Tính toán hiệu suất tổng hợp 18F FDG tại Trung tâm máy gia tốc – bệnh viện Trung ương Quân đội 108

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô trong viện Kỹ thuật
hạt nhân và vật lý môi trường, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình truyền
đạt kiến thức, hướng dẫn, rèn luyện em trong suốt thời gian ngồi trên ghế nhà
trường. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tiến sĩ Vũ Thanh Quang - giám
đốc Trung tâm máy gia tốc, bệnh viện Trung ương quân đội 108 và toàn thể các anh,
chị tại trung tâm đã tạo điều kiện, giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian thực tập vừa
qua.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tiến sĩ Đàm Nguyên Bình – người trực
tiếp hướng dẫn em thực tập tốt nghiệp tại trung tâm máy gia tốc. Thầy đã quan tâm
và dành nhiều thời gian hướng dẫn để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp
này.
Được sự giúp đỡ của thầy cô và các anh chị, cùng với sự nỗ lực của bản thân,
em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Tính toán hiệu suất tổng hợp

18

F-

FDG tại Trung tâm máy gia tốc – bệnh viện Trung ương Quân đội 108”.
Do thời gian thực tập và làm đồ án có hạn nên số liệu đầu vào của bài toán
chưa thực sự nhiều, cũng như các nghiên cứu và trình bày trong đồ án không tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô!
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2014
Sinh viên
Đinh Quang Huy


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: MÁY GIA TỐC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ...............................2
1.1 Giới thiệu chung về máy gia tốc......................................................................2
1.2 Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA...............................................................4
1.2.1 Nguyên lý hoạt động của Cyclotron.........................................................4
1.2.2 Thông số kỹ thuật.....................................................................................7
1.2.3 Hoạt động của máy gia tốc Cyclotron 30..................................................8
1.3 Ứng dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong y tế............................8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..........................................................................8
2.1 Phản ứng hạt nhân...........................................................................................8
2.2 Tiết diện phản ứng...........................................................................................8
2.3 Độ mất năng lượng..........................................................................................8
2.4 Tốc độ phản ứng..............................................................................................8
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN...........................................................8
3.1 Phương pháp tính hoạt độ................................................................................8
3.2 Phương pháp tính độ mất năng lượng riêng.....................................................8
3.3 Phương pháp nội suy.......................................................................................8
3.4 Phương pháp tích phân số................................................................................8
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................8
4.1 Chương trình tính toán.....................................................................................8
4.2 Khảo sát suất lượng đồng vị theo thời gian chiếu............................................8
4.3 Khảo sát suất lượng theo năng lượng chùm tia................................................8
4.4 Đánh giá hiệu suất tổng hợp 18F – FDG.........................................................8
KẾT LUẬN...............................................................................................................8
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................8
PHỤ LỤC.................................................................................................................. 8

Đinh Quang Huy


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
-

FDG
PET
SPECT
CT
RF
Asyn
AEOB
Areal
keV
MeV
GeV
µA
mCi
SRIM
Cyclone 30

-

Đinh Quang Huy

: Fluoro-deoxy-glucose.
: Positron Emission Tomography.
: Single Photon Emission Computed Tomography.
: Computed Tomography.
: Radio Frequency. (bộ đồng bộ tần số)
: Hoạt độ tính toán sau tổng hợp.
: Hoạt độ tính toán sau quá trình bắn bia tạo 18F.
: Hoạt độ thực thu được sau tổng hợp.
: Kilo electron von.
: Mega electron von.
: Giga electron von.
: Micro Ampere.
: Mili Curie.
: Stopping and Range of Ions in Matter.
: Cyclotron 30 MeV IBA.


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Danh mục các bảng
Bảng 1.1: Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET
…...............................................................................................................................15
Bảng dữ liệu đầu vào của chương trình tính toán hiệu suất……………………...
………………………………………………………….48

Đinh Quang Huy

Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của Cyclotron..................................................................5
Hình 1.2: Máy gia tốc Cyclone 30 tại trung tâm........................................................7
Hình 1.3: Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron...................8
Hình 1.4: Giản đồ miêu tả dòng proton sau khi đi qua lá carbon và lái ra ngoài bởi
từ trường.................................................................................................................... 8
Hình 1.5: Giản đồ miêu tả dòng proton có thể chuyển ra ở 5 cổng khác nhau...........8
Hình 2.1. Sự hình thành và phân rã của hạt nhân hợp phần với các kênh ra có thể
xảy ra......................................................................................................................... 8
Hình 2.2. Giá trị Q và ngưỡng của phân rã hạt nhân đối với phản ứng của đơ-tơ-ri
với hạt nhân 14N sau khi hình thành hạt nhân hợp phần 16O.......................................8
Hình 2.3. Sơ đồ tính tiết diện hiệu dụng của phản ứng..............................................8
Hình 2.4. Tán xạ của hạt tích điện lên electron..........................................................8
Hình 2.5. Tán xạ của hạt tích điện lên các electron trong lớp hình trụ.......................8
Hình 2.6. Biểu đồ biến đổi của hoạt độ phóng xạ theo thời gian trong quá trình sản
xuất đồng vị phóng xạ...............................................................................................8
Hình 3.1. Hàm kích thích của phản ứng O18(p,n)F18..................................................8
Hình 3.2. Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân O18(p,n)F18 đo thực nghiệm bởi S.
Takacs........................................................................................................................ 8
Hình 3.3. Công suất dừng của proton trong nước làm giàu 18O.................................8
Hình 3.4. Làm khớp công suất dừng của proton trong nước giàu 18O theo hàm số
giải tích...................................................................................................................... 8
Hình 3.5. Số liệu tầm chuyển động proton trong nước làm giàu 18O và đường cong
làm khớp.................................................................................................................... 8
Hình 4.1. Giao diện chương trình tính toán hiệu suất................................................8

