Khảo sát sự thay đổi suất liều bên trong phòng x quang chuẩn đoán y tế theo kích thước phòng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGÔ VINH QUANG

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI SUẤT LIỀU
BÊN TRONG PHÒNG X QUANG CHUẨN ĐOÁN
Y TẾ THEO KÍCH THƯỚC PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGÔ VINH QUANG

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI SUẤT LIỀU
BÊN TRONG PHÒNG X QUANG CHUẨN ĐOÁN
Y TẾ THEO KÍCH THƯỚC PHÒNG

Chuyên ngành: VẬT LÍ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
Mã số chuyên ngành: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2014


LỜI CẢM ƠN
Để đạt kết quả như ngày hôm nay, tôi đã nhận được sự dạy dỗ, giúp đỡ tận tình của
các thầy cô, bạn bè, người thân và gia đình. Thông qua luận văn này, tôi xin chân thành
cảm ơn:
 Cô TS. Trương Thị Hồng Loan, người đã tận tình định hướng và chỉ bảo cho tôi
thực hiện luận văn này.
 Thầy ThS. Thái Mỹ Phê là người trước đây đã hướng dẫn cho em làm khóa luận
tốt nghiệp đại học, nay thầy lại tiếp tục giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn
này.
 Tập thể ban lãnh đạo và nhân viên Bệnh viện Nhi Đồng I TP Hồ Chí Minh đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em có thể hoàn thành luận văn này.
 Thầy TS. Trần Thiện Thanh và thầy TS. Trần Văn Hùng đã đọc và góp ý, góp
phần làm cho luận văn của em hoàn chỉnh hơn.
 Các thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật Lý – Trường Đại học
Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn tôi trong suốt
thời gian học cao học.
 Các kỹ sư vật lý đồng nghiệp tại các bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung Bướu
và bệnh viện 115 đã cung cấp cho tôi những tài liệu quí giá mà nếu không có sự
giúp đỡ này tôi sẽ gặp khó khăn trong nghiên cứu này.
 Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K20, gia đình, người thân và bạn bè
đã ủng hộ, động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng tôi xin chúc quý Thầy Cô và những người mà tôi yêu quý luôn dồi dào
sức khỏe và thành công trong sự nghiệp của mình.
Tôi xin cảm ơn tất cả.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 03 năm 2014.
Ngô Vinh Quang

MỞ ĐẦU
Hiện nay X quang là một kỹ thuật cận lâm sàng không đắt tiền và được thực
hiện một cách nhanh chóng, thích hợp để chuẩn đoán viêm phổi, viêm khớp, gãy
xương, các bệnh lý của tim, phổi, dạ dày, đầu, ngực, bụng, mạch máu… Chụp X quang
là phương pháp tốt trong chẩn đoán hình ảnh, nó giúp các bác sĩ thấy được tình trạng
bên trong cơ thể bệnh nhân, tạo điều kiện cho khâu chẩn đoán bệnh chính xác hơn. Tuy
nhiên, việc chụp X quang cũng ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có những biện
pháp bảo vệ thích đáng. Tính nguy hiểm của các loại máy X quang tuy thấp hơn so với
nguồn phóng xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không phải nhỏ đối với cộng đồng.
Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ và thường xuyên các cơ sở sử dụng máy X quang
vẫn chưa được các cơ sở y tế và các đơn vị quản lý nhà nước về y tế nhận thức và quan
tâm đúng mức.
Trong các bệnh viện hiện nay, việc sử dụng phòng X quang hiện nay gặp nhiều
khó khăn về vấn đề kích thước phòng do hạn chế về diện tích, phòng quá nhỏ dẫn đến
liều chiếu lên bệnh nhân càng cao và che chắn không đủ an toàn sẽ ảnh hưởng đến
bệnh nhân, nhân viên vận hành máy X quang và cả dân chúng nói chung trong khu vực
tác dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát.
Luận văn này được thực hiện với mục đích ứng dụng chương trình mô phỏng
MCNP để mô phỏng phòng X quang nhằm khảo sát sự phân bố liều trong phòng X
quang, khảo sát sự thay đổi liều khi thay đổi kích thước phòng X quang. Với mục đích
trên, luận văn được chia thành 3 chương:
 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIA X
 Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ PHÒNG X QUANG
 Chương 3: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC PHÒNG X
QUANG ĐẾN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU


i

MỤC LỤC
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ – đồ thị
Mở đầu
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ TIA X ........................................................................ 1
1.1. Đại cƣơng về tia X...............................................................................................1
1.1.1. Tƣơng tác của tia X với vật chất .................................................................1
1.1.1.1. Sự hấp thụ quang điện ........................................................................1
1.1.1.2. Tán xạ Rayleigh..................................................................................2
1.1.1.3. Tán xạ Compton ................................................................................ 3
1.1.1.4. Tạo cặp .............................................................................................. 4
1.1.2. Sự hấp thụ và tán xạ tia X ...........................................................................4
1.1.2.1. Sự hấp thụ tia X ..................................................................................4
1.1.2.2. Sự tán xạ tia X ....................................................................................6
1.2. Cấu tạo của máy phát tia X .................................................................................7
1.2.1. Cấu tạo ống phát tia X ................................................................................7
1.2.1.1. Âm cực (Cathode) ..............................................................................9
1.2.1.2. Dƣơng cực (Anode) ..........................................................................11
1.2.1.3. Động cơ quay cảm ứng điện từ ........................................................15
1.2.1.4. Vỏ ống chân không, dầu tản nhiệt, vỏ kim loại, cửa sổ ống phát
tia X ..................................................................................................16
1.2.2. Bộ lọc tia ...................................................................................................19
1.2.3. Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) .........................................................20
1.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X ..........................................................22

