Nghiên cứu chiếu xạ thanh long trên thiết bị gia tốc điện tử UERL-10-15S2

Nghiên cứu chiếu xạ thanh long trên thiết bị gia tốc điện tử UERL-10-15S2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã được Quý Thầy Cô cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên sâu, giúp tôi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học Tôi xin gửi lời biết ơn đến tất cả Quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Trần Văn Hùng, Nghiên cứu viên chính Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã định hình cho tôi lựa chọn đề tài này và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Đặc biệt, tôi đã được học ở Thầy phương pháp làm việc khoa học và những bài học có được từ thực tiễn,

từ vốn sống, từ sự am hiểu thấu đáo của riêng Thầy mà khó có quyển sách nào có thể diễn đạt hết được những điều đó

Tôi cũng chân thành cám ơn Ths Trần Khắc Ân, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tạo điều kiện rất tốt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Xin được phép gửi lời cám ơn đến Quý Thầy trong Hội đồng Bảo vệ Luận văn Thạc sĩ đã đọc, đóng góp ý kiến, nhận xét và đánh giá luận văn

Tôi cũng gửi lời cám ơn Cử nhân Nguyễn Anh Tuấn và cử nhân Cao Văn Chung - Phòng vật

lý Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ - đã có những ý kiến đóng góp quý báu và dành cho tôi nhiều sự hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng xin được phép gửi lời cám ơn đến Sở Giáo dục – Đào tạo TP Hồ Chí Minh, Ban Giám Hiệu trường THPT Bùi Thị Xuân và các đồng nghiệp đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi và giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin khắc sâu công ơn Cha Mẹ, người thân, bạn bè luôn ủng hộ, động viên và giúp

đỡ tôi trong suốt khóa học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu

D1 : Liều chiếu từ đầu quét 1

D2 : Liều chiếu từ đầu quét 2

DT : Liều chiếu tổng

Các chữ viết tắt

ACTL : Activation Library

ADN : Acid Deoxyribonucleic

APHIS : Animal Plant Health Inspection Service

ARN : Axít ribonucleic

EB : Electron beam

EDB : Ethylene dibromide

EtO : Ethylene oxi

ENDF : Evaluated Nuclear Data File

ENDL : Evaluated Nuclear Data Library

IAEA : International Atomic Energy Agency

LET : Linear energy transfer

MCNP : Monte Carlo N-Particle

NFI : National Fisheries Institute

NFPA : National Food Processors Association

EUREP : Euro-Retailer Produce Working Group- EUREP)

GAP : Good Agricultural Practice

R Dose : Relative Dose

WHO : World Health Organization

MỞ ĐẦU Chiếu xạ thực phẩm và rau quả là sử dụng bức xạ ion hóa, chẳng hạn như chùm điện tử, tia gamma hoặc tia X để giảm hoặc ngăn cản sự sinh trưởng hoặc tiêu diệt những vi sinh vật có hại trong vật phẩm Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu đã khẳng định chiếu xạ có rất nhiều ứng dụng hữu ích, ví dụ tiêu diệt các côn trùng trên hoa quả và hạt ngũ cốc, chống nảy mầm khoai tây, hành tây, làm chậm chín các loại quả tươi và rau củ, cũng như gia tăng tính an toàn và khử trùng các sản phẩm thịt tươi đông lạnh, hải sản và trứng sữa.v.v

Lịch sử của chiếu xạ thực phẩm có thể bắt đầu từ khi khám phá ra tia X bởi Roentgen 1895

và chất phóng xạ bởi Becquerel 1896 Theo sau những khám phá này đã có rất nhiều nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ lên các cơ quan sinh học Đầu thế kỷ 20, các nghiên cứu cho thấy bức xạ ion hóa rất hữu ích trong ứng dụng chiếu xạ thực phẩm

Nguồn bức xạ đầu tiên được sử dụng là máy gia tốc hạt, tạo ra chùm điện tử tới năng lượng

24 MeV, vào cuối những năm 40 của thế kỷ 20, các đồng vị phóng xạ nhân tạo như Co60 và Cs137(phát bức xạ gamma) đã được ứng dụng trong chiếu xạ công nghiệp một cách phổ biến Tuy nhiên, các thiết bị gia tốc điện tử ngày nay vẫn có những tính chất ưu việt mà các thiết bị sử dụng nguồn

Co60 hoặc Cs137 không có được Chẳng hạn như nó không để lại chất thải phóng xạ (vì nguồn Co60hoặc Cs137 khi hoạt độ quá thấp không sử dụng trong ứng dụng chiếu xạ phải chôn cất như là một chất thải phóng xạ), chỉ khi hoạt động nó mới phát bức xạ ion hóa, còn khi không sử dụng, tắt nguồn điện, thì chùm bức xạ ion hóa cũng tắt.v.v Chính vì vậy, ngày nay trên thế giới có khoảng hơn 200 thiết bị gia tốc điện tử đang hoạt động, phục vụ cho chiếu xạ khử trùng thực phẩm, dụng cụ

y tế, nghiên cứu chế tạo vật liệu mới.v.v

Ở Việt Nam, hiện nay tại công ty Sơn Sơn (Bình Chánh) đã sử dụng chùm tia X từ máy gia tốc điện tử 5 MeV để xử lý thực phẩm Chùm tia X này được tạo ra từ chùm điện tử 5 MeV đập lên bia W Vào cuối năm nay (2010), tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ sẽ đưa vào vận hành thiết bị chiếu xạ dùng trực tiếp chùm điện tử 10 MeV từ máy gia tốc để xử lý hoa quả, thực phẩm đông lạnh phục vụ xuất khẩu và khử trùng dụng cụ y tế

Cũng cần nói thêm, một tình hình có tính chất rất thời sự trong việc xuất khẩu trái cây của Việt Nam là: Mới đây Hoa Kỳ đã chấp nhận cho phép nhập khẩu trái Thanh long của Việt Nam Tuy nhiên, một yêu cầu bắt buộc từ phía Hoa Kỳ là Thanh long phải qua chiếu xạ để đảm bảo kiểm dịch côn trùng Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chiếu xạ Thanh long trên thiết bị gia tốc điện tử UERL- 10-15S2” nhằm góp phần giải quyết vấn đề chiếu xạ trái Thanh Long xuất khẩu của Việt Nam khi thiết bị gia tốc điện tử UERL- 10-15S2 đi vào hoạt động

Mục đích của đề tài xuất phát từ đặc điểm về khả năng xuyên sâu của chùm điện tử thấp hơn tia X và tia gamma nên trong khuôn khổ của luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu phân bố liều

trên trái Thanh long nhằm tiêu diệt các côn trùng, các ấu trùng và các trứng của côn trùng, sâu bệnh trên trái Thanh long, đảm bảo yêu cầu kiểm dịch

Chính vì vậy, luận văn mang một ý nghĩa thực tế rất cao, nhằm đáp ứng xuất khẩu trái Thanh long vào thị trường Mỹ, Châu Âu cũng như các nước khác, góp phần nâng cao giá trị xuất khẩu của trái Thanh long Việt Nam

Để đạt được những mục tiêu trên, luận văn có những nhiệm vụ cơ bản sau:

- Tìm hiểu kích cỡ trái Thanh long, cách đóng gói xuất khẩu

- Tính toán phân bố liều trên bề mặt trái Thanh long

- Tính toán phân bố liều ở bên trong trái Thanh long

- Độ bất đồng đều về liều

- Các giải pháp giảm hệ số bất đồng đều liều, đặc biệt biên độ bất đồng đều về liều trên bề mặt trái Thanh long nhằm đáp ứng tiêu diệt côn trùng trên bề mặt

- Đánh giá năng suất xử lý của thiết bị

Để thực hiện luận văn, chúng tôi dùng chương trình MCNP, một phần mềm vận chuyển bức

xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte-Carlo đã được xây dựng ở phòng thí nghiệm quốc gia Alamos, Mỹ Đây là một công cụ tính toán mạnh, có thể mô phỏng vận chuyển nơtron, photon và electron, và giải pháp bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều dùng trong nhiều lĩnh vực tính toán của Vật lý hạt nhân

Los-Trong đề tài này MCNP được sử dụng để tính toán phân bố liều trong xử lý trái Thanh long Luận văn được sắp xếp thành ba chương theo cấu trúc như sau:

CHƯƠNG 1: HÓA BỨC XẠ, HIỆU ỨNG CỦA BỨC XẠ LÊN CƠ QUAN SINH HỌC VÀ THÀNH PHẦN THỰC PHẨM

1.1 Tương tác của hạt tích điện với vật chất

1.2 Cơ sở hóa bức xạ

1.3 Định nghĩa liều, đơn vị về liều

1.4 Hiệu ứng của bức xạ lên cơ quan sinh học

1.4.1 Các cơ quan vi sinh

1.4.2 Hiệu ứng của bức xạ ion hóa

1.5 Hiệu ứng của bức xạ lên thành phần thực phẩm

1.6 Ứng dụng của chiếu xạ thực phẩm

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ GIA TỐC ĐIỆN TỬ UERL 1015S VÀ CODE MCNP

2.1 Sơ bộ về sử dụng máy gia tốc điện tử trong chiếu xạ

2.2 Phân bố chùm tia và liều bên trong vật chất chiếu xạ

2.3 Thiết bị gia tốc điện tử UERL-10-15S2

3.5 Các kỹ thuật làm giảm độ bất đồng đều

3.6 Đánh giá năng suất của thiết bị

CHƯƠNG 1 HÓA BỨC XẠ, HIỆU ỨNG CỦA BỨC XẠ LÊN CƠ QUAN SINH HỌC

VÀ THÀNH PHẦN THỰC PHẨM Bức xạ là những dạng năng lượng phát ra trong quá trình vận động và biến đổi của vật chất

Về mặt vật lý nó được thể hiện dưới dạng sóng, hạt hoặc sóng hạt Mỗi dạng bức xạ được đặc trưng bởi một dải năng lượng hay tương ứng với nó, một dải bước sóng xác định Mối tương quan giữa năng lượng E và bước sóng λ của bức xa được mô tả bởi biểu thức:

Trong đó h- hằng số Planck; c- vận tốc ánh sáng trong chân không

Hiện nay, các dạng bức xạ phổ biến được áp dụng là bức xạ electron, tia gamma, bức xạ hãm, bức

xạ tử ngoại, chùm ion, bức xạ nơtron

Còn các nguồn bức xạ thông dụng bao gồm các nguồn bức xạ thụ động (nguồn đồng vị phóng xạ như Co60, Cs137…) và các nguồn bức xạ chủ động ( máy gia tốc, thiết bị phát chùm tia) [4] Để đi sâu nghiên cứu quá trình truyền năng lượng của bức xạ cho vật chất chúng ta xem xét các đặc trưng sau đây:

1.1 Tương tác của hạt tích điện với vật chất [5],[13]

Các hạt mang điện bao gồm các hạt nhẹ mang điện (electron, positron) và các hạt nặng mang điện (proton, hạt  , mảnh vỡ hạt nhân )

Các hạt mang điện này khi đi vào môi trường chúng có thể tham gia các loại tương tác khác nhau với nguyên tử như một toàn bộ, với các electron riêng lẻ của vỏ nguyên tử hay với hạt nhân nguyên tử và truyền năng lượng cho nguyên tử, cho electron hay cho hạt nhân đó Các tương tác đó

- Tán xạ trên nhân

+ Tán xạ đàn hồi: bức xạ không mất năng lượng, chỉ đổi hướng bay

+ Tán xạ không đàn hồi: bức xạ mất năng lượng và phát bức xạ hãm

- Gây ra phản ứng hạt nhân

Tùy theo loại bức xạ (nặng hay nhẹ) và tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ vào môi trường mà xác xuất xảy ra các quá trình trên là lớn hay bé

Các tương tác khả dĩ của hạt mang điện với nguyên tử của môi trường được minh họa trong hình 1.1

Hình 1.1 Các tương tác khả dĩ của hạt mang điện với nguyên tử của môi trường

Đối với ứng dụng trong chiếu xạ thực phẩm và rau quả, bức xạ được quan tâm chủ yếu là điện tử Phạm vi nghiên cứu của luận văn là dùng trực tiếp chùm điện tử 10 MeV từ thiết bị gia tốc

để xử lý hoa quả, cụ thể là trái thanh long, vì vậy chúng tôi xin được đi sâu vào khảo sát tương tác của điện tử với vật chất

Khi các điện tử nhanh (điện tử năng lượng cao) đi qua vật chất, chúng bị va chạm Coulomb với các điện tử và hạt nhân nguyên tử, mỗi va chạm đều có thể gây ra nhiều kiểu mất mát năng lượng và góc lệch điện tử Đối với những điện tử tới có năng lượng trong khoảng 1 -10 MeV, khối lượng tương đối tính rất lớn hơn khối lượng điện tử nguyên tử, nhưng rất nhỏ so với khối lượng hạt nhân nguyên tử Vì vậy, nếu chỉ xét thuần túy động học, một va chạm tán xạ với một hạt nhân nặng

sẽ không dẫn đến truyền năng lượng, nhưng sẽ làm thay đổi đáng kể đường đi của điện tử (sự hãm điện tử một cách đột ngột) có thể làm phát sinh tia X Ngược lại, các va chạm với các điện tử nguyên tử có thể dẫn đến truyền năng lượng đáng kể, bứt các điện tử ấy ra khỏi quỹ đạo của chúng (

sự ion hóa) Đến lượt mình, các điện tử thứ cấp nhanh này cũng có thể bị va chạm Coulomb, sinh ra các điện tử tam cấp, tứ cấp… cho tới khi động năng do điện tử tới bị hấp thụ gần hết

Xét về phương diện biến thiên năng lượng theo chiều sâu tương tác giữa điện tử với vật chất có thể xảy ra các quá trình vật lý sau đây:

- Tán xạ không đàn hồi trên các điện tử của nguyên tử

- Phát xạ điện tử thứ cấp

- Sự va chạm (tán xạ) đàn hồi với hạt nhân làm mở rộng chùm tia theo chiều ngang

- Phát bức xạ hãm( tia X) chủ yếu là do các va chạm hạt nhân

1.1.1 Tán xạ không đàn hồi trên các điện tử của nguyên tử

Sơ đồ tương tác trên hình 1.2 cho thấy một điện tử nhanh đi tới với vận tốc v làm chuyển

động một điện tử nguyên tử Khoảng cách gần nhất giữa các hạt được gọi là thông số va chạm, được

kí hiệu là b

Hình 1.2 Sơ đồ va chạm giữa điên tử tới và một điện tử nguyên tử

Độ biến đổi vi phân trong momen dp chuyển đến điện tử nguyên tử trong thời gian dt bằng lực điện

trường F giữa các hạt được xác định theo phương trình:

r: khoảng cách tức thời giữa các điện tử

Nếu giả thuyết rằng năng lượng được truyền E, là một phần tương đối nhỏ của năng lượng

điện tử tới E và rằng hướng của điện tử tới thay đổi không đáng kể khi va chạm, tổng biến thiên

momen p của nguyên tử điện tử thu được bằng cách lấy tích phân theo thời gian của thành phần

p

    (1.3) Điện tử tới bị mất năng lượng E

Mà E được xác định bằng công thức:

2

( )2

p E m



  (1.4)

với m là khối lượng nghỉ của điện tử

Thay (1.3) vào (1.4) ta được:

Nếu gọi N là mật độ của các nguyên tử có nguyên tử số Z, khi đó sẽ có (2bdb NZ s)  các điện tử nguyên tử trên gia số độ dài s có thông số va chạm nằm giữa b và bdb được biễu diễn trong hình 1.3

Do đó, sự mất mát năng lượng va chạm trung bình trên đơn vị chiều dài của điện tử tới ( E)coll

s



 , được tính bằng cách lấy tích phân trên tất cả các giá trị của thông số va chạm, như công thức:

Hình 1.3 Một điện tử tới truyền năng lượng E cho mỗi điện tử trong thể tích hình trụ

((2bdb/s)

Dựa trên mô hình thống kê của nguyên tử có thể xác định năng lượng kích thích và ion hóa trung bình Iav ở dạng vi phân

4 2

nguyên tử số của vật liệu, với hằng số tỷ lệ cùng bậc với năng lượng Rydberg 13.5 eV Chú ý rằng ở

các năng lượng điện tử phi tương đối tính,

/ ( ) ( )

d d E  E  (1.8)

Vì thế, phổ này nặng về vùng năng lượng thấp hơn; đối với các điện tử có năng lượng thấp hơn 10

keV, thì năng lượng đó thường được xem như là bị suy giảm ngay tại chỗ Còn các điện tử thứ cấp

nhanh hơn thì sẽ rời xa khỏi chỗ va chạm và sẽ sinh ra các điện tử khác Quá trình suy giảm năng

lượng này gần như tức thời và những điện tử cuối cùng đạt đến năng lượng nhiệt và hoặc bị bắt giữ

hoặc bị dẫn điện thoát đi

1.1.3 Sự va chạm (tán xạ) đàn hồi với hạt nhân làm mở rộng chùm tia theo chiều ngang

Bây giờ chúng ta xét sự va chạm giữa một điện tử tương đối tính với một hạt nhân nặng có

điện tích Ze, như hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa va chạm giữa một điện tử tới và một hạt nhân nặng

2

   (1.9) Khi chùm tia điện tử xuyên sâu vào vật chất, mỗi điện tử riêng lẻ sẽ chịu nhiều lần lệch hướng như

thế, với kết quả tích lũy lại sẽ chính là sự trãi rộng bề ngang của chùm tia Vì giá trị có xác suất nhất

của góc tán xạ trung bình ấy phải là 0 (các va chạm đều là không có hướng ưu tiên), cho nên có thể

sử dụng một hệ thức cho góc tán xạ trung bình bình phương < 2

 > bằng cách lấy tích phân bình phương của phương trình (1.9) trên toàn bộ khoảng cho phép của các thông số va chạm Nếu giả

thuyết rằng những thay đổi của p là bé, tích phân này sẽ thành biểu thức

Với x là độ xuyên sâu vào trong vật hấp thụ

Điện tích hiệu dụng trong công thức này thực sự phải là hàm của thông số va chạm b, vì các điện tử

nguyên tử gây che chắn các điện tích hạt nhân Điều đó thường được tính đến bằng việc lựa chọn

chính xác giá trị bmax Tuy nhiên, góc tán xạ trung bình bình phương thì không nhạy lắm với giá trị

thực của thông số va chạm, dù là cực đại hay cực tiểu, vì chúng chỉ xuất hiện trong thừa số dạng

hàm logarith Vì cp là bằng hai lần động năng điện tử E, một phép tính xấp xỉ thô cho góc tán xạ

Đối với nước một biểu thức gần đúng rất hữu ích sẽ

2 2

6 (x cm) / E MeV( )

  (1.12) 1.1.4 Phát bức xạ hãm( tia X) chủ yếu là do các va chạm hạt nhân [2],[3]

Khi hạt electron đi đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng

bay ban đầu, tức là hạt electron có thể thu được một gia tốc lớn Gia tốc của hạt electron thu được tỷ

lệ với điện tích của hạt nhân và tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó Theo điện động lực cổ điển, khi

một hạt tích điện nói chung hay hạt electron nói riêng chuyển động có gia tốc, thì nó sẽ phát ra bức

xạ điện từ, được gọi là bức xạ hãm Phổ bức xạ hãm là phổ liên tục, có năng lượng từ 0 đến giá trị

cực đại E0 của động năng hạt electron vào Sự mất mát năng lượng của hạt electron trong trường

hợp này gọi là mất năng lượng do bức xạ Độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do

electron phát bức xạ hãm được xác định theo công thức

hằng số cấu trúc tinh tế; Z là điện tích của hạt nhân; m e là khối lượng nghỉ của electron; r e là bán

kính cổ điển của electron được xác định bởi công thức

2

13

2 2,82.10

e e

Ta thấy, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo hàm lôgarit tự nhiên của năng

lượng Khi năng lượng tăng, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo, trong khi đó độ

mất mát năng lượng do ion hóa hầu như không đổi Khi năng lượng của electron cỡ vài MeV trở

lên, mối liên hệ giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm và do ion hóa được xác định theo

