Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu che chắn phòng x quang trong chẩn đoán y tế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN



Đề tài:

SVTH : Nguyễn Thanh Vương
CBHD : ThS. Thái Mỹ Phê
CBPB : TS. Huỳnh Trúc Phương

TP HỒ CHÍ MINH-2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT
LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X QUANG
TRONG CHẨN ĐOÁN Y TẾ
SVTH : Nguyễn Thanh Vương
CBHD : ThS.Thái Mỹ Phê

CBPB : TS.Huỳnh Trúc Phương

TP HỒ CHÍ MINH-2011


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy ThS. Thái
Mỹ Phê đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện khóa luận và cảm ơn
Bệnh viện Nhi Đồng I đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi tham quan và thu thập số
liệu.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Vật lý-Vật lý Kĩ thuật, hơn
hết là quý Thầy Cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Tp. Hồ Chí Minh về những kiến thức mà tôi đã thu nhận được trong suốt bốn năm đại
học.
Xin chân thành cảm ơn thầy TS. Huỳnh Trúc Phương đã nhận xét và góp ý để
hoàn chỉnh khóa luận.
Trong những năm xa gia đình, tôi đã nhận được sự hỗ trợ rất lớn về vật chất và
tinh thần từ những người thân. Đặc biệt cảm ơn bố mẹ đã ngày đêm động viên, nuôi
nấng, dạy dỗ tôi đến ngày hôm nay.
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.
Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011
Nguyễn Thanh Vương


i

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC ....................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG VẼ ..................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Nhu cầu che chắn phòng X-quang ................................................................... 3
1.2. Ý nghĩa kinh tế trong việc che chắn hợp lý ..................................................... 4
1.3. Mục đích chính của việc che chắn ................................................................... 4
1.3.1. Đối với nhân viên bức xạ ...................................................................... 4
1.3.2. Đối với môi trường chung quanh .......................................................... 5
1.3.3. Đối với bệnh nhân ................................................................................. 5
Chương 2: NGUYÊN LÝ HẤP THỤ TIA X VÀ GAMMA
KHI XUYÊN QUA VẬT CHẤT
2.1. Hệ số hấp thụ tuyến tính ................................................................................. 6
2.2. Hệ số hấp thụ khối lượng ................................................................................ 8
2.3. Ý nghĩa vật lý của các hệ số hấp thụ ............................................................... 9
2.4. Hình học của chùm tia xuyên qua vật chất ................................................... 10
2.4.1. Nguồn có chuẩn trực .......................................................................... 10
2.4.2. Nguồn không chuẩn trực .................................................................... 11
2.5. Bề dày hấp thụ một nửa (HVL)..................................................................... 15
Khóa luận tốt nghiệp đại học


ii
Chương 3: VẬT LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X-QUANG
3.1. Tấm chì (Pb) .................................................................................................. 19
3.1.1. Tính chất vật lý và hóa học ................................................................ 19
3.1.2. Đặc tính của chì trong việc che chắn tia X ........................................ 21
3.2. Thạch cao ...................................................................................................... 22
3.2.1. Tính chất vật lý và hóa học ................................................................ 22

3.2.2. Đặc tính của thạch cao trong việc che chắn tia X .............................. 23
3.3. Bê tông .......................................................................................................... 24
3.3.1. Tính chất vật lý và hóa học ................................................................ 25
3.3.2. Đặc tính của bê tông trong việc che chắn tia X ................................. 26
Chương 4: ÁP DỤNG TRONG CHE CHẮN PHÒNG X-QUANG
4.1. Nguyên lý cơ bản ......................................................................................... 28
4.2. Máy X-quang thông thường ......................................................................... 29
4.2.1. Tiêu chuẩn kích thước phòng ............................................................. 29
4.2.2. Tính toán bề dày các rào cản .............................................................. 32
4.2.3. Kết quả thu được ................................................................................ 45
4.3. Máy X quang chụp nha ................................................................................ 46
4.3.1. Tiêu chuẩn kích thước phòng ............................................................. 46
4.3.2. Tính toán bề dày các rào cản .............................................................. 48
4.3.3. Kết quả thu được ................................................................................ 55
4.4. Kiểm tra bằng thực nghiệm .......................................................................... 55
4.4.1. Phòng chụp X-quang thông thường ................................................... 56
4.4.2. Phòng chụp X-quang nha khoa .......................................................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 60
Khóa luận tốt nghiệp đại học


iii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Thông số làm khớp của các vật liệu ứng với các cao áp (kVp) khác nhau . 16
Bảng 4.1. Hệ số chiếm giữ (T) cho một số khu vực .................................................... 33
Bảng 4.2. Bề dày tương đương của các vật liệu “chắn trước” chùm tia chính
(Dixon, 1994) .............................................................................................. 35