Hình 4.2. Cửa sổ chương trình Visual Studio 2010...................................................8
Hình 4.3. Suất lượng bão hòa của đồng vị 18F theo khoảng thời gian chiếu...............8
Hình 4.4. Suất lượng đồng vị 18F theo năng lượng chùm tia......................................8
Hình 4.5. Đồ thị thể hiện hiệu suất tổng hợp 18F - FDG.............................................8

Đinh Quang Huy


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ
thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực y học và sinh
học cũng không ngừng phát triển. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện
đại đã và đang mang lại những thành tựu to lớn trong mọi lĩnh vực của đời sống,
kinh tế, xã hội, trong đó ngành y tế đã có bước tiến nhảy vọt nhờ vào sự hỗ trợ của
các trang thiết bị công nghệ cao. Trong tình hình hiện nay, với việc xuất hiện ngày
càng nhiều bệnh mới nguy hiểm, đe dọa đến sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là ung
thư, đòi hỏi sự đầu tư, phát triển nhiều hơn nữa cho công tác chuẩn đoán và điều trị.
Ở Việt Nam, nhiều bệnh viện đã và đang được trang bị những máy móc, thiết
bị hiện đại nhằm mục đích cải thiện việc chăm sóc sức khỏe bệnh nhân. Bệnh viện
Trung ương Quân đội 108 là một trong những bệnh viện hàng đầu trong sử dụng
trang thiết bị kỹ thuật cao áp dụng vào chuẩn đoán, điều trị, chăm sóc bệnh nhân.
Trung tâm máy gia tốc - PET/CT là một phần của bệnh viện, cơ sở đầu tiên của cả
nước lắp đặt hoàn chỉnh và đưa vào sử dụng máy gia tốc Cyclotron 30 MeV từ
nhiều năm nay. Dưới sự giúp đỡ và tạo điều kiện từ Viện cũng như từ ban giám đốc
Trung tâm máy gia tốc, em được thực tập tại trung tâm. Sau khi được tham quan và
tìm hiểu về máy gia tốc Cyclotron 30 MeV của trung tâm, em xin chọn đề tài cho đồ

án tốt nghiệp: “Tính toán hiệu suất tổng hợp 18F - FDG tại Trung tâm máy gia tốc –
bệnh viện Trung ương Quân đội 108”. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hoạt độ
của dược chất phóng xạ 18F – FDG, được tổng hợp từ 18F (sản phẩm đầu ra của máy
gia tốc Cyclotron 30 MeV). Trên cơ sở thu thập hoạt độ phóng xạ của dược chất 18F
– FDG, tính toán hoạt độ lý thuyết và so sánh để đưa ra giá trị hiệu suất tổng hợp
cần quan tâm. Mục đích của việc chọn đề tài này là để có cơ hội tìm hiểu sâu hơn về
máy gia tốc, bên cạnh đó nghiên cứu, tính toán, đánh giá hiệu suất tổng hợp 18F –
FDG tại trung tâm, từ đó đánh giá khả năng hoạt động của bộ tổng hợp. Kết quả thu
được ban đầu đã kiểm chứng khả năng hoạt động của bộ tổng hợp tại trung tâm vẫn
đảm bảo cho sản xuất thường quy.

Đinh Quang Huy

Trang 1


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

CHƯƠNG I: MÁY GIA TỐC VÀ ỨNG DỤNG TRONG
Y TẾ
1.1 Giới thiệu chung về máy gia tốc.
Máy gia tốc là thiết bị để tăng năng lượng cho các hạt cần gia tốc. Một trong
những phương tiện để nghiên cứu cấu trúc vật chất ở trạng thái vi mô là sử dụng các
hạt bắn phá vào vật chất bao gồm các hạt cơ bản cũng như các ion của các nguyên
tử. Cấu trúc và tính chất của vật chất được phát hiện nhờ vào sự tương tác của các
hạt kể trên với vật chất. Bên cạnh đó, một ứng dụng không thể không kể đến của
máy gia tốc trong thời điểm hiện nay, đó chính là tạo ra các phản ứng hạt nhân
nhằm sản xuất các đồng vị phóng xạ, phục vụ các ứng dụng thực tiễn, nhất là trong

y tế. Điều cần thiết là để có được khả năng như vậy thì các hạt phải có năng lượng
nhất định và cường độ của chùm hạt phải đủ lớn. Trong vật lý hạt nhân, khi nghiên
cứu bản chất và các đặc trưng của lực hạt nhân, các hạt cơ bản và thậm chí là cả cấu
trúc của các nucleon cần có những nguồn hạt gia tốc đến năng lượng rất cao, mặc
dù vậy nhưng trong tự nhiên, không tồn tại nguồn hạt phù hợp cho mục đích đó.
Một điều rất quan trọng nữa cần nhấn mạnh là các hạt trong tự nhiên do các
nguyên tố phóng xạ tự nhiên phát ra chẳng những hoàn toàn không đủ về số lượng
mà cả về năng lượng cũng không đáp ứng đủ. Chúng ta biết rằng liên kết trung bình
của nucleon trong hạt nhân là khoảng 7 - 8 MeV. Để tách một nucleon ra khỏi hạt
nhân thì năng lượng của chùm hạt bắn phá phải lớn hơn năng lượng liên kết. Điều
đó có nghĩa là trong trường hợp của hạt nhân, việc nghiên cứu đòi hỏi cần phải gia
tốc hạt tới năng lượng cao gấp rất nhiều lần so với trường hợp nguyên tử. Trong
thực tế, muốn nghiên cứu cấu trúc hạt nhân và các phản ứng hạt nhân, các hạt gây
phản ứng phải được gia tốc đến năng lượng từ hàng chục đến hàng trăm MeV. Còn
để nghiên cứu cấu trúc của các nucleon, người ta cần các điện tử được gia tốc hàng
chục đến hàng trăm ngàn MeV (tức là 10 – 100 GeV) hoặc cao hơn nữa. Ở những