1.3.1. Nguyên lý tạo tia X.......................................................................... 22
1.3.1.1. Bức xạ hãm .............................................................................. 22
1.3.1.2. Bức xạ đặc trƣng ..................................................................... 25
CHƢƠNG 2 – AN TOÀN BỨC XẠ PHÒNG X QUANG ........................................... 30

ii

2.1. Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa .................................................................30
2.1.1. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa lên cơ thể sống ................................30
2.1.1.1. Giai đoạn hóa lí ................................................................................30
2.1.1.2. Giai đoạn sinh học ............................................................................31
2.1.2. Các tổn thƣơng do bức xạ ion hóa ............................................................32
2.1.2.1. Tổn thƣơng ở mức phân tử ...............................................................32
2.1.2.2. Tổn thƣơng ở mức tế bào .................................................................32
2.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa ............33
2.2. Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 về an toàn bức xạ ion hóa tại
các cơ sở X quang y tế .......................................................................................34
2.2.1. Phạm vi áp dụng........................................................................................34
2.2.2. Nội dung....................................................................................................34
2.2.2.1. Liều giới hạn.....................................................................................34
2.2.2.2. Bố trí phòng đặt máy X quang .........................................................37
CHƢƠNG 3 – KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA KÍCH THƢỚC PHÒNG
X QUANG ĐẾN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU .................................................................... 41
3.1. Chƣơng trình mô phỏng MCNP ........................................................................41
3.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................41
3.1.2. Đặc điểm của chƣơng trình MCNP ..........................................................43
3.1.2.1. Các thƣ viện dữ liệu đƣợc sử dụng...................................................43
3.1.2.2. Các bảng số liệu ...............................................................................43
3.1.3. Cấu trúc của MCNP ..................................................................................44
3.1.4. Cấu trúc của một file input của chƣơng trình MCNP ...............................45
3.1.4.1. Cell cards ..........................................................................................46
3.1.4.2. Surface cards ....................................................................................46
3.1.4.3. Data cards .........................................................................................48
3.1.5. Sai số trong MCNP ...................................................................................52

3.2. Kết quả khảo sát sự thay đổi liều theo kích thƣớc phòng X quang chuẩn
đoán y tế bằng chƣơng trình MCNP ..................................................................53


iii

3.2.1. Mô phỏng phòng X quang thƣờng quy tại bệnh viện Nhi đồng I .............53
3.2.1.1. Mô tả phòng máy X quang ...............................................................53
3.2.1.2. Thông số và cấu trúc hình học máy X quang ...................................55
3.2.2. Kết quả và thảo luận .................................................................................56
3.2.2.1. Khảo sát phân bố suất liều theo khoảng cách ..................................57
3.2.2.2. Khảo sát suất liều bên ngoài phòng X quang ...................................61
3.2.2.3. Khảo sát sự thay đổi suất liều bên trong phòng X quang khi
giảm kích thƣớc phòng .....................................................................62
3.2.2.4. Khảo sát sự thay đổi suất liều tại giƣờng bệnh nhân khi giảm
kích thƣớc phòng ..............................................................................72
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................74
PHỤ LỤC .......................................................................................................................77


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode ......29
Bảng 2.1. Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều ............................................................33
Bảng 2.2. Liều giới hạn trong một năm .......................................................................35
Bảng 2.3. Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với
bệnh nhân (TCVN 6561:1999) ...................................................................36
Bảng 2.4. Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp 1 phim ......37
Bảng 2.5. Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang các loại
theo TCVN 6561:1999 ................................................................................39

Bảng 3.1. Một số loại mặt được định nghĩa trong MCNP ...........................................47
Bảng 3.2. Các loại tally trong MCNP ..........................................................................51
Bảng 3.3. Các đại lượng tương ứng với tally ............................................................... 52
Bảng 3.4. Chú giải sai số tương đối R trong MCNP....................................................52
Bảng 3.5. Kết quả đo suất liều theo khoảng cách ........................................................57
Bảng 3.6. Kết quả tính toán suất liều tại một số điểm bên trong phòng ......................58
Bảng 3.7. Kết quả tính toán suất liều tại một số điểm bên ngoài phòng......................62
Bảng 3.8. Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 20 cm .....................64
Bảng 3.9. Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 40 cm .....................66
Bảng 3.10. Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 60 cm ...................68
Bảng 3.11. Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 80 cm ...................70
Bảng 3.12. Sự thay đổi suất liều tại giường bệnh nhân khi giảm kích thước phòng ...72


