Tài liệu An toàn bức xạ trong quá trình sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG tại Trung tâm máy gia tốc 30 MeV, Bệnh viện 108

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN QUANG HƯƠNG AN TOÀN BỨC XẠ TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT DƯỢC CHẤT PHÓNG XẠ 18F-FDG TẠI TRUNG TÂM MÁY GIA TỐC 30MeV - BỆNH VIỆN 108 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN QUANG HƯƠNG AN TOÀN BỨC XẠ TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT DƯỢC CHẤT PHÓNG XẠ 18F-FDG TẠI TRUNG TÂM MÁY GIA TỐC 30MeV - BỆNH VIỆN 108 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đàm Nguyên Bình Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại Trung tâm Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108. Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đàm Nguyên Bình đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Tôi xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng hữu ích trong những năm học vừa qua. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Lãnh đạo và các anh chị tại Trung tâm Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV, Ban Giám hiệu, Khoa Vật lý, Bộ môn Vật lý hạt nhân và Phòng Sau đại học trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2014 Học viên Nguyễn Quang Hương LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Quang Hương, học viên cao học khóa 2011 – 2013, chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao, trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ ‘‘An toàn bức xạ trong quá trình sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG tại Trung tâm máy gia tốc 30 MeV, Bệnh viện 108’’ là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu nghiên cứu thu được từ thực nghiệm và không sao chép. Học viên Nguyễn Quang Hương MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU . ........................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. AN TOÀN BỨC XẠ TRONG SẢN XUẤT ĐỒNGVỊ PHÓNG XẠ TRÊN MÁY GIA TỐC CYCLOTRON ............................................................................. 4 1.1. Máy gia tốc Cyclotron dùng cho sản xuất đồng vị phóng xạ ................................ 4 1.2. Tác hại của bức xạ đến sức khỏe con người ......................................................... 8 1.3. Tiêu chuẩn về an bức xạ trong tiếp xúc, vận chuyển vật liệu phóng xạ và quản lý chất thải phóng xạ ................................................................................................. 14 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 18 2.1. Sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclone 30 tại Trung tâm Máy gia tốc – Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 ............................................................... 18 2.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 27 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ........................................ 37 3.1. Suất liều bức xạ tại một số vị trí quan trọng Trung tâm Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV – Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 trong quá trình sản xuất 18F-FDG 34 3.2. Độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt tại phòng hotcell tổng hợp, chia liều 18F-FDG 44 3.3. Xác định hoạt độ phóng xạ của một số đồng vị phóng xạ có trong màng mỏng của cửa sổ buồng bia ................................................................................................. 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 62 PHỤ LỤC 1. BẢNG SỐ LIỆU KHẢO SÁT SUẤT LIỀU BỨC XẠ GAMMA TẠI TRUNG TÂM MÁY GIA TỐC ....................................................................................... 64 PHỤ LỤC 2. BẢNG SỐ LIỆU KHẢO SÁT SUẤT LIỀU BỨC XẠ NEUTRON TẠI TRUNG TÂM MÁY GIA TỐC ....................................................................................... 66 PHỤ LỤC 3. BẢNG SỐ LIỆU KHẢO SÁT ĐỘ NHIỄM BẨN PHÓNG XẠ BỀ MẶT TẠI PHÒNG HOTCELL TỔNG HỢP, CHIA LIỀU 18F-FDG ....................................... 67 PHỤ LỤC 4. BẢNG SỐ LIỆU DÙNG PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ TRONG LÁ HAVAR ..................................................................................................................... 68 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Cyclotron Máy gia tốc vòng PET Positron Emission Tomography; Chụp cắt lớp bằng bức xạ Positron SPECT Single Photon Emission Computed Tomography; Chụp cắt lớp bằng bức xạ đơn Photon FDG Fludeoxyglucose RF Radio frequency D Điện cực Dee α, β, γ, neutron Bức xạ anpha, beta, gamma và nơ tron DNA Deoxyribonucleic acid; là nguyên liệu di truyền ở người CT Computed Tomography; Chụp cắt lớp vi tính QCVN Quy chuẩn Việt nam BKHCN Bộ Khoa học và Công nghệ RFLL Radio frequency low level Coil Cuộn dây FDM Fluorodeoxymannose Hotcell Xưởng nóng, nơi tổng hợp, pha chế dược chất phóng xạ Lab Phòng thí nghiệm NNDC National Nuclear Data Center DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Nguyên lý gia tốc cyclotron. ............................................................................... 5 Hình 1.2. Sơ đồ chung một cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ dùng gia tốc Cyclotron. ...... 6 Hình 1.3. Minh họa đứt gãy liên kết trong phân tử AND do bức xạ ion hóa. .................. 12 Hình 2.1. Máy gia tốc Cyclone 30 của hãng IBA . ........................................................... 19 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống máy gia tốc Cyclone 30. .......................................................... 19 Hình 2.3. Sơ lược cấu tạo nguồn ion . ............................................................................... 20 Hình 2.4. Sơ lược cấu tạo hệ thống bơm chùm ion dọc trục............................................. 21 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống RF, Các điện cực Dee, lỗ và khớp nối RF. .............................. 21 Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo đường chùm . .............................................................................. 22 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý đưa proton ra. ......................................................................... 23 Hình 2.8. Giản đồ miêu tả dòng proton có thể chuyển ra ở 5 cổng khác nhau. ................ 23 Hình 2.9. Hình dạng bề ngoài (trái) và bên trong (phải) của hệ thống hotcell ................. 25 Hình 2.10. Cửa sổ thủy tinh chì để quan sát hoạt động của cánh tay rôbốt . .................... 25 Hình 2.11. Điều khiển hệ thống hoạt động thông qua máy tính bên ngoài. ..................... 26 Hình 2.12. Cấu trúc phân tử 18F-FDG. .............................................................................. 26 Hình 2.13. Sơ đồ mặt bằng khu vực máy gia tốc và các điểm khảo sát suất liều bức xạ, nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt . ............................................................................................ 28 Hình 2.14. Thiết bị AT6012A sử dụng đo suất liều bức xạ gamma ................................. 29 Hình 2.15. Phản ứng giữa neutron và He3 ........................................................................ 30 Hình 2.16. Máy đo Thermo (hình trái) và cấu tạo bên trong (hình phải). ........................ 30 Hình 2.17. Các vị trí đo độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt trong phòng hotcell. ................. 32 Hình 2.18. Thiết bị Radiagem 2000. ................................................................................. 32 Hình 2.19. Đầu dò nhiễm bẩn α/β SAB – 100. ................................................................. 32 Hình 2.20. Sơ đồ khối hệ phổ kế bán dẫn BEGe-Canberra . ............................................ 34 Hình 2.21. Khối phân tích số DSA-1000 .......................................................................... 36 Hình 3.1. Mặt ngoài hệ hotcell. ......................................................................................... 39 Hình 3.2. Khe hở đường ray cửa buồng bia dẫn đến lọt bức xạ neutron. ......................... 40 Hình 3.3. Sự thăng giáng suất liều bức xạ gamma và neutron tại cửa buồng bia trong quá trình bắn chùm tia vào bia theo các ngày sản xuất đồng vị. ....................................... 40 Hình 3.4. Sự thay đổi độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt tại phòng hotcell tổng hợp, chia liều 18F-FDG. ................................................................................................................... 45 Hình 3.5. Cấu tạo của bia lỏng đặt ngoài dùng sản xuất 18F-FDG.................................... 47 Hình 3.6. Đường chuẩn năng lượng. ................................................................................. 50 Hình 3.7. Đường cong hiệu suất ghi. ................................................................................ 52 Hình 3.8. Tỉ lệ đóng góp hoạt độ các đồng vị phóng xạ trên lá Havar được đo. .............. 56 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Giới hạn của Việt Nam về liều chiếu xạ đối với các đối tượng theo quy định tại Thông tư số 19/2012/TT-BKHCN ngày 8/11/2012 của Bộ Khoa học và Công nghệ . 16 Bảng 2.1. Một số phản ứng hạt nhân tại hệ thống bia....................................................... 24 Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật đầu dò của phổ kế AT6102A. ............................................. 29 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật đầu dò neutron FH 40 GL-10. ............................................ 31 Bảng 3.1. Trung bình suất liều bức xạ gamma tại các vị trí trong khu vực kiểm soát Trung tâm máy gia tốc. ..................................................................................................... 38 Bảng 3.2. Trung bình suất liều bức xạ neutron tại các vị trí trong thời gian bắn chùm tia gia tốc vào buồng bia. ....................................................................................................... 38 Bảng 3.3. Trung bình độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt tại phòng hotcell tổng hợp, chia liều 18F-FDG. ................................................................................................................... 44 Bảng 3.4. Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra khi chùm proton và neutron thứ cấp tương tác với lá Havar. ................................................................................................................ 48 Bảng 3.5. Thông tin nguồn gamma chuẩn. ....................................................................... 49 Bảng 3.6. Số liệu các tia gamma được chọn để chuẩn năng lượng và vị trí cực đại (kênh) tương ứng. .............................................................................................................. 50 Bảng 3.7. Diện tích đỉnh hấp thụ toàn phần của các đỉnh năng lượng được chọn để xây dựng đường cong hiệu suất ghi. ........................................................................................ 51 Bảng 3.8. Hiệu suất ghi của hệ đo với các đỉnh năng lượng được chọn để xây dựng đường cong hiệu suất ghi. ................................................................................................. 51 Bảng 3.9. Danh sách các đồng vị phóng xạ sinh tra trên lá Havar. .................................. 54 Bảng 3.10. Kết quả xác định hoạt độ các đồng vị phóng xạ trên lá Havar. ...................... 56 Bảng 3.11. Mức hoạt độ miễn trừ. .................................................................................... 57 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ứng dụng kỹ thuật bức xạ và hạt nhân hiện đang được sử dụng ngày càng nhiều và rộng rãi trên thế giới trong các lĩnh vực của đời sống như y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học, vv… và đem lại những hiệu quả kinh tế, xã hội đáng ghi nhận. Qua nhiều thập kỉ, các chất phóng xạ nhân tạo đã đem lại nhiều lợi ích to lớn trong chẩn đoán, điều trị bệnh, cũng như trong kỹ thuật khoa học, nghiên cứu, nông nghiệp và công nghiệp. Những thành tựu này đã góp phần cải thiện cuộc sống trên Trái đất với mức độ khó có thể đánh giá được. Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật bức xạ và hạt nhân cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn và an ninh bức xạ, hạt nhân, ảnh hưởng đến sức khỏe của nhân viên làm việc và cộng đồng nếu không được kiểm soát và bảo vệ chặt chẽ. Vấn đề quản lý, vận chuyển, lưu giữ chất thải phóng xạ, ảnh hưởng của phóng xạ đối với môi trường và con người là những vấn đề rất quan trọng trong công tác quản lý pháp quy về an toàn bức xạ. Trong số các cơ sở bức xạ, đáng lưu ý là các cơ sở sử dụng máy gia tốc dùng sản xuất đồng vị phóng xạ, đặc thù của các cơ sở này là thường có nhiều chất phóng xạ tồn tại bên trong hệ thống máy gia tốc, mặc dù các cơ sở vận hành máy gia tốc được thiết kế rất công phu, nhằm đảm bảo các chất phóng xạ được giam giữ trong hệ thống tòa nhà máy gia tốc nhưng rõ ràng vẫn tiềm ẩn nhiều nguy cơ có thể xảy ra các tai nạn ví dụ như các hỏng hóc hoặc hư hại máy móc, thiết bị vv…, các thiếu sót trong thiết kế, các thao tác chủ quan sai lầm của các nhân viên vận hành hoặc việc không quan tâm đúng mức tới công tác quản lý chất lượng, kiểm tra theo dõi thường xuyên để đề phòng những phát sinh bất thường. Hiện nay Bệnh viện Trung ương quân đội 108 đang quản lý và vận hành một máy gia tốc Cyclotron 30 MeV của hãng IBA đặt tại Trung tâm Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV. Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV có khả năng gia tốc hai loại hạt là proton và deuteron, 3 kênh dẫn chùm tia dùng để bắn vào các bia rắn, lỏng, khí và một kênh dùng cho nghiên cứu cơ bản về vật lý, hóa học. Máy gia tốc Cyclotron 30MeV này có khả 1 năng tạo ra khoảng 10 loại đồng vị phóng xạ được sử dụng nhiều trong y học hạt nhân là: 124I, 123I, 201Tl, 67Ga, 111In, 11C, 18F,13N, 15O, 22Na, 48V. Việc sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc Cyclotron 30MeV, quá trình tổng hợp, kiểm nghiệm, vận chuyển các dược chất phóng xạ, lưu trữ các vật liệu phóng xạ sinh ra từ quá trình sản xuất dược chất phóng xạ đòi hỏi công tác đảm bảo an toàn bức xạ phải được quan tâm một cách nghiêm ngặt, nhất là trong quá trình bắn chùm tia gia tốc vào bia để tạo đồng vị phóng xạ, các tia bức xạ gamma, tia X, chùm tia neutron được sinh ra có thể gây nguy hiểm cho các kỹ sư vận hành cũng như các nhân viên làm việc ở phạm vi gần nếu không được che chắn phù hợp. Việc khảo sát, đo đạc suất liều bức xạ gamma và suất liều chùm tia neutron trước, trong và sau khi vận hành máy gia tốc sản xuất đồng vị là việc hết sức quan trọng để đánh giá mức độ an toàn bức xạ và khả năng che chắn của các khối vật liệu. Luận văn này được thực hiện nhằm mục đích đánh giá mức độ an toàn bức xạ dựa vào các biện luận khoa học từ các phép đo suất liều bức xạ gamma và neutron, độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt tại một số địa điểm xung quanh khu vực máy gia tốc Cyclotron 30MeV trước, trong, sau khi sản xuất đồng vị phóng xạ 18F. Ngoài ra Luận văn còn tiến hành các phép đo và tính toán nhằm xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ có trong màng mỏng của cửa sổ buồng bia máy gia tốc Cyclotron 30MeV, các màng mỏng này bị kích hoạt trở thành vật liệu phóng xạ trong quá trình bắn chùm tia gia tốc vào bia, kết quả của việc xác định hoạt độ sẽ làm cơ sở tham khảo cho công tác quản lý và lưu giữ các vật liệu phóng xạ này trước khi thải ra môi trường. Với mục đích nêu trên, Luận văn được hoàn thành với bố cục gồm 3 chương: Chương 1. An toàn bức xạ trong sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclotron: Trình bày khái quát về máy gia tốc cyclotron, các loại bức xạ phát ra trong quá trình sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclotron; tác hại của bức xạ đến sức khỏe con người; các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong tiếp xúc, vận chuyển và quản vật liệu phóng xạ của Việt Nam. 2 Chương 2. Đối tượng và Phương pháp nghiên cứu: Trình bày nội dung và đối tượng khảo nghiên cứu của Luận văn, giới thiệu về máy gia tốc cyclotron 30 MeV dùng sản suất đồng vị phóng xạ, hệ thiết bị tổng hợp, chia liều dược chất phóng xạ 18FFDG, quy trình sản xuất dược chất phóng xạ 18F-FDG, các phương và thiết bị được sử dụng để khảo sát suất liều bức xạ gamma, neutron, độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt và xác định hoạt độ đồng vị phóng xạ trong màng mỏng của cửa sổ buồng bia máy gia tốc. Chương 3. Kết quả thực nghiệm và bàn luận: Trình bày kết quả khảo sát thực nghiệm phông bức xạ, suất liều bức xạ gamma và neutron trong quá trình sản xuất dược chất phóng xạ 18 F-FDG tại một số vị trí quan trọng trong khu vực máy gia tốc Cyclotron 30 MeV; xác định độ nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt tại khu vực hệ thiết bị tổng hợp, chia liều dược chất phóng xạ 18F-FDG; xác định hoạt độ của một số đồng vị phóng xạ trong màng mỏng của cửa sổ buồng bia. 3 CHƯƠNG 1 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG SẢN XUẤT ĐỒNGVỊ PHÓNG XẠ TRÊN MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 1.1. MÁY GIA TỐC CYCLOTRON DÙNG CHO SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ 1.1.1. 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 xoắn ốc và động năng của hạt tăng dần sau một số lớn lần vượt qua khoảng trống giữa hai điện cực. Hình 1.1. 