Thiết kế và đánh giá che chắn cho các thiết bị xạ trị tia x và gamma năng lượng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ CHE CHẮN CHO
CÁC THIẾT BỊ XẠ TRỊ TIA X VÀ GAMMA
NĂNG LƯỢNG CAO

SVTH: TRẦN DUY THỊNH
CBHD: ThS. NGUYỄN TẤN CHÂU
CBPB: ThS. HUỲNH ĐÌNH CHƯƠNG

TP. Hồ Chí Minh, 07 – 2014


LỜI CẢM ƠN
Khi những ngày cuối cùng của năm học này sắp kết thúc, cũng là lúc sắp phải
chia tay với thầy cô, bạn bè và ngôi trường Đại học Khoa học Tự nhiên, xin cho em
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, quý thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em trong
những năm học vừa qua.
Để hoàn thành khóa học và đề tài này em xin chân thành cảm ơn đến:


Trước tiên là gia đình, ba, mẹ đã cực khổ nuôi em khôn lớn. Công lao này em

nguyện khắc ghi suốt đời.



Quý Thầy, Cô, các cán bộ trẻ đang công tác tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân –

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, TPHCM, những người luôn ủng hộ và giúp đỡ
em nhiệt tình trong thời gian học tập. Em luôn cảm nhận được sự chia sẻ nồng ấm từ
tất cả quý Thầy Cô trong bộ môn. Đặc biệt cho em gởi lời cám ơn chân thành đến
Thầy Châu Văn Tạo. Thầy đã tạo cho em cảm hứng học tập từ khi vừa bước vào môi
trường đại học, em là sinh viên theo nguyện vọng hai vào khoa Vật lý nên không mấy
quyết tâm khi theo học ngành này. Nhưng những lần đầu tiên lên giảng đường đại
học em đã được sự dạy dỗ tận tụy cả về kiến thức và cách làm người, cách sống của
Thầy, đã giúp em thêm động lực học tập và hoàn thành khóa học.


Thầy Nguyễn Tấn Châu, Thầy rất bận nhưng vẫn tận tình giúp đỡ, chỉ dẫn cho

em không chỉ về kiến thức mà còn về con người, Thầy đã cung cấp cho em những
kinh nghiệm quý giá và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài này.


Các bạn học cùng lớp Vật lý Hạt nhân khóa 2010-2014, những người bạn thông

minh, hòa đồng, luôn giúp đỡ nhau trong học tập và đoàn kết trong mọi hoạt động
ngoại khóa, các bạn đã tạo trong em những hình ảnh, kỷ niệm đẹp của thời sinh viên
qua đó kích thích tinh thần học tập của em rất nhiều.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 – 2014

Trần Duy Thịnh

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ i
BẢNG ĐỐI CHIẾU CÁC THUẬT NGỮ ANH – VIỆT............................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ ....................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ VÀ AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ
TRỊ .................................................................................................................................. 1
1.1. Tổng quan về xạ trị ................................................................................................. 1
1.1.1. Các khái niệm cơ bản trong xạ trị ............................................................... 1
1.1.1.1. Ung thư................................................................................................. 1
1.1.1.2. Xạ trị .................................................................................................... 2
1.1.2. Tương tác của gamma và neutron với vật chất ........................................... 2
1.1.2.1. Tương tác của gamma với vật chất ...................................................... 2
1.1.2.2. Tương tác của neutron với vật chất ...................................................... 6
1.2. An toàn bức xạ trong xạ trị ..................................................................................... 8
1.2.1. Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong xạ trị ......................... 8
1.2.1.1. Các đại lượng, liều áp dụng trong tính toán che chắn.......................... 8
1.2.2. Các quy định về ATBX tại Việt Nam ....................................................... 12
1.2.2.1. Giới hạn liều nghề nghiệp .................................................................. 13
1.2.2.2. Giới hạn liều công chúng ................................................................... 13
1.3. Những biện pháp nhằm hạn chế tiếp xúc với chùm tia bức xạ ............................. 14
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 15
2.1. Dạng hình học của phòng điều trị và nguồn bức xạ ............................................. 15
2.2. Vật liệu che chắn................................................................................................... 18

