CHƯƠNG 1 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG SẢN XUẤT ĐỒNGVỊ PHÓNG XẠ TRÊN MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 1. MÁY GIA TỐC CYCLOTRON DÙNG CHO SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ 1. Giới thiệu Nguyên lý gia tốc tuần hoàn được khám phá vào khoảng năm 1920 là một nền tảng quan trọng trong vật lý năng lượng cao. Theo nguyên lý này, sự gia tốc được thực hiện bằng phương pháp hiệu điện thế biến thiên theo thời gian thay cho hiệu điện thế tĩnh sử dụng trong các máy gia tốc ví dụ như máy gia tốc Van de Graff.
Máy gia tốc đầu tiên có tầm quan trọng thực tiễn dựa trên nguyên lý gia tốc tuần hoàn là cyclotron, do Ernest Orlando Lawrence phát minh ra. Ban đầu, cyclotron được dùng để gia tốc các ion (proton, deuteron và các hạt nặng hơn) tới động năng cỡ vài MeV sử dụng trong nghiên cứu vật lý hạt nhân cơ bản, nhưng 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 nhân cũng như tạo ra các chùm proton cho xạ trị. Trong cyclotron, các hạt được gia tốc theo các quỹ đạo xoắn ốc đi trong hai điện cực hình bán trụ chân không bởi từ trường đều (khoảng 1T) được tạo ra giữa các cực của một nam châm lớn.
Một điện áp tần số vô tuyến (RF) với tần số từ 10 đến 30MHz được đặt vào giữa hai điện cực. Các hạt mang điện được gia tốc khi chúng vượt qua khoảng trống giữa hai điện cực này. Bên trong các điện cực không có điện trường và các hạt này chuyển động dưới ảnh hưởng của từ trường theo quỹ đạo nửa vòng tròn với tốc độ không đổi cho tới khi chúng lại đi qua khoảng trống giữa hai điện cực, lúc này điện trường đổi chiều và hạt sẽ lại được gia tốc khi qua khoảng trống giữa hai điện cực, hạt có thêm một lượng động năng nhỏ khi di chuyển trong điện cực kia theo nửa vòng tròn có bán kính lớn hơn nửa vòng tròn trong điện cực trước, tạo nên một quỹ đạo hình 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xoắn ốc và động năng của hạt tăng dần sau một số lớn lần vượt qua khoảng trống giữa hai điện cực. Nguyên lý gia tốc cyclotron.
Quá trình gia tốc cứ tiếp diễn cho đến khi hạt đạt được năng lượng danh định và tiến ra ngoài bán kính tách chùm tia. Năng lượng cực đại mà một ion có thể thu được bằng gia tốc cyclotron được tính qua công thức: 1 (mv)2 (qBRtach )2 Emax = mv2 = = (1.1) 2 2m 2m mv Trong đó: Rtach là bán kính tách chùm tia; Rtách = |q|B m là khối lượng ion được gia tốc. v là vận tốc của ion tại bán kính tách. q là điện tích của ion.
B là từ trường đều có phương vuông góc với mặt phẳng chuyển động của hạt được gia tốc. Việc sản xuất các động vị phóng xạ bằng gia tốc yêu cầu chùm hạt gia tốc cần có hai yếu tố sau: Các chùm hạt phải có đủ năng lượng để tạo ra phản ứng hạt nhân cần thiết và dòng chùm tia đủ lớn để cho hiệu suất thực tế. Thiết kế mặt bằng chung của một cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ bằng cyclotron được thể hiện trên hình 1.2 [17] 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ chung một cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ dùng gia tốc Cyclotron.
Các loại bức xạ phát ra trong quá trình sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclotron Như đã đề cập tại mục 1.1, để tạo ra các đồng vị phóng xạ, ta cần gia tốc chùm tia đến năng lượng đủ để xảy ra các phản ứng hạt nhân. Trong quá trình vận hành máy gia tốc cyclotron, các chùm hạt gia tốc năng lượng cao không những bắn vào bia để tạo ra đồng vị phóng xạ mà còn có khả năng va đập vào các vật liệu khác tạo ra các loại vật liệu phóng xạ bên trong hệ thống và cấu trúc xung quanh chùm tia. Các bức xạ sinh ra trong quá trình sản xuất đồng vị phóng xạ bằng máy gia tốc cyclotron có thể bao gồm: a. Bức xạ tức thời Bức xạ tức thời là bức xạ sinh ra do chùm tia gia tốc hoặc từ sự tương tác trực tiếp của chùm tia gia tốc với các vật liệu.
Bức xạ tức thời được sinh ra chỉ khi có chùm tia gia tốc (máy gia tốc được vận hành). Bức xạ tức thời chủ yếu là tia X (hoặc tia gamma) năng lượng cao và bức xạ neutron. Việc chiếu xạ trực tiếp do chùm tia gia tốc hoặc bức xạ tức thời có thể dẫn đến việc nhận liều bức xạ nguy hiểm hoặc gây chết người. Do đó các điểm truy cập vào các khu vực có thể tồn tại bức xạ tức thời cần phải có các rào cản an toàn để ngăn ngừa 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chiếu xạ do bức xạ tức thời trong quá trình vận hành máy gia tốc.
Một số địa điểm mà mức độ bức xạ tức thời có thể tăng cao do gần với trường chùm tia gia tốc cần được xem xét như các đường ống đâm xuyên vào phòng máy gia tốc mà không được che chắn, mặt sàn phía trên trần của phòng máy gia tốc, phần hệ thống che chắn trong vùng lân cận của chùm tia gia tốc. Bức xạ thứ cấp Bức xạ tức thời năng lượng cao tương tác với các vật liệu cũng có thể gây ra sự hình thành các vật liệu phóng xạ. Quá trình này thường được gọi là "kích hoạt" và các vật liệu phóng xạ được tạo ra lại có khả năng phát các tia bức xạ gọi là "bức xạ thứ cấp". Vật liệu bị kích hoạt chủ yếu phát ra bức xạ gamma và beta.