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 2 2m Emax = mv2 = = Trong đó: Rtach là bán kính tách chùm tia; Rtách = (qBRtach )2 2m (1.1) mv |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 Hình 1.2. Sơ đồ chung một cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ dùng gia tốc Cyclotron. 1.1.2. 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 1.1.1, 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. (suất liều quanh chùm tia gia tốc có thể lớn hơn 1,6 Sv/giờ). 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 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. b. 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. c. 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 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. d. 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. 1.2. TÁC HẠI CỦA BỨC XẠ ĐẾN SỨC KHỎE CON NGƯỜI 1.2.1. 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 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 electronpositron. Tia gamma là một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, nhỏ hơn 10−12 m [24], không bị từ trường làm lệch hướng chuyển động do không mang điện. Nếu không tính đến phản ứng hạt nhân, tương tác của bức xạ gamma với vật chất bao gồm: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton và hiệu ứng tạo cặp electron - posistron. Khả năng ion hoá của tia gamma kém hơn rất nhiều nhưng lại có khả năng đâm xuyên rất mạnh so với các tia α và β. Bức xạ neutron: Neutron là một hạt hạ nguyên tử có trong thành phần hạt nhân nguyên tử, trung hòa về điện tích và có khối lượng bằng 1,67492716×10−27 kg [24]. Bức xạ neutron được sinh ra trong quá trình phân hạch các hạt nhân nguyên tử nặng. Neutron được chia làm 3 loại tùy thuộc vào năng lượng của chúng (neutron nhanh năng lượng lớn hơn 100 keV, neutron trung bình năng lượng từ 0,025 đến 100 keV, neutron nhiệt năng lượng nhỏ hơn 0,025 keV) [24]. Neutron là hạt không tích điện và vì vậy chúng không gây ra sự ion hoá trực tiếp môi trường mà chúng truyền qua, neutron tương tác với môi trường vật chất thông qua ba phương thức là tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và hấp thụ neutron. Tương tác của neutron với môi trường vật chất có thể kích hoạt các hạt nhân môi trường vật chất phát ra tia gamma hay các hạt tích điện thứ cấp khác gián tiếp gây ra bức xạ ion hoá. Neutron có khả năng đâm xuyên rất mạnh nhưng tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Tia X: Giống như tia gamma, tia X cũng là bức xạ điện từ nhưng có bước sóng dài hơn tia gamma. Các tính chất của tia X cũng tương tự như tia gamma. 9 1.2.2. Tác hại của bức xạ ion hóa lên cơ thể con người Sau khi Becquerel khám ra hiện tượng phóng xạ và việc ông bà Curie tìm ra chất phóng xạ tự nhiên Radium và Poloium, bắt đầu một kỉ nguyên nghiên cứu và ứng dụng đồng vị phóng xạ trong y sinh học. Cho đến nay các chất phóng xạ và các thiết bị phát bức xạ ion hóa được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, 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 người thực sự to lớn nhưng không vì thế mà con người xem nhẹ những tác hại của chúng. Có hai con đường bức xạ ion hóa tác động lên cơ thể con người, đó là chiếu xạ từ bên ngoài và chiếu xạ từ bên trong. Chiếu xạ từ bên ngoài: Nguồn chiếu xạ nằm ngoài cơ thể con người. Việc chiếu xạ xảy ra khi con người nằm trên đường đi của các tia bức xạ phát ra từ một thiết bị phát bức xạ hay các chất phóng xạ nằm bên ngoài cơ thể con người. Việc chiếu xạ có thể xảy ra đối với toàn bộ cơ thể hoặc đối với một phần cơ thể con người. Việc chiếu xạ ngoài sẽ kết thúc khi cơ thể thôi tiếp xúc với nguồn phát tia bức xạ. Chiếu xạ từ bên trong: Chiếu xạ xảy ra khi chất phóng xạ nằm bên trong cơ thể, các chất phóng xạ này có thể vào bên trong cơ thể con người bằng đường hô hấp, ăn uống, tổn thương da, sau đó lan truyền bên trong cơ thể. Chiếu xạ bên trong chỉ kết thúc khi chất phóng xạ bị đào thải ra khỏi cơ thể do sự bài tiết và do sự suy giảm cường độ phóng xạ theo thời gian. Đối với cơ thể sống, Tác động sinh học cơ bản và nguy hiểm nhất của bức xạ ion hóa là quá trình ion hoá xảy ra trong các tổ chức mô khi bức xạ đi qua. Sự ion hóa những phân tử nước (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 người, sự thay đổi này có thể tự biểu lộ qua các triệu trứng bệnh lý như ốm mệt do phóng xạ, đục thủy tinh thể hoặc về lâu dài là ung thư. 10