i

2.3. Tổng quan tính toán che chắn ............................................................................... 20
2.3.1. Các thuật ngữ trong tính toán thiết kế che chắn ....................................... 20
2.3.1.1 Khu vực kiểm soát và khu vực không kiểm soát ............................... 20
2.3.1.2 Tải làm việc, W (Workload) .............................................................. 20
2.3.1.3 Hệ số sử dụng, U (Use Factor) ........................................................... 20
2.3.1.4 Hệ số chiếm cứ, T (Occupancy Factor) ............................................. 21
2.3.1.5 Bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp ........................................................ 22
2.3.1.6 Rào chắn bảo vệ ................................................................................. 23
2.3.1.7 Suất liều tức thời và suất liều trung bình theo thời gian .................... 23
2.3.2. Lý thuyết tính toán che chắn sơ cấp ......................................................... 25
2.3.2.1. Hệ số truyền qua rào sơ cấp ............................................................... 25
2.3.2.2. Bề dày rào cản sơ cấp......................................................................... 25
2.3.3. Lý thuyết tính toán che chắn thứ cấp ........................................................ 27
2.3.3.1. Bức xạ rò rỉ......................................................................................... 28
2.3.3.2. Bức xạ tán xạ ...................................................................................... 28
2.3.4. Lý thuyết tính toán thiết kế tường ziczac ................................................. 29
2.3.5. Neutron trong phòng máy gia tốc năng lượng cao ................................... 32
2.3.6. Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma (capture gamma)
và liều neutron tại lối vào tường ziczac ................................................................ 33
2.3.7. Thiết kế cửa ra vào cho phòng điều trị máy gia tốc năng lượng cao ........ 36
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VÀO THỰC TẾ .................... 37
3.1. Điều kiện làm việc và dữ liệu tính toán ................................................................ 37
3.2. Tính toán, đánh giá che chắn bức tường sơ cấp.................................................... 39
3.2.1. Khu vực C ................................................................................................. 39
3.2.2. Khu vực D ................................................................................................. 41
3.2.3. Bề rộng bức tường sơ cấp ......................................................................... 41
3.3. Tính toán, đánh giá che chắn bức tường thứ cấp .................................................. 42

ii

3.3.1. Tính toán cho bức tường thứ cấp ở vị trí A (khu vực không kiểm soát) .. 42
3.3.2. Tính toán cho bức tường thứ cấp ở vị trí B (khu vực kiểm soát) ............. 44
3.4. Tính toán, đánh giá che chắn cho cửa ra vào và tường ziczac.............................. 45
3.4.1. Ảnh hưởng của bức xạ rò rỉ và bức xạ tán xạ đến cửa ra vào .................. 45
3.4.2. Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma (capture gamma)
tại cửa ra vào ......................................................................................................... 47
3.4.3. Liều neutron ở cửa ra vào ......................................................................... 48
3.5. Kết quả tính toán với một số dòng máy và mức năng lượng khác nhau .............. 49
BÀN LUẬN VÀ KẾT LUẬN ..................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 54
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 56

