Công nghệ bức xạ

mở đầuCông nghệ bức xạ là một bộ môn khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền năng l ợng cho vật chất

C«ng nghÖ bøc

x¹

Gi¶ng viªn: PGS TS TrÇn §¹i nghiÖp

ViÖn Khoa häc vµ Kü thuËt H¹t nh©n

ViÖn N¨ng l îng Nguyªn tö ViÖt nam

mở đầu

Công nghệ bức xạ là một bộ môn khoa học mới,

nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền năng l ợng cho vật chất, nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quy trình công nghệ, để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, những tính năng

và công dụng mới, phục vụ con ng ời Sự ra đời của bộ môn công nghệ bức xạ là kết quả của sự giao nhau và

sự kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, hoá học và sinh học Do đó, để có thể hiểu nó một cách thấu đáo, đòi hỏi những kiến thức cơ bản nhất định

đối với mỗi ngành có liên quan.

1 Kỹ thuật hạt nhân và công nghệ bức xạ

1 1 Vai trò của kỹ thuật hạt nhân

Vật lý hạt nhân có hai lĩnh vực ứng dụng quan trọng:

- Các ứng dụng năng l ợng: Năng l ợng to lớn giải phóng trong các phản ứng phân hạch và tổng hợp hạt nhân đ ợc sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân;

- Các ứng dụng phi năng l ợng hay kỹ thuật hạt nhân: Lĩnh vực sử dụng các t ơng tác của bức xạ hạt nhân với vật chất và các phản ứng hạt nhân phát ra năng l ợng t ơng đối nhỏ so với năng l ợng phân hạch và tổng hợp hạt nhân

Kỹ thuật hạt nhân ngày nay có thể trở thành một ngành kinh tế kỹ thuật và thực tế ở một

số n ớc công nghiệp phát triển nó đã trở thành một ngành kinh tế thực sự với lợi nhuận hàng năm lên tới hàng trăm tỷ đô la, mang lại hàng triệu việc làm, có thể sánh ngang với các

ngành kinh tế quan trọng của đất n ớc Hoa Kỳ là một ví dụ điển hình cho quan điểm này Năm 1991 những ứng dụng phi năng l ợng hạt nhân mang lại cho n ớc này 257 tỷ USD chiếm 78% lợi nhuận và 3,7 triệu việc làm, chiếm 90% chỗ làm việc so với toàn ngành năng l ợng nguyên tử Nếu so với ngành điện Hoa Kỳ thì lợi nhuận của các ứng dụng phi năng l ợng hạt nhân lớn gấp 1,25 lần (không kể điện nguyên tử)

Tuy chiếm một tỷ trọng rất khiêm tốn trong công nghiệp nh ng công nghệ bức xạ phát triển rất mạnh mẽ, với tốc độ tăng tr ởng hàng năm khá cao, khoảng 15 - 20%, thậm chí có nơi lên tới 25% nh ở Việt Nam Hiện nay ở n ớc ta có 2 cơ sở chiếu xạ: một cơ sở ở Hà Nội và một cơ sở ở thành phố Hồ Chí Minh Các cơ sở chiếu xạ th ờng sử dụng các nguồn gamma hoặc các máy gia tốc làm nguồn chiếu xạ.

Trên thế giới hiện nay có khoảng 200 nguồn 60 Co và 750 máy gia tốc hoạt động với mục đích công nghiệp nh các nhà máy độc lập

1 2 Xử lý bức xạ - công cụ đổi mới trong công nghiệp

Từ nhiều năm nay kỹ thuật hạt nhân, đặc biệt là công nghệ bức xạ trở thành công cụ đổi mới trong công nghiệp, làm tăng hiệu quả công nghiệp, tăng năng suất lao động, tiết kiệm năng l ợng

và bảo vệ môi tr ờng sinh thái

Sau đây là một số thành tựu điển hình của công nghệ bức xạ trong những năm qua:

- Các máy gia tốc ion nặng (máy cấy ion) có thể tạo ra vi mạch với kích th ớc d ới 0,1 àm Riêng ở Nhật Bản có tới 400 máy cấy ion làm việc trong lĩnh vực bán dẫn và vi điện tử

- 100% vật liệu vách ngăn trong các loại pin siêu nhỏ là vật liệu polyme đ ợc xử lý bằng bức xạ