EZ

dE dx

Ngoài ra, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi phụ thuộc vào nguyên tử số của chất hấp

thụ Đối với một môi trường hấp thụ cho trước, khi năng lượng nhỏ độ mất mát năng lượng do ion

hóa và kích thích môi trường chiếm ưu thế, tại đó, tỷ số giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ

hãm và do ion hóa nhỏ hơn đơn vị Khi năng lượng tăng, tỷ số số này tăng dần, đến giá trị năng

lượng của electron đạt giá trị năng lượng tới hạn E cr, khi đó độ mất mát năng lượng do phát bức xạ

hãm bằng độ mất mát năng lượng do ion hóa Tại năng lượng tới hạn EE cr ta có phương trình

Ta thấy năng lượng tới hạn phụ thuộc vào điện tích của hạt nhân hay chính xác phụ thuộc vào

nguyên tử số của môi trường

Từ biểu thức (1.15) ta nhận thấy rằng: Nguyên tử số của môi trường càng lớn, năng lượng tới hạn

càng giảm Năng lượng tới hạn được xác định theo công thức

800

1, 2

cr

MeV E

Z



 (1.17) Khi năng lượng của electron lớn hơn nhiều năng lượng tới hạn, sự mất mát năng lượng của nó chủ

yếu do phát bức xạ hãm Khi đó năng lượng của electron giảm theo hàm số mũ khi đi xuyên qua vật

chất được xác định theo công thức

lượng của electron giảm đi hệ số 1 0,367

e  do phát bức xạ hãm E0 là năng lượng ban đầu của electron

1.2 Cơ sở hóa bức xạ [5],[6],[9]

1.2.1.Cơ sở lý thuyết của công nghệ xử lý thực phẩm bằng năng lượng ion hóa

Ở trạng thái cơ bản, số electron quỹ đạo của nguyên tử trong phân tử là 2 hoặc 8, các electron

kết cặp với nhau, hai electron trong một cặp có spin ngược chiều nhau Ví dụ phân tử nước được

biễu diễn:

H : O : H

Dấu “ : ” Biễu diễn số electron ngoài cùng của H (hai), O (tám)

Khi vật chất bị gia nhiệt, chiếu với ánh sáng, năng lượng ion hóa hay tương tác với enzime

thì các nguyên tử hay phân tử trong đó sẽ bị mất một hoặc vài electron hóa trị và trở thành dạng gốc

tự do Số lượng gốc tự do được tạo thành phụ thuộc vào năng lượng, cường độ của các tác nhân gây kích thích

Bây giờ, ta xét phân tử nước là thành phần chủ yếu của đa số sinh vật sống Trong trường hợp này các gốc tự do sẽ được hình thành do sự thủy phân của nước dưới tác dụng của bức xạ Đầu tiên là sự ion hóa

- Ba là electron có thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành

nên e eq ( gọi là tương đương electron)

Các ion HOH v HOH à không bền vững lắm và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn

Các ion H v OH à  có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào Các loại ion này cũng thường xuất hiện trong nước

Các gốc tự do là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài cùng nên chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh Chúng cũng không bền, thời gian sống vào khoảng 1 s Tuy nhiên, trong khoảng thời gian ấy, chúng có thể khuếch tán và gây tương tác tại một chỗ xa trong tế bào ( khoảng nm) Các gốc tự do tương tác với các phân tử khác theo phản ứng oxy hóa – khử Chúng có thể công phá phân tử ADN, bẽ gãy các liên kết của phân tử đó và do đó gây ra một tổn thương điểm ở một nơi xa điểm hình thành gốc tự do

Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide, H O2 2, rất độc đối với tế bào và có thể được hình thành bằng nhiều cách Với bức xạ có LET(năng suất truyền năng lượng tuyến tính) cao,

do mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do OH*có thể có kết hợp lại để hình thành H O2 2

Hay trong trường hợp có nhiều Oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi sau

1.2.2 Tổn thương do bức xạ ion hóa

1.2.2.1 Tổn thương ở mức độ phân tử

Các tổn thương ở phân tử hữu cơ nhưng quan trọng nhất là các đại phân tử hữu cơ là cơ sở đầu tiên gây nên tổn thương ở mức độ tế bào, mô và toàn cơ thể Năng lượng của chùm tia được truyền trực tiếp hay gián tiếp cho các phân tử hữu cơ tại chỗ chiếu hay lan ra xung quanh Như trên

đã nói, bức xạ ion hóa có thể kích thích hoặc ion hóa các nguyên tử cấu tạo nên phân tử từ đó phá

vỡ các mối liên kết, phân ly các phân tử, tạo ra các sản phẩm hóa học mới gây nên tổn thương lớn hơn và lan rộng hơn

Biểu hiện của tổn thương phân tử do chiếu xạ là:

 Giảm hàm lượng của một hợp chất hữu cơ nhất định nào đó sau chiếu xạ so với lúc trước chiếu xạ Trong thực tế, người ta thường theo dõi các men sinh học (enzym), các protein đặc hiệu, các axít nhân… trong đó các nhóm chức hóa học như gốc amin( NH2), cacboxy (COOH), gốc SH bị tách lìa khỏi cấu trúc của các phân tử hữu cơ Sở dĩ hàm lượng của chúng bị giảm đi vì quá trình

tổng hợp và sản xuất có thể bị kìm hãm, cũng có thể sự phân hủy và chuyển hóa của các chất đó đã tăng lên do chiếu xạ

 Hoạt tính sinh học của các phân tử hữu cơ bị suy giảm hoặc mất hẳn do cấu trúc phân tử bị tổn thương hoặc bị phá vỡ Ta đã biết mỗi phân tử hữu cơ có một cấu trúc nhất định, cấu trúc đó quyết định chức năng hoạt động của nó Bức xạ ion hóa tách rời hoặc phá vỡ các nhóm chức hóa học khỏi cấu trúc phân tử làm cho chúng không còn hoạt động sinh học đặc biệt nữa

 Tăng hàm lượng một số chất có sẵn hoặc xuất hiện những chất lạ trong tổ chức sinh học Thông thường đó là những chất có hại, độc cho tổ chức sinh học Chúng là sản phẩm mới của sự phân ly các phân tử hữu cơ hoặc của các phản ứng hóa học mới xảy ra do chiếu xạ Điển hình là

H O , histamin, v.v

Một trong các tổn thương phân tử ảnh hưởng đến chức năng sinh học quan trọng là tổn thương phân tử ADN và ARN Các tổn thương đó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động di truyền của tế bào

1.2.2.2 Tổn thương ở mức độ tế bào

Tế bào là đơn vị sống cơ bản Về cấu tạo, tế bào gồm một nhân tế bào (nuclear) ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương (cytoplasma) Bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng

tế bào (membrane).(Hình 1.5) Mỗi bộ phận thực hiện những chức năng riêng rẽ

Hình 1.5 Cấu tạo tế bào

Màng tế bào làm nhiệm vụ trao đổi chất với môi trường ngoài Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa:catabolis) tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism) Còn nhân là nơi điều khiển

quá trình tổng hợp đó Trong nhân có ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng

để thực hiện sự tổng hợp các chất Trong hình (1.6) là mô hình cấu tạo của phân tử ADN Các tế bào

có thời gian sống nhất định Các tế bào khác nhau có thời gian sống khác nhau Khi các phân tử cấu tạo nên tế bào bị tổn thương do bức xạ thì hoạt động chức năng và đời sống tế bào cũng bị ảnh hưởng Nhìn chung, rối loạn chức năng tế bào xảy ra với những liều lớn (hàng trăm Gray)

Hình 1.6 Mô hình cấu tạo của phân tử ADN

Một trong những chức năng quan trọng của tế bào là chức năng sinh sản Đó là chức năng phân chia

tế bào để tạo ra các tế bào mới cho thế hệ sau ADN chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào Khả năng đó có thể bị mất tạm thời (hồi phục được) hoặc vĩnh viễn dưới tác dụng của bức xạ ion hóa Thông thường, những tác dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá hỏng ADN của tế bào Các tổn thương ở mức độ tế bào có thể là:

 Sự phân bào bị chậm trễ: thường chỉ là tạm thời xuất hiện khi liều hấp thụ khoảng vài phần trăm Gray

 Tế bào chết (mất khả năng phân bào, có thể xảy ra ở ngay tế bào chiếu xạ hoặc ở một thế hệ sau) với liều từ 1 2  Gray

1.2.3 Cơ chế diệt khuẩn

Cơ chế diệt vi sinh, côn trùng, nấm mốc gây hại cho con người khi sử dụng thực phẩm dựa trên tính chất ion hóa các nguyên tử, phân tử cấu thành nên các cơ thể sống, đặc biệt là các phân tử ADN của tế bào vi sinh gây bệnh Khi các phân tử ADN bị ion hóa, các liên kết giữa chúng bị đứt gãy Nếu chiếu xạ ở một liều vừa đủ thì việc phục hồi các đứt gãy trong cấu trúc ADN sẽ không thực hiện được và khi đó tế bào sẽ bị chết trong quá trình phân bào và vi sinh gây bệnh không thể phát triển được

1.2.3.1 Khử trùng ( hay tiệt trùng Sterilization)

Khử trùng bức xạ là một quá trình vật lý nhằm bất hoạt các vi sinh vật trong sinh vật nhờ các hiệu ứng ion hóa của các tia bức xạ Quá trình này được thực hiện bởi các thiết bị chuyên dụng phát

ra các loại bức xạ ion hóa như : tia gamma, chùm tia điện tử, tia X…

So với phương pháp khử trùng bằng nhiệt và hóa học, khử trùng bức xạ được xem là công nghệ sạch, hiệu quả và an toàn hơn vì khử trùng bức xạ khắc phục được nhiều nhược điểm của các phương pháp khác, độ đâm xuyên của bức xạ sâu cho phép xử lý một khối lượng sản phẩm lớn mà không phải tháo bao gói, tác dụng của bức xạ lên sản phẩm sinh nhiệt yếu nên không làm chín, làm hỏng sản phẩm Ngoài ra bức xạ không để lại các sản phẩm tồn dư

1.2.3.2 Thanh trùng

Thanh trùng là việc sử dụng tia bức xạ của nguồn phóng xạ hoặc máy phát tia bức xạ để bảo quản và ngăn ngừa sự biến chất của thực phẩm gây ra do vi sinh vật gây bệnh hoặc có hại

1.3 Định nghĩa liều, đơn vị về liều [5],[6]