iii


BẢNG ĐỐI CHIẾU CÁC THUẬT NGỮ ANH – VIỆT
Tiếng Anh

Tiếng Việt

Bending magnet envelop

Bộ từ trường uốn

Boongke

Phòng đặt máy gia tốc

Electron Gun

Súng electron

Gantry

Giàn quay

Instantaneous dose rate

Suất liều tức thời

Isoceter

Trục đồng tâm

Leakage radiation

Bức xạ rò rỉ

Linear acclerator

Máy gia tốc tuyến tính

Maze

Tường ziczac

Multileaf Collimator

Collimator nhiều lá

Phantom

Mô hình người giả chuẩn

Primary barrier

Rào cản sơ cấp

Occupancy Factor

Hệ số chiếm cứ

One – half value layer

Lớp giá trị một nửa

RF source

Nguồn cấp sóng cao tầng

Scatter radiation

Bức xạ tán xạ

Secondary barrier

Rào cản thứ cấp

Target

Bia tia X

Tenth value layer

Lớp bề dày giảm 1/10

Time averaged dose rate

Suất liều trung bình theo thời gian

Tranmission

Truyền qua

Use Factor

Hệ số sử dụng

Waveguide

Ống dẫn sóng

Workload

Tải làm việc

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

a

Tỉ lệ tán xạ sơ cấp ở bệnh nhân

B

Hệ số truyền qua

DC

Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma hàng tuần

Dch

Liều chiếu

DE

Liều neutron hàng tuần

Dht

Liều hấp thụ

DL

Liều phát sinh từ tán xạ rò rỉ ở đầu máy gia tốc đến lối vào tường
zizac

Dn

Liều neutron

DP

Liều phát sinh từ tán xạ trên bệnh nhân

DT

Liều do bức xạ rò rỉ truyền trực tiếp qua tường ziczac

DT,r

Liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T

DW

Liều phát sinh từ chùm sơ cấp tán xạ lên các bức tường

𝐷𝜑

Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma

DR0

Suất liều đầu ra cực đại cách nguồn 1 m

E

Liều hiệu dụng

f

Hệ số truyền qua bệnh nhân

F

Diện tích trường chiếu trên bệnh nhân

H1

Liều neutron tương đương ở 1 m tính từ nguồn tia X

HT

Liều tương đương

LO

Tỉ lệ liều bức xạ rò rỉ tại vị trí cách nguồn 1 m

P

Liều giới hạn được phép

Qn

Cường độ dòng neutron

Rh

Liều giới hạn trong bất kỳ giờ nào

v


T

Hệ số chiếm cứ

TN

Giá trị một phần mười chiều dài

U

Hệ số sử dụng

W

Tải làm việc

Wr

Hệ số trọng số phóng xạ

WT

Hệ số trọng số mô

𝛼

Hệ số phản xạ của tường che chắn

𝜑A

Thông lượng neutron

Các chữ viết tắt:
ATBX

An toàn bức xạ

BVCR

Bệnh viện Chợ Rẫy

BPE

Borated Polyethylene

Capture gamma

Gamma từ phản ứng bắt neutron và phát tia gamma

HVL

Lớp giá trị một nửa

IAEA

Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế

IDR

Suất liều tức thời

IEC

Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế

ICRP

Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ bức xạ

NCRP

Hội đồng Quốc gia về bảo vệ và đo bức xạ

TVL

Lớp bề dày giảm 1/10

TADR

Suất liều trung bình theo thời gian

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT

Chỉ số

Nội dung

bảng

Trang

1

1.1

Các phản ứng hấp thụ neutron

7

2

1.2

Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ

10

3

1.3

Các trọng số mô WT theo khuyến cáo của ICRP qua các

11

lần thay đổi
4

1.4

Giới hạn liều qua các thời kỳ theo ICRP

12

5

2.1

Tính chất, đặc điểm của một số vật liệu che chắn

19

6

2.2

Giá trị của hệ số sử dụng đối với chùm tia sơ cấp, nếu

21

chia theo các góc quay Gantry thường gặp là 900
7

2.3

Giá trị của hệ số chiếm cứ tại các khu vực làm việc

21

8

2.4

Tóm tắt các đề xuất/quy định thiết kế giới hạn liều hiệu

24

dụng
9

3.1

Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm sơ cấp ở vị trí C

39

10

3.2

Dữ liệu nhập vào cho che chắn bức xạ rò rỉ đến tường

40

sơ cấp ở vị trí C
11

3.3

Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm bức xạ tán xạ đến

40

tường sơ cấp ở vị trí C
12

3.4

Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm sơ cấp ở vị trí D

41

13

3.5

Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm thứ cấp ở vị trí A

42

14

3.6

Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm thứ cấp ở vị trí B

44

15

3.7

Dữ liệu nhập vào cho thiết kế che chắn cửa ra vào và

45

tường ziczac
16

3.8

Giá trị các khoảng cách đã được đo đạc (m)

45

17

3.9

Giá trị diện tích các bức tường tán xạ (m2)

45

vii


18

3.10

Bề dày các bức tường che chắn ứng với các khu vực

49

trên hình 3.1
19

3.11

Bề dày các bức tường sơ cấp, thứ cấp ứng với các dòng

50

máy khác nhau
20

3.12

Bề dày cửa ra vào ứng với các dòng máy khác nhau

viii

51


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
STT

Chỉ số

Nội dung

hình

Trang

1

1.1

Tán xạ Compton

3

2

1.2

Hiện tượng tạo cặp

4

3

1.3

Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng

5

4

1.4

Biểu diễn sự suy giảm của chùm tia khi qua lớp che

14

chắn bề dày x
5

2.1

Sơ đồ khối của một máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị

15

6

2.2

Sơ đồ hình học của một phòng xạ trị có thiết kế tường

17

zic-zac điển hình. (a) mặt trước của phòng điều trị. (b)
sơ đồ toàn phòng điều trị. Vị trí của isocenter được thể
hiện bằng chữ thập màu xanh và hướng chùm tia vuông
góc với góc nhìn được đánh dấu bằng dấu chấm màu đỏ
7

