Tải bản đầy đủ

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO CHUẨN HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐO CHUẨN HOẠT ĐỘ
PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN

SVTH : HUỲNH NGUYỄN PHONG THU
CBHD : Th.S NGUYỄN VĂN HÒA
CBPB : Th.S LÊ CÔNG HẢO

TP. HỒ CHÍ MINH – 2012


LỜI CẢM ƠN


Khóa luận được thực hiện với sự giúp đỡ của các thầy cô, gia đình và bạn bè.
Thông qua khóa luận này, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến:
 Các Thầy Cô bộ môn Vật Lý Hạt Nhân trường đại học Khoa Học Tự Nhiên
thành phố Hồ Chí Minh.
 Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn
Hòa đã tận tình dạy bảo, gợi ý, hướng dẫn đề tài cũng như dành nhiều thời
gian để đọc và sửa chữa khóa luận cho em.
 Em cũng xin đặc biệt cảm ơn anh Nguyễn Hoàng Tùng (bệnh viện Chợ Rẫy)
đã rất tận tình chỉ dẫn, cung cấp tài liệu, hướng dẫn thực nghiệm và giúp
đỡ em hoàn thành khóa luận này.
 Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Lê Công Hảo đã đọc và góp ý cho
khóa luận của em hoàn chỉnh hơn.
 Em cũng xin gửi lời tri ân đến thầy PGS.TS Châu Văn Tạo đã động viên em
rất chân thành trong lúc gặp khó khăn nhất.
 Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè, người thân và gia đình
đã động viên, chia sẻ với em trong suốt khóa học.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012
Huỳnh Nguyễn Phong Thu.


1

MỤC LỤC
Trang
Mục lục ...................................................................................................................... 1
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................ 3
Danh mục các bảng .................................................................................................... 4
Danh mục các hình vẽ................................................................................................ 5
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................ 6
CHƢƠNG I : CƠ SỞ VẬT LÝ ................................................................................. 7
1.1. Vật lý YHHN cơ bản ...................................................................................... 7
1.1.1. Hạt nhân ................................................................................................. 7
1.1.1.1. Cấu trúc hạt nhân .................................................................... 7
1.1.1.2. Hạt nhân bền............................................................................ 7
1.1.1.3. Đồng vị .................................................................................... 7
1.1.2. Phân rã phóng xạ .................................................................................... 8
1.1.2.1. Hạt nhân không bền và phân rã phóng xạ ............................... 8
1.1.2.2. Phân rã alpha () ..................................................................... 8
1.1.2.3. Phân rã beta trừ (-) ................................................................. 8
1.1.2.4. Phân rã beta cộng (+) và bắt electron .................................... 9


1.1.2.5. Sự phát gamma () ................................................................ 10
1.1.2.6. Các sơ đồ phân rã .................................................................. 10
1.1.2.7. Hoạt độ phóng xạ .................................................................. 12
1.1.3. Tƣơng tác của hạt tích điện với vật chất .............................................. 13
1.1.3.1. Sự ion hóa và kích thích ........................................................ 13
1.1.3.2. Sự phát bức xạ hãm ............................................................... 13
1.1.4. Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất .......................................... 14
1.1.4.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................. 14


2

1.1.4.2. Tán xạ Compton .................................................................... 15
1.1.5. Sự hủy cặp ............................................................................................ 17
1.2. Detector chứa khí .......................................................................................... 17
1.2.1. Ghi nhận bức xạ ion hóa ...................................................................... 17
1.2.2. Hai chế độ hoạt động của detector ....................................................... 18
1.2.3. Detector chứa khí ................................................................................. 18
CHƢƠNG II: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐO CHUẨN
HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ ............................................................... 23
2.1. Buồng ion hóa ............................................................................................... 24
2.2. Mạch khuếch đại ........................................................................................... 26
2.3. Mạch chọn đồng vị ....................................................................................... 28
2.4. Bộ cung cấp nguồn ....................................................................................... 31
2.5. Bộ hiển thị .................................................................................................... 31
2.6. Đảm bảo độ chính xác phép đo .................................................................... 31
CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG MÁY ĐO CHUẨN HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TẠI
BỆNH VIỆN CHỢ RẪY ................................................................ 34
3.1. Ứng dụng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ tại khoa YHHN ....................... 34
3.1.1. Đo hoạt độ Tc-99m vừa chiết ra và xác định độ sạch phóng xạ
Tc-99m ................................................................................................ 35
3.1.2. Đo – phân liều DCPX trƣớc khi chẩn đoán, điều trị cho bệnh nhân ... 38
3.1.2.1. Đo – phân liều Tc-99m .................................................................. 38
3.1.2.2. Đo – phân liều I-131 ...................................................................... 39
3.2. Ứng dụng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ cho máy PET ........................... 41
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................ 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 46


