I. Liều Kế Quang Phát Quang Tổng quan công nghệ đột phá
Trong bối cảnh khoa học hạt nhân phát triển, việc giám sát và đảm bảo an toàn bức xạ cho con người ngày càng trở nên quan trọng. Liều kế quang phát quang (OSL), hay còn gọi là OSLD, nổi lên như một công nghệ tiên tiến, cung cấp giải pháp đo lường liều bức xạ cá nhân với độ chính xác và độ nhạy vượt trội. Công nghệ này sử dụng vật liệu quang phát quang, điển hình là Al2O3:C (Nhôm oxit pha carbon), để ghi nhận và lưu trữ năng lượng từ bức xạ ion hóa. Khi được kích thích bởi một nguồn sáng phù hợp, vật liệu này sẽ giải phóng năng lượng đã hấp thụ dưới dạng ánh sáng, cường độ của ánh sáng này tỷ lệ thuận với liều bức xạ đã nhận. So với liều kế nhiệt phát quang (TLD) truyền thống, liều kế OSL mang lại nhiều ưu điểm như khả năng đọc lại nhiều lần mà không làm mất thông tin liều, độ nhạy cao hơn ở mức liều thấp và quy trình đọc nhanh chóng, không cần gia nhiệt. Nghiên cứu tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM, một đơn vị trực thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, tập trung vào việc xác định các đặc trưng cơ bản của liều kế OSL loại Inlight model 2. Mục tiêu là đánh giá chất lượng và độ tin cậy của chúng theo các tiêu chuẩn quốc tế như IEC, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn trong việc giám sát liều chiếu cho nhân viên bức xạ và trong lĩnh vực y học hạt nhân.
1.1. Tầm quan trọng của kỹ thuật đo liều bức xạ cá nhân
Bức xạ ion hóa tồn tại khắp nơi nhưng không thể cảm nhận bằng giác quan. Việc tiếp xúc với liều lượng cao có thể gây ra những tổn thương nghiêm trọng cho cấu trúc tế bào và ADN, làm tăng nguy cơ mắc các bệnh nguy hiểm. Do đó, việc đo liều bức xạ cá nhân là một yêu cầu bắt buộc đối với các nhân viên bức xạ, kiểm xạ viên và bất kỳ ai làm việc trong môi trường có nguồn phóng xạ. Liều kế cá nhân đóng vai trò như một thiết bị ghi nhận liều tích lũy theo thời gian, giúp các tổ chức và cá nhân kiểm soát mức độ phơi nhiễm, đảm bảo không vượt quá giới hạn an toàn theo quy định. Việc sử dụng các thiết bị đo chính xác như liều kế OSL giúp đưa ra những cảnh báo kịp thời, bảo vệ sức khỏe người lao động và tuân thủ các quy định pháp lý về an toàn bức xạ.
1.2. Giới thiệu công nghệ liều kế OSL và vật liệu Al2O3 C
Công nghệ liều kế quang phát quang (OSL) dựa trên hiện tượng các electron trong cấu trúc tinh thể của vật liệu bị bắt giữ tại các "bẫy" năng lượng khi tiếp xúc với bức xạ. Vật liệu quang phát quang được sử dụng phổ biến nhất là Al2O3:C. Vật liệu này có số nguyên tử hiệu dụng (Zeff = 11.3) gần tương đương với mô mềm của cơ thể, cho phép mô phỏng chính xác sự hấp thụ liều. Khi cần đọc liều, một nguồn sáng (thường là ánh sáng xanh lục) sẽ kích thích các electron bị bẫy, khiến chúng tái hợp với các lỗ trống và phát ra ánh sáng (màu xanh lam). Cường độ phát quang này được ống nhân quang điện (PMT) ghi lại và chuyển đổi thành giá trị liều. Quá trình này không phá hủy toàn bộ các bẫy electron, cho phép đọc lại liều kế nhiều lần để xác nhận kết quả.
1.3. So sánh liều kế OSL và liều kế nhiệt phát quang TLD
Cả OSL và liều kế nhiệt phát quang (TLD) đều là liều kế thụ động, nhưng có sự khác biệt cơ bản về nguyên lý hoạt động và tính năng. TLD yêu cầu gia nhiệt đến nhiệt độ cao để giải phóng năng lượng, quá trình này sẽ xóa hoàn toàn thông tin liều đã ghi. Ngược lại, kỹ thuật OSL sử dụng ánh sáng để kích thích, chỉ một phần nhỏ electron được giải phóng trong mỗi lần đọc, do đó liều kế có thể được đọc lại nhiều lần. Hơn nữa, liều kế OSL có độ nhạy của liều kế cao hơn, đặc biệt ở các mức liều thấp, và không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường như TLD. Quy trình đọc OSL cũng nhanh hơn và tự động hóa dễ dàng hơn, giúp nâng cao hiệu suất trong các phòng thí nghiệm hiệu chuẩn liều kế quy mô lớn.
II. Thách thức trong việc giám sát an toàn bức xạ chính xác
Việc giám sát liều chiếu cá nhân đối mặt với nhiều thách thức để đảm bảo kết quả đo lường đáng tin cậy. Một trong những yêu cầu cốt lõi là độ chính xác và độ ổn định của thiết bị đo. Các yếu tố như sự thay đổi của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm), sự lão hóa của vật liệu liều kế, và độ ổn định của hệ thống đọc đều có thể gây ra sai số. Đặc biệt, việc xác định chính xác liều ở mức thấp, gần với phông bức xạ tự nhiên, đòi hỏi thiết bị phải có ngưỡng nhạy rất tốt. Ngoài ra, các nhân viên bức xạ trong thực tế có thể bị chiếu xạ từ nhiều hướng khác nhau và bởi các nguồn có phổ năng lượng đa dạng (tia X, gamma). Do đó, một liều kế cá nhân lý tưởng phải có đáp ứng không phụ thuộc vào góc chiếu và năng lượng bức xạ. Luận văn “Xác định một số đặc trưng của liều kế quang phát quang tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh” đã tập trung giải quyết những thách thức này bằng cách thực hiện một loạt thực nghiệm để kiểm tra và xác nhận các đặc tính quan trọng của liều kế OSL, đảm bảo chúng đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe trước khi được đưa vào sử dụng rộng rãi.
2.1. Yêu cầu về độ chính xác trong giám sát liều chiếu
Độ chính xác là yếu tố sống còn trong lĩnh vực an toàn bức xạ. Một kết quả đo liều lượng phóng xạ không chính xác có thể dẫn đến hai kịch bản nguy hiểm: đánh giá thấp liều thực tế, gây nguy cơ phơi nhiễm quá mức cho người lao động; hoặc đánh giá quá cao, gây ra lo lắng không cần thiết và có thể dẫn đến quyết định sai lầm trong công việc. Các tiêu chuẩn quốc tế như của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) đã đưa ra những yêu cầu nghiêm ngặt về độ không đảm bảo đo, độ lặp lại, và độ tuyến tính. Việc hiệu chuẩn liều kế định kỳ và kiểm tra các đặc trưng của chúng là bắt buộc để đảm bảo mọi phép đo đều nằm trong giới hạn sai số cho phép, cung cấp dữ liệu đáng tin cậy cho việc quản lý sức khỏe nghề nghiệp.
2.2. Ảnh hưởng của môi trường và suy giảm tín hiệu OSL
Tín hiệu lưu trữ trong liều kế OSL có thể bị suy giảm theo thời gian do các electron tự thoát khỏi bẫy năng lượng, hiện tượng này được gọi là suy giảm tín hiệu OSL (fading). Mức độ suy giảm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trường lưu trữ. Theo tiêu chuẩn IEC 61066:2006, mức suy giảm không được vượt quá 5% trong 30 ngày. Nghiên cứu phải đánh giá đặc tính này để xác định chu kỳ sử dụng và điều kiện bảo quản tối ưu cho liều kế. Ngoài ra, ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng mạnh trong môi trường làm việc cũng có thể kích thích và làm mất tín hiệu, đòi hỏi liều kế phải được bảo vệ trong vỏ nhựa che sáng cẩn thận.
2.3. Sự phụ thuộc vào năng lượng và góc chiếu của bức xạ
Trong thực tế, nhân viên bức xạ có thể làm việc với nhiều loại nguồn khác nhau, từ tia X năng lượng thấp trong chẩn đoán hình ảnh đến tia gamma năng lượng cao trong xạ trị. Một liều kế hiệu quả phải cho kết quả đo nhất quán trên một dải năng lượng rộng. Tương tự, bức xạ có thể đến từ nhiều hướng khác nhau, không chỉ theo hướng trực diện. Sự phụ thuộc vào góc chiếu phải được kiểm soát trong một giới hạn cho phép (ví dụ, ±15% trong khoảng góc từ -60° đến +60° theo IEC 61066:2006). Cấu trúc của liều kế với các bộ lọc khác nhau được thiết kế để bù trừ các ảnh hưởng này, đảm bảo giá trị Tương đương liều cá nhân Hp(10) được xác định một cách chính xác.
III. Phương pháp xác định các đặc trưng của liều kế OSL
Để đánh giá toàn diện chất lượng của liều kế quang phát quang, nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (nay là Trung tâm Hạt nhân TP.HCM) đã áp dụng một quy trình thực nghiệm chặt chẽ, tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế. Phương pháp chính là chiếu xạ các nhóm liều kế với các mức liều và phẩm chất bức xạ đã biết trước tại Phòng chuẩn liều cấp 2 (SSDL), sau đó đọc và phân tích kết quả bằng hệ đọc microStar. Các đặc trưng quan trọng được khảo sát bao gồm: ngưỡng nhạy (mức liều thấp nhất có thể đo), độ đồng đều (mức độ sai khác giữa các liều kế trong cùng một lô), độ lặp lại (sự ổn định của kết quả sau nhiều lần đo), và đáp ứng tuyến tính (mối quan hệ giữa liều đọc được và liều chiếu chuẩn). Bên cạnh đó, các yếu tố ảnh hưởng như suy giảm tín hiệu OSL theo thời gian và sự phụ thuộc vào góc chiếu cũng được kiểm tra kỹ lưỡng. Mỗi thực nghiệm đều được thiết kế để cô lập và đánh giá một đặc trưng cụ thể, sử dụng các phương pháp thống kê để xác định giá trị trung bình và độ không đảm bảo đo, đảm bảo tính khoa học và độ tin cậy của kết quả.
3.1. Quy trình hiệu chuẩn liều kế tại phòng chuẩn SSDL
Quá trình hiệu chuẩn liều kế bắt đầu bằng việc xóa toàn bộ liều tồn dư bằng thiết bị chuyên dụng (Annealer). Sau đó, các liều kế được gắn lên một phantom nước (ISO slab phantom) để mô phỏng cơ thể người. Chúng được chiếu xạ bằng các nguồn chuẩn, bao gồm nguồn gamma Cs-137 và hệ chiếu tia X phổ hẹp theo tiêu chuẩn ISO 4037:2019. Suất liều của trường chiếu chuẩn được xác định với độ chính xác cao, có liên kết chuẩn với các phòng thí nghiệm quốc tế. Các điều kiện môi trường như nhiệt độ và áp suất được ghi nhận và hiệu chỉnh trong quá trình tính toán thời gian chiếu. Quy trình này đảm bảo rằng mỗi liều kế nhận được một giá trị liều chiếu chuẩn xác, làm cơ sở để đánh giá hiệu suất của chúng.
3.2. Đánh giá độ nhạy của liều kế và độ ổn định hệ đọc
Trước khi tiến hành các phép đo chính, độ ổn định của hệ đọc microStar được kiểm tra thông qua các thông số Dark (dòng tối), Cal (hiệu chuẩn PMT) và Led (độ ổn định nguồn sáng). Độ nhạy của liều kế được xác định thông qua ngưỡng nhạy, được tính bằng ba lần độ lệch chuẩn của giá trị phông nội tại từ một nhóm lớn liều kế không bị chiếu xạ. Ngưỡng nhạy thấp cho thấy liều kế có khả năng phát hiện các mức liều rất nhỏ, một yếu tố quan trọng trong việc giám sát liều chiếu hàng tháng, nơi mà liều tích lũy có thể không cao. Kết quả từ luận văn cho thấy ngưỡng nhạy đạt 0,042 mSv, gần với giá trị 0,05 mSv do nhà sản xuất cung cấp.
3.3. Kỹ thuật kiểm tra độ lặp lại và đáp ứng tuyến tính
Độ lặp lại đánh giá sự ổn định của một liều kế qua nhiều chu kỳ chiếu-đọc-xóa. Thí nghiệm được thực hiện bằng cách chiếu cùng một mức liều cho một nhóm liều kế 10 lần liên tiếp và phân tích sự biến thiên của kết quả. Một liều kế cá nhân tốt phải cho kết quả nhất quán sau mỗi lần đo. Đáp ứng tuyến tính được khảo sát bằng cách chiếu các nhóm liều kế với các mức liều khác nhau trong một dải rộng (ví dụ, từ 0,1 mSv đến 10 mSv). Mối quan hệ giữa liều đọc và liều chiếu phải là một đường thẳng. Độ lệch so với đường tuyến tính lý tưởng phải nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn IEC 62387:2020. Đây là đặc trưng quan trọng để đảm bảo liều kế đo chính xác trên toàn dải làm việc.
IV. Phân tích kết quả nghiên cứu đặc trưng liều kế OSL
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm từ khóa luận cung cấp những bằng chứng khoa học vững chắc về chất lượng của liều kế quang phát quang loại Inlight model 2 đang được sử dụng tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM. Các phân tích cho thấy hầu hết các đặc trưng cơ bản của liều kế đều đáp ứng hoặc vượt qua các yêu cầu của tiêu chuẩn quốc tế. Cụ thể, độ đồng đều của các liều kế trong cùng một lô sản xuất nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo tính nhất quán khi cấp phát cho người sử dụng. Độ lặp lại sau 10 lần chiếu-đọc cho thấy sự ổn định cao của vật liệu Al2O3:C và hệ thống đọc. Đặc biệt, đáp ứng tuyến tính trong dải liều thấp được xác nhận là rất tốt, cho thấy khả năng đo chính xác các mức liều thường gặp trong môi trường làm việc. Mặc dù có một vài sai lệch nhỏ ở mức liều rất thấp (0,05 mSv), nhưng tổng thể, các kết quả này khẳng định liều kế OSL là một công cụ đáng tin cậy cho việc giám sát liều chiếu cá nhân, góp phần nâng cao hiệu quả công tác an toàn bức xạ.
4.1. Kết quả xác định độ đồng đều và độ lặp lại của liều kế
Nghiên cứu trên 100 liều kế OSL chia thành 20 nhóm cho thấy độ đồng đều (hệ số biến thiên) của từng nhóm đều nhỏ hơn 30% theo yêu cầu của IEC 61066:2006. Kết quả tốt nhất là 2,65% và cao nhất là 14,96%, cho thấy chất lượng sản xuất đồng bộ. Về độ lặp lại, thí nghiệm trên 15 liều kế qua 10 lần đo cho thấy các thông số đánh giá S_j và S_i lần lượt đạt 0,062 và 0,037, đều nhỏ hơn giới hạn 0,075 của tiêu chuẩn IEC 62387:2020. Điều này chứng tỏ liều kế có thể cung cấp kết quả đo ổn định và nhất quán qua nhiều chu kỳ sử dụng, một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với liều kế cá nhân được tái sử dụng.
4.2. Đánh giá đáp ứng tuyến tính trong dải liều thấp
Đáp ứng tuyến tính được khảo sát trong dải liều từ 0,05 mSv đến 10 mSv. Kết quả cho thấy hệ số tương quan tuyến tính R² rất cao, chứng tỏ mối quan hệ chặt chẽ giữa liều chiếu và liều đọc. Thông số đánh giá đáp ứng tuyến tính (ρ) nằm trong khoảng cho phép từ -13% đến +18% theo IEC 62387:2020 cho hầu hết các mức liều. Đặc biệt, trong dải liều từ 0,1 mSv đến 1 mSv, là dải liều thường gặp nhất trong giám sát hàng tháng, đáp ứng của liều kế là rất tốt. Kết quả này khẳng định khả năng đo liều lượng phóng xạ chính xác của hệ thống liều kế OSL.
4.3. Phân tích suy giảm tín hiệu OSL và sự phụ thuộc góc chiếu
Luận văn cũng tiến hành khảo sát suy giảm tín hiệu OSL theo thời gian và sự phụ thuộc vào góc chiếu. Các kết quả ban đầu cho thấy mức độ suy giảm tín hiệu nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn, đảm bảo rằng liều kế có thể được lưu trữ và sử dụng trong chu kỳ 3 tháng mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Thí nghiệm về sự phụ thuộc góc chiếu cũng cho thấy các bộ lọc trên thân liều kế hoạt động hiệu quả, giúp giảm thiểu sai số khi bức xạ đến từ các hướng khác nhau. Những phân tích này hoàn thiện bức tranh tổng thể về hiệu suất của liều kế, xác nhận sự phù hợp của chúng với các ứng dụng thực tế trong y học hạt nhân và công nghiệp.
