Thông tin

Khoa
học
&Công nghệ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

MÁY GIA TỐC

TỪ NGHIÊN CỨU ĐẾN ỨNG DỤNG

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
Website:
Email:

SỐ 51
6/2017


Số 51
6/2017

THÔNG TIN
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

BAN BIÊN TẬP
TS. Trần Chí Thành - Trưởng ban
TS. Cao Đình Thanh - Phó Trưởng ban
PGS. TS Nguyễn Nhị Điền - Phó Trưởng ban
TS. Trần Ngọc Toàn - Ủy viên
ThS. Nguyễn Thanh Bình - Ủy viên

TS. Trịnh Văn Giáp - Ủy viên
TS. Đặng Quang Thiệu - Ủy viên
TS. Hoàng Sỹ Thân - Ủy viên
TS. Thân Văn Liên - Ủy viên
TS. Trần Quốc Dũng - Ủy viên
ThS. Trần Khắc Ân - Ủy viên
KS. Nguyễn Hữu Quang - Ủy viên
KS. Vũ Tiến Hà - Ủy viên
ThS. Bùi Đăng Hạnh - Ủy viên

NỘI DUNG
1- Triển khai các nghiên cứu, ứng dụng của máy gia tốc
KOTRON13 tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội
NGUYỄN TIẾN DŨNG, NGUYỄN TUẤN ANH, PHẠM
MINH ĐỨC
8- Máy gia tốc - từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tế
LÊ ĐẠI DIỄN
14- Xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ sống dài cùng sinh ra
trong quá trình sản xuất 18F-FDG tại Trung tâm Máy gia tốc,
Bệnh viện TWQĐ 108
ĐÀM NGUYÊN BÌNH

Thư ký: CN. Lê Thúy Mai
Biên tập và trình bày: Nguyễn Trọng Trang

20- Xạ trị proton
Phạm Khắc Tuyên
27- Nghiên cứu khoa học và công bố quốc tế tại Viện Nghiên
cứu hạt nhân - nét khởi sắc đáng ghi nhận
NGUYỄN NGỌC TUẤN

31- Vật chất tối và chất lỏng siêu chảy
CAO CHI
TIN TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ
35- Seminar khoa học tại Trung tâm Hạt nhân TP HCM
35- Seminar đề tài cấp bộ 2016-2017 tại Viện Công nghệ Xạ
hiếm

Địa chỉ liên hệ:
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
59 Lý Thường Kiệt, Hoàn Kiếm, Hà Nội
ĐT: (024) 3942 0463
Fax: (024) 3942 2625
Email:
Giấy phép xuất bản số: 57/CP-XBBT
Cấp ngày 26/12/2003

37- Semina báo cáo kết quả tham gia hội thảo quốc tế của
Trung tâm NC&TKCNBX
38- Cuộc họp “Second research coordination meeting of coordinated research project D61024”
40- Phương pháp mới cho phép theo dõi các vật liệu được
chiếu xạ với thời gian thực
42- Viện khoa học công nghệ quốc gia ULSAN, Hàn Quốc cải
thiện khả năng dị tìm các vật chất phóng xạ nguy hiểm từ xa
43- Thiết bị phát hiện cầm tay giúp ngăn chặn sự gian lận trong
thực phẩm - một dự án mới của IAEA


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

TRIỂN KHAI CÁC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG

MÁY GIA TỐC KOTRON 13

TẠI TRUNG TÂM CHIẾU XẠ HÀ NỘI

Theo thỏa thuận hợp tác giữa Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Hàn Quốc, phía Hàn
Quốc đã viện trợ cho Việt Nam một Trung tâm PET-Cyclotron (đặt tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội)
bao gồm một máy gia tốc KOTRON13 gia tốc hạt proton tới năng lượng 13 MeV, hệ bia mẫu tạo đồng
vị phóng xạ 18F và hotcell tổng hợp dược chất phóng xạ 18FDG cùng hệ chia liều. Chức năng chính
của Trung tâm PET-Cyclotron này là sản xuất dược chất phóng xạ sử dụng cho thiết bị chụp ảnh
phóng xạ PET như 18FDG, 11C,... Ngồi ra Trung tâm cịn là nơi nghiên cứu về cơng nghệ gia tốc, hóa
phóng xạ và đào tạo nhân lực về các lĩnh vực này cho Viện Năng lượng Nguyên tử Việt nam. Ngày
22 tháng 8 năm 2014, Trung tâm gia tốc KOTRON13 đã được nghiệm thu kỹ thuật và chính thức đưa
vào hoạt động từ cuối năm 2014.
I. Giới thiệu về máy gia tốc cyclotron
KOTRON13
Máy gia tốc cyclotron KOTRON13, do
Công ty SAMYUONG cung cấp, thuộc loại máy
có tần số RF và từ trường nam châm cố định.
Nam châm bao gồm 4 sectors với góc của “Dee”

là 43,5o. Điện áp gia tốc đạt tới 45 kV tại mỗi khe
gia tốc. Sau mỗi vòng chuyển động, hạt proton
nhận được năng lượng tăng thêm khoảng 180 keV.
Nguồn ion tạo ra hạt điện tích H- chuyển động
trong máy KOTRON13 được chế tạo theo công
nghệ PIG. Năng lượng chùm hạt tại bia khoảng

Số 51 - Tháng 6/2017

1



THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

13 MeV và dòng trên bia trong chế độ hoạt động
thường xuyên đạt tới 50 µA. Hạt proton được
đưa ra khỏi máy gia tốc và hướng tới bia theo
công nghệ Stripper. Máy được sử dụng để sản
xuất dược chất phóng xạ 18FDG dùng trong kỹ
thuật chụp ảnh PET/CT nhằm chuẩn đoán bệnh
ung thư sớm.

Hiện tại, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội đang
tiến hành các thủ tục xin cấp phép cho hoạt động
sản xuất 18FDG từ Bộ Y tế.
18

Bảng 1. Kết quả kiểm tra chất lượng
FDG với tổng số 12 chỉ tiêu
Giá trị trên mẫu

Tiêu chuẩn BP

Kết
luận

Dung dịch trong suốt,
không màu

Dung dịch trong suốt,

không màu hoặc vàng
nhạt

Đạt

7

4,5 – 8,5

Đạt

99,23 – 100%

> 95%

Đạt

97,37 – 98,73%

> 95%

Đạt

100% (511 KeV)

> 99,95% (511 KeV
hoặc 1022 KeV)

Đạt


108,48 -110,94 phút

105 - 115 phút

Đạt

GC

Không phát hiện thấy

< 5 mg/ml

Đạt

GC

Không phát hiện thấy

< 5 mg/ml

Đạt

Ethanol

GC

0,0008 - 0,01 mg/ml

< 5 mg/ml


Đạt

10

Acetonitrile

GC

0,008 - 0,018 mg/ml

< 0,4 mg/ml

Đạt

11

Endotoxin

Endosafe PTS
1000

Hoạt độ mẫu 60 - 80
mCi/ml, Endotoxin có
giá trị 0,050 EU/ml
(0,014 - 0,15 EU/ liều
tiêm)

< 175 EU/ liều tiêm

Đạt


12

Độ vô trùng

Tiệt trùng 100% theo
dược điển BP

Tiệt trùng 100% theo
dược điển BP

Đạt

TT

Các chỉ tiêu

Phương pháp

1

Cảm quan

Quan sát qua
kính chì

2

Độ pH


So màu

3

Độ sạch hóa
phóng xạ

Radio- TLC

4

Độ sạch hóa học

Radio- HPLC

5

Độ sạch hạt nhân
phóng xạ

Phổ gamma
(MCA)

6

Thời gian bán rã

Dose Calibrator

7


Acetone

8

Methanol

9

2. Đánh giá năng lực sản suất đồng vị
phóng xạ 18F trên máy KOTRON13
Hình 1. Máy gia tốc cyclotron KOTRON13
II. Các nghiên cứu, triển khai hoạt động của
KOTRON13
Các nghiên cứu triển khai được tiến hành
tại Trung tâm gia tốc KOTRON13 với hai mục
tiêu cơ bản: Triển khai các công việc nhằm đưa
sản phẩm đầu ra của hệ thiết bị là dược chất phóng
xạ 18FDG vào sử dụng cho thiết bị ghi hình PET/
CT và tiến hành các nghiên cứu khoa học trong
lĩnh vực cơng nghệ gia tốc và hóa phóng xạ.
1. Hoàn thiện hệ thiết bị kiểm tra chất
lượng dược chất phóng xạ 18FDG
Dược chất phóng xạ 18FDG được kiểm tra
chất lượng tại phịng thí nghiệm QA/QC Trung
tâm Chiếu xạ Hà Nội và được kiểm tra chéo tại
phịng thí nghiệm QA/QC Bệnh viện Trung ương
quân đội 108. Kết quả là chất lượng thuốc đảm
bảo các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn dược điển Anh.
Quá trình thử nghiệm lâm sàng trên động vật và

quét ảnh trên máy PET/CT tại Bệnh viện Trung
ương quân đội 108 cho thấy hình ảnh phân bố rõ
theo đặc điểm sinh lý.

2

Số 51 - Tháng 6/2017

Đặt vấn đề: Trong q trình sản xuất đồng
vị phóng xạ 18F sử dụng cho PET/CT trên máy gia
tốc cyclotron, một vấn đề được quan tâm là dự
đốn được cường độ dịng proton trên bia và thời
gian bắn bia thích hợp để sản xuất ra một lượng
phóng xạ vừa đủ cho nhu cầu thực tế. Khi bắn bia
nước nặng H2O18 tạo đồng vị 18F, hai q trình vật
lý chính xảy ra là q trình tạo đồng vị phóng xạ
18
F qua phản ứng hạt nhân hợp phần:
8

O18 + 1H1  9F18 + 0n1

Và quá trình phân rã hạt nhân 18F với chu
kỳ bản rã của Flo là 109,74 phút.
Hoạt độ phóng xạ suy giảm theo cơng
thức sau:

A = A0 e

−


t
ln 2
T1 / 2

Trong đó :
+ Ao: Hoạt độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu.
+ A: Hoạt độ phóng xạ cịn lại sau thời gian t.
+ T1/2: Chu kỳ bán ra của đồng vị phóng xạ.
Để đánh giá khả năng tạo đồng vị phóng


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

xạ từ các máy gia tốc PET Cyclotron, người ta chu kỳ bán rã của 18F và hoạt độ ngoại suy EOB
đã đưa ra thơng số về giá trị bão hịa tạo đồng vị ta có kết quả Ysat theo bảng sau:
phóng xạ Ysat.
Bảng 3. Giá trị suất bão hòa Ysat
Dòng trung bình Thời gian bắn
trên bia (µA)
bia (phút)

Trong đó :
+ Ysat: Được gọi là suất bão hịa tạo đồng vị
phóng xạ có thứ ngun là mCi/µA.
+ Activity EOB: Hoạt độ phóng xạ được tạo
ra tại bia sau khi kết thúc bắn.
+ T1/2: Chu kỳ bán rã của 18F
+ Tirradiation: Thời gian bắn bia.


