cho PPO là chất hiện được dùng nhiều nhất. Tiêu

Trang 14


chuẩn thứ hai là photon phát ra phải có bước sóng ứng với độ nhạy cao nhất của
photocatot ống nhân quang. Bước sóng thích hợp nhất là 400 nm.
1.5.3.3. Chất hòa tan thứ hai
Chính vì bước sóng của photon phát ra bởi các chất hòa tan thứ nhất thông dụng
thường ngắn hơn 400nm nên người ta thêm vào dung dịch một số chất hòa tan huỳnh
quang thứ hai như POPOP (1,4 bis-2 [5 – phenyloxazoly] – benzen). Chất này hấp
thu photon phát bởi chất hòa tan thứ nhất để phát lại một photon huỳnh quang với
bước sóng dài hơn. Vì vậy chất huỳnh quang thứ hai còn được gọi là chất “chuyển
dịch phổ” (sepectrum shifter).
Chúng thường được dùng với nồng độ bằng 1/10 nồng độ của chất hòa tan thứ
nhất nghĩa là khoảng 0,5 g/lít tolugen.
1.5.3.4. Phát hiện các photon nhấp nháy
Trong phép đo nhấp nháy lòng đòi hỏi ống nhân quang có độ nhạy cao.
Photocatot của ống nhân quang có thể phát một số electron khi không có photon đập
vào. Để giảm phông nhiệt thường dùng các biện pháp sau đây. Biện pháp thứ nhất là
các ống nhân quang được đặt trong môi trường lạnh để giảm phát electron nhiệt.
Những sự tiến bộ trong công nghệ ống nhân quang hiện nay cho phép sản xuất các
ống nhân quang không phát electron nhiệt mà không cần làm mạnh. Tuy nhiên để duy
trì độ nhạy photocatot và các dinot cũng như việc tạo ra các xung điện đồng đều cần
duy trì nhiệt độ ổn định nhất là với các phép đo phổ (thí dụ đo đồng thời 3H và 14C).

Biện pháp thứ hai để khử phông là dùng phân tích biên độ xung. Tương tác giữa các
photon lóe sáng với photocatot làm văng ra đồng thời một số electeon do đó xung
điện tạo nên thường có biên độ lớn hơn xung điện do electron nhiệt. Phân tích biên độ
giúp ta tách các tín hiệu khỏi xung phông. Biện pháp thứ ba có hiệu quả nhất là đếm
trùng phùng. Khi chất nhấp nháy hấp thu một hạt  nó phát ra đồng thời một số
photon. Nếu hai ống nhân quang nhìn chất nhấp nháy và lối ra (output) của chúng
được bố trí sao cho chỉ những xung điện cùng phát sinh đồng thời ở hai ống nhân
quang mới được đếm thì có thể loại bỏ được các xung nhiệt chỉ phát sinh ở riêng từng
ống. Với cách bố trí này có thể giảm phông xuống dưới 10xung/ph trong điều kiện do
cacbon – 14 đạt hiệu suất 80%, do triti hiệu suất 60% hoặc cao hơn . Các mẫu thường
được đếm trong 10 đến 15 mg dung dịch nhấp nháy trong lọ thủy tinh hoặc
polyetylen dung tích 20 ml.
1.5.3.5. Đánh giá kết quả
Trong các nghiên cứu chuyển hóa không thể khẳng định rằng hoạt tính phóng xạ
trong một tổ chức hay một chất dịch của cơ thể là ở cùng dạng hóa học với chất
phóng xạ đã đưa vào cơ thể. Việc nhận định đúng các kết quả còn tùy thuộc cả vào độ
tinh khiết của hợp chất phóng xạ đã dùng và các phương pháp hóa học đã dùng để cô
lập và tinh khiết mẫu.
Một chất đánh dấu rất hay dùng trong sinh học (đặc biệt trong định lượng phóng
xạ miễn dịch học) là Iot – 125 phát  mềm. Iot – 125 có thể đo bằng phương pháp
Trang 15


nhấp nháy lỏng với độ nhạy cao hơn phép đo dùng tinh thể. Kỹ thuật đo tương tự như
với cacbon – 14.
1.5.4. Một số kỹ thuật đo đặc biệt
Trong nghiên cứu nông nghiệp, sinh học và y học hiện đại người ta còn dùng các
loại máy đo phóng xạ đặc biệt như:
- Máy đo phóng xạ toàn thân (Wholebody counter) để phát hiện các chất phóng xạ
gamma tồn lưu trong cơ thể động vật thí nghiệm. Với những máy dùng tinh thể NaI

