ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN



Đề tài:

SVTH : Nguyễn Thanh Vương
CBHD : ThS. Thái Mỹ Phê
CBPB : TS. Huỳnh Trúc Phương

TP HỒ CHÍ MINH-2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KĨ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT
LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X QUANG
TRONG CHẨN ĐOÁN Y TẾ
SVTH : Nguyễn Thanh Vương
CBHD : ThS.Thái Mỹ Phê

MỤC LỤC ....................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG VẼ ..................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Nhu cầu che chắn phòng X-quang ................................................................... 3
1.2. Ý nghĩa kinh tế trong việc che chắn hợp lý ..................................................... 4
1.3. Mục đích chính của việc che chắn ................................................................... 4
1.3.1. Đối với nhân viên bức xạ ...................................................................... 4
1.3.2. Đối với môi trường chung quanh .......................................................... 5
1.3.3. Đối với bệnh nhân ................................................................................. 5
Chương 2: NGUYÊN LÝ HẤP THỤ TIA X VÀ GAMMA
KHI XUYÊN QUA VẬT CHẤT
2.1. Hệ số hấp thụ tuyến tính ................................................................................. 6
2.2. Hệ số hấp thụ khối lượng ................................................................................ 8
2.3. Ý nghĩa vật lý của các hệ số hấp thụ ............................................................... 9
2.4. Hình học của chùm tia xuyên qua vật chất ................................................... 10
2.4.1. Nguồn có chuẩn trực .......................................................................... 10
2.4.2. Nguồn không chuẩn trực .................................................................... 11
2.5. Bề dày hấp thụ một nửa (HVL)..................................................................... 15
Khóa luận tốt nghiệp đại học


ii
Chương 3: VẬT LIỆU CHE CHẮN PHÒNG X-QUANG
3.1. Tấm chì (Pb) .................................................................................................. 19
3.1.1. Tính chất vật lý và hóa học ................................................................ 19
3.1.2. Đặc tính của chì trong việc che chắn tia X ........................................ 21
3.2. Thạch cao ...................................................................................................... 22
3.2.1. Tính chất vật lý và hóa học ................................................................ 22

Bảng 4.3. Liều hấp thụ bức xạ thứ cấp tại khoảng cách 1m không có che chắn ........ 37
Bảng 4.4. Kết quả tính toán bề dày các rào cản bức xạ cho phòng X-quang thông
thường ......................................................................................................... 46
Bảng 4.5. Những điều kiện của rào cản đối với phòng X-quang nha ........................ 47
Bảng 4.6. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Tây cho thạch cao và chì .............. 50
Bảng 4.7. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Đông cho thạch cao và chì ............ 52
Bảng 4.8. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Bắc cho thạch cao và chì ............... 53
Bảng 4.9. Kết quả tính toán bề dày rào cản phía Nam cho thạch cao và chì ............. 54
Bảng 4.10. Bề dày cần thiết của vật liệu che chắn cho phòng X-quang nha (mm)
sử dụng máy Gendex 765DC ..................................................................... 55

Khóa luận tốt nghiệp đại học


iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1. Phổ sóng điện từ ........................................................................................... 6
Hình 2.2. Chùm tia xuyên qua vật chất khi có chuẩn trực ......................................... 10
Hình 2.3. Chùm tia xuyên qua vật chất khi nguồn không chuẩn trực ........................ 12
Hình 2.4. Sự phụ thuộc của giá trị HVL vào cao áp (kVp) với một số vật liệu ......... 17
Hình 2.5. Sự mất năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nửa .......... 18
Hình 3.1. Mô hình mặt cắt vách thạch cao ................................................................. 24
Hình 3.2. Minh họa một tấm sàn điển hình với bê tông được đổ lên thép ................. 27
Hình 4.1. Sự phát bức xạ từ ống phát tia X ................................................................ 28
Hình 4.2. Thiết kế điển hình cho khu vực điều khiển trong phòng X-quang ............ 30
Hình 4.3. Bản vẻ phòng X-quang theo chiều dọc ...................................................... 31
Hình 4.4. Bản vẻ phòng X-quang theo chiều ngang .................................................. 32
Hình 4.5. Sự suy giảm chùm tia chính qua bê tông .................................................... 35
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của bề dày rào cản bê tông thứ cấp vào NT/Pd2 .................. 38