Bảng 4.3. Liều hấp thụ bức xạ thứ cấp tại khoảng cách 1m không có che chắn ........ 37
Bảng 4.4. Kết quả tính toán bề dày các rào cản bức xạ cho phòng X-quang thông
thường ......................................................................................................... 46
Bảng 4.5. Những điều kiện của rào cản đối với phòng X-quang nha ........................ 47
Bảng 4.6. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Tây cho thạch cao và chì .............. 50
Bảng 4.7. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Đông cho thạch cao và chì ............ 52
Bảng 4.8. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Bắc cho thạch cao và chì ............... 53
Bảng 4.9. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Nam cho thạch cao và chì ............. 54
Bảng 4.10. Bề dày cần thiết của vật liệu che chắn cho phòng X-quang nha (mm)
sử dụng máy Gendex 765DC ..................................................................... 55

Khóa luận tốt nghiệp đại học


iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1. Phổ sóng điện từ ........................................................................................... 6
Hình 2.2. Chùm tia xuyên qua vật chất khi có chuẩn trực ......................................... 10
Hình 2.3. Chùm tia xuyên qua vật chất khi nguồn không chuẩn trực ........................ 12
Hình 2.4. Sự phụ thuộc của giá trị HVL vào cao áp (kVp) với một số vật liệu ......... 17
Hình 2.5. Sự mất năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nửa .......... 18
Hình 3.1. Mô hình mặt cắt vách thạch cao ................................................................. 24
Hình 3.2. Minh họa một tấm sàn điển hình với bê tông được đổ lên thép ................. 27
Hình 4.1. Sự phát bức xạ từ ống phát tia X ................................................................ 28
Hình 4.2. Thiết kế điển hình cho khu vực điều khiển trong phòng X-quang ............ 30
Hình 4.3. Bản vẻ phòng X-quang theo chiều dọc ...................................................... 31
Hình 4.4. Bản vẻ phòng X-quang theo chiều ngang .................................................. 32
Hình 4.5. Sự suy giảm chùm tia chính qua bê tông .................................................... 35
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của bề dày rào cản bê tông thứ cấp vào NT/Pd2 .................. 38

Hình 4.7. Sự suy giảm của chùm tia chính qua chì .................................................... 40
Hình 4.8. Bề dày chì cho rào cản thứ cấp trong phòng X-quang là một hàm số của
NT/Pd2 ......................................................................................................... 41
Hình 4.9. Sự suy giảm của bức xạ thứ cấp qua chì .................................................... 44
Hình 4.10. Thiết kế phòng X-quang nha khoa cho máy Gendex 765DC .................... 48
Hình 4.11. Máy X-quang RadSpeed MF và bẳng thiết bị điện tử phát tia X ............... 56
Hình 4.12. Mô hình phòng X quang thông thường bệnh viện Nhi Đồng 1 ................. 57
Hình 4.13. Máy Gendex expert DC và mô hình phòng X-quang nha .......................... 58
Khóa luận tốt nghiệp đại học


1
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, việc áp dụng các thành tựu khoa học và kĩ thuật vào đời sống và sản
xuất ngày càng được chú trọng, trong đó kĩ thuật hạt nhân đang được ứng dụng rộng
rãi trong các ngành kinh tế quốc dân. Ở Việt Nam, tuy chưa có điện nguyên tử nhưng
kỉ thuật hạt nhân đã được sử dụng nhiều trong việc chẩn đoán và điều trị trong y tế,
trong chụp ảnh kiểm tra chất lượng mối hàn, các hệ thống đo đạc và điều khiển trong
các nhà máy, trong thăm dò địa chất… Xuất phát từ tình hình đó và do tính chất nguy
hiểm nên các nguồn bức xạ phải được kiểm soát chặt chẽ để hạn chế đến mức thấp nhất
những rủi ro có thể xảy ra.
Từ khi Wilhelm Conrad Roentgen phát hiện ra tia X có thể chẩn đoán cấu trúc
xương, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp ảnh y tế. Các máy X-quang là thiết
bị phát tia X để chẩn đoán và điều trị bệnh, nhưng cũng ẩn chứa những nguy hiểm nếu
không có biện pháp bảo vệ thích đáng. Tính nguy hiểm của các loại máy X-quang tuy
thấp hơn so với các nguồn phóng xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không phải nhỏ
đối với cộng đồng. Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ thường xuyên các cơ sở có sử
dụng máy X-quang, dù đã được công luận nhiều lần cảnh bảo, vẫn còn bị buông lỏng.
Tại một số các bệnh viện hiện nay, việc bố trí các máy X-quang ở các phòng
bệnh vẫn đang còn gặp nhiều khó khăn, phòng càng nhỏ nguy cơ liều chiếu trên bệnh

nhân càng tăng và liều bức xạ lọt ra ngoài càng cao nếu mức độ che chắn được áp dụng
như một phòng có diện tích lớn hơn. Bởi vậy, vấn đề che chắn cho các phòng chẩn
đoán X-quang có ý nghĩa to lớn trong công tác bảo đảm an toàn bức xạ. Nếu không sẽ
dẫn đến những hậu quả hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe, cho cuộc
sống, thậm chí gây ra những rủi ro cho chính bản thân các bác sĩ và kĩ thuật viên vận
hành thiết bị chụp X-quang; cho bệnh nhân phải chiếu chụp để chẩn đoán bệnh; cho cả
nhân viên không liên quan đến kĩ thuật này và dân chúng nói chung trong khu vực tác
dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