3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
YHHN

Y Học Hạt Nhân

ĐVPX

Đồng Vị Phóng Xạ

DCPX

Dƣợc Chất Phóng Xạ

LED

Diode phát quang (Light Emitting Diode)

USP

Cơ quan quy định một số mức liều của thuốc dùng trong y tế ở
Mỹ (United States Pharmacopeial Convention)

MDP

Methylene Dyphosphonate

DTPA

axit Diethylene-Triamine-Penta-Acetic

DMSA

axit Dimercaptosuccinic

MIBI

Methoxyisobutylisonitrile

PET

Positron Emission Tomography

SPECT

Single Photon Emission Computed Tomography


4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Năng lƣợng trung bình để tạo ra một cặp ion của một số khí ............ 20
Bảng 2.2: Hệ số đồng vị một số ĐVPX của máy CRC-25 PET......................... 30
Bảng 2.3: Hệ số đồng vị một số ĐVPX của máy Searle .................................... 30
Bảng 2.4: Một số nguồn chuẩn để hiệu chỉnh phép đo trong máy đo chuẩn
hoạt độ phóng xạ ............................................................................... 32
Bảng 3.1: Kiểm tra độ sạch phóng xạ Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện
Chợ Rẫy ............................................................................................. 38
Bảng 3.2: Đo - phân liều Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy........... 39
Bảng 3.3: Đo - phân liều I-131 tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy............... 41
Bảng 3.4: Đo - phân liều F-18 tại khu vực PET – Cyclotron, bệnh viện
Chợ Rẫy ............................................................................................ 44


5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các sơ đồ phân rã .............................................................................. 11
Hình 1.2: Sơ đồ phân rã chỉ một số biến đổi cơ bản của Tc-99m, I-131 .......... 12
Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện ......................................................................... 15
Hình 1.4: Tán xạ Compton ................................................................................ 16
Hình 1.5: Sự hủy cặp ......................................................................................... 17
Hình 1.6: Sơ đồ detector chứa khí nối với mạch ngoài ..................................... 19
Hình 1.7: Đƣờng cong đáp ứng cho detector khí .............................................. 22
Hình 2.1: Sơ đồ khối máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ ..................................... 23
Hình 2.2: Sơ đồ nối buồng ion hóa chế độ dòng với mạch khuếch đại ............. 25
Hình 2.3: Một số mạch khuếch đại hồi tiếp đảo dùng trong máy đo chuẩn
hoạt độ phóng xạ ............................................................................... 27
Hình 2.4: Mạch chọn đồng vị trong máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ .............. 28
Hình 2.5: Một số nguồn chuẩn dùng để hiệu chỉnh phép đo trong máy đo
chuẩn hoạt độ phóng xạ ..................................................................... 33
Hình 3.1: Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ VICTOREEN Model 34 – 061 ..... 34
Hình 3.2: Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ PTW CURIEMENTOR 3 ............. 34
Hình 3.3: Cấu tạo bình sinh Tc-99m và hai loại bình sinh tại khoa YHHN,
bệnh viện Chợ Rẫy ........................................................................... 36
Hình 3.4: Kiểm tra độ sạch phóng xạ Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện
Chợ Rẫy ............................................................................................ 37
Hình 3.5: Đo - phân liều Tc-99m tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy ........... 39
Hình 3.6: Đo - phân liều I-131 tại khoa YHHN, bệnh viện Chợ Rẫy ............... 40
Hình 3.7: Máy gia tốc Cyclotron Eclipse HP .................................................... 42
Hình 3.8: Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ CRC-25 PET ................................. 42


