ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
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:

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHE CHẮN
TRONG PHÒNG X QUANG CHẨN ĐOÁN
BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP

SVTH: Nguyễn Thị Trúc Linh
GVHD: TS. Trương Thị Hồng Loan
GVPB: TS. Huỳnh Trúc Phương

TP. Hồ Chí Minh – Năm 2012



LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô TS. Trương
Thị Hồng Loan, người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ em trong suốt quá
trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Thái Mỹ Phê và bệnh viện Nhi Đồng I đã tạo điều
kiện thuận lợi cho em tham quan và thu thập số liệu.
Xin chân thành cảm ơn cán bộ phản biện Thầy TS. Huỳnh Trúc Phương, những
ý kiến đóng góp của thầy là vô cùng hữu ích giúp cho khóa luận của em thêm hoàn
chỉnh.

1.2.1. Cấu tạo ống phát tia X ................................................................. 13
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của ống phát tia X ..................................... 18
1.2.3. Các thông số kỹ thuật .................................................................. 19
1.3. Vật liệu che chắn phòng X quang chẩn đoán .......................................... 20
1.3.1. Tấm chì ........................................................................................ 20
1.3.2. Bê tông ......................................................................................... 22
1.3.3. Thạch cao ..................................................................................... 24
1.3.4. Barit ............................................................................................. 26
Chƣơng 2. AN TOÀN CHE CHẮN PHÒNG X QUANG CHẨN ĐOÁN
2.1. Nhu cầu che chắn phòng X quang .......................................................... 28
2.2. An toàn che chắn ..................................................................................... 29
2.3. Mục đích và ý nghĩa của việc che chắn .................................................. 33

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[ii]

Chƣơng 3. MÔ PHỎNG VẬT LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X QUANG CHẨN
ĐOÁN BẰNG CHƢƠNG TRÌNH MCNP-4C2
3.1. Chương trình MCNP-4C2 ....................................................................... 34
3.1.1. Phương pháp Monte Carlo ........................................................... 34
3.1.2. Chương trình MCNP-4C2 ........................................................... 34
3.1.2.1. Giới thiệu chương trình MCNP ........................................... 34
3.1.2.2. File input trong MCNP ........................................................ 35
3.1.2.3. File output trong MCNP ...................................................... 40
3.2. Mô phỏng phòng X quang chẩn đoán thông thường .............................. 40
3.2.1. Mô tả phòng máy X quang tại bệnh viện Nhi đồng I .................. 40
3.2.2. Thông số và cấu trúc hình học máy X quang .............................. 43
3.2.3. Tally đánh giá .............................................................................. 44


Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[iv]

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phổ sóng điện từ ......................................................................................... 2
Hình 1.2. Tán xạ Rayleigh .......................................................................................... 5
Hình 1.3. Tán xạ Compton ......................................................................................... 6
Hình 1.4. Hấp thụ quang điện ..................................................................................... 7
Hình 1.5. Quá trình tạo cặp ........................................................................................ 9
Hình 1.6. Hệ số hấp thụ khối đối với mô mềm ........................................................ 11
Hình 1.7. Sự suy giảm năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nửa
................................................................................................................. 12
Hình 1.8. Cấu tạo ống phát tia X .............................................................................. 13
Hình 1.9. Cấu tạo cathode trong ống phát tia X ....................................................... 14
Hình 1.10. Diện tích bao phủ của vùng tia X và diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng
thay đổi theo góc vát ................................................................................ 16
Hình 1.11. Mối quan hệ giữa dòng nung, nguồn cao thế ống phát và dòng của ống
................................................................................................................. 19
Hình 2.1. Mô hình phòng X quang ........................................................................... 30
Hình 2.2. Mặt cắt ngang mô hình phòng X quang ................................................... 31
Hình 3.1. Mô hình phòng X quang tại bệnh viện Nhi đồng I................................... 41
Hình 3.2. Mặt cắt ngang của phòng X quang ........................................................... 42
Hình 3.3. Mặt cắt dọc của phòng X quang ............................................................... 42
Hình 3.4. Mô tả mặt các dọc của anode, tấm lọc nhôm và collimator ..................... 43
Hình 3.5. Vị trí các điểm khảo sát trong và ngoài phòng X quang
tại độ cao 145,2cm .................................................................................. 45
Hình 3.6. Vị trí các điểm khảo sát trong phòng X quang tại độ cao 1cm ................ 46