Một số vật liệu phóng xạ có thời gian sống ngắn và hoạt độ giảm nhanh chóng trong vòng vài ngày hoặc vài tuần sau khi bị kích hoạt. Một số vật liệu phóng xạ khác phải mất nhiều năm để phân rã các đồng vị đến mức ổn định. Việc chiếu xạ do các vật liệu phóng xạ này chính là phần đóng góp lớn vào liều bức xạ của các nhân viên. Vật liệu nằm trên các bộ phận đường chùm tia, từ trường, bộ hãm và dừng chùm tia, bia, detector và các thiết bị thí nghiệm khác là những nơi thường xảy ra việc kích hoạt vật liệu.
Các vật liệu khác có thể bị kích hoạt là các chất bôi trơn, nước làm mát và không khí bên trong các không gian đường chùm tia. Cần chú ý rằng hệ thống làm mát khép kín kết hợp bộ hãm chùm tia có thể chứa một số vật liệu kích hoạt dẫn đến nguy cơ chiếu xạ ngay tại thời điểm máy gia tốc vận hành và cả trong thời gian bảo trì các hệ thống này. Do vậy các tòa nhà hoặc các phòng làm mát các bộ phận hệ thống chùm tia năng lượng cao cũng cần thiết phải có các biện pháp kiểm soát ra vào. Các vật liệu nhiễm phóng xạ Vật liệu bị nhiễm phóng xạ là những thiết bị, công cụ bị nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt có thể tháo rời hoặc vật liệu bị nhiễm bẩn phóng xạ trên bề mặt nhưng có thể được loại bỏ bằng cách mài mòn hoặc phản ứng hóa học.
Các chất lỏng phóng xạ cũng là một nguồn gây nhiễm bẩn phóng xạ. Các vật liệu kích hoạt có thể trở thành một nguồn gây nhiễm bẩn phóng xạ trong quá trình hoạt động của máy gia tốc do các tác động 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mài, giũa, đốt, hàn, gia công, cắt hoặc khoan. Nhiễm bẩn phóng xạ cũng có thể xảy ra do sự kích hoạt của vật liệu vốn đã bị lão hóa hoặc xuống cấp như bụi, rỉ sét, chất bôi trơn và chất lỏng. Các nguồn phóng xạ không có nguồn gốc từ chùm tia gia tốc Các nguồn phóng xạ không có nguồn gốc từ chùm tia gia tốc có thể bao gồm: Nguồn phóng xạ hoạt độ nhỏ hoặc máy phát tia X được sử dụng trong việc hiệu chuẩn thiết bị đo, các tần số vô tuyến (RF) sử dụng để gia tốc chùm tia sinh ra các tia X khi hoạt động, do đó chúng cũng phải được hoạt động trong khu vực đã được che chắn, kín.
Một số thiết bị như ống klystron, nguồn điện áp cao và các thiết bị điện tử năng lượng cao khác cũng có thể tạo ra tia X khi hoạt động. TÁC HẠI CỦA BỨC XẠ ĐẾN SỨC KHỎE CON NGƯỜI 1. Các loại bức xạ ion hóa [1] Thuật ngữ “bức xạ” được dùng chung để mô tả hiện tương vật lý khi vật chất phát ra năng lượng dưới các dạng khác nhau vào môi trường. Có hai loại bức xạ là bức xạ không ion hóa (non - ionizing) và bức xạ ion hóa (ionizing).
Bức xạ không ion hóa là loại bức xạ có đủ năng lượng để di chuyển các nguyên tử trong một phân tử hoặc làm các nguyên tử rung động, nhưng không đủ năng lượng để bứt các điện tử ra khỏi nguyên tử (ví dụ: sóng âm, ánh sáng mắt thấy được, sóng vi ba…). Bức xạ ion hóa là loại bức xạ (một hạt hoặc một tia bức xạ bất kỳ) có đủ năng lượng để bứt các điện tử ra khỏi các nguyên tử, phân tử hoặc ion và gây ra sự ion hóa môi trường vật chất mà nó đi qua. Bức xạ ion hóa thường được chia làm hai loại là tia bức xạ hạt (α, β, neutron) và tia bức xạ điện từ (tia X và tia gamma). Tia anpha (α): Tia anpha là hạt nhân của nguyên tử hê li, mang điện tích dương và có tác dụng ion hoá rất mạnh nhưng khả năng đâm xuyên rất kém (vài centimét không khí hay da là đủ để chặn lại) tuy nhiên, nếu một chất phát tia anpha được đưa vào trong cơ thể, nó có thể tạo ra liều chiếu trong nguy hiểm đối với các mô nhạy cảm do các mô này không có lớp bảo vệ bên ngoài giống như da.
8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tia bêta (β): Tia bêta gồm có hai loại, tia bêta cộng (β+) là hạt positron mang điện tích nguyên tố dương, tia bêta trừ (β-) là hạt electron mang điện tích nguyên tố âm. Nói chung khả năng ion hoá của tia bêta kém hơn tia α rất nhiều nhưng tia bêta đâm xuyên mạnh hơn. Năng lượng của tia β có thể biến thành tia γ hay tia X khi các hạt β bị hãm lại lúc đi gần một hạt nhân của môi trường vật chất (bức xạ hãm). Tia gamma (γ): Tia gamma sinh ra từ quá trình phân rã các hạt nhân nguyên tử, từ các phản ứng hạt nhân, hay tương tác giữa các hạt như quá trình hủy cặp electron- positron.