ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
ĐỂ TÀI
XÁC ĐỊNH ĐẶC TRUNG CỦA BỨC XẠ PHOTON
• • •
VÀ ELECTRON PHÁT RA TỪ MÁY GIA Tốc ELECTRON
VÀ ÚNG DỤNG TRONG NGHIÊN cứ u QUANG HẠT NHÂN
MÃ SỐ: QG 09 - 06
Chủ trì đề tài: PGS. TS. Bùi Văn Loát
Hà Nội, 2011
MỤC LỤC
Mở đáu 12
Chương 1: Đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc

14
1.1. Đặc trưng tương tác của chùm electron với vật chất 14
1.2. Máy gia tốc electron dùng trong xạ trị
20
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm electron và photon
từ máy gia tốc electron primus-siemens 27
2.1. Xác định phân bố liều của chùm electron và chùm photon từ máy gia tốc electron
primus-siemens 27
2.2. Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tới bia và tới trục của trục tia

30
2.3. Xác định đặc trưng của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc electron primus-
siemens của Bệnh viện K Hà Nội 34
2.4. Xác định các thông số đặc trưng của chùm bức x ạ 39
2.5. Xác định liều hấp thụ bằng vật liệu nhiệt huỳnh quang LiF: Mg, Cu. p

45

QG -07-06 có tên gọi “Nghiên cứu một sổ đặc trưng của cơ chế sinh bức xạ hãm và
nơtron trên máy gia tốc electron và một số ứng dụng ” đã xác định đặc trưng phân bố
phổ năng lượng và phân bổ theo góc của chùm photon và nơtron được sinh ra trong
bia mỏng được sử dụng trong các nghiên cứu quang hạt nhân. Đề tài cũng đã tiến
hành xác định bằng thực nghiệm tiết diện của một sổ phản ứng quang hạt nhân.
Tuy nhiên hình dạng bia, cấu tạo đầu ra của máy gia tốc electron dùng trong
xạ trị hoàn toàn khác so với bia và đầu ra máy gia tốc phục vụ cho mục đích nghiên
cứu khoa học. Yêu cầu của chùm bức xạ photon và electron dùng trong xạ trị phải có
độ đồng đều cao trong vùng khối u và liều phải giảm nhanh khi ra ngoài biên. Đề tài
QG 09-06 có tên gọi “Xác định đặc trưng của bức xạ photon và electron phát ra từ
máy gia tốc electron và ứng dụng trong nghiên cứu quang hạt nhân'’ có thể coi là tiếp
nối của Đề tài QG 07-06. Đối tượng chính của Đề tài là máy gia tốc electron Siemens-
Primus dùng trong xạ trị. Việc thực hiện thành công Đề tài ngoài ý nehĩa khoa học và
12
đào tạo. Những số liệu thực nghiệm thu được sẽ trang bị cho sinh viên kiến thức cơ
bản và thực tế về lĩnh vực đo liều và đánh giá phẩm chất của chùm bức xạ phát ra từ
máy gia tốc dùng trong xạ trị. Ngoài phần mở đầu kết luận Bản báo cáo tổng kết Đe
tài được chia thành 3 chương.:
Chương 1. Đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc.
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm electron và
photon từ máy gia tốc electron Primus- Siemens.
Chương 3. Phản ứng hạt nhân .
Phần thực nghiệm của đề tài được thực hiện tại Bộ môn Vật lý hạt nhân trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, tại Bệnh viện K và Viện Khảo cổ học. Một phần số liệu
thực nghiệm liên quan tới phản ứng quang hạt nhân được TS. Phạm Đức Khuê thực
hiện tại Trung tâm máy gia tốc Pohang, Hàn Quốc. Phần thực nghiệm đo phổ gamma
của nhiên liệu hạt nhân do CN. Nguyễn Văn Quân thực hiện tại Viện đồng vị phóng
xạ thuộc Viện Hàn lâm Hung-ga- ri (Viên KFKI).
Đe tài xin chân thành cám ơn Ban giám đốc Bệnh viện K Hà Nôi, Ban giám đốc
Viện Khảo cổ học, Viện Khoa học và Xã hội Việt Nam đã giúp đỡ tạo điều kiện cho

