Luận văn 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 Nguyễn Nguyệt Lệ NGHIÊN CỨU CHIẾU XẠ THANH LONG TRÊN THIẾT BỊ GIA TỐC ĐIỆN TỬ UERL-10-15S2 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 604405 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tơi đã được Quý Thầy Cơ cung cấp cho tơi những kiến thức chuyên sâu, giúp tơi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học. Tơi xin gửi lời biết ơn đến tất cả Quý Thầy Cơ đã tận tình giảng dạy tơi trong suốt thời gian học tại trường. Tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Văn Hùng, Nghiên cứu viên chính Trung tâm nghiên cứu và triển khai cơng nghệ bức xạ - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã định hình cho tơi lựa chọn đề tài này và tận tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Đặc biệt, tơi đã được học ở Thầy phương pháp làm việc khoa học và những bài học cĩ được từ thực tiễn, từ vốn sống, từ sự am hiểu thấu đáo của riêng Thầy mà khĩ cĩ quyển sách nào cĩ thể diễn đạt hết được những điều đĩ. Tơi cũng chân thành cám ơn Ths. Trần Khắc Ân, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu và triển khai cơng nghệ bức xạ - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tạo điều kiện rất tốt cho tơi 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, đĩng gĩp ý kiến, nhận xét và đánh giá luận văn. Tơi cũng gửi lời cám ơn Cử nhân Nguyễn Anh Tuấn và cử nhân Cao Văn Chung - Phịng vật lý Trung tâm nghiên cứu và triển khai cơng nghệ bức xạ - đã cĩ những ý kiến đĩng gĩp quý báu và dành cho tơi nhiều sự hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn. Tơi 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 tơi trong quá trình học tập, thực hiện luận văn. Cuối cùng, xin khắc sâu cơng ơn Cha Mẹ, người thân, bạn bè luơn ủng hộ, động viên và giúp đỡ tơi trong suốt khĩa 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 hĩa, 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 cĩ hại trong vật phẩm. Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu đã khẳng định chiếu xạ cĩ rất nhiều ứng dụng hữu ích, ví dụ tiêu diệt các cơn 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 tồn và khử trùng các sản phẩm thịt tươi đơng lạnh, hải sản và trứng sữa.v.v. Lịch sử của chiếu xạ thực phẩm cĩ thể bắt đầu từ khi khám phá ra tia X bởi Roentgen 1895 và chất phĩng xạ bởi Becquerel 1896. Theo sau những khám phá này đã cĩ 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 hĩa 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 phĩng xạ nhân tạo như Co60 và Cs137 (phát bức xạ gamma) đã được ứng dụng trong chiếu xạ cơng nghiệp một cách phổ biến. Tuy nhiên, các thiết bị gia tốc điện tử ngày nay vẫn cĩ những tính chất ưu việt mà các thiết bị sử dụng nguồn Co60 hoặc Cs137 khơng cĩ được. Chẳng hạn như nĩ khơng để lại chất thải phĩng xạ (vì nguồn Co60 hoặc Cs137 khi hoạt độ quá thấp khơng sử dụng trong ứng dụng chiếu xạ phải chơn cất như là một chất thải phĩng xạ), chỉ khi hoạt động nĩ mới phát bức xạ ion hĩa, cịn khi khơng sử dụng, tắt nguồn điện, thì chùm bức xạ ion hĩa cũng tắt.v.v.. Chính vì vậy, ngày nay trên thế giới cĩ 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 cơng 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 Cơng 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 đơng lạnh phục vụ xuất khẩu và khử trùng dụng cụ y tế. Cũng cần nĩi thêm, một tình hình cĩ 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 cơn 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 gĩp 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 khuơn khổ của luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu phân bố liều trên trái Thanh long nhằm tiêu diệt các cơn trùng, các ấu trùng và các trứng của cơn 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, gĩp phần nâng cao giá trị xuất khẩu của trái Thanh long Việt Nam. Để đạt được những mục tiêu trên, luận văn cĩ những nhiệm vụ cơ bản sau: - Tìm hiểu kích cỡ trái Thanh long, cách đĩng gĩi xuất khẩu. - Tính tốn phân bố liều trên bề mặt trái Thanh long. - Tính tốn 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 cơn trùng trên bề mặt. - Đánh giá năng suất xử lý của thiết bị. Để thực hiện luận văn, chúng tơi dùng chương trình MCNP, một phần mềm vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte-Carlo đã được xây dựng ở phịng thí nghiệm quốc gia Los- Alamos, Mỹ. Đây là một cơng cụ tính tốn mạnh, cĩ thể mơ phỏng vận chuyển nơtron, photon và electron, và giải pháp bài tốn vận chuyển bức xạ 3 chiều dùng trong nhiều lĩnh vực tính tốn của Vật lý hạt nhân. Trong đề tài này MCNP được sử dụng để tính tốn phân bố liều trong xử lý trái Thanh long. Luận văn được sắp xếp thành ba chương theo cấu trúc như sau: CHƯƠNG 1: HĨA 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 hĩa 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 hĩa. 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. 2.4 Code MCNP. CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN PHÂN BỐ LIỀU CHIẾU XẠ THANH LONG 3.1 Một số nhìn nhận chung. 3.2 Phân bố liều bề mặt. 3.3 Phân bố liều theo độ sâu. 3.4 Hệ số bất đồng đều. 3.5 Các kỹ thuật làm giảm độ bất đồng đều. 3.6 Đánh giá năng suất của thiết bị. CHƯƠNG 1 HĨA 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 nĩ được thể hiện dưới dạng sĩng, hạt hoặc sĩng hạt. Mỗi dạng bức xạ được đặc trưng bởi một dải năng lượng hay tương ứng với nĩ, một dải bước sĩng xác định. Mối tương quan giữa năng lượng E và bước sĩng λ của bức xa được mơ tả bởi biểu thức: 2 c E h     (1.1) Trong đĩ h - hằng số Planck; c- vận tốc ánh sáng trong chân khơng. 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. Cịn các nguồn bức xạ thơng dụng bao gồm các nguồn bức xạ thụ động (nguồn đồng vị phĩng 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 mơi trường chúng cĩ thể tham gia các loại tương tác khác nhau với nguyên tử như một tồn 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 đĩ. Các tương tác đĩ cĩ thể là: - Tán xạ đàn hồi với nguyên tử như một tồn bộ, electron khơng mất năng lượng, chỉ đổi hướng chuyển động. - Va chạm khơng đàn hồi với các electron của vỏ nguyên tử: + Kích thích: bức xạ mất năng lượng + Ion hĩa: bức xạ mất năng lượng. - Tán xạ trên nhân + Tán xạ đàn hồi: bức xạ khơng mất năng lượng, chỉ đổi hướng bay. + Tán xạ khơng 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 mơi 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 mơi trường được minh họa trong hình 1.1. Hình 1.1 Các tương tác khả dĩ của hạt mang điện với nguyên tử của mơi 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 tơi 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 cĩ thể gây ra nhiều kiểu mất mát năng lượng và gĩc lệch điện tử. Đối với những điện tử tới cĩ 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 khơng 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) cĩ thể làm phát sinh tia X. Ngược lại, các va chạm với các điện tử nguyên tử cĩ thể dẫn đến truyền năng lượng đáng kể, bứt các điện tử ấy ra khỏi quỹ đạo của chúng ( sự ion hĩa). Đến lượt mình, các điện tử thứ cấp nhanh này cũng cĩ 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 cĩ thể xảy ra các quá trình vật lý sau đây: - Tán xạ khơng 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 khơng 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 thơng 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: 2 2dp e F dt r   (đơn vị cgs) (1.2) 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 khơng 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 vuơng gĩc. Vì dx dt v  nên p được xác định theo cơng thức: 2 2 2 2 ( ) cos ( ) e dx e p v r bv    (1.3) Điện tử tới bị mất năng lượng E . Mà E được xác định bằng cơng 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: 4 2 2 2e E mv b   (1.5) Nếu gọi N là mật độ của các nguyên tử cĩ nguyên tử số Z , khi đĩ sẽ cĩ (2 ) .bdb NZ s  các điện tử nguyên tử trên gia số độ dài s cĩ thơng số va chạm nằm giữa b và b db được biễu diễn trong hình 1.3. Do đĩ, sự mất mát năng lượng va chạm trung bình trên đơn vị chiều dài của điện tử tới ( )coll E s   , được tính bằng cách lấy tích phân trên tất cả các giá trị của thơng số va chạm, như cơng thức: 4 2 4 2 max min( / ) 4 ( / ) ( / ) 4 ( / ) ln( / )collE s NZ e mv db b NZ e mv b b      (1.6) Vì các hạt tới và các hạt bia đều là điện tử, nên năng lượng truyền cực đại là / 2E ; thơng số va chạm tối thiểu cĩ thể tính từ phương trình (1.5). Giá trị cực đại này của thơng số va chạm cần phải kể đến một thực tế là các điện tử nguyên tử khơng hồn tồn tự do mà bị liên kết trong các trạng thái nguyên tử khác nhau. 