Đinh Quang Huy

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

năng lượng như vậy, bước sóng của điện tử mới ở vào khoảng kích thước của
nucleon và như vậy mới nghiên cứu được cấu trúc của nucleon. [2].
Tóm lại, việc nghiên cứu thế giới vi mô và yêu cầu sản xuất đồng vị phóng
xạ đòi hỏi cần có các chủng loại hạt khác nhau với mật độ lớn và gia tốc đến năng

lượng cần thiết. Tùy thuộc vào những nghiên cứu cụ thể mà tạo ra loại hạt nào, mật
độ lớn hay nhỏ và năng lượng cần phải đạt được. Tất cả những vấn đề này có thể
giải quyết được nhờ vào máy gia tốc.
Trên thế giới, một thập kỷ trước khi lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được ra
đời, Ernest Lawrence đã phát mình ra máy gia tốc Cyclotron vào năm 1931. Sau đó,
một loạt các sự kiện quan trọng đã diễn ra xoay quanh việc sử dụng máy gia tốc để
sản xuất các đồng vị phóng xạ nhân tạo, trong đó có các thí nghiệm của Hamilton
và Stone áp dụng đồng vị Natri trong y học lâm sàng (1937), Hertz và cộng sự sử
dụng đồng vị I-ốt trong nghiên cứu về sinh lý tuyến giáp (1938), và các nghiên cứu
về bệnh bạch cầu sử dụng đồng vị Phốt pho của Lawrence et al. (1940). Năm 1941,
các máy gia tốc Cyclotron sử dụng trong y tế đầu tiên được lắp đặt tại Đại học
Washington ở St Louis, nơi các đồng vị phóng xạ của phốt pho, sắt, thạch tín, và lưu
huỳnh được sản xuất. Với việc nghiên cứu các quá trình phân hạch trong Thế chiến
II, hầu hết các đồng vị phóng xạ được quan tâm sử dụng trong y tế bắt đầu được sản
xuất tại các lò phản ứng hạt nhân. Sau chiến tranh, việc sử dụng rộng rãi các chất
phóng xạ trong y học dẫn đến việc thành lập lĩnh vực mới gọi là y học nguyên tử,
mà sau này được gọi là y học hạt nhân. [9]. Vào năm 2005, theo một báo cáo của
IAEA, ước tính trên toàn thế giới có khoảng 350 máy gia tốc Cyclotron, chủ yếu
được sử dụng cho sản xuất đồng vị phóng xạ, gần 50% trong số này là các máy có
dải năng lượng từ 10 – 20 MeV và khoảng 75% các Cyclotron được sử dụng để sản
xuất đồng vị 18F cho FDG. [10].
Việc sản xuất được Fluoro-deoxy-glucose (18F - FDG) vào giữa những năm
1970 và việc sử dụng nó để nghiên cứu sự chuyển hóa glucose là một bước đột phá
lớn, dẫn đến sự phát triển của các phương thức chuẩn đoán bằng hình ảnh được sử
dụng rộng rãi bây giờ, được gọi là chụp cắt lớp phát xạ positron (PET). Việc sử

Đinh Quang Huy

Trang 3

Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

dụng 18F - FDG cùng với một máy chụp hình PET mang lại hình ảnh chất lượng
tuyệt vời của bộ não (để nghiên cứu các bất thường), của tim (để nghiên cứu chức
năng hoạt động) và các khối u (để phát hiện di căn). Ngày nay, máy gia tốc ngày
càng được ứng dụng nhiều trong sản xuất các đồng vị phóng xạ, phục vụ cho nghiên
cứu và ứng dụng vào trong cuộc sống nói chung cũng như y tế nói riêng.

1.2 Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA
1.2.1 Nguyên lý hoạt động của Cyclotron
Nguyên lý chung của máy gia tốc dựa trên sự tương tác của hạt tích điện với
điện từ trường. Khi một hạt tích điện q chuyển động trong điện từ trường, sẽ có hai
lực tác động đồng thời lên nó. Lực thứ nhất là lực điện trường qE, lực thứ hai là lực
Lorent. Phương trình mô tả chuyển động của hạt được biểu diễn như sau:

(1.1)

Trong đó:

v : vận tốc hạt.
r
F : lực chung tác dụng lên hạt.
r
E : vecto điện trường.

c: tốc độ ánh sáng.
r

H : vecto từ trường.

Từ phương trình trên ta có thể thấy rằng lực mà điện trường tác dụng lên hạt
có hướng trùng với hướng của điện trường. Còn lực tác dụng của từ trường có
hướng vuông góc với vecto vận tốc của hạt và vecto từ trường. Lực này bằng 0 khi
hạt không chuyển động hoặc khi vecto vận tốc của nó song song với vecto từ
trường. [2].