2
Mục đích của việc che chắn bức xạ trong phòng chẩn đoán X-quang y khoa là
hạn chế việc tiếp xúc bức xạ đối với nhân viên và bệnh nhân trong một giới hạn cho
phép. Nội dung của khóa luận này trình bày nhu cầu, mục đích của việc che chắn bức
xạ; nguyên lý hấp thụ tia X và gamma khi xuyên qua vật chất; các loại vật liệu chính
dùng trong che chắn phòng X-quang và ứng dụng các loại vật liệu này trong việc thiết
kế phòng X-quang với kích thước hợp lý nhất.
Khóa luận chia làm 4 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Chương 2: Nguyên lý hấp thụ tia X và Gamma khi xuyên qua vật chất
Chương 3: Vật liệu che chắn phòng X-quang
Chương 4: Áp dụng trong che chắn phòng X-quang
Khóa luận này là bước đầu tiếp cận với cách thức trình bày một tài liệu khoa
học, do đó không tránh khỏi những thiếu sót trong việc trình bày và nội dung còn nhiều
hạn chế trong việc tìm kiếm tài liệu. Vì vậy, tôi rất mong được ý kiến đóng góp chân
thành từ qúy Thầy Cô và các bạn.

Khóa luận tốt nghiệp đại học

3
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Nhu cầu che chắn phòng X quang.
Máy X-quang trong chẩn đoán y khoa là loại thiết bị bức xạ mang tính nguy
hiểm, tuy thấp hơn so với nguồn phóng xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không nhỏ
đối với cộng đồng. Cán bộ y tế thường xuyên tiếp xúc với bức xạ ion hay gặp phải
những biểu hiện cụ thể từ việc ảnh hưởng bức xạ, có nhiều người đã vô sinh, suy giảm
bạch cầu, sùi tay, sinh con di dạng quái thai, ung thư hoặc nhẹ thì mẫn cảm dị ứng. Tuy
nhiên, hiểm họa từ X-quang còn tác động lên cộng đồng dân cư rất lớn do chính nhu
cầu khám và điều trị bệnh của người dân.
Hiện nay, không chỉ ở các tỉnh mà ngay cả thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh
vẫn đang còn sử dụng nhiều máy y tế có tuổi thọ trên 30 năm và máy X-quang một pha
nửa sóng kĩ thuật rất lạc hậu. Chưa kể đến việc nhiều thiết bị cũ đến mức hồ sơ kĩ thuật
đã biến mất tự bao giờ và nhân viên bức xạ không dùng găng tay, màn chắn chì, tạp dề
chì, đeo liều kế cá nhân (thiết bị đo mức độ hấp thu bức xạ), kính bảo vệ mắt, không
được thông báo định kỳ liều chiếu đến từng người... Các hiểm họa khác vẫn luôn tồn
tại: thiếu tín hiệu cảnh báo hoặc hệ thống cửa ra vào không đảm bảo an toàn. Nhiều
phòng X-quang, chủ yếu ở khu vực y tế tư nhân có diện tích nhỏ hơn quy định
(dưới 12 m2 ). Không phải các cơ sở này không biết diện tích phòng tối thiểu phải là
12 m2 nhưng nếu áp dụng đúng quy định thì điều kiện thực tế không cho phép cho nên
phòng ốc có sao dùng vậy.
Máy X-quang trong chẩn đoán y khoa là loại thiết bị bức xạ mang tính nguy
hiểm thấp so với nguồn phóng xạ vì mức độ ảnh hưởng chỉ mang tính cục bộ, nhất
thời, dễ dàng quản lý và khắc phục nếu xảy ra sự cố về thiết bị. Nhưng như vậy không
có nghĩa là liều suất bức xạ từ các phòng X-quang là không nguy hiểm, vì các cơ sở y
tế cũng là những nơi tập trung đông người, đặc biệt là đối tượng sức khỏe suy giảm.
Khóa luận tốt nghiệp đại học