các bệnh viện như trước kia mà ngay cả các cơ sở y tế tư nhân cũng có thể trang bị
thiết bị này. Chính việc sử dụng rộng rãi đó đã đặt ra một vấn đề không nhỏ là đảm bảo
an toàn khi xây dựng phòng chụp X quang. Vấn đề cần giải quyết là tính toán bề dày
che chắn sao cho đảm bảo an toàn, đạt hiệu quả, cũng như tiết kiệm diện tích và chi
phí.
Các trường hợp thực tế không đáp ứng đủ các điều kiện để thực hiện một thí
nghiệm thì mô phỏng trở thành một phương pháp hữu dụng. Mô phỏng giúp giải quyết
các bài toán một cách đơn giản hơn và đưa ra các kết quả khá tin cậy.
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng chương trình mô phỏng Monte Carlo
MCNP-4C2 bước đầu mô phỏng các vật liệu che chắn trong phòng X quang chẩn đoán.
Mục đích của khóa luận này là khảo sát khả năng che chắn của các vật liệu xây dựng
phòng X quang. Từ đó xác định các bề dày che chắn an toàn ứng với từng vật liệu.
Khóa luận gồm 3 chương:
-

Chương 1: Tổng quan.

-

Chương 2: An toàn che chắn phòng X quang chẩn đoán.

-

Chương 3: Mô phỏng vật liệu che chắn phòng X quang chẩn đoán bằng chương
trình MCNP-4C2.

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[2]

Tính bị hấp thụ: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị suy giảm
do một phần năng lượng bị hấp thu. Đây là cơ sở của các phương pháp chuẩn
đoán X quang và liệu pháp X quang. Sự hấp thu này tỉ lệ thuận với:
 Thể tích của vật chất bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thụ càng
nhiều.
 Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì
sẽ bị hấp thụ càng nhiều.
 Trọng lượng nguyên tử của vật chất: sự hấp thụ tăng theo trọng lượng
nguyên tử của chất bị chiếu xạ.
 Mật độ của vật chất: số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật
càng nhiều thì sự hấp thụ tia X càng tăng.
Đặc tính truyền thẳng, đâm xuyên và hấp thụ của tia X là những đặc tính quan
trọng trong tạo hình X quang.

-

Tính chất quang học: giống như ánh sáng, tia X cũng có những hiện tượng
quang học như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ.

-

Tính chất gây phát quang: dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát
quang như các muối clorua và có chất trở nên sáng như Tungstat Cadmi,
Platino-cyanua Bari.

-

Tính chất hóa học: tính chất hóa học quan trọng nhất của tia X là tác dụng lên
muối Bromua bạc trên phim và giấy ảnh làm cho nó biến thành bạc khi chịu tác
Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[5]

Hình 1.2. Tán xạ Rayleigh
b. Tán xạ Compton
Tán xạ Compton còn gọi là tán xạ không đàn hồi là hiện tượng photon tán xạ
trên electron của nguyên tử và lệch khỏi hướng đi ban đầu.
Tán xạ Compton là tương tác chủ yếu của tia X trong vùng năng lượng chẩn
đoán với mô mềm. Trong thực tế, tán xạ Compton không chỉ chiếm ưu thế trong vùng
năng lượng chẩn đoán trên 26 keV trong mô mềm mà còn chiếm ưu thế trong vùng
năng lượng chẩn đoán khoảng 30 MeV. Tương tác này có khả năng xảy ra nhất giữa
các photon và các điện tử lớp vỏ ngoài. Electron bị đẩy ra từ nguyên tử, photon bị tán
xạ với năng lượng suy giảm.
Như tất cả các tương tác khác, năng lượng và động lượng phải được bảo toàn.
Vì năng lượng liên kết của các điện tử rất nhỏ nên có thể bỏ qua, do đó năng lượng của
photon tới E0 bằng tổng năng lượng của photon tán xạ Esc và năng lượng electron phát
ra Ee-.
E0 =Esc +Ee-

(1.1)

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[6]

Hình 1.3. Tán xạ Compton
Tán xạ Compton dẫn đến sự ion hóa của nguyên tử và sự phân chia năng lượng

(1.3)

Ee =E0 -E b

Để hấp thụ quang điện xảy ra, năng lượng photon tới phải lớn hơn năng lượng
liên kết của điện tử bị đẩy ra. Sau tương tác quang điện, nguyên tử bị ion hóa, xuất hiện
một lỗ trống bên trong lớp vỏ điện tử. Lỗ trống này sẽ được lấp đầy bởi một điện tử từ
lớp vỏ có năng lượng liên kết thấp hơn. Một lỗ trống khác được tạo ra và sau đó được
lấp đầy bởi một điện tử từ lớp vỏ có năng lượng liên kết thấp hơn. Do đó, một thác điện
tử từ lớp vỏ ngoài đến lớp vỏ trong xuất hiện. Sự khác biệt trong năng lượng liên kết là
giải phóng cả bức xạ tia X đặc trưng và điện tử Auger.
Xác suất phát xạ tia X giảm khi số khối của chất hấp thụ giảm và do đó không
thường xuyên xảy ra đối với tương tác photon năng lượng chẩn đoán trong các mô
mềm.
Xác suất hấp thụ quang điện trên một đơn vị khối lượng xấp xỉ bằng Z3/E3 với Z
là số nguyên tử và E là năng lượng của photon tới. Quá trình quang điện chiếm ưu thế
khi photon năng lượng thấp tương tác với vật liệu có Z lớn.
Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[8]

Lợi ích của sự hấp thụ quang điện trong hình ảnh X quang là không có photon
thứ cấp bổ sung làm giảm chất lượng hình ảnh. Thực tế, xác suất của sự hấp thụ quang
điện tỉ lệ thuận với 1/E3, một phần do độ tương phản hình ảnh giảm khi năng lượng tia
X cao được sử dụng trong quá trình chụp ảnh.
d. Quá trình tạo cặp
Quá trình tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng tia X vượt quá 1,022 MeV. Trong
quá trình tạo cặp, một tia X tương tác với điện trường của hạt nhân của nguyên tử.
Năng lượng của photon được truyền sang cặp elelctron và positron. Electron và

từ ~0,35 đến ~0,16 cm-1 đối với vùng năng lượng photon từ 30 đến 100 keV.
Ý nghĩa: hệ số hấp thụ tuyến tính mô tả sự dịch chuyển của bức xạ photon qua
môi trường khi không chú ý đến các photon tán xạ, nó phụ thuộc vào tính chất của môi
trường và năng lượng của lượng tử gamma.
f. Hệ số hấp thụ khối
Hệ số hấp thụ tuyến tính tỉ lệ với mật độ ρ của môi trường vật chất. Nghĩa là hệ
số hấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trường khác
nhau. Để tránh sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất, người ta
sử dụng hệ số hấp thụ khối µm:
μm =

μ
ρ

(1.6)

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[10]

Đơn vị tính của hệ số hấp thụ khối là cm2/g. Bề dày lớp vật chất hấp thụ được tính
bằng đơn vị g/cm2.
Nếu vật chất chịu tương tác là một hỗn hợp gồm nhiều chất thì hệ số hấp thụ
khối toàn phần µ/ρ phải là một tổ hợp của các hệ số hấp thụ khối của các thành phần
hỗn hợp đó:
μ
μ
μ μ1
= ω1 + 2 ω2 + 3 ω3 +...

0.693
μ

(1.8)

Giá trị bề dày hấp thụ một nửa thường được sử dụng trong chụp X quang vì dễ
dàng để nhớ các giá trị và thực hiện các phép tính đơn giản. Trong việc tính toán che
chắn, có thể thấy rằng khi biết bề dày hấp thụ một nửa (HVL) ta có thể nhanh chóng
xác định được bao nhiêu vật liệu là cần thiết để giảm cường độ bức xạ xuống dưới 1%.
Tuy nhiên, việc tính toán che chắn còn phụ thuộc vào khoảng cách từ ống phát tia X
đến vị trí rào cản. Còn phương pháp này chỉ chính xác khi biết cường độ bức xạ ngay
phía trước và sau rào cản. Hình 1.7 minh họa sự suy giảm năng lượng bức xạ khi
truyền qua các lớp hấp thụ một nửa.

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[12]

Hình 1.7. Sự suy giảm năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nửa
1.2. Máy X quang thƣờng qui
Trong máy X quang, bộ phận quan trọng nhất là bộ phận phát ra tia X, được gọi
là ống phát tia X. Ống phát tia X tạo ra tia X thông qua cơ chế bức xạ hãm và bức xạ
đặc trưng. Ống phát tia X hiện đại được cấu thành từ hai bộ phận chính là âm cực
(cathode), dương cực (anode) và các bộ phận phụ trợ như rotor, stator, vỏ ống,...
1.2.1. Cấu tạo của ống phát tia X [4]
a. Âm cực-Cathode
Cathode là nguồn cung cấp electron để tạo ra chùm tia X. Cathode gồm cuộn
dây tóc được bao quanh bởi chén hội tụ. Dòng điện tử phát xạ từ tim đèn sợi đốt trong
cuộn dây tóc, được định hướng bởi chén hội tụ và gia tốc đến đúng bia dương cực để