Chu kì bán rã 18F
(phút)

Hoạt độ EOB
(Ci)

43

126

109,74

2,222

Suất bão hịa
Ysat
(mCi/µA)
94,16

42

113

109,74

2,244

104,72

43


126

109,74

2,222

94,16

43

120

109,74

2,156

94,36

42

123

109,74

2,136

94,28

Với 5 kết quả trên của giá trị Ysat, kết quả

thứ 2 (Ysat=104,72) lệch nhiều so với 4 kết quả
Ysat còn lại. Trong kết quả tính tốn giá trị trung
bình của Ysat, tạm thời bỏ giá trị này.

Để xác định được giá trị Ysat cho mỗi máy
Kết quả cuối cùng: Ysat = 94,24 ± 0,05.
PET Cyclotron, người ta đã sử dựng phương pháp
bán thực nghiệm: Biết giá trị của ActivityEOB, Giá trị này cũng tương đương với các máy PET
dòng trên bia, chu kỳ bán rã của đồng vị phóng cyclotron đang hoạt động tại Hàn Quốc do
xạ và thời gian bắn bia có thể tính giá trị Ysat cho SAMYUONG chế tạo.
máy gia tốc.
Dự đốn hoạt độ phóng xạ 18F tạo thành
Tính tốn suất bão hịa hoạt độ 18F của với thời gian bắn bia khác nhau
cyclotron KOTRON13
Tính tốn hoạt độ 18F tạo thành (EOB) và
Bảng 2. Số liệu thực nghiệm liên quan
giữa dòng trên bia, thời gian bắn bia và hoạt độ
phóng xạ tạo ra trên bia
Dịng trung bình
trên bia (µA)
43

Thời gian
bắn bia (phút)
126

Hoạt độ phóng xạ
đo được (Ci)
2,020


Hoạt độ ngoại
suy EOB (Ci)
2,222

42

113

2,040

2,244

43

126

2,020

2,222

43

120

1,96

2,156

42


123

1,945

2,136

kết quả đo sau 10 phút chuyển từ bia sang hotcell
với dịng bắn 42 µA với thời gian bắn lần lượt là
10, 30, 50, 70, 90, 110 và 150 phút.
Điều kiện tính: Giá trị Ysat = 94,24 và chỉ
tính giá trị hoạt độ EOB.
Kết quả: Sự phụ thuộc thời gian bắn và
hoạt độ tại Hotcell sau 10 phút chuyển từ bia
được mơ tả trên hình 2.

Từ đồ thị tính tốn trên và thực tế sản suất
đồng vị phóng xạ 18F, với dịng trên bia khoảng 40
µA, thời gian bắn 1,5 giờ có thể tạo ra một lượng
Tính tốn suất bão hịa của máy gia tốc phóng xạ với hoạt độ khoảng 1,5 Ci. Với hiệu
KOTRON13
suất tổng hợp 18FDG trung bình 40% thì lượng
Từ cơng thức Ysat, với các giá trị thực dược chất phóng xạ tạo ra khoảng 0,7 Ci đủ để
nghiệm của dòng trên bia, thời gian chiếu bia, dùng cho 2 máy PET/CT trong 1 ngày hoạt động.

Số 51 - Tháng 6/2017

3


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN


kháng lối ra của khối RF là 50 Ω. Khi có việc bảo
dưỡng sửa chữa phải mở máy gia tốc, trở kháng
buồng cộng hưởng phải điều chỉnh lại giá trị 50
Ω. Hệ số phản xạ RF từ buồng cộng hưởng về
khối RF phải nhỏ hơn 3% trong chế độ hoạt động
bình thường của máy. Khi phối hợp trở kháng
giữa khối công suất RF và buồng cộng hưởng
không tốt sẽ gây ra hiện tượng cháy nổ trong khối
công suất RF.
- Bảo dưỡng, vệ sinh nguồn ion theo cơng
Hình 2. Đồ thị mơ tả hoạt độ phóng xạ nghệ PIG trong máy gia tốc: Nguồn ion PIG có
18
cấu tạo gồm một anode hình trụ và 2 cathode
F tại Hotcell với dịng bắn 42 µA
phẳng đặt tại hai đầu anode. Vùng Plasma được
3. Tiến hành các công việc về bảo
tạo ra tại vùng tâm của anode. Sau một thời gian
dưỡng, sửa chữa nhỏ nhằm từng bước làm chủ
hoạt động, anode, cathode và các vùng lân cận
hoạt động máy gia tốc KOTRON13
nguồn ion bị cháy và cần lau chùi, thay thế các
linh kiện mới. Dòng ra của máy gia tốc phụ thuộc
rất nhiều vào cấu hình của nguồn ion, vị trí các
linh kiện khi lắp đặt nguồn ion và vị trí 3 chiều
của nguồn ion trong vùng lõi của máy gia tốc.
Nguồn ion sau khi được bảo dưỡng sửa chữa phải
đạt được dòng ra trên bia khoảng 30 µA trong
các điều kiện sau: Dịng Arc Current: 1,5 A; Lưu
lượng dịng khí H2: 10 sccm; Giá trị Duty Cycle:

35%. Dịng nam châm tạo từ trường: 135,200 A.
Hình 3. Các cán bộ tự bảo dưỡng, sửa
chữa một số trường hợp tại KOTRON13
Thông thường với các máy gia tốc
cyclotron, việc bảo dưỡng định kỳ cùng các công
việc sửa chữa máy đều do các hãng chế tạo nước
ngoài thực hiện. Kinh phí để thực hiện cơng việc
này rất lớn từ 5 - 7% giá trị thiết bị hàng năm.
Với kiến thức và kinh nghiệm của đội ngũ cán bộ
khoa học tại KOTRON13, một phần lớn các công
việc về bảo dưỡng, sửa chữa đã được tiến hành
ngay tại Trung tâm. Một số cơng việc cơ bản về
bảo dưỡng thiết bị có thể nêu ra như sau:
- Điều chỉnh phối hợp trở kháng giữa khối
công suất RF và buồng cộng hưởng gia tốc: Trở

4

Số 51 - Tháng 6/2017

- Bảo dưỡng khối phát công suất RF:
Phần điện tử tạo RF của KOTRON13 gồm các bộ
phận chính sau.
+ Khối tạo dao động RF: Khối điện tử tạo
dao động điện tần số 77,3 Mhz
+ Khối tiền khuếch đại: Đây là bộ khuếch
đại dải băng thông hẹp với tần số trung tâm 77,3
Mhz, công suất 50 W.
+ Khối khếch đại trung gian (IPA): Tần số
trung tâm 77,3 Mhz, công suất ra lên đến 1,5 kW.

+ Tầng khuếch đại lối ra PA: Tần số trung
tâm 77,3 Mhz, công suất lên tới 20 kW. Đèn công
suất ra loại Triode 3 cực nhãn hiệu EIMAQC
3CW20000A7.


THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN

+ Tồn bộ hệ thống được điều khiển bởi trong chiếu xạ thực phẩm.
một PLC.
- Máy gia tốc Cyclotron: Chủ yếu sản
+ Khối nguồn nuôi gồm 2 chức năng: Tạo xuất các dược chất phóng xạ sử dụng chụp ảnh
thế cao áp ni điện cực Anode của đèn Triode phóng xạ PET và SPECT. Các đồng vị phóng xạ
(khoảng 8 kV) và thế thấp áp 5 V; 7,5 V nuôi sợi sản xuất ra bao gồm 18F, 11C, 13N, 15O, 201Tl, 67Ga,..
đốt đèn cơng suất khối IPA và PA.
- Ngồi ra cịn một máy gia tốc tĩnh điện
loại Tandem Pelletron gia tốc proton năng lượng
thấp và một máy Microtron gia tốc hạt điện tử
được sử dụng trong các nghiên cứu vật lý hạt
nhân.
Sau khi tiếp nhận máy gia tốc IBA30 tại
Bệnh viện Trung ương quân đội 108 và máy gia
tốc KOTRON13 tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội
(thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam),
một hướng nghiên cứu đã được hình thành là từng
bước làm chủ cơng nghệ gia tốc cyclotron bằng
Hình 4. Sơ đồ khối phần phát công suất cách nghiên cứu lắp đặt, thiết kế chế tạo từng
phần máy gia tốc. Nguồn ion theo cơng nghệ PIG
RF của KOTRON13
Ngồi ra cịn một số cơng việc khác về là khởi đầu hướng nghiên cứu này. Mục tiêu cần

bảo dưỡng đã được thực hiện bởi các cán bộ trung đạt được của đề tài có thể tóm tắt như sau:
+ Làm chủ công nghệ nguồn ion công
tâm như hệ chân không, hệ làm mát bằng nước,…
nghệ PIG của máy gia tốc cyclotron KOTRON13.
4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo từng
+ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo ra nguồn
phần máy gia tốc cyclotron KOTRON13
ion PIG nhằm thay thế cho nguồn ion nhập khẩu
Phát triển công nghệ gia tốc là một lĩnh
cùng loại của máy gia tốc KOTRON13.
vực khó và tốn kém. Cơng nghệ này chỉ có thể
+ Lắp đặt vận hành và đồng bộ hóa nguồn
phát triển tại các nước có nền kinh tế, kỹ thuật
đủ mạnh. Các kiến thức về lý thuyết cơ bản có ion PIG với máy gia tốc KOTRON13.
thể tiếp cận trong các tài liệu, các hội nghị khoa
học,... song các số liệu thực nghiệm về thiết kế,
chế tạo, lắp đặt là bí quyết và là quyền sở hữu trí
tuệ riêng của các cơng ty sản xuất thiết bị. Các
nước muốn phát triển công nghệ gia tốc phải tự
đầu tư nghiên cứu chứ khơng có trợ giúp từ nước
ngồi. Tại Việt Nam, trong thời gian 10 năm trở
lại đây, các máy gia tốc đã được triển khai nhiều
vào Việt Nam bao gồm các loại máy sau:

Nguyên lý cơ bản của nguồn ion
Penning Ionization Gauges (PIG)

Quá trình tạo ion hydro trong nguồn ion
PIG dựa trên hiệu ứng bắn phá của các hạt điện tử
vào ngun tử khí hydro trung hịa. Cấu tạo nguồn

ion PIG bao gồm 1 ống anode hình trụ rỗng cùng
với 2 cathodes nằm ở mỗi đầu ống anode. Toàn
bộ nguồn PIG được đặt trong từ trường B song
song với trục của anode. Khi điện áp một chiều
- Máy gia tốc LINAC: Sử dụng nhiều được cấp vào các điện cực anode và cathode, các
trong y tế dùng để xạ trị các bệnh ung thư và điện tử phát ra từ bề mặt cathode được gia tốc

Số 51 - Tháng 6/2017

5


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

trong điện trường và chuyển động với động năng
lớn về phía anode. Từ trường B làm các hạt điện
tử chuyển động xoáy trôn ốc dọc theo ống anode
và gây ra hiệu ứng ion hóa khí hydro.
Trạng thái plasma được tạo ra tại vùng
tâm của ống anode. Tại đây các điện tử chuyển
động với động năng lớn gây ra các hiệu ứng ion
hóa các phân tử khí H2 tạo ra các ion H+ và tạo ra
các nguyên tử hydro ở trạng thái kích thích H*,…

Hình 6. Lắp đặt nguồn ion PIG
Giải thích: L1: Khe trung tâm của buồng
cộng hưởng; L2: Cạnh mép trái của nguồn ion;
L3: Mặt phẳng có khe ra ion H- của anode; L4:
Trục trung tâm của buồng cộng hưởng; L5: Mặt
phẳng tạo bởi hai mép của điện cực puller hướng

về anode; L6- L7: Khoảng cách giữa 2 khe của
điện cực puler được cố định là 2,1 mm.

Hình 5. Cấu tạo cơ bản của nguồn ion
theo công nghệ PIG
Nguồn ion tạo ra trong máy KOTRON13
là nguồn ion âm H-. Trong vùng plasma của ống
anode, với động năng của điện tử vào khoảng
~200 eV là điều kiện thuận lợi để tương tác sinh
ra các nguyên tử khí kích thích H2*. Các nguyên
tử bị kích thích này dễ dàng kết hợp với các hạt
điện tử lạnh (động năng khoảng 1 eV) để tạo ra
các ion âm H-. Các ion H- chuyển động khuếch
tán trong vùng plasma, được kéo ra khỏi nguồn
ion PIG dưới tác dụng của điện trường và đi vào
vùng gia tốc của cyclotron.

Hình 7. Phổ cường độ dịng trên bia của
KOTRON13 đạt 40 µA sau khi lắp đặt

Các thơng số về lắp đặt cũng như các
thông số hoạt động nguồn ion đã được công bố
trong báo cáo tổng kết nhiệm vụ cấp bộ 20142015 “Nghiên cứu tiếp thu quy trình vận hành,
bảo dưỡng các thiết bị máy gia tốc KOTRON13
Lắp đặt nguồn ion PIG
và xác định các thông số tối ưu của thiết bị phục
18
Để lắp đặt nguồn ion PIG trong máy gia vụ q trình sản xuất đồng vị phóng xạ F” và
tốc cần phải có kinh nghiệm thực tế. Đây gần như trong một số hội nghị khoa học do Viện năng
là các bí quyết của các cơng ty cung cấp thiết bị. lượng nguyên tử Việt Nam tổ chức.

Sau một thời gian dài tham gia lắp đặt điều chỉnh
Công việc tiếp theo trong các năm tới
máy gia tốc, các cán bộ tại Trung tâm Chiếu xạ là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nguồn ion theo
Hà Nội đã có thể tự thực hiện cơng việc này.
cơng nghệ PIG lắp đặt thành công trong máy

6

Số 51 - Tháng 6/2017


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

KOTRON13. Đây là sự mở đầu cho các nghiên
cứu thực nghiệm về công nghệ gia tốc tại Viện
Năng lượng nguyên tử Việt Nam nhằm tiến tới
từng bước làm chủ về công nghệ gia tốc phục vụ
cho nhu cầu trước mắt là vận hành, sửa chữa máy
KOTRON13 phục vụ quá trình sản suất đồng vị
phóng xạ 18F.
III. Kết luận
Các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của
cyclotron KOTRON13 là một nhiệm vụ được
quan tâm tại Trung tâm Chiếu xạ Hà nội. Sau
khi nhận bàn giao kỹ thuật máy KOTRON13 từ
Công ty SAMYUONG Hàn Quốc, về cơ bản các
cán bộ kỹ thuật của Trung tâm đã làm chủ được
công việc vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa nhỏ
thiết bị. Các công việc chuẩn bị đưa thiết bị đủ
điều kiện để sản suất dược chất phóng xạ 18FDG

cũng được đồng thời triển khai. KOTRON13 đã
có giấy phép về an toàn bức xạ của Cục An toàn
bức xạ và hạt nhân. Hiện tại Trung tâm đã gửi
các hồ sơ xin cấp phép hoạt động lên Bộ Y tế
và đang chờ kết quả cấp phép. Đồng thời với các
công việc trên, hướng nghiên cứu chế tạo từng
phần máy gia tốc cyclotron mà nguồn ion PIG là
bước đi đầu tiên đang được triển khai. Mục tiêu
trước mắt là từng bước làm chủ về công nghệ gia
tốc phục vụ q trình sản xuất dược chất phóng
xa 18FDG dùng cho các máy PET/CT trên địa bàn
Hà Nội.
Nguyễn Tiến Dũng
Nguyễn Tuấn Anh
Phạm Minh Đức
Phòng Gia tốc KOTRON13,
Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội

Số 51 - Tháng 6/2017

7


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

MÁY GIA TỐC

TỪ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG THỰC TẾ
Các máy gia tốc là phát minh quan trọng của thế kỷ XX. Máy gia tốc ra đời từ những năm
1930 để cung cấp các hạt năng lượng cao nhằm nghiên cứu cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Kể từ đó

đến nay, chúng đã được sử dụng để nghiên cứu nhiều khía cạnh của vật lý hạt. Mục tiêu của việc sử
dụng máy gia tốc là tăng tốc và gia tăng năng lượng của chùm hạt bằng cách tạo ra các điện trường
làm tăng tốc các hạt, và các từ trường định hướng và tập trung chùm hạt theo ý muốn. Trong hơn 8
thập kỷ qua, máy gia tốc đã có nhiều đóng góp và làm thay đổi cuộc sống của con người. Với máy gia
tốc, người ta đã tạo ra các chùm tia X, electron, proton, notron và các hạt khác với các năng lượng
khác nhau. Thông thường, dải năng lượng được gọi là thấp khi hạt có năng lượng dưới 1 GeV, năng
lượng trung bình khi hạt có năng lượng trên 1 GeV và dưới 100 GeV và năng lượng cao khi trên 100
GeV (Theo định nghĩa, một eV bằng lượng năng lượng thu được hoặc bị mất khi 1 electron di chuyển
qua điện trường với hiệu điện thế 1 V và 1 eV bằng khoảng 1.6022x10-19 J). Loại hạt sử dụng phụ
thuộc vào mục tiêu của nghiên cứu, thí nghiệm.
Trong số khoảng 3 vạn máy gia tốc hiện
đang vận hành trên thế giới, phần lớn là dành
cho các ứng dụng trong cơng nghiệp (khoảng 2
vạn hệ thống). Có hai loại ứng dụng cơng nghiệp

8

Số 51 - Tháng 6/2017

chính là xử lý, chế tạo vật liệu và phân tích vật
liệu. Máy gia tốc cũng được áp dụng cho bảo vệ
môi trường, như làm sạch nước uống, xử lý nước
thải, khử trùng bùn thải và loại bỏ các chất gây ô


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

nhiễm khỏi khói thải.
Khi các máy gia tốc tăng hiệu suất, các
chùm hạt cường độ cao (proton, electron và ion)

trở thành một trong những đòi hỏi quan trọng
được yêu cầu bởi đa số người sử dụng máy gia tốc
và cho hầu hết các ứng dụng. Nhiều lĩnh vực khác
nhau đòi hỏi phải có các máy gia tốc tiên tiến, từ
nghiên cứu cơ bản đến các ứng dụng trong khoa
học, y học và công nghiệp. Các nhà khoa học đã
và đang nỗ lực thực hiện việc theo đuổi nâng cao
hiệu suất các máy gia tốc cường độ cao.

Đồng thời nằm trong một hộp hình trịn gồm hai
nửa hộp rỗng hình chữ D nối vào một hiệu điện
thế xoay chiều. Tất cả đều nằm trong chân khơng.
Khi đó, điện trường xoay chiều giữa hai hình D có
tác dụng tăng tốc cho hạt trong q trình chuyển
động: Vận tốc hạt ngày càng tăng lên cùng với
bán kính quỹ đạo. Khi động năng của hạt tăng
lên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm hạt
bắn vào một tấm “bia” để tạo ra các phản ứng hạt
nhân. Sự va chạm của chùm hạt trong các máy
gia tốc có thể thực hiện với bia cố định, hoặc giữa
hai chùm hạt.

Bài viết này đưa ra nguyên lý thiết kế của
Vào những năm 1929-1933, nhà vật lý
các máy gia tốc điển hình và những ứng dụng
người Mỹ, Robert J. Van de Graaff (1901-1967)
máy gia tốc từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng
đã phát minh thiết bị mang tên ơng - máy phát
thực tế, giúp bạn đọc có thêm thông tin về các
Van de Graaff (Van de Graaff generator). Đây là

máy gia tốc và ứng dụng của chúng.
một loại máy phát điện tĩnh điện cao áp (cỡ 7
Phân loại và nguyên lý hoạt động của máy gia triệu volt) hoạt động như một loại máy gia tốc
hạt, là cơ sở cho nhiều máy gia tốc sau này.
tốc
Máy gia tốc thường dùng để chỉ máy gia
tốc hạt, thiết bị tăng vận tốc hạt dưới mức nguyên
tử như proton, electron và positron hoặc các ion
nặng. Máy gia tốc hạt được phát minh ban đầu
cho mục đích nghiên cứu cấu trúc cơ bản của
vật chất, và sau này là các ứng dụng thực tiễn.
Máy gia tốc hạt có thể được chia thành hai nhóm
chính: máy gia tốc thẳng và gia tốc vòng. Trong
máy gia tốc thẳng các hạt được gia tốc khi chúng
di chuyển theo một đường thẳng, đôi khi trên
khoảng cách rất lớn. Với hệ máy gia tốc vòng các
hạt di chuyển và tăng tốc theo đường tròn hoặc
xoắn ốc với đường kính khác nhau từ ít hơn một
vài m đến nhiều km.
Trong các máy gia tốc thẳng, các hạt điện
tích được tăng tốc nhờ điện trường mạnh. Chẳng
hạn trong máy gia tốc có chiều dài 4 km tại phịng
thí nghiệm Stanford, các electron được gia tốc
đến năng lượng cỡ 50 GeV.

Máy gia tốc thẳng (còn được gọi là
LINAC), máy gia tốc vòng (Cyclotron và
Synchrotron) là một số thiết bị phức tạp và tốn
kém nhất từng được chế tạo. Nói chung, mục
đích của chúng là tăng tốc các hạt tích điện, thông

thường là các electron, proton và các đồng vị,
cũng như các hạt dưới mức nguyên tử, với tốc độ
cực lớn. Các hạt này được sử dụng để điều trị các
khối u hoặc ung thư bên trong bệnh nhân. Các hạt
bắn vào các mẫu vật liệu (hoặc các chùm đi ngược
hướng với tốc độ tương tự cho các phản ứng năng
lượng cao hơn) cho phép xác định thành phần của
vật liệu dựa trên các phản ứng và tán xạ của các
hạt sau va chạm. Nhiều đồng vị được tạo ra sử
dụng cho mục đích y tế hoặc cơng nghiệp, khoa
học vật liệu và sinh học. Các máy gia tốc cũng
được sử dụng để tăng tốc độ của hạt để chúng có
thể được tiêm vào các máy gia tốc khác và đạt
đến vận tốc và động năng cao hơn.

Nguồn các hạt trong máy gia tốc được lấy
Trong các máy gia tốc vịng, hạt điện tích từ đâu? Máy va chạm Hadron lớn LHC (Large
chuyển động theo các quỹ đạo tròn dưới một từ Hadron Collider) tại Trung tâm Nghiên cứu hạt
trường đều có hướng vng góc với vận tốc hạt. nhân châu Âu (CERN) thực hiện tăng tốc và va

Số 51 - Tháng 6/2017

9


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

đập các proton, cũng như các ion chì nặng. Người
ta có thể nghĩ rằng LHC cần một lượng lớn các
hạt, nhưng các chùm proton trong vòng tròn chu

vi 27 km được cung cấp chỉ bởi một chai khí
hydro duy nhất, được thay thế hai lần mỗi năm.

LINAC có thể gia tốc các ion nặng đến
vận tốc khó đạt được bởi máy gia tốc vịng
(Cyclotron và Synchrotron) vì chúng bị giới hạn
bởi cường độ của từ trường cần thiết để giữ các
ion trên đường cong. LINAC cũng tốt hơn cho
việc gia tốc các electron tới vận tốc tương đối
vì các electron mất năng lượng (và vận tốc) qua
bức xạ khi đi dọc theo vịng cung. Tuy nhiên, hệ
thống cần diện tích đất rộng nên tốn kém khi xây
dựng.
Máy gia tốc Cyclotrons

Hình 1. Robert J. Van de Graaff và máy
phát mang tên ông
Máy gia tốc thẳng (LINAC)
LINAC gia tốc các hạt theo đường thẳng.
Các hạt, thường là electron, proton, và ion, đi
trong buồng chân khơng hình ống. Các điện cực
bên trong ống được đặt cách nhau để tần số vơ
tuyến (RF) có thể được tính thời gian để kích
hoạt chúng như các hạt nằm trong khe hẹp giữa
các điện cực, và do đó tăng tốc chúng khi chúng
di chuyển từ khe này sang khe khác. Đối với hệ
LINAC công suất lớn, mỗi điện cực đều có nguồn
RF riêng.

Khơng giống như LINAC, các Cyclotron

gia tốc các hạt dọc theo đường dẫn xoắn ốc hướng
ra ngoài và hạt được giữ trong đường dẫn đó bởi
một trường điện từ tĩnh vng góc với đường
xoắn ốc. Các hạt tích điện được tiêm vào khoang
chân khơng giữa hai điện cực kim loại rỗng dạng
chữ D (gọi là “dees”) từ trung tâm của Cyclotron.
Một điện áp xoay chiều tần số vô tuyến (RF
voltage) vài ngàn volt được áp luân phiên cho
hai điện cực D. Thời gian của điện áp RF được
chuyển giữa các D, gia tốc các hạt và tăng đường
kính của đường trịn sau mỗi vịng quay, biến nó
thành xoắn ốc.

Hình 3. Nguyên lý máy gia tốc Cyclotron

Hình 2. Nguyên lý máy gia tốc thẳng

10

Số 51 - Tháng 6/2017

Khi các hạt đi đến ranh giới “dees”,
chúng sẽ để các hạt đi qua một khoảng cách nhỏ
và hướng tới bia. Hạt đập vào bia có thể tạo ra
phản ứng hạt nhân, và các hạt từ phản ứng đó
có thể được hướng vào các thiết bị khác nhau để
phân tích.


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN


Máy gia tốc hạt đầu tiên dạng Cyclotron
đặt tại Đại học California, Berkeley vào những
năm 1930 theo thiết kế của Ernest Lawrence.
Trong vài thập kỷ sau khi máy Cyclotron đầu tiên
được chế tạo từ năm 1934, Cyclotron là nguồn
cung cấp chùm hạt năng lượng cao hữu hiệu cho
các nghiên cứu vật lý hạt nhân. Các chùm hạt mà
các Cyclotron cung cấp phù hợp cho việc sản
xuất đồng vị sử dụng trong y học hạt nhân. Có
trên 1.200 Cyclotron trên thế giới được sử dụng
để tạo các đồng vị phóng xạ trong y tế. Chùm
hạt từ Cyclotron cũng được sử dụng để chiếu vào
cơ thể bệnh nhân nhằm tiêu diệt các khối u với
mức độ tổn thương tối thiểu cho phần khác của
cơ thể người. Các chùm hạt cũng còn được sử
dụng trong chụp ảnh PET/CT.

vòng tròn chuyển động của hạt. Một máy phát
điện RF cung cấp một trường điện từ cho khoang
đúc có hình dạng đặc biệt, chuyển đổi thành các
sóng điện từ cộng hưởng và tích tụ bên trong
khoang. Khi các hạt tích điện đi vào khoang, lực
và hướng của trường điện từ thu được sẽ gia tốc
chúng dọc theo vòng lặp.
Giữa máy gia tốc
Synchrotron có sự khác biệt:

Cyclotron


và

Thứ nhất, Cyclotron sử dụng từ trường và
điện trường tần số không đổi, nhưng Synchrotron
sử dụng các điện trường và từ trường biến đổi.
Thứ hai, Synchrotron có thiết kế ống dạng
hình trụ vịng xuyến, trong khi Cyclotron được
làm bằng buồng hình trụ hoặc hình cầu.

Máy gia tốc Synchrotrons

Thứ ba, các Synchrotron được sử dụng
Synchrotron, cũng như Cyclotron, là trong hầu hết các dự án quy mô lớn như máy
các máy gia tốc theo chu kỳ và phát các hạt vào gia tốc Hadron cỡ lớn (LHC) tại CERN, cịn
vịng trịn khép kín, hạt tăng tốc độ sau mỗi vòng Cyclotron chủ yếu được sử dụng trong các dự án
quay. Nhưng khác với Cyclotron, vịng lặp của quy mơ nhỏ.
Synchrotron khơng phải là một xoắn ốc. Tùy
từng mục đích sử dụng khác nhau, Synchrotron Các máy gia tốc và nghiên cứu cơ bản
phải thực hiện việc tập trung, uốn cong và gia tốc
Vật lý hạt
các hạt vào một chùm bên trong ống chân không Nghiên cứu về vật lí hạt địi hỏi sử dụng
có thể được thực hiện bằng các cụm thiết bị khác
nhau và vào các thời điểm khác nhau, đường đi các máy gia tốc có năng lượng cao và / hoặc
có thể là hình trịn, hình bầu dục hoặc đa giác với cường độ cao với các chùm electron (positron),
muon, neutrino, proton (phản proton). Hệ thống
các góc trịn.
mới nhất của loại này là LHC (Large Hadron
Collider), được đưa vào hoạt động tại CERN năm
2010. LHC được thiết kế để gia tốc và va chạm
hai chùm proton với năng lượng đến 7 TeV.

Vật lý hạt nhân và các ngành khoa học
Nghiên cứu về các trạng thái vật chất yêu
cầu các máy gia tốc / năng lượng cao / trung bình
Hình 4. Nguyên lý máy Synchrotron
với cường độ cao hoặc các va chạm với electron
Việc gia tốc chùm hạt được xử lý bằng / positron, proton / phản proton và các chùm ion
các khoang chứa sóng vơ tuyến (RF) bố trí quanh từ nhẹ đến nặng.

Số 51 - Tháng 6/2017

11


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

Nhiều nghiên cứu về vật lý chất rắn và
môi trường đông đặc, sinh học, địa chất, khoa học
về con người đòi hỏi phải sử dụng các máy gia
tốc điện tử năng lượng thấp và trung bình. Trong
số nhiều dự án đang hoạt động thì SOLEIL tại
Pháp và DIAMOND tại Anh, là hai trong số các
cơ sở bức xạ Synchrotron được xây dựng gần đây
nhất.

chủ yếu là Cyclotron năng lượng thấp, đã được
sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ. Người ta
cũng đang nghiên cứu khả năng sản xuất đồng vị
phóng xạ dựa trên bức xạ nơtron gây va chạm và
chùm electron.
Phần lớn máy gia tốc y tế được sử dụng

để điều trị ung thư và sản xuất một số đồng vị
phóng xạ. Phần lớn trong số này là các máy gia
tốc tuyến tính sử dụng chùm electron. Tuy nhiên,
các máy gia tốc ion hoặc proton năng lượng thấp
cũng được sử dụng để điều trị các khối u, khi rất
khó điều trị bằng các phương pháp thông thường.
Lĩnh vực này đã được phát triển ở cả châu Á,
châu Âu và Mỹ.
Các máy gia tốc trong y tế, chẳng hạn như
LINAC được sử dụng dưới hai hình thức:

Hình 5. Máy gia tớc tĩnh điện Tandem,
Pelletron 5SDH-2 tại khoa Vật lý, ĐH KHTN,
Đại học Quốc gia Hà Nội
Máy gia tốc trong lĩnh vực năng lượng
Việc chuyển đổi chất thải phóng xạ địi
hỏi phải sử dụng các máy gia tốc proton năng
lượng trung bình và cường độ cao. Nguyên lý là
tạo ra nơtron từ bia do chùm proton đập vào. Các
tương tác của neutron với các đồng vị sống lâu
được chiết xuất từ các lò phản ứng hạt nhân, biến
đổi chúng thành những đồng vị dễ quản lý hơn.
Khái niệm về hệ thống điều khiển máy gia tốc
(ADS) đã được phát triển trong dự án MYRRHA.