(Tl) có phân tích biên độ nhiều kênh và bảo đảm phông đệm rất thấp ở mọi cơ thể
động vật ta ghi được hai đỉnh: một đỉnh ứng với kali – 40 chất phóng xạ thiên nhiên
có nhiều trong cơ thể và đỉnh ứng với xesi – 137 (hậu quả của các vụ nổ hạt nhân).
Máy này rất thuận lợi cho việc nghiên cứu chuyển hóa.
- Máy ghi phân bố hoạt tính phóng xạ trên bề mặt. Đêtecto của máy di chuyền tự
động theo hai trục x, y. Thường dùng máy nảy để ghi các vệt phóng xạ trên các băng
sắc ký trên giấy hay sắc ký lớp mỏng hoặc để ghi hình phân bố phóng xạ trong cơ thể
động vật thực nghiệm (tương tự như scintiscan – ner để làm trên người nhưng nhỏ
hơn).
1.5.5. Một số kỹ thuật ghi đo đặc biệt trong y học hạt nhân
Các đồng vị sử dụng trong chẩn đoán chủ yếu phát tia gamma và các phép đo tia
gamma trên cơ thể sống (đo in vivo) chiếm vị trí đặc biệt quan trọng. Các phép đo
này nhằm phát hiện động học của một chất phóng xạ đã đưa vào cơ thể bệnh nhân
(bằng đường uống hay tiêm) tại một hay một số cơ quan khác nhau trong cơ thể bệnh
nhân. Có 4 phương pháp thườn sử dụng : đo từng thời điểm, ghi đồ thị tự động, ghi
hình và chụp hình.
1.5.5.1. Đo từng thời điểm
Phép đo được lặp lại trong từng khoảng thời gian với những điều kiện hình học
không thay đổi, cho ta biết mức độ tập trung chất phóng xạ tại một cơ quan nào đó ở
những thời điểm khác nhau. Thí dụ điển hình là đo độ tập trung iot – 131 tại tuyến
giáp ở các thời điểm 2 giờ, 4 giờ, 6 giờ, 24 giờ sau khi uống liều chuẩn iot – 131.
Trong phép đo này (cũng như các phép đo in vivo khác) ta dùng đêtecto nhấp
nháy có bao định hướng (collimator) bảo đảm ghi nhận được các tia gamma phát ra từ
cơ quan cần đo và ngăn chặn đến mức tối đa các tia gamma phát ra từ các vùng lân
cận khác trong cơ thể. Khi đo độ tập trung iot – 131 ở tuyến giáp collimator bảo đảm
trường nhìn cho phép đo là vùng tuyến giáp và không để các tia gamma từ các vùng
khác lọt vào đêtecto.
1.5.5.2. Ghi đồ thị phóng xạ
Người ta thường ghi đồ thị phóng xạ với máy có bộ phận tự ghi để thăm dò các cơ
quan có chức năng sinh lý diễn ra nhanh mà phép đếm xung không theo kịp. Thí dụ

điển hình là ghi đồ thị phóng xạ thận (isotopic nephrography) sau khi tiêm vào tỉnh
mạch chất Hippuran – 131I là chất thải nhanh theo đường thận để đánh giá chức năng

Trang 16


thận. Các máy hiện dùng trong y học hạt nhân thường có nhiều kênh, nghĩa là nhiều
đêtecto (với collimator tương ứng) nối với nhiều bút ghi.
1.5.5.3. Ghi hình (Scanning)
Các máy ghi hình có nguyên lý chung là: một đêtecto nối liền với một bộ phận ghi
hình, trong khi đêtecto quét trên bề mặt cơ quan có tập trung chất phóng xạ thì bộ
phận ghi hình cũng chuyển động đồng dạng, và vạch hình với mật độ vạch càng dày
đặc khi hoạt tính phóng xạ nhận được càng lớn (hoặc theo mẫu khác nhau ứng với
hoạt tính phóng xạ theo một thang quy ước). Các máy ghi hình này được ra đời hồi
những năm 50 có nhược điểm là không bắt kịp những thay đổi nhanh của hoạt tính
phóng xạ ở cơ quan ghi nên không ghi được hành động. Thêm nữa việc ghi hình tốn
nhiều thời gian nhất là với các tạng lớn (gan chẳng hạn), vì vậy ngày nay hầu như rất
ít được dùng, nếu còn dùng chủ yếu để ghi hình tuyến giáp.
1.5.5.4. Chụp hình (Imaging)
Các máy chụp hình tia gamma (Gamma Camera) có bộ phận phát hiện cố định,
cho ta hình ảnh tức thì của cả cơ quan trong trường nhìn. Phương pháp này có nhiều
thuận lợi hơn so với ghi hình nhờ thời gian chụp nhanh. Những hình chụp liên quan
liên tiếp với tốc độ nhanh giúp ta nghiên cứu động học của chức năng một cơ quan
như quá trình thở của phổi, hoạt động bơm của tim v.v...Người ta gọi đó là chụp hình
động học (dynamic imaging).
Nguyên lý chụp hình như sau: tia gamma được thu nhận bởi một tinh thể NaI (Tl)
mỏng (khoảng 12 mm) nhưng có đường kính lớn 290 đến 400 mm. Các photon phát
ra được thu nhận bởi một tập hợp các ống nhân quang gồm 19 đến 37 ống nhân quang
bố trí thành hình 6 cạnh bảo đảm việc truyền tín hiệu sáng có định vị đến dao động
ký. Dao động ký biến các nhấp nháy thành một chấm sáng, chấm này càng sáng khi