Trong ứng dụng chiếu xạ thực phẩm và rau quả, người ta thường quan tâm đến tác dụng sinh học của bức xạ Những nghiên cứu sinh học bức xạ cho thấy tác dụng sinh học này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng yếu tố quan trọng nhất là năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong một đơn vị vật chất Đại lượng này được gọi là liều hấp thụ Liều hấp thụ có giá trị tùy thuộc loại bức xạ, năng lượng của nó, thời gian chiếu cũng như các tính chất của vật được chiếu Đo và tính liều hấp thụ là nhiệm vụ trọng tâm trong các ứng dụng của chúng ta

Định nghĩa trên có thể áp dụng cho mọi loại vật chất hấp thụ và mọi loại tia bức xạ, có năng lượng tùy ý

Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào loại vật chất được chiếu và tính chất của bức xạ Với

cùng một liều chiếu, các loại vật liệu khác nhau sẽ hấp thụ những lượng năng lượng khác nhau Do

đó, khi đưa ra liều hấp thụ bao giờ người ta cũng cho biết loại vật chất đã hấp thụ lượng năng lượng

đó Ngoài ra, sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ

với electron của nguyên tử vật chất Do đó, năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng phụ

thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong

một đơn vị khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ

của vật chất

Đối với chiếu xạ thực phẩm, rau quả ta lại có mối quan hệ sau:

Đơn vị liều là Gy hoặc là kGy

D P

t





 (1.20) Trong đó D ht là liều hấp thụ trong khoảng thời gian t

Đơn vị: W/kg hoặc rad/s hoặc Gy/s

Nếu suất liều hấp thụ là một hàm của thời gian, khi đó liều hấp thụ được tính thông qua công thức

1.4.1 Các cơ quan vi sinh

Các cá thể sinh vật đầu tiên liên quan trực tiếp đến sự giữ gìn và bảo quản thực phẩm bao

gồm: vi khuẩn; men giấm và nấm mốc; vi rút và các ký sinh trùng khác và các loại sâu bọ

- Vi khuẩn là các tổ chức đơn bào Nhìn chung, chúng tồn tại dưới dạng tế bào sinh dưỡng,

sinh trưởng và nhân bản điều kiện bên ngoài cho phép Một vài vi khuẩn còn có dạng bào tử Về cơ

bản, chúng gồm các lớp che chắn bảo vệ, cho phép các cơ quan nằm bên trong dưới trạng thái tiềm

sinh và chúng có thể chịu đựng được điều kiện môi trường vô cùng khắc nghiệt

Dưới góc độ bảo quản thực phẩm, vi khuẩn được chia thành 3 loại: (1) vi khuẩn có lợi là các

vi khuẩn có khả năng tạo ra một số loại đường thông qua quá trình lên men (2) Vi khuẩn có hại là

loại vi khuẩn làm biến đổi mùi vị, màu sắc, thành phần và hình dạng của thực phẩm (3) Vi khuẩn

gây bệnh là chủng loại vi khuẩn có khả năng phá vỡ trạng thái nội tại của thực phẩm, gây ra bệnh tật cho động vật tiêu thụ Các vi khuẩn gần đây bao gồm: vi khuẩn làm thực phẩm thành độc, vài loại vi khuẩn lạ và e.coli (hình 1.7) Vi khuẩn gây độc có thể gây bệnh theo 3 cách: xâm nhập, đầu độc và

làm nhiễm độc Một ví dụ về sự xâm nhập của vi khuẩn nhiễm độc là Salmonella typhimurian, với

độ nhiễm độc phụ thuộc vào mức độ hấp thụ của thực phẩm bẩn Các cơ quan này bị tổn thương dọc theo ruột non gây ra bệnh tiêu chảy Sự đầu độc là kết quả của các thực phẩm có chứa vi khuẩn sản

sinh chất độc Những chất độc phải kể đến là khuẩn cầu chùm Clostridium botulinum

Hình 1.7 Một số loại vi khuẩn có hại

Trong trường hợp đặc biệt, cơ quan sau cùng có thể gây nhiễm độc neurotoxin cho thực phẩm và là nguyên nhân sinh ra botulism Sự nhiễm độc là kết quả của quả trình đưa các thực phẩm có chứa vi khuẩn gây độc vào cơ thể Một ví dụ về cơ quan bị nhiễm độc là Clostridium perfringens, những tế bào được gắn vào thành ruột nơi mà chúng hình thành bào tử Vỏ bào tử được cho rằng chúng là tác nhân gây độc

- Các loại men còn có cấu trúc đơn bào, mặc dù chúng có thể tập hợp thông tin qua chỉ nhị và được gọi là “sợi nấm” Khác với các vi khuẩn tái sinh thông qua việc phân chia tế bào, các loại men tái sinh bằng sự cấy ghép

- Các nấm mốc cũng có thể có cấu trúc đơn bào hay đa bào, chúng xuất hiện trong quá trình phân hủy các vật chất

Các loại men và nấm mốc có thể là mầm mống của các bệnh tật do các chất độc mà chúng gây ra

- Virus không phải là các tế bào thực, nhưng chúng là những ký sinh sẽ nhân bản khi xâm nhập vào vật chất di truyền trong tế bào chủ, chẳng hạn như các tế bào dọc theo thành ruột Các virus không phát triển trong thực phẩm nhưng chúng có thể gây ảnh hưởng đến các vi khuẩn chủ Bệnh viêm gan truyền nhiễm virus và bệnh bại liệt truyền nhiễm virus có thể lây nhiễm qua sữa

chưa xử lý và thịt bị nhiễm bẩn Nhiều loại ký sinh khác, đặc biệt là các dạng nguyên sinh, sán dây chúng không sinh trưởng trong thực phẩm nhưng chúng có thể gây bệnh

Côn trùng, bọ mạt, một số ký sinh khác và các tổ chức sống cao hơn như động vật đa bào gây ảnh hưởng và có thể làm mất các giá trị của thực phẩm tươi sống và thực phẩm khô Chúng còn gây bệnh thông qua các ký sinh và vi khuẩn

1.4.2 Hiệu ứng của bức xạ ion hóa

Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những quá trình sinh học

có thể âm ỷ hàng chục năm Các quá trình này có mối quan hệ nhân quả, theo một quy luật vừa mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay vẫn chưa được nhận thức đầy đủ

Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống bao gồm:

 Giai đoạn vật lý

 Giai đoạn hóa lý

 Giai đoạn hóa sinh

 Quá trình sinh học

Trong các quá trình trên, có lẽ quá trình vật lý là được hiểu biết đầy đủ và chi tiết hơn cả Càng về sau, mức độ phức tạp càng tăng lên và mức độ chính xác của dự đoán càng giảm xuống Có lẽ nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa có những dữ liệu thống kê đầy đủ, cũng như do sự khác biệt rất lớn giữa các cá thể làm cho khó có thể thực hiện những phép đo lặp lại được như trong vật lý Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu từng bước một trong chuỗi quá trình đó

1.4.2.1 Giai đoạn vật lý

Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất Nhờ những tiến bộ trong sinh học phóng xạ, người ta ngày càng nhận thức rõ hơn ảnh hưởng của giai đoạn vật lý lên các quá trình tiếp theo Đặc điểm quan trọng nhất trong giai đoạn này có liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng cục bộ mà bức xạ truyền cho môi trường

Giai đoạn vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn từ 10-16s đến 10-13s Đó là thời gian để bức xạ (photon, electron) đi qua cấu trúc chịu tương tác.Trong chiếu xạ thực phẩm và rau quả, năng lượng bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích Sự ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào Các tổn thương này càng nhiều và càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào càng lớn Do đó, tác dụng của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường Đại lượng này chính là liều hấp thụ đã được định nghĩa trong phần trước

Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, axit amin, protein, enzym hay một phần của màng tế bào và chủ yếu là các phân tử nước, vốn chiếm một tỉ lệ khối lượng khoảng 80% trong tế bào

Quá trình ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của các đại phân tử sinh học trong tế bào Hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn thương cho ADN, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào Những tổn thương gây ra trên các màng và các ống vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc

Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó Đó là tác dụng trực tiếp Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa các phân tử nước trong vùng lân cận nó Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy phân do bức xạ) và dẫn đến việc hình thành các gốc tự do và hydroxyl Các gốc tự do và hydroxyl công phá các phân tử ADN ( hình 1.8)

Khi một ADN bị tổn thương, ta không thể phân biệt là nó chịu tác dụng trực tiếp hay gián tiếp, nhưng do tế bào chứa khoảng 80% nước và dưới 1% ADN, nên người ta cho rằng tác dụng gián tiếp đóng vai trò quan trọng Những thí nghiệm bổ sung cho phép ước tính rằng đối với các bức xạ có LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số các thương tổn, phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp

Hình 1.8 Tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp

Mặt khác, ta lại có năng lượng liên kết hóa học càng thấp, năng lượng cần thiết để bẽ gãy phân tử càng bé Trong các phân tử hữu cơ, liên kết cộng hóa trị có năng lượng liên kết lớn nhất (khoảng 1,5 – 4 eV/liên kết), do đó chúng có độ bền cao nhất đối với sự công phá của bức xạ Loại mối thứ hai là liên kết Hydro, có năng lượng liên kết khoảng 0,2 – 0,4 eV/liên kết), dễ dàng bị bẻ

gãy hơn, ngay cả với bức xạ không ion hóa như tia tử ngoại Như sẽ thấy, trong phân tử ADN các nhánh chính có liên kết cộng hóa trị, còn các base nối với nhau bằng liên kết hydro Điều này khiến cho ADN tương đối vững bền với các tác nhân có năng lượng thấp, nhưng lại dễ bị đứt gãy do các bức xạ ion hóa Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác

1.4.2.2 Giai đoạn hóa lý

Giai đoạn hóa lý kéo dài trong khoảng từ 10-13s đến 10-2 s, mở đầu bằng việc hình thành các gốc tự do và kết thúc bằng những thay đổi cấu trúc và chức và chức năng của các phân tử sinh học

có trong tế bào

Như đã nói trên, bức xạ có thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp thông qua việc ion hóa hay kích thích phân tử nước Trong cả hai trường hợp, năng lượng của bức xạ sẽ được hấp thụ trong các phân tử hữu cơ cũng như vô cơ Tiếp sau quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ từ bức xạ cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng nội phân tử hay từ phân tử này sang phân tử khác Quá trình trao đổi nội phân tử có thể làm thay đổi cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách các nhóm chức năng hay làm đứt vỡ những phân tử có dạng chuỗi Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương tác giữa phân tử nước Đó là quá trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do Thường thì các gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro trong ADN Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa được Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng ½ đường kính của thớ của nhiễm sắc thể Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi

có mặt oxy hay các phân tử ái electron Ngược lại, một số phân tử khác có thể thu hút các gốc này

và làm giảm tác dụng sinh học của chúng

Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau: đứt một nhánh, đứt hai nhánh, tổn thương base, nối giữa các phân tử trong AND, nối giữa AND và protein, tổn thương bội

1.4.2 3 Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN

Quá trình sinh học kéo dài từ 10-2 s đến nhiều giờ Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là những tổn thương

không hồi phục được

1.4.2 4 Quá trình sinh học

Giai đoạn này có thể kéo dài từ vài giờ đến nhiều năm sau chiếu xạ Những tổn thương hóa sinh ở giai đoạn đầu nếu không được hồi phục sẽ dẫn đến những rối loạn về chuyển hóa Kết thúc tế bào không thể hoạt động bình thường dẫn đến tế bào bị chết hay bị hủy hoại

Bây giờ chúng ta xem xét cụ thể hiệu ứng của bức xạ ion hóa lên các cơ quan vi sinh:

Trước hết ta cần lưu ý rằng: một nguyên nhân quan trọng để đối chiếu mức độ nhạy cảm cao

của ADN dưới hiệu ứng bức xạ ion hóa là các ADN lớn hơn nhiều so với các phân tử khác trong

cấu trúc tế bào Ví dụ như, ADN chromosom của e.coli bao gồm 3,5x106 nucleotide ghép đôi, với

khối lượng trung bình của mỗi phân tử là 660 thì tổng khối lượng các phân tử lên đến 2x109 Giả sử

giá trị G duy nhất (đặc trưng cho nguyên nhân gây tổn thương trong một trụ xoắn (trụ chính) của

phân tử ADN) Với liều hấp thụ 1 kGy sẽ bẻ gãy gần 200 trụ chính trong một phân tử ADN của

e.coli Trong khi đó, một trụ chính bị bẻ gãy sẽ không gây chết ADN mà có thể gây đột biến trong

quá trình nhân bản Hơn nữa, tùy thuộc sự định hướng của phân tử và hướng tới của bức xạ ion hóa,

chúng còn có thể gây tổn thương lên trục xoắn kép song song, cả hai trụ chính đều bị tách ra cùng

lúc do sự bẻ gãy phân tử ADN trong hai phần tách biệt Với trụ xoắn kép bị bẻ gãy thì luôn luôn gây

chết tế bào Ước tính giá trị G của trụ xoắn kép bị bẻ gãy khoảng 0.076 Mức liều 1 kGy có thể bẻ

gãy 14 trụ xoắn kép của phân tử ADN của e.coli gây chết tế bào

Với hầu hết các cơ quan sinh học bị chiếu bởi bức xạ ion hóa, tốc độ suy giảm quần thể

(dN/dt) đo được phụ thuộc tuyến tính vào suất liều (dD/dt) và chính quần thể đó :

dN dt aN dD dt (1.22) với a là hằng số đặc trưng cho quần thể Khử biến thời gian và thực hiện phép lấy tích phân ta được

logarit 2 vế của phương trình (1.23) và biểu diễn độ nhạy cảm của các cơ quan đặc trưng dưới tác

dụng của bức xạ ion hóa theo liều D10, hay thường biểu diễn theo giá trị liều D (giá trị thập phân)

Đó là giá trị liều yêu cầu để giảm số lượng cá thể ban đầu xuống 10 lần Từ phương trình (1.23), giá

trị D10 được định nghĩa bởi

10

D =2,3/a (1.24) Ngoài ra, do kích thước của phân tử ADN thường tăng lên theo sự phức tạp của các cơ quan, virus thường chịu đựng

với phóng xạ tốt hơn vi khuẩn, vi khuẩn thì hơn côn trùng… Liều cho các loại virus thường khoảng

vài kGy, trong khi giá trị liều D10 cho các loại vi khuẩn khoảng vài trăm Gy Tuy nhiên, còn rất

nhiều hệ số làm ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với hiệu ứng bức xạ bao gồm nhiệt độ, đặc điểm cấu

trúc môi trường và chu kỳ sinh trưởng của tế bào Ví dụ thông thường thì độ nhạy cảm với bức xạ

suy giảm khi nhiệt độ giảm Nguyên nhân của hiệu ứng này là khi nhiệt độ giảm làm thì tốc độ

chuyển hóa cũng giảm và giảm đặc tính và hoạt tính của bức xạ tự do Sự sấy khô hoặc đông lạnh

cũng làm suy giảm độ nhạy cảm với bức xạ như nhau Vi khuẩn trong trạng thái tiềm sinh, giai đoạn

bào tử thường chống chịu với bức xạ cao hơn so với giai đọan phát triển của tế bào dinh dưỡng

Các loại men thường chống chịu với hiệu ứng bức xạ cao hơn các loại nấm mốc, điển hình là giá trị liều gây hiệu ứng D10 khoảng vài kGy, trong khi liều D10 gây cho nấm mốc là 1 kGy hoặc nhỏ hơn Những độc tố được sinh ra do các loài nấm mốc khác nhau có khối lượng nguyên tử phải nhỏ hơn phân tử khối ADN vì vậy sức chống chịu với hiệu ứng bức xạ cao hơn

Liều bức xạ để tiêu diệt côn trùng phụ thuộc chủ yếu vào tuổi và trạng thái phát triển của chúng, đang còn trong trứng là nhạy cảm với bức xạ nhất, giai đoạn trưởng thành có sức chống chịu cao nhất Các mức liều trong khoảng từ 1 – 3 kGy sẽ tiêu diệt toàn bộ côn trùng trong tất cả các giai đoạn trong vài ngay sau đó, nhưng khi khử trùng thường có hiệu quả ở mức liều thấp hơn Ví dụ, liều khử trùng với giai đoạn trưởng thành của côn trùng trong khoảng từ 50 – 150 Gy và với các loại mạt là từ 60 – 80 Gy

1.4.3 Liều yêu cầu cực tiểu

Nguồn gốc và phân phối một số thực phẩm đặc trưng cần mức liều yêu cầu cực tiểu Dm, mức liều này có thể được tính toán cho các cơ quan sinh học của các quần thể khác nhau Với mục đích

là làm giảm bớt số lượng các vi sinh trong quá trình bảo quản thực phẩm thường có hệ số 105 hay 5 lần giá trị D10 Ví dụ, giá trị D10 để diệt e.coli trong thịt bò tươi là 0,25 kGy Chính vì tiêu chuẩn ngặt nghèo của thịt đóng gói với yêu cầu cao hơn so quần thể e.coli ban đầu là 1000 cá thể trong 25

g thịt bò tươi Để bảo quản nguồn gốc thịt sống cần mức liều cực tiểu bằng 5 D10 hay 1,25 kGy Xem một quần thể ban đầu trong trường hợp xấu nhất, xác suất tìm được một cá thể e.coli trong 1 pao thịt bò tươi đã chiếu xạ là 0,2, đảm bảo hiệu quả trong việc bảo quản các sản phẩm chiếu xạ Liều yêu cầu cực tiểu áp dụng trong trường hợp này được coi là mức liều trung bình nó nằm trong khoảng từ 1 – 10 kGy Sự tăng nhiệt độ cũng được liên hệ với liều cực tiểu Dùng nhiệt dung riêng của nước (cal/g 0C) làm một ví dụ thì khoảng tăng nhiệt độ tương ứng chỉ là 0,25 – 2,5 oC Các ứng dụng khoảng liều trung bình để kiểm soát vi khuẩn gây bệnh do đó có khi còn được gọi với cái tên “thanh trùng nguội” mặc dù cụm từ này không được công nhận

1.5 Hiệu ứng của bức xạ lên thành phần thực phẩm

- Trong quá trình chiếu xạ, thực phẩm không hề tiếp xúc với chất phóng xạ mà chỉ bị chiếu tia gamma phát ra từ các chất phóng xạ hay sử dụng chùm tia electron, do đó nó không thể bị nhiễm và trở thành “thực phẩm phóng xạ” được

- Việc chiếu xạ đúng liều lượng trong một số trường hợp cũng có thể làm mất đi một phần nhỏ các vitamin nhóm B, vitamin A, C, E, K, các amino acid và các acid béo không no, tuy nhiên vẫn không ảnh hưởng đến chất lượng, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm Hương vị, hình thức của thực phẩm đã được chiếu xạ hoàn toàn giống như thực phẩm chưa chiếu xạ

- Cũng chưa ghi nhận được các chất độc hại có khả năng ảnh hưởng đến sức khoẻ người tiêu dùng được tạo thành sau khi chiếu xạ thực phẩm

1.6 Ứng dụng của chiếu xạ thực phẩm

Vẫn đang còn khảo sát các hiệu ứng của bức xạ ion hóa lên các cơ quan sinh học và các dưỡng chất vi lượng và đa lượng trong thực phẩm, ta sẽ tiếp tục thảo luận vài ví dụ đại diện cho tiềm lực quan trọng của các ứng dụng chiếu xạ thực phẩm Theo khuyến cáo của các tổ chức quốc tế FAO, IAEA, WHO, các ứng dụng này đã được sắp xếp theo các thang chia liều Áp dụng mức liều thấp thường ở dưới 1 kGy để kìm hãm sự nãy mầm, làm chậm chín (trái cây), khử ký sinh trùng, tiêu diệt côn trùng Mức liều trung bình trong khoảng từ 1 – 10 kGy đượ áp dụng để kiểm soát vi sinh gây hại và kìm hãm sự làm hỏng thực phẩm Các ứng dụng liều cao (> 10 kGy) phải được liên kết với sự khử trùng thực phẩm bằng bức xạ và chỉ được tiến hành khi điều kiện bảo quản chất lượng thực phẩm (về mùi vị, hình dạng…) được thỏa mãn Thêm ba kiến nghị quan trọng đến từ ba

tổ chức uy tín để xem xét quá trình chiếu xạ thực phẩm, National Food Processors Association (NFPA) đưa ra từ tháng 8 năm 1999, National Fisheries Institute (NFI) đưa ra tháng 10 năm 1999 và NFI đưa thêm một kiến nghị về xử lý thịt tôm vào tháng 2 năm 2001 Cuối cùng chiếu xạ trái đu đủ

và trái xoài đã được chấp nhận bởi Animal and Plant Health Inspection Service (APHIS) rất quan trọng để xâm nhập vào lục địa Hoa Kỳ từ Hawaii