DANH MỤC CÁC HÌNH – ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tương tác của tia X với vật chất ....................................................................1
Hình 1.2. Sự hình thành bức xạ hủy ..............................................................................4
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang .........................................................7
Hình 1.4. Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường .......................8
Hình 1.5. Các bộ phận chính của ống tia X trong máy X quang hiện đại .....................8
Hình 1.6. Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ .......9
Hình 1.7. Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm điện tử của chén tội tụ ....10
Hình 1.8. Các thành phần của một ống tia X có anode cố định...................................11
Hình 1.9. Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định ...........................................12
Hình 1.10. Cấu tạo anode quay ....................................................................................12
Hình 1.11. Diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và diện tích bao phủ của vùng tia
X thay đổi theo góc vát ..............................................................................13
Hình 1.12. Mặt cắt của một anode RTM .....................................................................14
Hình 1.13. Mặt cắt của một anode RTM – than chì ...................................................15
Hình 1.14. Cấu tạo của động cơ cảm ứng điện từ ........................................................15

Hình 1.15. Bầu thủy tinh chứa anode quay..................................................................16
Hình 1.16. Bộ lọc tia ....................................................................................................19
Hình 1.17. Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn .................................................20
Hình 1.18. Mặt cắt ngang bộ chuẩn trực loại R20–J của hãng Shimadzu ...................21
Hình 1.19. Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia .....................23
Hình 1.20. Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp ...........24
Hình 1.21. Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng ...........................................26
Hình 1.22. Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử ................28
Hình 2.1. Mô hình phòng X quang ..............................................................................37
Hình 2.2. Mặt cắt ngang mô hình phòng X quang .......................................................38
Hình 3.1. Mô hình phòng X quang thường quy ở bệnh viện Nhi đồng I ....................53
Hình 3.2. Mặt cắt ngang của phòng X quang .............................................................. 54
Hình 3.3. Mặt cắt dọc của phòng X quang ..................................................................55


Hình 3.4. Máy X quang sử dụng ở bệnh viện Nhi đồng I............................................55
Hình 3.5. Mô tả mặt cắt dọc của anode, tấm lọc nhôm và collilmator ........................56
Hình 3.6. Sơ đồ các điểm khảo sát phân bố suất liều bên trong phòng X quang ........57
Hình 3.7. Phân bố suất liều tại các điểm từ 1 đến 15...................................................59
Hình 3.8. Phân bố suất liều tại các điểm từ 15 đến 29.................................................60
Hình 3.9. Phân bố suất liều tại các điểm từ 29 đến 43.................................................60
Hình 3.10. Phân bố suất liều tại các điểm từ 43 đến 56...............................................60
Hình 3.11. Sơ đồ các điểm khảo sát phân bố suất liều bên ngoài phòng X quang ......61
Hình 3.12. Sơ đồ các điểm khảo sát trước và sau khi thay đổi kích thước phòng .......63
Hình 3.13. Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 20 cm ................65
Hình 3.14. Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 40 cm ................67
Hình 3.15. Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 60 cm ................69
Hình 3.16. Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 80 cm ................71

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TIA X
1.1. Đại cƣơng về tia X
1.1.1. Tƣơng tác của tia X với vật chất

Hình 1.1. Tương tác của tia X với vật chất
1.1.1.1. Sự hấp thụ quang điện
Tia X là sóng điện từ nên mang lưỡng tính sóng – hạt. Tính hạt là kết quả
của sự lượng tử hóa sóng điện từ liên tục thành các hạt gián đoạn gọi là “photon”.
Lượng tử photon đóng vai trò then chốt trong việc giải thích hiện tượng quang điện.
Sự hấp thụ quang điện là sự tương tác của photon tới với các electron lớp bên
trong nguyên tử hấp thụ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng photon tới. Photon tới
truyền hết năng lượng của nó cho electron và đồng thời giải phóng electron quỹ đạo
ra khỏi lớp nguyên tử (thường là lớp K), có động năng EK chính bằng sự chênh lệch
giữa năng lượng photon tới E0, với năng lượng liên kết của lớp vỏ electron EBE:
EK = E0 – EBE

(1.1)

Khi electron phóng ra sẽ để lại lổ trống và ngay sau đó được lấp đầy bởi các
electron từ lớp ngoài với năng lượng liên kết nhỏ hơn (từ lớp L hay M). Chính sự
dịch chuyển này đã tạo ra tia X đặc trưng.

-1-


Nếu năng lượng photon tới nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron thì
tương tác quang điện không thể xảy ra. Khi năng lượng photon tới tăng dần lên trên
mức năng lượng liên kết của lớp vỏ nguyên tử, xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện
giảm theo tỉ lệ 1/E3. Sau khi xảy ra hiệu ứng quang điện, nguyên tử bị ion hóa trở

thành ion dương đồng thời phóng thích electron quang điện. Các electron này có thể
gây ion hóa thứ cấp khi va chạm với những electron khác. Ngay sau đó, do sự dịch
chuyển của các electron ở lớp cao hơn lấp các lổ trống và gây ra sự phát bức xạ tia
X đặc trưng.
Hầu hết các mô trong cơ thể con người đều chứa các nguyên tố có nguyên tử
số thấp (Hidro Z=1, Cacbon Z=6, Nitơ Z=7 và Oxi Z=8), tức là có năng lượng liên
kết ở lớp K thấp, và hiệu suất tạo tia X đặc trưng đối với các nguyên tố có Z<10 gần
như là bằng “0”. Trong các nguyên tố này việc tạo ra electron Auger chiếm ưu thế.
Do đó, đối với sự hấp thụ quang điện trong mô, năng lượng của photon tới bị hấp
thụ hoàn toàn. Tuy nhiên, đối với các thành phần chứa các nguyên tố có bậc số
nguyên tử cao thì năng lượng liên kết của lớp K cao (Iot Z=53, EB=33,2keV;
Gadolini Z=64, EB=50,2keV). Do đó các tia X đặc trưng được tạo ra có năng lượng
cao (28,6  32,3 và 43  48,7keV) và có thể lan truyền ra khoảng cách khá xa.
Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện, kí hiệu là  , tỉ lệ thuận với lập phương
bậc số nguyên tử của nguyên tố tương tác và tỉ lệ nghịch với lập phương năng lượng
photon tới, Z3/E3. Do đó sự hấp thụ quang điện thường xảy ra với các nguyên tố có
bậc số nguyên tử cao và năng lượng tia X thấp. Chính điều đó đã giải thích tại sao
các đầu dò tia X, các thiết bị bảo vệ thường làm bằng vật liệu cấu tạo từ các nguyên
tố có bậc số nguyên tử cao như Ga, Pb…
1.1.1.2. Tán xạ Rayleigh
Trong tán xạ Rayleigh, photon tới có thể tương tác với electron và bị tán xạ
mà không mất năng lượng. Quá trình này gọi là tán xạ đàn hồi, trong đó năng lượng
của electron tăng lên nhưng vẫn không thoát ra khỏi nguyên tử. Sau đó electron trở
về mức năng lượng ban đầu bằng cách phát ra photon có cùng năng lượng với
photon tới nhưng khác hướng. Ở đây không có sự hấp thụ năng lượng và hầu hết

-2-


các photon tới bị tán xạ với một góc rất nhỏ. Xác suất để xảy ra tán xạ Rayleigh, kí

hiệu là coh , tăng theo bậc số nguyên tử Z của nguyên tố hấp thụ và giảm theo năng
lượng tia X. Do đó, trong mô mềm xác suất xảy ra sự tán xạ này rất thấp do bậc số
nguyên tử hiệu dụng của các mô mềm thấp (Z  7,5).
1.1.1.3. Tán xạ Compton
Tán xạ Compton là sự tương tác không đàn hồi giữa photon với electron
nguyên tử, trong đó photon có năng lương E0 lớn hơn rất nhiều so với năng lượng
liên kết của electron nguyên tử (trong trường hợp này electron được xem như là tự
do). Một phần năng lượng của photon tới truyền cho electron gây ra sự giật lùi và
electron bị dịch chuyển khỏi nguyên tử một góc  . Phần năng lượng còn lại Es được
truyền cho photon tán xạ với góc  tương ứng với quỹ đạo photon tới.
Trong khi photon tán xạ có thể di chuyển theo nhiều hướng (góc tán xạ  từ
00 đến 1800), electron giật lùi chỉ có thể hướng về phía trước tương ứng với góc của
photon tới (lớn hơn 00 đến gần bằng 900). Theo định luật bảo toàn năng lượng và
động lượng, ta có phương trình Klein – Nishina:
ES =

E0

E0
1+
(1-cos)
m 0 c2

(1.2)

Theo phương trình Klein – Nishina năng lượng tia X tán xạ sẽ nhỏ đi khi
tăng góc tán xạ và năng lượng photon tới. Trong tán xạ Compton, do photon tới
tương tác với các electron tự do nên xác suất xảy ra tương tác, kí hiệu là  , tỉ lệ với
mật độ của electron trong vật liệu. Trong khoảng năng lượng của tia X dùng trong
chuẩn đoán hình ảnh (10→15 keV), xác suất để hiệu ứng Compton xảy ra phụ thuộc

vào năng lượng, mặc dù ở mức năng lượng cao hơn xác suất đó giảm đi khoảng
1/E0.
Tại mức năng lượng thấp, photon tán xạ lấy đi một phần năng lượng của
photon tới, nhưng khi năng lượng tăng lên, một phần năng lượng lớn hơn lại được
truyền cho electron giật lùi.

-3-


1.1.1.4. Tạo cặp

Hình 1.2. Sự hình thành bức xạ hủy
Sự tạo cặp xảy ra khi photon tới có năng lượng lớn hơn 1,022MeV (2m0c2).
Sự tương tác của photon tới với trường điện từ của hạt nhân sẽ sinh ra cặp electron
(e-) – positron (e+), trong đó năng lượng của photon sẽ chuyển thành động năng của
cặp e-/e+. Nguyên tử vẫn không bị ion hóa mặc dù các hạt tích điện được hình thành
và động năng của chúng có thể gây ra sự ion hóa. Ngay khi động năng của positron
giảm hết thì chúng sẽ liên kết với các electron có sẵn và sinh ra bức xạ hủy.
Do khối lượng nghỉ của photon bằng không, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu
năng lượng nghỉ của electron và positron (2m0c2=1,022MeV). Do đó, hiệu ứng tạo
cặp có thể bỏ qua khi năng lượng của photon nhỏ hơn 1,022MeV. Xác suất của hiệu
ứng tạo cặp, kí hiệu là  , sẽ tăng với năng lượng trên 1,022MeV.
1.1.2. Sự hấp thụ và tán xạ tia X
1.1.2.1. Sự hấp thụ tia X
Do các quá trình tương tác quang điện, Compton, tạo cặp nên tia X khi đi
xuyên qua vật chất năng lượng, mật độ chùm tia có thể giảm đi và do đó cường độ
chùm tia sẽ bị suy giảm. Sự suy giảm này được tính theo định luật Beer. Nếu I 0 là
cường độ chùm tia X tới, I là cường độ tia X ra khỏi lớp vật chất, d là bề dày lớp vật
chất mà tia X xuyên qua định luật hấp thụ Beer thể hiện như sau:

-4-


I=I 0 .e-d

(1.3)

Trong đó,  là hệ số suy giảm theo chiều dài đặc trưng cho bản chất hấp thụ
tia X của vật chất và mật độ vật chất. Vì quá trình hấp thụ phụ thuộc ngẫu nhiên vào
xác suất xảy ra các hiệu ứng ở trên nên hệ số suy giảm được xem như là tổng hệ số
suy giảm của từng hiệu ứng:
       

(1.4)

Với   ,   ,   lần lượt là hệ số suy giảm của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng
Compton và hiệu ứng tạo cặp. Trong nhiều trường hợp để thể hiện rõ khả năng làm
giảm cường độ bức xạ qua các loại vật liệu khác nhau người ta sử dụng hệ số suy
giảm khối m   /  trong đó ρ là mật độ vật chất. Áp dụng công thức Beer sẽ làm
xuất hiện đại lượng mới dm=d.ρ (kg/m2) gọi là bề dày khối của bản vật chất. Khi
khảo sát một cách định tính ta thấy rằng sự hấp thụ tia X trong vật chất phụ thuộc
vào một số yếu tố sau:
- Thể tích của vật bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thu càng nhiều.
Bề dày cơ thể càng lớn, sự hấp thụ tia X càng nhiều. Người ta nhận thấy rằng tia X
sẽ suy giảm 50% khi đi qua lớp vật liệu nào đó dày 1cm thì sẽ giảm 25% nữa khi đi
qua 1cm tiếp theo của vật liệu đó. Và chỉ còn 12,5% khi đi qua độ dày 3cm. Như
vậy sau khi đi qua một vật liệu không dày lắm tia X sẽ chỉ còn không đầy 1% cường
độ ban đầu.
- Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ
bị hấp thụ càng nhiều.

- Nguyên tử số của vật chất: số thứ tự của nguyên tử vật chất càng cao thì số
điện tử chứa trong hình cầu nguyên tử càng lớn. Đường kính nguyên tử lớn nên khả
năng va chạm giữa những điện tử và photon tia X lớn nên quá trình hấp thụ càng dễ
xảy ra. Nói cách khác sự thấp thụ tăng theo trọng lượng nguyên tử của chất bị chiếu
xạ.

-5-


- Mật độ nguyên tử: số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật càng
nhiều thì sự hấp thu tia X càng tăng. Ví dụ nước ở trạng thái lỏng hấp thụ tia X
nhiều hơn ở trạng thái hơi.
1.1.2.2. Sự tán xạ tia X
Sự tán xạ của tia X có quy luật khác với sự tán xạ của ánh sáng trong vùng
quang phổ học (là vùng ánh sáng nhìn thấy hay tia tử ngoại). Như ta đã biết, trong
vùng quang phổ học, ở đó độ dài sóng ánh sáng cỡ 10-5cm, như vậy lớn hơn nhiều
kích thước của nguyên tử (cỡ A0=10-8 cm) sự tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4
của bước sóng.
Trong vùng tia X, độ dài bước sóng của nó cùng bậc về giá trị với kích thước
của nguyên tử. Như vậy quy luật về tán xạ với tia X sẽ phải khác. Cụ thể, về sự tán
xạ được khảo sát như kết quả của những dao động cưỡng bức của những điện tử
dưới tác dụng của trường điện từ của sóng Roentgen tới. Thomson trước đây đã đưa
ra công thức sau cho hệ số tán xạ nguyên tử:
a 