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 mơ hình thống kê của nguyên tử cĩ thể xác định năng lượng kích thích và ion hĩa trung bình Iav ở dạng vi phân. 4 2 ( ) 4 ( ) ( )coll av dE e E NZ ln ds mv I   (1.7) avI xấp xỉ với 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, 2 2 mv E  và vì thế cơng suất hãm do va chạm giảm xấp xỉ theo 1E . Tuy nhiên, ở năng lượng tương đối tính thì vận tốc v gần bằng tốc độ ánh sáng và cơng suất hãm sẽ tăng logaric với năng lượng. 1.1.2. Phát xạ điện tử thứ cấp Phổ của điện tử thứ cấp, do các quá trình va chạm sinh ra, cĩ thể thu được nếu chú ý rằng xác suất tương tác vi phân d cần phải tỷ lệ với 2 bdb . Việc lấy vi phân phương trình (1.5) cho thấy phổ năng lượng biến thiên như biểu thức 2/ ( ) ( )d d E E   (1.8) Vì thế, phổ này nặng về vùng năng lượng thấp hơn; đối với các điện tử cĩ năng lượng thấp hơn 10 keV, thì năng lượng đĩ thường được xem như là bị suy giảm ngay tại chỗ. Cịn 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 thốt 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 cĩ 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 cĩ điện tích Ze Tương tự với phương trình (1.3), sự biến thiên momen động lượng p của điện tử tới là 22.Ze bc . Gĩc tán xạ do tương tác này chính là 2/ 2 /( )p p Ze bcp   (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 cĩ xác suất nhất của gĩc tán xạ trung bình ấy phải là 0 (các va chạm đều là khơng cĩ hướng ưu tiên), cho nên cĩ thể sử dụng một hệ thức cho gĩc tán xạ trung bình bình phương bằng cách lấy tích phân bình phương của phương trình (1.9) trên tồn bộ khoảng cho phép của các thơng số va chạm. Nếu giả thuyết rằng những thay đổi của p là bé, tích phân này sẽ thành biểu thức 4 2 2 2 2 max min8 ln( / ) e c p xNZ b b          (1.10) Với x là độ xuyên sâu vào trong vật hấp thụ. Điện tích hiệu dụng trong cơng thức này thực sự phải là hàm của thơng số va chạm b, vì các điện tử nguyên tử gây che chắn các điện tích hạt nhân. Điều đĩ thường được tính đến bằng việc lựa chọn chính xác giá trị maxb . Tuy nhiên, gĩc tán xạ trung bình bình phương thì khơng nhạy lắm với giá trị thực của thơng 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 thơ cho gĩc tán xạ bình phương trung bình sẽ là: 2 2( / )a Z E x  (1.11) với a là một hằng số. Đối với nước một biểu thức gần đúng rất hữu ích sẽ 22 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 nĩ thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu, tức là hạt electron cĩ 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 nĩ. Theo điện động lực cổ điển, khi một hạt tích điện nĩi chung hay hạt electron nĩi riêng chuyển động cĩ gia tốc, thì nĩ sẽ phát ra bức xạ điện từ, được gọi là bức xạ hãm. Phổ bức xạ hãm là phổ liên tục, cĩ năng lượng từ 0 đến giá trị cực đại 0E 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 cơng thức 2 2 0 0 2 2 1 ( / ) 4 ln ( ) 3erad e E E s NE Z r f Z m c              (1.13) Trong đĩ N là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích; 0E là năng lượng của electron; 1 137   là hằng số cấu trúc tinh tế; Z là điện tích của hạt nhân; em là khối lượng nghỉ của electron; er là bán kính cổ điển của electron được xác định bởi cơng thức 2 13 2 2,82.10e e e r cm m c   (1.14) Ta thấy, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo hàm lơgarit tự nhiên của năng lượng. Khi năng lượng tăng, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo, trong khi đĩ độ mất mát năng lượng do ion hĩa hầu như khơng 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 hĩa được xác định theo cơng thức sau: 800 ( / ) ( / ) rad col EZdE dx dE dx  (1.15) Ngồi 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 mơi trường hấp thụ cho trước, khi năng lượng nhỏ độ mất mát năng lượng do ion hĩa và kích thích mơi trường chiếm ưu thế, tại đĩ, tỷ số giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm và do ion hĩa 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 crE , khi đĩ độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm bằng độ mất mát năng lượng do ion hĩa. Tại năng lượng tới hạn crE E ta cĩ phương trình rad col dE dE dx dx              (1.16) Ta thấy năng lượng tới hạn phụ thuộc vào điện tích của hạt nhân hay chính xác phụ thuộc vào nguyên tử số của mơi trường. Từ biểu thức (1.15) ta nhận thấy rằng: Nguyên tử số của mơi trường càng lớn, năng lượng tới hạn càng giảm. Năng lượng tới hạn được xác định theo cơng thức 800 1,2cr MeV E Z   (1.17) Khi năng lượng của electron lớn hơn nhiều năng lượng tới hạn, sự mất mát năng lượng của nĩ chủ yếu do phát bức xạ hãm. Khi đĩ năng lượng của electron giảm theo hàm số mũ khi đi xuyên qua vật chất được xác định theo cơng thức 0 exp rad x E E l          (1.18) Trong đĩ radl là chiều dài bức xạ của mơi trường. Nĩ được định nghĩa là khoảng cách mà năng lượng của electron giảm đi hệ số 1 0,367 e  do phát bức xạ hãm. 0E là năng lượng ban đầu của electron. 1.2. Cơ sở hĩa bức xạ [5],[6],[9] 1.2.1.Cơ sở lý thuyết của cơng nghệ xử lý thực phẩm bằng năng lượng ion hĩa 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 cĩ spin ngược chiều nhau. Ví dụ phân tử nước được biễu diễn: .. .. H :O:H Dấu “ : ” Biễu diễn số electron ngồi cùng của H (hai), O (tám). Khi vật chất bị gia nhiệt, chiếu với ánh sáng, năng lượng ion hĩa hay tương tác với enzime thì các nguyên tử hay phân tử trong đĩ sẽ bị mất một hoặc vài electron hĩa 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 hĩa 2 _ H O Ionizing energy HOH e     : một cặp ion Sau quá trình này một số phản ứng cĩ thể xảy ra: - Một là: Cặp ion cĩ thể tái hợp lại để trở thành một phân tử bình thường. Khi đĩ khơng cĩ tổn hại gì xảy ra. - Hai là: Electron cĩ thể gắn vào một phân tử nước trung hịa và trở thành một loại ion thứ ba 2 H O e HOH    - Ba là electron cĩ thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành nên eqe  ( gọi là tương đương electron) Các ion à HOH v HOH  khơng bền vững lắm và cĩ thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn * * HOH H OH HOH OH H         * *à HOH v được gọi là các gốc tự do. Thời gian hình thành các gốc tự do vào khoảng 1 s . Vậy kết quả của sự thủy phân do bức xạ là sự hình thành các ion ,H OH  và các gốc tự do * * - eqOH và H và e . Tương đương electron - eq e cũng cĩ tác dụng như một gốc tự do. Do đĩ * * - eqà à eOH v H v được gọi chung là các gốc tự do sơ cấp. Các ion à H v OH  cĩ thể tái hợp mà khơng 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 hịa cĩ một electron khơng ghép cặp ở vỏ ngồi cùng nên chúng cĩ hoạt tính hĩa học rất mạnh. Chúng cũng khơng bền, thời gian sống vào khoảng 1 s . Tuy nhiên, trong khoảng thời gian ấy, chúng cĩ 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 hĩa – khử. Chúng cĩ thể cơng phá phân tử ADN, bẽ gãy các liên kết của phân tử đĩ và do đĩ gây ra một tổn thương điểm ở một nơi xa điểm hình thành gốc tự do. Các gốc tự do cũng cĩ thể tạo ra hydrogen peroxide, 2 2H O , rất độc đối với tế bào và cĩ thể được hình thành bằng nhiều cách. Với bức xạ cĩ LET(năng suất truyền năng lượng tuyến tính) cao, do mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do *OH cĩ thể cĩ kết hợp lại để hình thành 2 2H O . * * 2 2OH OH H O  Hay trong trường hợp cĩ nhiều Oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi sau * * 2 2H O HO  Các gốc tự do Hydroperoxyl *2HO khơng bền, cĩ thể kết hợp với nhau hay với *H để tạo thành hydrogen peroxide: * 2 2 2 2 * * 2 2 2 2HO H O O HO H H O     * * - 2 2 eq, , à eH O OH H v được xem là sản phẩm gây hại chính của quá trình xạ phân, nĩ là chất độc của tế bào. Ngồi ra, hai loại gốc tự do khác cũng cĩ thể được hình thành. Một số phân tử hữu cơ khác, ký hiệu RH, cĩ thể trở thành các gốc tự do * * *_ RH Ionizing energy RH H R    Khi cĩ oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành : * 2 2R O RO  Như vậy, một cơ thể sống là một thể thống nhất cĩ khả năng tự điều khiển họat động và bảo vệ các tác nhân gây hại bên ngồi, chúng cĩ khả năng tự phục hồi khi bị tổn thương. Khi tác nhân gây hại đủ lớn, ngồi khả năng tự phục hồi của một cơ thể sống thì nĩ sẽ chết đi. Đây là cơ sở của việc điều khiển giá trị năng lượng ion hĩa làm tác nhân tiêu diệt vi khuẩn, ký sinh trùng trong xử lý thực phẩm. Với liều lượng đủ lớn, năng lượng ion hĩa cĩ thể tiêu diệt các sinh vật từ dạng đơn bào đến phức tạp. 1.2.2. Tổn thương do bức xạ ion hĩa 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, mơ và tồn 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 nĩi, bức xạ ion hĩa cĩ thể kích thích hoặc ion hĩa các nguyên tử cấu tạo nên phân tử từ đĩ phá vỡ các mối liên kết, phân ly các phân tử, tạo ra các sản phẩm hĩa 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 đĩ 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 đĩ các nhĩm chức hĩa 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 cĩ thể bị kìm hãm, cũng cĩ thể sự phân hủy và chuyển hĩa của các chất đĩ 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 cĩ một cấu trúc nhất định, cấu trúc đĩ quyết định chức năng hoạt động của nĩ. Bức xạ ion hĩa tách rời hoặc phá vỡ các nhĩm chức hĩa học khỏi cấu trúc phân tử làm cho chúng khơng cịn hoạt động sinh học đặc biệt nữa.  