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

công đề tài.
 Cô TS. TRƢƠNG THỊ HỒNG LOAN, ngƣời hƣớng dẫn trực tiếp đề tài
cho tôi, ngƣời đã cung cấp cho tôi những tài liệu bổ ích liên quan đến đề
tài, ngƣời luôn luôn hỗ trợ tôi trong những lúc đề tài gặp khó khăn nhất.
 Bạn Th.S ĐẶNG NGUYÊN PHƢƠNG, là ngƣời bạn gần gũi, dễ mến
và cũng là ngƣời thầy đầy trách nhiệm, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi chỉnh
sửa và hoàn thiện file input giúp tôi có thể hoàn thiện đƣợc luận văn.
 Chị Th.S ĐẶNG TRƢƠNG KAMY, chị đã đóng một vai trò hết sức
quan trọng trong suốt quá trình hình thành và hoàn tất đề tài luận văn
này.
 Anh KS NGUYỄN TẤN CHÂU, ngƣời anh hòa đông và uyên bác trong
lĩnh vực chuyên môn đã tận tình giúp đỡ tôi khi tôi gặp khó khăn.
 Bạn Th.S LÊ THANH XUÂN, ngƣời đã nhiệt tình giúp đỡ cho tôi kịp
thời những khi luận văn gặp khó khăn.
 Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, ngƣời đã đồng ý cho tôi đƣợc chuyển
bộ môn để tôi đƣợc học và nghiên cứu lĩnh vực tôi ƣa thích.


 Các thầy cô trong Hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những những ý
kiến đóng góp bổ ích để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
 Các anh chị Phòng Cyclotron – Bệnh viện Chợ Rẫy đã nhiệt tình giúp đỡ,
cung cấp cho tôi dữ liệu và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi có thể hoàn
thành luận văn này.
 Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K18, gia đình và bạn bè đã
ủng hộ, động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua.
Nguyễn Đức Chƣơng

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC ĐƠN VỊ ...................................................................i
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................................iv



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



4.1. MÔ PHỎNG HỆ CYCLOTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY BẰNG MCNPX
.................................................................................................................................... 45
4.1.1. Mô phỏng tƣờng phòng, khối Shiel............................................................... 45
4.1.2. Nghiên cứu thành phần vật liệu trong Shield ................................................ 47
4.1.3. Mô phỏng nguồn ion H- , collimator và bia .................................................. 50
4.2. TÍNH TOÁN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU GAMMA XUNG QUANH HỆ
CYCLOTRON BẰNG MCNPX ............................................................................... 52
4.2.1. Khảo sát phân bố liều chiếu gamma bên trong phòng cyclotron ................. 52
4.2.2. Khảo sát phân bố liều chiếu gamma bên ngoài phòng cyclotron ................ 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 66
Kết luận ....................................................................................................................... 66
Kiến nghị..................................................................................................................... 66
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ............................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 68
Tiếng Việt. .................................................................................................................. 68
Tiếng Anh. .................................................................................................................. 68
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................... 71
PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................... 76
PHỤ LỤC 3 .................................................................................................................... 80
PHỤ LỤC 4 .................................................................................................................... 82
PHỤ LỤC 5 .................................................................................................................... 83
PHỤ LỤC 6 .................................................................................................................... 85


i

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC ĐƠN VỊ
Các ký hiệu
En


:

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


:

Gia tốc hƣớng tâm

R

:

Bán kính quỹ đạo của hạt H- chuyển động trong từ trƣờng.

ΔE1gt

:

Độ tăng động năng sau một lần gia tốc giữa hai cực Dee.

E max

:

Năng lƣợng cực đại của ion sau khi đƣợc gia tốc bởi cyclotron

h

:

Hàm điều hòa

θ Dee


:

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.