Đinh Quang Huy

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Thông qua sự tương tác giữa điện từ trường và hạt tích điện, chúng ta đồng
thời có thể vừa gia tốc hạt, vừa có thể điều khiển hướng chuyển động của hạt. Đó
chính là nguyên lý chung và cơ sở của nguyên lý hoạt động trong các máy gia tốc.
Máy gia tốc Cyclotron đầu tiên do Lawrence và Livingstone xây dựng vào
năm 1931. Nó bao gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại cắt thành hai phần theo
đường kính, mỗi phần được gọi là một duant của máy gia tốc. Các duant được đặt
gần nhau và để trong buồng kim loại chân không thường làm bằng vật liệu không
nhiễm từ. Cả buồng bao gồm các duant được đặt giữa hai cực của một nam châm
đồng nhất. Bán kính của buồng gia tốc và các cực của nam châm phải khác nhau và
năng lượng cuối cùng được gia tốc của hạt rất phụ thuộc vào chúng. Buồng gia tốc
được hút chân không đến áp suất 10-5 – 10-6 mmHg hoặc thấp hơn. Tại tâm của
buồng giữa các duant được đặt một nguồn ion đặc biết, các duant được nối với điện
thế hình sin tần số cao của máy phát công suất cao. Các ion được tạo thành ở tâm

buồng được gia tốc bằng điện áp và đi vào các duant rỗng. Bên trong các duant, các
ion được chuyển động với tốc độ không đổi theo quỹ đạo tròn, bởi vì chuyển động
của chúng vuông góc với từ trường, trên hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý một Cyclotron.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của Cyclotron

Như trên hình 1.1: A và B là 2 duant; S và N biểu thị cực Nam và cực Bắc
của nam châm; mũi tên biểu thị hướng của ion được gia tốc trong Cyclotron.
Bằng cách chọn tần số phù hợp của điện trường xoay chiều trên các duant,
chúng ta có thể luôn luôn đạt được rằng khi các ion đi từ duant này sang duant khác
thì điện thế giữa các duant có dấu sao cho các ion được gia tốc. Lúc đó, cứ mỗi lần

Đinh Quang Huy

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

đi từ duant này đến duant kia, năng lượng của chúng lại tăng lên và có thể đạt đến
giá trị lớn hơn nhiều so với điện thế gia tốc ở các duant.
Điều kiện cân bằng của lực ly tâm và lực hướng tâm:
(1.2)
Trong đó:

R: bán kính quỹ đạo.
v: vận tốc.
H: lực từ trường.

Từ đây, ta có biểu thức về thời gian để ion đi được một nửa vòng tròn với độ
dài πR như sau:
T=
Biểu thức trên có nghĩa là thời gian ion đi được một nửa vòng tròn trong
Cyclotron không phụ thuộc vào bán kính và tốc độ của chúng. Mặt khác ta lại thấy
khi H = const, bán kính quỹ đạo tỷ lệ thuận với năng lượng của hạt. Từ đây có thể
rút ra rằng sau mỗi lần gia tốc, quỹ đạo được mở rộng và quỹ đạo chuyển động của
hạt trở thành đường xoáy ốc. Chính thực tế việc thời gian không phụ thuộc vào bán
kính tạo ra khả năng để hạt đi từ duant này sang duant kia đúng vào lúc nhận được
trường gia tốc cực đại giữa 2 duant tại một tần số lựa chọn phù hợp với điện thế gia
tốc. [2].

Đinh Quang Huy

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

1.2.2 Thông số kỹ thuật
Máy gia tốc Cyclone 30 (tên riêng của máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA)
là máy gia tốc vòng có tần số cố định, trường không đổi, gia tốc ion H - tới năng
lượng 30 MeV.

Hình 1.2: Máy gia tốc Cyclone 30 tại trung tâm

Các hệ thống quan trọng cấu thành nên máy gia tốc Cyclotron:

-

Hệ thống chân không.

-

Hệ thống nam châm.

-

Hệ thống RF (radio frequency).

-

Nguồn ion.

-

Hệ thống bơm chùm ion dọc trục.

-

Hệ thống chiết.

Đảm bảo hoạt động an toàn là vấn đề được đặt lên hàng đầu, hệ thống khóa
liên động đảm bảo giám sát chặt chẽ các điều kiện an toàn phóng xạ, an toàn điện,
các điều kiện về chân không, khí nén, làm mát. Với nhiều đầu ra, Cyclone 30 có thể
đáp ứng tốt cho sản xuất nhiều loại đồng vị phóng xạ SPECT và tất cả các đồng vị
cho PET, cũng như phục vụ mục đích nghiên cứu.

Đinh Quang Huy

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Các đặc tính kỹ thuật của hệ thống: [4]
 Chùm:
Ion
Năng lượng
Cường độ proton

Chiết
Gia tốc
Proton
Deuteron
Bảo đảm
Theo yêu cầu

Số cổng ra
Số chùm chiết đồng thời
Tiêu chuẩn phát của chùm chiết

Chiều ngang
Chiều dọc

H+ , D +

H -, D 18 – 30 MeV
9 – 15 MeV
350 µA
500 µA
10
2
< 10π mm.rad
< 5π mm.rad

 Tổng công suất tiêu thụ:
30 MeV không sử dụng đường chùm
30 MeV sử dụng 1 đường chùm
30 MeV sử dụng đồng thời 2 đường chùm

80 – 100 kW
90 – 125 kW
110 – 140 kW

 Cấu trúc nam châm:
Số sector
Góc sector
Bhill
Bvalley
Công suất một chiều ở các cuộn
Khối lượng sắt
Khối lượng đồng

4
540 – 580
1.7 T

0.12 T
7.2 kW
45 tấn
4 tấn

 Hệ thống RF:
Số máng D nối với nhau ở trung tâm
Góc của máng D
Chế độ Harmonic
Tần số (không đổi)
Điện thế máng D
Công suất RF bị tiêu hao

Đinh Quang Huy

Trên D
Gia tốc chùm

2
300
4
~ 65.5 MHz
50 kV
5.5 kW
15 kW

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

 Nguồn ion:
Loại nguồn (nguồn ngoài)
Công suất sợi đốt
Thời gian sống của sợi đốt
Công suất Arc
Dòng H2
Nguồn thiên áp
Dòng H- được bơm ra