Tăng hàm lượng một số chất cĩ sẵn hoặc xuất hiện những chất lạ trong tổ chức sinh học. Thơng thường đĩ là những chất cĩ 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 hĩa học mới xảy ra do chiếu xạ. Điển hình là 2 2H 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 đĩ cĩ 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 mơi trường ngồi. Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hĩa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hĩa:catabolis) tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism). Cịn nhân là nơi điều khiển quá trình tổng hợp đĩ. Trong nhân cĩ ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thơng tin quan trọng để thực hiện sự tổng hợp các chất. Trong hình (1.6) là mơ hình cấu tạo của phân tử ADN. Các tế bào cĩ thời gian sống nhất định. Các tế bào khác nhau cĩ 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 Mơ hình cấu tạo của phân tử ADN Một trong những chức năng quan trọng của tế bào là chức năng sinh sản. Đĩ là chức năng phân chia tế bào để tạo ra các tế bào mới cho thế hệ sau. ADN chứa các thơng tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Khả năng đĩ cĩ thể bị mất tạm thời (hồi phục được) hoặc vĩnh viễn dưới tác dụng của bức xạ ion hĩa. Thơng 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 cĩ 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, cĩ 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, cơn trùng, nấm mốc gây hại cho con người khi sử dụng thực phẩm dựa trên tính chất ion hĩa 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 hĩa, 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 khơng thực hiện được và khi đĩ tế bào sẽ bị chết trong quá trình phân bào và vi sinh gây bệnh khơng 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 hĩa của các tia bức xạ. Quá trình này được thực hiện bởi các thiết bị chuyên dụng phát ra các loại bức xạ ion hĩa như : tia gamma, chùm tia điện tử, tia X… So với phương pháp khử trùng bằng nhiệt và hĩa học, khử trùng bức xạ được xem là cơng nghệ sạch, hiệu quả và an tồn 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 khơng phải tháo bao gĩi, tác dụng của bức xạ lên sản phẩm sinh nhiệt yếu nên khơng làm chín, làm hỏng sản phẩm. Ngồi ra bức xạ khơng để lại các sản phẩm tồn dư. 1.2.3.2. Thanh trùng Thanh trùng là việc sử dụng tia bức xạ của nguồn phĩng 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 cĩ 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 cĩ giá trị tùy thuộc loại bức xạ, năng lượng của nĩ, 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. 1.3.1. Liều hấp thụ 1.3.1.1. Định nghĩa Liều hấp thụ (D) là lượng năng lượng được hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của đối tượng vật chất bị chiếu xạ. E E D m V       (1.19) Trong đĩ: E là năng lượng của bức xạ mất đi do sự ion hĩa trong đối tượng bị chiếu xạ; m khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ. Định nghĩa trên cĩ thể áp dụng cho mọi loại vật chất hấp thụ và mọi loại tia bức xạ, cĩ năng lượng tùy ý. 1.3.1.2. Đơn vị Đơn vị của liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (Gy) 1 Gray =1 J/kg Trong thực tế, người ta cịn sử dụng đơn vị rad 1 Gy = 100 rad 1.3.1.3. Tính chất 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 đĩ, khi đưa ra liều hấp thụ bao giờ người ta cũng cho biết loại vật chất đã hấp thụ lượng năng lượng đĩ. Ngồi ra, sự hấp thụ năng lượng của mơi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất. Do đĩ, 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 cĩ trong một đơn vị khối lượng của mơi trường vật chất hấp thụ, nĩ khơng phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của vật chất. Đối với chiếu xạ thực phẩm, rau quả ta lại cĩ mối quan hệ sau: Đơn vị liều là Gy hoặc là kGy 1kGy = 1kJ/kg Cịn kW thì tỉ lệ với số phân rã phĩng xạ/s/g. Như vậy, nếu ta thay kW bởi kJ/s thì liều sẽ tỉ lệ với số phân rã phĩng xạ hay với số ADN bị bẽ gãy. 1.3.2. Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ (Pht) là liều hấp thụ tính trong một đơn vị thời gian. htht D P t    (1.20) Trong đĩ htD 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 đĩ liều hấp thụ được tính thơng qua cơng thức 0 . t ht htD P dt  (1.21) 1.4. Hiệu ứng của bức xạ lên cơ quan sinh học [5],[13] 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 ngồi cho phép. Một vài vi khuẩn cịn cĩ 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 cĩ thể chịu đựng được điều kiện mơi trường vơ cùng khắc nghiệt. Dưới gĩc độ bảo quản thực phẩm, vi khuẩn được chia thành 3 loại: (1) vi khuẩn cĩ lợi là các vi khuẩn cĩ khả năng tạo ra một số loại đường thơng qua quá trình lên men. (2) Vi khuẩn cĩ 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 cĩ 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 cĩ 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 cĩ 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 cĩ hại Trong trường hợp đặc biệt, cơ quan sau cùng cĩ 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 cĩ 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 cịn cĩ cấu trúc đơn bào, mặc dù chúng cĩ thể tập hợp thơng tin qua chỉ nhị và được gọi là “sợi nấm”. Khác với các vi khuẩn tái sinh thơng qua việc phân chia tế bào, các loại men tái sinh bằng sự cấy ghép. - Các nấm mốc cũng cĩ thể cĩ cấu trúc đơn bào hay đa bào, chúng xuất hiện trong quá trình phân hủy các vật chất. Các loại men và nấm mốc cĩ thể là mầm mống của các bệnh tật do các chất độc mà chúng gây ra. - Virus khơng 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 khơng phát triển trong thực phẩm nhưng chúng cĩ thể gây ảnh hưởng đến các vi khuẩn chủ. Bệnh viêm gan truyền nhiễm virus và bệnh bại liệt truyền nhiễm virus cĩ 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 khơng sinh trưởng trong thực phẩm nhưng chúng cĩ thể gây bệnh. Cơn trùng, bọ mạt, một số ký sinh khác và các tổ chức sống cao hơn như động vật đa bào gây ảnh hưởng và cĩ thể làm mất các giá trị của thực phẩm tươi sống và thực phẩm khơ. Chúng cịn gây bệnh thơng qua các ký sinh và vi khuẩn. 1.4.2. Hiệu ứng của bức xạ ion hĩa 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 cĩ thể âm ỷ hàng chục năm. Các quá trình này cĩ 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 hĩa lý  Giai đoạn hĩa sinh  Quá trình sinh học Trong các quá trình trên, cĩ 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 đốn càng giảm xuống. Cĩ lẽ nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa cĩ những dữ liệu thống kê đầy đủ, cũng như do sự khác biệt rất lớn giữa các cá thể làm cho khĩ cĩ 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 đĩ. 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 phĩng 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 cĩ liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng cục bộ mà bức xạ truyền cho mơi trường. Giai đoạn vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn từ 10-16s đến 10-13s. Đĩ 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 mơi trường chủ yếu gây nên sự ion hĩa và sự kích thích. Sự ion hĩa 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 đĩ, tác dụng của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ bỏ ra trong một đơn vị khối lượng mơi trường. Đại lượng này chính là liều hấp thụ đã được định nghĩa trong phần trước. Các cấu trúc chịu sự ion hĩa hay kích thích cĩ 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 hĩa 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 thơng tin di truyền của tế bào. Những tổn thương gây ra trên các màng và các ống vi mơ cũng cĩ thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc. Các phân tử ADN cĩ thể bị ion hĩa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nĩ. Đĩ là tác dụng trực tiếp. Phân tử ADN cũng cĩ thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hĩa các phân tử nước trong vùng lân cận nĩ. Khi đĩ, 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 cơng phá các phân tử ADN ( hình 1.8). Khi một ADN bị tổn thương, ta khơng thể phân biệt là nĩ 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 đĩng vai trị quan trọng. Những thí nghiệm bổ sung cho phép ước tính rằng đối với các bức xạ cĩ LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số các thương tổn, phần cịn lại là do hiệu ứng gián tiếp. Hình 1.8 Tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp Mặt khác, ta lại cĩ năng lượng liên kết hĩa học càng thấp, năng lượng cần thiết để bẽ gãy phân tử càng bé. Trong các phân tử hữu cơ, liên kết cộng hĩa trị cĩ năng lượng liên kết lớn nhất (khoảng 1,5 – 4 eV/liên kết), do đĩ chúng cĩ độ bền cao nhất đối với sự cơng phá của bức xạ. Loại mối thứ hai là liên kết Hydro, cĩ năng lượng liên kết khoảng 0,2 – 0,4 eV/liên kết), dễ dàng bị bẻ gãy hơn, ngay cả với bức xạ khơng ion hĩa như tia tử ngoại. Như sẽ thấy, trong phân tử ADN các nhánh chính cĩ liên kết cộng hĩa trị, cịn các base nối với nhau bằng liên kết hydro. Điều này khiến cho ADN tương đối vững bền với các tác nhân cĩ năng lượng thấp, nhưng lại dễ bị đứt gãy do các bức xạ ion hĩa. Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hĩa lại cĩ thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác. 1.4.2.2. Giai đoạn hĩa lý Giai đoạn hĩa 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 cĩ trong tế bào. Như đã nĩi trên, bức xạ cĩ thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp thơng qua việc ion hĩa 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 vơ cơ. Tiếp sau quá trình tương tác đĩ là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ từ bức xạ cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thơng qua sự truyền năng lượng nội phân tử hay từ phân tử này sang phân tử khác. Quá trình trao đổi nội phân tử cĩ thể làm thay đổi cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách các nhĩm chức năng hay làm đứt vỡ những phân tử cĩ dạng chuỗi. Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương tác giữa phân tử nước. Đĩ 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 cĩ thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên khơng thể đi xa được. Do đĩ chúng chỉ cĩ 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 cĩ thể được kéo dài khi cĩ mặt oxy hay các phân tử ái electron. Ngược lại, một số phân tử khác cĩ 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 cĩ 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 hĩa 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 cĩ ADN bị tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là những tổn thương khơng hồi phục được. 1.4.2. 4. Quá trình sinh học Giai đoạn này cĩ thể kéo dài từ vài giờ đến nhiều năm sau chiếu xạ. Những tổn thương hĩa sinh ở giai đoạn đầu nếu khơng được hồi phục sẽ dẫn đến những rối loạn về chuyển hĩa. Kết thúc tế bào khơng 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 hĩa 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 hĩa 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 đơi, 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 đĩ, một trụ chính bị bẻ gãy sẽ khơng gây chết ADN mà cĩ 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 hĩa, chúng cịn cĩ 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 luơn luơn gây chết tế bào. Ước tính giá trị G của trụ xoắn kép bị bẻ gãy khoảng 0.076. Mức liều 1 kGy cĩ 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 hĩa, tốc độ suy giảm quần thể (dN/dt) đo được phụ thuộc tuyến tính vào suất liều (dD/dt) và chính quần thể đĩ : / ( / )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 ( / 2,3)10aD aDo oN N e N    (1.23) Với N0 là số lượng quần thể ban đầu khi bắt đầu chiếu xạ và D là liều tích lũy. Để tiện lợi hơn ta lấy 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 hĩa theo liều D10, hay thường biểu diễn theo giá trị liều D (giá trị thập phân). Đĩ 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 10D =2,3/a (1.24) Ngồi ra, do kích thước của phân tử ADN thường tăng lên theo sự phức tạp của các cơ quan, virus thường chịu đựng với phĩng xạ tốt hơn vi khuẩn, vi khuẩn thì hơn cơn 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, cịn rất nhiều hệ số làm ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với hiệu ứng bức xạ bao gồm nhiệt độ, đặc điểm cấu trúc mơi trường và chu kỳ sinh trưởng của tế bào. Ví dụ thơng 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 hĩa cũng giảm và giảm đặc tính và hoạt tính của bức xạ tự do. Sự sấy khơ hoặc đơng 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 lồi nấm mốc khác nhau cĩ 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 cơn trùng phụ thuộc chủ yếu vào tuổi và trạng thái phát triển của chúng, đang cịn trong trứng là nhạy cảm với bức xạ nhất, giai đoạn trưởng thành cĩ sức chống chịu cao nhất. Các mức liều trong khoảng từ 1 – 3 kGy sẽ tiêu diệt tồn bộ cơn trùng trong tất cả các giai đoạn trong vài ngay sau đĩ, nhưng khi khử trùng thường cĩ hiệu quả ở mức liều thấp hơn. Ví dụ, liều khử trùng với giai đoạn trưởng thành của cơn 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 cĩ thể được tính tốn 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 cĩ hệ số 105 hay 5 lần giá trị D10. Ví dụ, giá trị D10 để diệt e.coli trong thịt bị tươi là 0,25 kGy. Chính vì tiêu chuẩn ngặt nghèo của thịt đĩng gĩi với yêu cầu cao hơn so quần thể e.coli ban đầu là 1000 cá thể trong 25 g thịt bị 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 bị 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 nĩ 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 sốt vi khuẩn gây bệnh do đĩ cĩ khi cịn được gọi với cái tên “thanh trùng nguội” mặc dù cụm từ này khơng được cơng nhận. 1.5. Hiệu ứng của bức xạ lên thành phần thực phẩm - Trong quá trình chiếu xạ, thực phẩm khơng hề tiếp xúc với chất phĩng xạ mà chỉ bị chiếu tia gamma phát ra từ các chất phĩng xạ hay sử dụng chùm tia electron, do đĩ nĩ khơng thể bị nhiễm và trở thành “thực phẩm phĩng xạ” được. - Việc chiếu xạ đúng liều lượng trong một số trường hợp cũng cĩ thể làm mất đi một phần nhỏ các vitamin nhĩm B, vitamin A, C, E, K, các amino acid và các acid béo khơng no, tuy nhiên vẫn khơng ảnh hưởng đến chất lượng, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Hương vị, hình thức của thực phẩm đã được chiếu xạ hồn tồn giống như thực phẩm chưa chiếu xạ. - Cũng chưa ghi nhận được các chất độc hại cĩ 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 cịn khảo sát các hiệu ứng của bức xạ ion hĩa 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 cơn trùng. Mức liều trung bình trong khoảng từ 1 – 10 kGy đượ áp dụng để kiểm sốt 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 tơm vào tháng 2 năm 2001. Cuối cùng chiếu xạ trái đu đủ và trái xồi 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 cĩ thời gian mọc mầm khác nhau như khoai tây, khoai mỡ, tỏi và hành. Sự mọc mầm cĩ thể được hạn chế bằng cách đơng lạnh và dùng hĩa chất như maleic hydrazinde (preharvest) và isopropyl chlorocarbamate (postharvest). Tuy nhiên, đơng lạnh thì đắt tiền, đặc biệt là vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới. Trong khi xử lý hĩa học thì tương đối rẻ tiền và hiệu quả, nhưng để lại dư lượng hĩa 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 cĩ 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 nơng sản vừa thu hoạch và nơng 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 chĩng bị hư hỏng ở nhiệt độ dưới 12 0C và xử lý hĩa chất khơng cĩ hiệu quả. 1.6.1.2. Tiêu diệt cơn trùng Việc kiểm sốt tốt cơn trùng cĩ trong các loại hạt và khe của các loại nơng sản cĩ thể được tiến bằng sử dụng chất hun khĩi 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 nĩ lên sức khỏe và mơi 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 mơi trường Hoa Kỳ từ năm 1984. Nhiều chất hun khĩi khác như methyl bromide và hydrogen phosphide đã khơng cĩ tác dụng như mong muốn và chúng cịn gây bất lợi cho mơi trường. Vì vậy, quá trình xử lý bức xạ được đề xuất để thay cho các chất hun khĩi. 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 cơn 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 tốn và áp dụng cho các sản phẩm khác nhau. Một tiềm lực ứng dụng đầy hứa hẹn là tiêu diệt cơn 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 nơng sản phải cĩ các chứng chỉ về thanh tẩy cơn 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 cơn trùng đã được hun khĩi 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 khĩi khác đều mang đến hiệu quả kém hơn. Trong khi xử lý nhiệt và xử lý nguội đang cĩ tiềm năng trong việc tiêu diệt cơn trùng, chúng cĩ 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 cĩ thể kiểm sốt 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 tồn (ví dụ thêm như đu đủ và xồi). Tuy nhiên, quả bơ lại đặc biệt nhạy cảm với bức xạ và cĩ 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 sốt ngộ độc thực phẩm do kí sinh trùng Thịt bị, 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 bị, thịt lợn cĩ 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 tơm cua, các vi khuẩn hình que thường lây nhiễm là Vibrio và Shigella. Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng này được kiểm sốt 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 bị 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 khơ (trứng chín) liều cho phép cĩ thể hơn 3 kGy, nhưng với vỏ trứng liều 2 kGy cũng đã gây hư hỏng màng bao bọc lịng đỏ. Sữa cĩ thể bị mất mùi ở dải liều thấp, nhưng với các loại pho-mát cĩ 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 sị cĩ thể cho phép chiếu xạ trên 5 kGy mà khơng làm giảm phẩm chất. 1.6.2.2. Kéo dài thời hạn sử dụng Áp dụng cùng mức liều với mục tiêu kiểm sốt ngộ độc thực phẩm cịn cĩ thể kéo dài thời hạn sử dụng của các sản phẩm thơng 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 cĩ 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 khơng chiếu xạ, trong khi chiếu liều 5 kGy cĩ thể kéo dài thêm vài tuần. Hơn nữa, thời hạn sử dụng của các loại pho-mát cĩ thể được kéo dài thơng 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 cịn 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 luơn 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 khơ, các vi sinh vật cĩ thể được phát triển lên đến 106 cá thể/gram thực phẩm. Khi sử dụng cơng nghệ sấy khơ 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 khơng thích ứng với các sản phẩm sấy khơ, các loại gia vị đã qua xử lý EtO để khử nhiễm cơn trùng. Với EtO cịn đang bị xem như chất gây ung thư, nên các nhà chế xuất thực phẩm đang quay sang xử lý bằng bức xạ ion hĩa. Trên thực tế, chiếu xạ hàng gia vị đã được thương mại hĩa 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 khơng vượt quá 30 kGy. Tuy nhiên, mức liều từ 5 – 10 kGy cho kết quả thỏa đáng (tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc và cơn trùng) khơng cĩ tác động ngược về mặt hĩa 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 cĩ 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 hĩa lipid, phải giảm nồng độ oxy bằng việc đĩng gĩi chân khơng, 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 hĩa của hệ thống nhà máy chiếu xạ được trình bày trong hình 2.1 Hình 2.1 Sơ đồ đơn giản hĩa của nhà máy chiếu xạ dựa trên hệ thống máy gia tốc Những yếu tố then chốt của nĩ 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 sốt một cách chặt chẽ. Các thiết bị phụ gồm thiết bị chân khơng 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 sĩng nĩi chung cĩ bán kính nhỏ hơn nhiều so với kích thước vật lý của sản phẩm được chiếu xạ và do đĩ chùm tia cần phải được quét sau đĩ để những tia chiếu phủ đồng nhất lên tồn 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 khơng 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 thơng số cố định; cho nên một liều chiếu mong muốn nào đĩ 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 sĩng đứng điển hình (một kiểu máy gia tốc vi sĩng) 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 nĩng 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 sĩng. Các điện trường dao động được thiết lập nên trong cấu trúc gia tốc này nhờ sự kết nối cơng suất vi sĩng từ một đèn thích hợp như là klystron hoặc magnetron. Các điện trường dao động trong các hốc gia tốc này tạo ra một dịng điện tử đều đặn từ súng thành các bĩ trục và làm gia tốc các bĩ điện tử đến động năng mong muốn. Mạch tạo xung PFN gồm cĩ các tụ điện và các cuộn cảm tách rời nhau, cĩ tính chất đặc trưng của một mạch truyền điện tích. Đối với các thiết bị cĩ cơng suất chùm tia trung bình lớn hơn 10 kW thì đèn vi sĩng thơng dụng nhất là một klystron; đối với hệ thống máy gia tốc cĩ cơng 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 cơng 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 cĩ 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 cơng 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 mơ tả quá trình electron tương tác trong nước, electron sơ cấp sẽ ion hĩa nguyên tử trên đường đi, sinh ra các electron thứ cấp…cho đến khi mất hết năng lượng và bị hấp thụ. Ngồi 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 đĩ: ( ) ( )spD d W x jt  (2.1) Với j: mật độ dịng (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 cĩ thể mở rộng cho các tỷ trọng  khác, nếu thay x bằng mật độ mặt Ad: dA x (2.2) Thơng thường, đại lượng mật độ mặt Ad này được xem như thước đo độ dày với đơn vị g/cm 2. Phân bố liều electron trong nước với các năng lượng được mơ tả trong hình 2.5. Đặc điểm phân bố liều của các năng lượng khác nhau đều cĩ một đỉnh, sau đĩ liều giảm tuyến tính theo độ sâu, tuy nhiên khơng trực tiếp giảm về khơng. 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 cĩ vị trí nhận liều nhỏ nhất (Dmin) và cĩ 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 vuơng 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 mơ tả bởi hàm: Wsp(MeVg/cm 2) = 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 tồn phần hàm khớp (2.3) sẽ nhận được tổng năng lượng hấp thụ là 9,61 MeV/electron (phần năng lượng cịn lại được xem như mất mát trong cửa sổ Titan dày 3 mm qua việc phát bức xạ hãm) Nếu xem như tồn sản phẩm chiếu xạ cần nhận được một liều cực tiểu như nhau, thì phần liều sai lệch liều tại các điểm khác cĩ giá trị cao hơn là phần khơng cần thiết. Từ đĩ hiệu suất sử dụng chùm electron trong trường hợp chiếu xạ một mặt được định nghĩa: max/u d d  Với dmax là chiều dày lớn nhất của vật liệu để cĩ thể đạt liều gần giá trị liều yêu cầu, được cho bởi cơng thức: max min/( )d E W  (2.5) Thơng 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 khơng 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 đĩ tỷ số max:min khơng 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 đĩ 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 cĩ 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 cĩ 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 cơng thức ( , ) ( ) ( )tW x T W x W T x      (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 mơ 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 cĩ 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 cĩ 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 đĩ 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: max/u T d  (2.8) Với max min2 /( )d E W  (2.9) trong đĩ 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/cm 2) = 0,9E(MeV) – 0,4 (2.10) Với các vật liệu cĩ 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 cĩ cơng 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 sĩng cao tần cung cấp bởi klystron. Để đáp ứng nhu cầu chiếu xạ, máy cĩ 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:  Khối che chắn bức xạ  Ống gia tốc  Hệ thống quét chùm tia  Klystron  Hệ thống điều khiển  Các bảng điện  Hệ băng chuyền Trong đĩ, khối chiếu xạ (1), klystron (10) và hai hệ thống làm lạnh được đặt trong khối che chắn phĩng xạ ở tầng 1. Thiết bị tạo xung cho klystron (7) được đặt ngồi khối che phĩng xạ và nối với klystron bằng 4 sợi cáp. Bầu đựng khí SF6 để bơm vào hệ thống dẫn sĩng (8), bơm nước tản nhiệt (9) và hệ thống làm lạnh tuần hồn bên ngồi (15) cũng được đặt tại tầng 1 (Hình 2.10). Các thiết bị khác của máy gia tốc được đặt tại phịng 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 thơng số chính của thiết bị được đưa ra trong các bảng 2.1 Bảng 2.1 Các thơng số cơ bản của máy gia tốc UERL-10-15S2 Thơng số Giá trị Năng lượng cực đại của điện tử, MeV 10 Dải năng lượng của điện tử, MeV 910 Cơng suất trung bình của chùm tia, kW 15 Ngưỡng tần số, Hz 50400 Khoảng thời gian dao động của chùm điện tử, s 1620 Độ dài quét cực đại, mm 600 Cơng suất nguồn, KVA 120 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 dịng 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 hồn 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 Khối điều khiển 800 x 400 x 1900 160 Bảng mạch điện cung cấp chính 1000 x 300 x 1000 40 Bảng điện cung cấp cho phịng điều khiển và hệ thống băng chuyền 600 x 200 x 600 25 Giá đỡ bơm chân khơng 540 x 170 x 240 35 Bảng 2.3 Các thơng số chính của băng chuyền Thơng số Giá trị 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 cĩ thể điều chỉnh liên tục trong khoảng (m/phút) 0.3-10 Độ ổn định của vận tốc băng chuyền (%) +/- 2,5 Cơng suất điện yêu cầu (KVA) 23 2.4. Code MCNP [10] MCNP là phần mềm ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mơ 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 thơng lượng photon, tính thơng lượng electron…). MCNP sử dụng các thư viện số liệu hạt nhân của các quá trình tính tốn, 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 nĩ. 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 mơ 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 cĩ nhiều ứng dụng như: thiết kế lị phản ứng, an tồn tới hạn, che chắn và bảo vệ, phân tích và thiết kế đầu dị, vật lý trị liệu, nghiên cứu khí quyển, nhiệt phát quang do phĩng xạ, chụp ảnh bằng phĩng xạ… Là một ngơn ngữ lập trình MCNP địi hỏi người sử dụng phải xây dựng một chương trình chuẩn về cú pháp. Để viết một chương trình cĩ 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. 2.4.1 Dữ liệu hạt nhân Các bảng dữ liệu hạt nhân là những phần khơng thể thiếu trong MCNP. Ngồi việc sử dụng các bảng dữ liệu cĩ sẵn trong MCNP, người dùng cịn cĩ thể sử dụng các dữ liệu được tái tạo từ các dữ liệu gốc bên ngồi thơng qua một chương trình chuyển đổi chẳng hạn như NJOY hay là các dữ liệu mới được đưa vào trong MCNP bởi chính bản thân người dùng. Nguồn các số liệu hạt nhân cĩ sẵn trong MCNP được lấy từ chương trình hồ sơ số liệu hạt nhân ENDF (Evaluated Nuclear Data File), thư viện ENDL (Evaluated Nuclear Data Library) và thư viện ACTL (Activation Library) của các phịng thí nghiệm hạt nhân ở Mỹ Livermore và Los Alamos. 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 cĩ 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 card). 2.4.2 Đánh giá sai số Kết quả đưa ra ngồi giá trị cần tính tốn cịn cĩ sai số tương đối R. R được định nghĩa là tỷ số giữa thăng giáng chuẩn và giá trị trung bình. R = x S X 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 cĩ 68% cơ hội giá trị thật nằm trong khoảng (1 )x R và 95% cơ hội giá trị thật nằm trong khoảng (1 2 )x R .Tuy nhiên đây là độ chính xác của bản thân phương pháp Monte-Carlo chứ khơng phải là độ chính xác của kết quả mơ phỏng so với kết quả thực nghiệm. Đối với phương pháp Monte-Carlo cĩ ba yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả so với giá trị thực đĩ là chương trình tính, mơ hình bài tốn và người sử dụng. Các yếu tố trong chương trình gồm: Các đặc trưng vật lý trong tính tốn, các mơ hình tốn học, tính chính xác của các số liệu sử dụng như tiết diện phản ứng, số Avogdro…Chất lượng của việc mơ tả các tiết diện vi phân theo năng lượng, theo gĩc. Mơ hình bài tốn cĩ ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của kết quả. Nhiều bài tốn cho kết quả xấu là do mơ hình bài tốn chưa tốt, khơng mơ tả đầy đủ. Hai yếu tố của mơ hình bài tốn ảnh hưởng đến kết quả bài tốn là: Những mơ tả hình học và những đặc trưng vật lý của vật liệu cĩ trong bài tốn. Yếu tố con người ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả cĩ thể là lỗi trong khi đưa số liệu, lỗi trong các chương trình con…Nhiều trường hợp quá lạm dụng các kỹ thuật giảm sai số nên đã gây ra những thiếu hụt về đĩng gĩi vào kết quả. Người sử dụng cần hiểu rõ chương trình để khơng tạo nên những đĩng gĩp về sai số mà lẽ ra tránh được. Bảng 2.4 Ý nghĩa của giá trị thực R Giá trị R Đặc trưng của giá trị 0,5 – 1,0 Khơng cĩ ý nghĩa 0,2 – 0,5 Cĩ ý nghĩa chút ít 0,1 – 0,2 Cịn nghi ngờ <0,1 Cĩ thể tin cậy <0,2 Cĩ thể tin cậy đối với đầu dị điểm Để thơng báo cho người sử dụng biết chất lượng bài tốn, chương trình MCNP đưa ra chỉ số chất lượng FOM được định nghĩa: FOM = 2 1 R T Trong đĩ T là thời gian tính Hiệu suất tính càng lớn nếu FOM càng lớn. 2R tỉ lệ với 1/ N , T tỉ lệ với N, do đĩ FOM gần như khơng đổi. Như vậy một kết quả tốt nếu FOM gần như hằng số. 2.4.3 Giảm sai số Như đã nĩi ở trên sai số R tỉ lệ với 1 N , mà N tỉ lệ với thời gian tính T. Do vậy cĩ thể viết R = C T với C là hằng số dương. Vậy cĩ hai cách để làm giảm sai số:  Một là tăng T  Hai là giảm C Trong thực tế thời gian T là hạn chế và phụ thuộc vào khả năng của máy tính. Do đĩ MCNP lựa chọn cách thứ hai. Hằng số C phụ thuộc vào cách lấy mẫu và lựa chọn kết quả truy xuất Cĩ bốn cơng cụ giảm sai số: Phương pháp cắt cụt là phương pháp đơn giản nhất nhằm tăng tốc độ tính tốn. Bao gồm: Cắt khơng gian, cắt năng lượng và cắt thời gian. Phương pháp kiểm sốt mật độ sử dụng kỹ thuật tách để kiểm sốt số mẫu lấy trong các miền khác nhau của khơng gian pha. Lấy nhiều mẫu cĩ trọng số thấp trong miền quan trọng, trong khi đĩ chỉ lấy ít mẫu cĩ trong số cao trong miền khơng quan trọng. Việc điều chỉnh trọng số cần thực hiện tốt để khơng làm thay đổi nghiệm bài tốn. Phương pháp lấy mẫu cĩ sửa đổi là phương pháp cĩ thay đổi cách lấy mẫu nhằm tăng thêm sự chính xác của kết quả. Các phương pháp lấy mẫu cĩ sửa đổi bao gồm: Phép biến đổi theo hàm mũ, bắt hạt dạng ẩn, va chạm bắt buộc, dịch chuyển thơng số nguồn và dịch chuyển quá trình tạo photon. Phương pháp tất định từng phần là phương pháp phức tạp nhất. Bằng phương pháp này người ta thay đổi các quá trình vận chuyển ngẫu nhiên thơng thường của hạt. Tĩm lại các kỹ thuật giảm sai số nếu sử dụng đúng làm cho việc tính tốn cĩ hiệu quả cao, nhưng ngược lại nếu sử dụng khơng đúng sẽ gây ra những sai lầm. Tuy nhiên khơng quá lạm dụng kỹ thuật này, đối với từng bài tốn cụ thể mà ta lựa chọn những phương pháp phù hợp nhất. 2.4.4 Kết quả tính tốn Ngồi các thơng tin về kết quả, MCNP cịn đưa ra những thơng tin giúp cho người sử dụng biết về hoạt động của chương trình, làm sáng tỏ những vấn đề vật lý của bài tốn và sự thích ứng của phương pháp Monte Carlo. Nếu cĩ sai trong khi chạy, chương trình sẽ in ra chi tiết để người dùng biết khắc phục. 2.4.5 Cấu trúc một file input trong MCNP Phần quan trọng để cĩ một chương trình MCNP chính là file input. Nĩ là một tập tin lưu thơng tin của một chương trình hồn chỉnh. Trong file input này các thơng số như số hạt cần gieo, các thơng số chính xác của nguồn được khai báo, các thơng số về hàng chiếu xạ như kích thước và vật liệu. Qua các thơng số nhận được MCNP sử dụng thư viện số liệu hạt nhân và các quá trình tính tốn, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử phát ra từ nguồn cho đến hết thời gian sống của nĩ. Một file input cĩ dạng sau: - Tiêu đề thơng tin về input file (nếu cần) - Các thẻ ơ (Cell Cards) - Dịng trống phân cách - Các thẻ mặt (Surface Cards) - Dịng trống phân cách - Các thẻ dữ liệu ( data cards) - Dịng trống kết thúc Các dịng khơng được vượt quá 80 cột. Các thẻ ơ, mặt và dữ liệu phải được viết bắt đầu từ 1 trong 5 cột đầu tiên. Các dữ liệu đưa vào cách nhau ít nhất bởi một khoảng trống. Các thẻ dữ liệu (data cards) gồm các loại sau:  MODE - Mode N chỉ tính tốn cho neutron - Mode NP Tính neutron và photon tạo bởi neutron - Mode P Chỉ tính cho photon - Mode E Chỉ tính cho electron - Mode PE Tính cho photon và electron - Mode NEP Tính cho neutron, electron và photon tạo bởi neutron  Thẻ độ quan trọng (importance card ): Thẻ độ quan trong được ký hiệu bằng imp tiếp theo là dấu “ : ’’, tiếp đến là các chữ P hoặc N hoặc E, P. Cuối cùng là số quan trọng đối với hạt cần tính. Số quan trọng là các số 1,2,3… Mức độ quan trọng tăng khi số quan trọng tăng.  Thẻ đưa ra kết quả (tally card ) MCNP đưa ra 7 mức tính tốn neutron, 6 mức tính cho photon và 4 mức tính cho electron. Bảng 2.5 Các thẻ đưa ra số liệu trong MCNP Ký hiệu tính tốn Mơ tả F1:N hoặc F1:P hoặc F1:E F2:N hoặc F2:P hoặc F2:E F4:N hoặc F4:P hoặc F4:E F5:N hoặc F5:P F6:N hoặc F6:N, P hoặc F6:P F7:N F8:N hoặc F8:P hoặc F8:E hoặc F8:P, E Dịng phân tích trên bề mặt Thơng lượng mặt trung bình Thơng lượng ơ trung bình Thơng lượng điểm hay đầu dị Năng lượng để lại trung bình trong ơ Năng lượng mất mát trong phân hạch Phân bố tạo xung trong đầu dị, F8:E cho điện tích giải phĩng  Thẻ vật liệu ( material card) Đây là phần khai báo các vật liệu trong quá trình mơ phỏng. Thẻ vật liệu chứa số của vật liệu, tiếp theo là các số nhận dạng nguyên tố (xác định bằng số nguyên tử Z của nguyên tố theo sau đĩ là số khối A hoặc 3 số 0 nếu để mặc định) cùng với thành phần phần trăm của nguyên tố đĩ trong vật liệu. Ví dụ khai báo vật liệu H chiếm 66,7% trong vật liệu ta ký hiệu 1 000 0.667  Thẻ mơ tả nguồn: Thẻ nguồn SDEF mơ tả nguồn trong bài tốn. Các thơng số của thẻ nguồn: POS = x y z Vị trí nguồn CELL = số Số của ơ quy định là nguồn trong mơ tả ơ ERG = năng lượng Năng lượng của nguồn WGT = trọng số Trọng số của nguồn TME = thời gian Thời gian tính cho nguồn PAR = loại hạt phát ra n, np, n p e, p, p e, e  Thẻ kết thúc tính tốn Cĩ hai cách kết thúc: Kết thúc bằng cách đặt trước số lịch sử trong thẻ NPS, hoặc kết thúc bằng cách đặt thời gian (tính bằng phút ) đặt trước trong thẻ CTME. 2.4.6 Mơ tả hình học trong MCNP Hình học trong bài tốn giải bằng MCNP được mơ tả trong khơng gian 3 chiều. MCNP cĩ một chương trình dựng sẵn để kiểm tra lỗi của dữ liệu đầu vào. Hơn nữa, khả năng vẽ hình học của MCNP cũng giúp người dùng kiểm tra các lỗi hình học. Khi mơ tả hình học người sử dụng phải định nghĩa các mặt (Surface), các ơ (Cell) được bao bởi các mặt và mơ tả vật liệu chứa trong các cell.  