δΦ

:

Lƣợng thông lƣợng đóng góp tại detector


ii

μ E

:

Hệ số tƣơng tác tuyến tính

θs

:

Góc tán xạ

μ  E,θs 

:

Hệ số tƣơng tác tuyến tính trên mỗi đơn vị góc khối của θ s

μ  E,θs  /μ  E  :

Xác suất tán xạ trên mỗi đơn vị góc khối của góc θ s


n

:

Số proton đến bia

Dch

:

Liều chiếu

Dht

:

Liều hấp thụ

M

:

Hệ số chuyển đổi liều

yr

:

Năm


γ

:

Hệ số Lorentz.

AND

:

Axit DeoxyriboNucleic

MRI

:

Magnetic Resonance Imaging

CT

:

Computed Tomography

PET

:

Positron Emission Tomography


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


Khối lƣợng electron me
Vận tốc ánh sáng c
trong chân không

Trong hệ SI
1,6021765310-19 (C)
9,109382610-31 (kg)
2,9979245810-31 (m/s)


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 : Liều LD50/30 cho một số loài .................................................................... 17
Bảng 1.2 : Đáp ứng liều – hiệu ứng sau chiếu xạ toàn thân .......................................... 20
Bảng 2.1 : Một số đồng vị phóng xạ phát positron ....................................................... 25
Bảng 2.2 : Phác thảo nội dung một tệp đầu vào đặc trƣng trong MCNP ...................... 27
Bảng 2.3 : Một số thẻ tally trong MCNP ...................................................................... 33
Bảng 3.1 : Các thông số của khối shield bảo vệ............................................................ 37
Bảng 3.2 : Các thông số hệ thống HP của bệnh viện Chợ Rẫy ..................................... 43
Bảng 4.1 : Nghiên cứu thành phần phần trăm các chất trong tƣờng che chắn của Shield
..................................................................................................................... 48
Bảng 4.2 : Nghiên cứu thành phần phần trăm các chất trong lớp Z cao ....................... 49
Bảng 4.3 : Tọa độ các điểm đƣợc ghi đo và giá trị suất liều gamma tƣơng ứng của nhà
sản xuất. ....................................................................................................... 54
Bảng 4.4 : So sánh các giá trị suất liều chiếu mô phỏng của nhóm tác giả (MP*) với giá
trị thực nghiệm (TN) và mô phỏng của nhà sản xuất (MP)........................ 58
Bảng 4.5 : Suất liều chiếu tại các điểm xung quanh bên ngoài phòng cyclotron ......... 64



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

Bệnh ung thƣ là một trong những căn bệnh nguy hiểm nhất đối với con ngƣời. Nó
nguy hiểm ở chỗ ai cũng có thể có nguy cơ mắc bệnh, và căn bệnh này lại cực kỳ khó
chữa ngay cả đối với nền y học phát triển nhƣ hiện nay. Tỉ lệ điều trị ung thƣ thành
thành công chiếm khoảng 45% trƣờng hợp. Trong đó 22% riêng phẫu thuật; 12% riêng
xạ trị; 6% (phẫu + xạ); và 5% (phẫu + xạ + hóa trị) [3]. Đặc biệt trong những năm gần
đây số ngƣời mắc ung thƣ ngày càng gia tăng, nhất là ở các nƣớc đang phát triển. Theo
dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có 15
triệu ngƣời mắc bệnh ung thƣ và 9 triệu ngƣời chết do ung thƣ, trong đó 2/3 là ở các
nƣớc đang phát triển [7]. Tính riêng ở Việt Nam, theo thống kê chƣa đầy đủ ở TP Hồ
Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nƣớc ƣớc tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn
ngƣời ngƣời mới mắc bệnh ung thƣ và có khoảng 50 đến 70 nghìn ngƣời chết vì căn
bệnh hiểm nghèo này, cao gấp 7 lần số ngƣời chết do tai nạn giao thông [8].
Do đó, việc điều trị căn bệnh ung thƣ đã đƣợc loài ngƣời quan tâm từ lâu, đặc biệt
là vào những thập niên gần đây khi mà y học hạt nhân phát triển mạnh và có những
cống hiến to lớn trong lĩnh vực y học nói chung và chẩn đoán và điều trị bệnh ung thƣ
nói riêng. Ứng dụng to lớn của y học hạt nhân trong lĩnh vực điều trị ung thƣ phải kể
đến là phƣơng pháp điều trị bằng xạ trị. Xạ trị bao gồm ba hình thức: Xạ trị ngoài, Xạ
trị áp sát và Xạ trị bằng dƣợc chất phóng xạ.
Đối với chẩn đoán và các phƣơng pháp điều trị bằng xạ trị áp sát và xạ trị bằng
dƣợc chất phóng xạ, yếu tố then chốt là phải có các nguồn đồng vị phóng xạ phù hợp.
Các nguồn đồng vị phóng xạ này phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu khắt khe của xạ trị,
đặc biệt trong kỹ thuật ghi nhận ảnh của từng ca bệnh riêng biệt. Chất lƣợng của ảnh
chẩn đoán và sự an toàn của bệnh nhân lẫn môi trƣờng xung quanh phụ thuộc vào đồng
vị phóng xạ, dƣợc chất phóng xạ cũng nhƣ kỹ thuật nghi nhận ảnh. Yêu cầu khắt khe


2

nhất đối với nguồn lý tƣởng dùng trong chẩn đoán ghi nhận ảnh là nguồn phải có chu
kỳ bán rã xấp xỉ bằng thời gian chẩn đoán [3]. Do đặc điểm có chu kỳ bán rã ngắn, nên

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.

Phƣơng pháp Monte Carlo là phƣơng pháp nghiên cứu thông dụng đƣợc ứng
dụng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng khảo sát các đặc trƣng của chùm tia, năng
lƣợng để lại cũng nhƣ liều hấp thụ chùm tia xạ của môi trƣờng. Trong lĩnh vực mô


3

phỏng máy gia tốc, một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chƣơng trình mô phỏng
Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát chất lƣợng chùm tia, vùng
thể tích chịu ảnh hƣởng khi thay đổi kích thƣớc collimator lên phan tom và lên kế
hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron [2]. Các chƣơng trình mô phỏng thƣờng hay
đƣợc sử dụng có thể kể đến bao gồm MCNP [11][10], GEANT [17], PENELOPE [16],
EGS [18][19][14],... Các chƣơng trình này đều có những ƣu điểm và khuyết điểm nhất
định trong mô phỏng chẳng hạn nhƣ thời gian tính toán, độ chính xác của từng chƣơng
trình,....
Luận văn này đƣợc thực hiện nhằm mục đích ứng dụng chƣơng trình Monte Carlo
MCNPX phiên bản 2.5.0 để mô phỏng máy gia tốc cyclotron tại Bệnh viện Chợ Rẫy,
kiểm tra mức độ an toàn bức xạ trong phòng tạo đồng vị phóng xạ trong bệnh viện.
Điều này sẽ giúp cho công tác bảo hộ an toàn trong phòng máy đƣợc tốt hơn.
Với mục đích nêu trên, luận văn đã đƣợc hoàn thành với bố cục bao gồm 4
chƣơng:
Chƣơng 1 – Tổng quan về máy gia tốc cyclotron và an toàn phóng xạ trong y tế:
Trình bày khái quát về máy gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc cyclotron,
nguyên lý của quá trình gia tốc vòng tròn khi ứng dụng dòng điện xoay chiều để gia tốc
hạt, các thành phần quan trọng của đầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện
đại. Trình bày sơ lƣợc về các tác hại sinh học của bức xạ lên cơ thể sống và một số
biện pháp an toàn phóng xạ trong y tế.
Chƣơng 2 – Tổng quan về chƣơng trình mô phỏng MCNPX: Trình bày tổng quan
về chƣơng trình MCNPX, lịch sử phát triển, kỹ thuật Monte Carlo và cách xây dựng
một input file cho MCNPX.

