ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN ĐỨC CHƢƠNG

MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON
CỦA BỆNH VIỆN CHỢ RẪY BẰNG
CHƢƠNG TRÌNH MCNPX
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƢỢNG CAO
MÃ SỐ: 60-44-05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

PGS. TS. MAI VĂN NHƠN
TS. TRƢƠNG THỊ HỒNG LOAN

TP HỒ CHÍ MINH – 2011


LỜI CẢM ƠN
Để đạt kết quả nhƣ ngày hôm nay, tôi đã nhận đƣợc sự dạy dỗ, giúp đỡ tận tình
của các thầy cô, bạn bè trong quá trình học tập vừa qua, thông qua quyển luận văn này,
tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:
 Các thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân-Khoa vật lý-Trƣờng Đại học
khoa học tự nhiên đã cung cấp cho em những kiến thức chuyên môn bổ
ích trong suốt thời gian học cao học.
 Thầy PGS.TS MAI VĂN NHƠN, ngƣời đã định hƣớng cho tôi thực
hiện đề tài, thầy luôn luôn theo dõi quá trình thực hiện đề tài của tôi và có
những ý kiến hết sức bổ ích và rất kịp thời để tôi có thể thực hiện thành



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... v
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON VÀ AN TOÀN
PHÓNG XẠ TRONG Y TẾ ............................................................................................. 5
1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON ........................................... 5
1.1.1 Lịch sử phát triển [9] ...................................................................................... 5
1.1.2 Tổng quan về máy gia tốc cyclotron .............................................................. 6
1.1.3 Nguyên lý gia tốc cyclotron ........................................................................... 7
1.1.4 Mối liên hệ giữa tần số và vận tốc của hạt đƣợc gia tốc .............................. 12
1.2 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG Y TẾ.................................................................. 14
1.2.1 Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa [1] [4] .................................................. 14
1.2.2 Các biện pháp an toàn [6] ............................................................................. 21
CHƢƠNG 2-TỔNG QUAN VỀ CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNPX .............. 24
2.1. TỔNG QUAN ...................................................................................................... 24
2.2. PHƢƠNG PHÁP MONTE CARLO [15] .......................................................... 26
2.3. MÔ PHỎNG TRONG MCNP [15] [20] [12] ..................................................... 27
2.3.1. Mô tả hình học ............................................................................................... 28
2.3.2. Mô tả dữ liệu ............................................................................................... 30
CHƢƠNG 3-MÔ TẢ HỆ MÁY CYCLOTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY .......... 34
3.1. KHỐI SHIELD BẢO VỆ .................................................................................. 35
3.2. HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT ...................................................................... 39
3.3. THÂN MÁY CYCLOTRON ............................................................................ 39
3.3.1. Nguồn ion H- ............................................................................................... 39
3.3.2. Buồng chân không ....................................................................................... 42
CHƢƠNG 4-MÔ PHỎNG HỆ CYCLOTRON VÀ ĐÁNH GIÁ PHÂN BÔ SUẤT
LIỀU CHIẾU GAMMA XUNG QUANH HỆ CYCLTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ
RẪY DÙNG MCNPX.................................................................................................... 45



:

Năng lƣợng nghỉ

M

:

Khối lƣợng electron

RF

:

Điện áp tần số vô tuyến

α

:

Góc giữa vận tốc của hạt H- và từ trƣờng

Fht

:

Lực hƣớng tâm

aht


:

Góc mở hai Dee

Rtach

:

Bán kính tách chùm hạt H-

f

:

Tần số của chùm hạt H- đƣợc gia tốc trong cyclotron

fc

:

Tần số dòng điện ở các điện cực Dee

LD 50/30

:

Là liều tử vong 50% số cá thể bị chiếu trong vòng 30 ngày đầu sau

chiếu xạ.


n

:

Số proton đến bia

Dch

:

Liều chiếu

Dht

:

Liều hấp thụ

M

:

Hệ số chuyển đổi liều

yr

:

Năm


SPECT

:

Single Photon Emission Computed Tomography

EBT

:

External Beam Therapy

LCS

:

LAHET code system


iii

Các đơn vị
Đại lƣợng

Kí hiệu

Điện tích nguyên tố

e



v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 : Nguyên lý gia tốc cyclotron ........................................................................... 8
Hình 1.2 : Lực từ tác dụng lên hạt ion dƣơng chuyển động vuông góc với đƣờng sức từ
....................................................................................................................... 9
Hình 2.1 : Hình trụ ellip mô tả bằng giao diện đồ họa của MCNP5 ............................ 29
Hình 3.1 : Hình dạng khối máy cyclotron của bệnh viện Chợ Rẫy nhìn từ bên ngoài
..................................................................................................................... 35
Hình 3.2 : Gán tên cho các thành phần chính của máy cyclotron ................................ 36
Hình 3.3 : Hệ thống trao đổi nhiệt ................................................................................ 39
Hình 3.4 : Nguyên lý tạo nguồn ion H- ....................................................................... 41
Hình 3.5 : Các thành phần chính của thân máy cyclotron ............................................ 42
Hình 4.1 : Mô phỏng mặt cắt dọc của tƣờng phòng, khối shield và thân máy bằng
MCNPX ....................................................................................................... 46
Hình 4.2 : Mô phỏng mặt cắt ngang của tƣờng phòng, khối shield và thân máy bằng
MCNPX ....................................................................................................... 47
Hình 4.3 : Mặt cắt ngang qua các khối shield, collimator và bia ................................. 50
Hình 4.4 : Hình 3D của hai khối collimator và bia ....................................................... 51
Hình 4.5 : Sơ đồ vị trí 40 điểm điển hình đƣợc tiến hành ghi đo suất liều chiếu gamma
..................................................................................................................... 53
Hình 4.6 : Sơ đồ vị trí 8 điểm điển hình đƣợc tiến hành ghi đo suất liều chiếu gamma.
..................................................................................................................... 63


1

MỞ ĐẦU

để thuận tiện thì các đồng vị phóng xạ phải đƣợc tạo ngay ở trong bệnh viện. Điều này
lại kéo theo những vấn đề về an toàn bức xạ đối với những nhân viên vận hành thiết bị
cũng nhƣ mức độ an toàn đối với môi trƣờng xung quanh thiết bị tạo đồng vị phóng xạ.
Mục tiêu tập trung của luận văn này là tính toán mức độ an toàn ở môi trƣờng xung
quanh thiết bị tạo đồng vị phóng xạ trong bệnh viện Chợ Rẫy dựa trên mô hình mô
phỏng Monte Carlo.
Loại thiết bị tạo đồng vị phóng xạ đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay là máy gia tốc
vòng. Máy gia tốc vòng đầu tiên đƣợc Ernest O. Lawrence và M.S. Livingston phát
minh vào năm 1930. Để tạo nguồn đồng vị phóng xạ, trƣớc tiên, thiết bị tạo đồng vị
phóng xạ (trong trƣờng hợp cụ thể này là thiết bị cyclotron) tạo ra các hạt ion H-. Sau
đó gia tốc hạt này nhờ một điện áp cao giữa các cực hình chữ D, cỡ vài chục kV. Chùm
hạt ở cuối đoạn đƣờng đƣợc gia tốc có năng lƣợng cao đến đập vào một lớp carbon
(stripper foil) có độ dày cỡ 5 µm để tách ra 2 electron của H- tạo thành chùm H+ (chùm
proton). Chùm proton sau đó đƣợc định hƣớng nhờ một ống collimator bay tới bia là
các hạt nhân tƣơng ứng (18O,

16

O,

14

N, …) để tạo ra các đồng vị phóng xạ yêu cầu.

Trong quá trình phản ứng hạt nhân khi proton bắn phá các hạt nhân bia để tạo đồng vị
phóng xạ, một lƣợng lớn các neutron năng lƣợng cao đƣợc sinh ra. Chùm neutron
không mang điện tích nên dễ dàng xuyên qua các vật liệu, gây nguy hiểm cho các kỹ
sƣ điều hành thiết bị cũng nhƣ đội ngũ y bác sỹ và bệnh nhân làm việc ở phạm vi gần
thiết bị và gây ô nhiễm môi trƣờng. Do đó, đo liều neutron để đánh giá mức độ an toàn,
từ đó đánh giá bề dày phù hợp của các khối lớp che chắn là hết sức quan trọng.

Chƣơng 3 – Mô tả hệ máy cyclotron tại bệnh viện Chợ Rẫy: Trình bày chi tiết cấu
trúc, các thông số hoạt động và các thành phần chính của máy cyclotron.


4

Chƣơng 4 – Mô phỏng hệ cyclotron và đánh giá phân bố suất liều chiếu gamma
xung quanh hệ cyclotron tại bệnh viện Chợ Rẫy dùng MCNPX: Mô phỏng cấu trúc
máy cyclotron bằng chƣơng trình MCNPX. Khảo sát phân bố liều gamma bên trong
phòng máy cyclotron, so sánh với kết quả thực nghiệm và mô phỏng của nhà sản xuất
để kiểm tra độ chính xác của việc mô phỏng. Khảo sát phân bố liều gamma bên ngoài
phòng cyclotron để kiểm tra đánh giá mức độ an toàn bức xạ đối với môi trƣờng xung
quanh bên ngoài phòng cyclotron.


5

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON
VÀ AN TOÀN PHÓNG XẠ TRONG Y TẾ
1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON
1.1.1 Lịch sử phát triển [9]
Trong các máy gia tốc hạt đầu tiên, các hạt đƣợc gia tốc bằng một hiệu điện thế
cao đặt vào khe giữa cathode và anode (các điện cực). Những dụng cụ này gọi là ống
tia cathode , đƣợc phát minh vào cuối thế kỉ 19. Sử dụng ống tia cathode, tia X đã đƣợc
phát hiện vào năm 1985 bởi Wilhelm Conrad Röntgen, ngƣời nhận giải Nobel vật lí
đầu tiên (năm 2001) cho khám phá này. Vào năm 1896, Joseph John Thomson nghiên
cứu bản chất của tia cathode tìm thấy chúng tích điện và có một tỉ số điện tích trên khối
lƣợng chính xác. Việc khám phá ra hạt cơ bản đầu tiên này, hạt electron, đã đánh dấu

tích điện quay tròn trong một từ trƣờng mạnh và đƣợc gia tốc bằng điện trƣờng tại một
hay nhiều khe. Sau khi đi qua một khe, các hạt chuyển động bên trong một điện cực và
đƣợc che chắn khỏi điện trƣờng. Khi các hạt đi ra khỏi khu vực đƣợc che chắn và đi
vào khe tiếp theo, pha của hiệu điện thế xoay chiều thay đổi 180 độ sao cho các hạt
đƣợc gia tốc lần nữa. Quá trình cứ thế tiếp tục. Sau nhiều vòng gia tốc, kết quả là một
quỹ đạo xoắn ốc mở ra phía ngoài, các hạt quay tròn ở gần ranh giới của từ trƣờng
mạnh. Ở đây, từ trƣờng có hình dạng sao cho chùm hạt quay tròn có thể đi ra và hình
thành vào chùm tia bên ngoài. Lawrence đƣợc trao giải Nobel vật lí năm 1939 cho việc
phát minh và phát triển cyclotron và cho những kết quả thu đƣợc với nó, nhất là ghi
nhận nghiên cứu của ông về các nguyên tố phóng xạ tự nhiên.
Ở châu Âu, ba nhà khoa học đoạt giải Nobel, Frédéric Joliot, Niels Henrik David
Bohr và Karl Manne Georg Siegbahn đã có đóng góp lớn cho những cyclotron đầu