4
Do việc khám chữa bệnh ở các cơ sở y tế hiện nay không thể thiếu máy X-quang nên
bắt buộc các phòng X-quang nhất nhất tuân thủ quy định về diện tích phòng X-quang
theo tiêu chuẩn cấp phép của Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường.
1.2. Ý nghĩa kinh tế trong việc che chắn hợp lý
Có nhiều loại vật liệu được sử dụng để che chắn cho phòng X-quang nhưng
được sử dụng chủ yếu có thể kể đến các vật liệu như là chì, bê tông, thạch cao, barit.
Việc che chắn hợp lý giúp tiết kiệm nguyên vật liệu dùng để xây dựng phòng X-quang
mà vẫn đảm bảo hạn chế được bức xạ nghề nghiệp tới mức tối thiểu cho các nhân viên
y tế, đảm bảo an toàn cho cho bệnh nhân ở khu vực chờ và những người có liên quan
đến công việc chụp chiếu làm việc bên ngoài phòng X-quang.
Che chắn hợp lý giúp tiết kiệm không gian, diện tích xây dựng; bên cạnh phòng
X-quang có thể xây dựng các phòng khám chửa bệnh khác mà không phải giữ một
khoảng cách nhất định do các bức xạ thoát ra từ máy X-quang được giữ lại bên trong
và không thoát được ra bên ngoài để gây hại cho con người và môi trường.
Ngoài ra, che chắn hợp lý còn giúp người dân có nhu cầu chụp X-quang yên tâm
đến những cơ sở này để khám chửa bệnh.
1.3. Mục đích chính của việc che chắn
1.3.1. Đối với nhân viên bức xạ
Nhân viên bức xạ hay các kĩ thuật viên X-quang nói riêng là những người tham
gia trực tiếp vào quá trình điều chỉnh, vận hành thiết bị và xử lý kết quả sau khi chụp
X-quang. Trong quá trình chụp các nhân viên X-quang sẽ ở phòng kĩ thuật ở sát bên
phòng chụp; khu vực này thông với phòng chụp bằng một cửa thép có ốp chì. Nhân
viên có thể quan sát toàn bộ phòng chụp qua một lớp kính chì trong suốt. Nhân viên sẽ
đứng tại phòng kĩ thuật này để bấm nút chụp X-quang, thời gian phát tia là rất ngắn
(khoảng vài chục miligiây), đây là khoảng thời gian mà tia X được phát tán khắp nơi
trong phòng.
Khóa luận tốt nghiệp đại học

5
Nhờ có lớp che chắn mà các nhân viên X-quang được đảm bảo làm việc trong
điều kiện an toàn. Tránh đến mức tối đa các tia bức xạ có hại phát ra từ máy
X-quang, đảm bảo liều bức xạ tại bàn điều khiển không được vượt quá 20 mSv/năm và
10 µSv/h (không kể phông bức xạ tự nhiên).
1.3.2. Đối với môi trƣờng chung quanh
Rò rỉ bức xạ từ phòng X-quang gây ra những hậu quả vô cùng to lớn đến môi
trường xung quanh, bức xa rò rỉ này có thể phát tán khắp nơi ra không khí làm ô nhiễm
môi trường sống của chúng ta. Bên cạnh đó, nó còn gây hậu quả nghiêm trọng đến sức
khỏe cho những người dân đang sinh sống tại khu vực có rò rỉ bức xạ vì có khả năng bị
chiếu xạ ngoài.
Che chắn hợp lý phòng X-quang sẽ ngăn chặn bức xạ rò rỉ ra ngoài gây ô nhiễm
môi trường và hủy họa hệ sinh thái
1.3.3. Đối với bệnh nhân
Những bệnh nhân chụp X-quang sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của tia X phát ra từ
máy. Tia X rất độc hại, nếu chụp X-quang không được tiến hành trong điều kiện an
toàn, phòng chụp, thiết bị chụp không đạt tiêu chuẩn an toàn do Bộ Y tế và tổ chức Y
tế thế giới đề ra, cùng với việc đội ngũ bác sĩ chụp X-quang không được trang bị đầy
đủ kiến thức thì quả là điều nguy hiểm đối với người bệnh. Ngoài nguyên nhân từ máy
chụp X-quang không đạt chuẩn, bệnh nhân còn bị nhiễm xạ từ sự lạm dụng của bác sĩ
(thời gian chụp, số lần chụp). Hậu quả của điều này thường rơi trực tiếp lên bệnh nhân.
Việc che chắn sẽ ngăn chặn bức xạ thoát ra bên ngoài gây ảnh hưởng đến bệnh
nhân ở khu vực chờ và những bệnh nhân đi qua lại phòng X-quang. Đặc biệt là phụ nữ
có thai cần hạn chế chụp X-quang và siêu âm thai ngoài mục đích chẩn đoán bệnh do
bức xạ thoát ra từ những máy được sử dụng có thể gây hại cho thai và đặc biệt tránh lại
gần những khu vực chiếu chụp X-quang.

Khóa luận tốt nghiệp đại học

6
CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ HẤP THỤ TIA X VÀ GAMMA KHI XUYÊN QUA VẬT CHẤT
2.1. Hệ số hấp thụ tuyến tính
Tia X (hay tia Roentgen) là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 10 đến
0,01 nm, tương ứng với tần số khoảng từ 30 đến 30000 PHz (1 PHz = 1015 Hz). Tia X
dùng trong y tế có điện thế trong khoảng từ 10 kVp đến 50 MV và được tạo ra khi các
electron có động năng từ 10 keV tới 50 MeV bị hãm trong bia làm bằng vật liệu đặc
biệt.
Tia X và tia gamma đều là bức xạ điện từ nhưng có bước sóng khác nhau và
được phân biệt qua phổ sóng điện từ.