- Vật liệu composit SiC là loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật hàng không và vũ trụ đ ợc xử lý bằng bức xạ, có thể chịu tới nhiệt độ 1800 0 C, trong khi xử lý bằng nhiệt chỉ chịu đ ợc nhiệt độ

1200 0 C

- Hàng năm kỹ thuật xử lý bề mặt trên toàn thế giới sử dụng khoảng 20 triệu tấn hóa chất, trong

đó 40% l ợng hoá chất này bay vào khí quyển gây ô nhiễm môi tr ờng và tạo ra hiệu ứng nhà

kính Kỹ thuật xử lý bức xạ chỉ cho 1% l ợng hóa chất bay vào môi tr ờng

- 80% bao bì thực phẩm ở Châu Âu và Bắc Mỹ đ ợc xử lý bề mặt bằng bức xạ

- 90% l ợng SO 2 và 85% l ợng NO x là những chất độc từ khói công nghiệp có thể biến thành phân bón dùng trong nông nghiệp nếu xử lý bằng bức xạ electron Quá trình này cho phép làm giảm

đáng kể hiệu ứng nhà kính của Trái đất và các trận m a axit

- Trong công nghiệp sản xuất dụng cụ y tế, 40 đến 50% sản phẩm đ ợc khử trùng bằng công nghệ bức xạ Dự báo trong những năm tới, tỷ lệ này có thể đạt 80%

- Có 38 n ớc với 120 chủng loại thực phẩm đã th ơng mại hóa thực phẩm chiếu xạ Xử lý bức xạ từ nhiều năm nay trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu phát triển quan trọng đ ợc cơ quan Năng l ợng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) khuyến cáo và tài trợ.

2 T ơng tác của năng l ợng bức xạ với vật chất

2 1 Các đặc tr ng t ơng tác của bức xạ với vật chất

2 1 1 Khái niệm về bức xạ

Bức xạ là những dạng năng l ợng phát ra trong quá trình vận động và biến đổi của vật chất Về mặt vật lý nó đ ợc thể hiện d ới dạng sóng, hạt hoặc sóng hạt Mỗi dạng bức xạ đ ợc đặc tr ng bằng một dải

năng l ợng hay t ơng ứng với nó, một dải b ớc sóng xác định Mối t ơng quan giữa năng l ợng E và b ớc

sóng λ của bức xạ đ ợc mô tả bằng biểu thức:

trong đó, h - hằng số Plank; c - vận tốc ánh sáng trong chân không.

2 1 2 Phân loại bức xạ theo năng l ợng và b ớc sóng

Tất cả các dạng bức xạ có thể phân loại theo năng l ợng và b ớc sóng

) 1

(

2 Π λ

=

= hv c

B¶ng 1: Ph©n lo¹i bøc x¹ theo n¨ng l îng vµ b íc sãng

D¹ng bøc x¹ N¨ng l îng ®iÓn h×nh B íc sãng ®iÓn h×nh, m

Sãng ra®io

Bøc x¹ nhiÖt

Tia hång ngo¹i

¸nh s¸ng , tia tö ngo¹i

Tia X:

Tia γ :

100eV 1keV 10keV 100keV 1MeV 10MeV 100MeV

102 - 10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11

10-12

10-13

10-14

2 1 3 Đối t ợng nghiên cứu của bộ môn công nghệ bức xạ

Quá trình t ơng tác của bức xạ với vật chất ngày nay đã đ ợc ứng dụng để xử lý vật liệu, làm cho vật liệu có những tính năng mới Nhiều quá trình xử lý bức xạ đã trở thành những quy trình công nghệ Công nghệ bức xạ đã trở thành một lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, một công cụ đổi mới trong công nghiệp.

Đối t ợng của quá trình xử lý bức xạ là các dạng vật liệu ở thể khí, thể lỏng và thể rắn; các vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ

Các dạng bức xạ phổ biến áp dụng hiện nay là bức xạ electron, tia gamma, bức xạ hãm, bức xạ

tử ngoại, chùm ion, bức xạ nơtron Nói chung đây là các dạng bức xạ có năng l ợng thấp

Các nguồn bức xạ thông dụng bao gồm các nguồn bức xạ thụ động (nguồn đồng vị phóng xạ nh

60 Co, 137 Cs, ) và các nguồn bức xạ chủ động (máy gia tốc, thiết bị phát chùm tia)

2 2 Quá trình truyền năng l ợng của bức xạ cho vật chất

2 2 1 Các đặc tr ng chủ yếu của quá trình truyền năng l ợng

Để đi sâu nghiên cứu quá trình truyền năng l ợng của bức xạ cho vật chất ta xem xét các đặc tr ng sau đây:

- Hệ số truyền năng l ợng tuyến tính:

Hệ số truyền năng l ọng tuyến tính (Linear Energy Transfer- LET) L của

hạt mang điện trong môi tr ờng vật chất, đ ợc xác định bằng công thức:

trong đó dE - tổn hao năng l ợng trung bình của hạt mang điện trên quãng đ ờng dl

Năng l ợng của hạt thông th ờng bị tiêu tốn cho quá trình ion hóa và kích thích các nguyên tử của vật chất, phần khác tiêu tốn cho quá trình phát bức xạ hãm Các điện tử thứ cấp trong quá trình ion hóa, có thể có đủ năng l ợng để gây ra quá trình ion hóa tiếp theo, và kết quả là trên

) 2

(

dl dE

đ ờng đi của hạt mang điện xuất hiện các vết của hiện t ợng ion hóa tầng Các điện tử thứ cấp gây ra hiện t ợng ion hóa tiếp theo, còn đ ợc gọi là các điện tử δ

Hệ số truyền năng l ợng tuyến tính phụ thuộc vào động năng của hạt sơ cấp và quãng đ ờng tuyến tính cuả hạt trong vật chất

- Liều hấp thụ

Liều hấp thụ D của một chất có khối l ợng dm đ ợc xác định bằng tỷ số của số năng l ợng dE đ

ợc chất hấp thụ và khối l ợng của chính chất đó:

trong đó ρ - mật độ vật chất, dV - đơn vị thể tích.

Đơn vị của liều hấp thụ là Gray, viết tắt là Gy:

1Gy = 1J kg -1

Đơn vị ngoài hệ SI là rad

1Gy = 100 rad = 10 4 erg/g

- Suất liều hấp thụ

Suất liều hấp thụ D' đ ợc xác định bằng liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian:

Đơn vị của suất liều là Gy.s -1

1Gy.s -1 = 1J.s -1 kg -1 =1W.kg -1

- Kerma(Kinetic energy released in material) hay động năng giải phóng trong vật chất K

) 3

(

dV

dE dm

dE D

ρ

=

=

) 4 (

'

dt

dD

D =

) 5

(

dV

dE dm

dE

ρ

=

=

- Kerma đ ợc coi là tổng động năng ban đầu của các hạt mang điện giải phóng ra trong một đơn vị khối l ợng vật chất.

- Suất Kerma

Suất Kerma đ ợc xác định bằng công thức:

Đơn vị đo của Kerma và suất Kerma t ơng ứng giống nh đơn vị đo của liều và suất liều hấp thụ

- Dòng dò năng l ợng

Dòng rò năng l ợng là năng l ợng bị thất thoát khỏi bề mặt của một đơn vị thể tích xem xét Dòng rò năng l ợng đ ợc xác định bằng biểu thức ∇J/ρ, trong đó J là vectơ mật độ dòng

Ph ơng trình cân bằng liều trong khối vật chất đ ợc viết nh sau:

trong đó dE B - năng l ợng tiêu hao cho quá trình hãm của các hạt mang điện

- Liều chiếu

Liều chiếu P đ ợc xác định bằng số đơn vị điện tích sinh ra khi vật chất bị chiếu xạ ở điều kiện

chuẩn (nhiệt độ T = 0 o C, áp suất p = 760mmHg).

