BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
-----------------------------

PHẠM ĐĂNG QUYẾT

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN LIỀU
PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU BNCT TRÊN KÊNH NGANG
CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội – 2020


BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
-----------------------------

PHẠM ĐĂNG QUYẾT

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÀNH PHẦN LIỀU
PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU BNCT TRÊN KÊNH NGANG
CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT


Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Phạm Ngọc Sơn, đã truyền đạt kiến
thức và tận tình hướng dẫn trong thời gian tôi thực hiện các thí nghiệm tại Viện
Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Cao Đông Vũ, đã truyền đạt cho
tôi những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học.
Tôi xin gửi lời cám ơn Ban Lãnh đạo Viện, Ban Giám đốc và các cán bộ
tại Trung tâm Vật lý và Điện tử hạt nhân, Trung tâm An toàn bức xạ, Viện
Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã tạo mọi điều kiện, tận tình giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời cám ơn PGS.TS. Nguyễn Đức Hòa, PGS.TS. Nguyễn An
Sơn và Quý Thầy Cô giáo Khoa Kỹ thuật hạt nhân Trường Đại học Đà Lạt đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận án này.
Xin được cám ơn Quý Thầy Cô đã từng giảng dạy, gia đình và bạn bè đã
luôn động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành luận án này.
Tác giả
Phạm Đăng Quyết

ii


MỤC LỤC
BẢNG CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT .......................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................... xii
MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................... 8
1.1. Nguyên lý của BNCT ............................................................................. 8
1.2. Chữa trị u não bằng BNCT trên thế giới ............................................... 10
1.3. Hệ số KERMA nơtrôn trong mô ........................................................... 12
1.3.1. Tiết diện tương tác của nơtrôn ........................................................ 12

2.1.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 50
2.1.4. Đánh giá sai số mô phỏng............................................................... 57
2.2. Thực nghiệm trên cấu hình hiện tại để nghiên cứu BNCT tại LPƯ Đà Lạt
............................................................................................................. 58
2.2.1. Hiệu chu n detector ........................................................................ 58
2.2.2. Đo phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom ..................... 62
2.2.3. Xây dựng đường chu n hàm lượng bor bằng PGNAA tại CN2DR .. 68
2.2.4. Đo suất liều gamma trong phantom bằng TLD ............................... 70
2.3. Tóm tắt chương 2 ................................................................................. 71

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................... 72
3.1. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với cấu hình hiện tại
trên CN2DR ............................................................................................. 72
3.1.1. Đối với thông lượng nơtrôn ............................................................ 72
3.1.2. Đối với suất liều gamma ................................................................. 76
3.2. Định liều hấp thụ của BNCT trong phantom ........................................ 81
3.3. Kết quả xây dựng đường chuNn hàm lượng bor bằng PGNAA tại
CN2DR .................................................................................................... 85
3.4. Thiết kế cấu hình mới tại CN2DR ........................................................ 86
3.4.1. Kết quả mô phỏng khi thay đổi hình dạng ống chu n trực .............. 86
3.4.2. Tối ưu hóa chiều dài ống chu n trực .............................................. 87
3.4.3. Tối ưu hóa chiều dài phin lọc.......................................................... 90
iv


3.4.4. Đề xuất cấu hình mới cho CN2DR .................................................. 92
3.5. Tóm tắt chương 3 ................................................................................. 95

KẾT LUẬN ........................................................................................ 97
KIẾN NGHN VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............. 98


BNL

Brookhaven National
Laboratory

Phòng thí nghiệm
quốc gia Brookhaven

BPA

p-dihydroxyborylphenylalanine

Một loại hợp chất chứa bor
dùng trong BNCT

BPA-F

L-p-boronophenylalanine
–fructose

Một loại hợp chất chứa bor
dùng trong BNCT

BSH

disodium mercaptoundecahydro Một loại hợp chất chứa bor
-closo-dodecaborate
dùng trong BNCT


&γ
D

Gamma dose rate

Suất liều gamma

&
D
n

Neutron dose rate

Suất liều nơtrôn

E

Energy

Năng lượng

Eff.

Full-peak efficiency

Hiệu suất ghi

Err.