N
dx J Ct
í
'o ul \
CỈE
dx
(1.1)
ro d
;rong đó
JE
dx
dE '
dx
( out
dx
tương ứng là độ m ất m át năng lượng tổng
14
cộng, độ m ất m át năng lượng do iôn hóa và do p h át bức xạ hãm tính trên
một đơn vị đường đi.
Tùy theo năng lượng của electron và nguyên tử sô" của môi trường
các quá trình m ất m át n ăn g lượng do iôn hóa hoặc do phát bức xạ hãm th ể
hiện với mức độ khác nhau. Trên H ình 1.1 đưa ra đồ thị [1,4] mô tả sự phụ
thuộc vào năng lượng của độ m ất m át năng lượng trên một đơn vị chiều
dài đổi với volfram.
H ình 1.1 Độ m ất m át năng lượng riêng của electron trong volfram
L.1.2. S ư m â t m á t n ă n g lư ơ n g củ a chùm bức xạ bêta (electron) d o iôn
hóa
Khi đi trong môi trường, do tương tác Coulomb với các electron của
Ìguyên tử môi trường, hạt electron truyền năng lượng của m ình cho các
ỉlectrôn. N ếu electron nhận được năng lượng lớn hơn th ế năng iôn hóa, nó

.
(ỳt + 1)2
Với bức xạ bêta có năng lượng xác định, độ m ất m át năng lượng trên
một đơn vị đưòng đi tỷ lệ th u ậ n với m ật độ của môi trường. Với môi trường
xác định, độ m ất m át năng lượng trên một đơn vị đường đi giảm dần, sau
ỉó đạt giá trị hầu như không đổi.
Khi năng lượng của bức xạ bêta nhỏ, sự m ất m át năng lượng do p hát
rác xạ hãm nhỏ hơn so với độ m ất m át năng lượng do iôn hóa. Tuy nhiên
ĩhi năng lượng của bức xạ bêta tăng, độ m ất m át năng lượng do iôn hóa và
úch thích môi trường giảm dần, còn độ m ất m át năng lượng do phát bức
;ạ hãm tăng dần. Khi năng lượng đủ lớn độ m ất m át năng lượng của bức
:ạ bêta do ph át bức xạ chiếm ưu thế.
16
1.1.3. Đ ô m ấ t m á t n ă n g lư ơ n g c ủ a e le c tr o n d o p h á t b ứ c x a h ã m
Khi chuyển động trong điện trường của h ạt nhân, electron có thể th u
được một gia tốc lón. Gia tốc của h ạt tích điện thu được tỷ lệ với điện tích
của hạt nhân và tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó. Theo điện động lực cổ
điển, khi m ột h ạ t tích điện chuyển động có gia tốc, thì nó sẽ ph át ra bức xạ
điện từ, được gọi là bức xạ hãm. Phổ bức hãm là phổ liên tục, có năng
lượng từ 0 đến năng lượng cực đại bằng năng lượng của hạt tích điện. Độ
m ất m át năng lượng trên một đơn vị đường đi do electron ph á t bức xạ hãm
được xác định theo công thức sau [6]:
= 4NEnZ 2rí2a
ra d
In ^ r - W ( Z )
V mcc 3 ,
(1.3)
trong đó N là sô" nguyên tử trong 1 đơn vị thể tích, E0 là năng lượng của
electron, a =— là hằng sô cấu trúc tinh tế, z là điên tích của h at nhân,
137