2.3

Chùm bức xạ sơ cấp (chùm xanh đậm) và chùm bức xạ

22

thứ cấp (các đường nét đứt) được tạo ra bên trong
phòng điều trị và các rào cản được sử dụng để chống lại
bức xa sơ cấp và thứ cấp. Đối với bức xạ thứ cấp,
đường nét đứt màu đen là bức xạ rò rỉ và tán xạ từ bệnh
nhân, đường nét đứt màu đỏ là chùm quang neutron.
Giả sử tất cả các bức xạ xuất phát từ isocenter, vị trí
của isocenter được đánh dấu bằng dấu thập, hai chấm
tròn màu đỏ là vị trí của nguồn (ví dụ ở 00 và 1800) khi

gantry quay
8

2.4

Phạm vi của rào cản sơ cấp được mở rộng thêm 300
mm mỗi bên

ix

27


9

2.5

Hình học, khoảng cách, vị trí các điểm tham gia vào

29

tính toán che chắn cho rào cản sơ cấp và thứ cấp
10

2.6

Bố trí hình học cho việc tính toán liều ở cửa cho một

30

phòng điều trị năng lượng photon thấp (< 10 MV). Vị
trí isocenter đánh dấu bằng dấu thập màu xanh, hai
chấm màu đỏ là hai vị trí nguồn khi gantry quay đến
góc 900 và 2700
11

2.7

Một phòng điều trị điển hình với tường ziczac và

34

khoảng cách được sử dụng để xác định liều capture
gamma và liều neutron
12

3.1

Sơ đồ bố trí cơ sở xạ trị sử dụng máy gia tốc tuyến tính

38

năng lượng photon 18 MV
13

3.2a

Sơ đồ bố trí và kích thước bên trong phòng điều trị, ảnh

47

chụp từ phía trước cửa phòng điều trị vào trong
14

3.2b

Sơ đồ bố trí và kích thước bên trong phòng điều trị, ảnh
chụp từ trần nhà xuống

x

47


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, ung thư là một trong những căn bệnh gây tử vong cao nhất thế giới, tỷ
lệ mắc bệnh ung thư trên toàn thế giới đang gia tăng. Nhằm thực hiện chương trình
phòng chống ung thư quốc gia, nhiều bệnh viện tại Việt Nam đang xúc tiến việc lắp đặt
máy gia tốc xạ trị. Do suất liều cung cấp ở các máy gia tốc là rất cao, phòng xạ trị phải
được che chắn thích hợp để đảm bảo an toàn bức xạ cho nhân viên cũng như công
chúng. Việc thiết kế che chắn cho một cơ sở xạ trị luôn phải đảm bảo được hai vấn đề
an toàn và kinh tế. Để giải quyết vấn đề này, trước tiên phải có đủ thông tin về máy gia
tốc được dùng trong điều trị như suất liều, tần suất phát tia, vật liệu sử dụng cho che
chắn, số lượng bệnh nhân, thời gian lưu trú của nhân viên hay công chúng tại cơ sở, bố
trí hình học phòng xạ trị cũng như bố trí của các khu vực lân cận,…Cuối cùng là áp
dụng lý thuyết tính toán che chắn để thiết kế xây dựng một phòng điều trị tối ưu.
Đề tài này cung cấp các thông tin về xạ trị, an toàn bức xạ và hướng dẫn thiết kế
đánh giá che chắn cho các thiết bị xạ trị tia X và gamma năng lượng cao. Kết quả tính
toán thực tế được kiểm nghiệm với độ an toàn cần thiết.
Từ mục đích và nội dung công việc như trên, đề tài được bố cục gồm ba

chương.
Chương 1: Tổng quan về xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị
Chương này trình bày các khái niệm cơ bản trong xạ trị như ung thư là gì? Xạ trị
là như thế nào? Các tương tác của gamma và neutron với vật chất. Trả lời những câu
hỏi liên quan đến an toàn bức xạ bao gồm: mức liều chiếu xạ được phép giới hạn cho
bệnh nhân, cho công chúng và cho nhân viên là bao nhiêu? Các biện pháp nào được sử
dụng để che chắn bức xạ nhằm đảm bảo an toàn bức xạ? Các đại lượng, liều áp dụng
được sử dụng trong tính toán che chắn.

xi


Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế che chắn cho cơ sở
xạ trị như bố trí hình học phòng điều trị, vật liệu xây dựng, nguồn bức xạ,… Các thuật
ngữ được sử dụng và trình bày cơ sở lý thuyết trong tính toán và đánh giá che chắn dựa
trên tài liệu NCRP – 151.
Chương 3: Áp dụng mô hình lý thuyết vào thực tế
Sau khi tìm hiểu về an toàn bức xạ và lý thuyết tính toán, đánh giá che chắn. Ở
chương này sẽ trình bày kết quả của toàn bộ quá trình tính toán, đánh giá che chắn thực
tế cho một phòng điều trị sử dụng máy gia tốc năng lượng cao với các mức năng lượng
khác nhau và được đánh giá với mức độ an toàn cao.
Phần phụ lục: Cung cấp các dữ liệu cần thiết cho tính toán và đánh giá che chắn.

xii


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ
VÀ AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ

Kể từ khi ra đời vào đầu thế kỷ 20, xạ trị và những tiến bộ của nó đã có một
mối liên kết chặt chẽ với vật lý y học. Ngày nay, xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính
trở thành một phương pháp điều trị ung thư hữu hiệu ở Việt Nam và trên thế giới
cùng với các phương pháp khác như phẫu thuật và hóa trị. Tuy nhiên do liều xuất ra
từ máy gia tốc là rất lớn nên phải đặc biệt chú ý về an toàn bức xạ. Chương này sẽ
trình bày những vấn đề liên quan đến xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị.
1.1.

