Sự phát triển của công nghệ hạt nhân và bức xạ trong nửa thập kỷ qua đã bước vào giai đoạn phát triển mới, được thúc đẩy bởi sự hội tụ của khoa học vật liệu tiên tiến, trí tuệ nhân tạo (AI) và nhu cầu ngày càng cao về an ninh, y tế và thám hiểm không gian. Các phương pháp đo lường bức xạ truyền thống, vốn dựa trên buồng ion hóa hoặc tinh thể nhấp nháy, đang dần được thay thế bởi các hệ thống thông minh, nhạy bén và có khả năng hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Phân tích các xu hướng hiện tại cho thấy một sự chuyển dịch rõ rệt từ việc chỉ đơn thuần “phát hiện” sang khả năng “nhận diện, phân tích và tự hành” trong mọi kịch bản đo lường.
Kỷ nguyên của Perovskite và hợp chất lai hữu cơ – vô cơ
Nền tảng của bất kỳ hệ thống phát hiện bức xạ nào cũng nằm ở vật liệu nhạy bức xạ. Trong những năm gần đây, sự xuất hiện của các hợp chất Perovskite halogenua (Halide Perovskites – HPs) và các dẫn xuất của chúng đã tạo ra một làn sóng nghiên cứu sâu rộng nhờ các đặc tính quang điện vượt trội và quy mô sản xuất kinh tế.
Perovskite halogenua chì (LHPs) đã thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ khả năng chịu lỗi (defect tolerance) nội tại, đặc điểm giúp ngăn chặn sự hình thành các bẫy năng lượng sâu vốn là rào cản lớn trong việc chế tạo các chất bán dẫn truyền thống. Cấu trúc của chúng cho phép điều chỉnh băng thông năng lượng (bandgap) và số nguyên tử hiệu dụng Zeff, dẫn đến hiệu suất hấp thụ tia X và tia gamma cực cao.
Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng các tinh thể đơn Perovskite có thể đạt được năng suất ánh sáng lên tới 90.000 photon/MeV, vượt xa các tinh thể vô cơ tiêu chuẩn như NaI: hay CsI:. Sự vượt trội này không chỉ nằm ở số lượng photon phát ra mà còn ở thời gian suy giảm cực ngắn, cho phép các hệ thống đo lường hoạt động ở tốc độ đếm cao mà không bị chồng lấn tín hiệu. Thông số kỹ thuật quan trọng khác là yếu tố dung sai Goldschmidt (Goldschmidt Tolerance Factor – GTF), được sử dụng để dự đoán độ ổn định pha và biến dạng hình học của cấu trúc ABX3. Đối với các ứng dụng nhấp nháy, giá trị GTF ổn định thường nằm trong khoảng từ 0,9 đến 1,0, đảm bảo cấu trúc tinh thể không bị phân rã dưới tác động của nhiệt độ hoặc bức xạ liều cao.
Hợp chất lai kim loại-halogen hữu cơ vô chiều (0D OMHHs)
Hướng đi đột phá khác là phát triển các hợp chất lai kim loại-halogen hữu cơ vô chiều (Zero-dimensional Organic Metal Halide Hybrids – 0D OMHHs). Đây là lớp vật liệu mà các anion kim loại-halogenua được cô lập hoàn toàn và bao bọc bởi các cation hữu cơ lớn, tạo ra hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh mẽ. 0D OMHHs đã chứng minh tiềm năng to lớn trong cả phát hiện nhấp nháy (gián tiếp) và phát hiện trực tiếp tia X. Nhờ tính linh hoạt trong thiết kế hóa học, các nhà khoa học có thể tích hợp các chức năng cụ thể vào cấu trúc của chúng, giúp tối ưu hóa hiệu suất cho các nhu cầu công nghiệp hoặc nghiên cứu khoa học chuyên sâu.
So sánh chi tiết các thông số kỹ thuật của các vật liệu mới nổi so với các vật liệu truyền thống được sử dụng trong công nghiệp
| Vật liệu | Cấu trúc/Dạng | Năng suất ánh sáng (ph/MeV) | Độ phân giải năng lượng (662 keV) | Giới hạn phát hiện (LOD) (nGy/s) | Năm công bố/Nguồn |
| MAPbBr3 | Tinh thể đơn | 90.000 | <4% | – | 2019 |
| (PEA)2PbBr4 | Tinh thể đơn (2D) | 73.226 | – | – | 2022 |
| CsPbBr3 | Tinh thể nano | 21.000-33.800 | – | 13 | 2018 |
| CsI:Tl | Tinh thể vô cơ | 54.000 | 6-7% | – | Truyền thống |
| NaI:Tl | Tinh thể vô cơ | 38.000 | 6-7% | – | Truyền thống |
| EBTPPMnBr4 | 0D Hybrid | 80.000 | – | 72,8 | 2020 |
| (TPPCarz)2MnBr4 | Màng vô định hình | 44.600 | – | 32,4 | 2025 |
Sự đa dạng về hình thái (từ tinh thể đơn đến màng mỏng và nanocomposite) của các vật liệu này cho phép chúng được tích hợp vào các thiết bị từ quy mô phòng thí nghiệm đến các tấm nhận ảnh X-quang khổ lớn trong y tế. Đặc biệt, khả năng chế tạo từ dung dịch với chi phí thấp hứa hẹn sẽ làm giảm đáng kể giá thành của các thiết bị phát hiện bức xạ cao cấp trong tương lai.
Tiến bộ trong công nghệ bán dẫn băng thông rộng
Đối với các ứng dụng đòi hỏi hoạt động trong môi trường cực đoan như bên trong lò phản ứng hạt nhân, ngoài không gian hoặc trong các hệ thống địa vật lý, các chất bán dẫn truyền thống như Silicon hay Germanium thường bộc lộ những hạn chế về dòng rò nhiệt và độ bền bức xạ. Sự dịch chuyển sang các vật liệu băng thông rộng (WBG) và siêu băng thông rộng (Ultra-Wide Bandgap – UWBG) là một bước tất yếu. Silicon Carbide và Gallium Nitride đã đạt đến mức độ trưởng thành về công nghệ, cho phép chế tạo các đầu dò có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần hệ thống làm mát phức tạp. Các thiết bị dựa trên Silicon Carbide đã chứng minh khả năng đo chính xác các hạt alpha và neutron nhiệt với độ phân giải năng lượng cực tốt, ngay cả khi hoạt động liên tục ở 80oC. Cải tiến quan trọng là việc sử dụng quy trình ủ (annealing) chuyên biệt để tối ưu hóa bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu SiC và lớp phủ, giúp cải thiện độ phân giải năng lượng xuống dưới 0,5% đối với hạt alpha.
Gallium Oxide, Kim cương và Boron Nitride đại diện cho thế hệ chất bán dẫn tiếp theo với băng thông năng lượng khoảng 5eV. Những vật liệu này sở hữu dòng điện tối cực thấp và trường đánh thủng cao, lý tưởng cho việc phát hiện các photon năng lượng cao và các hạt mang điện.
Cột mốc quan trọng đã được thiết lập bởi nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật lý Hefei (Trung Quốc) khi họ phát triển thành công đầu dò neutron nhiệt dựa trên Ga2O3 đạt hiệu suất gần 1%. Đây là lần thử nghiệm thực nghiệm thành công đầu tiên cho thấy tiềm năng của Ga2O3 trong lĩnh vực đo lường neutron, vốn trước đây phụ thuộc vào các vật liệu hiếm như He hoặc các lớp chuyển đổi Boron trên nền Silicon.
Phân tích đặc tính của các chất bán dẫn tiên tiến
| Vật liệu | Băng thông (Eg) (eV) | Trường đánh thủng (MV/cm) | Độ bền bức xạ | Ứng dụng mục tiêu |
| Silicon | 1,12 | 0,3 | Thấp | Y tế, công nghiệp cơ bản |
| 4H-SiC | 3,26 | 3,0 | Cao | Lò phản ứng, không gian |
| GaN | 3,39 | 3,3 | Rất cao | Phổ kế hạt alpha, neutron |
| β- | 4,8 | 8,0 | Cực cao | Phát hiện tia X, môi trường khắc nghiệt |
| Kim cương | 5,47 | 10,0 | Cực cao | Vật lý năng lượng cao, hạt nhân |
Việc giảm mật độ khuyết tật trong quá trình sản xuất wafer sẽ là chìa khóa để các vật liệu này trở nên khả thi về mặt thương mại trong thập kỷ tới, mở rộng sang các ứng dụng điện tử công suất và phát hiện bức xạ quy mô lớn.