Mơ tả mặt (Surfaces cards) Surface card được xác định bằng cách cung cấp các hệ số của các phương trình mặt giải tích hay các thơng tin về các điểm đã biết trên mặt. MCNP cung cấp các dạng mặt cơ bản được mơ tả bởi các phương trình trong bảng 2.6 Bảng 2.6 Phương trình mơ tả các mặt cơ bản trong MCNP Loại mặt Mơ tả Kí hiệu Phương trình Viết thẻ Mặt phẳng Tổng quát P Ax+By+Cz-D=0 ABCD Trực giao với OX PX x-D=0 D Trực giao với OY PY y-D=0 D Trực giao với OZ PZ z-D=0 D Mặt cầu Tâm tại gốc O SO 2 2 2 2 0x y z R    R Tổng quát S 2 2 2 2( ) ( ) ( ) 0x x y y z z R       x y z R Tâm trên trục OX SX 2 2 2 2( ) 0x x y z R     x y z R Tâm trên trục OZ SZ 2 2 2 2( ) 0x y z z R     x y z R Mặt trụ Song song trục OX C/X 2 2 2( ) ( ) 0y y z z R     y z R Song song trục OY C/Y 2 2 2( ) ( ) 0x x z z R     x z R Song song trục OZ C/Z 2 2 2( ) ( ) 0x x y y R     x y R Trên trục OX CX 2 2 2 0y z R   R Trên trục OY CY 2 2 2 0x z R   R Trên trục OZ CZ 2 2 2 0x y R   R Mặt nĩn Song song trục OX K/X       2 2 0y y z z t x x      x y z 2 1t  Song song trục OY K/Y       2 2 0x x z z t y y      x y z 2 1t  Song song trục OZ K/Z       2 2 0x x y y t z z      x y z 2 1t  Trên trục OX KX  2 2 0y z t x x    x 2 1t  Trên trục OY KY  2 2 0x z t y y    y 2 1t  Trên trục OZ KZ  2 2 0x y t z z    z Bảng 2.6 Phương trình mơ tả các mặt cơ bản trong MCNP (tiếp theo) 2 1t   dùng cho nĩn Elip soid Hyperboloid Paraboloid Trục song song với OX,OY, OZ SQ             2 2 2 2 2 2 2 0 A x x B y y C z z R D x x E y y F z z G               A B C D E F G x y z Trụ Nĩn Hyperboloid Paraboloid Trục khơng song song với OX,OY hoặc OZ GQ 2 2 2 0 Ax By Cz Dxy Eyz Fzx Gx Hy Jz K           A B C D E F G H J K Các mặt biên được đặc trưng bởi: - Mặt phản xạ (reflection) - Mặt trong suốt (white) Mỗi Surfaces Cards được định nghĩa như sau Cú pháp: j n a list Trong đĩ: j: số mặt 1 99999j  , dấu “*” cho mặt phản xạ, dấu “+” cho mặt trong suốt. n: khơng cĩ hoặc số 0 là khơng chuyển trục tọa độ TR. nếu n>0 số mặt bị chuyển trục cịn n<0 số mặt j lặp lại mặt n a: kí hiệu loại mặt list: các hệ số nhập vào Mơ tả ơ: ( Cell Card ) Căn cứ trên hệ trục tọa độ khơng gian 3 chiều, MCNP lấy các mặt biên của một khối vật chất để mơ tả, được gọi là cell. Nĩ được hình thành bằng cách thực hiện các tốn tử giao (khơng gian), hợp (: ) và phần bù(#) các vùng khơng gian tạo bởi các mặt. Mỗi mặt chia khơng gian làm hai vùng với các giá trị dương và âm tương ứng. Theo quy ước dấu dương viết trước số hiệu của mặt (hoặc khơng cần viết) biểu hiện tất cả các phần bên phải hoặc bên trên của mặt, bên ngồi của mặt cong kín. Dấu âm biểu hiện tất cả các phần bên trái hoặc bên dưới của mặt hoặc bên trong của mặt cong kín. Mỗi cell cĩ phần thể tích nhất định. Cell được xác định bởi cell card. Mỗi cell card được định nghĩa như sau Cú pháp: j m d goem params Hoặc j like n but list Trong đĩ: - j: chỉ số cell, với 1 99999j  , nếu cell cĩ sự chuyển đổi TR thì 1 999j  - m: là số vật chất trong cell, số vật chất được thay bằng 0 để chỉ cell trống. - d: là mật độ vật chất của cell (atom/ cm3 ) hoặc (g/ cm3 ). Mật độ vật chất chỉ số dương là tính bằng (atom/ cm3 ), mật độ vật chất chỉ số âm là tính bằng (g/ cm3), mật độ vật chất bằng 0 chỉ cell trống. - geom: phần mơ tả hình học của cell, bao gồm chỉ số các mặt tùy theo vùng giới hạn ( thường là một dãy các mặt cĩ dấu (âm hoặc dương) kết hợp với nhau thơng qua các tốn tử giao, hợp , bù để tạo thành cell. - params: các tham số tùy chọn: imp, u, trcl, lat, fill… - n: tên của một cell khác - list: những thuộc tính cell n khác với cell j Ví dụ: 1 0 -1: cell số một là cell trống nằm bên cạnh mặt một (theo chiều âm) 2 1 -2.7 1 -2: cell số hai là cell làm bằng vật liệu 1 cĩ mật độ vật chất là 2.7 g/cm3 nằm bên cạnh mặt hai (theo chiều âm) CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN PHÂN BỐ LIỀU CHIẾU XẠ THANH LONG 3.1 Một số nhìn nhận chung [7] Thanh long Việt Nam bước đầu đã tạo được thương hiệu trên thị trường quốc tế và cĩ nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Thanh long được tiêu thụ chủ yếu tại thị trường Châu Á, chiếm tỷ trọng trên 80%, nhiều nhất là Đài Loan, kế tiếp là Hồng Kơng, Thái lan, Malaysia, Singapore, Trung Quốc. Thị trường Châu Âu, Châu Mỹ chiếm tỷ trọng nhỏ và chủ yếu là thị trường Hà Lan, thị trường Hoa Kỳ. Để đẩy mạnh xuất khẩu sang thị trường Hoa Kỳ - một thị trường lớn và cĩ nhu cầu ổn định, thanh long Việt Nam cịn gặp nhiều khĩ khăn, thách thức. Do xa cách về địa lý, nếu vận chuyển bằng đường biển phải mất ít nhất 25 ngày hàng mới tới nơi. Khi sang đến Hoa Kỳ, các lơ hàng sẽ phải được kiểm tra chất lượng an tồn vệ sinh thực phẩm trước khi tiêu thụ. Mặc dù Cơ quan Kiểm dịch động thực vật Hoa Kỳ (APHIS) về cơ bản đã chấp nhận quy trình sản xuất thanh long cĩ chứng chỉ chất lượng tiêu chuẩn châu Âu (EUREP GAP), nhưng trái cây thanh long Việt Nam muốn vào được thị trường Hoa Kỳ cịn phải đáp ứng các yêu cầu khác như quy trình đĩng gĩi, xuất xứ hàng hĩa và phải được chiếu xạ để vơ hiệu hĩa ruồi đục quả và rệp sáp. Hiện nay, thanh long Bình Thuận đang được trồng theo tiêu chuẩn VietGAP; EuroGAP và GlobalGAP. Thanh long được thu hái theo tiêu chuẩn kỹ thuật cao, được cắt khỏi cành và cho vào khay nhựa để vận chuyển đến các cơ sở chế biến, được rửa bằng nước Ơzơn, được phân loại kỹ càng, được đĩng gĩi vào thùng carton theo tiêu chuẩn quốc tế, được vận chuyển bằng xe lạnh đến cơ sở chiếu xạ theo quy trình kỹ thuật chuyên ngành. Xuất phát từ thực tiễn trên, cần phải cĩ đề tài nghiên cứu khoa học về phân bố liều chiếu xạ áp dụng trên trái thanh long để vừa đảm bảo điều kiện vệ sinh an tồn thực phẩm, chất lượng sản phẩm sau khi chiếu xạ để khơng ảnh hưởng đến khâu bảo quản - tiêu thụ sản phẩm. 3.1.1 Mục đích – yêu cầu chung của chiếu xạ trái cây Nhìn chung, chiếu xạ trái cây là kìm hãm quá trình tự chín, sự nảy mầm, tiêu diệt cơn trùng và kiểm sốt vi sinh. Qua đĩ, nhằm bảo quản trái cây sau thu hoạch trong khoảng thời gian dài vận chuyển từ vùng sản xuất tới nơi tiêu thụ, duy trì được hàm lượng vitamin và độ tươi của trái cây. Khi chiếu xạ trái cây cần phải đảm bảo đươc các yêu cầu sau: - Áp dụng dải liều thấp (< 1 kGy) - Độ bất đồng đều về liều: Dmax/Dmin ≤ 1,7 - Chiếu xạ trong điều kiện nhiệt độ thấp (< 10 0C) - Trái cây được bao gĩi kỹ trước khi chiếu xạ - Quy trình chiếu xạ đảm bảo vệ sinh, khơng làm giảm phẩm chất của trái cây, khơng gây tác động nhiệt, khơng nhiễm vi khuẩn trong và sau khi đã chiếu xạ. 3.1.2 Các đặc điểm của trái Thanh long Các đặc điểm của trái Thanh long ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng chiếu xạ bằng máy gia tốc chùm tia điện tử năng lượng 10 MeV. Khi nghiên cứu chiếu xạ Thanh long, ta phải biết đến các yếu tố về tỷ trọng khối, hình dạng và kích thước của nĩ để tính tốn những phương án chiếu xạ nhằm đáp ứng được các yêu cầu chung của chiếu xạ trái cây. Hình ảnh và các thơng số và của trái Thanh long cĩ ảnh hưởng đến chất lượng chiếu xạ được khảo sát thực tế và đưa ra trong bảng 3.1 và hình 3.1. Bảng 3.1 Thơng số của trái Thanh long 3.1.3 Khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử năng lượng 10 MeV Hiện nay, các thiết bị chiếu xạ được ứng dụng trong lĩnh vực thanh trùng, khử trùng thực phẩm và trái cây chủ yếu vẫn là dùng nguồn Co60 (phát gamma năng lượng 1173 keV và 1332 keV). Do khĩ khăn trong việc sản xuất và vận chuyển nguồn phĩng xạ nên xu hướng sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử trong chiếu xạ đang được phát triển. Với các máy gia tốc chùm tia điện tử IAEA đã quy định năng lượng cực đại 7,5 MeV nếu sử dụng bộ chuyển đổi tia X và 10 MeV nếu sử dụng trực tiếp chùm electron. Khả năng xuyên sâu của các chùm tia từ các thiết bị chiếu xạ được đưa ra Thơng số Giá trị trung bình Hình dạng ellipe Tỷ trọng, g/cm3 0,97 Chiều rộng, cm 9,5 Chiều dài, cm 12 Liều chiếu cực đại, kGy 0,7 trong hình 3.2. Trong đĩ, khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử năng lượng10 MeV là thấp nhất, điều này gây khĩ khăn khi chiếu xạ thực phẩm cũng như trái cây. Với tỷ trọng hàng chiếu xạ 1 g/cm3, chùm điện tử năng lượng 10 MeV chỉ cĩ thể xuyên tới độ dày tối đa 4,5 cm. Nếu chiếu xạ hai mặt thì hàng chiếu xạ cĩ chiều dày tối đa là 9 cm với tỷ trọng 1 g/cm3, điều này gây rất nhiều khĩ khăn vì khi các hàng chiếu xạ được bao gĩi thì chiều dày thường vượt quá chiều dày cực đại. Để cĩ những nhận định ban đầu về khả năng tiến hành chiếu xạ Thanh long trên máy gia tốc chùm tia điện tử năng lượng 10 MeV, thì việc khảo sát độ xuyên sâu của chùm tia trong vật chất cĩ tỷ trọng bằng tỷ trọng trái Thanh long (0,97 g/cm3) là rất cần thiết. Hình 3.2 Độ xuyên sâu của một số chùm bức xạ [11] Sử dụng phần mềm hỗ trợ RT-Office mà Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Cơng nghệ Bức xạ đã mua bản quyền để tính phân bố liều trong thùng hàng cùng tỷ trọng và bề dày cực đại của trái Thanh long, từ đĩ đưa ra nhận định về khả năng xuyên sâu của chùm điện tử. Kết quả tính tốn chiếu xạ hai mặt được đưa ra trong bảng 3.2. Bảng 3.2 Tỷ lệ phân bố liều tính bằng ModeRTL d (cm) R.Dose d (cm) R.Dose d (cm) R.Dose 0,24 0,75 3,56 0,88 6,89 0,98 0,71 0,79 4,04 0,69 7,36 0,92 1,19 0,83 4,51 0,53 7,84 0,87 1,66 0,87 4,99 0,53 8,31 0,83 R.Dose 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 2 4 6 8 10 d (cm) R .D o s e 2,14 0,92 5,46 0,69 8,79 0,79 2,61 0,98 5,94 0,88 9,26 0,75 Độ bất đồng đều: Dmax/Dmin = 1,85, giá trị này rõ ràng lớn hơn giá trị cho phép (1,7). Để biết nguyên nhân dẫn tới độ bất đồng đều lớn ta biểu diễn giá trị trong bảng 3.2 dưới dạng đồ thị như trong hình 3.3. Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự phân bố liều Từ đồ thị trong hình 3.3, độ bất đồng đều cao là do liều tại tâm thùng hàng thấp, điều này chứng tỏ chùm tia điện tử năng lượng 10 MeV khơng xuyên qua độ dày bằng ½ chiều dày trái Thanh long. Hơn nữa, khi sử dụng ModeRTL để tính phân bố suất liều thì chương trình này chỉ hỗ trợ tính tốn với thùng hàng cĩ dạng hình hộp. Trong thực tế, khi chiếu xạ trái cây ta phải mơ tả chi tiết hình dạng của chúng mới phản ảnh đúng sự phân bố liều trên bề mặt cũng như bên trong. Vì vậy trong luận văn này đã khai thác chương trình MCNP cho việc tính tốn phân bố suất liều khi chiếu xạ Thanh long bằng hai đầu quét từ máy gia tốc chùm tia điện tử năng lượng 10 MeV. 3.1.4 Mơ tính tốn suất liều bằng MCNP Chùm điện tử phát ra từ máy gia tốc sẽ được sẽ được hai đầu quét bằng từ trường quét thành hai chùm tia đối ngược nhau với độ rộng 60 cm để chiếu xạ từ hai mặt. Tần số quét của mỗi chùm tia la 60 Hz, chùm tia điện tử được dịch chuyển một cách đều đặn theo chiều rộng của scanning horn. Hình ảnh chùm tia từ hai scanning được minh họa trong hình 3.4. Hình 3.4 Hình ảnh chùm tia điện tử từ hai scanning horn Chương trình MCNP chỉ cho phép tính tốn trong trạng thái tĩnh, trong trường hợp máy quét liên tục ta phải tính tốn liều tại các vị trí dừng. Với tần số quét 60 Hz trong chiều rộng 60 cm, ta phải di chuyển rất mịn gĩc quét các chùm tia. Như vậy tại mỗi vị trí tính liều ta phải tính với rất nhiều gĩc quét, sẽ gây tốn nhiều thời gian. Để khắc phục điều này, đề tài đã nghiên cứu và thiết lập một nguồn mặt đẳng hướng để thay thế cho tất cả các vị trí quét chùm tia. Thanh long khi chiếu xạ được đặt trên băng tải và chuyển động với vận tốc 15 cm/s qua hai đầu quét. Đề tài cũng đã khảo sát và tính tốn khoảng cách từ đầu quét mà tại đĩ chùm điện tử đĩng gĩp liều. Qua tính tốn, tại vị trí cách đầu quét 10 cm theo chiều chuyển động của băng tải thì hàng chiếu xạ khơng chịu ảnh hưởng từ các chùm điện tử. Trong chương MCNP, để tính tốn suất liều đề tài đã sử dụng Taly F4 tính thơng lượng trung bình qua Cell, từ đĩ tính tốn hệ số chuyển đổi từ thơng lượng qua suất liều. Hệ số chuyển đổi được tính theo cơng thức 8 1.10 pr EI D rad s R  (3.1) Trong đĩ E là năng lượng electron (MeV); I là mật độ dịng electron trên 1 đơn vị diện tích (mA cm 2 ); prR là một hàm theo năng lượng và được tính như sau:  Nếu 0,01 MeV < E < 2,5 MeV thì prR =0,412 E n Với n = 1,265 – 0,0954 lnE  Nếu 2,5 MeV < E < 20 MeV thì prR = 0,53E – 0,106 3.2 Phân bố liều bề mặt Mục đích tính phân bố liều trên bề mặt trái thanh long nhằm tiêu diệt trứng cơn trùng ẩn nấp ở các tai của vỏ trái thanh long. Trong trường hợp chỉ yêu cầu chiếu xạ bề mặt trái Thanh long, ta phải tính tốn suất liều phân bố tại tất cả các vị trí trên bề mặt như trong hình 3.5. Kết quả tính tốn bằng MCNP ứng với vận tốc băng chuyền 1 cm/s và cơng suất máy phát 1 kW. Với yêu cầu chiếu xạ ở dải liều thấp ta phải tăng tốc độ băng tải, trong trường hợp tốc độ băng tải vượt quá tốc độ cho phép ta phải giảm cơng suất nguồn phát để cĩ được dải liều thấp Kết quả thu được sau khi xử lý file output của MCNP được trình bày trong bảng 3.3. Bảng 3.3 Kết quả tính phân bố liều bề mặt Điểm Liều (kGy) Sai số Điểm Liều (kGy) Sai số 1 31,33 0,05 13 31,33 0,05 2 32,76 0,05 14 32,76 0,05 3 32,43 0,05 15 32,43 0,05 4 33,28 0,05 16 33,28 0,05 5 36,10 0,05 17 36,10 0,05 6 48,36 0,05 18 48,36 0,05 7 76,56 0,04 19 76,56 0,04 8 48,36 0,05 20 48,36 0,05 9 36,10 0,05 21 36,10 0,05 10 33,28 0,05 22 33,28 0,05 11 32,43 0,05 23 32,43 0,05 12 32,76 0,05 24 32,76 0,05 Độ bất đồng đều: Dmax/Dmin = 2,44 Theo kết quả này thì việc chiếu xạ khơng đáp ứng được yêu cầu của chiếu xạ trái cây (Dmax/Dmin ≤ 1.7). Để tìm nguyên nhân gây độ bất đồng đều liều lớn, ta biểu diễn số liệu trong bảng 3.4 dưới dạng đồ thị như trong hình 3.6. Hình 3.6 Đồ thị phân bố liều bề mặt Dựa vào đồ thị 3.6 ta nhận thấy hai vị trí số 7 và số 19 cĩ liều cực đại là 76,56 kGy khác biệt nhiều so với liều cực tiểu là 31,33 kGy. Đĩ chính là nguyên nhân khiến độ bất đồng đều cao. Tuy nhiên, trên thực tế thì hai vị trí này chính là hai đầu mút của trái thanh long nơi cĩ mật độ cơn trùng và sâu bọ cao nên dù liều cĩ cao cũng vẫn khơng ảnh hưởng đến chất lượng trái thanh long. 3.3 Phân bố liều theo độ sâu Trong thực tế khi chiếu xạ tất cả các loại trái cây người ta phải chiếu xuyên qua để diệt cơn trùng, sâu bọ đã hình thành từ khi kết trái và chúng vẫn cịn đang tiềm ẩn trong ruột trái cây. Chiếu xạ Thanh long cũng cần thiết phải chiếu xuyên qua như vậy. Tuy nhiên, khi sử dụng chùm tia điện tử sẽ gặp khĩ khăn do độ xuyên sâu của chúng thấp. Trong đề tài này tác giả đã sử dụng chương trình MCNP để tính tốn phân bố liều theo chiều sâu trong trái Thanh long, nhằm đánh giá và đưa ra các biện pháp khắc phục nếu độ bất đồng liều vượt quá giới hạn cho phép. Khi sử dụng chùm tia điện tử trong chiếu xạ thì hai yếu tố quyết định đến độ bất đồng đều liều là tỷ trọng hàng chiếu xạ và chiều dày tương ứng. Với trái Thanh long, tỷ trọng 0,97 g/cm3, ta đã khảo sát bảng phần mềm chuyên dụng ModeRTL trong mục 3.1.3. Theo kết quả đĩ, chùm điện tử khơng thể xuyên qua trái Thanh long. Tuy nhiên Thanh long cĩ dạng ellipe nên càng ra hai đầu của nĩ thì bề dày càng giảm. Với nhận định sự thay đổi về phân bố liều theo chiều sâu sẽ cĩ những biến đổi lớn theo chiều từ tâm tới hai đầu, đề tài đã tính tốn phân bố liều theo chiều sâu tại tâm, sau đĩ dịch chuyển ra hai đầu mút. 3.3.1 Phân bố liều theo độ sâu tại tâm Phân bố các điểm tính liều tại tâm và hình ảnh trái Thanh long mơ tả bằng MCNP được minh họa trong hình 3.7. Kết quả tính tốn sau khi xử lý file output được trình bày trong bảng 3.4, với 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Point R e la ti v e D o s e việc dùng nguồn mặt đẳng hướng tương đương đầu phát với tần số quét 60 Hz trong bề rộng 60 cm thì kết quả cho phân bố liều khi chiếu xạ một mặt. Để cĩ phân bố liều khi chiếu hai mặt, ta lấy đối xứng sau đĩ cộng lại. Hình 3.7 Phân bố các điểm tính liều tại tâm Bảng 3.4 Kết quả tính phân bố liều tại tâm Điểm D1(kGy) Sai số D2(kGy) Sai số DT (kGy) 1 31,33 0,05 0,00 0,00 31,33 2 34,82 0,04 0,00 0,00 34,82 3 38.78 0,04 0,00 0,00 38,78 4 44,01 0,04 0,00 0,00 44,01 5 25,94 0,05 25,94 0,05 51,88 6 0,00 0,00 44,01 0,04 44,01 7 0,00 0,00 38,78 0,04 38,78 8 0,00 0,00 34,82 0,04 34,82 9 0,00 0,00 31,33 0,05 31,33 Độ bất đồng đều liều: D max/Dmin = 1,66 < 1,7 thỏa mãn yêu cầu chiếu xạ trái cây. Cũng từ đồ thị trong hình 3.8, chứng tỏ chùm điện tử xuyên qua tâm trái Thanh long. Kết quả này mở ra khả năng chiếu xạ Thanh long trên máy gia tốc chùm tia điện tử năng lượng 10 MeV, đồng thời nĩ cũng giúp ta tiên đốn những khĩ khăn về khắc phục độ bất đồng đều. Ta đã biết trái Thanh long hình ellipe và chiều dày tại tâm là lớn nhất, càng về hai đầu chiều dày càng giảm. Khi chiều dày càng giảm đồng nghĩa với sự giao thoa giữa hai chùm tia (một hướng xuống và một hướng lên) càng lớn, kết quả là liều trong giữa sẽ cao hơn liều ở hai đầu rất nhiều, dẫn tới độ bất đồng đều khơng đảm bảo yêu cầu chiếu xạ trái cây. Do vậy, cần thiết phải tính tốn phân bố liều theo chiều sâu từ tâm đến hai đầu mút. Đề tài đã dịch chuyển vị trí này một khoảng 1 cm từ tâm đến hai đầu mút. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 point R e la ti v e D o s e chiếu hai mặt chiếu một mặt Hình 3.8 Đồ thị phân bố liều tại tâm 3.3.2 Phân bố liều theo độ sâu cách tâm 1 cm Số điểm tính liều vẫn được duy trì là 9 điểm giống như khi tính tốn phân bố theo chiều sâu tại tâm, nhưng khoảng cách giữa các điểm đã được tính tốn rất kỹ. Khoảng cách giữa các điểm phải bằng nhau để các điểm tính liều cách đều và đối xứng qua tâm, đồng thời phải đảm bảo được điểm đầu và điểm cuối phải nằm ngay mặt trong của trái Thanh long. Vị trí các điểm tính liều được minh họa trong hình 3.9. Kết quả tính tốn sau khi xử lý file