Hình 2.1. Phổ sóng điện từ
Ta xét một chùm tia hẹp Gamma đơn năng với cường độ ban đầu Io. Sự thay đổi
cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:
dI = -µIdx

(2.1)

Trong đó µ là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coefficient) và có đơn vị
là cm-1. Từ (2.1) suy ra:
Khóa luận tốt nghiệp đại học


7

dI
= -μdx

I

(2.2)

Tích phân phương trình này từ 0 đến x ta được:
I = I0e-µx

(2.3)

Nếu đưa vào tiết diện toàn phần của tương tác lượng tử Gamma với một nguyên tử
là σ, ta có:
µ= Nσ (N là số nguyên tử trong 1cm-3 vật chất)
Để ghi bức xạ gamma và đặc biệt đối với sự suy giảm của nó trong môi trường, ba
quá trình sau đây có ý nghĩa thực sự:
-

Hiệu ứng quang điện: Sự hấp thụ toàn bộ năng lượng của lượng tử gamma bởi
nguyên tử.

-

Tán xạ Compton: Sự tương tác cuả lượng tử gamma với electron tự do của
nguyên tử. Kết quả lượng tử gamma truyền cho electron một phần năng lượng
và bị tán xạ ngược dưới góc θ so với phương tới.

-

Hiệu ứng tạo cặp: Là do sự tương tác của lượng tử gamma có năng lượng lớn
hơn 1,02 MeV với trường hạt nhân hoặc trường của electron nguyên tử, kết quả
là lượng tử gamma biến mất và đồng thời xuất hiện cặp (e-, e+).

Tiết diện tương tác toàn phần là tổng tiết diện của các quá trình. Gọi σ là tiết

diện toàn phần vi mô (tính trên một nguyên tử vật chất), ta có:
σ = σphot + σCom + σpair

(2.4)

Ở đây σphot là tiết diện hiệu ứng quang điện; σCom là tiết diện tán xạ Compton;
σpair là tiết diện tạo cặp. Nhân tiết diện vi mô với số nguyên tử N có trong 1 cm3 ta có
tiết diện vĩ mô hay hệ số suy giảm tuyến tính.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


8
µ = Nσ = N(σphot + σsCom + σaCom + σpair) (cm-1)
µ = µphot + µsCom + µaCom + µpair (cm-1)

(2.5)

Nếu chỉ quan tâm đến sự hấp thu năng lượng thực trong vật chất thì ta loại bỏ
đại lượng tán xạ trong (2.5), khi đó ta có hệ số hấp thụ tuyến tính của chùm tia Gamma
kí hiệu là µa:
µa = µphot + µaCom + µpair (cm-1)

(2.6)

Hệ số µa này khác với hệ số µ vì ta không xét đến các photon tán xạ, các photon
này ta giả thiết nó thoát ra khỏi chất bị tương tác. Điều này sẽ không còn đúng khi môi
trường che chắn có bề dày tương đối lớn, khi đó ta phải tính đến hiệu ứng tích lũy

(build-up) do các tia tán xạ đóng góp.
2.2. Hệ số hấp thụ khối lƣợng
Ngoài hệ số suy giảm tuyến tính µ còn sử dụng hệ số suy giảm khối µm (mass
attenuation coefficient) tính theo đơn vị (cm2/g), được xác định theo công thức 2.7:

μm =
Trong đó

dI
(cm2/g)
I

(2.7)

có thứ nguyên g/cm3 là mật độ vật chất của môi trường

Dùng hệ số suy giảm khối có nhiều thuận lợi vì có thể áp dụng cho bất kì dạng
nào (rắn, lỏng, khí) của các chất được khảo sát. Nếu vật chất tương tác là hỗn hợp gồm
nhiều chất thì hệ số suy giảm toàn phần µ phải là một tổ hợp của các hệ số suy giảm
của các thành phần của hỗn hợp đó:
μ
μ
μ
μ
= 1 ω1 + 2 ω2 + 3 ω3 +...
ρ
ρ1
ρ2
ρ3

(2.8)

Trong đó ̅̅̅; ̅̅̅̅,…là tỉ lệ phần trăm theo trọng lượng của các chất trong hỗn
hợp
Khóa luận tốt nghiệp đại học


9
Tương tự, khi chia hệ số hấp thụ tuyến tính cho khối lượng riêng của môi trường
vật chất

(g/cm3) thì ta có hệ số hấp thụ khối µ
̅̅̅ :
μa =

μa
(cm2/g)
ρ

(2.9)

Nếu vật chất tương tác là hỗn hợp của nhiều chất thì hệ số hấp thụ tuyến tính
phải là một tổ hợp của các hệ số hấp thụ của các thành phần của hỗn hợp đó:
μa
μ
μ
μ
= a1 ω1 + a 2 ω2 + a 3 ω3 +...
ρ
ρ1

ρ2
ρ3

(2.10)

Như vậy,hệ số hấp thụ khối µ
̅̅̅ được viết lại đầy đủ là:
̅̅̅ =

μa
μ
μ
μ
= a1 ω1 + a 2 ω2 + a 3 ω3 +...
ρ
ρ1
ρ2
ρ3

(2.11)

2.3. Ý nghĩa vật lý của các hệ số hấp thụ
- Hệ số hấp thụ tuyến tính: Là xác xuất trên mỗi cm để tương tác xảy ra khi chùm
gamma song song hẹp truyền qua vật chất có bề dầy x.
I = I0exp(-µx)
I : Số lượng tử γ đến tấm vật chất bề dày x
I0: Số lượng tử γ có cùng năng lượng sau lớp vật chất
Hệ số hấp thụ tuyến tính mô tả sự dịch chuyển của bức xạ gamma qua môi
trường khi không để ý đến các photon tán xạ,nó phụ thuộc vào tính chất của môi
trường và năng lượng của lượng tử gamma.

- Hệ số hấp thụ khối: Là tỉ lệ của hệ số hấp thụ tuyến tính với mật độ vật chất
(g/cm3). Đây là đại lượng có phần cơ bản hơn so với hệ số hấp thụ tuyến tính vì có
thể áp dụng cho bất kì dạng nào của chất hấp thụ: rắn, lỏng, khí.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


10
2.4. Hình học của chùm tia xuyên qua vật chất
2.4.1. Nguồn có chuẩn trực
Bức xạ gamma có thể không được hấp thụ hoàn toàn, mà chỉ giảm cường độ khi
đi qua vật chất. Nếu việc đo sự suy giảm của bức xạ gamma năng lượng đơn được thực
hiện dưới điều kiện hình học tốt, với chuẩn trực tốt,một chùm bức xạ hẹp chỉ ra trong
hình 2.2 một đường thẳng biểu diễn mối quan hệ giữa logarit của cường độ với bề dày
x của lá chắn.
ln

Hay

I
= -µx
I0

(2.12)

I
= e-µx
I0

( x là bề dày vật liệu hấp thụ; µ là hệ số suy giảm tuyến tính )

Hình dưới đo sự suy giảm của bức xạ gamma dưới điều kiện hình học tốt. Lý
tưởng nhất, chùm tia nên được chuẩn trực và nguồn đặt càng xa detector càng tốt. Vật
liệu hấp thụ được đặt giữa nguồn và detector, nó phải đủ mỏng để có tương tác thứ cấp
giữa photon vừa tán xạ với vật liệu hấp thụ và sự hấp thụ này là không đáng kể. Ngoài
ra, không nên có vật liệu nằm rải rác trong vùng lân cận của máy dò.

Hình 2.2. Chùm tia xuyên qua vật chất khi có chuẩn trực

Khóa luận tốt nghiệp đại học


11
Tích số µx của phương trình trên không có thứ nguyên, nếu bề dày hấp thụ được
đo bằng cm, thì hệ số suy giảm được gọi là hệ số suy giảm tuyến tính µl có thứ nguyên
là cm-1. Nếu bề dày d được tính theo g/cm2 thì hệ số suy giảm được gọi là hệ số suy
giảm khối lượng µm và có đơn vị là cm2/g. Mối quan hệ giữa hai hệ số này là:
µl(cm-1) = µm (cm2/g). ρ (g/cm3)

(2.13)

Hệ số suy giảm là phân số của cường độ bức xạ gamma trên một đơn vị bề dày
của vật liệu hấp thụ và được định nghĩa là:
µ= [

(ΔI/I)
] Δx―>0
Δx

(2.14)

Với ΔI/I là phân số của cường độ bức xạ gamma suy giảm bởi vật liệu hấp thụ
có bề dày Δx. Hệ số suy giảm trên được gọi là hệ số suy giảm toàn phần tuyến tính.
Nói chung, đối với năng lượng nằm trong koảng từ 0,75 đến 5 MeV, gần như tất
cả các vật liệu có cùng tính chất về sự suy giảm bức xạ gamma. Vì vậy, tính chất che
chắn xấp xỉ tỉ lệ thuận với mật độ của vật liệu che chắn. Trong điều kiện có chuẩn trực
thì sự suy giảm của chùm bức xạ gamma được cho bởi:

-μ x
I = I0 .e
l

Hoặc

(2.15)

-(μ x/ρ).(ρx)
I=I0 .e
1

2.4.2. Nguồn không chuẩn trực
2.4.2.1. Qúa trình tán xạ
Với điều kiện hình học không tốt, ví dụ chùm tia rộng hoặc một lá chắn rất dày,
điều này ảnh hưởng đến những đòi hỏi cần thiết đối với bề dày che chắn. Gỉa sử rằng
mỗi photon tương tác với lá chắn và bị lệch khỏi chùm tia và máy đếm sẽ không đếm
được. Trong điều kiện hình học không tốt được chỉ ra trong hình 2.3, giả thiết này
Khóa luận tốt nghiệp đại học


12
không hợp lệ, bởi một số lượng đáng kể photon có thể tán xạ bởi lá chắn và đi vào máy

dò, hoặc photon đã tán xạ lệch hướng khỏi chùm tia có thể tán xạ trở lại máy dò sau
một số va chạm thứ cấp.