7

tiên. Năm 1938, cyclotron châu Âu đầu tiên tại Collège de France ở Paris gia tốc một
chùm deuteron lên tới 4 MeV và khi va chạm vào bia, một nguồn neutron mạnh đƣợc
tạo ra. Khoảng cùng thời gian đó, cyclotron Copenhagen tại viện Niels Bohr đã sẵn
sàng và ở Stockholm, nghiên cứu khởi động việc xây dựng máy gia tốc Thụy Điển đầu
tiên đã sẵn sàng khoảng năm 1940.
Một vấn đề nghiêm trọng đầu tiên đối với các cyclotron là sự hạn chế về năng
lƣợng khoảng 10 MeV đối với sự gia tốc proton. Hạn chế này phụ thuộc vào việc làm
chậm các proton đang quay trong từ trƣờng đều do sự tăng khối lƣợng tƣơng đối tính
của chúng, hay năng lƣợng toàn phần tƣơng đƣơng. Khối lƣợng nghỉ của proton ứng
với năng lƣợng 938 MeV và sẵn sàng sau khi gia tốc đến động năng 10 MeV, thì tần số
quay của proton, đại lƣợng tỉ lệ nghịch với năng lƣợng toàn phần của nó (938 + 10),
giảm đi một phần trăm. Khi tần số quay proton và tần số điện bằng nhau lúc bắt đầu
chu trình gia tốc, thì không có sự lệch pha và proton đƣợc gia tốc với cùng hiệu điện
thế gia tốc tại mỗi khe. Tuy nhiên, khi các proton thu năng lƣợng và giảm dần tần số

Hình 1.1. Nguyên lý gia tốc cyclotron.
Biện pháp gia tốc hạt trong điện trƣờng xoay chiều nhƣ sau:
Ion âm H- đƣợc tạo ra từ nguồn khí hydrogen (Ion Source) đặt tại tâm của
cyclotron, dƣới tác động của lực điện kéo ra khỏi nguồn ion vào vùng gia tốc. Vùng gia
tốc gồm các điện cực hình chữ D (điện cực Dee), các điện cực này đƣợc cấp một dòng


9

điện cao tần cỡ vài chục kV, với tần số vài chục MHz. Các điệc cực này lại nằm giữa
hai cực của nam châm điện, tạo từ trƣờng vuông góc với quỹ đạo của hạt gia tốc. Tất
cả chúng đều nằm trong buồng chân không cao để tránh sự giảm tốc do va chạm của
hạt với các phân tử không khí. Vì hạt bay theo phƣơng vuông góc với các đƣờng sức
từ, nên lực từ tƣơng tác lên hạt đóng vai trò là lực hƣớng tâm làm cho hạt có quỹ đạo
tròn (hình 1.2).

Hình 1.2. Lực từ tác dụng lên hạt ion dƣơng
chuyển động vuông góc với đƣờng sức từ.
Theo công thức lực Lorentz:
F  q .v.B.sinα  q .v.B

(1.1)

Trong đó v (m/s) là vận tốc của hạt, B (T) là từ trƣờng đều có phƣơng vuông góc
với mặt phẳng chuyển động của hạt, α là góc hợp bởi hai vector từ trƣờng và vận tốc
của hạt (trong trƣờng hợp cụ thể này α = 900).
Vận tốc của hạt khi vào cyclotron do sự chênh lệch điện thế V là:
v

2Vq

900, ta có:
R

mv
qB

(1.5)

Sau khi hạt chuyển động ra khỏi điện cực Dee này, đến khoảng trống giữa hai
điện cực, hạt lại đƣợc gia tốc một lần nữa. Do đó, khi đi qua điện cực kia, hạt lại
chuyển động với vận tốc lớn hơn, và do đó bán kính quỹ đạo R mới lớn hơn R cũ. Cứ
nhƣ vậy hạt đƣợc gia tốc đến một vận tốc lớn hơn và quỹ đạo chuyển động lớn hơn.
Mỗi lần qua khoảng trống của hai điện cực, dƣới tác động của điện trƣờng, chùm hạt
ion âm nhận đƣợc một độ lợi năng lƣợng bằng ∆E1gt, làm cho động năng và vận tốc của


11

hạt tăng lên, rồi tiếp tục bay về phía điện cực còn lại với vận tốc lớn hơn vận tốc ban
đầu:
ΔE1gt  4qVSin

hθ Dee
2

(1.6)

Trong đó: V là điện thế giữa hai cực Dee, h: số hàm điều hòa, θ Dee là góc mở của
hai Dee.
Quá trình gia tốc cứ tiếp diễn cho đến khi hạt đạt đƣợc năng lƣợng danh định và

12

1.1.4 Mối liên hệ giữa tần số và vận tốc của hạt đƣợc gia tốc
Trong trƣờng hợp không tƣơng đối tính:
Từ (1.1) và (1.3) ta có:
mv 2
Bq v
r

(1.8)

v Bq

r
m

(1.9)

Do đó,

Mà v/r là vận tốc góc ω, vì vậy:
ω

Bq
m

(1.10)

f



1
v
1-  
c

2

γmv
qB

(1.13)

là hệ số Lorentz.