Với

8 e4
.Z
3 m 2 c4

a : hệ số tán xạ nguyên tử,

e: điện tích của electron (Coulomb),
m: khối lượng electron (kg),
c: tốc độ ánh sáng (cm/s),
Z: số thứ tự nguyên tố.
Ta xác định được tiết diện hiệu dụng của nguyên tử
a 

8 e4
 6,57.1025 cm2
3 m 2 C4

Bán kính hiệu dụng của tiết diện này rất nhỏ
r0  4,57.1013 cm

-6-

(1.5)


1.2. Cấu tạo của máy phát tia X [1], [3], [18]
Một hệ thống chụp ảnh tia X thông dụng bao gồm các khối chức năng sau:
Máy tạo điện thế cao
(generator)

Bàn điều khiển
(console)

Ống tia X
(X ray tube)

Hệ thống ghi ảnh

Bệnh nhân

Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang
 Bàn điều khiển là nơi người vận hành có thể thay đổi các thông số của
ống phát tia X (điện thế, cường độ, thời gian phát tia).
 Máy tạo điện thế cao (generator) là nơi cung cấp một hiệu điện thế cao
cho các điện cực của ống tia X để gia tốc chùm điện tử.
 Ống tia X (X ray tube) là nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng phát bức xạ
hãm.
 Hệ thống ghi ảnh (image receptor) có thể là một tấm phim X quang hay
một hệ thống biến hình ảnh tia X thành hình ảnh mà mắt thường có thể
nhìn thấy trên một màn hình.
Dưới đây tác giả xin tập trung vào phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động
của ống phát tia X và một số bộ phận chính của máy phát tia X.
1.2.1. Cấu tạo ống phát tia X
Trong máy X quang, bộ phận quan trọng nhất là ống phát tia X, có chức
năng tạo ra tia X thông qua cơ chế bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng.
Về nguyên tắc, mọi ống phát tia X đều được cấu tạo từ hai bản cực: một bản
cực âm (cathode) và dương cực (anode), ngoài ra còn có các bộ phận phụ trợ như
rotor, stator, vỏ ống…
Những ống phát tia X thế hệ đầu tiên được chế tạo vào khoảng cuối thế kỉ 19
bởi William Crookes và các cộng sự được gọi là ống phát âm cực nguội. Dòng điện

-7-

tử được giải phóng khi âm cực nhôm ion hóa lượng không khí ít ỏi bên trong buồng
chứa thủy tinh giải phóng dòng electron tự do, rồi sau đó gia tốc chúng bằng nguồn
cao thế (cỡ 100kV), bắn phá vào bia dương cực Platin đặt nghiêng và phát ra tia X.
Năm 1913, William Coolidge đã cải tiến ống phát tia X bằng cách dùng âm
cực sợi đốt thay thế cho âm cực nguội để đạt được công suất phát cao hơn. Sự cải
tiến này chính là nền tảng cho sự phát triển của thế hệ ống phát tia X ngày nay.

Hình 1.4. Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường

Hình 1.5. Các bộ phận chính của ống tia X trong máy X quang hiện đại

-8-


Ống phát tia X hiện đại ít sử dụng dương cực tĩnh như trong các thế hệ đầu
mà dùng dương cực quay bằng cảm ứng điện từ. Như vậy, ống phát tia X hiện đại là
sự kết hợp giữa âm cực nguội, dương cực quay và các kết cấu thích hợp khác. Tuy
nhiên, thế hệ ống phát tia X của Coolige với dương cực tĩnh vẫn được dùng trong
một số kỹ thuật X quang đặc thù như X quang nha, X quang cầm tay…
1.2.1.1. Âm cực (Cathode)
Âm cực (Cathode) là bộ phận có chức năng cơ bản là tạo ra chùm điện tử và
hội tụ chúng thành một chùm tia được gia tốc đến dương cực (Anode) để sinh ra tia
X. Một âm cực điển hình bao gồm hai thành phần chính là dây tóc (sợi filament) và
chén hội tụ (foscusing cup).
a. Dây tóc (sợi filament)

Hình 1.6. Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ
Dây tóc (sợi filament) là hệ hai tim đèn sợi đốt dạng lò xo xoắn (để tăng diện
tích bức xạ điện tử) có chiều dài khác nhau nằm thẳng đứng song song và được gắn

chìm vào trong một chén hội tụ.
Vật liệu dùng làm tim đèn thường là hợp kim Vonfram và Thorium. Nguyên
tố Vonfram kim loại chuyên sử dụng làm sợi đốt vì là một kim loại nặng, dẫn nhiệt
tốt và có nhiệt độ nóng chảy cao (33700C). Nguyên tố Thorium thường được bổ
sung vào sợi đốt Vonfram để tăng cường hiệu suất phát xạ điện tử và tăng tuổi thọ
sợi đốt.

