Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

Tải bản đầy đủ - 0trang

ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



1.2 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất

Độ suy giảm của chùm photon truyền qua lớp vật liệu sẽ bị hấp thụ và gây ra

5 loại tương tác khác nhau. Một trong số đó, hiệu ứng hủy photon chỉ xảy ra khi

năng lượng photon lớn hơn 10 MeV tương tác với hạt nguyên tử vật chất, sinh ra

notron. Còn 4 hiệu ứng khác là hiệu ứng tán xạ đàn hồi, hiệu ứng quang điện, hiệu

ứng tán xạ compton và hiệu ứng tạo cặp phụ thuộc vào năng lượng chùm photon và

nguyên tử số của môi trường vật chất. Hệ số suy giảm tồn phần trong q trình

tương tác của chùm photon là tổng của các suy giảm thành phần, ta có:

(1.1)

Ở đây, là những hằng số của các hiệu ứng tán xạ đàn hồi, hiệu ứng quang

điện, hiệu ứng tán xạ compton và hiệu ứng tạo cặp.

1.2.1 Hiệu ứng tán xạ đàn hồi

Tán xạ đàn hồi còn được biết đến như q trình mà bức xạ sóng điện từ

truyền qua, gần với electron và làm cho electron bị dao động. Khi electron dao động

sẽ phát bức xạ có năng lượng đúng với tần số của chùm sóng tới. Chùm tia X tán xạ

có cùng bước sóng của chùm tia tới.



Hình 1.1 . Hiệu ứng tán xạ đàn hồi

Do vậy, sẽ không có sự thay đổi năng lượng nào xảy ra với sự chuyển động

của electron và cũng khơng có sự hấp thụ năng lượng nào xảy ra trong mơi trường.

Chỉ có hiện tượng chùm photon bị tán xạ theo một góc nhỏ. Tán xạ đàn hồi xảy ra

khi chùm photon có năng lượng thấp và mơi trường vật chất có ngun tử số cao.



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 15



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



1.2.2 Hiệu ứng quang điện

Khi gamma tương tác với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất

và năng lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên

tử. Electron này được gọi là quang electron [1]. Trong q trình này, tồn bộ năng

lượng hv của photon được truyền cho electron nguyên tử. Khi đó, động năng của

electron bị bật ra (gọi là quang electron) có giá trị là : hv- , ở đây là năng lượng liên

kết của electron. Tương tác loại này có thể xảy ra với những electron trong các lớp

vỏ K, L, M, N.

Sau khi electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử sẽ tạo ra chỗ trống tại lớp vỏ

và nguyên tử sẽ nằm trong trạng thái bị kích thích. Chỗ trống này có thể được lấp

đầy bởi một electron ở quỹ đạo ngoài kèm theo sự phát ra hoặc các bức xạ đặc trưng

(tia X) hoặc các electron Auger. Những electron này được sinh ra do hấp thụ các

bức xạ đặc trưng nội tại, gần hạt nhân (các electron bên trong nguyên tử). Vì năng

lượng liên kết của các electron tại lớp vỏ K trong mô mềm là rất nhỏ, chỉ khoảng

0,5 KeV nên năng lượng của các bức xạ đặc trưng sinh ra do hấp thụ về mặt sinh

học cũng sẽ rất thấp và có thể xem như sự hấp thụ tại chỗ.



Hình 1.2. Hiệu ứng quang điện

Với chùm photon năng lượng cao hơn và nguyên tử số của môi trường lớn

hơn thì bức xạ đặc trưng sẽ có năng lượng cao hơn và có thể truyền năng lượng tới

khoảng cách xa hơn so với các photon electron. Trong những trường hợp này, sự

hấp thụ năng lượng tại chỗ sẽ giảm đi do năng lượng phát ra dưới dạng các bức xạ

đặc trưng (gọi là bức xạ huỳnh quang) và được xem là sự hấp thụ từ xa.

Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 16



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



1.2.3 Hiệu ứng Compton

Trong hiệu ứng tán xạ Compton, các photon tương tác với electron tự do của

nguyên tử. Thuật ngữ “tự do” ở đây có nghĩa là năng lượng liên kết của electron

nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của photon tới. Trong tương tác này, electron

nhận được một phần năng lượng của photon và bị bắn lệch ra một góc còn bản thân

photon bị giảm năng lượng và lệch khỏi quỹ đạo một góc .



Hình 1.3. Hiệu ứng tán xạ compton

Quá trình xảy ra hiệu ứng compton có thể được phân tích như va chạm của 2

hạt, một là photon và một là electron. Bằng cách áp dụng định luật bảo toàn năng

lượng và xung lượng, ta có thể thu được mối quan hệ sau:

(1.2)

Trong đó hv0, hv’ và E là năng lượng của photon tới, photon tán xạ và của

electron; còn và là năng lượng nghỉ của electron (0,511 MeV).