Error


Một loại hợp chất chứa
gadolinium dùng trong MRI

GdNCT

Gadolinium Neutron Capture
Therapy

Xạ trị bằng phản ứng bắt
nơtrôn bởi gadolinium

HFR

High Flux Reactor

Lò phản ứng thông lượng cao

vi


Ký hiệu,
Tiếng Anh
từ viết tắt

Tiếng Việt

I

Intensity of the gamma peak

đơn vị khối lượng

LET

Linear Energy Transfer

Sự chuyển đổi năng lượng
tuyến tính

LPƯ

Reactor

Lò phản ứng

m

Mass

Khối lượng

MCNP

Monte Carlo N – Particle

Chương trình Monte Carlo
cho loại hạt N
Giá trị trung bình

Mean


Magnetic Resonance Imaging

Chụp ảnh bằng cộng hưởng từ

MuITR

Musashi Institute of
Technology Reactor

Viện nghiên cứu công nghệ lò
phản ứng Musashi

NAA

Neutron Activation Analysis

Phân tích kích hoạt nơtrôn đo
gamma trễ

NCT

Neutron Capture Therapy

Xạ trị bằng phản ứng bắt nơtrôn

NOH

Number of the history


tm

Measuring time

Thời gian đo

T1/2

Half-life

Chu ký bán hủy

TLD

ThermoLuminescence
Dosimeter

Liều kế nhiệt phát quang

TRIGA

Training, Research, Isotopes,
General Atomics

Một loại lò phản ứng nghiên cứu
do hãng General Atomics của
Hoa Kỳ thiết kế

TRR



DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Hàm lượng và tiết diện phản ứng của các nguyên tố trong mô với
nơtrôn nhiệt .................................................................................................... 9
Bảng 1.2. Một số thử nghiệm lâm sàng của BNCT trên thế giới ................... 11
Bảng 1.3. Hệ số KERMA đối với nơtrôn nhiệt của các nguyên tố có trong mô
..................................................................................................................... 14
Bảng 1.4. Bảng trọng số bức xạ .................................................................... 17
Bảng 1.5. Hệ số hấp thụ theo năng lượng tia gamma trong mô ..................... 21
Bảng 1.6. Hệ số hấp thụ theo năng lượng của các tia gamma 0,478 MeV và
2,22 MeV trong mô ...................................................................................... 22
Bảng 1.7. Một số LPƯ tạo ra dòng nơtrôn nhiệt bằng các phin lọc đơn tinh thể
Si và Bi ........................................................................................................ 26
Bảng 1.8. Một số LPƯ sử dụng phin lọc để tạo ra dòng nơtrôn sử dụng cho
BNCT........................................................................................................... 27
Bảng 1.9. Một số phantom nước sử dụng trong nghiên cứu BNCT trên thế
giới ............................................................................................................... 30
Bảng 1.10. Sai số của một số loại TLD ........................................................ 36
Bảng 1.11. Các loại đánh giá trong MCNP5 ................................................. 37
Bảng 1.12. Suất liều nơtrôn được chuyển đổi từ thông lượng nơtrôn ............ 38
Bảng 1.13. Suất liều gamma được chuyển đổi từ thông lượng gamma ......... 38
Bảng 1.14. Ý nghĩa của giá trị sai số tương đối R trong MCNP5.................. 40
Bảng 1.15. Thông số cơ bản trong thiết kế dòng nơtrôn nhiệt phục vụ nghiên
cứu BNCT .................................................................................................... 43
Bảng 1.16. Các thông số vật lý của dòng nơtrôn nhiệt tại lối ra của CN2DR 45
Bảng 2.1. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom được mô phỏng bằng
MCNP5 với cấu hình hiện tại ....................................................................... 51
ix



Bảng 3.5. Suất liều gamma theo chiều bán kính chùm nơtrôn, tại z = 3 cm
trong phantom giữa MCNP5 và thực nghiệm ............................................... 78
Bảng 3.6. Suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom khi có và
không có phantom ........................................................................................ 80
Bảng 3.7. Liều hấp thụ trong phantom tại CN2DR trong nghiên cứu BNCT 82
Bảng 3.8. Thông lượng nơtrôn tại lối vào phantom với ống chuNn trực hình
trụ và ống chuNn trực hình nón ..................................................................... 87
Bảng 3.9. Các thông số của ống chuNn trực sử dụng trong mô phỏng MCNP5
..................................................................................................................... 87
Bảng 3.10. Thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại vị trí chiếu mẫu
theo chiều dài của ống chuNn trực hình nón .................................................. 89
Bảng 3.11. Thông lượng nơtrôn nhiệt và suất liều gamma tại lối vào phantom

ứng với chiều dài của các tổ hợp phin lọc khác nhau .................................... 90
Bảng 3.12. Thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom với cấu hình đề xuất tại
CN2DR ........................................................................................................ 92
Bảng 3.13. Kết quả đánh giá các thông số mô phỏng thông lượng nơtrôn nhiệt
trong phantom với cấu hình mới ................................................................... 93
Bảng 3.14. Một số thiết kế dòng nơtrôn nhiệt trên LPƯ của các nước đã thực
hiện bằng MCNP .......................................................................................... 95

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Minh họa phản ứng bắt nơtrôn nhiệt bởi bor ................................... 8
Hình 1.2. Minh họa kỹ thuật BNCT sử dụng chùm nơtrôn nhiệt để chữa trị u
não ................................................................................................................. 9
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của BSH và BPA ............................................. 11
Hình 1.4. Mô tả tiết diện tương tác của nơtrôn ............................................. 12

Hình 2.1. Cấu trúc phần dẫn dòng nơtrôn tại CN2DR .................................. 47
Hình 2.2. Cấu trúc phần chuNn trực dòng nơtrôn tại CN2DR........................ 47
Hình 2.3. Cấu trúc CN2DR với cấu hình hiện tại.......................................... 47
Hình 2.4. Hình dạng phổ tại lối vào CN2DR ................................................ 48
Hình 2.5. Hình dạng phổ tại vị trí chiếu mẫu trên CN2DR với cấu hình hiện
tại ................................................................................................................. 48
Hình 2.6. Phantom sử dụng tại CN2DR được mô phỏng bằng MCNP5 ........ 49
Hình 2.7. Vị trí tương đối giữa phantom và lối ra của CN2DR được mô phỏng
bằng MCNP5 ............................................................................................... 50
Hình 2.8. Cấu trúc chi tiết CN2DR và vị trí phantom sử dụng trong mô phỏng
MCNP5 ........................................................................................................ 50
Hình 2.9. Hệ phổ kế gamma dùng detector HPGe (model: GR7023) tại
CN2DR ........................................................................................................ 59
Hình 2.10. Đường cong hiệu suất ghi tuyệt đối các tia gamma của detector
HPGe cho các mẫu chuNn tại vị trí 5 cm cách mặt detector .......................... 61
Hình 2.11. Phantom sử dụng tại CN2DR ...................................................... 63
Hình 2.12. Nắp phantom sử dụng tại CN2DR .............................................. 63
Hình 2.13. Thiết lập thực nghiệm đo thông lượng nơtrôn nhiệt trong phantom
xiii


tại CN2DR ................................................................................................... 64
Hình 2.14. Phổ gamma của lá dò Vanadium sau khi chiếu xạ với nơtrôn nhiệt
trong phantom tại CN2DR............................................................................ 65
Hình 3.1. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt dọc theo trục trung tâm
của phantom bằng thực nghiệm và mô phỏng ............................................... 73
Hình 3.2. Kết quả phân bố thông lượng nơtrôn nhiệt theo chiều bán kính của
dòng nơtrôn bằng thực nghiệm và mô phỏng ................................................ 75
Hình 3.3. Phân bố suất liều gamma dọc theo trục trung tâm của phantom giữa
MCNP5 và thực nghiệm ............................................................................... 77

Theo thống kê của Quỹ nghiên cứu ung thư Quốc tế, năm 2012 trên toàn
thế giới có khoảng 14,1 triệu trường hợp mắc bệnh ung thư, trong đó có khoảng
1,8% số bệnh nhân liên quan đến não [93]. Riêng ở Mỹ, năm 2012 ước tính có
khoảng 4.200 trường hợp trẻ em dưới 20 tuổi được chNn đoán với u não nguyên
phát [7]. Tại Việt Nam, mỗi năm cả nước có thêm khoảng 150.000 ca mắc bệnh
mới và 75.000 ca tử vong do ung thư, trong đó, ung thư não và các bệnh lý về
não là khá phổ biến, với tỷ lệ mắc phải tương đối cao, đặc biệt là ở nhóm tuổi từ
15 đến 30 chiếm khoảng 30% [94].
U não là một khối các tế bào phát triển bất bình thường trong não. Sự tăng
trưởng của khối u xuất hiện như là kết quả của sự phát triển không kiểm soát