+ Gia tốc electron tới năng lượng cao, nơi
chúng va chạm với một mục tiêu kim loại nặng
để tạo ra tia X năng lượng cao
+ Sử dụng proton làm các hạt tăng tốc và
sử dụng các hạt nhân để va chạm trực tiếp với cơ

thể bệnh nhân.
Ưu điểm của tia X năng lượng cao do
máy gia tốc tạo ra là nguồn phóng xạ nhỏ hơn
nguồn phóng xạ Cobalt 60 và do đó cho hình ảnh
sắc nét hơn. Có ít hiệu ứng trên da và ít đau đớn
hơn cho bệnh nhân. Khả năng xuyên sâu lớn của
tia X năng lượng cao cho phép điều trị các khối u
ở sâu trong cơ thể.

Máy gia tốc hạt đang được áp dụng trong
nhiều hoạt động kinh tế - xã hội. Ban đầu được
phát triển cho nghiên cứu cơ bản, ngày nay chúng
được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ chăm sóc
sức khoẻ đến sản xuất chip silicon để giảm ô
nhiễm.
Máy gia tốc trong y học

Hình 6. Nguyên lý sử dụng máy gia tốc
Các máy gia tốc có kích thước khác nhau, trong y tế

12

Số 51 - Tháng 6/2017


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

Các proton có năng lượng lên đến 250
MeV cũng được sử dụng. Các bức xạ tạo ra chùm
hạt sắc nét có thể điều trị các khu vực rất nhỏ của

cơ thể. Thay đổi điện áp gia tốc cho phép điều
chỉnh độ xuyên sâu khác nhau - ví dụ proton 200
MeV có khoảng xuyên sâu 27 cm trong mô, trong
khi chùm năng lượng 140 MeV chỉ đạt đến độ sâu
15 cm.

khoa học Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu cơ
bản cũng như ứng dụng trên các máy gia tốc. Số
các dự án máy gia tốc cũng gia tăng mạnh mẽ trên
thế giới (hình 8).

Hình 8. Sự phát triển các dự án máy gia
tốc trên thế giới (Theo thống kê của mạng https://
gust.com/accelerators)

Hình 7. Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV
tại Bệnh viện Trung ương qn đội 108
Máy gia tốc trong cơng nghiệp
Mặc dù ít được biết đến hơn các ứng dụng
khác, có rất nhiều ứng dụng công nghiệp sử dụng
máy gia tốc. Máy gia tốc ion, proton, electron
năng lượng thấp được sử dụng để cấy ion trong
công nghiệp bán dẫn, cắt và hàn bằng electron,
các máy chiếu xạ sử dụng chum electron và tia
X, chụp ảnh và kiểm tra khơng phá mẫu, phân
tích chùm ion, khử trùng thực phẩm, khử trùng
y tế v.v…
Kết luận

Các nhà vật lý sử dụng các máy gia tốc

hạt để trả lời các câu hỏi về vật lý cơ bản - vũ
trụ của chúng ta được tạo ra như thế nào, tại sao
các vật thể có khối lượng v.v... Khi phát minh ra
máy gia tốc, chúng mới chỉ là các công cụ nghiên
cứu thuần túy. Ngày nay, các máy gia tốc đã được
sử dụng bên ngồi các phịng thí nghiệm nghiên
cứu. Các máy gia tốc đã và đang đi ra khỏi các
phịng thí nghiệm và đã được ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp, y tế và đời sống xã hội
trong nhiều thập kỷ, và nhiều ứng dụng mới sẽ
tiếp tục được phát triển.
Lê Đại Diễn
Trung tâm Đào tạo hạt nhân

Theo GS. Trần Đức Thiệp (Máy gia tốc,
NXB KHKT, Hà Nội 2002) tại Việt Nam các
máy gia tốc đầu tiên là các máy phát notron NA3-C do Hungary chế tạo và máy gia tốc điện tử
Microtron MT-17 do Liên Xô chế tạo đã được lắp
đặt vào các năm 1974 và 1982 tại Viện Vật lý,
Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt nam.
Cho đến nay, các nhà vật lý cũng như cộng đồng

Số 51 - Tháng 6/2017

13


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ SỐNG DÀI

CÙNG SINH RA TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

18

F-FDG

TẠI TRUNG TÂM MÁY GIA TỐC, BỆNH VIỆN TWQĐ 108
Trong quá trình sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG, chùm tia H+ gia tốc đến năng lượng
18 MeV được chiếu vào bia nước giàu 18O (H218O), ngồi đồng vị phóng xạ 18F cịn có nhiều đồng vị
khác cùng được sinh ra do phản ứng hạt nhân của proton với bia nước H218O và với các thành phần
cấu tạo nên thân của bia. Tồn bộ q trình tổng hợp 18F-FDG được tiến hành trên bộ tổng hợp
Synthera của hãng IBA. Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ tạp chất có thời gian bán rã dài trong 04
loại chất thải phóng xạ tạo ra trong q trình sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc cyclotron tại Bệnh
viện Trung ương Quân đội 108 được xác định bằng hệ phổ kế gamma phân giải cao dải rộng. Kết quả
cho thấy có 11 đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã dài: 55Co, 56Co, 57Co, 58Co, 51Cr, 52Mn, 54Mn, 48V,
95m
Tc, 96Tc và 183Re tồn tại trong các mẫu chất thải này.
1. Mở đầu
Trong ứng dụng kỹ thuật chụp xạ hình
PET, các đồng vị phóng xạ phát positron được
sử dụng như là các chất đánh dấu, phổ biến nhất
là các đồng vị carbon-11 (11C), oxygen-15 (15O),

14

Số 51 - Tháng 6/2017

nitrogen-13 (13N) and fluorine-18 (18F). Những
đồng vị này có thời gian bán rã ngắn nên chúng
thường được sản xuất trên máy gia tốc dựa trên

phản ứng hạt nhân hoặc với proton hoặc với
đơ-tơ-ri chủ yếu dưới dạng các phản ứng (p,n),


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

proton gia tốc vào bia nước làm giàu 18O (H218O),
cùng với đồng vị phóng xạ 18F sinh ra trong bia
cịn có các đồng vị phóng xạ tạp chất khác cùng
sinh ra do các phản ứng hạt nhân xảy ra trên bia
nước H218O cũng như do các phản ứng hạt nhân
xảy ra trên lá Havar và lá Titan. Lá Havar là hợp
kim cấu thành từ các kim loại chính sau: Co
(42%), Mn (1,6%), Cr (19,5%), Mo (2,2%), W
(2,7%), Ni (12,7%) và Fe (~19,1%) [4]. Các phản
ứng hạt nhân trên lá Havar và Titan sinh ra các
Hiện nay, ở nước ta có 05 cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã dài [5-8].
dược chất phóng xạ 18F-FDG phục vụ chẩn đốn Bảng 1.1 trình bày một số đồng vị phóng xạ có
ung thư, đó là: Trung tâm Máy gia tốc thuộc thời gian bán rã dài được sinh ra do các phản ứng
Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 (TWQĐ hạt nhân xảy ra lá Havar và lá titan do tương tác
108), Bệnh viện Việt Đức, Trung tâm Chiếu xạ với chùm proton hoặc với nơtron sinh ra từ phản
18
18
Hà Nội, Bệnh viện Đà Nẵng và Bệnh viện Chợ ứng tạo F trên bia nước H2 O.
Bảng 1.1. Các đồng vị phóng xạ có thể
Rẫy (TP HCM). Với cơng suất sản xuất 18F-FDG
lên đến 3,5-4,0 Ci/ngày, Trung tâm Máy gia tốc được sinh ra do phản ứng hạt nhân của chùm
thuộc Bệnh viện TWQĐ 108 có khả năng để cung proton và nơtron thứ cấp với lá Havar và lá titan.

(p,2n), (p,α) và (p,xn) [1]. Trong đó, 18F là đồng

vị được ưu tiên lựa chọn trong thực tế do tính chất
vật lý bức xạ ưu thế của nó, đó là thời gian bán rã
dài (T1/2 = 110 phút), cũng như việc phát triển của
công nghệ máy gia tốc dùng cho sản xuất đồng vị
phóng xạ nói chung và sản xuất dược chất phóng
xạ nói riêng. Dược chất phóng xạ 18F-FDG là hợp
chất đánh dấu phóng xạ phát positron được sản
xuất lần đầu tiên vào năm 1978 [2], và đến nay nó
được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành ung thư.

Đồng vị
Phản ứng hạt nhân Đồng vị
Phản ứng hạt nhân
cấp đủ dược chất phóng xạ 18F-FDG cho các máy
Cr(n,γ) Cr
Mo(p,n) Tc
Cr
Tc
PET ở Hà Nội và các vùng lân cận. Quá trình sản
Cr(n,2n) Cr
Mo(p,2n) Tc
Mn
Cr(p,n) Mn
Re
W(p,n) Re
xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG tại Trung tâm
W(p,3nγ) Re
Mn
Mn(n,2n) Mn
Re

W(p,n) Re
máy gia tốc thuộc Bệnh viện TWQĐ 108 được
Co
Fe(p,n) Co
Re
W(p,n) Re
thực hiện qua các công đoạn như sau:
Ni(n,pn) Co
Co
Ni(p,2p) Co
Re
W(p,n) Re
- Chiếu chùm tia proton gia tốc vào bia
Ni(p,α) Co
Ni(n,p) Co
Ti(p, He) Sc
nước giàu 18O (> 95%) để tạo ra đồng vị 18F
Co
Co(p,pn) Co
Sc
Ti(n,t) Sc
thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F.
Co(n,2n) Co
Ni
Ni(p,d) Ni
V
Ti(p,n) V
- Tách chiết đồng vị phóng xạ 18F khỏi các
Mo(p,n) Tc
18

Tc/ Tc
tạp chất và tổng hợp thành F-FDG trên bộ
Mo(p,2n) Tc
tổng hợp Synthera, IBA.
Một lượng nhỏ các đồng vị phóng xạ này
- Chia liều tổng thu được thành các liều đơn
có thể bị đẩy ra khỏi các lá kim loại này và hòa
theo đơn đặt hàng từ các cơ sở y tế.
- Kiểm nghiệm tiêu chuẩn dược chất phóng vào hỗn hợp dung dịch bia do động năng của
xạ.
chùm hạt proton bắn tới, tạo ra tạp chất trong hỗn
Trên đường đi đến bắn phá bia nước hợp bia sau khi chiếu xạ. Sau khi chiếu xạ bởi
H218O, chùm tia proton gia tốc phải xuyên qua lá chùm proton, hỗn hợp bia được chuyển qua bộ
titan để ngăn cách chân không trên đường truyền tổng hợp Synthera của hãng IBA để tách chiết và
chùm tia và khoang làm mát bia bằng khí Heli, tổng hợp thành dược chất phóng xạ. Quy trình
và lá hợp kim Havar để chứa đựng nước H218O tách chiết, tổng hợp FDG được diễn ra qua 05
và ngăn cách bia với khoang làm mát bằng khí bước cụ thể như sau:
- Bước 1: Tách 18F khỏi H218O sử dụng cột
Heli [3]. Do vậy, trong công đoạn chiếu chùm tia
50

51

52

52

52

54


55

56

56

58

57

58

58

52

54

56

57

58

58

59

58


95

96

96

182
183

96

96

97

96

182

182

184

183

183

183


184

183

184

186

184

186

57

57

59

95m

51

60

57

95

51


58

48

46

48

48

48

3

46

46

58

57

48

95m

95m

Số 51 - Tháng 6/2017


15


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

trao đổi anion QMA. Bia sau khi chiếu xạ chùm
proton được cho đi qua cột trao đổi anion QMA,
chỉ các ion âm 18F- được giữ lại trên cột, còn các
cation kim loại cùng tạp chất khác đều bị loại bỏ
vào lọ thu hồi. Sau đó, ion âm 18F- sẽ được tách
rửa khỏi QMA bằng dung dịch chứa K2CO3 và
chất xúc tác chuyển pha (Kryptofix 222) trong
dung môi acetonitrile.
- Bước 2: Bay hơi H218O dư bởi acetonitrile.
- Bước 3: Thêm tiền chất mannose triflate
trong acetonitrile-labelling.
- Bước 4: Thủy phân tạo ra 18F-FDG.
- Bước 5: Tinh chế 18F-FDG.

của các đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã dài
cho 04 mẫu, bao gồm: Mẫu nước thu hồi được
lấy từ ngày 15/02/2017, đo xác định hoạt độ vào
ngày 12/4/2017; mẫu QMA lấy ngày 11/4/2014
và đo ngày 14/4/2014; mẫu lá Havar và Titan lấy
ngày 25/02/2013 và đo ngày 19/8/2013.

Hoạt độ của các đồng vị phóng xạ sống
dài trong các mẫu được xác định theo phương
pháp phổ gamma sử dụng hệ phổ kế gamma phân
giải cao giải rộng (HpGe XtRa, model GX 2020)

của hãng Canberra được trang bị tại Trung tâm
máy gia tốc thuộc Bệnh viện TWQĐ 108 với các
Như vậy, trong q trình sản xuất có một đặc trưng kỹ thuật như sau:
số chất thải phóng xạ chứa các đồng vị phóng
- Điện áp cao áp ni đầu dị: 3,5 kV
xạ có thời gian sống dài được tạo ra, đó là nước
- Hiệu suất tương đối: ≥ 20%
thu hồi, là Havar, lá Titan và cột trao đổi ion âm
- Độ phân giải năng lượng (FWHM):
QMA. Các chất thải phóng xạ này được xác định
• Đỉnh năng lượng 122 keV: 1,1 keV
hoạt độ các đồng vị phóng xạ sử dụng hệ phổ kế
• Đỉnh năng lượng 1,3 MeV: 2,0 keV
gamma giải rộng phân giải cao.
- Tỷ số Peak/Compton (P/C): 46
2. NỘI DUNG
- Hình dạng đỉnh (FWTM/FWHM): 2
2.1. Đối tượng và phương pháp
Đầu dò của hệ phổ kế gamma được đặt
Các chất thải của quá trình sản xuất dược trong bình chì giảm phơng, tín hiệu được xử
chất phóng xạ 18F-FDG bao gồm nước thu hồi, lý trên bộ phân tích tín hiệu số DSA-1000. Số
nước thải của quá trình tinh chế, bộ KIT tổng liệu thu được từ đầu ra của DSA-1000 được ghi
hợp trên bộ tổng hợp Synthera bao gồm các lọ nhận và xử lý trên máy tính thơng qua phần mềm
thủy tinh, các cột lọc. Tuy nhiên, trên các thành GENIE 2000. Hình ảnh của hệ phổ kế sử dụng
phần của bộ KIT tổng hợp chỉ cột trao đổi ion âm trong nghiên cứu được đưa ra trên Hình 2.1.
QMA là có thể bị nhiễm xạ bởi các đồng vị phóng
xạ sống dài. Do vậy, loại đối tượng đầu tiên của
nghiên cứu này là nước thu hồi, cột QMA của bộ
KIT tổng hợp trong quá trình sản xuất FDG. Loại
đối tượng thứ hai là những chất thải phóng xạ

sinh ra từ cơng việc bảo dưỡng hệ thống thiết bị
máy gia tốc định kỳ, đó là các lá Havar và Titan
khi vệ sinh, thay thế bia. Tóm lại, trong nghiên
cứu này, có 04 loại mẫu được lựa chọn để tiến
hành xác định hoạt độ phóng xạ của các đồng vị
có thời gian sống dài, gồm có mẫu nước thu hồi, Hình 2.1. Hệ phổ kế gamma giải rộng phân giải
mẫu QMA, mẫu lá Havar và mẫu lá Titan. Cụ thể, cao tại Trung tâm máy gia tốc thuộc Bệnh viện
nghiên cứu đã đo và xác định hoạt độ phóng xạ TWQĐ 108.

16

Số 51 - Tháng 6/2017


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

2.2. Kết quả

Bảng 2.1. Hoạt độ phóng xạ đo được
Hệ phổ kế gamma trước khi đo mẫu thực trong mẫu nước thu hồi.
Mức thải
đều được chuẩn lại năng lượng và hiệu suất phù
T
Năng lượng Xác suất
Đồng vị
Hoạt độ (Bq) cho phép
(ngày)
(keV)
phát γ (%)
(Bq/năm)

hợp với cấu hình đo và hình dạng mẫu được đo.
1 x 10
Cr
27,7
320
9,91
5725 ± 462
Riêng mẫu lá Havar khi đo được đặt cách bề mặt
KQĐ
Mn
5,59
1434
100
452 ± 82
KQĐ
Mn
312
835
99,98
196 ± 49
đầu dò 30 cm để đảm bảo tối ưu về thời gian chết
KQĐ
Co
77,24
846,9
99,9
5067 ± 145
của đầu dị do mẫu này có hoạt độ khá lớn, còn
1 x 10
Co

272
847
85,6
2170 ± 49
1 x 10
Co
70,9
122
99,45
14700 ± 224
các mẫu còn được đặt cách bề mặt đầu dò 10 cm.
KQĐ
Tc
61
811
61,92
101 ± 51
Mẫu nước thu hồi và mẫu chuẩn cho mẫu nước
KQĐ
Re
70
162
23,36
338 ± 123
thu hồi đều được chứa trọng lọ Penicillin với thể
tích 2 ml. Các mẫu QMA, lá titan và lá Havar có
* KQĐ: Khơng quy định trong Thơng tư
dạng đĩa mỏng và có khối lượng lần lượt là 19 g, số 22/2014/TT-BKHCN ngày 25/8/2014 của Bộ
0,07 g và 0,3 g, do vậy để chuẩn hiệu suất, nguồn Khoa học và Công nghệ Quy định về quản lý chất
hình đĩa được sử dụng để đảm bảo tính đồng nhất thải phóng xạ và nguồn phóng xạ đã qua sử dụng.

về hình học đo.
Bảng 2.2. Hoạt độ phóng xạ của các đồng
vị đo được trong mẫu QMA.
1/2

8

51

52
52

56
57

9

58

8

95m
183

Đồng vị

T1/2
(ngày)

Năng lượng

(keV)

Xác suất
phát γ (%)

Hoạt độ
(Bq/g)

Mức thanh
lý (Bq/g)
100

Cr

27,7

320

9,91

27,4 ± 0,8

Mn

5,59

1434

100


2,1 ±0,1

1

56

Co

77,2

847

99,9

3,5 ± 0,2

0,1

57

Co

272

122

85,6

0,31 ± 0,07


1

58

Co

70,9

811

99,45

4,4 ± 0,1

1

Tc

4,28

778

99,76

1,8 ± 0,1

1

Ni


1,46

1377

81,7

0,27 ± 0,08

KQĐ

51
52

96

57

V

16

983

99,9

1,7 ± 0,1

1

Mn


312

835

99,98

0,08 ± 0,08

0,1

Tc

61

204

61,92

0,18 ± 0,08

KQĐ

Re

70

162

23,36


0,07 ± 0,1

KQĐ

48
54

95m
183

Hình 2.2. Phổ gamma ghi nhận cho mẫu
nước thu hồi.

Kết quả xác định hoạt độ của các đồng
vị phóng xạ sinh ra trong mẫu lá Havar khi được
Hình 2.2. cho thấy hình ảnh phổ gamma
chiếu bởi chùm hạt proton gia tốc để sản xuất
ghi nhận được khi đo mẫu nước thu hồi. Kết quả
18F-FDG được đưa ra trong Bảng 2.3.
phân tích phổ gamma trên mẫu nước thu hồi cho
Bảng 2.3. Hoạt độ phóng xạ của các đồng
thấy có 08 đồng vị phóng xạ có thời gian sống
dài được nhận diện, đó là các đồng vị 51Cr, 52Mn, vị đo được trong mẫu lá Havar.
52
Mn, 56Co, 57Co, 58Co, 95mTc và 183Re với hoạt độ
T1/2 Năng lượng Xác suất Hoạt độ Mức thanh lý
được xác định như trình bày trong Bảng 2.1.
Đồng vị
Kết quả phân tích phổ kế gamma với mẫu

QMA cho thấy sự tồn tại của 11 đồng vị phóng xạ
có thời gian bán rã dài với hoạt độ như được đưa
ra trong Bảng 2.2, bao gồm: 48V, 51Cr, 52Mn, 52Mn,
56
Co, 57Co, 58Co, 57Ni, 95mTc, 96Tc và 183Re.

(ngày)

(keV)

phát γ (%)

(kBq/g)

(Bq/g)

Mn

312

835

99,98

540 ± 9

0,1

56


Co

77,2

847

99,9

1013 ± 18

0,1

57

Co

272

122

85,6

3923 ± 11

1

58

Co


70,9

811

99,45

2740 ± 22

1

Re

70

162

23,36

50 ± 14

KQĐ

54

183

Số 51 - Tháng 6/2017

17



THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

Kết quả xác định hoạt độ phóng xạ trong 18F-FDG, Trung tâm Máy gia tốc thuộc Bệnh viện
mẫu lá Titan được đưa ra trong Bảng 2.4. Kết quả TWQĐ 108 hiện sản xuất nhiều nhất 5 mẻ/tuần,
phân tích trên mẫu lá titan có phát hiện 03 đồng mỗi mẻ sản xuất tạo ra 2 ml nước thu hồi. Với
vị phóng xạ 46Sc, 56Co và 57Co.
thời gian khoảng 50 tuần/năm, lượng nước thu
Bảng 2.4. Hoạt độ phóng xạ của các đồng hồi thu được là 500 ml, và hoạt độ phóng xạ của
các đồng vị phóng xạ trong nước thu hồi cho một
vị đo được trong mẫu lá Titan.
năm sản xuất gấp 250 lần so với kết quả đưa ra
trên Bảng 2.1. Đối chiếu với mức hoạt độ phóng
T1/2 Năng lượng Xác suất Hoạt độ Mức thanh lý
Đồng vị
(ngày)
(keV)
phát γ (%) (kBq/g)
(Bq/g)
xạ cho phép thải ra môi trường đối với chất thải
16900 ±
0,1
46
dạng lỏng, kết quả này cho thấy hoạt độ phóng xạ
Sc
83,8
889,3
99,98
1129
56

trong nước thu hồi đảm bảo theo quy định đối với
Co
77,2
847
99,9
184 ± 29
0,1
57
Co
272
122
85,6
426 ± 30
1
các đồng vị có quy định trong Thông tư.
2.3. Bàn luận
Số đồng vị phát hiện và ghi nhận được
trên các mẫu khác nhau là khác nhau do thời gian
lưu mẫu từ khi lấy mẫu đến khi đo mẫu khác
nhau. Mẫu phát hiện có sự tồn tại nhiều đồng vị
phóng xạ nhất là mẫu QMA, điều này được giải
thích do mẫu này có thời gian lưu mẫu ngắn nhất,
03 ngày. Mẫu lá Titan chỉ ghi nhận được có 03
đồng vị, 46Sc, 56Co và 57Co. Theo Bảng 1.1, đồng
vị phóng xạ 46Sc được sinh ra do phản ứng hat
nhân (p,3He) của chùm hạt proton với hạt nhân
nguyên tử 48Ti có độ phổ biến cao nhất (73,7%)
trong Titan tự nhiên. Sự xuất hiện của 02 đồng
vị còn lại, 56Co và 57Co, được giải thích do sau
khi lấy hai lá Titan và Havar ra khỏi bia trong

quá trình bảo dưỡng, hai lá này đã được đặt trong
cùng một bình chì che chắn bức xạ để chờ phân
rã, do vậy, có một lượng nhỏ hai đồng vị này đã
bị bám dính từ lá Havar sang lá Titan.
Rõ ràng chúng ta thấy các mẫu QMA, lá
Havar và lá Titan đều chứa các đồng vị phóng
xạ cao hơn mức thanh lý quy định trong Thông
tư số 22/2014/TT-BKHCN ngày 25 tháng 8 năm
2014 của Bộ Khoa học và Công nghệ Quy định
về quản lý chất thải phóng xạ và nguồn phóng xạ
đã qua sử dụng. Riêng với mẫu nước thu hồi, theo
nhu cầu và năng lực sản xuất dược chất phóng xạ

18

Số 51 - Tháng 6/2017

3. KẾT LUẬN
Kết quả phân tích bằng phương pháp phổ
kế gamma cho thấy các mẫu chất thải rắn trong
quá trình sản xuất dược chất phóng xạ tại Trung
tâm máy gia tốc thuộc Bệnh viện TWQĐ 108 đều
cao hơn mức thanh lý như được quy định trong
Phụ lục II, Thông tư số 22/2014/TT-BKHCN
ngày 25 tháng 8 năm 2014 của Bộ Khoa học và
Công nghệ Quy định về quản lý chất thải phóng
xạ và nguồn phóng xạ đã qua sử dụng. Các chất
thải phóng xạ này hiện được lưu giữ chờ phân rã
trong kho lưu giữ đảm bảo an tồn và có khóa
an ninh. Đối với chất thải phóng xạ là nước thu

hồi, tuy lượng hoạt độ phóng xạ tạo ra hàng năm
đảm bảo theo quy định nhưng vẫn được lưu giữ
chờ phân rã trong container có che chắn chì đảm
bảo an tồn bức xạ do cịn tồn tại cả các đồng vị
phóng xạ khác khơng có quy định trong Thơng
tư.
Đàm Ngun Bình
Bệnh viện Trung ương Quân đội 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. “Cyclotron Produced Radionuclides:
Physical Characteristics and Production
Methods”, Technical Reports Series No 468,
IAEA, 2009.


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

2. Ido T, Wan CN, Casella V, Fowler JS,
Wolf AP, Reivich M, et al., “Labeled 2-deoxyD-glucose analogues: 18F labeled 2-deoxy-2fluoro-D-glucose and 14C-2-deoxy-2-fluoroD-glucose ”, J. Labeled Comp Radiopharm,
14:175–83, 1978.
3. IBA, “Cyclone® 30 product
description”, www.iba-worldwide.com.
4. “Havar Technical DataSheet”, Hamilton
Precision Metals, Lancaster, PA, http://www.
hpmetals.com/pdfs/havar.pdf.
5. D. Ferguson, P. Orr, J. Gillanders, G.
Corrigan, C. Marshall, “Measurement of long
lived radioactive impurities retained in the
disposable cassettes ontheTracerlab MX system
during the production of [18F]FDG”, Applied

Radiation and Isotopes, Volume 69, Issue 10,
Pages 1479–1485, 2011.
6. Schlyer, D. J., Bastos, M. A. V., Alexoff,
D., and Wolf, A. P., “Separation of F-18 Fluoride
from O-18 Water Using Anion Exchange Resin”,
Int. J. Appl. Radiat. Isot., Part A 41, 531-533,
1990.
7. Schlyer, D.J., Firouzbakht, M.L.,
Wolf, A.P., Impurities in the [18O]water target
and their effect on the yield of an aromatic
displacement reaction with [18F]fluoride.Appl.
Radiat. Isot. 44, 1459-1465, (1993).
8. Dence, C.S., McCarthy, T.J., Welch,
M.J., et al., Ionic contaminants (radioactive
and non-radioactive) in irradiated [O-18] water.
Preliminary results of a comparative study.
Proceedings of the Sixth Workshop on Targetry
and Target Chemistry, pp.199-205, (1997).
9. Thông tư số 22/2014/TT-BKHCN ngày
25 tháng 8 năm 2014 của Bộ trưởng Bộ Khoa
học và Công nghệ Quy định về quản lý chất thải
phóng xạ và nguồn phóng xạ đã qua sử dụng.

Số 51 - Tháng 6/2017

19


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN


XẠ TRỊ PROTON
Ngày 8/11/1895, nhà vật lý người Đức Wilhelm Conrad Röntgen khám phá ra tia X và chỉ 5
tháng sau đó, vào tháng 3/1896 một bệnh nhân ung thư vòm họng đã được điều trị bằng loại tia này.
Đây là một dấu mốc quan trọng, mở ra kỷ nguyên ứng dụng năng lượng bức xạ vào mục đích điều
trị bệnh.
1. Giới thiệu

bố liều lượng bức xạ cho điều trị ung thư một cách
có hiệu quả hơn như: xạ trị theo hình thái khối u,
xạ trị định vị (Streotactic Radiotherapy - SRT),
xạ phẫu định vị (Streotactic Radiosurgery - SRS),
xạ trị theo kỹ thuật điều biến liều lượng chùm
tia (Intensity Modulate Radiotherapy - IMRT),
điều trị bằng proton, bằng nơtron nhanh, nơtron
chậm. Đặc biệt thiết bị xạ trị proton/ion ra đời có
thể tạo ra năng lượng cực đại tại khối ung thư,
trong khi đó ở các mô lành lân cận liều chiếu lại
rất thấp, điều này giúp mang lại hiệu quả điều trị
khỏi bệnh cao và giảm thiểu được các biến chứng
do tia xạ gây nên.

Vào những năm đầu thế kỷ 20 các nhà
nghiên cứu tìm kiếm cơng nghệ phát bức xạ ion
hố năng lượng cao phục vụ cho điều trị đã liên
tục có những tiến bộ. Năm 1931 máy gia tốc 700
kV ra đời được đặt tại bệnh viện Memorial New
York, không lâu sau đó các máy gia tốc sử dụng
loại biến áp cộng hưởng đã được đưa vào sử
dụng. Từ đó máy gia tốc thực sự đã trở thành một
công cụ tiên tiến với công nghệ cao, phục vụ cho

điều trị ung thư. Đặc biệt từ những năm đầu 1970
các máy gia tốc tuyến tính, cịn gọi là máy gia
tốc thẳng (Linear Accelerator - LINAC), ra đời
đã đánh dấu một mốc quan trọng mới của công
Đề xuất đầu tiên về việc sử dụng proton
nghệ máy gia tốc.
năng lượng cao như là một liệu pháp điều trị hiệu
Gần đây một số công nghệ mới dùng phân quả ung thư được Robert R. Wilson đưa ra trong

20

Số 51 - Tháng 6/2017


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

bài báo xuất bản năm 1946 khi ông tham gia vào
việc thiết kế Phịng thí nghiệm Cyclotron của
trường Đại học Harvard (HCL). Các ca điều trị
đầu tiên được thực hiện bằng các máy gia tốc hạt
được xây dựng cho mục đích nghiên cứu vật lý,
đặc biệt là tại Phịng thí nghiệm bức xạ Berkeley
năm 1954 và tại Uppsala ở Thụy Điển năm 1957.
Vào năm 1961, HCL và Bệnh viện đa khoa
Massachusetts (MGH) bắt đầu hợp tác để theo
đuổi liệu pháp proton. Trải qua 41 năm, chương
trình hợp tác này đã tinh chỉnh và phát triển các
kỹ thuật trong khi điều trị cho 9.116 bệnh nhân
trước khi đóng cửa máy gia tốc cyclotron vào
năm 2002. Trung tâm điều trị bằng proton đầu

tiên trên thế giới đặt tại bệnh viện là một trung tâm
cyclotron năng lượng thấp điều trị các khối u mắt,
được đặt tại Trung tâm Ung bướu Clatterbridge ở
Anh, khánh thành vào năm 1989. Trung tâm tiếp
theo đặt tại Trung tâm Y tế Đại học Loma Linda
(LLUMC) ở Loma Linda, California, vào năm
1990. Sau đó, Trung tâm Điều trị Proton Đơng
Nam tại Bệnh viện Đa khoa Massachusetts được
vào hoạt động và chương trình điều trị của HCL
đã được chuyển cho trung tâm này trong giai
đoạn 2001 - 2002. Đến năm 2010 chỉ tính riêng
ở Hoa Kỳ đã có thêm 7 trung tâm điều trị bằng
proton đặt tại bệnh viện, và nhiều hơn nữa trên
toàn thế giới.
2. Đặc trưng của proton

được gia tốc đến một năng lượng xác định bởi
máy gia tốc, nó trở thành một loại bức xạ ion hóa
có khả năng xuyên sâu vào cơ thể con người hoặc
các vật liệu như nước, plastic, v.v…
Để tạo ra proton, các nhà vật lý tiêm khí
hydro vào trong một ống kim loại hình trụ. Sau
đó bao quanh khí này bằng một điện trường để
khí này chuyển sang trạng thái gồm proton và
electron - q trình này có thể tách ra khoảng
75% proton. Sau đó proton được gia tốc bởi một
nguồn 90 kV rồi gửi tới một khối tứ cực tần số vô
tuyến (RF quadrupole) - thành phần giúp tăng tốc
và tập trung chùm hạt. Từ khối tứ cực proton với
năng lượng rất thấp (khoảng vài KeV) được đưa

tới máy gia tốc.
Các proton tự do được tạo ra từ q trình
ion hóa ngun tử hydro (electron bị tách khỏi
nguyên tử hydro). Proton tự do sau đó được gia
tốc trong máy gia tốc cyclotron hoặc synchrotron
bằng trường điện rất mạnh.
Bảng 1. Một số nguồn phát proton

Nguồn phát Năng lượng Dịng trung bình Ứng dụng
p- Synchrotron 70-250 MeV

20-40 nA

Xạ trị proton

Cyclotron

70-185 MeV

20-40 nA

Xạ trị proton

Proton Linac

70-250 MeV

10-270 nA

Xạ trị proton


Vào năm 1918 nhà vật lý người New
70-250 MeV
10-40 μA
Zealand Ernest Rutherford nhận thấy rằng khi
các hạt alpha bắn vào hơi nitơ, máy đo nhấp nháy
chỉ ra dấu hiệu của hạt nhân hydro. Rutherford 3. Proton tương tác với môi trường vật chất
tin rằng hạt nhân hydro này chỉ có thể đến từ
Proton khi đi vào mơi trường vật chất sẽ
nitơ. Vì vậy nitơ phải chứa hạt nhân hydro, có số bị mất năng lượng theo nhiều cách khác nhau.
nguyên tử là 1 và là một hạt rất cơ bản. Đó chính
3.1. Proton tương tác với electron
là proton.
nguyên tử môi trường
Proton là hạt mang điện dương - thành
Proton mất phần lớn năng lượng thông
phần cấu tạo nên nguyên tử hydro. Proton có khối
lượng gấp 1.836 lần so với electron. Khi proton qua một số lớn các tương tác với electron trong

Số 51 - Tháng 6/2017

21


THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN

mơi trường, bao gồm q trình kích thích và ion
hóa. Tương tác electron dẫn đến năng lượng bị
giữ lại một cách ngẫu nhiên và rời rạc (hình 1a).
3.2. Proton tương tác với hạt nhân

nguyên tử môi trường
Tán xạ trường Culông với hạt nhân nặng
tạo ra những góc tán xạ nhỏ dẫn đến sự phân kỳ
chùm tia. Những va chạm đàn hồi với hạt nhân
có khối lượng bằng hoặc lớn hơn proton tạo ra
những góc tán xạ lớn, dẫn đến sự mất năng lượng
và sự di dời của những proton ban đầu (hình 1b).

Hình 2. Đỉnh Bragg - nơi proton bỏ lại
Những tương tác hạt nhân không đàn năng lượng cực đại sau va chạm.
hồi xảy ra với những proton năng lượng cao và
4. Ảnh hưởng của bức xạ proton lên cơ thể
sinh ra các hạt như proton, neutron, beta, alpha,
sống
gamma, v.v… Những hạt này dừng trong khu vực
Proton phá hủy nhân tế bào bằng năng
lân cận của tương tác và gây ra những hiệu ứng
lượng nó bỏ lại khi đi ngang qua mơ dẫn đến sự
sinh học rất cao (hình 1c).
ion hóa và kích thích những phân tử sinh học
cấu tạo nên tế bào như: nước (thành phần chủ
yếu trong cơ thể người), chuỗi hydrocacbonat,
protein, ADN, v.v… gây ra những thay đổi về
cấu trúc, chức năng của phân tử sinh học này, từ
đó gây hại cho NST, dẫn đến ảnh hưởng lên nhân
tế bào, khiến cho tế bào bị phá hủy hoặc hư hại.
Dưới tác động của bức xạ ion hóa tổ chức sống
trải qua các giai đoạn biến đổi:
4.1. Giai đoạn hóa lý
Hình 1. Proton tương tác với mơi trường

vật chất: (a) Proton tương tác với electron nguyên
tử môi trường và bị mất năng lượng thông qua
các tương tác Culông không đàn hồi, (b) Proton
va chạm đàn hồi với hạt nhân nguyên tử môi
trường, (c) Proton va chạm không đàn hồi với
hạt nhân nguyên tử môi trường.
Proton di chuyển qua môi trường vật chất
và mất dần năng lượng trong những tương tác hạt
nhân và nguyên tử. Quá trình này làm suy giảm
năng lượng proton, cực đại tương tác xảy ra gần
cuối quãng chạy proton dẫn đến năng lượng phát
ra cực đại ở khu vực bia - gọi là đỉnh Bragg.

22

Số 51 - Tháng 6/2017

Bức xạ ion hóa tác động trực tiếp lên phân
tử sinh học cấu tạo nên tế bào: Bức xạ sẽ trực tiếp
truyền năng lượng và gây ra quá trình kích thích
các phân tử sinh học dẫn đến những thương tổn
phân tử đó, như: làm đứt gãy các đoạn AND, phá
vỡ mối liên kết hóa học hoặc phân ly phân tử sinh
học, gây mất thuộc tính sinh học của phân tử sinh
học, làm tế bào bị phá hủy và chết dần.
Bức xạ ion hóa tác động gián tiếp: Bức
xạ ion hóa tương tác với phân tử nước trong tế
bào dẫn đến sản sinh ra những gốc tự do và các
tác nhân oxi hóa cái mà phản ứng với các phân tử
sinh học và gây ra những phá hủy tế bào.



THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

4.2. Giai đoạn sinh học

hơn so với các kỹ thuật xạ trị sử dụng electron
Những thương tổn ban đầu không thể hồi hay photon.
phục dẫn đến những rối loạn về chuyển hóa. Tế
bào có thể chết trong một vài giờ hoặc gây ra
những sai hỏng của phân chia tế bào và ngăn cản
tế bào phân chia. Những thương tổn này có thể
làm chết tế bào. Các tế bào ung thư thường khó
phân biệt vì có hình dạng giống tế bào thường,
chúng tăng sinh nhiều hơn tế bào khỏe mạnh,
nhưng khả năng tự sửa chữa lại kém hơn so với
tế bào thường.
Hình 4. So sánh đường cong phân bố liều
của proton và X-ray khi đi vào cơ thể.

Hình 3. Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa
đối với AND.
5. Cơ sở sử dụng proton trong xạ trị

Hình 5. So sánh hình ảnh lập kế hoạch
Proton có một số đặc trưng thuận lợi có điều trị cho bệnh nhân u não sử dụng liệu pháp
thể ứng dụng vào xạ trị tiêu diệt tế bào ung thư.
proton và IMRT.
5.1. Cơ sở vật lý
Proton gia tăng tích lũy năng lượng với

một khoảng cách xuyên sâu dẫn đến một cực đại
liều gần cuối quãng chạy của proton gọi là đỉnh
Bragg. Đây là cơ sở cho việc điều trị những khối
bướu ở sâu trong cơ thể.
Khu vực liều cực đại trong nhân bia có
thể được định vị nhờ vào các hướng phân bố
chùm tia, do đó có thể tạo ra một khu vực liều
cao đồng nhất SOBP, bao phủ lên tồn bộ thể tích
khối bướu với độ chính xác cao. Những mô khỏe
mạnh xung quanh nhận được phân bố liều thấp

5.2. Cơ sở y học
Proton ưu việt hơn hẳn so với photon với
cơ chế tác động trực tiếp do proton là hạt có khối
lượng và điện tích. Photon thường dùng cơ chế
tác động gián tiếp: ion hóa nước để tạo ra các gốc
tự do H+ và OH- làm cản trở các q trình sinh
hóa của tế bào. Proton có thể phân phát liều cao
hơn tới khối bướu, có thể điều chỉnh cực đại đỉnh
Bragg bằng cách cung cấp các proton với những
mức năng lượng khác nhau → những thương tổn
có hình dạng khơng đồng đều gần những khu vực
then chốt phù hợp cho xạ trị proton.

Số 51 - Tháng 6/2017

23