1.2.4 Hiệu ứng tạo cặp

Nếu năng lượng của photon lớn hơn 1,02 MeV thì photon có thể tương tác

với vật chất qua cơ chế tạo cặp. Trong quá trình này, photon tương tác mạnh với

trường điện từ của hạt nhân nguyên tử và mất toàn bộ năng lượng của nó cho q

trình tạo ra cặp electron và positron. Vì năng lượng nghỉ của electron tương đương

với 0,51 MeV nên năng lượng tối thiểu đòi hỏi để sinh ra hiệu ứng tạo cặp là 1,02

MeV. Vì vậy, năng lượng ngưỡng của hiệu ứng tạo cặp là 1,02 MeV. Năng lượng

photon vượt ngưỡng này sẽ được chia cho các hạt và biến thành động năng. Tổng

động năng chứa trong cặp electron- positron là (hv- 1,02) MeV.

Quá trình tạo cặp là một ví dụ của hiện tượng năng lượng bị biến đổi thành

khối lượng, đúng như Einstein đã tiên đốn: E= mc 2. Q trình ngược, chủ yếu khối



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 17



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



lượng biến đổi thành năng lượng diễn ra khi một positron kết hợp với electron để

tạo ra 2 photon và gọi là bức xạ hủy cặp.



Hình 1.4. Hiệu ứng tạo cặp

Chùm tia X được sinh ra từ một bia hay chùm tia phát ra từ một nguồn

phóng xạ bao gồm số lượng rất lớn các photon và thường có nhiều mức năng lượng

khác nhau. Chùm photon có thể được mơ tả theo nhiều thuật ngữ, trong đó một số

được định nghĩa như sau:

1)



Thơng lượng của các photon là tỉ số của dN/d, ở đây dN là số lượng



photon đi qua một tiết diện d.

2)



Tốc độ dòng hay mật độ dòng J là lưu lượng dòng trên một đơn vị



thời gian:

(1.3)

3)



Thơng năng ψ là tỉ số của dE fl/dα, ở đây dEfl là tổng các mức năng



lượng của tất cả các photon đi vào khối cầu ảo:

Ψ= dEfl/dα



(1.4)



Trường hợp với chùm photon đơn năng thì dE fl chính là tích số các photon

dN với năng lượng hv mà mỗi photon mang theo:

dEfl= dN × hv

4)



(1.5)



Suất thông năng, mật độ thông năng hoặc cường độ φ là tỉ số của



thông năng trên một đơn vị thời gian:

φ = dψ/dt



(1.6)



1.2.5 Sự suy giảm chùm tia



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 18



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



Thực nghiệm đã xác định đặc tính suy giảm của chùm photon. Khi truyền

qua môi trường vật chất, chùm photon có thể bị tán xạ hoặc bị hấp thụ hồn tồn.

Trong những điều kiện đó, sự suy giảm số lượng các tia photon (dN) sẽ tỉ lệ với số

lượng các photon tới (N) và độ dày lớp hấp thụ (dx). Nghĩa là:

dN ~ Ndx

hay dN= -µNdx

Ở đây, µ là hằng số tỉ lệ và còn gọi là hằng số suy giảm. Dấu trừ có nghĩa là

số lượng các photon giảm dần khi độ dày lớp hấp thụ tăng. Phương trình trên có thể

biểu diễn theo cách khác, chẳng hạn theo cường độ I, ta có:

dI= -µIdx

hay: dI/I= -µdx

Nếu độ dày x được biểu diễn theo độ dài, khi đó µ được gọi là hệ số suy

giảm tuyến tính. Chẳng hạn, nếu độ dày được đo theo cm thì đơn vị µ được tính

theo cm-1.

Phương trình trên cũng giống như phương trình mơ tả sự phân hủy bức xạ và

cũng tương tự như hằng số phân hủy λ. Do đó ta có thể biểu diễn phương trình trên

thành:

I(x)= I0e-µx



(1.7)



Ở đây, I(x) là cường độ chùm photon truyền qua độ dày x và I o là cường độ

của chùm photon tới. Tương tự như thuật ngữ chu kỳ bán hủy, lớp bán hấp thụ

(HVL) được xác định là độ dày của lớp vật chất làm suy giảm cường độ chùm tia đi

một nửa so với ban đầu.