Cách mạng trong hình ảnh y tế
Lĩnh vực y tế luôn là động cơ chính thúc đẩy các tiến bộ trong phát hiện bức xạ. Hai hướng phát triển quan trọng nhất hiện nay là công nghệ đếm photon trong chụp cắt lớp vi tính (PCD-CT) và việc theo đuổi độ phân giải thời gian bay cực nhanh (10ps TOF-PET).
Trong hơn 50 năm, các đầu dò CT truyền thống chỉ đo tổng cường độ tia X tích lũy (Energy-Integrating Detectors – EID). Tuy nhiên, các đầu dò đếm photon (PCD) dựa trên tinh thể Cadmium Telluride hoặc Cadmium Zinc Telluride đã thay đổi hoàn toàn cuộc chơi. PCD có khả năng đo năng lượng của từng photon riêng lẻ và phân loại chúng vào các “thùng” năng lượng (energy bins) khác nhau. Lợi ích lâm sàng của PCD-CT bao gồm:
- Cải thiện độ phân giải không gian: các điểm ảnh đầu dò có thể được thu nhỏ đáng kể mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện tử hay nhu cầu về các vách ngăn phản quang, cho phép quan sát các chi tiết giải phẫu nhỏ nhất như cấu trúc tai trong hoặc các mạch máu ngoại vi.
- Loại bỏ nhiễu điện tử: bằng cách thiết lập ngưỡng năng lượng trên mức nhiễu, hệ thống PCD-CT tạo ra hình ảnh có độ tương phản cực cao ngay cả ở liều bức xạ thấp.
- Phân tích quang phổ và phân tách vật liệu: khả năng phân biệt các loại mô dựa trên chữ ký năng lượng của chúng cho phép bác sĩ phân biệt giữa Iodine, Canxi và các chất tương phản mới một cách chính xác.
Trong chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), độ chính xác của việc xác định điểm hủy cặp positron-electron dọc theo dòng phản ứng (LOR) phụ thuộc trực tiếp vào độ phân giải thời gian trùng phùng (Coincidence Time Resolution – CTR). Mục tiêu hiện nay của cộng đồng khoa học là đạt được mức 10ps. Với tốc độ ánh sáng xấp xỉ 30cm/ns, độ phân giải 10ps tương ứng với sai số định vị chỉ khoảng 1,5mm. Nếu đạt được cột mốc này, chúng ta sẽ bước vào kỷ nguyên “PET không cần tái tạo” (reconstruction-less PET), nơi hình ảnh 3D về phân bố hoạt độ phóng xạ có thể được tạo ra trực tiếp mà không cần các thuật toán tái tạo toán học phức tạp và tốn kém thời gian.
Lợi ích tiềm năng bao gồm:
- Tăng độ nhạy hiệu dụng: độ nhạy của máy PET có thể tăng lên gấp 16 lần so với các hệ thống tốt nhất hiện nay.
- Giảm liều lượng dược chất phóng xạ: liều bức xạ tiêm vào bệnh nhân có thể giảm xuống mức tối thiểu, cho phép thực hiện PET trên các đối tượng nhạy cảm như phụ nữ mang thai hoặc trẻ sơ sinh.
- Mở rộng phạm vi chẩn đoán: PET không chỉ dùng trong ung thư mà còn có thể theo dõi các quá trình chuyển hóa động học nhanh trong tim mạch, thần kinh và các bệnh lý nhiễm trùng.
Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) trong xử lý tín hiệu và nhận dạng đồng vị
Sự bùng nổ của các hệ thống phát hiện bức xạ mạng lưới và thiết bị đeo cá nhân đã tạo ra một lượng dữ liệu khổng lồ. Việc phân tích phổ gamma và xác định đồng vị theo cách truyền thống thường dựa vào các chuyên gia hoặc các thuật toán dựa trên đỉnh phổ đơn giản, vốn dễ bị sai lệch bởi nhiễu hoặc sự chồng lấn đỉnh trong các đầu dò độ phân giải thấp. Các nghiên cứu gần đây đã ứng dụng mạng thần kinh con (CNN) để phân tích toàn bộ phổ gamma thay vì chỉ tập trung vào các vùng quan tâm (ROI). Các mô hình như Hybrid CNN Arch đã đạt độ chính xác 95% trong việc nhận diện các hỗn hợp đồng vị phức tạp. Sự vượt trội của ML nằm ở khả năng trích xuất các đặc trưng trừu tượng từ hình dạng phổ, bao gồm cả liên tục Compton và các hiệu ứng tán xạ, giúp phân biệt các kịch bản bị che chắn hoặc có phông nền bức xạ thay đổi.
Tuy nhiên, một điểm đáng lưu ý là trong các điều kiện thống kê thấp (số đếm ít), các phương pháp thống kê truyền thống dựa trên hàm khả hồi Poisson vẫn cho thấy hiệu suất ổn định và đôi khi vượt trội hơn so với các mô hình ML hiện tại. Điều này dẫn đến xu hướng phát triển các phương pháp lai (hybrid), kết hợp sự mạnh mẽ của thống kê học với khả năng nhận dạng mẫu của AI.
Việc triển khai AI trực tiếp trên các thiết bị đo cầm tay (Edge AI) là một ưu tiên hàng đầu trong an ninh hạt nhân. Điều này giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào kết nối mạng và cho phép ra quyết định tức thời tại hiện trường. Mặc dù các thử nghiệm ban đầu trên các nền tảng hạn chế tài nguyên gặp nhiều khó khăn do kích thước mô hình và mức tiêu thụ điện năng, nhưng các kỹ thuật tối ưu hóa mô hình như lượng tử hóa và cắt tỉa đang dần thu hẹp khoảng cách này.
Các ứng dụng của AI trong phổ kế gamma bao gồm:
- Tự động hiệu chuẩn và bù nhiệt: AI giúp điều chỉnh sự dịch chuyển đỉnh phổ do biến động nhiệt độ trong các đầu dò nhấp nháy mà không cần nguồn tham chiếu phóng xạ.
- Phân loại dị thường: tự động phân loại giữa các nguồn bức xạ tự nhiên (NORM), dược chất phóng xạ y tế và các vật liệu hạt nhân đặc biệt (SNM).
- Lọc nhiễu và tăng cường hình ảnh: sử dụng các mạng nơ-ron để giảm nhiễu trong hình ảnh PET và CT, giúp cải thiện tỷ lệ SNR mà không cần tăng liều bức xạ.
Việc sử dụng các hệ thống không người lái (Uncrewed Systems – UxS) để khảo sát và lập bản đồ bức xạ đã trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược an ninh hạt nhân hiện đại, đặc biệt là sau các bài học từ các sự kiện tại Fukushima hay Chernobyl. IAEA đã tích cực thúc đẩy việc sử dụng UAS cho các nhiệm vụ như tìm kiếm nguồn phóng xạ nằm ngoài sự kiểm soát, giám sát ô nhiễm và phản ứng khẩn cấp. Các hệ thống như DRONES-G tích hợp đầu dò nhấp nháy và bù nhiệt và hệ thống định vị GPS/IMU để tạo ra các bản đồ nhiệt bức xạ thời gian thực với độ chính xác cao. Ưu điểm của UAS bao gồm:
- Tiếp cận các khu vực nguy hiểm: hoạt động trong các môi trường có mức liều gây nguy hiểm cho con người hoặc tại các địa hình khó tiếp cận.
- Khảo sát diện rộng nhanh chóng: khả năng thực hiện các mô hình bay tự động để bao phủ diện tích lớn trong thời gian ngắn.
- Lập bản đồ 3D: kết hợp dữ liệu bức xạ với dữ liệu quang học và LiDAR để tạo ra các bản đồ bức xạ đa lớp, giúp xác định chính xác vị trí nguồn phóng xạ trong không gian 3 chiều.