được của tế bào. Có 2 loại u não là u não nguyên phát và u não di căn. U não
nguyên phát bắt đầu từ các tế bào trong não, u não di căn được tạo thành bởi các
tế bào từ một phần khác của cơ thể đã di căn, hay lan rộng đến não. U não
thường gặp ở người lớn là u thần kinh đệm (GlioBlastoma Multiforme – GBM),
chúng có nguồn gốc từ các tế bào thần kinh đệm của não và rất dễ gây tử vong
nếu không được điều trị [7]. Phẫu thuật, hóa trị và xạ trị là 3 phương pháp phổ
biến để điều trị ung thư. Tuy nhiên, xạ trị vẫn là phương pháp có hiệu quả cao
trong điều trị các loại khối u ác tính ở thể rắn [47].
Xạ trị (chữa trị bằng bức xạ) là phương pháp được áp dụng để điều trị các
khối u thông qua sự tương tác của bức xạ đối với các tế bào. Trong đó, xạ trị
bằng phản ứng bắt neutron (Neutron Capture Therapy – NCT) là một kỹ thuật

được thiết kế để phá hủy khối u ở cấp độ tế bào, dựa trên sự chuyển đổi năng
lượng tuyến tính cao (Linear Energy Transfer – LET) của các hạt nhân nặng
mang điện [48]. Một số nguyên tố như

10

B, 6Li,

khác khó thực hiện được [23, 87]. Vì vậy BNCT đã được đề nghị như một khả
năng để điều trị u não vào năm 1951 [23].
Nghiên cứu đầu tiên liên quan đến sự phù hợp của phản ứng

10

B(n, α) 7 Li

trong xạ trị đã được báo cáo bởi Kruger, Zahl, Cooper và Dunning [36]. Các
nghiên cứu lâm sàng đầu tiên của BNCT cho các khối u não sử dụng chùm
nơtrôn nhiệt để chiếu xạ đã được thực hiện tại Mỹ trong thập niên 50 [35]. Tuy
nhiên, những thử nghiệm này đã không thành công, nguyên nhân là do (i) hàm
lượng của 10B tập trung trong khối u thấp và/hoặc tỷ lệ của hàm lượng 10B trong
khối u và mô thường thấp (không đạt tỷ lệ 3:1); và (ii) thông lượng nơtrôn nhiệt
không đủ lớn.
Cuối thập niên 60 của thế kỷ 20, tại Nhật Bản, Hatanaka đã bắt đầu các
kiểm tra lâm sàng với BNCT, kết hợp cả phẫu thuật (mở hộp sọ) và xạ trị với
chùm nơtrôn nhiệt để điều trị khoảng 100 bệnh nhân bị các khối u GBM. Thời
gian sống trung bình của những bệnh nhân này được kéo dài thêm từ 5 đến 15
năm và có xu hướng tăng lên đối với bệnh nhân mắc khối u ở phần ngoài của
não [43].
Từ những năm 1980s phương pháp xạ trị BNCT đã được đầu tư nghiên cứu
ở nhiều phòng thí nghiệm lớn ở trên thế giới với mục tiêu để nghiên cứu phát
triển và thiết lập các chùm nơtrôn ứng dụng trong việc triển khai phương pháp
BNCT. Ở châu Âu, thực nghiệm xạ trị khối u thần kinh đệm bằng BNCT đã