Multicusp
1 kW
300 – 500 giờ
6.5 kW
10 – 20 st.cc/phút
28 – 30 kV
7 mA

1.2.3 Hoạt động của máy gia tốc Cyclotron 30
Các ion âm được bơm vào máy và được bơm tĩnh điện lái vào buồng gia tốc.
Tại đây, các ion âm này sẽ được chuyển qua các khe (khoảng cách giữa hai điện cực
gọi là khe gia tốc), qua các khe này, các hạt ion âm sẽ nhận thêm năng lượng qua
mỗi vòng, cho tới khi đạt được năng lượng mong muốn ở bán kính chiết.
Trong Cyclotron, các hạt điện tích chuyển động theo hình xoắn ốc, càng xa
trung tâm động năng càng cao. Giá trị của từ trường được chọn sao cho đường đi
của các hạt vẫn nằm trong giới hạn của Cyclotron trong suốt quá trình gia tốc đến
khi đạt đến mức năng lượng mong muốn. Trong Cyclotron đẳng thời, từ trường
được chọn sao cho vận tốc góc của các hạt là như nhau ở bất kì mức năng lượng nào

của chúng (bất kì khoảng cách nào của chúng từ trung tâm). Sự gia tốc các hạt xảy
ra khi chúng đi qua khe hẹp giữa D (điện cực gia tốc) và D - ngược (điện cực đất). Dngược là những tấm gắn chặt với gông cyclotron và có vai trò là đất. D trở thành
thiết bị cung cấp khuếch đại tín hiệu sóng hình sin từ bộ dao động, xoay chiều
dương và âm so với D - ngược. Tần số và pha dao động được chọn sao cho điện áp
của khe gia tốc gia tốc các hạt như đã định.

Đinh Quang Huy

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Hình 1.3: Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron

Trong đó:

1
2
3
4
5
Mũi tên

Sector
D (điện cực)
D- (điện cực ngược)
“Máng” trống để bơm chân không

Khe gia tốc
Chiều quay của hạt mang điện

Các ion âm bị chặn bởi lá carbon, tại đây, các electron được lấy ra khỏi chùm
ion H- để tạo thành chùm ion H+. Chùm hạt mang điện dương sau đó sẽ bị lái ra
ngoài bởi từ trường.

Đinh Quang Huy

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Hình 1.4: Giản đồ miêu tả dòng proton sau khi đi qua lá carbon và lái ra ngoài
bởi từ trường

Mỗi đường chiết có thể có 5 cổng ra lắp trên buồng chân không của nam
châm chuyển mạch. Vai trò của nam châm chuyển mạch là lái chùm tới một trong
các cổng đó.

Hình 1.5: Giản đồ miêu tả dòng proton có thể chuyển ra ở 5 cổng khác nhau.

Sau khi ra khỏi cyclotron, dòng proton này sẽ được truyền qua đường dẫn
chùm tia (beam line) đến kích hoạt bia để trở thành bia phóng xạ.
1.3 Ứng dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong y tế
Trong các ứng dụng y học hạt nhân, các đồng vị phóng xạ được kết hợp vào
trong các hợp chất để tạo nên các dược chất phóng xạ. Các chất phóng xạ có thể sản

xuất trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc trên các máy gia tốc. Về cơ bản, các hạt
nhân phóng xạ sản xuất dựa trên máy gia tốc có các tính chất phân rã phù hợp hơn
các đồng vị sản xuất trong lò phản ứng hạt nhân. Một điểm mấu chốt trong nhiều
ứng dụng đó là hoạt độ phóng xạ riêng của chất phóng xạ được sản xuất ra. Đối với
nhiều ứng dụng cần quan tâm, đặc biệt trong ứng dụng cho PET, hoạt độ phóng xạ
riêng của chất phóng xạ yêu cầu là lớn, điều này phù hợp khi sản xuất trên máy gia
tốc.

Đinh Quang Huy

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Y học hạt nhân ứng dụng các tính chất đặc trưng của phân rã phóng xạ để
chuẩn đoán hoặc điều trị ung thư. PET, PET kết hợp CT (PET/CT) và SPECT là các
kỹ thuật chuẩn đoán chủ yếu trong y học hạt nhân.
 Sản xuất các đồng vị cho SPECT
SPECT viết tắt của cụm từ Single Photon Emission Computed Tomography;
là một thiết bị ứng dụng kỹ thuật y học hạt nhân để chuẩn đoán hình ảnh chức năng
của các cơ quan trong cơ thể. Hình ảnh SPECT thu được không phải là hình thể giải
phẫu mà là hình ảnh phản ánh chức năng của cơ quan. Thông qua hình ảnh SPECT,
người bác sĩ có thể đánh giá được lượng máu/dược chất chuyển hóa đi đến các mô
và cơ quan, từ đó thu được thông tin về những sự bất thường của vùng cơ quan đó.
Hiện nay SPECT được sử dụng để ghi ảnh chức năng ở hầu hết các cơ quan trong
cơ thể như tim, gan, thận, tuyến giáp, khung xương, …
Chùm proton năng lượng từ 25 – 30 MeV được sử dụng để sản xuất các đồng

vị 201Tl, 67Ga, 111In và 123I.
Sản xuất 201Tl
Để sản xuất

201

Tl, bia được sử dụng là bia rắn

203

Tl làm giàu trên 90%, chùm

proton bắn phá có năng lượng 28.5 MeV. Phản ứng trên bia:
Tl203 (p,3n) Pb201
Sau khi thu hồi, 201Pb được cất giữ khoảng 30 giờ, thì 90%
thành 201Tl (có thời gian bán rã khoảng 74 giờ).