Tổng quan về xạ trị

1.1.1.
1.1.1.1.


Các khái niệm cơ bản trong xạ trị
Ung thư
Khái niệm

Theo cơ quan Quốc tế Nghiên cứu về Ung thư (International Agency for
Research on Cancer) [16], ung thư là tên dùng chung để mô tả một nhóm các bệnh
phản ảnh những sự thay đổi về sinh sản, tăng trưởng chức năng của tế bào. Các tế
bào bình thường trở nên bất thường (đột biến) và tăng sinh một cách không kiểm
soát, xâm lấn các mô ở gần (xâm lấn cục bộ) hay ở xa (di căn) qua hệ thống bạch
huyết hay mạch máu. Di căn là nguyên nhân gây tử vong chính của ung thư. Những
thuật ngữ khác của ung thư là khối u ác tính hoặc tân sinh ác tính (malignant
neoplasm), có hơn 100 loại ung thư khác nhau.


Điều trị ung thư

Mục tiêu của việc điều trị ung thư là loại bỏ hoàn toàn hoặc một phần các khối
u từ cơ thể của bệnh nhân [2], có 3 phương thức chính được sử dụng điều trị:


Phẫu thuật (là phương pháp cắt bỏ trực tiếp các khối u).



Hoá trị (là phương pháp dùng thuốc để tiêu diệt tế bào ung thư).



Xạ trị (là phương pháp sử dụng các tia bức xạ như gamma, neutron,
proton, alpha, hạt nặng mang điện để tiêu diệt tế bào ung thư).

1


1.1.1.2.

Xạ trị

Xạ trị là phương pháp điều trị tại chỗ, tác động trực tiếp lên tế bào ung thư
ngay tại vùng xạ trị. Có hai loại xạ trị: (1) xạ trị ngoài là liệu pháp dùng nguồn bức
xạ chiếu từ ngoài vào trong cơ thể bệnh nhân, (2) xạ trị trong là liệu pháp đưa nguồn
phóng xạ trực tiếp lên khối u hoặc đặt gần khối u. Một số bệnh nhân được dùng
đồng thời 2 loại xạ trị này [15].
Mục đích của việc xạ trị là chiếu một liều bức xạ (đơn vị Gray) lên khối u sao
cho đủ liều để tiêu diệt khối u và hạn chế ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh
trong cơ thể bệnh nhân. Việc cấp liều điều trị được thực hiện bởi các bác sĩ chuyên

khoa. Với mỗi bệnh nhân, giai đoạn bệnh lý khác nhau thì sẽ có một liều điều trị
khác nhau. Về loại tia xạ dùng trong xạ trị, thì hiện nay chủ yếu ở nước ta là dùng
bức xạ tia X/photon/gamma phát ra từ máy Cobalt–60 hoặc máy gia tốc tuyến tuyến
tính (LINAC). Với máy gia tốc tuyến tính thì ta có thể dùng hai loại tia bức xạ là
photon và electron. Vì luận văn này tập trung vào việc tính toán che chắn an toàn
cho một cơ sở xạ trị có máy gia tốc tuyến tính nên trong phần tiếp theo tác giả đề
cập một số khái niệm cơ bản của hai loại bức xạ cần quan tâm trong quá trình tính
toán là photon/gamma và neutron (sản phẩm gián tiếp của phản ứng quang neutron
và tương tác của electron năng lượng cao với vật chất).
Tương tác của gamma và neutron với vật chất

1.1.2.
1.1.2.1.

Tương tác của gamma với vật chất

Nếu không tính đến phản ứng hạt nhân, tương tác của bức xạ gamma bao gồm:
hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron – positron [3].


Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử
electron liên kết với hạt nhân. Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của lượng tử
gamma được truyền cho điện tử electron.
Te = Eγ − Ii
Trong đó:
-

Te : động năng của electron phát ra (photo electron).

2

(1.1)


-

Eγ : năng lượng của lượng tử gamma tới.