-9-


Phần lớn bóng X quang hiện nay đều có hai hệ thống chén hội tụ và hai sợi
tóc nhằm mở rộng cho nhiều ứng dụng riêng biệt. Sợi tóc lớn có kích thước 1,2mm
dùng để chụp những cơ quan lớn, dày cần công suất cao. Sợi tóc nhỏ có kích thước
khoảng 0,6mm dùng để chụp những bộ phận nhỏ cần công suất thấp. Hai sợi tóc
này được nung nóng bằng mạch điện với hiệu điện thế hai đầu là 10V, dòng điện
qua sợi tóc bóng X quang trong khoảng từ 3 đến 7A.
b. Chén hội tụ (foscusing cup)
Chùm điện tử phát ra từ âm cực (cathode) được gia tốc bằng nguồn cao thế
cỡ 20 đến 80kVp đến đập vào dương cực (anode) là chùm phân kỳ, nếu không có sự
hiệu chỉnh thì chùm tia này sẽ đập vào anode trên diện tích rộng, điều này sẽ làm
mờ hình ảnh X quang. Do đó cần phải có một thiết bị có chức năng hội tụ chùm
điện tử thẳng đến anode được gọi là chén hội tụ (hình 1.6).
Chén hội tụ được đặt vào cùng giá trị hiệu điện thế với tim đèn và điện
trường mà nó sinh ra, có tác dụng làm thay đổi các đường đẳng thế của điện trường,
giới hạn sự mở rộng chùm điện tử khiến chùm điện tử hội tụ lại trên một điểm đặt

Điện thế V
(so với chén hội tụ

biệt trên anode (focal spot), chính điều này làm tăng độ nét của hình ảnh X quang.

Hình 1.7.a

Hình 1.7.b

Hình 1.7. Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm điện tử của chén tội tụ

- 10 -


Nếu chén hội tụ được thêm vào một hiệu điện thế âm chênh lệch với tim đèn
thì tác dụng càng rõ rệt, kích thước vết tiêu càng nhỏ. Chén hội tụ làm thay đổi hình
dạng phân bố chùm điện tử khi nó có cùng giá trị điện áp với sợi tóc (hình 1.7.a).
Chén hội tụ được tích điện âm có giá trị lệch khoảng 100V so với sợi tóc có tác
dụng làm giảm bề rộng chùm điện tử mạnh hơn (hình 1.7.b).
1.2.1.2. Dƣơng cực (Anode)
Dương cực (anode) là nơi tia X được tạo ra, nó là một bia hứng điện tử, được
làm bằng kim loại có cấu trúc cứng và có mật độ phân tử cao, mang điện thế tương
ứng với điện thế của âm cực. Anode có hai cấu hình: ống tia X có công suất bé dùng
trong chụp ảnh răng có anode là một bia cố định (anode tĩnh) và ống tia X có công
suất lớn thường có anode dạng đĩa, có thể quay quanh một trục (anode quay).
a. Anode tĩnh
Bao gồm một bia bằng Volfram là nơi chùm electron bắn vào để tạo ra tia X,
được gắn chặt vào một khối đồng lớn. Khối đồng có vai trò nâng đỡ bia Volfram và
tiêu tán nhiệt cho bia Volfram vì đồng có khả năng dẫn nhiệt tốt.

Hình 1.8. Các thành phần của một ống tia X có anode cố định
Anode thường được đặt nghiêng một góc từ 150 đến 200 so với mặt phẳng
thẳng đứng, góc nghiêng này quyết định diện tích hội tụ của chùm electron (là phần
diện tích của anode bị chùm electron bắn vào).

Nhược điểm của loại anode này là diện tích bia bị bắn phá nhỏ nên giới hạn
tốc độ tiêu tán nhiệt và do đó giới hạn dòng cực đại qua ống và hạn chế hiệu suất
phát tia.

- 11 -


Loại bóng này dùng trong các máy X quang công suất nhỏ như máy X quang
nha, máy X quang di động, máy chiếu (fluoro).

Hình 1.9. Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định
b. Anode quay

Hình 1.10. Cấu tạo anode quay
Khi sử dụng anode cố định thì chùm điện tử chỉ đập vào một vị trí cố định
trên bia, làm nhiệt độ ở vị trí này rất cao, đồng thời làm giảm công suất của bóng và
giảm tuổi thọ của anode. Do đó, người ta thường sử dụng anode quay để thay đổi
liên tục điểm tiếp xúc của anode và chùm điện tử, làm cho diện tích vết hội tụ rất bé
so với diện tích giải nhiệt, giúp tiêu tán nhiệt lượng sinh ra trong quá trình phát tia
X làm tăng công suất bóng và tăng tuổi thọ anode. Ngoài ra, chuyển động quay còn

- 12 -


làm cho vị trí va chạm của điện tử lên anode thay đổi liên tục, điều này làm cho
anode mòn đều nên không ảnh hưởng đến góc phát tia. Do những ưu điểm trên mà
anode quay được sử dụng phổ biến trong các ống phát tia X hiện đại mặc dù nó đòi
hỏi những thiết kế và kĩ thuật phức tạp.
Các anode quay có hình dạng bia có góc vát nghiêng một góc  , có tác dụng
hướng tia X ló ra phía biên của ống phát. Đường phân giác của góc vát phải nằm

trong vùng ló ra của tia X. Tùy vào mục đích sử dụng mà góc ta thiết kế và lựa chọn
góc vát của anode phù hợp. Góc vát càng nhỏ thì độ phân giải không gian càng lớn
nhưng lại làm giảm diện tích hiệu dụng của tiêu điểm và diện tích bao phủ của vùng
tia X phát xạ (hình 1.11).