201

201

Pb phân rã

Tl phát 2 gamma năng lượng 135

và 167 keV (rất tốt cho ghi hình SPECT nhưng chỉ chiếm khoảng 10%) và tia X
năng lượng 71 – 80 keV, biến đổi thành

201

Hg, nó được sử dụng để đánh giá khả

năng sống của cơ tim, chuẩn đoán bệnh động mạch vành, ghi hình tuyến giáp …
Sản xuất 67Ga
Hạt nhân phóng xạ 67Ga thu được bằng cách phát chùm proton 25 MeV bắn
phá bia rắn 68Zn được làm giàu trên 98%. Phương trình phản ứng:
Zn68 (p,2n) Ga67
67
Ga có chu kỳ bán rã là 78.3 giờ. Khi phân rã nó sẽ phát ra các photon năng
lượng 94, 184 và 296 keV và biến đổi thành 67Zn. Trong y học, 67Ga được dùng ghi
hình khối u ác tính, ổ áp xe, vùng viêm nhiễm.
Đinh Quang Huy

Trang 12


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Sản xuất 111In
111

In (chu kỳ bán rã 76.2 giờ) là đồng vị rất đắt, nó liên kết với các kháng thể,

chuỗi polypeptide hoặc bạch cầu.

111

In phát ra hai photon có các mức năng lượng

173 và 247 keV có tổng phần trăm lớn và thích hợp cho ghi ảnh phóng xạ SPECT.
Để tạo ra 111In, người ta bắn phá chùm proton năng lượng 22 MeV vào bia rắn

112

Cd

đã được làm giàu trên 90%. Phương trình phản ứng:
Cd112 (p,2n) In111
Sản xuất
123

123

I

I phát photon năng lượng 159 keV và chu kỳ bán rã 13.3 giờ. Nó rất đặc

hiệu cho chụp hình tuyến giáp và các mô nội tiết thần kinh.
Sản xuất 123I với các số liệu như sau:
Phương trình phản ứng
Năng lượng photon
Loại bia
Vật liệu bia
Sáu giờ sau khi bắn,

Xe124 (p,2n) Cs123→Xe123→I123
30 MeV
Khí

Xe124 được làm giàu trên 99.8%
123
Xe được giữ trong bia để phân rã thành

khí Xe được bơm lạnh ra ngoài vào bình chứa.

123

123

I. Sau đó

I được hòa tan trong nước và đẩy

khỏi bia theo như sơ đồ sau:

 Sản xuất các đồng vị cho PET
Chụp Positron cắt lớp hay còn gọi là PET (Positron Emission Tomography)
là một kỹ thuật chuẩn đoán trong chuyên ngành Chuẩn đoán hình ảnh y học. Cũng

Đinh Quang Huy

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

như SPECT, PET cho chúng ta biết thêm về chức năng chuyển hóa trao đổi chất của

các mô và cơ quan. Do đó, PET rất có giá trị trong chuẩn đoán, xác định giai đoạn
ung thư, theo dõi sau điều trị và phát hiện tái phát, chuẩn đoán di căn. Xạ hình PET
dựa trên cơ sở ghi nhận trùng phùng bức xạ gamma hủy cặp phát ra từ các đồng vị
phóng xạ phát tia β+ khi chúng đập vào các tinh thể nhấp nháy. Tia β + sau khi phát ra
từ đồng vị phóng xạ sẽ trải qua quá trình hủy cặp khi va chạm với một điện tử trên
chính lớp vỏ điện tử của mình hoặc các điện tử trong môi trường xung quanh và tạo
ra hai lượng tử hủy cặp chuyển động ngược hướng nhau có cùng năng lượng 511
keV, tương đương với năng lượng nghỉ của một điện tử.
Có 4 loại đồng vị phát β + có tầm quan trọng chủ yếu được sử dụng cho xạ
hình PET, đó là 18F, 11C, 13N và 15O. Các đặc trưng vật lý cơ bản về các đồng vị
phóng xạ này được đưa ra trong bảng 1.1:

Đồng vị

Thời gian bán

Loại phân rã

Phản ứng

rã (phút)
11

C

20.4

sản xuất (MeV)
100% β+

14

N(p,α)
O(p,α)

16
13

N

9.98

100% β+

13

O

18

F

2.03

109.8

100% β+
97% β

+

11-17
19

C(p,n)
N(p,n)

11
11

14

N(d,2n)

6

16

>26
11-17

15
15

Năng lượng để

O(p,pn)
O(p,n)

18

20
3% EC
Ne(d,α)
8-14
Bảng 1.1: Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET

Sản xuất 11C
11

C là đồng vị phóng xạ của nguyên tố Carbon, phân rã thành 11B phát ra

positron năng lượng 0.96 MeV. Chu kỳ bán rã của nó khoảng 20.334 phút. Bia sử
dụng để bắn phá bằng chùm proton năng lượng 16 MeV là bia khí N 2 + 0.5% O2.
Đinh Quang Huy

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Phản ứng trên bia: N14(p,α) C11. Bổ sung hạn chế của chụp PET với 18F, 11C rất có
giá trị trong chụp hình chuẩn đoán tuyến tiền liệt.
Sản xuất 13N
13

N có chu kỳ bán rã 10 phút, phát xạ positron 1.19 MeV. Được sử dụng dưới

dạng NH3 để chụp hình tưới máu cơ tim bằng PET.
Phản ứng trên bia
Vật liệu bia
Năng lượng proton
Thời gian chiếu xạ
Sản xuất 15O