V. Tương lai của kỹ thuật OSL và an toàn bức xạ Việt Nam
Việc xác định thành công các đặc trưng của liều kế quang phát quang tại Trung tâm Hạt nhân TP.HCM không chỉ là một thành tựu nghiên cứu khoa học mà còn mở ra một chương mới cho công tác an toàn bức xạ tại Việt Nam. Kết quả này khẳng định rằng các cơ sở trong nước hoàn toàn có đủ năng lực để tự chủ trong việc kiểm định, hiệu chuẩn liều kế và đảm bảo chất lượng của các dịch vụ đo liều cá nhân theo tiêu chuẩn quốc tế. Trong tương lai, kỹ thuật OSL hứa hẹn sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn, thay thế dần các công nghệ cũ. Tiềm năng mở rộng bao gồm việc giám sát môi trường, đo liều cho bệnh nhân trong xạ trị và chẩn đoán hình ảnh, và thậm chí trong lĩnh vực khảo cổ học để xác định niên đại. Sự phát triển này, cùng với sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý như Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, sẽ góp phần xây dựng một hệ thống giám sát liều chiếu toàn diện và hiện đại, bảo vệ tốt hơn sức khỏe của nhân viên bức xạ và cộng đồng, đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng nguyên tử và ứng dụng hạt nhân tại Việt Nam.
5.1. Ứng dụng thực tiễn cho kiểm xạ viên và nhân viên bức xạ
Liều kế OSL với các đặc tính đã được kiểm chứng là công cụ lý tưởng cho việc giám sát liều chiếu định kỳ của kiểm xạ viên và nhân viên bức xạ. Khả năng đọc lại cho phép xác minh các kết quả liều cao bất thường, trong khi độ nhạy cao giúp ghi nhận chính xác liều tích lũy ngay cả trong môi trường có mức bức xạ thấp. Quy trình đọc nhanh và tự động giúp giảm thời gian xử lý và trả kết quả, cho phép các đơn vị quản lý có thông tin kịp thời để đưa ra các biện pháp can thiệp cần thiết, đảm bảo môi trường làm việc an toàn và tuân thủ các quy định pháp luật.
5.2. Vai trò của liều kế cá nhân trong ngành y học hạt nhân
Ngành y học hạt nhân sử dụng các nguồn phóng xạ mạnh cho chẩn đoán (PET, SPECT) và điều trị (xạ trị). Do đó, nhân viên y tế trong lĩnh vực này có nguy cơ phơi nhiễm bức xạ cao. Việc trang bị liều kế cá nhân OSL đáng tin cậy là cực kỳ quan trọng. Nó không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe của bác sĩ, kỹ thuật viên mà còn là một phần của quy trình đảm bảo chất lượng, giúp tối ưu hóa các kỹ thuật làm việc để giảm liều chiếu không cần thiết cho cả nhân viên và bệnh nhân. Sự chính xác của liều kế OSL đóng vai trò then chốt trong việc duy trì tiêu chuẩn an toàn bức xạ cao nhất trong môi trường y tế.
5.3. Định hướng phát triển và tiêu chuẩn hóa tại Việt Nam
Thành công của nghiên cứu này là cơ sở để tiến tới việc tiêu chuẩn hóa quy trình kiểm định và sử dụng liều kế quang phát quang trên toàn quốc. Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam và các cơ quan liên quan có thể dựa vào các kết quả này để xây dựng các hướng dẫn kỹ thuật và quy định quốc gia. Việc tự chủ trong công nghệ hiệu chuẩn liều kế sẽ giúp giảm chi phí, tăng cường tính sẵn có của dịch vụ và nâng cao năng lực quản lý nhà nước về an toàn bức xạ. Trong dài hạn, việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu OSL mới, cũng như các hệ thống đọc hiện đại hơn, sẽ tiếp tục củng cố vị thế của Việt Nam trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ hạt nhân.