1.6.1 Áp dụng liều thấp (< 1 kGy)

1.6.1.1 Kìm hãm sự mọc mầm

Thời gian lưu giữ hàng trên vài tháng là cần thiết để cung cấp đến người dùng, mỗi loại thực phẩm có thời gian mọc mầm khác nhau như khoai tây, khoai mỡ, tỏi và hành Sự mọc mầm có thể được hạn chế bằng cách đông lạnh và dùng hóa chất như maleic hydrazinde (preharvest) và isopropyl chlorocarbamate (postharvest) Tuy nhiên, đông lạnh thì đắt tiền, đặc biệt là vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới Trong khi xử lý hóa học thì tương đối rẻ tiền và hiệu quả, nhưng

để lại dư lượng hóa chất và nhiều nước đã khuyến cáo sử dụng sẽ gây hại cho sức khỏe Vì vậy, chiếu xạ là một giải pháp hữu hiệu có thể được đưa ra

Sự nảy mầm của khoai tây, chỉ cần chiếu xạ mức liều 100 Gy là đã ngăn cản hiệu quả và làm chậm quả trình chín chỉ cần mức liều 30 Gy Đối với các loại hành, cần thì mức liều từ 50 – 60 Gy

đã găn cản được sự nảy mầm Đối với các loại củ tỏi yêu cầu liều khoảng 100 – 120 Gy Hãy làm thử nghiệm là theo dõi thời gian mọc mầm giữa nông sản vừa thu hoạch và nông sản được chiếu xạ trong 2 tuần Chống mọc mầm, giảm thối rữa của khoai mỡ, khoai lang bằng việc chiếu xạ ở mức liều 75 – 125 Gy Chiếu xạ các loại khoai là rất quan trọng vì chúng nhanh chóng bị hư hỏng ở nhiệt độ dưới 12 0C và xử lý hóa chất không có hiệu quả

1.6.1.2 Tiêu diệt côn trùng

Việc kiểm soát tốt côn trùng có trong các loại hạt và khe của các loại nông sản có thể được tiến bằng sử dụng chất hun khói như ethylene dibromide (EDB) hoặc ethylene oxi (EtO) Tuy nhiên,

sử dụng các loại thuốc trừ sâu đã bị nghiêm cấm hoặc bị hạn chế nghiêm khắc trong nhiều quốc gia

vì tác hại của nó lên sức khỏe và môi trường sống Ví dụ, EDB được xem như một chất gây ung thư

và chúng bị nghiêm cấm sử dụng bởi cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ từ năm 1984 Nhiều chất hun khói khác như methyl bromide và hydrogen phosphide đã không có tác dụng như mong muốn

và chúng còn gây bất lợi cho môi trường Vì vậy, quá trình xử lý bức xạ được đề xuất để thay cho các chất hun khói Hãy kiểm chứng bằng một thí nghiệm với mức liều đề xuất trong khoảng 150 –

700 Gy Đặc điểm của việc khử trùng là sử dụng dải liều thấp, trong khi để tiêu diệt côn trùng giai đoạn trưởng thành yêu cầu liều cao hơn Tuy nhiên, xử lý bằng bức xạ rất đắt tiền, vì vậy phải cân đối với giá trị thực của thực phẩm Các hệ số này cần tính toán và áp dụng cho các sản phẩm khác nhau

Một tiềm lực ứng dụng đầy hứa hẹn là tiêu diệt côn trùng trong trái cây và rau quả tươi (FFV) Các nước nhập khẩu số lượng lớn bao gồm Úc, Nhật Bản và Mỹ đều yêu cầu các nông sản phải có các chứng chỉ về thanh tẩy côn trùng, ký sinh, hoặc phải qua sự kiểm dịch để xuất khẩu Cho đến năm 1984 trái cây và rau quả từ các vùng nhiễm côn trùng đã được hun khói bằng ethylene dibromide (EDB) để đáp ứng các yêu cầu kiểm dịch Sau lệnh cấm sử dụng EDB, việc xử lý bằng cách chất hun khói khác đều mang đến hiệu quả kém hơn Trong khi xử lý nhiệt và xử lý nguội đang

có tiềm năng trong việc tiêu diệt côn trùng, chúng có thể làm suy giảm nghiêm trọng mùi vị và hình dạng của thực phẩm Các sản phẩm chiếu xạ vì thế đã mở ra một hướng khả thi khác Mức liều 250

Gy đáp ứng hiệu quả cho xử lý kiểm dịch trái cây, trong khi liều 500 Gy có thể kiểm soát tất cả các giai đoạn phát triển của ký sinh trùng Rất nhiều loại trái cây cho phép xử lý với mức liều này rất an toàn (ví dụ thêm như đu đủ và xoài) Tuy nhiên, quả bơ lại đặc biệt nhạy cảm với bức xạ và có thể cải thiện khuyết tật của lớp vỏ và sự bạc màu của trái ở mức liều thấp khoảng từ 100 – 200 Gy 1.6.2 Những ứng dụng của mức liều trung bình (1 – 10 kGy)

1.6.2.1 Kiểm soát ngộ độc thực phẩm do kí sinh trùng

Thịt bò, thịt lợn, thịt gia cầm, trứng và các loại thực phẩm hàng ngày được ghi nhận là nguồn gốc chính của các bệnh ngộ độc thực phẩm Nhân tố lây truyền nguy hiểm nhất là e.coli kiểm huyết thanh dạng O157H7, khuẩn que và sán dây nhiễm trong thịt bò, thịt lợn có thể lây nhiễm các loại vi khuẩn này, với sán dây và giun xoắn nhiễm trong thịt lợn, thịt gia cầm và trứng Tác nhân gây bệnh cao hơn là vi khuẩn hình que và trùng huyết; các loại ký sinh trùng hiếu khí tiềm ẩn trong sữa, pho-

mát, thủy sản và đặc biệt là các loại tôm cua, các vi khuẩn hình que thường lây nhiễm là Vibrio và

Shigella Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng này được kiểm soát rất tốt với liều chiếu xạ trong khoảng

từ 1 – 3 kGy

Như đã trình bày ở trên, liều yêu cầu cực tiểu được áp dụng để bảo quản thực phẩm được xây dựng dựa trên bậc suy giảm cá thể trong quần thể và được thể hiện qua giá trị D10 Tuy nhiên, liều cực đại lại được xây dựng theo các quy định của chính phủ từng nước, hoặc được phát triển dựa trên các đặc điểm của độ nhạy cảm âm với bức xạ (chống chịu với bức xạ) Ví dụ thịt bò tươi chưa lọc

mỡ và thịt lợn mỡ nhiều thì liều cực đại phải dưới 2,5 kGy để ngăn cản sự chảy mỡ Đối với trứng dạng lỏng (trứng sống) và cả dạng khô (trứng chín) liều cho phép có thể hơn 3 kGy, nhưng với vỏ trứng liều 2 kGy cũng đã gây hư hỏng màng bao bọc lòng đỏ Sữa có thể bị mất mùi ở dải liều thấp, nhưng với các loại pho-mát có thể cho phép chiếu xạ với liều 3 kGy Hải sản với nồng độ chất béo thấp, ví dụ như cá bơn, thịt ghẹ và các loại sò có thể cho phép chiếu xạ trên 5 kGy mà không làm giảm phẩm chất

1.6.2.2 Kéo dài thời hạn sử dụng

Áp dụng cùng mức liều với mục tiêu kiểm soát ngộ độc thực phẩm còn có thể kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm thông qua việc giảm các vi sinh gây hư hỏng, các loại vi khuẩn, nấm mốc và các loại men Ví dụ, với liều 2,5 kGy có thể kéo dài thời hạn sử dụng thịt gà, thịt lợn thêm vài tuần, thời hạn sử dụng của các loại cá ít mỡ là 3 – 4 ngày nếu không chiếu xạ, trong khi chiếu liều 5 kGy có thể kéo dài thêm vài tuần Hơn nữa, thời hạn sử dụng của các loại pho-mát có thể được kéo dài thông qua việc khử nấm mốc bằng chiếu xạ liều thấp hơn 0,5 kGy Cuối cùng, sự kéo dài thời hạn sử dụng cho các loại dâu tây, cà rốt, nấm, đu đủ, hành lá và các loại rau cải còn mở ra một tiềm năng đầy hứa hẹn của việc áp dụng dải liều vài kGy hoặc thấp hơn

1.6.2.3 Chiếu xạ các loại gia vị

Các loại cây xanh luôn chứa các thành phần dưỡng chất và các vi sinh vật được dẫn xuất từ đất, bụi và phân chim trong quá trình cây xanh hấp thụ Trong quá trình sấy khô, các vi sinh vật có thể được phát triển lên đến 106 cá thể/gram thực phẩm Khi sử dụng công nghệ sấy khô trong sản xuất hàng loạt các loại thực phẩm, nếu bỏ qua bước chiếu xạ các vi sinh vật sẽ làm hư hỏng thực phẩm hoặc nguy hiểm hơn là gây nên ngộ độc thực phẩm do nhiễm vi khuẩn Do xử lý nhiệt ẩm không thích ứng với các sản phẩm sấy khô, các loại gia vị đã qua xử lý EtO để khử nhiễm côn trùng Với EtO còn đang bị xem như chất gây ung thư, nên các nhà chế xuất thực phẩm đang quay sang xử

lý bằng bức xạ ion hóa Trên thực tế, chiếu xạ hàng gia vị đã được thương mại hóa ở một số quốc gia trong vài năm gần đây Ở Hoa Kỳ, việc áp dụng chiếu xạ đã được chấp nhận ở mức liều không vượt quá 30 kGy Tuy nhiên, mức liều từ 5 – 10 kGy cho kết quả thỏa đáng (tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc và côn trùng) không có tác động ngược về mặt hóa học và độ nhảy cảm bức xạ