-

Ii : năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i của hạt nhân.
Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của

lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng nhỏ.
Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá
năng lượng liên kết, đặc biệt đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng,
xác suất tương tác giảm dần theo hàm

1
E3

. Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang

điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK , EK là năng lượng liên kết của
electron trên lớp K, tuân theo quy luật

1
7

E ⁄2

1

; khi E ≫ EK thì tuân theo quy luật .
E

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện
phụ thuộc vào Z theo quy luật Z5. Như vậy tiết diện quang điện:
σphoto ~

Z5
7
E ⁄2

khi E ≥ EK và σphoto ~

Z5
E

khi E ≫ EK

(1.2)

Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở
vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ, hiệu ứng quang điện chủ yếu
chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp.
Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó
của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp
ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình này dẫn tới làm phát các

tia X đặc trưng hay các electron Auger.


Hiệu ứng Compton

Hình 1.1: Tán xạ Compton [3].

3


Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron
quỹ đạo ngoài của nguyên tử. Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một
phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ
Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do.
Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau:
hv ′ = hv/ [1 +

hv
mc2

(1 − cosθ)]

(1.3)

Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên
tử và tỉ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy :
σcompton =

Z
E

(1.4)

Trong tán xạ Compton thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo
cơ chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp.


Sự tạo cặp electron - positron

Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ > E0 ) cùng với hiệu ứng quang điện
và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra
hiện tượng tạo cặp electron – positron.

Hình 1.2: Hiện tượng tạo cặp [3].
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc
proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, năng lượng ngưỡng E0 để
xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ
của electron.
E0 ≈ 2me c 2 = 1,022 MeV

(1.5)

hv = Te− + Te+ + 2me c 2

(1.6)

4


Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng

ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4me c 2 = 2,04 MeV.
Tiết diện tạo cặp electron – positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn
tiết diện tạo cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần. Biểu thức cho tiết diện tạo
cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 5 me c 2 < E <
50 me c 2 , tiết diện tạo cặp có dạng:
σpair ~Z2 lnE

(1.7)

Theo công thức trên, tiết diện tạo cặp electron – positron gần như tỉ lệ với Z2
nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn.


Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Như đã trình bày ở trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng xảy
ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron –
positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng:
σ = σphoto + σcompton + σpair
trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoto ~

Z5

7 ,
E ⁄2

(1.8)

tiết diện quá trình tán xạ

Z

Compton là σcompton ~ và tiết diện quá trình tạo cặp là σpair ~Z2 lnE.
E

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [3].
Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng E của tia gamma và điện tích Z
của vật chất như trên, suy ra rằng trong miền năng lượng bé hơn E1 , cơ chế chủ yếu
5


trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang điện, trong miền năng lượng
trung gian E1 < E < E2 là quá trình tán xạ Compton và trong miền năng lượng cao
E > E2 là quá trình tạo cặp electron – positron. Các giá trị năng lượng phân giới
E1 , E2 phụ thuộc vào từng môi trường vật chất.
1.1.2.2.

Tương tác của neutron với vật chất

Sự tương tác của neutron với vật chất chủ yếu là tương tác với hạt nhân
nguyên tử. Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn
hồi, tán xạ không đàn hồi và phản ứng hạt nhân [4] [5].


Sự suy giảm chùm neutron

Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron
theo năng lượng của chúng, thành các neutron nhiệt (năng lượng neutron En từ 0
đến 0,5 eV), các neutron trên nhiệt (En từ 0,5 eV đến 10 keV), các neutron nhanh
(En từ 10 keV đến 10 MeV) và các neutron rất nhanh (En lớn hơn 10 MeV). Tương

tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó.
Khi chùm hẹp các hạt neutron đi qua môi trường, cũng giống như tia gamma,
cường độ chùm tia cũng giảm đi theo hàm số mũ. Ở đây thay cho việc sử dụng hệ
số hấp thụ tuyến tính hay hệ số hấp thụ khối người ta dùng tiết diện vĩ mô Σ = 𝜎𝑁,
trong đó: σ là tiết diện hấp thụ vi mô của môi trường; N là số các hạt nhân hấp thụ
của môi trường trong 1 cm3. Khi đó, cường độ chùm neutron I sau bản hấp thụ dày t
liên tục với cường độ chùm neutron Io trước bản hấp thụ như sau:
I = I0 e−Σt = I0 e−σNt


(1.9)

Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi

Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi neutron tương tác với các hạt
nhân môi trường có số nguyên tử bé. Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm
dần khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi
là chất làm chậm.
Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống
như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1,
động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau tán xạ neutron

6


có năng lượng 𝐸′. Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán
xạ đàn hồi, ta có:
εE ≤ E′ ≤ E
Trong đó: - ε = (

(1.10)

A−1 2

)

(1.11)

A+1

-

E’ = E khi neutron tán xạ về phía trước.

