Bức xạ x là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về bức xạ X

Bức xạ X là dạng bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn (khoảng 0,01–10 nm) và năng lượng cao (0,1–100 keV), có khả năng xuyên qua nhiều chất khác nhau với khả năng hấp thụ phụ thuộc vào nguyên tử khối lượng và mật độ vật chất. Được xếp vào vùng giữa tia cực tím và gamma, tia X không mang điện tích và khối lượng, truyền với vận tốc ánh sáng, và có khả năng ion hóa nguyên tử khi tương tác với mô hoặc vật liệu. Ứng dụng chính của tia X là trong chẩn đoán hình ảnh y học, kiểm tra không phá hủy công nghiệp và điều trị ung thư bằng xạ trị (RadiologyInfo).

Khả năng xuyên thấu và ion hóa mạnh khiến bức xạ X trở thành công cụ quan trọng trong nhiều ngành khoa học và kỹ thuật. Trong y học, tia X cho phép ghi lại hình ảnh cấu trúc bên trong cơ thể, như xương và mô mềm mật độ cao. Trong nghiên cứu vật liệu, tia X được dùng để khảo sát thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể và phát hiện khuyết tật nội tại thông qua kỹ thuật nhiễu xạ (XRD) và chụp cắt lớp điện toán (CT) (IAEA).

• Khả năng xuyên thấu cao, phụ thuộc năng lượng photon và Z nguyên tố.
• Tính ion hóa mạnh, sinh electron tự do và gốc tự do.
• Dễ điều chế bằng ống tia X, kiểm soát năng lượng và cường độ.

Lịch sử phát hiện và phát triển

Tia X được Wilhelm Röntgen phát hiện vào năm 1895 khi ông chiếu tia âm cực qua ống Crookes và ghi nhận một màn ảnh phát sáng mờ cho thấy cấu trúc xương tay nhân viên. Phát hiện này nhanh chóng được công bố và ông được trao giải Nobel Vật lý năm 1901 cho công trình đột phá về tia X. Ngay sau đó, kỹ thuật chụp X-quang được triển khai tại bệnh viện và phòng thí nghiệm trên toàn châu Âu.

Những năm đầu thế kỷ 20 chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ống tia X, với việc cải tiến điện cực, vật liệu anode và hệ thống làm mát để tăng cường độ dòng điện và tuổi thọ thiết bị. Tới thập niên 1960, ống tia X đa năng với khả năng điều chỉnh điện áp ống, dòng cathode và lọc xạ đã cho phép tạo phổ năng lượng rộng hơn, phục vụ cả chẩn đoán và điều trị.

Từ cuối thế kỷ 20 đến nay, công nghệ chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp mạch số hóa (DSA) đã tích hợp tia X với máy tính và hệ thống xử lý hình ảnh, cho phép tái tạo ảnh 3D, điều chỉnh cường độ theo chiều dày vật liệu và loại bỏ nhiễu. Nghiên cứu hiện đại còn tập trung phát triển ống X-ray bằng sợi cacbon carbon nanotube để có nguồn tia kích thước rất nhỏ, phục vụ chụp ảnh chi tiết vi mô.

Tính chất vật lý của tia X

Bức xạ X là sóng điện từ, tuân theo phương trình:

$E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$

trong đó E là năng lượng photon, h là hằng số Planck (6.626×10⁻³⁴ J·s), ν là tần số, c là vận tốc ánh sáng (3×10⁸ m/s) và λ là bước sóng. Năng lượng photon tỷ lệ nghịch với bước sóng, khiến tia X có khả năng xuyên thấu mạnh hơn khi bước sóng ngắn.

Khoảng bước sóng (nm)	Năng lượng (keV)	Ứng dụng
0,01–0,1	12–124	Xạ trị, CT y tế
0,1–1,0	1,24–12,4	Chụp X-quang lồng ngực, kỹ thuật NDT
1,0–10	0,124–1,24	Chụp nha khoa, kiểm tra mối hàn

Tia X không tương tác mạnh với hạt nhân nhưng có thể tương tác với electron qua các cơ chế như tán xạ Coherent, tán xạ Compton, và hấp thụ quang (photoelectric effect). Hệ số suy giảm (μ) mô tả độ mạnh tương tác, phụ thuộc vào năng lượng photon và số nguyên tử Z của vật liệu.

Cơ chế tạo tia X

Bên trong ống tia X, electron được bức xạ từ cathode và tăng tốc qua điện trường lên anode chịu dòng cao. Khi electron va chạm với các nguyên tử kim loại nặng (thường molybdenum hoặc tungsten), hai cơ chế chính tạo ra tia X:

• Bremsstrahlung: electron bị khúc xạ trong trường Coulomb và bứt phá giảm tốc, phát ra bức xạ liên tục.
• Bức xạ đặc trưng: electron bắn bật electron lớp trong (K, L) của nguyên tử anode, sau đó electron cao cấp nhảy xuống lấp chỗ trống, phát ra photon có năng lượng cố định tương ứng chênh lệch mức.

Spektrum tia X do đó bao gồm phổ liên tục từ Bremsstrahlung và các vạch đặc trưng Kα, Kβ. Cường độ và hình dạng phổ phụ thuộc vào điện áp ống (kVp), dòng cathode (mA) và vật liệu anode (NCBI PMC: X-ray Physics).

Chuyển đổi điện năng thành tia X chỉ đạt hiệu suất ~1%, phần lớn năng lượng còn lại sinh nhiệt. Hệ thống làm mát anode và buồng chân không bên trong ống X-ray giúp kéo dài tuổi thọ và ổn định dòng phát xạ.

Phổ năng lượng và bước sóng

Tia X có phổ bao gồm hai thành phần chính: phổ liên tục (Bremsstrahlung) và vạch đặc trưng (characteristic lines). Phổ liên tục phát sinh khi electron bị khúc xạ và mất năng lượng trong trường Coulomb của hạt nhân, kéo dài từ năng lượng cao đến thấp không ngắt quãng. Vạch đặc trưng xuất hiện khi electron đập bật electron lớp trong rồi electron lớp trên nhảy xuống lấp chỗ trống, phát ra photon có năng lượng cố định tương ứng với hiệu phân vị năng lượng giữa hai lớp.

Mối liên hệ giữa năng lượng E (đơn vị keV) và bước sóng λ (đơn vị nm) của tia X được mô tả bởi công thức:

$E = \frac{hc}{\lambda} \quad \bigl(h=4.136\times10^{-15}\,\mathrm{eV\cdot s},\;c=3\times10^8\,\mathrm{m/s}\bigr)$

Bảng dưới đây tóm tắt khoảng bước sóng, năng lượng và ứng dụng tiêu biểu:

Khoảng λ (nm)	E (keV)	Ứng dụng
0,01–0,1	12–124	Xạ trị, CT đa lát cắt
0,1–1,0	1,24–12,4	Chụp X-quang lồng ngực, kỹ thuật NDT
1,0–10	0,124–1,24	Chụp nha khoa, kiểm tra mối hàn

Tương tác với vật chất

Tia X tương tác với vật chất chủ yếu qua ba cơ chế: hiệu ứng quang điện (photoelectric), tán xạ Compton và tạo cặp electron–positron. Ở năng lượng thấp (<50 keV), hiệu ứng quang điện chiếm ưu thế: photon bị hấp thụ hoàn toàn giải phóng electron và ion hóa nguyên tử. Hệ số hấp thụ quang điện tỉ lệ với số nguyên tử Z và nghịch với lập phương năng lượng photon:

$\sigma_{\text{ph}} \propto \frac{Z^n}{E^3},\quad n\approx4\!-\!5$

Ở năng lượng trung bình (50–500 keV), tán xạ Compton chiếm ưu thế, photon bị lệch hướng và mất một phần năng lượng cho electron. Ở năng lượng cao (>1,02 MeV), có thể xảy ra tạo cặp electron–positron nếu photon đủ năng lượng vượt ngưỡng 1,022 MeV.

• Photoelectric: hấp thụ hoàn toàn, phụ thuộc mạnh Z.
• Compton: phân tán photon, giảm tương tác với Z cao.
• Tạo cặp: xuất hiện ở MeV, tạo e⁻/e⁺.