Đơn vị liều chiếu là C.kg -1 , đơn vị ngoại hệ là Roentgen, viết tắt là R

1R = 2.58 x10 -4 C.kg -1

) 6 (

'

dt

dK

K =

) 7

(

dm

dE

J dm

dE dm

−

∇

−

=

ρ

) 8

(

dV

dQ dm

dQ P

ρ

=

=

2 2 2 Lý thuyết cấu trúc vết

Để định l ợng hóa quá trình chiếu xạ, cần thiết phải xác lập mối t ơng quan giữa các đặc tr ng của tr ờng chiếu xạ và các đặc tr ng t ơng tác của bức xạ với vật chất

Lý thuyết cấu trúc vết do R Katz đề xuất [8], xem xét mối t ơng quan giữa mật độ vết khuyết tật đ

ợc tạo ra do quá trình ion hóa dọc theo đ ờng đi của hạt mang điện với liều l ợng mà vật thể hấp thụ Xuất phát điểm của lý thuyết là thống kê Poisson Đối với các phân bố ngẫu nhiên, xác suất để một phần tử nhạy bức xạ trong một tập hợp các phần tử nhạy bức xạ đồng nhất về mặt thống kê, bị va chạm X lần, khi số lần va chạm trung bình là A, đ ợc xác định bằng biểu thức Ax e-A/x! Khi đó xác suất của một phần tử không bị va chạm lần nào (X=0), sẽ là e -A, và do đó xác suất của một phần tử

bị 1 hoặc nhiều hơn 1 lần va chạm sẽ là (1 - e -A ) Giả sử khi hệ thống đ ợc chiếu bởi tia gamma, D 37

là liều l ợng trung bình để mỗi phần tử nhạy bức xạ chịu một va chạm, khi đó số lần va chạm trung bình A= D/D 37, nếu hệ thống đ ợc chiếu xạ đều để có liều hấp thụ là D Nh vậy

là xác suất để một phần tử của hệ thống chịu 1 hoặc nhiều lần va chạm

Giả sử sau các va chạm với bức xạ, các phần tử nhậy bức xạ bị va chạm trở thành các phần tử kích hoạt có thể ghi nhận đ ợc Khi đó mật độ các phần tử kích hoạt đ ợc xác định bằng hàm đặc tr ng liều

n(D):

) 9 (

D

e

P = − −

) 10 ( 1

)

















−

=

D

e C

CP D

n

trong đó C - mật độ của các phần tử nhạy bức xạ Nh vậy sự phụ thuộc giữa mật độ các phần tử

kích hoạt và liều hấp thụ tuân theo luật hàm mũ bão hòa Độ nhạy của vật liệu đ ợc xác định

bằng đại l ợng 1/D 37 Khi

D = D 37 , n(D) = C(1- 1/e) = C (1-0,37) = 0,63C (11)

Do C là mật độ của các phần tử nhạy bức xạ khả dĩ có thể trở thành các phần tử kích hoạt, nên

có thể nói D 37 là liều l ợng tại đó mật độ các phần tử kích hoạt đạt tới 63% mức bão hòa

Lý thuyết cấu trúc vết lúc đầu đ ợc phát triển để tiên đoán hàm đặc tr ng liều và độ nhạy bức xạ của các enzym và vi rút khi đ ợc chiếu xạ bởi các hạt mang điện năng l ợng cao, hay nh ng ời ta th ờng nói bởi bức xạ truyền năng l ợng tuyến tính cao ( High Linear Energy Transfer Radiation - High LET) Với ý nghĩa này bức xạ gamma đ ợc xếp vào loại bức xạ truyền năng l ợng tuyến tính thấp (Low LET)

Lý thuyết cấu trúc vết đã đ ợc dùng để mô tả đ ờng đặc tr ng liều của một số liều l ợng kế bức xạ

nh alanine, thủy tinh và một số loại liều l ợng kế khác

2 2 3 Mô hình truyền năng l ợng

Để có thể tính đến các hiệu ứng của suất liều, các hiệu ứng gây bởi các yếu tố nh nhiệt độ, độ

ẩm, hiệu ứng hóa học, hiệu ứng liều siêu cao, cũng nh vai trò của nền phông trong một chất chiếu xạ, mô hình truyền năng l ợng đã đ ợc nghiên cứu và phát triển [9]

Khác với lý thuyết cấu trúc vết, các phần tử kích hoạt đ ợc tạo ra dọc theo đ ờng đi của hạt mang

điện, mô hình truyền năng l ợng coi năng l ợng bức xạ đ ợc phân bố đều trong thể tích nghiên cứu

và đ ợc các phần tử cấu thành hấp thụ Hệ nghiên cứu gồm các phần tử nhạy bức xạ đồng nhất; chúng có thể là nguyên tử, phân tử hoặc một trạng thái tổ hợp nào đó