Trong các không gian chật hẹp hoặc bên trong các cơ sở hạt nhân, robot mặt đất (UGV) được trang bị các thuật toán tối ưu hóa Bayes để tìm kiếm nguồn bức xạ một cách thông minh. Thay vì đi qua mọi điểm trên lưới, robot sẽ tự động lựa chọn các điểm đo tiếp theo dựa trên độ không đảm bảo của mô hình hiện tại, từ đó giảm thiểu thời gian thực hiện nhiệm vụ. Tại Đức, các nhà khoa học đã phát triển các robot AI có khả năng kết hợp giữa trinh sát trên không và can thiệp dưới đất. Các robot này có thể tự động nhận dạng các vật thể nghi vấn thông qua thị giác máy tính và thực hiện các thao tác gắp, thu hồi vật liệu phóng xạ bằng cánh tay robot được điều khiển từ xa thông qua giao diện “click and grasp”.
Nghiên cứu bức xạ không gian
Sứ mệnh Artemis của NASA và các kế hoạch thám hiểm Sao Hỏa đã đặt ra những yêu cầu mới cho việc đo lường bức xạ ngoài không gian. Bức xạ không gian, bao gồm các tia vũ trụ thiên hà (GCR) năng lượng cao và các hạt mặt trời, là rủi ro sức khỏe lớn nhất đối với phi hành gia trong các nhiệm vụ dài hạn. Trong sứ mệnh Artemis I (2022), dòng đầu dò M-42 của Đức đã cung cấp dữ liệu bức xạ liên tục đầu tiên ngoài quỹ đạo Trái Đất thấp. Đối với Artemis II, phiên bản M-42EXT đã được nâng cấp với độ phân giải năng lượng cải thiện gấp 6 lần, cho phép phân tích chi tiết hơn phổ năng lượng của các hạt nặng có khả năng gây tổn thương DNA nghiêm trọng.
Thí nghiệm MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) là một ví dụ điển hình về việc sử dụng các mô hình cơ thể người (mannequins) để đo liều lượng bức xạ tại các cơ quan nội tạng nhạy cảm như phổi, dạ dày và tủy xương. Dữ liệu từ MARE không chỉ giúp đánh giá rủi ro ung thư mà còn kiểm chứng hiệu quả của các thiết bị bảo hộ cá nhân như áo vest AstroRad trong điều kiện không gian thực tế.
Hệ thống RadMon và thiết bị đeo RANDAM trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) đại diện cho xu hướng cá nhân hóa việc theo dõi bức xạ. Thay vì chỉ dựa vào các liều kế thụ động được đọc sau khi kết thúc sứ mệnh, các thiết bị này cung cấp dữ liệu thời gian thực về mức liều mà từng phi hành gia tiếp nhận, kết hợp với các thông số môi trường như nồng độ CO2 và từ trường. Điều này cho phép thực hiện các biện pháp can thiệp kịp thời hoặc điều chỉnh lịch trình hoạt động của phi hành gia để đảm bảo nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable).
Xu hướng thị trường
Thị trường đầu dò bức xạ đang trải qua sự tăng trưởng ổn định, phản ánh nhu cầu ngày càng cao từ lĩnh vực y tế, năng lượng hạt nhân và an ninh quốc phòng. Thị trường đầu dò bức xạ bán dẫn toàn cầu dự kiến sẽ đạt giá trị khoảng 458 triệu USD vào năm 2034, với tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) khoảng 5,2%. Bắc Mỹ hiện đang dẫn đầu thị trường với hơn 40% thị phần, nhờ hạ tầng y tế hiện đại và các chương trình nghiên cứu hạt nhân. Các phân khúc dẫn đầu bao gồm đầu dò Silicon (>45% thị phần) nhờ tính linh hoạt và chi phí thấp, và phân khúc y tế (>30%) nhờ sự mở rộng của các trung tâm xạ trị và chẩn đoán hình ảnh tiên tiến.
Một xu hướng quan trọng khác là sự hội nhập của IoT. Các liều kế điện tử cá nhân hiện đại không còn là các thiết bị độc lập mà là một phần của mạng lưới an toàn kỹ thuật số. Kết nối Bluetooth và các nền tảng đám mây cho phép các sĩ quan an toàn bức xạ giám sát mức phơi nhiễm của hàng trăm nhân viên trong thời gian thực, tự động hóa việc ghi chép hồ sơ và cải thiện khả năng ứng phó với các sự cố vượt ngưỡng.
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