Ứng dụng y học

Trong chẩn đoán, tia X được sử dụng rộng rãi dưới dạng chụp X-quang thẳng (radiography), chụp cắt lớp vi tính (CT), chụp mạch số hóa (DSA) và huỳnh quang (fluoroscopy) để quan sát cấu trúc xương, mô mềm, mạch máu. CT scan kết hợp tia X với xử lý máy tính cho ảnh 3D phân giải cao, hỗ trợ phát hiện khối u, tổn thương nội tạng và đánh giá gãy xương phức tạp (NCI: CT Scans).

Trong điều trị ung thư, xạ trị sử dụng tia X năng lượng cao (6–18 MV) để phá hủy tế bào ác tính, tối ưu hóa liều đến khối u và giảm thiểu tổn thương mô lành. Kỹ thuật IMRT, VMAT điều chỉnh liều tia theo hình dạng khối u, tăng hiệu quả diệt khối u (RadiologyInfo: Radiation Therapy).

• Radiography: xương, phổi, tiêu hóa.
• CT/DSA: mạch máu, sọ não, bụng.
• Xạ trị: ung thư vú, phổi, tiền liệt tuyến.

Ứng dụng công nghiệp và an ninh

Tia X được ứng dụng kiểm tra không phá hủy (NDT) để phát hiện vết nứt, lỗ rỗng trong kim loại, cấu trúc hợp kim và đúc khuôn. Kỹ thuật chụp X-ray truyền thống và CT công nghiệp (Industrial CT) cung cấp ảnh cắt lớp than chì hoặc bộ phận, phục vụ kiểm soát chất lượng linh kiện xe hơi, hàng không (IAEA: Industrial X-Ray Inspection).

Trong lĩnh vực an ninh, máy quét X-ray soi hành lý, container và bưu phẩm giúp phát hiện vũ khí, chất nổ và chất cấm. Công nghệ CT tốc độ cao cho phép phân tích hình ảnh 3D, tự động nhận dạng vật thể nguy hiểm và tối ưu quy trình soi chiếu an ninh sân bay.

• NDT công nghiệp: mối hàn, thiết bị điện tử.
• Quét hành lý sân bay: CT 3D, AI phân tích hình ảnh.
• Phân tích thành phần vật liệu: XRF (X-ray fluorescence).

Ảnh hưởng sinh học và an toàn bức xạ

Tia X là bức xạ ion hóa, có khả năng phá vỡ liên kết phân tử và gây tổn thương ADN, dẫn đến đột biến, ung thư và các hiệu ứng sinh học khác. Tác động phụ thuộc liều hấp thụ (Gray, Gy) và liều tương đương (Sievert, Sv) tính theo hệ số trọng số mô (w_T). Mức liều thấp (<100 mSv) chủ yếu gây tổn thương ngẫu nhiên (stochastic), trong khi liều cao (>1 Sv) có thể gây tác dụng sớm (deterministic) như bỏng da, suy tủy xương.

Nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) hướng dẫn giảm tối đa liều bức xạ qua biện pháp:

1. Thời gian phơi sáng càng ngắn càng tốt.
2. Khoảng cách xa nguồn bức xạ.
3. Che chắn bằng chì, bê tông hoặc vật liệu chứa Z cao.

Giới hạn liều khuyến nghị cho nhân viên y tế là 20 mSv/năm, công chúng 1 mSv/năm. Theo dõi liều tích lũy bằng badge đo liều (dosimeter) và kiểm tra định kỳ thiết bị.

Tài liệu tham khảo

• RadiologyInfo.org. X-Ray Basics. https://www.radiologyinfo.org/en/info.cfm?pg=xray
• IAEA. X-Ray Generation & Imaging. https://www.iaea.org/publications/10903/x-rays-and-the-generation-of-images
• NCBI PMC. X-ray Physics. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2812829/
• National Cancer Institute. CT Scans. https://www.cancer.gov/about-cancer/diagnosis-staging/about-ct-scans
• RadiologyInfo.org. Radiation Therapy. https://www.radiologyinfo.org/en/info.cfm?pg=radtherap
• IAEA. Industrial X-Ray Inspection. https://www.iaea.org/topics/x-ray-inspection
• NCBI Bookshelf. Radiation Protection. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK499868/
• Hall, E. J., & Giaccia, A. J. (2020). Radiobiology for the Radiologist. Lippincott Williams & Wilkins.