Hình 1.11. Diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và diện tích bao phủ của vùng tia X
thay đổi theo góc vát
Anode với góc vát nhỏ (70  90) thích hợp với các thiết bị thu nhận cỡ nhỏ
như máy chụp X quang động mạch, chụp dây thần kinh... Các máy X quang thường
quy thông dụng yêu cầu vùng chụp lớn thì thường sử dụng anode có góc vát lớn
(120  150). Kích thước của đĩa anode nằm trong khoảng từ 5cm đến 12,5cm, kích
thước này quyết định khả năng chịu nhiệt của anode.
Khi chùm điện tử đập vào anode, hơn 90% năng lượng của chùm điện tử
được chuyển hóa thành nhiệt, chỉ dưới 1% năng lượng của chúng chuyển hóa thành

- 13 -


tia X. Vì vậy, dương cực phải có khả năng chịu nhiệt cao. Một số vật liệu được sử
dụng làm dương cực là Vonfram (W, Z=74), Molybdenum (Mo, Z=42) hoặc
Rhodinum (Rh, Z=45). Tuy nhiên, hầu hết các ống tia X đều sử dụng Vonfram làm
vật liệu anode vì Vonfram có số hiệu nguyên tử lớn, cho tỉ lệ bức xạ hãm cao, khả
năng chịu nhiệt cao do có điểm nóng chảy cao, khả năng bay hơi rất thấp. Trong
nhiều năm Vonfram tinh khiết thường được sử dụng làm vật liệu anode.
Công nghệ chế tạo anode quay ngày càng phát triển. Anode quay Vonfram
được sản xuất trên cơ sở chuẩn luyện kim bột, hạn chế của công nghệ này là sự mài
mòn bề mặt do sự nén cơ nhiệt cao. Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng
cường độ tia X và gây nên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng. Ở đây, một phần bức xạ
trong những lớp sâu hơn của anode bị hấp thụ trước khi rời khỏi anode. Thêm vào
đó là sự biến dạng cơ học xảy ra có thể phá hủy anode.

Trong những năm gần đây hợp kim của Vonfram và Reni (10% Rhenium và
90% Vonfram) được sử dụng làm vật liệu bề mặt anode. Việc sử dụng một hợp kim
Vonfram – Reni cung cấp thêm khả năng chống thương tổn bề mặt, cho phép sử
dụng ống phát tia X trong khoảng thời gian dài. Công nghệ nâng cao dựa trên
nguyên liệu hỗn hợp Reni – Vonfram – Molyden (RTM). Anode RTM là loại anode
có bề mặt là lớp hợp kim Reni – Vonfram dày khoảng 1,3mm, tiếp theo là lớp
Molybdenum dày từ 5 đến 11mm (một số hãng sản xuất sử dụng Graphit thay cho
Molybdenum). Hợp kim Reni – Vonfram thường có tỉ lệ khối lượng tùy thuộc vào
mỗi hãng sãn xuất.

Hình 1.12. Mặt cắt của một anode RTM
Một giải pháp tối ưu để điều khiển khả năng tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt có
thể đạt được trong một anode giới nội với tấm than chì. Với anode nhiệt, tấm RTM
được hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống được sản xuất với trọng tải lớn hơn 3.106J
hoạt động tại công suất nhiệt trung bình 4kW.

- 14 -


Hình 1.13. Mặt cắt của một anode RTM – than chì
1.2.1.3. Động cơ quay cảm ứng điện từ

Hình 1.14. Cấu tạo của động cơ cảm ứng điện từ
Động cơ quay cảm ứng điện từ có ba bộ phận chính là động cơ quay (rotor),
động cơ tĩnh (stator) và vòng bi. Tổ hợp rotor, vòng bi và anode được đặt bên trong
một lồng thủy tinh, còn stator được đặt bên ngoài. Chuyển động quay được thực
hiện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Vòng bi có tác dụng giảm ma sát và đảm
bảo ổn định quá trình quay của rotor.
Tốc độ quay của rotor thường khoảng 3000 vòng/phút (chậm) đến 10000
vòng/phút (nhanh). Tốc độ quay nhanh hay chậm của rotor phụ thuộc vào tần số

nguồn cung cấp là một pha (50→60Hz) hay là ba pha (170→180Hz). Tốc độ quay
của rotor cũng ảnh hưởng đến vùng điện tử bắn vào đĩa anode.

- 15 -