số nhấp nháy trước ống nhân quang càng nhiều. Các GC (và col – limator tương ứng)
ngày nay thường thích hợp nhất với tia gamma năng lượng 140 keV của tecneti – 99
m. Điều này cũng dễ hiểu vì tecneti – 99 m cung cấp bởi nguồn sinh (generator) được
dùng để đánh dấu các hợp chất khác nhau trong hầu hết các phép chụp hình các tổ
chức, cơ quan trong cơ thể.
Những năm gần đây, chụp hình hạt nhân có những bước tiến lớn các máy GC
tương tự (analog) đã được thay thế bằng các máy số hóa (digital) và có gắn máy tính
với các phần mềm chuyển dụng để chụp theo chương trình định trước và để phân
tích, xử lý hình ảnh. Thế hệ máy mới nhất cho phép chụp hình cắt lớp phát xạ đơn
photon hỗ trợ bằng máy tính (Single photon emision computed tomography gọi tắt là
SPECT). SPECT dùng một GC quay để thu được các hình ảnh từ nhiều góc của sự
phân bố DCPX phát tia gamma trong cơ quan. Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị vì
riêng nó có khả năng định vị chính xác một sự bất thường sinh lý trong cơ thể thông
qua hàng loạt lát cắt 2 chiều của cơ quan tạo ra bởi computer, từ đó các hình ảnh
không gian 3 chiều của cơ quan có thể được tái tạo. Ở nước ta một số khoa YHHN đã
trang bị được Gamma Camera, riêng bệnh viện quân y 108 đã có SPECT.
Trang 17


Trong chụp hình hạt nhân hiện đại cũng cần phải nhắc tới kỹ thuật chụp cắt lớp
phát xạ positron emisson tomography (gọi tắt là PET). Trong kỹ thuật này người ta
dùng các chất đồng vị phóng xạ phát positron (tia  +) tập trung các khối u. Positron
phát ra qua hiện tượng hủy hạt (  + phát ra gặp  - trên đường đi sẽ tự hủy) tạo thành
2 photon gamma 0,511 MeV, hai photon này ngược chiều nhau. Như vậy dùng 2 máy
phát hiện đặt quay mặt vào nhau, nối với một bộ trùng phùng để ghi những tia cùng
đồng thời đập lên 2 máy phát hiện, thì sẽ xác định được vị trí phát. Với một hay một
số vòng các đêtecto cố định bố trí quanh cơ thể bệnh nhân ta thu được thông tin và xử
lý chúng tạo thành các lát cắt cơ thể tương tự như trong kỹ thuật SPECT. PET đặc
biệt tốt trong việc định vị không gian các quá trình sinh hóa trong cơ thể và có thể chỉ
ra cơ sở sinh hóa của các rối loạn thần kinh và bệnh tâm thần. PET cũng rất tốt trong

chẩn đoán định vị các khối u não chỉ dẫn cho phẫu thuật. Bảng sau đây giới thiệu một
số chất đồng vị phóng xạ phát positron dùng trong chẩn đoán (xem bảng kèm theo,
các hạt nhân phóng xạ từ cacbon – 11 đến Gali).
Bảng 1.2: Một số chất đồng vị phóng xạ đời sống ngắn hiện dùng trong chẩn
đoán
Đồng vị phóng xạ
Cacbon – 11