1.6.3 Khử trùng thục phẩm ở mức liều cao (> 10 kGy)

Như đã trình bày ở các phần trước, một số thực phẩm như trái cây tươi, rau quả bị giảm phẩm chất khi chiếu xạ liều cao (> 10 kGy) Tuy nhiên, các thực phẩm khác bao gồm thịt gia súc,

gia cầm, hải sản, chất lượng vẫn được duy trì tốt miễn là giữ được sự ngăn ngừa chắc chắn Kết quả

là chúng có thể cho hiệu quả khử trùng thực phẩm với mức liều trong khoảng từ 25 – 45 kGy Để ngăn ngừa sự mất mùi do quá trình oxy hóa lipid, phải giảm nồng độ oxy bằng việc đóng gói chân không, và chiếu xạ phải giữ trong điều kiện nhiệt độ thấp (-20 đến -40 0C)

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ GIA TỐC ĐIỆN TỬ UERL 10-15S2

VÀ CODE MCNP

2.1 Sơ bộ về sử dụng máy gia tốc điện tử trong chiếu xạ [13]

Biểu đồ đơn giản hóa của hệ thống nhà máy chiếu xạ được trình bày trong hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ đơn giản hóa của nhà máy chiếu xạ dựa trên hệ thống máy gia tốc

Những yếu tố then chốt của nó gồm hệ thống máy gia tốc để phát tia năng lượng, hệ thống quét tạo sự bao phủ đồng nhất của tia lên sản phẩm và hệ thống chuyển tải sản phẩm đi qua chùm tia

… được kiểm soát một cách chặt chẽ Các thiết bị phụ gồm thiết bị chân không và các hệ làm mát,

hệ che chắn…

Để tránh bất kỳ hậu quả nào liên quan đến sự kích hoạt hạt nhân, động năng của điện tử do

hệ thống máy gia tốc sinh ra được giới hạn theo quy định là 10 MeV đối với tia điện tử chiếu trực tiếp và 5 MeV ( hay 7,5 MeV ở Hoa Kỳ) đối với chiếu xạ gián tiếp ( bằng tia X bức xạ hãm) Vì khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử tỷ lệ với động năng và vì hiệu suất sinh tia X cũng tỷ lệ thuận với động năng nên người ta thiết kế vận hành hệ thống gia tốc ở gần với các giới hạn cho phép tối

đa này

Chùm tia điện tử sinh ra bởi máy gia tốc vi sóng nói chung có bán kính nhỏ hơn nhiều so với kích thước vật lý của sản phẩm được chiếu xạ và do đó chùm tia cần phải được quét sau đó để

những tia chiếu phủ đồng nhất lên toàn thể kiện hàng.Thao tác quét như thế thường được thực hiện bằng một bộ lái tia bằng từ trường biến hiên theo thời gian

Khi xử lý sản phẩm trực tiếp bằng tia điện tử, thì chùm tia đã gia tốc sẽ ra khỏi buồng chân không của máy gia tốc qua một cửa sổ lối ra (thường là một tấm titan mỏng ở cuối đầu quét (scan horn) sẽ chiếu thẳng lên sản phẩm

Sản phẩm được di chuyển qua chùm tia quét bằng hệ thống băng tải Vì máy gia tốc (linac)

và hệ thống quét thường vận hành ở những thông số cố định; cho nên một liều chiếu mong muốn nào đó sẽ đạt được bằng cách chọn một tốc độ thích hợp cho hệ thống băng tải Sau đây ta sẽ nghiên cứu về nguyên lý cấu tạo và vận hành máy gia tốc

Sơ đồ khối của một máy gia tốc thẳng (linac) RF điện tử sóng đứng điển hình (một kiểu máy gia tốc vi sóng) được vẽ trên hình 2.2

Các điện tử được sinh ra trong một súng điện tử: chúng được phát

xạ nhiệt từ một cathode nóng và được tạo thành một chùm tia nhờ các điện trường hội tụ đặt giữa các điện cực của súng Cấu trúc gia tốc này bao gồm một hoặc nhiều các hốc (cavity) cộng hưởng điện từ ở các tần số vi sóng Các điện trường dao động được thiết lập nên trong cấu trúc gia tốc này nhờ sự kết nối công suất vi sóng từ một đèn thích hợp như là klystron hoặc magnetron Các điện trường dao động trong các hốc gia tốc này tạo ra một dòng điện tử đều đặn từ súng thành các bó trục và làm gia tốc các bó điện tử đến động năng mong muốn Mạch tạo xung PFN gồm có

các tụ điện và các cuộn cảm tách rời nhau, có tính chất đặc trưng của một mạch truyền điện tích

Đối với các thiết bị có công suất chùm tia trung bình lớn hơn 10 kW thì đèn vi sóng thông dụng nhất là một klystron; đối với hệ thống máy gia tốc có công suất trung bình thấp hơn thì thường dùng một đèn magnetron

2.2 Phân bố chùm tia và liều bên trong vật chất chiếu xạ [1]

Ta đã biết một trong những đặc trưng quan trọng đối với mọi quá trình công nghệ bức xạ là liều hấp thụ trong vật liệu chiếu Với mỗi loại sản phẩm được xử lý trên máy chiếu xạ EB thường có một giới hạn liều cực tiểu Dmin để thu được hiệu ứng mong muốn và một giới hạn liều cực đại để tránh phá hỏng sản phẩm Dmax Trị số liều hấp thụ mà phép xử lý EB cần phải thực hiện, mức độ đồng nhất của liều hấp thụ trong thể tích sản phẩm chiếu là quyết định hiệu năng và năng suất của quy trình công nghệ ấy Bây giờ, ta xét trường hợp chiếu tia điện tử

2.2.1 Hình dạng phân bố liều trong sản phẩm

Ta đã biết, electron năng lượng cao xuyên qua vật chất mất dần năng lượng qua tương tác Coulomb với nguyên tử, electron của nguyên tử và hạt nhân Hình 2.3 mô tả quá trình electron tương tác trong nước, electron sơ cấp sẽ ion hóa nguyên tử trên đường đi, sinh ra các electron thứ cấp…cho đến khi mất hết năng lượng và bị hấp thụ Ngoài ra khi electron tương tác với hạt nhân qua tán xạ đàn hồi, sẽ xuất hiện tia X năng lượng cao hoặc phát bức xạ hãm

Hình 2.3 Vết chùm electron khi đi vào nước [5]

Phân bố năng lượng electron 10 MeV để lại trong vật chất được thể hiện qua hình 2.4, trục tung của đồ thị là năng lượng của electron để lại trong vật chất, Wsp Liều hấp thụ trong vật chất tại độ sâu d được tính bằng tích của năng lượng electron để lại trong vật chất với số hạt electron trong một đơn vị thể tích tại độ sâu đó:

( ) sp( )

D d  W x jt (2.1) Với j: mật độ dòng (A/cm2); t: thời gian (s)

Hình 2.4 Phân bố liều theo độ sâu trong nước với electron

tới năng lượng 10MeV

Phân bố năng lượng trên hình 2.4 được tính cho nước, =1 g/cm3 Ta có thể mở rộng cho các tỷ trọng  khác, nếu thay x bằng mật độ mặt Ad:

d

Thông thường, đại lượng mật độ mặt Ad này được xem như thước đo độ dày với đơn vị g/cm2 Phân bố liều electron trong nước với các năng lượng được mô tả trong hình 2.5 Đặc điểm phân bố liều của các năng lượng khác nhau đều có một đỉnh, sau đó liều giảm tuyến tính theo độ sâu, tuy nhiên không trực tiếp giảm về không Khả năng xuyên sâu gần như tăng tuyến tính với năng lượng của chùm electron Ngược lại, chiều cao của đỉnh lại tỷ lệ nghịch với năng lượng của electron vào

Hình 2.5 Phân bố liều trong vật chất với electron năng lượng khác nhau

2.2.2 Tỷ số max:min và hệ số sử dụng năng lượng

Do năng lượng của electron để lại trong vật chất thay đổi theo độ sâu nên trong vật sẽ có vị trí nhận liều nhỏ nhất (Dmin) và có vị trí liều lớn nhất (Dmax) Tỷ số Dmin/Dmax là độ bất đồng đều (gọi tắt là tỷ số max:min)

Một đặc trưng khác của độ mất năng lượng riêng của electron là hiệu suất sử dụng chùm tia electron, bằng tỷ số giữa phần năng lượng trong hình vuông giới hạn bởi Dmin trong hình 2.4 (chính

là phần năng lượng cần thiết cho quá trình chiếu xạ), với phần năng lượng mà chùm electron để lại trong vật chất (giới hạn bởi đường cong liều)

2.2.2.1.Trường hợp chiếu xạ một mặt

Trở lại hình 2.4 cho trường hợp electron đơn năng 10 MeV, năng lượng mà electron để lại tại bề mặt sản phẩm tính bằng code TIGER là 1,84 MeVg/cm2, tăng đến 2,48 MeVg/cm2 tại độ sâu 2,75 g/cm2 Từ kết quả tính bằng code TIGER, phân bố năng lượng trong sản phẩm được mô tả bởi hàm:

Wsp(MeVg/cm2) = 1,84+0,25d , 0 < d <2,5

= 2,48exp(-0,27d-2,75|2,7), 2,5 <d <6,5 (2.3)

Tích phân toàn phần hàm khớp (2.3) sẽ nhận được tổng năng lượng hấp thụ là 9,61 MeV/electron (phần năng lượng còn lại được xem như mất mát trong cửa sổ Titan dày 3 mm qua việc phát bức xạ hãm)