Hình 2.3. Chùm tia xuyên qua vật chất khi nguồn không chuẩn trực
Bề dày vật liệu che chắn trong điều kiện không có chuẩn trực có thể được thiết
lập bằng cách biến đổi mối quan hệ suy giảm cường độ chùm gamma nêu trên thông
qua việc sử dụng hệ số tích lũy BN (hệ số build up).
2.4.2.2. Hệ số build up
Trong thực tế khi chùm lượng tử Gamma đi qua lớp vật chất dày, cường độ
dòng bức xạ qua lớp vật chất được đóng góp bởi bức xạ tán xạ và bức xạ không tán xạ.
Nghĩa là cường độ của chùm bức xạ rộng sau khi qua tấm vật liệu được đóng góp thêm
bởi các bức xạ tán xạ thứ cấp và được mô tả bằng công thức:

I = I0e-µxBN(hυ,Z,µx)

(2.16)

Trong đó BN (hυ,Z,µx) ≥ 1 là hệ số tích lũy năng lượng khi có chú ý tới đóng
góp của bức xạ tán xạ, Z bậc số nguyên tử của môt trường, hυ là năng lượng của bức
xạ tới, x là bề dày của lớp vật liệu.
Nếu dùng máy dò để xác định cường độ bức xạ trong điều kiện chùm rộng và
hẹp với các tham số (hυ,Z,µx) như nhau, thì chỉ số của máy dò trong các điều kiện của
chùm rộng sẽ lớn hơn trong các điều kiện của chùm hẹp một đại lượng do đóng góp
Khóa luận tốt nghiệp đại học


13
của bức xạ tán xạ. Hệ số tích lũy phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử gamma, bậc
số nguyên tử và bề dày của vật liệu, vị trí của nguồn và máy dò so với lớp bảo vệ, dạng
hình học và tổ hợp của lớp bảo vệ.

Hệ số tích lũy có thể được định nghĩa như là tỉ số của cường độ chùm bức xạ
rộng với cường độ của chùm bức xạ hẹp hoặc định nghĩa như là tỉ số hiệu ứng của bức
xạ không tán xạ và hiệu ứng của bức xạ tán xạ với bức xạ không tán xạ
+ Các hệ số tích lũy có liên quan đến đặc trưng của bức xạ tới:
-

Hệ số tích lũy số: (hệ số tích lũy đối với số lượng tử) là tỉ số giữa dòng lượng tử
của tất cả các năng lượng (không tán xạ và tán xạ) tại điểm đo với mật độ dòng
lượng tử ban đầu không tán xạ tại cùng vị trí.

N(r,hν)dhν
BN(r) = 
 N0 (r,hν)dhν
-

(2.17)

Hệ số tích lũy năng lượng: Là tỉ số giữa cường độ bức xạ ban đầu của chùm tia
sơ cấp và chùm tia thứ cấp J(r,hυ)=hυN(r,hυ) tại điểm đo với cường độ bức xạ
ban đầu của chùm sơ cấp J0(r,hυ)=hυN0(r,hυ) tại cùng vị trí.

hνN(r,hν)dhν
BE(r) = 
 hνN0 (r,hν)dhν

(2.18)

- Hệ số tích lũy liều: Là tỉ số giữa liều chiếu của bức xạ trong không khí của các
bức xạ tại điểm đo với liều chiếu trong không khí chỉ tính cho lượng tử ban đầu
không tán xạ tại cùng vị trí.

BD(r) =

 hνN(r,hν)γ(hν)dhν
 hνN 0 (r,hν)γ(hν)dhν

(2.19)

- Hệ số tích lũy năng lượng hấp thụ: Là tỉ số giữa liều hấp thụ của bức xạ trong
vật liệu đã cho của các bức xạ tại điểm đo với liều hấp thụ chỉ tính cho lượng tử
ban đầu không tán xạ.
Ba(r) =

 hνN(r,hν)γ1 (hν)dhν
 hνN0 (r,hν)γ1 (hν)dhν

(2.20)
Khóa luận tốt nghiệp đại học


14
+ Các hệ số tích lũy liên quan đến đặc trưng của môi trường: Xét nguồn điểm
đẳng hướng trong môi trường vô hạn thì hệ số tích lũy được tính dưới dạng tổng của
hai số hạng hàm mũ.
BN(hυ,Z,µx)=A1exp(-α1µx) + A2exp(-α2µx)

(2.21)

Trong đó α1, α2, A2=(1-A1) là các hệ số không phụ thuộc vào µd, chúng phụ
thuộc vào hυ và Z.
+ Các hệ số tích lũy đối với môi trường che chắn có nhiều lớp: Giả sử trong

thiết kế che chắn chúng ta dùng hai tấm vật liệu khác nhau, ta có thể tính gần đúng ba
trường hợp sau, với vật liệu 1 gần nguồn hơn vật liệu 2.
-

Nếu Z1 ≈ Z2 khi đó những hệ số tích lũy thay đổi rất chậm theo Z, ở những năng
lượng thấp ta chỉ cần dùng B(µ1x1+µ2x2).