O16 (p,α) N13
H20 tự nhiên + 5 mM Ethanol
16 MeV
~15 phút

T1/2
2 phút
Dạng hóa học
O15, H2O15
Phản ứng trên bia
O16 (p,pn) O15
16
Vật liệu bia
O2 tự nhiên
Năng lượng proton
30 MeV
Do não hoạt động cần phải có máu mang oxi đến cung cấp nên 15O là đồng vị
rất có giá trị đối với chụp não bằng PET.
Sản xuất 18F
18

F có chu kỳ bán rã là 110 phút và phát xạ positron năng lượng khoảng 65

keV, các positron này tạo phản ứng hủy cặp với các electron trong mô tạo thành 2
photon ngược chiều có năng lượng 511 keV. 18F được tạo ra từ phản ứng hạt nhân
O18 (p,n) F18. Vật liệu làm bia thường dùng là H 2O18 (được làm giàu cỡ 95%). Vì có
thể gắn với glucose (tạo 18F – FDG) nên đi tới được nhiều cơ quan trong cơ thể, ứng
dụng lâm sàng của 18F là để chụp hình chuẩn đoán phát hiện ung thư sớm, ghi hình
các khối u, đánh giá hiệu quả điều trị ung thư.
So sánh các ưu điểm của các đồng vị phù hợp cho PET, 18F là đồng vị được
ưu tiên lựa chọn trong thực tế (được sử dụng nhiều nhất (80 đến 95%)) do nó có các
tính chất vật lý bức xạ (năng lượng cực đại của positron và thời gian bán rã) cũng
như các tính chất hóa học (F là chất mô phỏng sinh học của các nhóm –H, -OH và
là tác nhân điều biến của các liên kế hóa học với C trong các phân tử sinh học)
thuận lợi nhất.

Đinh Quang Huy

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Tại Trung tâm máy gia tốc – Bệnh viện TWQD 108, 18F - FDG được sản xuất
trên máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA, đồng vị phóng xạ 18F dùng để tổng hợp 18F
- FDG được sinh ra thông qua phản ứng hạt nhân O18(p,n)F18 khi chiếu chùm tia
proton được gia tốc vào bia nước được làm giàu 18O.
Quá trình sản xuất 18F - FDG tại Trung tâm máy gia tốc được tiến hành qua
các bước sau:
- Chiếu xạ bia nước làm giàu 18O bằng chùm proton được gia tốc trong máy
Cyclotron tạo ra 18F là nhân phóng xạ phát positron với chu kỳ bán rã 110 phút.

- Tách 18F khỏi nước giàu 18O chưa phản ứng, tổng hợp và tinh chế

18

F -

FDG.
- Kiểm tra chất lượng sản phẩm 18F - FDG.
Sản lượng 18F - FDG của một mẻ sản xuất chủ yếu phụ thuộc vào suất lượng
đồng vị phóng xạ 18F sinh ra sau quá trình chiếu chùm proton vào bia và hiệu suất
tổng hợp FDG bao gồm cả hiệu suất tách chiết 18F - FDG khỏi các tạp chất. Hiệu
suất tổng hợp FDG được quyết định bởi phẩm chất của bộ KIT tổng. Suất lượng của
18

F biến thiên theo năng lượng chùm tia proton được quyết định bởi sự phụ thuộc

của tiết diện phản ứng hạt nhân O18(p,n)F18 theo năng lượng. [3].
Bên cạnh việc sản xuất 18F – FDG theo như nhu cầu thực tế, với khả năng gia
tốc proton từ 15 MeV đến 30 MeV và dòng chùm 350 µA (có thể nâng cấp tới 700
µA), Cyclone 30 không những cho phép sản xuất hầu hết các đồng vị cho chụp hình
SPECT và PET với lượng sản phẩm đầu ra lớn, mà còn có thể phục vụ cho mục
đích nghiên cứu, ứng dụng cho các ngành khác như công nghiệp, nông nghiệp.

Đinh Quang Huy

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Phản ứng hạt nhân
Quá trình va chạm hạt nhân, hay thường gọi là phản ứng hạt nhân, là hiện
tượng biến đổi các hạt nhân khi có va chạm giữa hai hạt nhân với nhau, giữa hạt
nhân với nucleon hay sự biến đổi của hạt nhân do ảnh hưởng của trường bức xạ
gamma, trường Coulomb, … thông thường phản ứng hạt nhân xảy ra do chùm các
hạt neutron, proton, hạt anpha, … bắn phá hạt nhân. Do sự va chạm mạnh giữa các
hạt vào hạt nhân bia mà sau phản ứng xuất hiện hai hạt hay một số lớn hạt bay theo
các phương khác nhau. Để đơn giản, ta xét phản ứng hạt nhân tạo nên hai hạt sau
phản ứng.
Ta ký hiệu quá trình va chạm của hạt tới a với hạt nhân bia A tạo nên hạt b và
hạt nhân B là:
a+A=b + B
Hay gọn hơn là:
A (a,b) B
Trong quá trình va chạm có hai trạng thái là trạng thái đầu a + A hay còn gọi
là kênh lối vào và trạng thái cuối b + B hay còn gọi là kênh lối ra. Quá trình va
chạm chuyển từ kênh lối vào sang kênh lối ra.
Thông thường, va chạm giữa hạt a và hạt nhân A xảy ra theo một trong các
quá trình sau:
-

Tán xạ đàn hồi.

-

Tán xạ không đàn hồi.

-

Phản ứng hạt nhân thực sự (phản ứng hạt nhân sinh ra các đồng vị mới).

Bên cạnh đó, phản ứng hạt nhân a + A = b + B cũng tuân thủ các định luật
bảo toàn về: điện tích, số nucleon, năng lượng, động lượng, mômen động lượng
toàn phần, độ chẵn lẻ, spin đồng vị. [1].

