DEPARTMENT OF NUCLEAR PHYSICS - NUCLEAR ENGINEERING - MEDICAL PHYSICS

Ứng dụng hạt nhân trong công nghiệp có các hướng nghiên cứu chính như kiểm tra không phá hủy (NDT), hệ thống điều khiển hạt nhân (NCS), đánh dấu đồng vị phóng xạ (RT) và chiếu xạ công nghiệp.

• Kiểm tra không phá hủy (Non-Detructive Testing): nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các hệ kiễm định đáp ứng ngày càng tốt hơn nhu cầu sản xuất công nghiệp, đặc biệt là các ngành cơ khí, xây dựng như khảo sát mật độ vật chất, tình trạng bên trong thiết bị, vật thể, xác định vị trí khuyết tật bên trong vật thể, kiểm tra chất lượng mối hàn, bề mặt vật đúc, khảo sát đường ống: rò rỉ, tắc nghẽn, tạo bọt khí, đóng cặn, tắc nghẽn bên trong đường ống, khảo sát phân bố các pha trong thiết bị (đặc biệt là thiết bị nhiệt).
• Hệ thống điều khiển hạt nhân (Nuclear Control System): sử dụng trong các ngành như dầu khí, hóa chất, giao thông, xây dựng, năng lượng, xử lý chất thải, đo mức (nhà máy bia, nhà máy nước, nhà máy lọc dầu…), đo bề dày (nhà máy giấy, nhà máy sản xuất tấm lợp, cửa kính…), đo mật độ vật chất, phân tích mẫu quặng, đất đá…
• Đánh dấu đồng vị phóng xạ (Radioactive Tracer): được dùng để theo dõi sự lưu chuyển của chất đánh dấu (đồng vị phóng xạ) trong dòng chảy, trong các quá trình công nghệ, hoặc trong môi trường, giúp phát hiện tính liên tục của dòng chảy, đặc điểm của quá trình công nghệ, đặc điểm của môi trường và các đặc điểm khác như khai thác dầu khí, trong nghiên cứu thủy văn, môi trường, kiểm tra chất lượng đập thủy điện
• Chiếu xạ công nghiệp (Irradiation): khử trùng các sản phẩm y tế chăm sóc sức khỏe, các loại thuốc, chiếu xạ bảo quản thực phẩm và các sản phẩm nông nghiệp (với các mục đích khác nhau diệt côn trùng, làm chậm chín, ức chế nảy mầm, kiểm soát sâu bọ và khử trùng), và làm biến tính vật liệu (polyme hóa, nối mạch polyme, tạo màu cho đá quý…).

Ứng dụng vật lý trong lĩnh vực Y khoa bao gồm trong chẩn đoán, điều trị và theo dõi bệnh.

• Ứng dụng vật lý trong lĩnh vực Y học hạt nhân: kỹ thuật Y học hạt nhân, thiết bị Y học hạt nhân (gamma camera, SPECT, SPECT-CT, PET, PET-CT), sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong y khoa, tổng hợp và pha chế thuốc phóng xạ, ứng dụng chẩn đoán và điều trị bằng thuốc phóng xạ.
• Ứng dụng vật lý trong lĩnh vực ung bướu xạ trị: kỹ thuật xạ trị trong điều trị ung thư (tính liều xạ trị, lập kế hoạch xạ trị), thiết bị xạ trị (Linac, Gamma Knife), ứng dụng lâm sàng.
• Ứng dụng vật lý trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh: kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh tia X (X-Quang qui ước, CT scan), cộng hưởng từ MRI, siêu âm và các phương pháp tái tạo hình ảnh y khoa

Trong hướng này, sử dụng các phần mềm mô phỏng Monte Carlo như MCNP, GEANT4, PENELOPE,... hoặc tự viết code để đánh giá các đặc trưng của hệ phổ kế, tính toán trường liều bức xạ từ nguồn đồng vị, máy gia tốc, lò phản ứng, thiết bị chẩn đoán hoặc xạ trị trong y tế, đánh giá an toàn phóng xạ, thiết kế hệ đo. Các công trình liên quan đã công bố như:

-          Đánh giá phân bố suất liều từ máy gia tốc tuyến tính tại Bệnh viện Chợ Rẫy bằng MCNP5,

-           Thiết kế tối ưu hệ đo tán xạ gamma dùng trong đánh giá không hủy mẫu bằng MCNP5,

-           Đánh giá an toàn trong phòng máy X quang chẩn đoán thông thường dùng MCNP5,

-          Mô phỏng thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife bằng chương trình MCNP5,

-          Mô phỏng máy gia tốc cyclotron của bệnh viện Chợ Rẫy bằng chương trình MCNPX,

-          Khảo sát ảnh hưởng của matrix và hiệu ứng mật độ lên hiệu suất đỉnh của hệ phổ kế gamma đầu dò HPGe bằng chương trình MCNP,

-          Mô phỏng mẫu lớp bằng phương pháp SMMC,

-          Xây dựng chương trình mô phỏng hiệu suất đỉnh năng lượng toàn phần của detector,

-          Xây dựng chương trình mô phỏng vận chuyển photon-electron bằng phương pháp Monte Carlo,

-          Khảo sát phân bố liều lượng trong phòng máy X quang chuẩn đoán sử dụng chương trình MCNP,

-          Nghiên cứu các vật liệu che chắn trong phòng X quang chẩn đoán bằng chương trình MCNP,

-          Nghiên cứu ảnh hưởng của tán xạ thứ cấp đến hiệu suất tổng bằng chương trình MCNP và thực nghiệm,

-          Thiết kế hệ che chắn phông vũ trụ dùng Geant4,

-          Mô phỏng xác định thời gian sống của hạt Muon bằng chương trình Geant4,

-          Nghiên cứu ảnh hưởng của đáp ứng không tuyến tính lên độ phân giải năng lượng của detector nhấp nháy plastic sử dụng phần mềm mô phỏng Geant 4,

-          Khảo sát sự phân bố của gamma tán xạ ra khỏi detector NaI(Tl) bằng chương trình Geant4.