Thời gian bán hủy
20,4 phút

Kiểu phân rã
  0,972 MeV 100%

0,19%
Nito – 13

10 phút

Oxy – 15

122 phút

Fluo – 18

111 phút

7-8 giờ

B-10 (  , n) N-13

  1,726 MeV

N-14 (d, n) O-15

  0,645Mev

97%
O-16 (  , pn) F-18

  1,078MeV

O-16 (H3, n) F-18
57%

43%

68 phút

Cr-50 (  , n) Fe-52

100%

 0,163MeV

Gali

B-11 (d, n) C-11

  1,201Mev

3%
Fe – 52

Cách chế tạo

  1,078MeV

(97%)

85%

1,88MeV

“Vắt sữa” của “bò”
Ggecmani – 87

3%
15%

Stronti – 87 m

28 giờ

lT  0,389MeV
Trang 18

“Vắt sữa” của “bò”

Tecneti – 99m

6 giờ

Ytri-87

 0,140Mev

“Vắt sữa” của “bò”
Molypden-99
Iot - 128

24,99 phút

  212 MeV

(76%)
1,67 MeV

93,6%

(16%)
1,13 MeV
(2%)

I – 127 (n, ) I - 128

93,6%
6,4%
 s:

0,44 MeV (17%)
0,53 MeV (1,8%)
0,98 MeV (0,3%)
0,753 MeV (0,3%)
Qua bảng trên chúng ta thấy các đồng vị phát positron đều có thời gian bán hủy rất
ngắn và được sản xuất bằng cyclotron. Hiện nay một số cơ sở y học nhân ở các nước
tiên tiến được trang bị cyclotron để sản xuất ĐVPX đời sống ngắn dùng tại chỗ thí dụ
bệnh viện Hammersmith tại Luân Đôn (Anh), Trường Y của Viện Đại học
Washington tại Louis (Hoa kỳ) v.v…

Trang 19


Chương 2: ỨNG DỤNG CỦA CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
2.1. NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CÁC ỨNG DỤNG
Sự tương tác giữa phóng xạ với vật liệu được thử nghiệm để thu thập các thông tin
là cơ sở trong quá trình đo lường cho các ứng dụng phóng xạ và ĐVPX. Nguyên tắc
cơ bản được minh hoạ trong hình 2.1.
- Nguồn bức xạ phát ra tia alpha, bêta, gam-ma và nơtron
- Những quá trình tương tác có thể là sự hấp thụ, sự tán xạ, sự ion hóa hay phát bức
xạ thứ cấp.
- Máy dò đetector: máy đếm GM, máy đếm nhấp nháy, buồng ion hóa hay đầu dò bán
dẫn …

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đo đạc ứng dụng bức xạ
Có ba dạng cơ bản khác nhau của ứng dụng ĐVPX và bức xạ. Dạng đầu tiên phụ
thuộc vào hiện thực ảnh hưởng của bức xạ đến vật chất. Thuộc tính này được sử dụng
trong liệu pháp ung thư phóng xạ, khử trùng các sản phẩm y học, sự chiếu xạ thực
phẩm, tăng liên kết chéo trong pôlim..v.v..Dạng thứ hai, những ứng dụng trong công

nghiệp của chất đồng vị sử dụng những hiệu ứng của sự bức xạ trên vật liệu dẫn tới
sự định giá những thuộc tính định tính và định lượng của vật chất. Dạng thứ ba của
ứng dụng, như trong các hệ công nghiệp, thuỷ học hay sinh học được dựa vào nguyên
lý vết. Mọi ứng dụng này đều yêu cầu những ĐVPX thích hợp.

2.2. SẢN PHẨM ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ VÀ NGUỒN PHÓNG XẠ
Một lượng phong phú các ĐVPX được sản xuất trong những lò phản ứng hạt
nhân. Cả nguồn Côban-60 phóng xạ, được sử dụng rộng rãi như nguồn bức xạ trong
công nghiệp và trong phòng thí nghiệm, cũng được sản xuất trong những lò phản ứng
năng lượng hạt nhân. Những ĐVPX này tiếp tục được xử lý trong những phòng thí
nghiệm/ô “nóng” với sự thông hơi và thiết bị bốc dỡ từ xa đặc biệt. Ngoài ra nhiều
ĐVPX hữu ích được tách ra từ những nhiên liệu đã cháy và tiếp tục xử lý.
Rất nhiều loại đồng vị khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
Nổi bật nhất trong số đó là Ir-192, Co-60, Tm-170, Cs-137, Se-77. Những đồng vị
này đang được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn chụp ảnh công nghiệp. Trong số các
đồng vị này iridium-192, Co-60, Tm-170 được sản xuất trong lò phản ứng hạt
Trang 20