6

LỜI MỞ ĐẦU
YHHN là một ngành mới của y học chuyên sử dụng các ĐVPX hay các DCPX
để chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu y học [1].
Việc ứng dụng các ĐVPX, DCPX chủ yếu dựa trên hai kỹ thuật cơ bản là
đánh dấu phóng xạ và dùng bức xạ phát ra để thu thập thông tin về chức năng,
chuyển hoá để chẩn đoán bệnh hoặc tạo ra các hiệu ứng sinh học để điều trị bệnh.
Hoạt độ phóng xạ các ĐVPX hoặc DCPX là yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến
kết quả chẩn đoán, điều trị. Nếu hoạt độ cao hơn mức quy định sẽ gây những hậu quả
đáng tiếc cho bệnh nhân. Ngƣợc lại, nếu hoạt độ quá thấp so với mức cần thiết,
mục đích chẩn đoán, điều trị có thể không thực hiện đƣợc hoặc kém chất lƣợng [6].
Hơn nữa, hiện nay, một số ĐVPX nhƣ Tc-99m, F-18, O-15, N-13, C-11, Ga-68,… đã
có thể đƣợc sản xuất tại chính các cơ sở chẩn đoán, điều trị bằng YHHN càng đòi hỏi
phƣơng pháp đo nhanh chóng, chính xác hoạt độ các ĐVPX khi vừa đƣợc sản xuất
cũng nhƣ trƣớc khi sử dụng để chẩn đoán, điều trị cho bệnh nhân, việc này đƣợc
thực hiện bằng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ.
Các khóa luận trƣớc đây thƣờng nghiên cứu về các thiết bị chẩn đoán, điều trị
bằng cách dùng ĐVPX, DCPX và chƣa đề cập đến vấn đề đảm bảo hoạt độ các
ĐVPX, DCPX ở các mức cho phép. Vì vậy, tôi chọn đề tài này để tìm hiểu kỹ hơn về
thiết bị đảm bảo hoạt độ phóng xạ an toàn và hiệu quả trong chẩn đoán, điều trị đồng
thời cũng để giới thiệu về một thiết bị đo tƣơng đối mới tại Việt Nam trong lĩnh vực
YHHN. Khóa luận gồm ba chƣơng:
Chƣơng 1: Cơ sở vật lý.
Chƣơng 2: Nguyên tắc hoạt động của máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ.
Chƣơng 3: Ứng dụng máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ tại bệnh viện Chợ Rẫy.


7

Chƣơng 1
CƠ SỞ VẬT LÝ
1.1. VẬT LÝ YHHN CƠ BẢN
1.1.1. Hạt nhân
1.1.1.1. Cấu trúc hạt nhân [5]
Nguyên tử gồm hai thành phần chính là hạt nhân và các electron chiếm khoảng
không gian xung quanh hạt nhân đó.
Giống nhƣ nguyên tử, hạt nhân nguyên tử cũng có cấu trúc bên trong. Hạt nhân
nguyên tử bao gồm hai loại hạt: hạt mang điện tích dƣơng gọi là proton và hạt không
mang điện tích gọi là neutron, chúng đƣợc gọi chung là nucleon.
Các proton cùng tích điện dƣơng nên sẽ đẩy nhau bằng lực đẩy Coulomb, tuy
nhiên, có một lực liên kết mạnh mẽ gọi là lực hạt nhân thắng đƣợc lực đẩy này và
liên kết chặt chẽ các nucleon lại với nhau.
Số proton trong một hạt nhân đƣợc gọi là số hiệu nguyên tử, kí hiệu là Z.
Tổng số proton và neutron trong hạt nhân đƣợc gọi là số khối, kí hiệu là A.
1.1.1.2. Hạt nhân bền [5]
Không phải tất cả các nguyên tố đều có hạt nhân bền. Chúng tồn tại đa số trong
các nguyên tố có trọng lƣợng trung bình và nhẹ, tức các hạt nhân có Z  83, ngoại trừ
technetium (Z=43) và promethium (Z=61). Tất cả các hạt nhân có Z > 83 là các hạt
nhân không bền. Các hạt nhân bền có tỷ số giữa số neutron và proton ổn định trong
khoảng 1- 1.5.
1.1.1.3. Đồng vị [5]
Mỗi nguyên tử của bất kì mẫu nào của một nguyên tố đều có số proton nhƣ nhau
trong hạt nhân. Tuy nhiên, số neutron trong hạt nhân không phải lúc nào cũng


8

không đổi. Đồng vị là các dạng của cùng một nguyên tố có cùng số proton trong hạt
nhân nguyên tử nhƣng khác nhau số neutron.
1.1.2. Phân rã phóng xạ
1.1.2.1. Hạt nhân không bền và phân rã phóng xạ [5]
Nhƣ trên ta đã biết technetium, promethium và các hạt nhân có Z>83 là các
hạt nhân không bền. Một hạt nhân không bền sẽ tự điều chỉnh để trở thành hạt nhân
bền bằng cách phát ra các thành phần trong hạt nhân (nucleon) hoặc phát năng lƣợng
dƣới dạng các photon (các tia gamma). Các tiến trình này đƣợc gọi là sự phân rã
phóng xạ.
Vậy sự phân rã phóng xạ là sự biến đổi của một đồng vị không bền để trở thành
một đồng vị khác bằng cách phát ra một hoặc vài bức xạ ion hóa nhƣ proton (p),
neutron (n), alpha (), beta (-,+) gamma ()…
1.1.2.2. Phân rã alpha () [4], [5]
Các hạt nhân không bền có số khối cao (thƣờng vào khoảng A>150) có thể phân
rã thành các mảnh vỡ hạt nhân. Mảnh vỡ hạt nhân bền nhỏ nhất đƣợc phát ra có hai
proton và hai neutron, tƣơng ứng với hạt nhân nguyên tử Heli. Phân rã phóng xạ phát
ra Heli đƣợc gọi là phóng xạ  và hạt Heli phát ra đƣợc gọi là hạt .
A
Z

X  ZA24 A  24 He

(1.1)

Ví dụ:
238
92

4
U  234
90Th  2 He

(1.2)

1.1.2.3. Phân rã beta trừ (-)[4], [5]
Các hạt nhân không bền nhiều neutron có thể đạt đƣợc trạng thái bền bằng cách
chuyển một neutron thành một proton và một electron. Proton này vẫn còn trong hạt
nhân nhƣng electron đƣợc phát ra. Electron phát ra đƣợc gọi là hạt - và quá trình này
gọi là phóng xạ -. Trong quá trình này đồng thời phát ra một hạt khác gọi là
phản neutrino ( ).


9

X  Z A1Y  10e 

A
Z

n  p    

(1.3)

(1.4)

Ví dụ:
131
53

0
I  131
54 Xe  1 e 

(1.5)

1.1.2.4. Phân rã beta cộng (+)và bắt electron [4], [5]
Đối với các hạt nhân có nhiều proton, để đạt đƣợc trạng thái bền, hạt nhân có
xu hƣớng chuyển proton thành neutron. Có hai khả năng có thể xảy ra là phân rã
positron (+) hoặc bắt electron.
-

Một proton có thể đƣợc chuyển thành một neutron và một positron – tức một
electron tích điện dƣơng thay vì tích điện âm. Neutron vẫn tồn tại trong hạt
nhân, chỉ có positron phát ra. Trong phân rã còn có thêm một neutrino ().
A
Z

X  Z A1Y  10e 

p  n    

(1.6)
(1.7)

Ví dụ:
22
11

-

22
Na  10
Ne  10e 

(1.8)

Một hạt nhân nhiều proton cũng có thể kết hợp với một trong các electron
trên quỹ đạo trong để chuyển một trong các proton của hạt nhân này thành
một neutron. Quá trình này cũng kèm theo một neutrino.
A
Z

X  10e  Z A1Y 

p  e  n 

(1.9)
(1.10)

Ví dụ:
55
26

55
Fe  10e  25
Mn 

(1.11)

Một electron ở lớp vỏ ngoài sau đó sẽ vào lắp đầy vị trí ở lớp vỏ bên trong mà
electron vừa bị bắt, phát ra tia X đặc trƣng hoặc điện tử Auger.


10

1.1.2.5. Sự phát gamma () [4], [5]
Nếu hạt nhân có số nucleon và tỷ số giữa neutron với proton nằm trong vùng bền
nhƣng năng lƣợng của hạt nhân lớn hơn năng lƣợng nghỉ – tức hạt nhân ở trạng thái
kích thích ( ZA X e ), phần năng lƣợng thừa sẽ đƣợc phát ra dƣới dạng tia  để trở thành
hạt nhân bền ( ZA X s ).
A
Z

X e  ZA X s  

(1.12)

Ví dụ:
Tc 99
43 Tc  

99 m
43

(1.13)

1.1.2.6. Các sơ đồ phân rã [4], [5]
Phân rã của một hạt nhân từ trạng thái không bền sang trạng thái bền có thể
xảy ra theo nhiều nhánh khác nhau. Mỗi nhánh có thể sinh ra một hoặc vài photon hay
một hoặc vài hạt đặc trƣng hay cả photon và hạt. Các sơ đồ phân rã tổng quát cho cả
bốn kiểu phân rã đƣợc mô tả trong hình 1.1. Mức cao nhất của sơ đồ ( ZA X ) là
trạng thái có năng lƣợng cao nhất. Khi hạt nhân này phân rã bằng cách giảm
năng lƣợng hoặc số hạt, tạo ra các hạt nhân ở hàng thấp hơn có năng lƣợng thấp hơn.
Mũi tên có hƣớng từ một mức đến mức tiếp theo chỉ loại phân rã. Các mũi tên hƣớng
về bên trái chỉ sự phát alpha, phát positron hoặc bắt điện tử, tƣơng ứng với các
quá trình này, số hiệu nguyên tử giảm. Mũi tên hƣớng bên phải chỉ sự phát -,
tƣơng ứng với quá trình này, số hiệu nguyên tử tăng. Mũi tên thẳng đứng chỉ sự phát
, số hiệu nguyên tử không thay đổi. Hình 1.2 mô tả các sơ đồ phân rã chi tiết của
Tc-99m và I-131 là hai ĐVPX thƣờng dùng trong YHHN.


11

Hình 1.1: Các sơ đồ phân rã [4]


12

Hình 1.2: Sơ đồ phân rã chỉ một số biến đổi cơ bản của Tc-99m, I-131 [5]
1.1.2.7. Hoạt độ phóng xạ [7]
Hoạt độ phóng xạ, A, là đại lƣợng đặc trƣng cho tính phóng xạ mạnh hoặc yếu
của một lƣợng chất phóng xạ và đƣợc đo bằng tỷ số:
A

dN
dt

(1.14)

Trong đó, dN là số hạt nhân phân rã trong khoảng thời gian dt.
Hoạt độ phóng xạ đặc trƣng cho tốc độ phân rã, có đơn vị là Bq (Becquerel).
1Bq = 1 phân rã/s.


13

Ngoài ra, ngƣời ta còn sử dụng các đơn vị đặc biệt là Ci, mCi, Ci…
1Ci = 3,7x1010Bq.
1.1.3. Tƣơng tác của hạt tích điện với vật chất [4]
Khi đi qua môi trƣờng vật chất, các hạt tích điện tƣơng tác với vật chất qua
tƣơng tác Coulomb với lớp vỏ và nhân nguyên tử. Hạt tích điện bị mất năng lƣợng
thông qua các hiệu ứng:
-

Ion hóa và kích thích.

-

Phát bức xạ hãm.

Các quá trình này có thể xảy ra cùng một lúc nhƣng để đơn giản ta xét riêng
từng quá trình.
1.1.3.1. Sự ion hóa và kích thích [2], [4]
Khi hạt tích điện va chạm với vỏ nguyên tử, nếu năng lƣợng của hạt đủ lớn để
thắng lực liên kết của electron trong nguyên tử và bứt electron ra khỏi lớp vỏ
nguyên tử, quá trình này gọi là sự ion hóa.
Ngƣợc lại, nếu năng lƣợng của hạt tích điện không đủ lớn để thắng đƣợc lực
liên kết của electron trong nguyên tử mà chỉ có thể đƣa các electron lên một mức
năng lƣợng cao hơn, quá trình này gọi là sự kích thích.
1.1.3.2. Sự phát bức xạ hãm [2]
Khi một hạt tích điện chuyển động có gia tốc sẽ bứt xạ năng lƣợng dƣới dạng
bức xạ điện từ. Do vậy khi hạt tích điện đi vào môi trƣờng vật chất, hạt bị trƣờng
Coulomb của nhân làm lệch hƣớng, chuyển động có gia tốc và phát ra bức xạ điện từ
gọi là bức xạ hãm. Năng lƣợng phát ra trong quá trình này tỷ lệ thuận với bình phƣơng
gia tốc, tức tỷ lệ với 1/m2 (m là khối lƣợng của hạt), vì vậy đối với các hạt nặng, sự
phát bức xạ hãm rất nhỏ, không đáng kể, ngay cả trong môi trƣờng vật chất có bậc số
nguyên tử Z lớn. Nhƣng đối với các hạt nhẹ tích điện có năng lƣợng cao thì hiệu ứng
phát bức xạ hãm rất lớn, có thể lớn hơn hiệu ứng ion hóa.


14

Sự tƣơng quan giữa hai loại mất mát năng lƣợng, do ion hóa và do phát bức xạ
hãm, đƣợc tính theo hệ thức gần đúng:
 dE 


 dx rad ZE ( MeV )

800
 dE 


 dx ion

(1.15)

Trong đó,
E: là năng lƣợng của electron (MeV).
Z: là bậc số nguyên tử của môi trƣờng.
Nhƣ vậy, với các hạt nhẹ năng lƣợng cao thì hiệu ứng phát bức xạ hãm xảy ra rõ
rệt và nếu không chú ý có thể gây nên nhằm lẫn đáng kể khi đo năng lƣợng theo hiệu
ứng ion hóa. Đó là điều cần chú ý khi sử dụng các detector để đo năng lƣợng bức xạ.
1.1.4. Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất [5]
Tƣơng tác của bức xạ gamma với vật chất thƣờng xảy ra theo ba cơ chế chính:
-

Hiệu ứng quang điện.

-

Tán xạ Compton.

-

Hiệu ứng tạo cặp.
Các ĐVPX dùng trong YHHN thƣờng phát năng lƣợng nhỏ hơn 1MeV, vì vậy

chỉ có hai tƣơng tác xảy ra là hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton, nên ta không
quan tâm đến hiệu ứng tạo cặp.
1.1.4.1. Hiệu ứng quang điện
Lƣợng tử gamma va chạm không đàn hồi với nguyên tử và trao toàn bộ
năng lƣợng E của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Một phần năng lƣợng này
giúp electron thắng lực liên kết, phần còn lại trở thành năng lƣợng của electron [2]:
E  Ee  I 0

Với I0: là năng lƣợng liên kết của electron trong nguyên tử.
Ee: là năng lƣợng của electron.

(1.16)


15

Hình 1.3: Hiệu ứng quang điện [5]
Mức năng lƣợng electron giải phóng ra phụ thuộc vào năng lƣợng gamma.
Hiệu ứng quang điện đối với các lƣợng tử gamma có năng lƣợng cùng bậc với
năng lƣợng liên kết của electron trong nguyên tử. Đối với các electron nằm ở các lớp
vỏ nguyên tử sâu và với nguyên tử có bậc số nguyên tử Z lớn, năng lƣợng liên kết của
electron càng lớn. Vì vậy, với khoảng năng lƣợng của bức xạ gamma cao hơn tia X,
hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra ở lớp K (30%). Trong trƣờng hợp năng lƣợng
gamma không đủ để bứt electron lớp K, thì sẽ bứt các electron ở các lớp ngoài chẳng
hạn nhƣ lớp L hoặc M. Mặt khác, hiệu ứng quang điện tăng mạnh đối với môi trƣờng
vật chất có bậc số nguyên tử lớn. Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện [2], [3]:
Zm
  k. n
E

(1.17)

Với k: là hệ số tỷ lệ.
m, n: là các hệ số thay đổi tùy theo mức năng lƣợng photon E.
1.1.4.2. Tán xạ Compton
Là hiện tƣợng photon tán xạ trên electron của nguyên tử vật chất và lệch khỏi
hƣớng đi ban đầu. Năng lƣợng của photon ban đầu đƣợc truyền cho photon tán xạ và


16

electron, electron này đƣợc gọi là electron Compton, photon tán xạ bị lệch đi một góc
so với photon ban đầu. Góc tán xạ phụ thuộc vào tổng năng lƣợng photon truyền cho
electron Compton [2].
E' 

E
E
1
(1  cos )
m0 c 2

(1.18)

E’: là năng lƣợng photon tán xạ.
E: là năng lƣợng photon tới.
m0: là khối lƣợng electron.
: là góc tán xạ.
c: là vận tốc ánh sáng.

Hình 1.4: Tán xạ Compton [5]
Khi năng lƣợng photon tăng, hiệu ứng quang điện trở thành cơ chế tƣơng tác
thứ yếu. Hiệu ứng Copmton chiếm ƣu thế trong khoảng năng lƣợng lớn hơn rất nhiều
so với năng lƣợng liên kết trung bình của electron trong nguyên tử [4].


17

1.1.5. Sự hủy cặp [5]
Một số ĐVPX phân rã + nhƣ F-18, O-15, N-13, C-11…Sau khi một positron đã
mất động năng do sự ion hóa hoặc sự kích thích, positron có thể kết hợp với một
electron tự do hoặc liên kết lỏng lẻo với nguyên tử. Positron và electron có khối lƣợng
bằng nhau và điện tích trái dấu. Khi tƣơng tác xảy ra, khối lƣợng kết hợp của hai hạt
lập tức chuyển thành năng lƣợng dƣới hình thức hai photon chuyển động ngƣợc chiều
nhau, năng lƣợng mỗi photon là 511keV.

Hình 1.5: Sự hủy cặp
1.2. DETECTOR CHỨA KHÍ
1.2.1. Ghi nhận bức xạ ion hóa [2], [4]
Kết quả của các tƣơng tác giữa hạt tích điện với vật chất là gây ra sự ion hóa
hoặc kích thích các nguyên tử, phân tử vật chất. Đối với các bức xạ , quá trình
đầu tiên xảy ra là sự tạo thành electron qua các tƣơng tác quang điện, Compton.


18

Sau đó, các electron lại gây ra sự ion hóa hoặc đƣa nguyên tử, phân tử lên trạng thái
kích thích, từ đó gây ra các hiệu ứng khác nhau. Dựa vào các hiệu ứng đó, ngƣời ta
thiết kế ra các detector để ghi đo bức xạ.
Vật liệu sử dụng làm detector có thể là chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn tùy theo
mục đích sử dụng. Có ba loại detector cơ bản là detector chứa khí, detector nhấp nháy
và detector bán dẫn.
Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ dùng trong YHHN đƣợc thiết kế dựa trên
nguyên lý của detector chứa khí. Vì vậy, ta sẽ đi sâu tìm hiểu về loại detector này
trong phần 1.2.3.
1.1.2. Hai chế độ hoạt động của detector [2]
Detector ghi nhận bức xạ ion hóa có hai chế độ hoạt động phổ biến là chế độ
dòng và chế độ xung.
Trong hoạt động kiểu xung, detector đƣợc thiết kế để ghi từng lƣợng tử bức xạ
tƣơng tác với đầu dò. Trong các detector hoạt động theo kiểu xung, có một khoảng
thời gian cực tiểu mà khoảng thời gian hai bức xạ đến detector phải lớn hơn khoảng
thời gian cực tiểu này thì detector mới ghi nhận nhƣ hai xung riêng biệt. Thời gian này
gọi là thời gian chết của detector.
Khi cƣờng độ bức xạ cao, hoạt động kiểu xung là không phù hợp, vì thời gian
xuất hiện giữa các bức xạ kế tiếp nhau quá ngắn (ngắn hơn thời gian chết của detector)
để có thể phân tích riêng rẽ từng bức xạ, các xung dòng điện xuất hiện trong detector
do các bức xạ khác nhau có thể phủ lên nhau. Trong những trƣờng hợp nhƣ thế,
ngƣời ta chuyển sang kỹ thuật đo khác tƣơng ứng với thời gian trung bình đƣợc lấy
trên nhiều bức xạ riêng rẽ. Kiểu hoạt động này là kiểu dòng. Ƣu điểm của kiểu hoạt
động dòng là không bị ảnh hƣởng bởi thời gian chết của detector.
1.1.2. Detector chứa khí
Một detector chứa khí đơn giản gồm hai phần chính là một buồng kín chứa khí
và hai tấm điện thế đƣợc gọi là các điện cực. Điện cực dƣơng đƣợc gọi là anode,