2


được thực hiện lần đầu tại lò phản ứng (LPƯ) thông lượng cao (High Flux



phương pháp kích hoạt đo gamma trễ (Neutron Activation Analysis – NAA) [11,
19, 45, 77], hàm lượng của 10B được xác định bằng phương pháp kích hoạt đo
gamma tức thời (Prompt Gamma Neutron Activation Analysis – PGNAA) [26,
27, 57, 62].
Trong lịch sử, những nguồn nơtrôn tốt nhất có thông lượng cần thiết cho
BNCT được lấy ra từ LPƯ nghiên cứu [17, 23, 58]. Trong đó, LPƯ nghiên cứu
dùng nơtrôn nhiệt thường được sử dụng để tiến hành các thử nghiệm. Nghiên
cứu BNCT đã được tiến hành tại: Lò phản ứng nghiên cứu y học Brookhaven
(Brookhaven Medical Research Reactor – BMRR), Lò phản ứng của Viện công
nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology Reactor – MITR),
Lò phản ứng HFR và một số cơ sở khác [23]. Có hai phương pháp để tạo ra
chùm nơtrôn có thông lượng phù hợp tại vị trí điều trị bên ngoài của một LPƯ
nhiệt [12, 18]. Đó là, (i) phương pháp dịch phổ (shift) bằng cách sắp xếp lại các
vật liệu che chắn [12, 18, 19] hoặc (ii) sử dụng phin lọc, phương pháp này được
sử dụng phổ biến để tạo ra chùm nơtrôn đơn năng không chỉ cho BNCT mà còn
cho nhiều mục đích nghiên cứu khác [4, 19].
Việc cải tiến thiết kế các kênh ngang hoặc cột nhiệt của LPƯ nghiên cứu để
tạo dòng nơtrôn nhiệt cho nghiên cứu BNCT [77] thường được tính toán và mô
phỏng bằng một số chương trình điển hình như: DORT (discrete ordinates), IGUN, MacNCTPLAN, AUTOVOX, SERA, MCNP (Monte Carlo N – Particle),
v.v... Tuy nhiên, MCNP vẫn là chương trình được sử dụng phổ biến nhất vì nó là
một công cụ tính toán mạnh, có thể mô phỏng vận chuyển nơtrôn, gamma và
giải các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều [70, 90] được sử dụng trong các lĩnh
vực từ thiết kế LPƯ đến an toàn bức xạ và vật lý y học với các miền năng lượng
của nơtrôn từ 10-11 MeV đến 20 MeV và các miền năng lượng gamma từ 1 keV
đến 10 MeV.
Tại Nhật Bản, năm 1995 Matsumoto đã sử dụng MCNP để thiết kế các
chùm nơtrôn nhiệt và chùm nơtrôn trên nhiệt phục vụ cho BNCT tại LPƯ
TRIGA Mark II với công suất 100 kW [58]. Matsumoto đã sử dụng Graphite

Từ những phân tích ở trên, việc nghiên cứu đánh giá các thành phần liều
phục vụ nghiên cứu BNCT trên kênh ngang của LPƯ Đà Lạt là vấn đề được đặt
ra để thực hiện trong luận án này.
5


Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận án là mô phỏng thiết kế tối ưu dòng nơtrôn nhiệt
tại lối ra của CN2DR phục vụ nghiên cứu BNCT bằng chương trình MCNP5;
mô phỏng, tính toán và đo thực nghiệm các tham số đặc trưng về phân bố thông
lượng nơtrôn nhiệt và các thành phần liều bức xạ trong mô hình phantom nước;
xây dựng phương pháp phân tích hàm lượng bor trong mẫu nước để áp dụng
trong thực nghiệm về BNCT và các ứng dụng liên quan khác.
Để đạt được mục tiêu đề ra, các nội dung của luận án cần được thực hiện
bao gồm: (i) nghiên cứu, tính toán liều hấp thụ của phản ứng

10

B(n, α) 7 Li trong

BNCT; (ii) mô phỏng sự phân bố liều hấp thụ của BNCT trong phantom nước
tại CN2DR sử dụng chương trình MCNP5; (iii) xác định sự phân bố liều hấp thụ
trong BNCT với mô hình phantom nước sử dụng CN2DR; và (iv) đề xuất thiết
kế cấu hình tối ưu cho hệ BNCT tại CN2DR với dòng nơtrôn tại lối vào
phantom có các thông số về thông lượng nơtrôn nhiệt > 1×108 n.cm-2.s-1 và tỷ số
suất liều gamma trên thông lượng nơtrôn nhiệt < 3×10-13 Gy.cm2.n-1.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học là lần đầu tiên
tiếp cận và nghiên cứu vật lý về phương pháp BNCT ở Việt Nam sử dụng kênh

số cấu hình mới đối với dòng nơtrôn, từ đó đề xuất cấu hình tối ưu phục vụ cho
BNCT tại CN2DR.

7


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Nguyên lý của BNCT
BNCT dựa trên cơ sở của phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra khi một hạt
nhân bền

10

B được chiếu xạ với các nơtrôn nhiệt có năng lượng thấp khoảng

0,025 eV [17-20, 25, 36, 48]. Phản ứng hạt nhân này tạo ra hạt nhân 4He và hạt
nhân giật lùi 7Li (Hình 1.1) [13].

Hình 1.1. Minh họa phản ứng bắt nơtrôn nhiệt bởi bor
Như được minh họa trong Hình 1.1 cho thấy rằng, trong 94% của phân rã
từ phản ứng
4

10

B(n, α) 7 Li , tổng năng lượng khoảng 2,3 MeV của hai hạt nhân

He và 7Li bị hấp thụ trong khoảng kích thước của một tế bào (khoảng

10µm) [17, 37, 48, 67]. Năm 1951, phương pháp BNCT được đề nghị như một