-

E’ = εE khi neutron tán xạ về phía sau, tức là va chạm trực diện.

Trong công thức (1.11) trong va chạm với hạt nhân hydro thì ε = 0, do đó
theo công thức (1.10) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hạt nhân
hydro khi va chạm trực diện. Tuy nhiên, đối với các hạt nhân nặng hơn, do ε ≠ 0
nên neutron không thể truyền toàn bộ động năng của mình trong một va chạm.
Như vậy, hạt nhân có khối lượng bé làm chậm neutron có hiệu quả hơn hạt
nhân có khối lượng lớn.


Hấp thụ neutron

Trong quá trình neutron nhanh được làm chậm thành neutron trên nhiệt hay
neutron nhiệt trong môi trường, xác suất hấp thụ cũng tăng dần. Tiết diện hấp thụ

của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lượng nhiệt tuân theo quy luật [4]:
σ~

1
√E

~

1

(1.12)

v

Tiết diện neutron có giá trị cao nhất σT tại năng lượng nhiệt ET = 0,025 eV.
Khi đó quy luật (1.12) có thể viết thành:
σ = σT

vT
v

ET

= σT √

(1.13)

E

Các phản ứng hấp thụ neutron được quan tâm trong an toàn bức xạ như:

Bảng 1.1: Các phản ứng hấp thụ neutron [4]
Các phản ứng hấp thụ neutron

Tiết diện neutron 𝜎𝑇 (barn)

H (n, γ) 2H

0,33

N (n, p) 14C

1,70

B (n, α) 7Li

4,0110-3

Cd (n, γ) 114Cd

2,110-4

1

14

10
113

7

Các phản ứng 1H (n, γ) 2H và 14N (n, p) 14C được quan tâm trong an toàn bức
xạ do H và N là các nguyên tố chủ yếu trong mô sinh học, còn các phản ứng
10

B (n, α) 7Li và

113

Cd (n, γ) 114Cd được quan tâm khi che chắn neutron. Thông

thường, khi che chắn neutron nhanh, người ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với
nhau, vật liệu như nước, paraphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh
neutron nhiệt như B10 hay Cd113 để hấp thụ neutron nhiệt.
1.2.

An toàn bức xạ trong xạ trị

1.2.1.

Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong xạ trị

Với sự phát triển của tiến bộ khoa học kỹ thuật, các máy móc công nghệ cao
được sử dụng trong lĩnh vực y tế nói chung và trong xạ trị nói riêng cũng không
ngừng phát triển. Từ sử dụng nguồn Co-60 chỉ có hai mức năng lượng là 1,17 MeV
và 1,33 MeV đến sử dụng máy gia tốc có các mức năng lượng photon từ thấp 4 MV,
6 MV, đến năng lượng cao là 10 MV, và rất cao là 15 MV, 18 MV.
Vấn đề quan trọng nhất trong ATBX cho một cơ sở sử dụng máy gia tốc tuyến
tính cho xạ trị là thiết kế phòng đặt máy, hay còn gọi là Boongke, sao cho vẫn đảm
bảo hài hòa hai yếu tố là an toàn cho nhân viên bức xạ, cho môi trường chung quanh

nhưng vẫn phải đảm bảo chi phí xây dựng tối ưu nhất. Có nhiều tài liệu đề cập đến
vấn đề này, tuy nhiên trong khóa luận này tác giả dựa trên tài liệu NCRP-151 [9].
1.2.1.1.


Các đại lượng, liều áp dụng trong tính toán che chắn
Liều hấp thụ

Liều hấp thụ là năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của
đối tượng bị chiếu xạ [5], theo định nghĩa ta có:

Dht =

∆E
∆m

(1.14)

Trong đó:
-

∆E: năng lượng của bức xạ bị mất đi do sự ion hoá trong đối tượng bị chiếu
xạ.

-

∆m: khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ.

-

Dht : liều hấp thụ.

8


Ngoài đơn vị SI là J/kg, liều hấp thụ còn có đơn vị Gy hoặc rad.
1 Gy = 1 J/kg = 100 rad = 100 cGy.


Liều chiếu

Liều chiếu của tia X hoặc tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến
đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí,
khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn. Từ định nghĩa trên, ta có:

Dch =

∆Q
∆m

(1.15)

Trong đó:
-

∆Q: điện tích xuất hiện do sự ion hoá không khí trong một đơn vị thể tích.

-

∆m: khối lượng không khí của thể tích trên.

-

Dch : liều chiếu.
Đơn vị của liểu chiếu là Coulomb trên kilogram (C/kg) hoặc Roentgen (R).
1C/kg = 3876 R.