Tr ờng bức xạ tác động lên hệ nghiên cứu bao gồm bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp Năng l ợng tích luỹ trong vật liệu gây bởi bức xạ thứ cấp, bao gồm electron, ion, các gốc tự do và bức xạ điện

từ, tiếp tục gây ra các hiện t ợng t ơng tự nh đối với bức xạ sơ cấp, chẳng hạn: hiện t ợng ion hoá, kích thích, tạo khuyết tật, tạo gốc tự do, các biến đổi hoá lý , và tất cả chúng đóng góp vào hiệu ứng bức xạ tổng có thể ghi nhận đ ợc bằng cách nào đó

Ta hãy xem xét ph ơng trình mô tả mối t ơng quan giữa mật độ của các phần tử kích hoạt, liều và suất liều ở đây các phần tử kích hoạt đ ợc hiểu theo một nghĩa rộng nh đã nói ở trên

Khi một đơn vị khối l ợng của môi tr ờng xem xét chứa C phần tử nhạy bức xạ, hấp thụ một liều

là D với suất liều không đổi D ’ trong khoảng liều dD, thì sẽ có n(D) các phần tử kích hoạt đ ợc tạo

ra với xác suất xuất hiện trong một đơn vị thời gian là p, và t ơng ứng với nó xác suất xuất hiện trong một đơn vị liều là p/D ’ Nh vậy sự gia tăng các phần tử kích hoạt ứng với một đơn vị liều l

ợng hấp thụ đ ợc xác định bằng biểu thức [C-n(D)]p/D ’ Tuy nhiên trong thực tế, số l ợng của các phần tử kích hoạt quan sát đ ợc, th ờng nhỏ hơn giá trị này, vì chúng bị mất mát trong quá trình tái hợp với các phần tử kích hoạt khác do bức xạ gây ra, cũng nh do các tác động khác nh phản ứng hoá học, nhiệt độ, độ ẩm của môi tr ờng v.v Ngoài ra có thể có những quá trình mất mát khác, có thể loại trừ đ ợc (do rò rỉ, do phản ứng hạt nhân, ) mà để đơn giản hoá, ta không xem

xét L ợng các hạt bị khử kích hoạt đ ợc mô tả bằng biểu thức (q r + q c + q t + q h + ) n(D)/D ’, trong

đó q r , q c , q t , q h t ơng ứng là xác suất để một phần tử kích hoạt trở thành một phần tử bị khử kích hoạt bởi tác động của bức xạ, hoá học, nhiệt độ, độ ẩm v.v và

q = q r + q c + q t + q h + (12)

Cả hai xác suất p và q đều phụ thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu và loại bức xạ.

Nh vậy sự biến đổi của số các phần tử kích hoạt trong một đơn vị khối l ợng đối với một đơn vị liều hấp thụ đ ợc biểu diễn bằng ph ơng trình :

trong đó p và q là các giá trị d ơng có thứ nguyên là s-1

) 13

( '

)

( )]

(

[ '

)

(

D

D

n q D

n

C D

p dD

D dn

−

−

=

Nghiệm của ph ơng trình có thể tìm d ới dạng:

trong đố các hệ số :

k 0 = p - q, (16)

n 0 = n(0) (17)

Hệ số n o đ ợc coi là nền phông, vì nó là số các phần tử bị “kích hoạt“khi vật chất ch a bị chiếu xạ

(D = 0) Tuy nhiên, nh ta thấy trong công thức (14), n o tham gia vào quá trình chiếu xạ

Biểu thức (13) chính là hàm đặc tr ng liều của một liều l ợng kế làm từ vật

liệu nghiên cứu, trong đó có tính đến sự phụ thuộc vào suất liều, các hiệu ứng ảnh h ởng đến hàm

đặc tr ng, cũng nh vai trò của nền phông trong quá trình chiếu xạ Nó đ ợc coi một hàm đặc tr ng liều của một liều kế bất kỳ hoặc một loại vật liệu bất kỳ khi bị chiếu xạ

) 14 ( 1

)

0

0

D

D k D

D k

n D











−

=

) 15 ( )

( ∞

=

=

= n

q p

pC

ns