(Luận văn thạc sĩ) tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn COBALT 60 dạng quang treo

Do đó, Đề tài “ Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60 dạng quang treo” nhằm từng bước khẳng định Việt Nam có thể thiết kế và chế tạo thiết bị chiếu x

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN PHUỚC THẮNG

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ ÐẢO HÀNG MÁY CHIẾU XẠ CÔNG NGHIỆP NGUỒN COBALT - 60 DẠNG QUANG TREO

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016

S KC 0 0 4 8 6 0

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN PHƯỚC THẮNG

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ ĐẢO HÀNG MÁY CHIẾU XẠ CÔNG NGHIỆP NGUỒN COBALT -60

DẠNG QUANG TREO

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

TP.Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2016

Trang 3

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 08/2008 Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp

Tên đồ án: Tính toán, thiết kế, chế tạo máy cắt sơ dừa dùng làm vật liệu cách

âm

Ngày và nơi bảo vệ: 03/2008 tại Khoa Cơ Khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh

Giáo viên hướng dẫn: KS Nguyễn Tất Toản

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

2009 đến nay

Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công Nghệ Bức Xạ (Vinagamma)

Nhân viên vận hành

Trang 4

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài: Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn

Cobalt – 60 dạng quang treo

GVHD: PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

Tác giả: PHAN PHƯỚC THẮNG

Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 04 năm 2016

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHAN PHƯỚC THẮNG

Trang 5

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiều từ nhà trường, quý thầy cô, gia đình và bạn bè Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH, đã dành nhiều thời gian, nhiệt tình hướng dẫn, góp ý

và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Th.S Lê Minh Tuấn, Th.S Trần Khắc Ân, Th.S Cao Văn Chung, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công Nghệ Bức Xạ (Vinagamma) đã giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ và khích lệ tinh thần tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 04 năm 2016

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHAN PHƯỚC THẮNG

Trang 6

iv

TÓM TẮT

Thiết bị chiếu xạ gamma bắt đầu được ứng dụng ở Việt Nam năm 1991,với mục đích ban đầu là chiếu xạ bảo quản thực phẩm Hiện nay, ở Việt Nam đã có 7 thiết bị chiếu xạ gamma được dùng với mục đích là chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế

và thực phẩm Tất cả các thiết bị chiếu xạ này điều nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành khá cao Hiện nay, nhu cầu của xã hội về việc khử trùng dụng cụ y tế và thực phẩm ngày càng cao Do đó, Đề tài “ Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60 dạng quang treo” nhằm từng bước khẳng định Việt Nam có thể thiết kế và chế tạo thiết bị chiếu xạ gamma, để giảm sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài Đề tài này giải quyết một số vấn đề sau: Tính toán và lựa chọn kích thước thùng hàng tối ưu, Thiết kế cơ khí thùng hàng, Thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng dạng treo,Thiết kế cơ khí hệ đảo hàng dạng treo

Từ khóa: thiết bị chiếu xạ gamma, chiếu xạ thực phẩm, khử trùng dụng cụ y

tế,

Trang 7

v

ABSTRACT

Gamma irradiators began to be applied in Vietnam 1991 with its original purpose as preservation of food So far, in Vietnam has 7 gamma irradiators are used for the purpose of irradiation fruits, vegetables, frozen sea food and other products All irradiators were imported from foreign countries which has high price

At present, the needs of society are sterilization of health care products, irradiation

of food and agriculture products is increasing Therefore, the topic: "Calculate, design for moving systerm of hanging industrial irradiator Cobalt – 60 sources " step by step Viet Nam can design and manufacture gamma irradiator to reduce dependence on foreign technology In this study is: Calculate and chose of tote box demension, Design tote box, Design of principles and operation of moving systerm, Design mechanical of moving systerm

Keywords: gamma irradiators, irradiation food, sterilization medical

Trang 8

vi

MỤC LỤC

Trang

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt x

Danh mục các hình ảnh xi

Danh mục các bảng biểu xiii

Chương 1 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

1.4 Đối tượng nghiên cứu 2

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

1.6 Giới hạn nghiên cứu 2

1.7 Phương pháp nghiên cứu 2

1.8 Kết cấu của đề tài 3

Chương 2 4

2.1 Tổng quan 4

2.1.1 Bức xạ và bức xạ ion hóa 4

2.2 Ứng dụng bức xạ ion hóa trong chiếu xạ khử trùng – thanh trùng 5

2.2.1 Chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế: 5

2.2.2 Chiếu xạ thực phẩm (TP): 6

2.3 Thiết bị chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt 60 8

2.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

2.4.1 Thiết bị chiếu xạ dạng tote box SVST -Co60/B (Hungary) 10

Trang 9

vii

2.4.2 Thiết bị chiếu xạ dạng carrier RPP/150 Cobalt - 60 (Nga) 11

2.5 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

Chương 3 13

3.1 Nguồn phóng xạ Cobalt - 60 13

3.2 Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất 15

3.2.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp 15

3.2.2 Sự suy giảm bức xạ của chùm gamma rộng 15

3.3 Phân bố liều theo chiều sâu 15

3.4 Các thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ 18

3.5 Các thiết bị chiếu xạ nguồn lấn qua sản phẩm 18

3.6 Phần mềm hỗ trợ tính toán, thiết kế 19

3.6.1 Giới thiệu về chương trình tính liều MCNP [10] 19

3.6.2 Autodesk Inventor 2015 21

3.6.3 Ansys Workbench 15.0 22

Chương 4 23

4.1 Các yêu cầu về thiết kế 23

4.2 Các phương án thiết kế hệ đảo hàng 23

4.2.1 Phương án 1: Đảo hàng bằng xy lanh khí nén 23

4.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 23

4.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 24

4.2.1.3 Ưu và nhược điểm 24

4.2.2 Phương án 2: Đảo hàng bằng băng tải 25

4.2.3 Phương án 3: Đảo hàng bằng con lăn 27

Trang 10

viii

4.3 Chọn phương án thiết kế hợp lý 28

Chương 5 29

5.1 Tính toán và lựa chọn kích thước thùng hàng tối ưu 29

5.1.1 Phương án 1: Kích thước thùng hàng 450x700x1500 mm 29

5.2 So sánh và lựa chọn kích thước thùng hàng 52

5.3 Thiết kế thùng hàng 54

5.4 Thiết kế nguyên lý hệ đảo hàng 55

5.4.1 Sơ đồ nguyên lý 55

5.5 Tính đường kính xy lanh khí nén 55

5.6 Tính đường kính xy lanh nâng – hạ thùng hàng ( C10, C20) 56

5.7 Tính đường kính xy lanh đẩy các thùng hàng theo hàng dọc 59

5.8 Tính lực đẩy các thùng hàng theo hàng ngang ( C5, C15) 62

5.8.1 Nguyên lý hoạt động 64

5.8.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng ở chế độ chiếu xạ liên tục: 65

5.8.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng ở chế độ chiếu xạ theo mẻ: 66

5.9 Thiết kế cơ khí hệ đảo hàng 67

5.10 Kiểm nghiệm bền các chi tiết quan trọng 71

5.10.1 Kiểm nghiệm bền thanh dẫn hướng trên 71

5.10.2 Kiểm nghiệm bền thanh đỡ dưới 72

Chương 6 74

6.1 Kết luận 74

6.2 Kiến nghị: 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 1……….……… 78

PHỤ LỤC 2……….… ……79

Trang 11

ix

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Trang 12

x

DANH MỤC HÌNH ẢNH

trang

Hình 2.1: Minh họa một số bước sóng thường gặp trong đời sống 4

Hình 2.2: Mô tả thiết bị chiếu xạ tại Nordion MSD, Canada 9

Hình 2.3: Thiết bị chiếu xạ SVST-Co60/B tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xa (Vinagamma) 10

Hình 2.4: Thiết bị chiếu xạ nguồn Cobalt-60 RPP-150 11

Hình 2.5: Hệ đảo hàng máy chiếu xạ Vinaga1 (Nguồn: Vinagamma) 12

Hình 3.1: Thanh nguồn cobalt-60 và các môđun nguồn trong bản nguồn 14

Hình 3.2: Biểu đồ phân rã của hạt nhân cobalt -60, cesium -137[1] 14

Hình 3.3: Đường cong liều – độ sâu tính theo phần trăm [8] 16

Hình 3.4: Phân bố liều – chiều sâu trong một thùng sản phẩm được 17

Hình 3.5: Phân bố liều – chiều sâu trong một thùng sản phẩm được 17

Hình 3.6: Thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ nguồn 18

Hình 3.7: Thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ nguồn 19

Hình 3.8: Phần mềm Autodesk Inventor Professional 2015 21

Hình 3.9: Phần mềm Ansys Workbench 15.0 22

Hình 4.1: Sơ đồ đảo hàng dùng xy lanh khí nén 24

Hình 4.2: Sơ đồ đảo hàng bằng băng tải 25

Hình 5.1: Kích thước thùng hàng tính toán trong chương trình MCNP4C2 30

Hình 5.2: Vị trí tính liều của thùng hàng trong chương trình MCNP4C2 30

Hình 5.3: Mô tả kích thước các dãy thùng hàng trong chương trình MCNP4C2 31

Hình 5.4: Kích thước của thanh nguồn trong chương trình MCNP4C2 32

Hình 5.5: Kích thước bản nguồn trong tính toán 32

Hình 5.6 Đường cong DUR và hiệu suất theo tỉ trọng ở phương án 2 53

Hình 5.7:Thùng hàng máy chiếu xạ 54

Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý MCX 55

Hình 5.9: Mô tả lực nâng - hạ của khung nâng 56

Hình 5.10: Mô tả xy lanh khí nén 57

Hình 5.11: Mô tả lực đẩy thùng hàng theo phương nằm dọc của hệ đảo hàng 59

Hình 5.12: Mô hình đơn giản một con lăn trên đường nằm dọc 60

Hình 5.13: Mô tả lực đẩy thùng hàng theo phương nằm ngang của hệ đảo hàng 62

Hình 5.14: Mô hình đơn giản một con lăn trên đường nằm ngang 62

Hình 5.15: Chu trình thời gian của hệ đảo hàng 65

Hình 5.16: Thanh đỡ dưới 68

Hình 5.17: Thanh dẫn hướng trên – dưới 68

Trang 13

xi

Hình 5.18: Bản vẽ khung nâng – hạ 69

Hình 5.19: Hệ đảo hàng dạng quang treo 70

Hình 5.20: Ứng suất tổng của thanh dẫn trên 71

Hình 5.21: Chuyển vị tổng của thanh dẫn 72

Hình 5.22: Ứng suất tổng của thanh đỡ dưới 72

Hình 5.23: Chuyển vị tổng của thanh đỡ dưới 73

Trang 14

xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

trang

Bảng 2.1: Bước sóng và năng lượng của sóng điện từ trong đời sống 5

Bảng 2.2: So sánh một số phương pháp khử trùng DCYT[5] 6

Bảng 2.3: Danh mục thực phẩm được phép chiếu xạ và các giới hạn liều hấp thụ 7

Bảng 3.1: So sánh đặc trưng kỹ thuật của 2 nguồn bức xạ gamma 13

Bảng 3.2: Hoạt độ, kích thước và trọng lượng của thanh nguồn C188 14

Bảng 3.3: Phương trình mô tả các mặt cơ bản trong MCNP4C2 20

Bảng 4.1: Lựa chọn phương án đảo hàng MCX 28

Bảng 5.1: Số liệu đo với tỉ trọng dummy 0,1 g/cm3, hoạt độ nguồn 100 kCi, thời gian chạy máy tính (running time) 1 giờ Kích thước thùng 450 x 700 x 1500 mm 34

Bảng 5.5 Số liệu đo với tỉ trọng dummy 0,5 g/cm3, hoạt độ nguồn 100 kCi, thời gian chạy máy tính (running time) 1 giờ Kích thước thùng 450 x 700 x 1500 mm 38

Bảng 5.6 Số liệu đo với tỉ trọng dummy 0,6 g/cm3, hoạt độ nguồn 100 kCi, thời gian chạy máy tính (running time) 1 giờ Kích thước thùng 450 x 700 x 1500 mm 39

Bảng 5.8: Số liệu đo với tỉ trọng dummy 0,2 g/cm3, hoạt độ nguồn 100 kCi, thời gian chạy máy tính (running time) 1 giờ Kích thước thùng 500x 700 x 1500 mm 41 Bảng 5.9: Số liệu đo với tỉ trọng dummy 0,3 g/cm3, hoạt độ nguồn 100 kCi, thời gian chạy máy tính (running time) 1 giờ Kích thước thùng 500 x 700 x 1500 mm 42

Trang 15

xiii

gian chạy máy tính (running time) 1 giờ Kích thước thùng 500 x 700 x 1500 mm

43

Bảng 5.19: So sánh 3 phương án với tỉ trọng dummy 0,1 g/cm3 52

Bảng 5.25: Vận tốc và thời gian xy lanh đi hết hành trình 58

Bảng 5.28: Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng ở chế độ chiếu xạ liên tục 65

Bảng 5.29: Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng ở chế độ chiếu xạ theo mẻ 66

Trang 16

1

Chương 1

GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Chiếu xạ thực phẩm có xu hướng phát triển nhanh do nhiều nước đang chấp nhận phương pháp này, trong 5 năm gần đây đã tăng trưởng rất mạnh Trong năm

2014, lần đầu tiên Việt Nam đã xuất khẩu rau quả đạt gần 1,5 tỷ USD tăng gần 40%

so với năm 2013 Trong đó số lượng trái cây xuất khẩu qua kiểm dịch thực vật đạt gần 1,5 triệu tấn bao gồm: thanh long, xoài, nhãn,… Để các mặt hàng này xuất được sang các thị trường Hàn Quốc, Nhật Bản, Mỹ, EU… cần phải được chiếu xạ để diệt côn trùng, ký sinh trùng gây bệnh

Theo Quyết định số 127/QĐ-TTg ngày 20/01/2011 về việc phê duyệt quy hoạch chi tiết phát triển ứng dụng bức xạ trong công nghiệp và các ngành kinh tế,

kỹ thuật khác đến năm 2020 sẽ có 30 cơ sở chiếu xạ công nghiệp Nhưng hiện nay khu vực Miền Trung, Miền Bắc, Tây Nguyên chỉ có một thiết bị chiếu xạ tại Hà Nội

Hiện nay ở Việt Nam có 07 thiết bị chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60 (TBCX) Những thiết bị trên đều nhập khẩu từ nước ngoài thích hợp cho việc khử trùng dụng cụ y tế (DCYT) và thanh trùng thực phẩm (TP)

Để đáp ứng nhu cầu về việc chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế, thanh trùng thực

phẩm và giảm sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài Đề tài “Tính toán, thiết kế

hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60 dạng quang treo”

(MCX) là cần thiết có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đóng góp một phương pháp đảo hàng mới cho TBCX

Đây cũng là tiền đề cho việc từng bước nội địa hóa TBCX và cải tiến các thiết

bị chiếu xạ hiện có tại Việt Nam

Từng bước khẳng định Việt Nam có thể sản xuất được TBCX phục vụ nhu cầu chiếu xạ trong nước ngày càng cao, không phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài

Trang 17

2

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Thiết kế hệ đảo hàng MCX thích hợp cho chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế, thanh trùng thực phẩm Tiến tới làm chủ công nghệ, đồng thời xác lập cơ sở khoa học để tiến tới việc nghiên cứu và sản xuất TBCX tại Việt Nam

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Hệ đảo hàng MCX phù hợp cho mục đích chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế và thanh trùng thực phẩm

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tính toán và lựa chọn phương pháp bố trí bản nguồn trong hệ đảo hàng MCX, Các tính toán về liều hấp thụ trong thùng hàng với các kích thước: 450x700x1500 mm; 500x700x1500 mm; 550x700x1500 mm, với các tỉ trọng (d) từ 0,1g/cm3 đến 0,6g/cm3 bằng phần mềm MCNP4C2,

Từ kết quả tính liều hấp thụ trong các thùng hàng, lựa chọn kích thước thùng hàng thích hợp,

Thiết kế cơ khí thùng hàng với kích thước đã chọn,

Thiết kế nguyên lý hoạt động hệ đảo hàng và

Thiết kế cơ khí và kiểm nghiệm bền hệ đảo hàng

1.6 Giới hạn nghiên cứu

Tìm hiểu nguyên lý làm việc, phương pháp bố trí bản nguồn và phân bố thùng hàng cho hệ đảo hàng MCX,

Tính liều hấp thụ trong thùng hàng với các kích thước: 450x700x1500 mm; 500x700x1500 mm; 550x700x1500 mm với các tỉ trọng từ 0,1g/cm3 đến 0,6g/cm3bằng phần mềm MCNP4C2,

Thiết kế cơ khí cho thùng hàng,

Thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng,

Thiết kế cơ khí cho hệ đảo hàng và

Kiểm nghiệm bền cho hệ đảo hàng

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phân tích lý thuyết và tổng hợp tài liệu: Thu thập tài liệu trong và ngoài nước có liên quan đến hệ đảo hàng của các loại TBCX Sau đó lựa chọn

Trang 18

1.8 Kết cấu của đề tài

Đề tài: “Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn

Cobalt – 60 dạng quang treo” gồm 6 chương

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Tổng quan

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

- Chương 4: Ý tưởng và phương án thiết kế hệ đảo hàng

- Chương 5: Tính toán thiết kế thùng hàng và hệ đảo hàng

- Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Trang 19

Bức xạ phát ra từ một nguồn phát (như mặt trời hay máy phát bức xạ,…), ví

dụ ánh sáng nhìn thấy cũng là một dạng bức xạ, nhiệt cũng là bức xạ hay những vụ

nổ tại nhà máy điện nguyên tử làm hơi nước thoát ra ngoài có chứa chất phóng xạ cũng được gọi là bức xạ (bức xạ nguyên tử)

Bức xạ được phân loại theo năng lượng cao hay thấp Bức xạ có năng lượng thấp còn gọi là bức xạ không ion hóa do không có đủ năng lượng cắt đứt các liên kết hóa học, không tạo ra các ion có hoạt tính cao

Bức xạ ion hóa là bức xạ có đủ năng lượng cắt đứt các liên kết hóa học, đánh bật các điện tử ra khỏi các nguyên tử, hay tạo ra các ion có hoạt tính cao

Các nguồn bức xạ ion hóa quy mô công nghiệp[1]:

- Nguồn Gamma: Phát ra từ nguồn đồng vị phóng xạ, độ xuyên sâu vào vật chất cao, phổ biến là cobalt-60 (Co-60) và cesium-137 (Cs-137)

- Tia X: Có độ xuyên sâu vào vật chất cao, năng lượng của tia X được phát

ra từ một máy phát tia X nên có thể bật/tắt được

- Chùm tia điện tử (EB): Có độ xuyên sâu vào vật chất thấp hơn tia gamma

và tia X, được phát ra từ một máy phát nên có thể bật/tắt, thường có suất liều rất cao nên thời gian chiếu xạ rất nhanh

Hình 2.1: Minh họa một số bước sóng thường gặp trong đời sống

Trang 21

vật liệu

Hầu hết các loại vật liệu

Một số ít không thích hợp Bao gói sản

Bao gói khí qua được hoặc đóng gói lần 2

Thời gian lưu

giữ trước khi

dùng sản phẩm

Xử lý sau khử

Hiệu quả kinh

Từ bảng so sánh trên ta thấy khử trùng bằng tia gamma có nhiều ưu điểm hơn

so với các phương pháp khác Do đó, chiếu xạ khử trùng DCYT ở quy mô công nghiệp chủ yếu dùng tia gamma

2.2.2 Chiếu xạ thực phẩm (TP):

Là việc sử dụng các tia bức xạ (thường là tia Gamma, tia X hay EB) để chiếu vào thực phẩm nhằm diệt vi khuẩn, côn trùng và một số ký sinh trùng Chiếu xạ

Trang 22

7

nhằm làm cho thực phẩm an toàn hơn, giảm các nguy cơ gây bệnh nhờ gây bất hoạt các loại vi khuẩn, ký sinh trùng, nấm hay côn trùng gây bệnh Mặc khác, chiếu xạ thực phẩm có thể giảm sự hư hỏng sản phẩm, kéo dài thời gian bảo quản các sản phẩm dễ hỏng sau thu hoạch Năm 2014 tổng kim ngạch xuất khẩu trái cây đã qua chiếu xạ đạt 1,477 tỉ USD, tăng hơn 37% so với năm 2013 (Nguồn: cesti.gov.vn) Ngày 14 tháng 10 năm 2004, Bộ Y tế đã ban hành “ Quy định vệ sinh an toàn đối với thực phẩm bảo quản bằng phương pháp chiếu xạ” (Quyết định số

3616/2004/QĐ-BYT) cho phép chiếu xạ một số thực phẩm trong Bảng 2.3

Bảng 2.3: Danh mục thực phẩm được phép chiếu xạ và các giới hạn liều hấp thụ

Liều hấp thụ (kGy) Tối

Trang 23

2.3 Thiết bị chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt 60

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 Ngành Công nghệ Bức xạ Việt Nam khởi đầu sự phát triển từ năm 1983 với việc đưa vào hoạt động nguồn cobalt - 60 thì nghiệm đầu tiên (Gamma Cell) tại Viện Nghiên cứu Hạt Nhân Đà Lạt Cùng với việc tích lũy 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

Trang 24

9

Trong một thiết bị chiếu xạ công nghiệp, thì buồng chiếu xạ là nơi mà sản phẩm được xử lý bằng bức xạ là trung tâm của TBCX Các thành phần chính của TBCX bao gồm:

- Bể bảo vệ bản nguồn phóng xạ cobalt-60 (khô hoặc ướt),

- Cơ cấu nâng - hạ nguồn phóng xạ,

- Tường bảo vệ xung quanh nhà nguồn,

- Phòng điều khiển,

- Các thùng chứa sản phẩm,

- Hệ thống đưa sản phẩm vào/ra buồng chiếu xạ,

- Hệ thống khóa 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

Hình 2.2: Mô tả thiết bị chiếu xạ tại Nordion MSD, Canada

Trong một thiết bị chiếu xạ thường có các chế độ vận hành cơ bản: Chế độ chiếu xạ liên tục, chế độ chiếu xạ theo mẻ và chế độ chiếu dừng Chế độ chiếu xạ liên tục thường được sử dụng khi chiếu xạ cùng một loại hàng, số lượng nhiều và

Trang 25

10

liều chiếu không cao (≈ 3,5 kGy) Chế độ chiếu xạ theo mẻ và chiếu dừng dùng để chiếu xạ các mặt hàng có liều chiếu cao (liều tiệt trùng > 7,0 kGy)

2.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Việc tính toán, thiết kế và chế tạo TBCX đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới như: Canada, Nga, Pháp, Anh, Mỹ, Ấn Độ, Hungary, Đức, [9] Hiện nay, trong khu vực Đông Nam Á chưa có nước nào thiết kế và chế tạo TBCX, mà họ đều mua của các nước khác, trong đó có Việt Nam

2.4.1 Thiết bị chiếu xạ dạng tote box SVST -Co60/B (Hungary)

Thiết bị chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt -60 đa mục đích SVST-Co60/B loại hộp chở hàng (Tote box) được thiết kế và chế tạo tại Hungary do Công ty Viện Đồng vị Budapest, Hungary Thiết bị được thiết kế với đa mục đích sử dụng, thích hợp cho khử trùng các vật phẩm y tế, thanh trùng vật liệu và thành phẩm thuốc đông nam dược, thanh trùng các mặt hàng thực phẩm khô và đông lạnh, các xử lý biến tính vật liệu

Hình 2.3: Thiết bị chiếu xạ SVST-Co60/B tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai

Công nghệ Bức xa (Vinagamma)

Hệ đảo hàng của thiết bị này chứa 68 thùng hàng kích thước 500x500x1000

mm được xếp trên 4 dãy, mỗi bên 2 dãy bao xung quanh bản nguồn và được xếp

Trang 26

11

theo 2 tầng Thiết bị chiếu xạ SVST- Co60/B có 3 bảng nguồn, mỗi bản nguồn chứa

4 modul nguồn được xếp theo 2 tầng, mỗi modul chứa tối đa 41 thanh nguồn Thiết

bị có các chế độ vận hành cơ bản: Chế độ chiếu xạ liên tục, Chế độ chiếu xạ theo

mẻ và Chế độ chiếu xạ dừng

2.4.2 Thiết bị chiếu xạ dạng carrier RPP/150 Cobalt - 60 (Nga)

Hình 2.4: Thiết bị chiếu xạ nguồn Cobalt-60 RPP-150

Hệ đảo hàng của thiết bị này chứa 48 thùng hàng kích thước 400x500x1000

mm được xếp trên 4 dãy, mỗi bên 2 dãy bao xung quanh bảng nguồn và được xếp theo 2 tầng

Do mục đích ban đầu của Trung tâm là chiếu xạ ức chế nẩy mầm khoai tây nên hoạt độ nguồn phóng xạ thấp < 100 kCi Do nhu cầu chiếu xạ ngày càng cao nên Trung tâm đã chuyển sang chiếu xạ dụng cụ y tế và thuốc đông nam dược, thực phẩm khô, đông lạnh nên hiệu suất của thiết bị không cao

2.5 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 1991, tại Trung tâm chiếu xạ Hà Nội thuộc Viện khoa học kỹ thuật hạt nhân, đã đưa vào vận hành một thiết bị chiếu xạ bán công nghiệp nguồn Cobalt - 60

Trang 27

12

RPP/150 do Nga sản xuất dùng cho bảo quản thực phẩm (mục đích ban đầu là chiếu

xạ ức chế nẩy mầm khoai tây)

Năm 1999, tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (Vinagamma), thiết bị chiếu xạ công nghiệp đa mục đích nguồn Cobalt-60 SVST –Co60/B đã được đưa vào hoạt động

Năm 2003, tại Công ty TNHH-TM Sơn Sơn, máy gia tốc chùm tia điện tử công suất lớn có phát tia X dùng cho mục đích thanh trùng hàng thực phẩm đã được đưa vào vận hành Đây là thiết bị máy gia tốc lớn nhất ở Đông Nam Á [6]

Năm 2005, Công ty Cổ phần Chiếu xạ An Phú (Bình Dương) đã đầu tư và đưa vào vận hành TBCX dùng cho mục đích khử trùng DCYT và thanh trùng TP Đây

là thiết bị thứ hai được đầu tư từ tư nhân

Năm 2010, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức Xạ đã thực hiện thành công Đề tài “Nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm hệ đảo hàng cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60’’, Mã số đề tài: 04/HĐ – ĐT 2010/ĐVPX

do Bộ công thương quản lý trong khuôn khổ “ Đề án phát triển ứng dụng bức xạ và đồng vị trong công nghiệp đến năm 2020” Máy Vinaga1 có tính năng tương đương

và giá thành rẽ hơn 1/3 lần so với các máy nhập nước ngoài

Hiện nay, ở Việt Nam chưa có đề tài nào nghiên cứu và tính toán thiết kế hệ đảo hàng cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt 60 dạng treo

Hình 2.5: Hệ đảo hàng máy chiếu xạ Vinaga1 (Nguồn: Vinagamma)

Trang 28

Cobalt-60 và Cesium-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 Cesium-137 là 30,1 năm Hiện nay, tất cả các thiết bị chiếu xạ công nghiệp sử dụng nguồn bức xạ Cobalt - 60 [1]

Bảng 3.1: So sánh đặc trưng kỹ thuật của 2 nguồn bức xạ gamma

(dấu + chỉ sự ưu việt hơn) [1]

lượng 3MCi/năm

Chiết suất từ thanh nhiên liệu 4MCi/năm (lò 1000MW)

Hoạt độ phóng xạ riêng thường giới hạn đến khoảng 120 Ci/g cobalt (khoảng 4,1012 Bq/g) 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 Cấu hình của nguồn phải đáp ứng được yêu cầu sao cho những

Trang 29

Hình 3.2: Biểu đồ phân rã của hạt nhân cobalt -60, cesium -137[1]

Bảng 3.2: Hoạt độ, kích thước và trọng lượng của thanh nguồn C188

(Nguồn: http:/www.nordion.com)

Trang 30

15

3.2 Sự suy giảm của bức xạ gamma khi đi qua vật chất

3.2.1 Sự suy giảm của chùm gamma hẹp

Khi chùm gamma hẹp truyền vuông góc với lớp vật chất có bề dày dx, sự suy giảm của cường độ bức xạ dI được biểu thị bằng công thức:

dI(x) = -μ.I(x).dx hoặc dưới dạng tích phân ( )

Trong đó I 0 và I(x) là cường độ bức xạ gamma trước và sau lớp vật chất bề dày x; μ hệ số suy giảm tuyến tính phụ thuộc vào bản chất của lớp vật liệu

Trong trường hợp chùm tia hẹp, đóng góp của các tia tán xạ không đáng kể có thể bỏ qua

3.2.2 Sự suy giảm bức xạ của chùm gamma rộng

Khi bức xạ gamma đi qua vật chất dưới dạng một chùm bức xạ rộng, trong thành phần của chùm ngoài các tia đi thẳng, còn có thành phần tán xạ

Cường độ của chùm bức xạ rộng được mô tả bằng công thức:

>1 và nó phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ

gamma hʋ, số nguyên tử Z và bề dày x của vật liệu

Do năng lượng hấp thụ không hoàn toàn tỉ lệ với tác động sinh học nên người

ta phân biệt hệ số tích lũy năng lượng và hệ số tích lũy liều lượng BD(hʋ, Z, μx) khi

đó ta có biểu thức tương tự đối với liều lượng:

3.3 Phân bố liều theo chiều sâu

Độ xuyên sâu của năng lượng bức xạ vào vật liệu có thể được mô tả bằng đường phân bố theo chiều sâu, trong đó liều hấp thụ tương đối tại các điểm đo được

Trang 31

16

vẽ theo khoảng cách hay độ sâu tính từ bề mặt vật liệu chiếu xạ Dạng của đường phân bố liều - độ sâu phụ thuộc vào bản chất của bức xạ, năng lượng của bức xạ hoặc chùm hạt, cấu hình của nguồn và mẫu Dạng điển hình của đường cong liều -

độ sâu đối với bức xạ được đưa ra trên hình 3.3

Hình 3.3: Đường cong liều – độ sâu tính theo phần trăm [8]

Qua đồ thị trên ta thấy khả năng xuyên sâu của tia X và tia gamma lớn hơn của electron Trong quá trình 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 [1] 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

Trang 32

17

Hình 3.4: Phân bố liều – chiều sâu trong một thùng sản phẩm được

chiếu xạ từ một mặt bằng nguồn Cobalt – 60 [8]

Hình 3.5: Phân bố liều – chiều sâu trong một thùng sản phẩm được

chiếu xạ từ hai mặt bằng nguồn Cobalt – 60 [8]

Depth (g/cm 2 )

Trang 33

18

Trong hình 3.5 ta thấy, khi chiếu xạ từ hai mặt liều tổng cộng đồng đều hơn so với trường hợp chỉ chiếu xạ từ một mặt Do đó các thiết bị chiếu xạ công nghiệp đều chiếu xạ từ hai mặt để đảm bảo độ đồng đều về liều trong sản phẩm

3.4 Các thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ

Các thiết bị chiếu xạ loại này rất đa năng, chúng có thể các sản phẩm trong các hộp, túi, hoặc các thùng Các thùng này dịch chuyển xung quanh nguồn phóng xạ trên các băng tải dạng con lăn trên bốn hàng (mỗi bên bảng nguổn có hai hàng) và ở hai tầng Có một hệ nâng-hạ các thùng giữa hai tầng của băng tải Độ cao tổng cộng của hai thùng sản phẩm là cao hơn bản nguồn, chính vì thế nó được gọi là thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ (xem hình 3.6), thiết bị chiếu xạ loại này có thể đạt được sự đồng liều trong sản phẩm Hơn nữa, sản phẩm tiếp xúc được nhiều bức xạ hơn phát ra từ nguồn, và vì thế hiệu quả sử dụng năng lượng tương đối cao đối với thiết kế loại này Tuy nhiên, sản phẩm đi qua hai độ cao khác nhau làm cho cơ cấu nâng – hạ trở nên phức tạp hơn

Hình 3.6: Thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ nguồn

3.5 Các thiết bị chiếu xạ nguồn lấn qua sản phẩm

Các thùng sản phẩm của loại thiết bị này dịch chuyển theo bốn hàng hoặc nhiều hơn nhưng chỉ ở một độ cao xác định Một thùng sản phẩm (đôi khi chính là

Trang 34

19

các dụng cụ mang sản phẩm) có chiều dài lớn hơn thùng sản phẩm đối với trường hợp cấu hình sản phẩm bao trùm qua nguồn phóng xạ, nhưng độ cao này vẫn nhỏ hơn độ cao của bản nguồn, vậy nên nó tạo thành cấu hình nguồn lấn qua sản phẩm (xem hình 3.7) Các thùng sản phẩm của loại thiết bị này thường được treo từ một đường ray từ trên trần của buồng chiếu xạ Độ đồng liều có thể so sánh được với trường hợp cấu hình sản phẩm lấn qua nguồn phóng xạ, nhưng năng lượng hiệu dụng thì nhỏ hơn

Hình 3.7: Thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ nguồn

3.6 Phần mềm hỗ trợ tính toán, thiết kế

3.6.1 Giới thiệu về chương trình tính liều MCNP [10]

MCNP ban đầu được phát triển bởi nhóm Monte Carlo và sau này bởi nhóm Radiation Transport (nhóm X-6) của phòng Vật Lý Lý Thuyết Ứng Dụng ở Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (Mỹ)

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 đo phóng xạ, chụp ảnh bằng phóng xạ…

Hình học trong bài toán giải bằng MCNP4C2 được mô tả trong không gian 3 chiều MCNP4C2 có một chương trình dựng sẵn để kiểm tra lỗi của dữ liệu đầu vào Hơn nữa, khả năng vẽ hình học của MCNP4C2 cũng giúp người dùng kiểm tra các lỗi hình học Khi mô tả hình học người sử dụng phải định nghĩa các mặt

Trang 35

20

(Surface), các ô (Cell) được bao bởi các mặt và mô tả vật liệu chứa trong các cell Các cell được mô tả bởi các toán tử giao (Intersention), hợp (Union) và phần bù (Complement)

Bảng 3.3: Phương trình mô tả các mặt cơ bản trong MCNP4C2

Trang 36

Hyperboloid

Paraboloid

Trục song song với OX,OY hoặc OZ

Phần mềm Autodesk Inventor là nền móng cho công nghệ mô hình số hoá

Mô hình 3D thiết kế trên Autodesk Inventor là một mô hình số 3D chính xác, cho phép người dùng kiểm soát hình dạng, thuộc tính, và các chức năng của một thiết

kế, giới hạn bớt nhu cầu đối với các mô hình vật lý, cũng như giảm bớt chi phí thay đổi thiết kế như trong thiết kế truyền thống khi đưa ra sản xuất

Hình 3.8: Phần mềm Autodesk Inventor Professional 2015

Trang 37

22

3.6.3 Ansys Workbench 15.0

Là gói phần mền dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân về dạng số với việc sử dụng phương pháp rồi rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau

Hình 3.9: Phần mềm Ansys Workbench 15.0

Trang 38

23

Chương 4

Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

HỆ ĐẢO HÀNG

4.1 Các yêu cầu về thiết kế

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

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

- Chiếu xạ được nhiều loại sản phẩm khác nhau ( DCYT, TP, nông lâm thủy

sản…),

- Bể bảo quản nguồn phóng xạ bằng nước,

- Tường bêtông zích zắc có độ dày thích hợp chống bức xạ ion hóa, và

- Đảm bảo an toàn và vận hành đơn giản

4.2 Các phương án thiết kế hệ đảo hàng

4.2.1 Phương án 1: Đảo hàng bằng xy lanh khí nén

4.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Trang 39

Hệ vận chuyển chở thùng hàng từ hệ nạp – dỡ vào đến vị trí E4 và được C1 đẩy vào vị trí C10A, sau đó C10A nâng thùng hàng lên tầng trên Sau đó C12, C14 đẩy thùng hàng sang trái một bước, sau đó C15 đẩy thùng hàng từ hàng R1-UL sang R2- UL…tương tự các xy lanh làm việc tuần tự cho đến hết chu trình

Trang 40

- Các xylanh khí nén phải có thời gian chạy không (quay về)

4.2.2 Phương án 2: Đảo hàng bằng băng tải

4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 4.2: Sơ đồ đảo hàng bằng băng tải

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	6,02 MB