đập vào anode, hơn 99% năng lượng của chùm điện tử được chuyển hóa thành nhiệt,
chỉ dưới 1% năng lượng của chúng chuyển hóa thành tia X. Vì vậy, dương cực phải có
khả năng chịu nhiệt cao. Tuy nhiên, dương cực cũng bị hao mòn theo thời gian và chỉ
có thể chịu được va chạm ở nhiệt độ nhất định nên cần điều chỉnh hợp lý công suất
phát tia X để đảm bảo an toàn và tuổi thọ dương cực.
Một số vật liệu được sử dụng làm dương cực như Vonfram (W, Z=74),
Molybdenum (Mo, Z=42) hoặc Rhodinum (Rh, Z=45). Trong đó, Vonfram thường

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học


[15]

được sử dụng làm anode vì nhiệt độ nóng chảy cao và nguyên tử khối lớn cho tỉ lệ bức
xạ hãm cao. Anode Vonfram có thể xử lý nhiệt mà không làm nứt hay rỗ bề mặt. Một
hợp kim gồm 10% Rhenium và 90% Vonfram cung cấp thêm khả năng chống thương
tổn bề mặt. Trong X quang chụp nhũ ảnh, cần nhiều bức xạ tia X đặc trưng nên thích
hợp hơn với dương cực làm bằng các nguyên tố có khối lượng nguyên tử nhẹ.
Anode có hai cấu hình là anode tĩnh và anode quay.
- Kiểu đơn giản nhất là anode tĩnh bao gồm tungsten chèn trên một khối đồng.
Đồng sẽ hỗ trợ và tải nhiệt từ bia tungsten. Tuy nhiên, diện tích tiếp xúc bia nhỏ nên
giới hạn tốc độ tản nhiệt, do đó hạn chế dòng tối đa của ống và thông lượng tia X. Một
số đơn vị X quang nha khoa sử dụng ống phát tia X có anode tĩnh.
- Trong cấu trúc ống phát tia X hiện đại, dương cực có cấu tạo dạng đĩa tròn và
quay được với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi phút khác với vị trí cố định của anode tĩnh.
Chuyển động của dương cực yêu cầu một động cơ quay dương cực bằng cảm ứng điện
từ. Mặc dù cấu trúc ống phát sẽ phức tạp hơn nhưng ống phát tia X với dương cực quay
vẫn được áp dụng trong hầu hết trong các thiết bị X quang chẩn đoán bởi nhiều ưu
điểm: tăng tuổi thọ dương cực, tản nhiệt tốt hơn và hiệu suất bức xạ tia X tốt hơn.
Dương cực được thiết kế dạng đĩa vát một góc θ có tác dụng hướng tia X ló ra


[17]

chi tiết này: môi trường làm việc là chân không; vật liệu không nhạy nhiệt, không biến
dạng theo nhiệt. Molybdenum là vật liệu lý tưởng nhất để làm vòng bi và chân trung
gian rotor-anode do có độ cứng cao (1500 HB), hệ số giãn nở tuyến tính do nhiệt thấp
(4,8E-6/0C), truyền nhiệt kém.
d. Vỏ ống chân không, dung dịch dầu, khoang chứa và các bộ phận khác
Vỏ ống chân không thường được làm bằng thủy tinh với rotor, anode và cathode
nằm trong một môi trường gần như chân không. Môi trường chân không có tác dụng
làm giảm đi hầu hết các va chạm của không khí với điện tử được phát xạ và các linh
kiện khác trong không gian ống, đồng thời ngăn cản quá trình oxy hóa của các linh
kiện đặc biệt là dây tóc.
Khối ống phát được đặt trong khoang chứa kim loại với dung dịch dầu. Hộp
chứa được tiếp mát với đất để ngăn điện tử chuyển động trong không gian chứa dầu.
Dầu vừa có tác dụng cách ly hộp chứa với nguồn cao thế vừa giải nhiệt sinh ra do quá
trình phát tia X. Buồng chứa dầu được bổ sung một hệ co giãn đảm bảo áp suất dầu
không tăng khi dầu nở vì nhiệt.
Một số bộ phận khác được bổ sung trong cấu trúc tổ hợp ống phát nhằm phục vụ
một số nhiệm vụ riêng khác: cảm biến nhiệt được dùng để dừng hoạt động của ống
phát khi nhiệt độ dầu và buồng chứa vượt ngưỡng cho phép; lớp chì bọc ngoài khoang
chứa nhằm hấp thụ tia ló bất thường bao gồm tia X chệch hướng từ dương cực và tia X
sinh ra khi điện tử thứ cấp va chạm với các linh kiện kim loại khác trong ống phát; cửa
ló tia có thêm lớp lọc tia X mềm bằng nhôm độ dày phổ biến cỡ 1mm mặc dù bản thân
các vật liệu trên phương của tia ló như thủy tinh, dầu đã có tác dụng tương đương lớp
lọc nhôm 0,5-1 mm; hai lối vào độc lập của hai nguồn cao áp cho âm cực và dương
cực.

Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học