nhân càng tăng và liều bức xạ lọt ra ngoài càng cao nếu mức độ che chắn được áp dụng
như một phòng có diện tích lớn hơn. Bởi vậy, vấn đề che chắn cho các phòng chẩn
đoán X-quang có ý nghĩa to lớn trong công tác bảo đảm an toàn bức xạ. Nếu không sẽ
dẫn đến những hậu quả hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe, cho cuộc
sống, thậm chí gây ra những rủi ro cho chính bản thân các bác sĩ và kĩ thuật viên vận
hành thiết bị chụp X-quang; cho bệnh nhân phải chiếu chụp để chẩn đoán bệnh; cho cả
nhân viên không liên quan đến kĩ thuật này và dân chúng nói chung trong khu vực tác
dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


2
Mục đích của việc che chắn bức xạ trong phòng chẩn đoán X-quang y khoa là
hạn chế việc tiếp xúc bức xạ đối với nhân viên và bệnh nhân trong một giới hạn cho
phép. Nội dung của khóa luận này trình bày nhu cầu, mục đích của việc che chắn bức
xạ; nguyên lý hấp thụ tia X và gamma khi xuyên qua vật chất; các loại vật liệu chính
dùng trong che chắn phòng X-quang và ứng dụng các loại vật liệu này trong việc thiết
kế phòng X-quang với kích thước hợp lý nhất.
Khóa luận chia làm 4 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Chương 2: Nguyên lý hấp thụ tia X và Gamma khi xuyên qua vật chất
Chương 3: Vật liệu che chắn phòng X-quang
Chương 4: Áp dụng trong che chắn phòng X-quang
Khóa luận này là bước đầu tiếp cận với cách thức trình bày một tài liệu khoa
học, do đó không tránh khỏi những thiếu sót trong việc trình bày và nội dung còn nhiều
hạn chế trong việc tìm kiếm tài liệu. Vì vậy, tôi rất mong được ý kiến đóng góp chân
thành từ qúy Thầy Cô và các bạn.

Khóa luận tốt nghiệp đại học



4
Do việc khám chữa bệnh ở các cơ sở y tế hiện nay không thể thiếu máy X-quang nên
bắt buộc các phòng X-quang nhất nhất tuân thủ quy định về diện tích phòng X-quang
theo tiêu chuẩn cấp phép của Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường.
1.2. Ý nghĩa kinh tế trong việc che chắn hợp lý
Có nhiều loại vật liệu được sử dụng để che chắn cho phòng X-quang nhưng
được sử dụng chủ yếu có thể kể đến các vật liệu như là chì, bê tông, thạch cao, barit.
Việc che chắn hợp lý giúp tiết kiệm nguyên vật liệu dùng để xây dựng phòng X-quang
mà vẫn đảm bảo hạn chế được bức xạ nghề nghiệp tới mức tối thiểu cho các nhân viên
y tế, đảm bảo an toàn cho cho bệnh nhân ở khu vực chờ và những người có liên quan
đến công việc chụp chiếu làm việc bên ngoài phòng X-quang.
Che chắn hợp lý giúp tiết kiệm không gian, diện tích xây dựng; bên cạnh phòng
X-quang có thể xây dựng các phòng khám chửa bệnh khác mà không phải giữ một
khoảng cách nhất định do các bức xạ thoát ra từ máy X-quang được giữ lại bên trong
và không thoát được ra bên ngoài để gây hại cho con người và môi trường.
Ngoài ra, che chắn hợp lý còn giúp người dân có nhu cầu chụp X-quang yên tâm
đến những cơ sở này để khám chửa bệnh.
1.3. Mục đích chính của việc che chắn
1.3.1. Đối với nhân viên bức xạ
Nhân viên bức xạ hay các kĩ thuật viên X-quang nói riêng là những người tham
gia trực tiếp vào quá trình điều chỉnh, vận hành thiết bị và xử lý kết quả sau khi chụp
X-quang. Trong quá trình chụp các nhân viên X-quang sẽ ở phòng kĩ thuật ở sát bên
phòng chụp; khu vực này thông với phòng chụp bằng một cửa thép có ốp chì. Nhân
viên có thể quan sát toàn bộ phòng chụp qua một lớp kính chì trong suốt. Nhân viên sẽ
đứng tại phòng kĩ thuật này để bấm nút chụp X-quang, thời gian phát tia là rất ngắn
(khoảng vài chục miligiây), đây là khoảng thời gian mà tia X được phát tán khắp nơi
trong phòng.
Khóa luận tốt nghiệp đại học



6
CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ HẤP THỤ TIA X VÀ GAMMA KHI XUYÊN QUA VẬT CHẤT
2.1. Hệ số hấp thụ tuyến tính
Tia X (hay tia Roentgen) là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 10 đến
0,01 nm, tương ứng với tần số khoảng từ 30 đến 30000 PHz (1 PHz = 1015 Hz). Tia X
dùng trong y tế có điện thế trong khoảng từ 10 kVp đến 50 MV và được tạo ra khi các
electron có động năng từ 10 keV tới 50 MeV bị hãm trong bia làm bằng vật liệu đặc
biệt.
Tia X và tia gamma đều là bức xạ điện từ nhưng có bước sóng khác nhau và
được phân biệt qua phổ sóng điện từ.

Hình 2.1. Phổ sóng điện từ
Ta xét một chùm tia hẹp Gamma đơn năng với cường độ ban đầu Io. Sự thay đổi
cường độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:
dI = -µIdx

(2.1)

Trong đó µ là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coefficient) và có đơn vị
là cm-1. Từ (2.1) suy ra:
Khóa luận tốt nghiệp đại học


7

dI
= -μdx

Tiết diện tương tác toàn phần là tổng tiết diện của các quá trình. Gọi σ là tiết

diện toàn phần vi mô (tính trên một nguyên tử vật chất), ta có:
σ = σphot + σCom + σpair

(2.4)

Ở đây σphot là tiết diện hiệu ứng quang điện; σCom là tiết diện tán xạ Compton;
σpair là tiết diện tạo cặp. Nhân tiết diện vi mô với số nguyên tử N có trong 1 cm3 ta có
tiết diện vĩ mô hay hệ số suy giảm tuyến tính.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


8
µ = Nσ = N(σphot + σsCom + σaCom + σpair) (cm-1)
µ = µphot + µsCom + µaCom + µpair (cm-1)

(2.5)

Nếu chỉ quan tâm đến sự hấp thu năng lượng thực trong vật chất thì ta loại bỏ
đại lượng tán xạ trong (2.5), khi đó ta có hệ số hấp thụ tuyến tính của chùm tia Gamma
kí hiệu là µa:
µa = µphot + µaCom + µpair (cm-1)

(2.6)

Hệ số µa này khác với hệ số µ vì ta không xét đến các photon tán xạ, các photon
này ta giả thiết nó thoát ra khỏi chất bị tương tác. Điều này sẽ không còn đúng khi môi
trường che chắn có bề dày tương đối lớn, khi đó ta phải tính đến hiệu ứng tích lũy

(2.8)

Trong đó ̅̅̅; ̅̅̅̅,…là tỉ lệ phần trăm theo trọng lượng của các chất trong hỗn
hợp
Khóa luận tốt nghiệp đại học