Đinh Quang Huy

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Theo quan điểm cổ điển, phản ứng giữa một hạt mang điện và một hạt nhân
không thể xảy ra nếu năng lượng trong hệ khối tâm của hai hạt nhỏ hơn hàng rào
Coulomb. Trong trường hợp áp dụng vào sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia
tốc, điều này có nghĩa rằng hạt mang điện phải có năng lượng lớn hơn:
B=

(2.1)

Trong đó:
Z và z là số nguyên tử số của hai loại hạt tham gia phản ứng.
e là điện tích của điện tử.
R là khoảng cách giữa hai hạt nhân tham gia phản ứng.
Tuy nhiên thực tế, phản ứng hạt nhân xảy ra ở mức năng lượng thấp hơn

hàng rào thế Coulomb này nhờ vào hiệu ứng xuyên hầm lượng tử. Trong trường hợp
này, phản ứng thường được giải thích theo cơ chế hạt nhân hợp phần. Theo cơ chế
này, phản ứng hạt nhân xảy ra theo hai quá trình tách biệt.
Quá trình đầu tiên, hạt nhân đi tới và bị hấp thụ vào trong hạt nhân bia để
hình thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích có thời gian sống rất ngắn.
Năng lượng toàn phần của hạt nhân hợp phần thu được từ tất cả các hạt nhân tới và
hạt nhân bia tuân theo quy luật bảo toàn động lượng, điện tích, mô-ment góc, spin
và năng lượng. Theo mô hình hạt nhân hợp phần, giả sử hạt nhân a chuyển động tới
va chạm vào hạt nhân A để gây ra phản ứng hạt nhân, năng lượng kích thích toàn
phần trong hạt nhân hợp phần được cho bởi phương trình sau:

U=

(2.2)

Trong đó:
U: năng lượng kích thích.

Ta: động năng của hạt nhân tới.

MA: khối lượng của hạt nhân bia.

Ma: khối lượng của hạt nhân tới.

Sa: năng lượng liên kết của hạt tới trong hạt nhân hợp phần.
Quá trình tiếp theo trong phản ứng hạt nhân là sự phân rã của hạt nhân hợp
phần theo một số cách tạo thành các sản phẩm phản ứng khác nhau, gọi là các kênh
ra của phản ứng, thể hiện như trên hình 2.1.

Đinh Quang Huy

Trang 18


Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Hình 2.1. Sự hình thành và phân rã của hạt nhân hợp phần với các kênh ra có thể xảy
ra

Khi hạt nhân hợp phần phân rã, động năng của tất cả các hạt sản phẩm có thể
lớn hơn hoặc nhỏ hơn động năng toàn phần ban đầu của tất cả các hạt nhân tham gia
phản ứng. Nếu năng lượng của các hạt sản phẩn lớn hơn năng lượng của các hạt
tham gia phản ứng thì phản ứng đó gọi là phản ứng phát năng lượng, còn ngược lại,
nếu tổng động năng của các hạt sản phẩm nhỏ hơn tổng động năng của các hạt tham
gia phản ứng thì được gọi là phản ứng thu năng lượng. Độ lớn của sự chênh lệch
động năng trước và sau phản ứng này gọi là giá trị Q của phản ứng. Nếu phản ứng
phát ra năng lượng thì giá trị Q là dương và ngược lại phản ứng thu năng lượng thì
giá trị Q là âm. Với phản ứng thu năng lượng (Q < 0) để phản ứng có thể xảy ra thì
hạt nhân tới cần phải được cung cấp một lượng năng lượng lớn hơn độ lớn của giá
trị Q, được gọi là ngưỡng của phản ứng. Một ví dụ về các kênh phản ứng có thể xảy
ra được đưa ra như trong hình 2.2 cùng với các giá trị Q và ngưỡng tương ứng của
chúng.

Đinh Quang Huy

Trang 19

Đồ án tốt nghiệp

KTHN & VLMT – K54

Hình 2.2. Giá trị Q và ngưỡng của phân rã hạt nhân đối với phản ứng của đơ-tơ-ri
với hạt nhân 14N sau khi hình thành hạt nhân hợp phần 16O.

2.2 Tiết diện phản ứng
Trong cơ học cổ điển, hai quả cầu bán kính R 1 và R2 có thể va chạm nhau
nếu tâm của một trong hai quả cầu đó đi qua tiết diện tròn với bán kính (R 1 + R2) so
với tâm quả cầu thứ hai. Diện tích tiết diện ngang này là π(R1+R2)2 xác định xác
suất va chạm của hai quả cầu trong một phạm vi không gian nào đó. Nếu ta coi một
hạt là chất điểm và hạt kia là hạt bia với bán kính R, tức là có tiết diện ngang S =
πR2 thì S xác định xác suất để chất điểm va chạm với hạt bia này trong miền không
gian được xem xét.
Trong phản ứng hạt nhân, tiết diện hiệu dụng của phản ứng cũng có ý nghĩa
tương tự như trong cơ học cổ điển. Tiết diện hiệu dụng là diện tích cắt ngang của
miền không gian xung quanh hạt nhân bia mà khi đi xuyên qua đó, hạt điểm bay
vào sẽ có xác suất 100% tương tác với hạt nhân bia này. Với ý nghĩa đơn giản đó, ta
sẽ xét tiết diện của phản ứng a + A = b + B. Ta cho dòng hạt a vào có cường độ Na
(hạt/s) tương tác với hạt nhân A trong bia có mật độ n (hạt/cm 3) với giả thuyết rằng
các hạt nhân A trong bia không che lẫn nhau. Chọn bia có diện tích S (cm 2), bề dày
d (cm). Số hạt nhân A trong bia là nSd. Nếu hạt a “nhìn thấy” mỗi hạt nhân A với

Đinh Quang Huy

Trang 20