Do đó, mối liên hệ tần số của hạt với tần số của cyclotron là:
v
f  f c 1-  
c

2

(1.14)

Khi tần số của hạt f sai khác trên 1% (động năng hạt proton trên 9 MeV) so với
tần số dòng điện fc, hạt đi qua khoảng trống giữa hai điện cực không đồng thời với sự
đổi cực của nguồn điện. Nhƣ vậy hạt sẽ không đƣợc gia tốc thêm nữa. Nhƣ vậy máy
gia tốc cyclotron có một giới hạn về năng lƣợng hạt đƣợc gia tốc.
Chùm hạt H- sau khi đƣợc gia tốc đến đập vào lá carbon mỏng trở thành chùm
proton. Chùm hạt proton sau đó đƣợc cho tham gia các phản ứng sản xuất đồng vị

điều trị. Những lợi ích của việc sử dụng bức xạ trong đời sống con ngƣời thực sự to lớn
nhƣng không vì thế mà con ngƣời xem nhẹ những tác hại của chúng.
Khi quy mô sử dụng bức xạ trong cuộc sống ngày càng tăng thì con ngƣời càng
quan tâm nhiều hơn về những tác hại mà chúng có thể gây ra cho chính họ và con cháu
của họ. Từ những nghiên cứu trên động vật thực nghiệm, quan sát trên những nạn nhân
bị chiếu xạ tai nạn, các bệnh nhân xạ trị và những ngƣời làm việc tiếp xúc với phóng
xạ, những kiến thức về hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa đã dần đƣợc tích lũy [6].
Sự khác nhau cơ bản giữa bức xạ hạt nhân và các bức xạ thông thƣờng nhƣ nhiệt
và ánh sáng là ở chỗ bức xạ hạt nhân có năng lƣợng đủ lớn để gây ion hóa. Sự ion hóa
những phân tử nƣớc (thành phần chủ yếu của các phân tử cấu tạo nên tế bào) có thể
dẫn đến những thay đổi bên trong phân tử và tạo ra các loại hợp chất gây hại cho các
nhiễm sắc thể. Sự hủy hoại này thể hiện ở sự biến đổi về cấu trúc và chức năng của
phân tử. Trong cơ thể ngƣời, sự thay đổi này có thể tự biểu lộ qua các triệu trứng bệnh
lý nhƣ ốm mệt do phóng xạ, đục thủy tinh thể hoặc về lâu dài là ung thƣ. Sau khi các
phân tử sinh học cấu tạo tổ chức sống chịu tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp của bức xạ
ion hóa, các sản phẩm phản ứng tƣơng tác với các phân tử hữu cơ quan trọng của tế
bào. Các gốc tự do và các tác nhân oxy hóa có thể tấn công các phân tử phức tạp là


15

thành phần của các nhiễm sắc thể. Ví dụ, chúng có thể tự gắn vào một phân tử hoặc
làm gãy các liên kết trong các phân tử dạng chuỗi dài đó.
Những tổn thƣơng hóa sinh ở giai đoạn đầu nếu không đƣợc hồi phục sẽ dẫn đến
những rối loạn về chuyển hóa. Các gốc tự do phản ứng với những gốc hoạt động của hệ
thống men có nhóm –SH biến chúng thành những nhóm disulfur không hoạt động. Kết
quả là hoạt tính phân giải của hệ thống men có gốc –SH bị phá hoại, một phần chất
men này rất cần thiết đối với sự tổng hợp nucleoproteit và acid nucleic là những nhân
tố quan trọng trong sự sống của cơ thể. Ngoài ra các chất men enzym protein bị suy
biến, có những độc chất sinh ra, những chất enzym là những chất xúc tác điều hòa đời