Chúng tôi thực hiện phát triển các hệ đo bức xạ hạt nhân, phục vụ trong tác nghiên cứu cho một số lĩnh vực hạt nhân nhất định. Hiện tại chúng tôi phát triển hệ đo phổ gamma với detector NaI(Tl), HPGe, hệ đo bức xạ vũ trụ, hệ đo quang trắc phóng xạ môi trường khí. Chúng tôi sử dụng công nghệ nhúng FPGA để phát triển xử lý logic trigger cho hệ đo hạt nhân; sử dụng bộ chuyển đổi Flash-ADC trong việc số hóa xung tín hiệu từ detector, phát triển giải thuật xử lý xung số DPP (Digital Pulse Processing) trong việc thể hiện phổ (năng lượng và thời gian); phát triển chương trình ghi nhận số liệu và thể hiện phổ trên nền LabVIEW.

Một số hệ đo chúng tôi đã phát triển:

- Hệ đo phổ gamma với đầu dò NaI(Tl),

- Hệ đo thời gian sống của hạt muon, sử dụng với 03 detector nhấp nháy plastic,

- Hệ đo sự phân bố bức xạ vũ trụ theo hướng tới mặt đất,

- Hệ đo trắc quang phóng xạ môi trường theo thời gian.

Một số thiết bị điện tử và giao diện LabVIEW

Hình 1: Card logic trigger với FPGA chip (Altera)

Hình 2: Flash ADC 250Msamp/sec – 8bits – 1000 mV. FPGA chip/Xilinx

Hình 3: Trigger module với FPGA chip (Altera).

Hình 4: Giao diện thu thập dữ liệu và vẽ phổ, được phát triển trên nền LabVIEW.

Hình 5. Phổ năng lượng của ¹⁵²Eu với detector NaI(Tl) 3inch x 3inch.

Hình 6. Hệ đo thông lượng bức xạ vũ trụ theo hướng.

Hình 7. Sự phân bố bức xạ vũ trụ theo hướng tới mặt đất. Hướng khảo sát: Bắc(-90⁰) -  Nam(90⁰).

Hình 8. Hướng khảo sát: Đông(-90⁰) -  Tây(90⁰)

Hình 9. Detector đo thời gian của hạt muon. Được xây dựng với 03 detector nhấp nháy plastic.

Hình 10. Phổ thời gian ghi nhận hạt muon. Kết quả: t= 2128 ±120 ns = 2,13 ±0,12 µs

       Nguồn gốc của các đồng vị phóng xạ môi trường có thể phân thành ba loại chính sau: các đồng vị phóng xạ có từ khi hình thành nên Trái Đất, còn gọi là các đồng vị phóng xạ nguyên thủy; các đồng vị phóng xạ được hình thành do tương tác của bức xạ vũ trụ với vật chất của Trái Đất;  các đồng vị phóng xạ được hình thành do con người tạo ra. Các đồng vị này tồn tại trong môi trường như đất, nước và không khí và do đó có mặt trong thực vật, động vật, các loại thực phẩm cho con người.

Các lĩnh vực nghiên cứu theo hướng này bao gồm:

-  Thiết kế mạng lưới, thu thập mẫu, từ đó phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm, phân tích dữ liệu, đưa ra thông tin cần đánh giá.

-  Xây dựng các quy trình phân tích phổ gamma như hiệu chỉnh sự tự hấp thụ, trùng phùng tổng, phương pháp giảm phông…

-  Xây dựng quy trình phân tích phổ alpha bao gồm các xử lý hóa.

-  Xây dựng quy trình đo alpha beta tổng, đo radon, đo suất liều hiện trường.

-  Tối ưu hóa, thiết kế các hệ đo bằng phương pháp Monte Carlo.

Phần mềm sử dụng để thu nhận và xử lí phổ gamma và alpha là Genie-2000. Các chương trình hiệu chỉnh phổ như ANGLE32 và LABSOCS cũng được sử dụng.

Thiết bị dùng trong phân tích hiện có ở phòng thí nghiệm là:  hệ phổ kế gamma phông thấp sử dụng đầu dò HPGe, hệ phổ kế alpha đầu dò bán dẫn hàng rào mặt PIPS , hệ phổ kế alpha beta tổng, hệ đo radon RAD7, máy đo suất liều Inspector.

Hướng nghiên cứu về quang trắc phóng xạ môi trường đã và đang được phát triển gần đây tại Bộ môn. Mục đích của hướng này là quang trắc phóng xạ trong môi trường không khí. Các thí nghiệm được thực hiện bao gồm quang trắc nơi sinh hoạt công cộng, các công viên, các phòng thí nghiệm tại trường đại học Khoa học Tự nhiên – TpHCM. Các hệ đo quang trắc phóng xạ được phát triển từ Bộ môn. Các số liệu thu thập được là cơ sở dữ liệu cho những nghiên cứu tiếp theo khi mà nhu cầu sử dụng phóng xạ ngày càng nhiều ở Việt Nam, đến từ các trung tâm chiếu xạ, từ các bệnh viện sử dụng phóng xạ trong trị bệnh, và đặc biệt là từ các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai.