Tài liệu các thiết bị chiếu xạ gamma ứng dụng trong xử lý bằng bức xạ doc

Xem xét trong tài liệu này, sổ tay về “các thiết bị chiếu xạ gamma ứng dụng trong xử lý bằng bức xạ” được soạn thảo miêu tả các thiết bị chiếu xạ gamma khác nhau có thể sử dụng cho các ứ

c¬ quan n¨ng l−îng nguyªn tö quèc tÕ

c¸c thiÕt bÞ chiÕu x¹ gamma øng dông

trong xö lý b»ng bøc x¹

lời nói đầu

công nghệ bức xạ là một trong những lĩnh vực được IAEA trợ giúp và thúc đẩy phát triển, có một số chương trình được thiết lập tạo điều kiện cho việc ứng dụng công nghệ bức xạ ở các nước thành viên đang phát triển Xem xét trong tài liệu này, sổ tay về “các thiết bị chiếu xạ gamma ứng dụng trong xử lý bằng bức xạ”

được soạn thảo miêu tả các thiết bị chiếu xạ gamma khác nhau có thể sử dụng cho các ứng dụng xử lý bằng bức xạ Nó tập trung miêu tả các nguyên lý chung về thiết

kế và hoạt động của các thiết bị chiếu xạ gamma phù hợp với các ứng dụng đối với chiếu xạ công nghiệp trong thực tế Tài liệu này nhằm mục đính cung cấp thông tin cho các nhà sử dụng thiết bị chiếu xạ công nghiệp, phổ biến cho họ về công nghệ, với hy vọng rằng với những thông tin ở đây sẽ trợ giúp họ trong việc lựa chọn một thiết bị chiếu xạ tối ưu cho những yêu cầu của họ Sự lựa chọn đúng đắn không chỉ

ảnh hưởng đến hoạt động mà còn đến hiệu quả với hiệu suất cao hơn của thiết bị, và vì thế mang lại nguồn lợi kinh tế lớn hơn Tài liệu này cũng nhằm mục đính thúc

đẩy hơn nữa việc ứng dụng xử lý bức xạ đối với các chính phủ và công chúng nói chung

Tài liệu này được biên soạn bởi nhóm các nhà hoá học và các nhà ứng dụng công nghiệp của IAEA, phần khoa học về vật lý và hoá học do ông Kishor Mehta trợ giúp Ông Andrej G Chmielewski là thành viên của IAEA chịu trách nhiệm về

dự án này IAEA xin bày tỏ sự biết ơn tới tất cả các cá nhân và các tổ chức đã cung cấp các thông tin có giá trị cho tài liệu này

Chú thích về biên tập tài liệu này

Tài liệu này đã được soạn thảo từ tài liệu gốc theo đúng như lập luận của các tác giả Các quan điểm được trình bày không cần thiết phải phản ánh với IAEA, với chính phủ các nước thành viên hoặc các tổ chức có liên quan

Việc sử dụng các tên riêng của các quốc gia hoặc các vùng lãnh thổ không hàm ý bất kỳ một phán xét nào của nhà xuất bản và của IAEA, liên quan đến quan

hệ pháp lý của các quốc gia hoặc các vùng lãnh thổ đó, các tác giả hoặc các viện nghiên cứu của họ, hoặc sự phân định các đường biên giới của họ

Việc trích dẫn tên riêng các công ty hoặc các sản phẩm (có hoặc chưa được

đăng ký bản quyền) không hàm ý bất kỳ một ý định nào nhằm xâm phạm bản quyền,

và nên được dịch nguyên văn khi có sự nhất trí hoặc khuyến cáo của IAEA

Các tác giả phải có trách nhiệm trong việc nhận được sự chấp thuận cần thiết của IAEA để tái bản, dịch hoặc sử dụng tài liệu từ các nguồn dữ liệu đã được

đăng ký bản quyền

các nội dung

giới thiệu chung

Công nghệ xử lý bức xạQuá trình phát triển của Công nghiệp xử lý bức xạ

Xử lý bức xạ

Các nguồn bức xạ

Tổng quanNguồn bức xạ Cobalt-60

Mô tả thiết bị chiếu xạ gamma

Tổng quan về thiết bị chiếu xạ nguồn cobalt60các thiết bị chiếu xạ gamma

Các nguyên lý thiết kếThiết kế độ lớn của nguồn phóng xạ và các hoạt động lắp đặtLiều xử lý và liều chỉ định

Các loại máy chiếu xạ

Các thiết bị chiếu xạ độc lập (phân loại của IAEA là loại I và III) Các thiết bị chiếu xạ tổng hợp (phân loại của IAEA là loại II và IV) Các thiết bị chiếu xạ tổng hợp phù hợp với quy mô công nghiệp

Các tiêu chuẩn lựa chọn thiết bị chiếu xạ

giới thiệu chung

Công ngHệ xử lý bức xạ

Bức xạ ion hoá có thể làm thay đổi các đặc tính vật lý, hoá học và sinh học của các vật liệu được chiếu xạ Hiện nay, các ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp của bức xạ là khử trùng các sản phẩm y chăm sóc sức khoẻ bao gồm các loại thuốc, chiếu xạ bảo quản thực phẩm và các sản phẩm nông nghiệp (với các mục đích khác nhau, chẳng hạn như diệt côn trùng, làm chậm chín, ức chế nảy mầm, kiểm soát sâu bọ và khử trùng), và biến tính vật liệu (chẳng hạn như polyme hoá, khâu mạch polyme và tạo màu cho đá quý) (xem hình 1)

MSD, Canada và thiết bị chiếu xạ INCT, Warsaw, Ba lan)

Danh mục ở bảng 1 chỉ ra một số ứng dụng tiêu biểu: sản phẩm được xử lý, hiệu ứng mong muốn và dải liều cần thiết để đạt được hiệu ứng này Dải liều được liệt kê ở đây

là các giá trị điển hình đối với loại/các quá trình xử lý các sản phẩm khác nhau; giá trị thực phụ thuộc vào từng sản phẩm riêng và các mục đích xử lý, và được quy định bởi các cơ quan chuyên môn của quốc gia Có thể xem xét nhiều bài báo, báo cáo, và các cuốn sách cũng đã được viết trong vài năm trước đây về lĩnh vực xử lý bằng bức xạ [1-9]

bảng I Một số ứng dụng xử lý bằng bức xạ tiêu biểu

Sản phẩm Hiệu ứng mong muốn Dải liều áp

dụng, kGy Máu

Khoai tây, hành, tỏi

Kéo dài thời gian bảo quản bằng việc làm chậm chín

Làm chậm quá trình phân huỷ, diệt các vi khuẩn gây bệnh (ví dụ, vi khuẩn gây độc Salmonella)

Diệt các vi sinh vật và côn trùng Khử trùng

Khâu mạch Ghép mạch

0.02-0.04 0.05-0.15 0.1-0.5

1-4

1-7

1-30 15-30

1-250 0.2-30

Một sự thúc đẩy có ý nghĩa đối với ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ luôn đi kèm với sự ra đời các lò phản ứng hạt nhân, chúng có khả năng sản xuất ra các đồng vị phóng xạ Tia Gamma phát ra từ nguồn Cobalt-60 đã trở thành nguồn phóng xạ được áp dụng phổ biến trong y tế và trong công nghiệp Nhiều thiết bị chiếu xạ Gamma đã được xây dựng, có khoảng 200 thiết bị đang hoạt động ở tất cả các nước thành viên của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) Hiện nay, việc sử dụng máy gia tốc electron như

là một nguồn bức xạ (và đôi khi được trang bị thiết bị chuyển đổi tia X) đang được phát triển Tuy nhiên, khó có thể thay thế được các thiết bị chiếu xạ Gamma, đặc biệt đối với việc chiếu xạ các sản phẩm không đồng nhất và có khối lượng riêng cao Tài liệu này chỉ

đề cập đến các thiết bị chiếu xạ Gamma, chúng được sử dụng cho nhiều mục đích xử lý bằng bức xạ khác nhau Cobalt-60 hầu như chỉ được sử dụng như là nguồn bức xạ Gamma,

và ngày nay nó được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp bởi vì phương pháp sản xuất đơn giản và nó không tan được trong nước

Xử lý bằng bức xạ Gamma có một số ưu việt hơn so với các phương pháp xử lý khác; ví dụ như, khử trùng các sản phẩm y tế chăm sóc sức khoẻ sử dụng phương pháp EtO hoặc hấp nhiệt Trong trường hợp khử trùng bằng bức xạ Gamma thì có một số ưu

điểm sau:

- Sản phẩm được xử lý có thể sử dụng ngay

- Nhiệt độ sản phẩm tăng không đáng kể trong suốt quá trình xử lý

- Bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên rất cao (vì vậy, có thể xử lý nguyên nguyên kiện)

đai Qúa trình xử lý chính xác và có khả năng lặp lại, và

- Dễ dàng kiểm soát quá trình (chỉ cần kiểm soát về liều)

Quá trình phát triển của ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ

Việc sử dụng trong thương mại bức xạ Gamma để khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ được bắt đầu từ cuối những năm 1950, và đến nay thì công nghệ bức xạ đã phổ biến ở nhiều quốc gia Cùng với việc tích luỹ được nhiều kinh nghiệm và độ tin cậy vào công nghệ mà ngày càng nhiều ứng dụng được tìm thấy, và ngày càng có nhiều thiết

bị chiếu xạ được xây dựng Sự mở rộng của ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ này không chỉ đòi hỏi các thiết bị chiếu xạ lớn hơn mà còn yêu cầu các thiết kế mới nhằm đáp ứng cho những ứng dụng mới Hiện nay, một số nhà sản xuất đề nghị những thiết kế khác của thiết bị chiếu xạ mà có thể đáp ứng được các ứng dụng đặc biệt, mà ở đây là các ứng dụng trong chiếu xạ thực phẩm và xử lý môi trường Điều này đòi hỏi việc thúc đẩy phát triển các ứng dụng mới và các thiết bị chiếu xạ lớn hơn đáp ứng cho ngành công nghiệp xử

lý bằng bức xạ

Hình 2 Số lượng nguồn Cobalt-60 bán ra theo từng năm

Hình 2 chỉ ra việc đánh giá tổng doanh số nguồn Cobalt-60 bán ra từ các nhà cung cấp trong suốt 25 năm qua Dựa vào số liệu này thì có thể đánh gía được số các thiết bị chiếu xạ Cobalt tăng khoảng 6% một năm Cần lưu ý rằng toàn thế giới sử dụng các dụng

cụ y tế tăng với tỷ lệ tương tự như vậy (5-6%), điều này dường như kéo theo sự tăng tương

tự về số nguồn Cobalt bán ra

Những ứng dụng có sử dụng bức xạ Gamma cũng tăng đều đặn; từ khâu mạch/polyme hoá và khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ đến các ứng dụng chiếu xạ thực phẩm và xử lý môi trường như các loại khí thải, và xử lý nước nhiễm bẩn và nước thải Các ứng dụng nổi bật nhất có thể trong các lĩnh vực về vật liệu na nô, hoặc cấu trúc các vật liệu (các vật liệu hấp thụ nước, vật liệu nhựa tổng hợp, hoặc các pôlyme mạch thẳng, vv ) và các pôlyme tự nhiên Một số thiết bị chiếu xạ hoạt động để xử lý các sản phẩm./quá trình đơn giản, trong khi số còn lại dùng cho nhiều mục đích khác nhau Một

điều tra gần đây của IAEA [10] đã chỉ ra rằng một tỷ lệ rất lớn các thiết bị chiếu xạ Gamma (85%) để xử lý các sản phẩm y tế chăm sóc sức khoẻ với mục đích tiệt trùng Cũng vào khoảng như vậy các thiết bị chiếu xạ để xử lý bảo quản thực phẩm và các sản phẩm nông nghiệp với nhiều mục đích khác nhau Khoảng 50% số thiết bị chiếu xạ để xử

lý các sản phẩm thuốc, bao gồm các nguyên liệu với mục đích khử trùng hoặc làm giảm vi khuẩn, trong khi đó khoảng 30% số thiết bị chiếu xạ để xử lý các loại pôlyme, bao gồm các loại cáp và ống nhựa với mục đích làm biến tính

Xử lý bức xạ

Trong xử lý bằng bức xạ thì một sản phẩm hoặc một vật liệu được chiếu xạ với mục

đích bảo quản, làm biến tính hoặc cải thiện các đặc tính của chúng Quá trình xử lý này

được thực hiện bằng cách đặt các sản phẩm trong khu vực gần nguồn bức xạ (chẳng hạn như Cobalt-60) với một khoảng thời gian nhất định sao cho sản phẩm đó được chiếu bằng bức xạ phát ra từ nguồn phóng xạ Một tỷ lệ năng lượng bức xạ truyền cho sản phẩm được hấp thụ bởi sản phẩm đó, độ lớn của năng lượng này phụ thuộc vào khối lượng, thành phần

và thời gian chiếu xạ Đối với mỗi loại sản phẩm, thì độ lớn năng lượng bức xạ cần thiết

để đạt được hiệu ứng mong muốn trong sản phẩm đó; giá trị chính xác được xác định thông qua công tác nghiên cứu

Các vật liệu phóng xạ, chẳng hạn như nguồn Cobalt-60 phát ra bức xạ Tuy nhiên, sản phẩm được chiếu xạ với các tia Gamma không trở thành vật liệu phóng xạ, và do đó

nó có thể được xử lý bình thường Điều này tương tự như đối với tia X được sử dụng trong bệnh viện với mục đích chẩn đoán bệnh; bệnh nhân được chiếu bằng bức xạ (tia X) nhưng anh ta/chị ta không trở thành vật liệu có khả năng phóng xạ

Một số thuật ngữ chung được sử dụng trong xử lý bằng bức xạ là:

Liều hấp thụ: Là độ lớn năng lượng được hấp thụ bởi vật liệukhi được chiếu từ

Chu kỳ bán rã: Là đặc tính của nguồn bức xạ Gamma; là khoảng thời gian sao

cho hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ giảm đi một nửa

Các thuật ngữ này và các khái niệm khác liên quan đến xử lý bằng bức xạ được thảo luận trong phụ lục A

Các nguồn bức xạ

Tổng quát

Trong phổ của bức xạ điện từ, bức xạ Gamma được xếp vào vùng năng lượng cao cùng với tia X Năng lượng liên quan đến bức xạ Gamma (ví dụ, các tia Gamma phát ra từ nguồn Cobalt-60) là đủ lớn để phát vỡ liên kết phân tử và ion hoá các nguyên tử, nhưng không đủ lớn để ảnh hưởng đến cấu trúc hạt nhân nguyên tử (không tạo thành vật liệu phóng xạ) Do đó, bức xạ Gamma có thể dùng để làm biết đổi tính chất hoá học, vật lý

hoặc sinh học của các sản phẩm/vật liệu được chiếu xạ; tuy nhiên, các sản phẩm này không trở thành vật liệu có tính chất phóng xạ Bức xạ với năng lượng cao như vậy được xem như bức xạ ion hoá Tất cả các quá trình xử lý bằng bức xạ được thực hiện với bức xạ ion hoá, nó bao gồm – bên cạnh bức xạ Gamma, electron năng lượng cao (thông thường lớn hơn 80 keV) và các tia X được sinh ra từ các electron năng lượng cao (ví dụ, 5-10 MeV)

Cobalt-60 và Caesium-137 là phù hợp nhất cho các nguồn bức xạ Gamma để xử lý bằng bức xạ bởi chúng có năng lượng tương đối cao và chu kỳ bán rã dài: Cobalt-60 là 5,27 năm và Caesium-137 là 30,1 năm) Tuy nhiên, việc sử dụng Caesium-137 bị hạn chế vì tính độc lập ít, các thiết bị chiếu xạ nguồn khô, được sử dụng chủ yếu để chiếu xạ máu

và khử trùng Hiện nay, tất cả các thiết bị chiếu xạ công nghiệp sử dụng nguồn bức xạ Cobalt-60

vỏ bọc kim loại Zircaloy, sau đó được đưa vào lò phản ứng hạt nhân với khoảng thời gian nhất định (khoảng 18-24 tháng) phụ thuộc vào thông lượng của Nơtron tại vị trí xảy ra phản ứng

Trong khoảng thời gian ở trong lò phản ứng, một nguyên tử cobalt-59 hấp thụ một nơtron và nó chuyển thành một nguyên tử cobalt-60 Trong suốt hai năm trong lò phản ứng, một phần nhỏ số nguyên tử trong thanh kim loại cobalt bị chuyển thành các nguyên

tử cobalt-60

Hình 3 Các thanh kim loại và các bút chì cobalt-60 sẽ được lắp thành khối bảng nguồn phóng xạ (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada)

Hoạt độ phóng xạ riêng thường giới hạn đến khoảng 120 Ci/g cobalt (khoảng 4 x

1012 Bq/g) Sau khi chiếu xạ, các thỏi kim loại chứa các thanh cobalt được bọc thêm lớp thép không gỉ chống ăn mòn để tạo thành các bút chì nguồn phóng xạ hoàn chỉnh mà bức xạ Gamma có thể xuyên qua nhưng bản thân lớp vỏ thép này không trở thành vật liệu có tính phóng xạ (cobalt-60) (xem hình 3) Cấu hình của nguồn phải đáp ứng được yêu cầu sao cho những bút chì nguồn này sẽ được nạp vào các môđun đã được xác định trước trong bảng nguồn, và phân bố của các môđun này trên toàn bộ bảng nguồn của một thiết bị chiếu xạ công nghiệp (xem hình 4)

Cobalt-60 (60Co27) phân rã thành một đồng vị Nikel bền, không có tính póng xạ (60Ni28), trong quá trình phân rã đó phát ra một hạt bêta âm (có năng lượng cực đại là 0.313 MeV), và chu kỳ bán rã của nó khoảng 5.27 năm (xem hình 5)

Do vậy, Nikel-60 được sinh ra ở trạng thái bị kích thích, và ngay lập tức nó phát ra hai phôtôn có năng lượng 1.17 và 1.33 MeV, rồi trở về trạng thái bền Hai phôtôn gamma này đóng vai trò trong quá trình xử lý bằng bức xạ đối với các thiết bị chiếu xạ sử dụng bức xạ gamma từ nguồn cobalt-60 Tất cả các nguyên tử cobalt-60 sẽ phân rã, cường độ và hoạt độ phóng xạ của nguồn cobalt sẽ giảm, giảm đến 50% trong khoảng 5.27 năm, hoặc giảm khoảng 12% mỗi năm Định kỳ, các bút chì cobalt-60 được nạp thêm vào bảng nguồn để đảm bảo công suất của thiết bị chiếu xạ Các bút chì cobalt-60 cuối cùng được tháo dỡ khỏi bảng nguồn khi hoạt độ của nó còn lại rất thấp, thông thường sau 20 năm sử dụng

Hình 4 Biểu đồ minh hoạ cấu tạo của một bảng nguồn điển hình từ các thanh nguồn

phóng xạ, các bút chì nguồn và các môđun (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada)

Hình 5 Biểu đồ phân rã của hạt nhân cobalt-60

Nhìn chung, các bút chì nguồn đ−ợc trả lại nhà cung cấp để tái sử dụng, tái chế hoặc loại bỏ Trong khoảng 50 năm, thì 99.9% cobalt-60 sẽ phân rã thành nickel không phóng xạ

Hiện nay, thống kê toàn bộ về cobalt-60 trên toàn thế giới có tổng hoạt độ hơn 250 triệu Curie [6] Do đó, các lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân đóng vai trò rất quan trọng, mang lại lợi ích cho cuộc sống của chúng ta thông qua việc sử dụng nguồn phóng xạ cobalt-60 trong y tế cũng nh− là các ứng dụng của bức xạ với quy mô công nghiệp

MÔ Tả Thiết bị chiếu xạ gamma

Giới thiệu tổng quan về thiết bị chiếu xạ

Trong một thiết bị chiếu xạ lớn, thì buồng chiếu xạ, nơi sản phẩm đ−ợc xử lý bằng bức xạ là trung tâm của thiết bị chiếu xạ đó (xem hình 6) Các thành phần chính khác của một thiết bị chiếu xạ công nghiệp bao gồm:

- Bể bảo vệ bảng nguồn phóng xạ cobalt-60 (khô hoặc −ớt),

- Hệ thống khoá liên động để kiểm soát và đảm bảo an toàn cho quá trình chiếu xạ

- Khu vực nạp và dỡ sản phẩm, và

- Các trang thiết bị phụ trợ

Nguồn bức xạ đặt tại buồng chiếu xạ (trong suốt quá trình chiếu xạ) hoặc ở bể bảo quản được che chắn-bảo vệ bức xạ (thường được đặt bên dưới buồng chiếu xạ), có thể bảo quản khô hoặc ướt Phải đảm bảo che chắn-bảo vệ phóng xạ bởi tường bằng vật liệu rắn (đối với bể bảo quản khô) hoặc bởi nước (đối với bảo quản ướt) để sao cho cán bộ, công nhân viên có thể làm việc được trong buồng chiếu, ví dụ các hoạt động bảo dưỡng, khi nguồn phóng xạ ở vị trí bể bảo quản Nước có một số đặc tính có thể mong muốn như là một vật liệu che chắn; nó là chất lỏng dễ phù hợp để truyền nhiệt, và nó còn trong suốt

Đối với một thiết bị chiếu xạ có nguồn phóng xạ bảo quản ướt thì gần như tất cả các vật liệu được sử dụng để chế tạo bảng nguồn, hệ thống ống dẫn, và các ống chứa nguồn đều bằng thép không rỉ, nhằm chóng sự ăn mòn điện

Xung quanh buồng chiếu xạ là tường bảo vệ bức xạ, nó cũng được xem như là tường bảo vệ sinh học, nhìn chung nó bao gồm một tường bê tông đủ dầy (thường với bề dầy 2 mét) để làm suy giảm bức xạ phát ra từ nguồn, sao cho giữ cho mức phóng xạ tại khu vực phòng điều khiển gần với phông phóng xạ tự nhiên Tường bê tông đó được xây dựng theo kiểu rích rắc sao cho sản phẩm chiếu xạ có thể di chuyển và phải đảm bảo giảm

được bức xạ tán xạ đến phòng điều khiển, nơi nhân viên vận hành có thể kiểm soát hoặc

điều khiển sự dịch chuyển của nguồn phóng xạ và sản phẩm

Động cơ của hệ băng tải sản phẩm có thể đơn giản hoặc có thể khá phức tạp phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị chiếu xạ Đối với thiết kế để chiếu xạ liên tục (như đã chỉ ra trong hình 6), thì các thùng sản phẩm (hình 6) được dịch chuyển xung quanh nguồn bức xạ bởi hệ băng tải xuyên qua buồng chiếu xạ

Hình 6

Sơ đồ khối toàn cảnh của một thiết bị chiếu xạ gamma điển hình, nguồn phóng xạ bảo

quản −ớt (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada)

Đối với quá trình chiếu xạ cố định, thì nguồn phóng xạ được dịch chuyển đến buồng chiếu sau khi các thùng chứa sản phẩm đã được xếp, đặt tại đó để chiếu xạ

Thiết bị chiếu xạ cũng cần bố trí các khu vực để lưu trữ các sản phẩm chưa xử lý và các sản phẩm đã xử lý Yêu cầu thông thường đối với thiết kế thiết bị chiếu xạ là hai loại sản phẩm nói trên không được phép lẫn lộn với nhau một cách không cố ý (chú ý hàng rào ngăn cách trong hình 6) Và tất cả các thiết bị chiếu xạ cũng phải được trang bị các phòng thí nghiệm phù hợp để thực hiện các phép đo liều Một số thiết bị chiếu xạ cũng cần trang

bị một phòng thí nghiệm vi sinh hoặc một phòng thí nghiệm kiểm tra vật liệu

các thiết bị chiếu xạ gamma

các nguyên tắc thiết kế

Có một số loại nguồn chiếu xạ phù hợp với quy mô công nghiệp Do đó, một nhà thiết kế thiết bị chiếu xạ có năng lực dễ dàng chọn lựa một loại nguồn phù hợp nhất cho mục đích chiếu xạ công nghiệp Thiết kế một nguồn chiếu xạ thay đổi từ loại nhỏ, nó phù hợp cho nghiên cứu về bức xạ, đến loại rất lớn, nó đáp ứng cho việc xử lý hàng trăm tấn sản phẩm mỗi ngày Những khác biệt chính giữa các nguồn chiếu xạ là tổng hoạt độ phóng xạ của nguồn (Ví dụ, tổng hoạt độ của cobalt) và phương thức dịch chuyển các sản phẩm trong buồng chiếu xạ Bên cạnh đó, phương thức vận hành của nguồn phóng xạ cũng có thể được lựa chọn sao cho phù hợp với một ứng dụng riêng Thêm vào đó, các nhà sản xuất có thể và sẽ thay đổi thiết kế của một nguồn chiếu xạ sao cho phù hợp hơn với các yêu cầu riêng

Các nguyên tắc thiết kế cơ bản đối với tất cả các nguồn chiếu xạ là:

- Đạt được năng lượng hiệu dụng tối đa của bức xạ

- Đạt được độ đồng liều tương đối trong sản phẩm, và

- Đảm bảo an toàn và vận hành đơn giản

Các nguyên tắc này luôn kết hợp chặt chẽ với các yếu tố thiết kế sau đây, nó đã

được công nhận từ khi chiếu xạ công nghiệp mới ra đời và được thực hiện tốt:

- Các bút chì nguồn cobalt-60 được bọc hai lớp,

- Bể bảo quản nguồn phóng xạ bằng nước (chống ion hoá),

- Một vài lớp (dãy) sản phẩm xung quanh nguồn phóng xạ, và

- Tường bảo vệ sinh học dạng rích rắc được làm bằng bê tông có mật độ theo đúng tiêu chuẩn

thiết kế công suất và hoạt độ cho nguồn phóng xạ

Công suất xử lý sản phẩm chủ yếu phụ thuộc vào hoạt độ hiện tại của nguồn phóng xạ được lắp đặt và các yêu cầu về liều bức xạ Hoạt độ của nguồn có thể thay đổi từ hàng chục kCi đến vài MCi Hoạt độ khi lắp đặt luôn nhỏ hơn hoạt độ cực đại đối với nguồn chiếu xạ đã được thiết kế, mà nó liên quan đến “công suất khi thiết kế” Việc lựa chọn một

công suất theo thiết kế dựa vào các yêu cầu về liều đối với các ứng dụng đã được xác định

và công suất tối đa xử lý sản phẩm hàng năm được kỳ vọng trong suốt quá trình hoạt động của thiết bị chiếu xạ, bao gồm cả các yêu cầu trong tương lai Thông thường, cần thử nghiệm khi bắt đầu vận hành một thiết bị chiếu xạ với nguồn có hoạt độ nhỏ hơn (như những yêu cầu hiện tại) so với thực tế thiết kế của nó, và sau đó nạp thêm dần cobalt vào bảng nguồn cho bằng với yêu cầu Một thiết bị chiếu xạ không được cấp phép khi hoạt độ phóng xạ của nguồn lớn hơn công suất được thiết kế bởi vì nó đã được thiết kế cho công suất đã định, đặc biệt là phải đáp ứng các yêu cầu về che chắn phóng xạ Bảng II chỉ ra phân bố công suất thiết kế và hoạt độ phóng xạ được lắp đặt hiện nay của 165 thiết bị chiếu xạ gamma thương mại, mà chúng đáp ứng được các yêu cầu nói trên [10,11]

Suất liều trong sản phẩm chiếu xạ có liên quan trực tiếp đến hoạt độ phóng xạ của nguồn được lắp đặt Kiểm soát liều hấp thụ được chỉ định bằng cách điều chỉnh thời gian chiếu xạ hoặc tốc độ hệ băng tải Chỉ cần sự suy giảm của hoạt độ nguồn phóng xạ do sự phân rã phóng xạ; nếu không được xem xét thì nó có thể ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của thiết bị - cả về tài chính cũng như là kế hoạt hoạt động của đơn vị Hoạt độ của một nguồn cobalt-60 hàng năm giảm khoảng 12% Do vậy, nhà vận hành thiết bị chiếu xạ cần bù bắp cho lượng hoạt độ bị mất đi này (nó làm giảm cả suất liều) bằng việc tăng thêm thời gian chiếu xạ khoảng 1% mỗi tháng để sản phẩm nhận được đủ liều yều cầu Thông thường thời gian chiếu xạ trở nên dài hơn, không đáp ứng được trong thực tế (làm giảm công suất xử lý sản phẩm), cho nên yêu cầu được đặt ra là cần nạp thêm các bút chì cobalt-60 vào bảng nguồn (bổ sung nguồn) sau những khoảng thời gian nhất định, điều này phụ thuộc vào các yêu cầu xử lý sản phẩm

Hiện nay, thông thường đối với các thiết bị chiếu xạ thương mại thì năng lượng hiệu dụng phát ra từ nguồn phóng xạ mà sản phẩm hấp thụ được là 30% Do đó, một thiết

bị chiếu xạ với hoạt độ nguồn cobalt-60 là 1 MCi (1 triệu Ci) thì sẽ xử lý được 4 tấn (Mg) sản phẩm mỗi giờ với liều cực tiểu là 4 kGy (thường đối với chiếu xạ thực phẩm) Nếu liều yêu cầu là 25 kGy (áp dụng cho khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ), thì công suất