Liều tương đương

Trong thực nghiệm cho thấy hiệu ứng sinh học gây bởi bức xạ không chỉ phụ
thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ. Do vậy, một đại lượng
được dùng là liều tương đương: “tương đương” có nghĩa là giống nhau về mặt sinh
học. Để so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau [5].
Dựa vào tính chất trên, liều tương đương được định nghĩa là liều hấp thụ trung
bình trong mô hoặc cơ quan T bất kỳ do bức xạ r nhân với hệ số trọng số phóng xạ
tương ứng của bức xạ.
HT = Σ(Wr × DT,r )

(1.16)

Trong đó:
-

r: loại bức xạ được hấp thụ trong mô hoặc cơ quan T.

-

Wr : là hệ số trọng số phóng xạ của bức xạ r, bảng 1.2.

-

DT,r : liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T.

-

HT : liều tương đương.
Đơn vị của liều tương đương là J/kg, rem hoặc Sievert (Sv), 1 Sv = 100 rem.

9


Bảng 1.2: Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ [5]
Loại bức xạ

Khoảng năng lượng

Trọng số phóng xạ Wr

Photon

Tất cả

1

Electron

Tất cả

1

Dưới 10 keV

5

Từ 10 keV đến 100 keV

10

Từ 100 keV đến 2 MeV

20

Từ 2 MeV đến 20 MeV

10

Trên 20 MeV

5

Trên 2 MeV

5

Tất cả

20

Neutron

Proton giật lùi
Hạt alpha, mảnh phân
hạch, hạt nhân nặng


Liều hiệu dụng

Để đánh giá xác suất gây ra những hiệu ứng ngẫu nhiên như ung thư hay di
truyền trên từng bộ phận hay một cơ quan bất kỳ của cơ thể, ICRP đề nghị đưa vào
các trọng số mô WT. Các mô khác nhau nhận cùng một liều tương đương như nhau
thì tổn thương sinh học khác nhau.
Liều hiệu dụng được định nghĩa là tổng của tất cả các liều tương đương ở các
mô hay cơ quan, mỗi một liều được nhân với trọng số mô tương ứng. Liều hiệu
dụng cho biết xác suất xảy ra những hiệu ứng ngẫu nhiên khi cơ thể bị chiếu tại
nhiều vùng khác nhau.
E = Σ(WT × HT )
Trong đó:
-

WT : là trọng số mô, bảng 1.3.

-

HT : là liều tương đương.

-

E: là liều hiệu dụng.
Đơn vị của liều hiệu dụng là J/kg hoặc Sievert (Sv).

10

(1.17)


Bảng 1.3: Các trọng số mô WT theo khuyến cáo của ICRP qua các lần thay đổi [1]
Cơ quan hoặc mô

ICRP 30

ICRP 60

ICRP 103

(1979)

(1990)

(2007)

Cơ quan sinh dục

0,25

0,20

0,08

Tuỷ xương (tuỷ đỏ)

0,12

0,12

0,12

Ruột

--

0,12

0,12

Phổi

0,12

0,12

0,12

Dạ dày

--

0,12

0,12

Bàng quang

--

0,05

0,04

Vú

0,15

0,05

0,12

Gan

--

0,05

0,04

Thực quản

--

0,05

0,04

Tuyến giáp

0,03

0.05

0,04

--

0,01

0,01

0,03

0,01

0,01

Tuyến nước bọt, não

--

--

0,01

Các cơ quan còn lại

0,3

0,05

0,12

Da
Bề mặt xương

Dựa vào định nghĩa cũng như tính chất của từng đại lượng liều đã nêu ở trên,
cũng như xuất phát từ mục đích của đề tài, trong khóa luận này đại lượng liều tương
đương sẽ được dùng trong tính toán thiết kế và che chắn.
1.2.1.2.

Giới hạn liều đối với con người theo ICRP

Nhiệm vụ chủ yếu của việc phòng chống bức xạ ion hoá là không để sự chiếu
xạ trong và ngoài lên cơ thể vượt quá liều lượng cho phép.
Từ những năm 30, ICRP (Uỷ ban quốc tế về an toàn bức xạ) đã khuyến cáo
rằng mọi tiếp xúc với bức xạ vượt quá giới hạn phông bình thường nên giữ ở mức
độ càng thấp càng tốt. Khuyến cáo này được bổ sung và điều chỉnh hàng năm để
giúp nhân viên và công chúng nói chung phòng tránh quá liều. Các khuyến cáo gần
đây nhất được đưa ra năm 2007. Các khuyến cáo này không là giới hạn bắt buộc
nhưng đã được thông qua như là quy tắc luật pháp ở nhiều nước [11] [13].
11