-

Nếu Z1« Z2: Trong trường hợp này, tán xạ Compton trong môi trường thứ nhất
dịch chuyển năng lượng của bức xạ tới xuống vùng hấp thụ quang điện của vật
liệu thứ hai. Như thế sự đóng góp vào hệ số tích lũy là rất ít với môi trường thứ
hai. Do đó chúng ta chỉ cần dùng hệ số tích lũy của môi trường thứ hai B(µ2x2).

-

Nếu Z1»Z2: Nếu năng lượng bức xạ nhỏ hơn năng lượng cực tiểu trong µ1
(khoảng 3MeV đối với vật liệu có Z cao), những hệ số tích lũy có thể được
nhân với nhau B(µ1x1)× B(µ2x2)min.
Đối với môi trường che chắn gồm nhiều lớp không đồng nhất hệ số tích lũy

được tính theo công thức (2.22).
N

n

N

n=1

n=1

i=1

n=2

i=1

BT =  Bn ( μi x i )-  Bn (  μi x i )
Trong đó, N là tổng số lớp vật liệu che chắn(tính từ nguồn); Bn(∑

(2.22)
là hệ số

tích lũy trong môi trường đồng tính đối với tổng bề dày đến n-1 lớp.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


15
2.5. Bề dày hấp thụ một nửa (HVL)
Hệ số suy giảm tuyến tính B của chùm tia X qua các vật liệu che chắn khác
nhau, ứng dụng cho phòng X-quang được mô tả bằng một phương trình toán học được
Archer công bố năm 1983 và trước đây được nghiên cứu bởi Simpkin.
N

n

N

n 1

n 1

i 1

n2

i 1

B=  Bn ( μ i x i )-  Bn (  μ i x i )

(2.23)

Bề dày x của vật liệu che chắn là một hàm số của hệ số suy giảm tuyến tính B:
β

B  +
1
α)
x=
ln(
β
αγ
1+

(2.24)

α

Với α, β, γ là các thông số làm khớp được cho trong bảng 2.1

Khóa luận tốt nghiệp đại học


16
Bảng 2.1 Thông số làm khớp của các vật liệu ứng với các cao áp (kVp) khác nhau

Bề dày hấp thụ một nửa (HVL) là bề dày của một vật liệu bất kì mà khi bức xạ
tới truyền qua cường độ của nó bị giảm đi một nửa. HVL biểu diễn theo đơn vị khoảng
cách là cm hoặc mm và có kí hiệu là x1/2. HVL được xác định như một hàm số của bề
dày vật liệu dùng trong che chắn, sử dụng phương trình (2.25):

Khóa luận tốt nghiệp đại học


17
β
β β
2γ [(1+ )exp(αγx)- ]+
γ
α α
1 ln[
]}-x
HVL(x)={
β
αγ
1+
α

(2.25)

Phương trình (2.25) sẽ tiệm cận giá trị HVL = (ln2)/α tại những giá trị lớn của x
và cung cấp một sự ước tính giá trị HVL ở sự suy giảm cao. Cũng giống như hệ số suy
giảm, giá trị HVL phụ thuộc vào năng lượng photon, khi năng lượng của chùm photon
tăng thì giá trị HVL của vật liệu cũng tăng.

Hình 2.4. Sự phụ thuộc của giá trị HVL vào cao áp (kVp) với một số vật liệu

Khóa luận tốt nghiệp đại học


18
Một cách tính khác, thì giá trị HVL sẽ tỉ lệ nghịch với hệ số suy giảm µ. Xét
phương trình (2.3), nếu năng lượng tia tới I0=1 và năng lượng của nó sau khi đi qua lớp
vật liệu có bề dày x là I=0,5, thì ta có:
0,5=1e-µx
 ln2=-µx

Khi đó HVL=x=x1/2 và HVL có mối liên hệ với µ như sau: HVL=(ln2)
Gía trị này cũng được sử dụng trong việc che chắn trong các phòng X quang chỉ
đơn giản vì nó dễ nhớ và thực hiện tính toán đơn giản. Trong việc tính toán che chắn,
có thể thấy rằng khi biết bề dày hấp thụ một nửa (HVL) ta có thể nhanh chóng xác định
được bao nhiêu vật liệu là cần thiết để giảm cường độ bức xạ xuống dưới 1%. Tuy
nhiên, việc tính toán che chắn còn phụ thuộc vào khoảng cách từ ống phát tia X đến vị
trí rào cản. Còn phương pháp này chỉ chính xác khi biết cường độ bức xạ ngay phía
trước và sau rào cản.

Hình 2.5. Sự mất năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nử
Khóa luận tốt nghiệp đại học