xử lý sẽ giảm chỉ còn 0.65 tấn một giờ

liều xử lý và liều chỉ định

Liều xử lý là liều cần thiết để đạt được hiệu ứng mong muốn đối với sản phẩm, nó

được xác định thông qua nghiên cứu về bức xạ, nó liên quan đến việc xác định mối quan

hệ liều-hiệu ứng của sản phẩm/hiệu ứng trong các ứng dụng khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ hoặc làm giảm số lượng vi khuẩn gây độc trong thịt gà Nhìn chung, kết quả của việc nghiên cứu nói trên là tìm hiểu về hai loại giới hạn về liều: giới hạn liều thấp với liều cực tiểu được yêu cầu để đạt được hiệu ứng mong muốn trong sản phẩm, và giới hạn liều cao được xác định nhằm đảm bảo rằng bức xạ sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (chẳng hạn như: các thành phần nhựa trong các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ có thể trở nên bị giòn-gãy, hoặc các loại gia vị có thể bị mất đi hương vị)

Bảng II Phân bố công suất thiết kế và hoạt độ của các nguồn phóng xạ được lắp đặt theo vùng l∙nh thổ đối với 165 thiết bị chiếu xạ gamma thương mại

Hoạt độ của nguồn

cobalt-60 (kCi)

Trên toàn

Châu phi

thế giới

thái bình dương

15-500 500-100

15-500 500-100

- Không sử dụng để chiếu xạ thương mại

Thông thường, mỗi sản phẩm/quá trình cần quan tâm đến hai giới hạn về liều nói trên, và các giá trị này xác đinh khả năng có thể chấp nhận dải liều để sao cho tất cả các phần của sản phẩm sẽ nhận được liều trong dải đó Các giá trị giới hạn về liều này, đặc biệt đối với các sản phẩm thông thường như thực phẩm và các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ phải được quy định bởi các cơ quan có thẩm quyền của quốc gia Tỷ số giữa giới hạn

liều cực đại và giới hạn liều cực tiểu có thể được xem như tỷ số giới hạn liều

Trong quá trình xử lý chiếu xạ, các bức xạ gamma tương tác với sản phẩm thông qua một số loại tương tác nguyên tử, chẳng hạn như tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện

và quá trình tạo cặp [12] Thông qua các loại tương tác này và kết quả là nó sẽ truyền năng lượng cho sản phẩm, do đó sản phẩm nhận được liều bức xạ cường độ bức xạ bị giảm khi xuyên qua sản phẩm, dẫn đến việc giảm liều theo bề dày của sản phẩm

Hình 7 Phân bố liều-chiều sâu trong một thùng sản phẩm được chiếu xạ từ hai mặt bằng nguồn cobalt-60 Đường cong ‘a’ minh hoạ phân bố liều-chiều sâu khi sản phẩm chỉ được chiếu xạ từ một mặt (nguồn ở vị trí ‘a’) tương tự, khi nguồn ở vị ttrí ‘b’, phân bố liều- chiều sâu được minh hoạ bởi đường cong ‘b’ Do vậy, tổng liều chiếu xạ từ hai mặt của thùng sản phẩm được thể hiện bằng đường cong ‘a+b’ Chú ý rằng liều tổng cộng này là

đồng đều hơn so với trường hợp chỉ chiếu xạ từ một mặt của thùng sản phẩm (đường cong

‘a’ hoặc ‘b’)

Điều này được xem như phân bố liều-chiều sâu (xem hình 7, đường cong a hoặc b) Tốc độ suy giảm liều phụ thuộc vào thành phần và mật độ của sản phẩm, cũng như là năng lượng của bức xạ gamma Bên cạnh đó, sự thay đổi của liều theo chiều sâu cũng tạo nên sự khác biệt về liều theo các mặt bên Sự thay đổi về liều này phụ thuộc vào cấu hình chiếu xạ Cả hai sự thay đổi về liều đó gây nên sự không đồng đều về liều được chỉ định đối với sản phẩm Sự chênh lệch về liều trong sản phẩm được chiếu xạ là không thể tránh khỏi

được Một phương pháp được chấp nhận để miêu tả sự không đồng liều này là khái niệm

tỷ số đồng liều (DUR), nó là tỷ số giữa giá trị liều cực đại và liều cực tiểu trong một thùng sản phẩm Tỷ số này tăng theo mật độ của sản phẩm và kích thước của thùng sản phẩm (xem hình 8)

Hệ số đồng liều (DUR)