Nếu xem như toàn sản phẩm chiếu xạ cần nhận được một liều cực tiểu như nhau, thì phần liều sai lệch liều tại các điểm khác có giá trị cao hơn là phần không cần thiết Từ đó hiệu suất sử dụng chùm electron trong trường hợp chiếu xạ một mặt được định nghĩa:

max

/

  Với dmax là chiều dày lớn nhất của vật liệu để có thể đạt liều gần giá trị liều yêu cầu, được cho bởi công thức:

d E W (2.5) Thông thường liều cực tiểu sẽ đạt được tại bề mặt của sản phẩm mỏng và tại đáy (dr) đối với sản phẩm dày nên: Wmin = min[W(0),W(dr)] Giả sử hàng chiếu xạ không được bao bọc, từ phân

bố liều trong hình 2.4, tỷ số max:min và hiệu suất sử dụng trường hợp chiếu một mặt cho vật chất là nước (=1 g/cm3) được thể hiện trong hình (2.6) Liều chiếu xạ tăng từ bề mặt sản phẩm cho đến độ sâu 2,75 g/cm2, tỷ số max:min cũng tăng tương ứng đạt đến giá trị 1,35, sau đó tỷ số max:min không thay đổi cho đến khi chiều dày sản phẩm vượt quá 3,8 g/cm2 Khi chiều dày sản phẩm quá 3,8 g/cm2, liều cực tiểu trong sản phẩm giảm dưới W(0), tỷ số max:min tăng nhanh khi chiều dày sản phẩm tăng Hiệu suất sử dụng chùm electron tăng tuyến tính theo chiều dày sản phẩm cho đến giá trị cực đại với chiều dày 3,8 g/cm2, sau đó Wmin giảm nhanh (hình 2.4) kéo theo đường cong hiệu suất giảm theo Hiệu suất sử dụng cực đại trong trường hợp này đạt 70 %

Hình 2.6 Hiệu suất sử dụng và tỷ số max:min, chiếu xạ một mặt, electron 10 MeV

Trong trường hợp chiếu xạ một mặt, hiệu suất sử dụng cao nhất nếu sản phẩm có chiều dày d thỏa mãn D(d) = Dsuf Với các giá trị khác nhau của năng lượng electron vào cho thấy, chiều dày tối

ưu gần như tỷ lệ tuyến tính với năng lượng:

dopt-nước = 0,4E(MeV) - 0,2 Với các vật liệu có tỷ trọng  khác chiều dày tối ưu dopt được như sau:

dopt-vật liệu = dopt-nước /

2.2.2.2.Trường hợp chiếu xạ hai mặt

Với sản phầm được chiếu xạ hai mặt với cùng một chùm electron như nhau thì phân bố liều hấp thụ trong sản phẩm được tính theo công thức

t

      (2.7) Với T là chiều dày sản phẩm chiếu xạ, x là độ sâu sản phẩm xác định từ một mặt cố định,

W(x) liều tương ứng với trường hợp chiếu một mặt Như vậy, trong trường hợp chiếu hai mặt, phân bố liều gần như đối xứng với mặt phẳng giữa của sản phẩm Phân bố suất liều trong sản phẩm chiếu xạ bởi chùm electron 10 MeV với các độ dày khác nhau được mô tả trong hình 2.7 Tỷ số max:min trường hợp chiếu xạ hai mặt được thể hiện trong hình 2.8, cho thấy chiếu xạ hai mặt của sản phẩm giải quyết được các sản phẩm có độ dày lớn hơn 3,8 g/cm2, và đặc biệt tốt ở vùng nhỏ hơn 3,5 g/cm2 và từ 8-9 g/cm2

Hình 2.7 Phân bố liều trong trường hợp chiếu hai mặt bằng electron năng lượng 10 MeV với

sản phẩm có độ dày: (a) 8,64 cm, max:min=1,73 ;

(b) 9,12 cm, max:min=1,5 và (c) 9,6 cm, max:min=2,6

Hiệu suất sử dụng cực đại 0,64 tại chiều dày 3,8 g/cm2 và 0,79 tại chiều dày 8,6 g/cm2, tỷ số max:min tương ứng 1,35 Với các sản phẩm yêu cầu tỷ số max:min nhỏ, cần được giới hạn chiều dày dưới 3 g/cm2, khi đó hiệu suất đạt 60%

Hình 2.8 Hiệu suất sử dụng và tỷ số max:min, chiếu xạ hai mặt, electron 10 MeV

Trường hợp chiếu xạ hai mặt, hiệu suất sử dụng chùm tia được tính bằng:

trong đó hệ số 2 suất hiện là do sản phẩm được chiếu hai lần

Tương tự trường hợp chiếu một mặt, chiều dày tối ưu trong trường hợp chiếu hai mặt cũng tỷ

lệ tuyến tính với động năng vào của electron:

dopt(g/cm2) = 0,9E(MeV) – 0,4 (2.10)

Với các vật liệu có tỷ trọng  khác, chiều dày tối ưu dopt được như sau:

dopt-vật liệu = dopt-nước /

2.3 Thiết bị gia tốc điện tử UERL 10-15S2 [8]

2.3.1 Giới thiệu máy gia tốc UERL-10-15S2

Máy gia tốc electron tuyến tính UERL-10-15S2 lắp đặt tại Vinagamma thuộc loại Linac được cung cấp bởi CORAD Service Co.Ltd Máy gia tốc UERL-10-15S2 là một hệ thống bao gồm: hệ thống che chắn bức xạ, hệ thống gia tốc, hệ băng chuyền, nguồn cao thế ; thiết bị chiếu xạ có công suất 15kW, gia tốc chùm electron đạt năng lượng 10 MeV UERL-10-15S2 sử dụng ống gia tốc cộng hưởng để gia tốc electron bằng sóng cao tần cung cấp bởi klystron

Để đáp ứng nhu cầu chiếu xạ, máy có thiết kế đặc biệt gồm 2 đầu phát đối diện nhau cho phép đồng thời chiếu xạ sản phẩm trên cả hai mặt Ống gia tốc và đầu quét của khối gia tốc được đưa ra trong hình 2.9

2.3.2 Các thành phần chính của máy gia tốc UERL-10-15S2

Các thành phần chính của máy gia tốc bao gồm:

 Hệ băng chuyền

Trong đó, khối chiếu xạ (1), klystron (10) và hai hệ thống làm lạnh được đặt trong khối che chắn phóng xạ ở tầng 1 Thiết bị tạo xung cho klystron (7) được đặt ngoài khối che phóng xạ và nối với klystron bằng 4 sợi cáp Bầu đựng khí SF6 để bơm vào hệ thống dẫn sóng (8), bơm nước tản nhiệt (9) và hệ thống làm lạnh tuần hoàn bên ngoài (15) cũng được đặt tại tầng 1 (Hình 2.10) Các thiết bị khác của máy gia tốc được đặt tại phòng điều khiển tại tầng trệt bao gồm: khối nguồn (4), khối điều khiển (5), tổng đài chính (3) và hệ thống điều khiển băng chuyền (2) (Hình 2.11)

Các thông số chính của thiết bị được đưa ra trong các bảng 2.1

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của máy gia tốc UERL-10-15S2

Năng lượng cực đại của điện tử, MeV 10

Công suất trung bình của chùm tia, kW 15

Khoảng thời gian dao động của chùm điện tử, s 1620

Bảng 2.2 Các thiết bị chính của máy gia tốc UERL-10-15S2

Thiết bị

Kích thước (mm) (dài x rộng x cao)

Khối lượng (kg)

Máy chiếu xạ nối với hệ thống dòng ra 4550x50 x2040 3800

Khối klystron với một biến thế xung cao thế 860x650x1300 730

Phần cứng bộ điều biến của klystron 1450x600x2300 600

Hệ thống làm lạnh tuần hoàn nội 1200x600x1900 300

Khối nguồn điện số 1 600 x 600 x 1900 250

Khối nguồn điện số 2 800 x 600 x 1900 200

Bảng mạch điện cung cấp chính 1000 x 300 x 1000 40

Bảng điện cung cấp cho phòng điều khiển và

Bảng 2.3 Các thông số chính của băng chuyền

Chiều rộng cực đại thùng hàng (mm) 600 Chiều cao cực đại thùng hàng (mm) 300

Chiều dài cực đại của thùng hàng (mm) 500 Khối lượng cực đại của thùng hàng (kg) 25

Vận tốc của băng chuyền ngay dưới chùm tia có thể điều chỉnh liên tục trong khoảng (m/phút)

0.3-10

Độ ổn định của vận tốc băng chuyền (%) +/- 2,5

2.4 Code MCNP [10]

MCNP là phần mềm ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với nơtron, photon và electron mang tính chất thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa hạt nhân với vật chất, tính thông lượng photon, tính thông lượng electron…) MCNP

sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân của các quá trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo các qui luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử của một hạt phát ra từ nguồn đến hết thời gian sống của nó

Sự phức tạp của tương tác photon cũng được xử lý trong chương trình MCNP Chương trình điều khiển các quá trình này bằng cách gieo số theo qui luật thống kê cho trước và mô phỏng được thực

hiện trên máy tính vì số lần thử cần thiết thường rất lớn Độ chính xác của kết quả càng cao nếu ta gieo càng nhiều biến ngẫu nhiên

Chương trình có nhiều ứng dụng như: thiết kế lò phản ứng, an toàn tới hạn, che chắn và bảo

vệ, phân tích và thiết kế đầu dò, vật lý trị liệu, nghiên cứu khí quyển, nhiệt phát quang do phóng xạ, chụp ảnh bằng phóng xạ…

Là một ngôn ngữ lập trình MCNP đòi hỏi người sử dụng phải xây dựng một chương trình chuẩn về cú pháp Để viết một chương trình có thể chạy và cho kết quả tốt ta phải cung cấp đầu đủ những thành phần chuẩn và lựa chọn chính xác những phép tính

Các bảng số liệu hạt nhân bao gồm: Tương tác hạt nhân, tương tác photon được tạo ra do neutron, tương tác neutron, phép đo liều hay kích hoạt neutron và tán xạ nhiệt S ( , )

Các bảng số liệu dùng cho chương trình MCNP được liệt kê trong file XSDIR Người sử dụng có thể chọn các bảng cụ thể nhờ vào số nhận dạng chúng ZAIDS Các số nhận dạng bao gồm điện tích Z, số khối A và chỉ số của thư viện ID

Các dữ liệu hạt nhân được đưa vào trong MCNP qua phần khai báo ở thẻ vật liệu (material

Với một kết quả tốt thì R tỷ lệ với 1

N , với N là số lịch sử đã định Như vậy muốn giảm R ta phải tăng N

Sai số tương đối R được dùng để xác định khoảng tin cậy của trị trung bình Theo định lý giới hạn trung tâm khi N thì có 68% cơ hội giá trị thật nằm trong khoảng x(1 R) và 95% cơ hội giá