19

điện cực âm gọi là cathode. Đối với buồng phẳng, hai điện cực đặt song song cách
nhau một khoảng và đƣợc cách điện với nhau bằng không khí hoặc khí hiếm. Đối với
buồng hình trụ, anode thƣờng nằm ở trung tâm của buồng đo, cách điện với lớp vỏ
bọc bên ngoài. Lớp vỏ bọc bên ngoài là cathode. Hình 1.6 chỉ một sơ đồ đơn giản của
detector chứa khí hoạt động ở chế độ dòng đƣợc nối với mạch ngoài. [4], [5].

Hình 1.6: Sơ đồ detector chứa khí nối với mạch ngoài [4]
Khi không có bức xạ tƣơng tác, khí giữa anode và cathode hoạt động nhƣ một
chất cách điện và không có sự dịch chuyển của các hạt tích điện. Khi bức xạ (tia
gamma, tia X hoặc các hạt tích điện) đi qua lớp khí trong buồng, sẽ ion hóa các
nguyên tử, phân tử khí sinh ra các electron tự do và các ion dƣơng. Năng lƣợng
trung bình để tạo ra một cặp ion (W) phụ thuộc vào loại khí sử dụng trong buồng
nhƣng thƣờng có giá trị từ 20 đến 45eV/một cặp ion.


20

Bảng 1.1: Năng lƣợng trung bình để tạo ra một cặp ion của một số khí [1], [3]
Khí

W (eV)

He

42,2

Ne

36,6

Ar

26,4

Kr

24,2

Xe

22,1

N2

34,7

O2

30,9

CO2

32,8

C2H6

24,6

CH4

27,3

C2H2

26,1

Không khí

35,1

Khi một điện thế đƣợc áp vào giữa các điện cực, các electron bị hút về phía
anode tích điện dƣơng và các ion dƣơng bị hút về phía cathode tích điện âm. Một điện
tích đƣợc tích lũy trên anode sẽ gây ra một biến đổi điện thế trong mạch. Sự biến đổi
điện thế này đƣợc xem nhƣ là một xung và sự có mặt của xung này sinh ra một dòng
chảy trong mạch ngoài. Bằng cách ghi đo hoặc xung hoặc dòng điện này, ta có thể
ghi nhận sự có mặt của bức xạ ion hóa. Xung, dòng điện đo đƣợc phụ thuộc vào một
số yếu tố nhƣ số photon đến tƣơng tác với đầu dò (tức cƣờng độ bức xạ của nguồn),
năng lƣợng bức xạ, dạng hình học của detector, thành phần khí trong buồng, thể tích,
áp suất, nhiệt độ của khí, điện thế áp vào hai điện cực… [2], [4].
Điện thế áp vào hai điện cực là yếu tố quan trọng quyết định phản ứng của mỗi
hạt tích điện hoặc photon khi đến tƣơng tác với chất khí trong detector [4].