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

sự bắt đầu của một thời kì mới, kỉ nguyên điện tử vì thế đƣợc khai sinh từ năm 1896.
Máy gia tốc phổ biến nhất ngày nay là ống tia cathode dùng trong các bộ hiển thị
truyền hình và máy tính.
Các loại máy gia tốc khác nhau hiện có đã đƣợc phát minh ra trong khoảng thời
gian gần bốn thập kỉ. Khoảng năm 1920, chiếc máy gia tốc hạt hiệu điện thế cao đầu
tiên gồm hai điện cực đặt bên trong một bình chân không có độ thế giọt vào bậc 100
kilovolt, đƣợc phát minh bởi John Douglas Cockcroft và Ernest Thomas Sinton
Walton. Cuối thập niên 1920, ngƣời ta đề xuất sử dụng hiệu điện thế biến thiên theo
thời gian đặt qua một loại khe (máy gia tốc thẳng). Các đề xuất gia tốc các hạt theo
kiểu lặp đi lặp lại đã thúc đẩy Ernest Orlando Lawrence đi tới một quan niệm mới cho
việc gia tốc các hạt. Trong cyclotron do ông phát minh, các hạt đƣợc làm cho quay tròn
trong một từ trƣờng và đi qua đi lại cùng một khe gia tốc nhiều lần. Thay cho hiệu điện


6

thế một chiều, ngƣời ta thiết đặt một hiệu điện thế cao vào khe sao cho các hạt đƣợc gia
tốc trong một quỹ đạo xoắn ốc theo kiểu lặp đi lặp lại. Sau phát minh ra nguyên lí cân
bằng pha vào giữa những năm 1940, hai loại máy gia tốc mới đã hình thành: máy gia
tốc thẳng và synchrotron, từ trƣờng tăng lên trong quá trình gia tốc sao cho các hạt
chuyển động trong các vòng về cơ bản là quỹ đạo không đổi. Trong các máy gia tốc
kiểu này, các hạt đƣợc gia tốc theo kiểu lặp đi lặp lại và năng lƣợng hạn chế bởi kích
thƣớc của máy gia tốc và không bị hạn chế bởi hiệu điện thế tối đa có thể đạt tới.
1.1.2 Tổng quan về máy gia tốc cyclotron
Nguyên lí gia tốc tuần tự đƣợc khám phá ra trong thập niên 1920 là một nền tảng
quan trọng trong cuộc truy tìm các năng lƣợng ngày càng cao. Theo nguyên lí này, sự
gia tốc thu đƣợc bằng phƣơng tiện là hiệu điện thế biến thiên theo thời gian thay cho
hiệu điện thế tĩnh sử dụng trong các máy gia tốc ví dụ nhƣ máy gia tốc van de Graff.
Máy gia tốc đầu tiên có tầm quan trọng thực tiễn dựa trên nguyên lí gia tốc tuần
tự là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh ra. Trong cyclotron, các hạt

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

quay của chúng, chúng sẽ đi tới mỗi khe càng lúc càng trễ hơn đối với cực đại của hiệu
điện thế có tần số cố định. Sau khi pha bị lệch nhiều quá thì không còn có sự thu năng
lƣợng khi đi qua khe.
Cyclotron không có ích cho việc gia tốc electron vì tần số quay của chúng trong
từ trƣờng giảm khá nhanh ngay cả khi năng lƣợng thấp cỡ vài MeV do khối lƣợng nghỉ
nhỏ của electron. Khối lƣợng nghỉ của electron tƣơng ứng với năng lƣợng nghỉ 0,511
MeV theo công thức Einstein Ee = mc2.
1.1.3 Nguyên lý gia tốc cyclotron
Cyclotron đƣợc phát triển vào năm 1930 bởi E.O.Lawrence để gia tốc các ion
(proton, deuteron, và các hạt nặng hơn) tới động năng cỡ vài MeV. Ban đầu, cyclotron
đƣợc sử dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản, nhƣng sau đó đã trở nên quan
trọng trong các ứng dụng y học. Nó cho phép tạo ra các đồng vị phóng xạ cho y học hạt