xác phụ thuộc vào nguyên tử sô" của môi trường. Từ biểu thức (1.4) nh ận
thấy rằng: N guyên tử sô" của môi trường càng lón, năng lượng tối h ạn càng
giảm. N ăng lượng tới h ạn được xác định theo công thức sau [1]:
Ec =
800MeV
z + 1,2
(1.6)
Bảng sô 1.1. N ă n g lư ơ n g tớ i h a n c ủ a m ô t số v ậ t liê u [1,6]
V ật liệu
E c (MeV)
V ật liệu
Ec (MeV)
Chì (Pb)
9,51
Không khí
102
Nhôm(Al)
51,0
Polystyrene
109
Sắt (Fe)
27,4
lốt tua n átri
(Nai)
17,4
Đồng (Cu)
24,8
Nước (H?0)
92
18

năng lượng của nó giảm dần. Khi năng lượng của electron lớn hơn năng
lượng tói hạn, độ m ất m át năng lượng của electron chủ yếu do p h át bức xạ
hãm. Sự thay đổi năng lượng trung bình E như là một hàm của đường đ i X
của electron trong môi trường, được xác định theo công thức sau:
B ảng 1.2. C h iều dài bức xạ củ a m ột số n g u y ên tố [1,6]
Nguyên tô"
z
A
X0(g/cm")
H
1
1,008
61,8
AI
13
26,98
23,9
Ta 73
180,95
6,8
w
74
183,84
6,7
P b
82
207,21
6,2
E=Ea exp(-
-*-)

Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và
không chyển động chính xác dọc theo trục được. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện
tượng này. Đó là lực đẩy Culomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu, do sự
lắp ghép không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm,
do tác động của các điện từ trường ngoài Do đó, chùm electron gia tốc phải được
lái một cách chủ động. Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ
chùm tia theo quỹ đạo thẳng. Sau đó là các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực
lên các electron để dẫn chùm tia đi đủng hướng theo ống dẫn sóng, từ đó hướng ra
ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng tới bia tạo ra tia X.
Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron, thì chùm tia electron gia tốc
được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ. Sau đó được tán xạ trên các lá
tán xạ hoặc được từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng,
diện tích trường chiếu trong các trường họp điều trị cụ thể. Chùm tia được tạo hình
dạng bằng các bộ lọc phang, nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp. Liều lượng được kiểm
soát bằng các detector.
Còn nếu ở chế độ phát tia X thì chùm electron đã gia tốc được uốn theo một
đường cong thiết kế để đập vào bia. Chùm tia electron có động năng lớn xuyên sâu
vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng
:ao. Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng
lượng của electron, nguyên tử số, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X
3hát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định lượng phù hợp.
Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và
:hế độ phát electron. Do đó về mặt cơ khí được cấu tạo để có thể thay đổi từ chế độ
lày sang chế độ khác một cách linh hoạt. Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử
iụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm photon. Trong quá trình hoạt
lộng, khi hãm các chùm electron, bia tia X bị nóns lên, do đó cần hệ thống làm nguội
)ăng nước.
22
Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế hệ thổng cơ khí chuyển động
linh hoạt như cần máy và giường điều trị. Các hệ thống này đều được kiểm soát an

gia tốc xạ trị hiện đại thường dùng loại collimator đa lá có thể định dạng trường chiếu
rất chi tiết.
Máy gia tốc tuyến tính Primus của hãng SIEMENS đáp ứng được các yêu cầu
của xạ trị chiếu ngoài hiện đại [3,8].
24
Bia tia X L
Collimator
thứ cấp
Chùm
electron
V
I
Collimator sơ
cấp
\ Bộ lọc phẳng
Buồng ion
hóa
V V
' Chùm tia X đi
^ ra điều tri
Hình ỉ. 4. Sơ đồ hệ thống collimator và lọc phẳng chùm tia X
trong đầu điều trị của máy gia tốc xạ trị Primus
Chùm tia phát ra từ máy Primus được xác định rõ về năng lượng, liều lượng ổn
định trong suốt thời gian sử dụng. Liều đồng đều bên trong chùm tia và được đo đạc
chính xác. Hướng đi và cường độ của chùm tia, vị trí và kích thước trường chiếu được
kiểm soát và điều chinh dễ dàng. Thân máy có thể chuyển động quanh giường bệnh
nhân, giúp dễ dàng tạo ra các góc chiểu khác nhau.
1.2.3. Đặc điểm của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc electron Primus-Siem em
dùng trong xạ trị
Tùy theo chế độ phát, máy gia tốc electron Primus-Siemens dùng trong xạ trị cho