9
Tương tự, khi chia hệ số hấp thụ tuyến tính cho khối lượng riêng của môi trường
vật chất

(g/cm3) thì ta có hệ số hấp thụ khối µ
̅̅̅ :
μa =

μa
(cm2/g)
ρ

(2.9)

Nếu vật chất tương tác là hỗn hợp của nhiều chất thì hệ số hấp thụ tuyến tính
phải là một tổ hợp của các hệ số hấp thụ của các thành phần của hỗn hợp đó:
μa
μ
μ
μ
= a1 ω1 + a 2 ω2 + a 3 ω3 +...
ρ
ρ1

- Hệ số hấp thụ khối: Là tỉ lệ của hệ số hấp thụ tuyến tính với mật độ vật chất
(g/cm3). Đây là đại lượng có phần cơ bản hơn so với hệ số hấp thụ tuyến tính vì có
thể áp dụng cho bất kì dạng nào của chất hấp thụ: rắn, lỏng, khí.

Khóa luận tốt nghiệp đại học


10
2.4. Hình học của chùm tia xuyên qua vật chất
2.4.1. Nguồn có chuẩn trực
Bức xạ gamma có thể không được hấp thụ hoàn toàn, mà chỉ giảm cường độ khi
đi qua vật chất. Nếu việc đo sự suy giảm của bức xạ gamma năng lượng đơn được thực
hiện dưới điều kiện hình học tốt, với chuẩn trực tốt,một chùm bức xạ hẹp chỉ ra trong
hình 2.2 một đường thẳng biểu diễn mối quan hệ giữa logarit của cường độ với bề dày
x của lá chắn.
ln

Hay

I
= -µx
I0

(2.12)

I
= e-µx
I0

( x là bề dày vật liệu hấp thụ; µ là hệ số suy giảm tuyến tính )

Với ΔI/I là phân số của cường độ bức xạ gamma suy giảm bởi vật liệu hấp thụ
có bề dày Δx. Hệ số suy giảm trên được gọi là hệ số suy giảm toàn phần tuyến tính.
Nói chung, đối với năng lượng nằm trong koảng từ 0,75 đến 5 MeV, gần như tất
cả các vật liệu có cùng tính chất về sự suy giảm bức xạ gamma. Vì vậy, tính chất che
chắn xấp xỉ tỉ lệ thuận với mật độ của vật liệu che chắn. Trong điều kiện có chuẩn trực
thì sự suy giảm của chùm bức xạ gamma được cho bởi:

-μ x
I = I0 .e
l

Hoặc

(2.15)

-(μ x/ρ).(ρx)
I=I0 .e
1

2.4.2. Nguồn không chuẩn trực
2.4.2.1. Qúa trình tán xạ
Với điều kiện hình học không tốt, ví dụ chùm tia rộng hoặc một lá chắn rất dày,
điều này ảnh hưởng đến những đòi hỏi cần thiết đối với bề dày che chắn. Gỉa sử rằng
mỗi photon tương tác với lá chắn và bị lệch khỏi chùm tia và máy đếm sẽ không đếm
được. Trong điều kiện hình học không tốt được chỉ ra trong hình 2.3, giả thiết này
Khóa luận tốt nghiệp đại học


12
không hợp lệ, bởi một số lượng đáng kể photon có thể tán xạ bởi lá chắn và đi vào máy

Hệ số tích lũy có thể được định nghĩa như là tỉ số của cường độ chùm bức xạ
rộng với cường độ của chùm bức xạ hẹp hoặc định nghĩa như là tỉ số hiệu ứng của bức
xạ không tán xạ và hiệu ứng của bức xạ tán xạ với bức xạ không tán xạ
+ Các hệ số tích lũy có liên quan đến đặc trưng của bức xạ tới:
-

Hệ số tích lũy số: (hệ số tích lũy đối với số lượng tử) là tỉ số giữa dòng lượng tử
của tất cả các năng lượng (không tán xạ và tán xạ) tại điểm đo với mật độ dòng
lượng tử ban đầu không tán xạ tại cùng vị trí.