8

nhân cũng nhƣ tạo ra các chùm proton và neutron cho xạ trị. Trong cyclotron, các hạt
đƣợc gia tốc theo các quỹ đạo xoắn ốc đi trong hai điện cực hình bán trụ chân không
bởi từ trƣờng đều (khoảng 1 T) đƣợc tạo ra giữa các mảnh cực của một nam châm lớn.
Một điện áp tần số vô tuyến (RF) với tần số giữa 10 và 30MHz đƣợc đặt vào giữa hai
điện cực. Các hạt mang điện đƣợc gia tốc khi chúng vƣợt qua khoảng trống giữa hai
điện cực này. Bên trong các điện cực không có điện trƣờng và các hạt này trôi đi dƣới
ảnh hƣởng của từ trƣờng theo quỹ đạo nửa vòng tròn với tốc độ không đổi cho tới khi
chúng lại đi qua khoảng trống giữa hai điện cực trên. Nếu trong lúc đó, điện trƣờng đổi
chiều thì hạt sẽ lại đƣợc tăng tốc qua khoảng trống giữa hai điện cực và có thêm một
lƣợng động năng nhỏ trôi trong điện cực kia theo nửa vòng tròn có bán kính lớn hơn
nửa vòng tròn trong điện cực trƣớc, tạo nên một quỹ đạo hình xoắn ốc và động năng
của hạt tăng dần sau một số lớn lần vƣợt qua khoảng trống giữa hai điện cực (hình 2.1)
[5].


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

m

(1.2)


10

Lực này đóng vai trò là lực hƣớng tâm, nên đƣợc tính theo công thức:
v2
F  Fht  m.a ht  m
R

(1.3)

Khi hạt đang chuyển động trong một điện cực Dee, năng lƣợng của hạt không
đổi, nên hạt chuyển động theo quỹ đạo tròn. Nhƣng khi hạt đi qua khoảng trống của hai
điên cực Dee, hạt đƣợc gia tốc do lực điện từ ở giữa hai điện cực:
F  qE  q

U
d

(1.4)

Trong đó: q   1,6.1019 C là điện tích của hạt H-. E = U/d (v/m) là cƣờng độ
điện trƣờng do nguồn điện có hiệu điện thế U sinh ra giữa hai điện cực có cách nhau
khoảng d. F (N) là lực điện từ tác dụng lên hạt.
Do đó, sau khi đi vào điện cực Dee kia, hạt có vận tốc lớn hơn, nên chuyển động
trong một quỹ đạo tròn có bán kính R lớn hơn. Nguyên nhân là do bán kính quỹ đạo
tròn tỷ lệ với vận tốc chuyển động của hạt. Từ (1.1) và (1.3), và lƣu ý rằng ở đây α =

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

tiến ra ngoài bán kính tách chùm tia. Năng lƣợng cực đại mà một ion có thể thu đƣợc
trong cyclotron đƣợc tính qua công thức:

 mv    qR tach B
1
mv 2 
2
2m
2m
2

E max 

2

(1.7)

Trong đó, R0 là bán tách.  Dee
Khi chùm ion đạt đến bán kính tách, chúng sẽ đi xuyên qua lá carbon mỏng
(khoảng 5µm), tại đây 2 electron liên kết yếu ngoài cùng sẽ bị giữ lại và ion âm H- biến
đổi thành ion dƣơng H+ hay hạt proton. Sự biến đổi từ H- thành H+ dƣới tác động của
từ trƣờng làm cho chùm hạt proton đổi hƣớng ra ngoài đậu vào bia. Tại bia quá trình
bắn phá hạt nhân giữa proton và vật liệu bia sẽ sinh ra các đồng vị phóng xạ với hoạt
độ tăng dần nhất định theo thời gian.
Để hạt đƣợc gia tốc mỗi khi đi qua khoảng trống giữa hai điện cực thì tần số của
hạt phải bằng tần số của dòng điện. Cứ mỗi khi hạt đi ra khỏi điện cực, thì dòng điện
phải đổi chiều để hạt đƣợc hút về cực bên kia. Do đó, khi tần số của hạt thay đổi và
không còn bằng tần số của dòng điện nữa thì hạt không đƣợc gia tốc thêm nữa.



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


Bq
2πm

(1.11)

Với ω  2πf , nên:

Để gia tốc hạt thì tần số của dòng điện điều khiển có cùng tần số của hạt, để hạt
băng qua khoảng trống của các điện cực Dee tại cùng thời điểm điện áp đổi chiều. Điều
này chỉ ra rằng, đối với các hạt có khối lƣợng không đổi, tần số không phụ thuộc vào
bán kính quỹ đạo của hạt. Khi chùm tia chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc ra ngoài,
tần số của hạt không giảm, do đó hạt tiếp tục đƣợc gia tốc khi đi qua các khoảng trống
kế tiếp của các điện cực D.
fc 

Bq
2πm

Với fc là tần số của dòng điện gia tốc trong cyclotron.

(1.12)


13

Khi hạt đạt đến vận tốc gần với vận tốc ánh sáng, ta phải xét đến tƣơng đối tính.
Bán kính cong của hạt chuyển động tƣơng đối tính trong trƣờng điện từ tĩnh là:
r

Ở đây, γ 


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

phóng xạ cho máy PET:

18

O(p,n)18F (dạng lỏng và khí),

16

O(p,α)13N (lỏng),

14

N(p,

α)11C … Trong phản ứng tạo đồng vị, có xuất hiện các bức xạ ion hóa nhƣ n, alpha,
gamma … Do đó phải có những biện pháp che chắn an toàn bức xạ. Do thời gian có
hạn, trong phạm vi luận văn này chúng tôi chỉ khảo sát phân bố suất liều của bức xạ
gamma.


14

1.2 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG Y TẾ
1.2.1 Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa [1] [4]
Sau khám ra hiện tƣợng phóng xạ của Becquerel và việc tìm ra tia chất phóng xạ
tự nhiên Radium và Poloium của ông bà Curie, bắt đầu một kỷ nguyên nghiên cứu và
ứng dụng đồng vị phóng xạ trong y sinh học. Cho đến nay các chất phóng xạ và các
nguồn bức xạ ion hóa đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực: công nghiệp,
nông nghiệp, y tế, sản xuất điện, nghiên cứu y sinh học… Đặc biệt trong y tế, việc sử
dụng bức xạ đã đem lại những hiệu quả vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán và

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

sống của tế bào, nếu chúng bị suy biến thì tế bào không thể hoạt động bình thƣờng dẫn
đến tế bào bị chết hay bị hủy hoại. Do ảnh hƣởng của sự chiếu bức xạ ion hóa, số
lƣợng các DNA và dexexyripo nucleoproteit trong các tổ chức sống và nhân tế bào bị
giảm nên tốc độ hồi phục của chúng chậm.
Các hiệu ứng của bức xạ trên cơ thể con ngƣời là kết quả của các thƣơng tổn
trong từng tế bào đơn lẻ. Những hiệu ứng này có thể chia thành hai loại, loại soma và
loại di truyền. Các hiệu ứng soma bắt đầu từ những thƣơng tổn trong các tế bào bình
thƣờng của cơ thể và chỉ ảnh hƣởng đến ngƣời bị chiếu xạ. Các hiệu ứng di truyền thì
lại do những tổn thƣơng trong các tế bào của cơ quan sinh dục. Sự khác biệt quan trọng
trong trƣờng hợp này là những thƣơng tổn đó có thể truyền sang cho con của ngƣời bị
chiếu xạ và các thế hệ sau nữa. Các tổn thƣơng do bức xạ ion hóa có thể phân thành:
1.2.1.1 Tổn thương ở mức phân tử
Các tƣơng tác của bức xạ ion hóa với tổ chức sống cũng giống nhƣ môi trƣờng
vật chất không sống, nghĩa là kích thích và ion hóa các nguyên tử, phân tử. Đặc điểm
của các phân tử sinh học là các phân tử lớn, thƣờng có rất nhiều mối liên kết hóa học.
Khi bị chiếu xạ, năng lƣợng của chùm tia bức xạ truyền trực tiếp hoặc gián tiếp cho các
phân tử sinh học làm phá vỡ các mối liên kết hóa học hoặc phân li các phân tử sinh