hiệu quả của việc điều trị phụ thuộc vào việc xác định chính xác liều chiếu hay
không. Trước khi xạ trị cần phải chuẩn liều tuyệt đối. Đây là bước quan trọng nhất
của quá trình xạ trị và là công việc phải tiến hành thường xuyên đối với các kỹ sư vật
lý. Bước quan trọng nhất trong việc chuẩn liều tuyệt đối là công việc bắt buộc phải
làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng năm đối với các cơ sở y tế có sử dụng
máy gia tốc trong xạ trị. Công việc này nhằm đảm bảo máy hoạt động đúng, chính
xác, phát ra liều lượng như mong muốn.
Trong mỗi phép đo phân bố, liều chiếu chùm bức xạ photon cũng như electron
đầu tiên là phải xác định chế độ chiếu và liều chiếu tương ứng. Quá trình này được
thực hiện bằng một phần mềm chuyên dụng do hãng Siemens cung cấp[3,8]-
Chế độ chiếu bao gồm loại bức xạ sử dụng là photon hay electron. Sau khi
xác lập loại bức xạ, bước tiếp theo là xác lập năng lượng bức xạ cần sử dụng. Công
việc tiếp theo là chuẩn liều tuyệt đối cần chiếu. Đây là bước quan trọng nhất của quá
trình xạ trị và là công việc phải tiến hành thường xuyên đổi với các kỹ sư vật lý. Bước
quan trọng nhất trong việc chuẩn liều tuyệt đối là công việc bắt buộc phải làm hàng
ngày, hàng tuần, hàng tháng, hàng năm đối với các cơ sở y tế có sử dụng máy gia tốc
tuyến tính trong xạ trị. Công việc này nhằm đảm bảo máy hoạt động đúng, chính xac,
phát ra liều lượng như mong muốn.
Đơn vị MU (Monitor Unit). MU được hiểu là đơn vị phóng xạ mà máy phát ra
đôi với mỗi mức năng lượng khác nhau. MU của một mức năng lượns được quy
chuẩn về liều lượng hấp thụ như sau: 1MƯ tươne ứn2 với liều lượna lcGy(10'2Gy) đo
27
trong phantom nước tại độ sâu liều cực đại (dmax) của mức năng lượng đó với khoảng
cách từ nguồn đến bề mặt là SSD = 100cm và trường chiếu chuẩn 10x10 cm2.
Tỷ số: c = Liều lượng đo được/số MU phát ra được gọi là hệ số chuẩn hóa
(Calibration factor). Liều lượng đo đạc ở đây là tại độ sâu dmax của mức năng lượng
cần chuẩn liều với SSD = 100 và trường chiếu lOxlOcm2.
Việc chuẩn liều tuyệt đối cho một mức năng lượng chính là việc điều chỉnh
máy làm sao để hệ số chuẩn hóa của mức năng lượng đó c = 1. Như vậy nếu máy
phát ra a MU ứng với năng lượng đã cho, có nghĩa liều tại dmax, SSD=100 của trường