1.2.6 Hệ số suy giảm

Như đã đề cập, hằng số suy giảm µ có đơn vị là cm -1. Nói chung, hệ số này

phụ thuộc vào năng lượng của chùm photon và bản chất của mơi trường hấp thụ. Vì

sự suy giảm tùy thuộc độ dày x của lớp hấp thụ, nghĩa là số các electron có mặt tại

độ dày đó nên µ cũng sẽ phụ thuộc vào mật độ ρ của môi trường vật chất. Nếu đem

chia µ cho mật độ ρ (µ/ρ) ta có khái niệm hệ số suy giảm khối lượng. Hệ số suy

giảm khối lượng có thứ nguyên là cm2/g vì µ/ρ = cm-1/ (g/cm3).



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 19



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



Tương tự hai hệ số trên, ta có hệ số suy giảm điện tử µ e và hệ số suy giảm

ngun tử µa. Khi đó ta có:

µa= µ/ρx1/N0 cm2/electron và

µa= µ/ρxZ/N0 cm2/nguyên tử

Ở đây, Z là số nguyên tử và N0 là các số electron/g, N0 được tính theo:

N0= NA/Nw



(1.8)



Trong đó, NA là số Avogadro và Aw là trọng lượng nguyên tử.

1.2.7 Hệ số truyền năng lượng

Khi một photon tương tác với nguyên tử vật chất thì một phần hoặc tồn bộ

năng lượng của nó được biến đổi thành động năng của các electron. Nếu chỉ một

phần năng lượng của photon truyền cho electron thì bản thân photon sẽ bị tán xạ và

hao phí năng lượng. Photon tán xạ có thể tiếp tục tương tác và lại truyền một phần

hoặc tồn bộ năng lượng của nó cho electron. Vì vậy, một photon có thể gặp một

hoặc nhiều tương tác, trong đó năng lượng bị mất do photon chuyển đổi thành động

năng của điện tử. Nếu ta xem chùm photon truyền trong môi trường vật chất và một

phần năng lượng hao phí được chuyển thành động năng của hạt tích điện trên một

đơn vị độ dài, khi đó hiện tượng sẽ được gọi là sự truyền năng lượng và được đánh

giá bằng hệ số truyền năng lượng (µtr). Hệ số này được tính theo:

µtr =



(1.9)



Ở đây, là năng lượng trung bình biến đổi thành động năng của hạt tích điện

khi tương tác. Hệ số truyền khối lượng được tính bằng µtr/ρ. [6]

1.2.8 Hệ số hấp thụ năng lượng

Hầu hết các electron chuyển động và tương tác cũng sẽ hao phí năng lượng

do va chạm khơng đàn hồi (kích thích hoặc ion hóa) với các electron của ngun tử

mơi trường vật chất. Một số ít trường hợp, tùy thuộc vào số nguyên tử của vật chất

mà sự hao phí năng lượng do tương tác và tạo ra bức xạ hãm với hạt nhân nguyên

tử. Năng lượng bức xạ hãm được phát ra dưới dạng các tia X và khơng được tính

đến cho năng lượng bị hấp thụ tại chỗ.



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 20



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



Hệ số hấp thụ năng lượng (µen) được định nghĩa là sản phẩm của hệ số truyền

năng lượng và có giá trị bằng (1-g), ở đây g là phần năng lượng của hạt mang điện

thứ cấp trong mơi trường tương tác bị hao phí dưới dạng bức xạ hãm.

µen= µtr(1-g)



(1.10)



Như đã đề cập, hệ số hấp thụ năng lượng được tính bằng µ en/ρ. Vì hầu hết

mọi tương tác trong môi trường mô cơ thể hoặc môi trường có nguyên tử số Z thấp

trong đó các electron hao phí gần như tồn bộ năng lượng do va chạm ion hóa, còn

thành phần bức xạ hãm xem như khơng đáng kể. vì vậy, kết quả sẽ là:

µen= µtr



(1.11)



Những hệ quả này có thể sẽ khác nhau một cách đáng kể khi các hạt thứ cấp

mang điện có động năng lớn và mơi trường vật chất có số ngun tử cao. Hệ số hấp

thụ năng lượng là một đại lượng rất quan trọng trong lĩnh vực xạ trị, bởi nó cho

phép đánh giá năng lượng bị hấp thụ trong mô và cho phép tiên lượng hiệu quả sinh

học của bức xạ. [2]



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 21



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



CHƯƠNG 2

CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ

Trong xạ trị với chùm tia ngồi thì bệnh nhân và khối u trong cơ thể bệnh

nhân được chiếu xạ với các chùm tia bức xạ ngoài, và khi ấy khoảng cách từ nguồn

tới bệnh nhân có một khoảng cách nhất định. Hầu hết xạ trị với chùm tia ngoài đều

sử dụng chùm photon, một vài trường hợp sử dụng chùm electron và một số ít

trường hợp dùng các loại chùm hạt như proton, các chùm hạt ion nặng hoặc notron.