N(r,hν)dhν
BN(r) = 
 N0 (r,hν)dhν
-

(2.17)

Hệ số tích lũy năng lượng: Là tỉ số giữa cường độ bức xạ ban đầu của chùm tia
sơ cấp và chùm tia thứ cấp J(r,hυ)=hυN(r,hυ) tại điểm đo với cường độ bức xạ
ban đầu của chùm sơ cấp J0(r,hυ)=hυN0(r,hυ) tại cùng vị trí.

hνN(r,hν)dhν
BE(r) = 
 hνN0 (r,hν)dhν

(2.18)

- Hệ số tích lũy liều: Là tỉ số giữa liều chiếu của bức xạ trong không khí của các
bức xạ tại điểm đo với liều chiếu trong không khí chỉ tính cho lượng tử ban đầu
không tán xạ tại cùng vị trí.

thiết kế che chắn chúng ta dùng hai tấm vật liệu khác nhau, ta có thể tính gần đúng ba
trường hợp sau, với vật liệu 1 gần nguồn hơn vật liệu 2.
-

Nếu Z1 ≈ Z2 khi đó những hệ số tích lũy thay đổi rất chậm theo Z, ở những năng
lượng thấp ta chỉ cần dùng B(µ1x1+µ2x2).

-

Nếu Z1« Z2: Trong trường hợp này, tán xạ Compton trong môi trường thứ nhất
dịch chuyển năng lượng của bức xạ tới xuống vùng hấp thụ quang điện của vật
liệu thứ hai. Như thế sự đóng góp vào hệ số tích lũy là rất ít với môi trường thứ
hai. Do đó chúng ta chỉ cần dùng hệ số tích lũy của môi trường thứ hai B(µ2x2).

-

Nếu Z1»Z2: Nếu năng lượng bức xạ nhỏ hơn năng lượng cực tiểu trong µ1
(khoảng 3MeV đối với vật liệu có Z cao), những hệ số tích lũy có thể được
nhân với nhau B(µ1x1)× B(µ2x2)min.
Đối với môi trường che chắn gồm nhiều lớp không đồng nhất hệ số tích lũy

được tính theo công thức (2.22).
N

n

N

n=1


n 1

n 1

i 1

n2

i 1

B=  Bn ( μ i x i )-  Bn (  μ i x i )

(2.23)

Bề dày x của vật liệu che chắn là một hàm số của hệ số suy giảm tuyến tính B:
β

B  +
1
α)
x=
ln(
β
αγ
1+

(2.24)

α


(2.25)

Phương trình (2.25) sẽ tiệm cận giá trị HVL = (ln2)/α tại những giá trị lớn của x
và cung cấp một sự ước tính giá trị HVL ở sự suy giảm cao. Cũng giống như hệ số suy
giảm, giá trị HVL phụ thuộc vào năng lượng photon, khi năng lượng của chùm photon
tăng thì giá trị HVL của vật liệu cũng tăng.

Hình 2.4. Sự phụ thuộc của giá trị HVL vào cao áp (kVp) với một số vật liệu

Khóa luận tốt nghiệp đại học


18
Một cách tính khác, thì giá trị HVL sẽ tỉ lệ nghịch với hệ số suy giảm µ. Xét
phương trình (2.3), nếu năng lượng tia tới I0=1 và năng lượng của nó sau khi đi qua lớp
vật liệu có bề dày x là I=0,5, thì ta có:
0,5=1e-µx
 ln2=-µx

Khi đó HVL=x=x1/2 và HVL có mối liên hệ với µ như sau: HVL=(ln2)
Gía trị này cũng được sử dụng trong việc che chắn trong các phòng X quang chỉ
đơn giản vì nó dễ nhớ và thực hiện tính toán 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 2.5. Sự mất năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp thụ một nử
Khóa luận tốt nghiệp đại học