+ Được bảo vệ chắc chắn.
+ Cung cấp cho việc chuẩn máy và có hướng dẫn sử dụng.
Vẳt liêu
+ Điện cực ngoài POM ( 1.42g/cm3).
+ Điện cực trong làm bằng nhôm (2.7g/cm3).
Kích thước vùng hoat
+ Thể tích thông thường 0,65 cm3
4- Tổng chiều dài của vùng hoạt 23,2 mm.
+ Đường kính bên trong của hình trụ 6,2 mm.
+ Độ dày của lớp vỏ 0,4 mm.
Thông số hoat đông
+ Dòng điện dò < 10'15 A.
+ Độ nhạy 21.10'9 C/Gys.
2.2. Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tói bia và tói trục của chùm
2 2.1. Xác định phân bố liều bức xạ theo khoảng cách tới bia
Để khảo sát sự phân bố liều theo khoảng cách tới bia đã tiến hành đo liều hấp
thụ tại các vị trí tương ứng trong điều kiện chế độ phát của máy gia tốc là không đổi.
Đề tài đã xác lập chế độ phát chùm bức xạ photon năng lượng 6MV và chùm electron
6MeV và suất liều hấp thụ tại điểm cách bia lOOcm là 100cGy/5s. Thời g:an đo mỗi
điểm 5s. Buồng ion hóa được đặt cố định trong phantom bằng polystyrence. Kết quả
cho trong phụ lục 1 và Phụ lục 2.
Từ số liệu Phụ lục 1 và Phụ lục 2 tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ
thuộc của liều hấp thụ vào khoảng cách tới trục của chùm bức xạ. Hình 2.2a và Hình
2.2b là dạng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của liêu hâp thụ trona không khí theo khoảng
cách tới bia. Liều hấp thụ được đo trên trục chùm chiếu. Từ các đồ thị nhận thấy sự
suy giảm của liều chiếu tuân theo quy luật giảm theo bình phương khoảng cách tới bia
30
đối với chùm photon 6MV hệ số tương quan R=0,9884, đổi với chùm electron 6
leV hệ số tương quan là R=0,9896.
160

Khoảng cách từ tâm của buồng ion hóa đến trục của chùm chiếu được xác định nhờ hệ
thống laze chính xác đến lmm. Quá trình chiếu và đo được giữ không đổi trong các
phép đo, tức là tại mỗi điểm đo liều hấp thụ suất lieu chiếu và thời gian đo như nhau.
Ket quả đo cho trong các phụ lục 3 và phụ lục 4.
Từ các số liệu thu được tiến hành xây dựng đồ thị mô tả sự phụ thuộc của liều
hấp thụ theo khoảng cách tới trục. Hình 2.3a mô tả sự phân bố của liều hấp thụ trong
không khí theo khoảng cách tính tới trục của chùm electron năng lượng 15 MeV ứng
với 3 khoảng cách tới bia là 90cm; 100cm và 110cm. Tương tự Hình 2.3b mô tả sự
phân bố của liều hấp thụ trong không khí theo khoảng cách tính tới trục của chùm bức
Kạ năng lượng 15 MV ứng với 3 khoảng cách tới bia là 90cm; 100cm và 110cm.
32
Phân bố liều hấp thụ trong không khí với chùm photon
6MeV
-*•— C ách bia 90 cm
Cách bia 100 cm
Cách bia 110 cm
Khoảng cách trục (cm)
Hình 2.3a Đường cong phân bổ liều hấp thụ trong không khí
với chùm electron 15MeV
33
Từ các đồ thị trên Hình 2.3a và Hình 2.3b nhận thấy liều hấp thụ tương đối bằng
phẳng trong khoảng cách 30cm tới trục của chùm chiếu và giảm nhanh khi ra biên.
Tại khoảng cách 35cm tới trục liều hấp thụ giảm chỉ còn 50% liều hấp thụ tại điểm
nằm trên trục, sau đó giảm nhanh tới phông khi ra xa biên. Đặc điểm này này cho
phép khảng định chùm bức xạ hãm phát ra từ máy xạ trị Primus tại Bệnh viện K Hà
Nội chỉ tập trung trong góc nhỏ ngay cả khi không hạn chế trường chiếu, về mặt an
toàn bức xạ hạt nhân, đây chính là một ưu việt nổi bật của xạ trị dùng máy gia tốc so
với máy co-ban.
2.3. Xác định đặc trưng của chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc Primus-
Simnens của bệnh viện K Hà Nội