Trong chương này sẽ giải quyết các vấn đề với xạ trị chùm ion ngoài. Các

chùm photon ngoài này được đặc trưng bởi tất cả các thông số vật lý giống nhau

trong tất cả các cơng thức tính tốn, nhưng sẽ khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc

mỗi chùm tia, thiết bị tạo ra chùm tia và năng lượng của mỗi chùm tia ấy. Ở đây chủ

yếu xét tới chùm tia X trong máy gia tốc hay máy X-quang và chùm tia gamma

trong hạt nhân phóng xạ, tính tốn các đại lượng liều sinh ra do tương tác của các

chùm photon với cơ thể người.

2.1



Các thơng số xạ trị

Có 3 loại máy dùng trong xạ trị chùm tia ngoài bằng chùm photon được thực



hiện:máy photon năng lượng thấp, đồng vị phóng xạ Co 60, máy gia tốc. Các thơng

số chính trong sự phân bố liều của chùm tia ngoài với chùm tia photon là : độ sâu

điều trị, kích thước trường chiếu, kỹ thuật xạ trị SSD (khoảng cách từ nguồn tới bề

mặt da) hay kỹ thuật SAD (khoảng cách từ nguồn tới điểm đồng tâm), và năng

lượng chùm photon.

Bảng 2.1: Độ sâu điển hình đối với liều tối đa tại z max với năng lượng chùm tia

photon khác nhau và kích thước trường chiếu là 5×5 cm2.

Bề mặt Photon Năng Co-60 4 MV 6 MV 10 MV 18MV 25MV

lượng thấp



zmax



0



0



0.5



1



1.5



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 22



2.5



3.5



5



ĐH Bách Khoa Hà Nội



Đồ án tốt nghiệp



2.1.1 Kích thước trường chiếu của chùm tia xạ

Các chùm tia được sử dụng trong xạ trị phải có hình dạng khác nhau phù hợp

với hình dạng thể tích bia trên thực tế. Có 4 dạng chính của hình dạng trường chiếu

được sử dụng trong xạ trị: vng, chữ nhật, tròn và khơng đồng đều.

Trường chiếu hình vuông và chữ nhật thường được sử dụng cùng với việc

thiết lập ống chuẩn trực trong thiết bị xạ trị, nó thường được tạo ra tùy thuộc vào

từng bệnh nhân. Trường chiếu tròn gắn liền trên các máy điều trị sử dụng hệ chuẩn

trực đa lá (MLC).

2.1.2 Hệ số chuẩn trực

Suất liều chiếu trong khơng khí X, hệ số kerma( K air)air, và liều với khối

lượng nhỏ vật chất trong mơi trường khơng khí tại điểm P sẽ có 2 thành phần: cơ

bản và tán xạ.

-



Thành phần cơ bản là thành phần chính, nó đến trực tiếp từ nguồn và khơng



phụ thuộc vào kích thước trường chiếu.

-



Thành phần tán xạ là phần khơng thể bỏ qua, nó bao gồm các photon tán xạ



rải rác ở điểm P từ ống chuẩn trực nhưng cũng có thể từ khơng khí và bộ lọc phẳng

của máy gia tốc. Thành phần tán xạ phụ thuộc vào kích thước trường A (thiết lập

ống chuẩn trực). Với kích thước trường lớn, bề mặt ống chuẩn trực lớn sẽ dẫn đến

hệ số tán xạ lớn.

Suất liều trong khơng khí X , hệ số kerma trong khơng khí (K air)air và liều với

khối lượng nhỏ vật chất trong mơi trường khơng khí D`med phụ thuộc vào kích thước

trường chiếu A và hệ số chuẩn trực (CF). CF được định nghĩa là:

CF(A, hv)= Sc(A,hv) = (2.1)

Hệ số chuẩn trực (CF) thường được đo cùng với buồng ion hóa cùng với nắp

tích tụ (buildup cap) có kích thước đủ lớn để nhận được liều tối đa tạo ra từ năng

lượng chùm tia. Với một trường nhỏ, người ta có thể đo ở một khoảng cách lớn từ

nguồn sao cho nắp tích tụ (buildup cap) được phủ kín hồn tồn ; tuy nhiên người ta

phải điều chỉnh dữ liệu để chuẩn khoảng cách nguồn- bề mặt (SSD) của thiết bị

bằng cách dùng tỉ số bình phương nghịch đảo.



Phùng Quang Tiến – KTHN & VLMT – K54Trang 23



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HÓA VỚI VẬT CHẤT

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×