21

Khi điện thế giữa các điện cực của buồng khí còn thấp, điện trƣờng giữa hai
điện cực còn nhỏ, lực tác dụng lên các ion để hút chúng về các điện cực cũng nhỏ nên
tốc độ trôi của các electron nhỏ trong khi mật độ của chúng lại lớn dẫn đến chúng có
thể kết hợp với các phân tử khí bị ion hóa và do đó không đến đƣợc hai điện cực, sự
tái hợp xảy ra mạnh mẽ và số hạt tích điện về các điện cực rất nhỏ. Miền điện thế thấp
này đƣợc gọi là miền tái hợp. Các detector chứa khí thƣờng không đƣợc hoạt động
trong miền này vì sự tái hợp giữa các ion làm cho detector rất khó ghi nhận đƣợc
lƣợng bức xạ tới [4].
Tại điện thế đủ lớn, hầu hết các electron sinh ra đều đi đến điện cực và các ion
bị mất do sự tái hợp là không đáng kể. Trong miền điện thế này, hầu nhƣ tất cả các
electron đều đƣợc thu nhận và kích thƣớc xung hoặc dòng điện mạch ngoài không
tăng nữa theo điện thế đƣợc áp vào, dòng điện này gọi là dòng bão hòa và miền điện
thế này đƣợc gọi là miền ion hóa. Dòng bão hòa tỷ lệ với lƣợng bức xạ trong buồng và
nếu lƣợng bức xạ đƣợc tăng lên thì dòng bão hòa cũng đƣợc tăng lên. Detector
hoạt động trong miền điện thế bão hòa đƣợc gọi là buồng ion hóa [4].
Tại thế cao hơn, các electron không những nhận đủ năng lƣợng để đi đến các
điện cực mà còn nhận thêm năng lƣợng để đƣợc gia tốc nhanh hơn. Sự gia tốc này
sinh ra nhiều cặp ion hơn, chúng đƣợc tạo ra do sự ion hóa thứ cấp của các hạt trong
chất khí, do đó tạo thành một số lƣợng lớn các điện tử, quá trình này đƣợc gọi là sự
khuếch đại khí và miền điện thế này đƣợc gọi là miền tỷ lệ. Detector hoạt động trong
miền điện thế này gọi là ống đếm tỷ lệ [4], [5].
Tiếp theo là miền không tỷ lệ. Tại miền này, ta bắt đầu quan tâm đến các
ion dƣơng tạo ra do tƣơng tác giữa bức xạ với các phân tử khí. Ion dƣơng có khối
lƣợng lớn hơn rất nhiều so với electron, do đó chúng trôi rất chậm về phía cathode,
trong quá trình trôi về cathode, chúng di chuyển cùng nhau, mỗi tƣơng tác sinh ra một
đám mây các ion dƣơng và phải mất một thời gian chúng mới phân tán [4], [5].


22

Nếu điện thế vẫn đƣợc tăng thêm nữa thì sự khuếch đại khí lớn đến mức một hạt
ion hóa đơn lẻ có thể tạo ra nhiều thác electron dọc theo chiều dài anode dẫn đến kích
thƣớc xung rất rộng, miền điện thế này đƣợc gọi là miền Geiger-Muller. Detector
hoạt động trong miền điện thế này gọi là ống đếm Geiger-Muller [4].
Nếu điện thế đƣợc tăng lên vƣợt xa hơn so với trạng thái ổn định của vùng
Geiger-Muller, thì điện thế là đủ cao để ion hóa trực tiếp các phân tử khí. Miền này
đƣợc gọi là miền phóng điện liên tục và trong miền điện thế này, kết quả ghi đo có thể
không đúng nên các detector ghi bức xạ sẽ không đƣợc hoạt động trong miền này [4].

Hình 1.7: Đƣờng cong đáp ứng điện thế cho detector chứa khí [5]
Hình 1.7 diễn tả đƣờng cong đáp ứng điện thế cho detector chứa khí. Trong đó,
miền (I) là miền tái hợp, miền (II) là miền ion hóa, miền (III) là miền tỷ lệ, miền (IV)
là miền không tỷ lệ, miền (V) là miền Geiger-Muller và miền (VI) là miền phóng điện
liên tục.


23

Chƣơng 2
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY ĐO
CHUẨN HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ
Máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ đƣợc chia làm năm phần: buồng ion hóa, mạch
khuếch đại, mạch chọn đồng vị, bộ cung cấp cao thế cho buồng ion hóa, bộ phận
chuyển đổi hiển thị số [6].

Hình 2.1: Sơ đồ khối máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ [6]
Nguyên tắc hoạt động của máy đo chuẩn hoạt độ phóng xạ đƣợc minh họa qua
sơ đồ hình 2.1. Khi nguồn phóng xạ đƣợc đặt trong buồng ion hóa và buồng đƣợc
cung cấp cao thế trong vùng điện thế bão hòa, bức xạ đi qua thể tích buồng sẽ tƣơng
tác làm ion hóa khí trong buồng sinh ra các electron và ion dƣơng chạy về các điện
cực thu điện tích tạo thành dòng điện. Tín hiệu ra từ buồng ion hóa là dòng một chiều
có giá trị rất nhỏ cũng là dòng tại ngõ vào của mạch khuếch đại. Mạch khuếch đại bao
gồm bộ khuếch đại thuật toán, mạch chọn vùng hoạt độ và mạch điều chỉnh zero.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×