Luận án tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu đánh giá phân bố và tối ưu hệ số đồng đều liều hập thụ (DUR) trong trái vú sữa chiếu xạ kiểm dịch bằng chùm electron 10 MeV

Danh mục các ký hiệu và chữ việt tắtKý hiệu Ký hiệu AE AH tan xạ trên độ sâu Hệ số suy giảm gamma trong vật chất Tiết diện tương tác Tiết diện tương tác vi phânSai số của giá trị x Tỷ tr

CAO VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIA PHAN BO VA TOI UU HỆ SO

DONG DEU LIEU HAP THY (DUR) TRONG TRAI VU SUA

HIEU XA KIEM DICH BANG CHUM ELECTRON 10 MeV

LUẬN ÁN TIEN SĨ VAT LY

TP HO CHÍ MINH — NAM 2023

_ ĐẠIHỌC QUỐC GIATP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CAO VĂN CHUNG

Ngành: Vật ly nguyên tu va hat nhân

Mã số ngành : 62 44 05 01

Phan biện 1: PGS.TS Phạm Đức Khuê

Phản biện 2: PGS.TS Bùi Văn Loát

Phản biện 3: PGS.TS Hoàng Đức Tâm

Phản biện độc lap 1: PGS.TS Bùi Văn Loát

Phản biện độc lập 2: TS Trần Ái Khanh

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Trần Hoài Nam

2 TS Trần Văn Hùng

TP Hồ Chí Minh - Năm 2023

Lời cam đoan

Tôi cam đoan luận án tiến sĩ ngành Vật lý Nguyên tử và hạt nhân, với đề tàiNghiên cứu đánh giá phân bồ và toi ưu hệ số đông đều liều hấp thu (DUR) trongtrái vú sữa chiếu xạ kiểm dịch bằng chum electron 10 MeV là công trình khoa học

do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Hoài Nam và TS Trần Văn

Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành với sự quan tâm và giúp đỡ rất nhiệt tình của quýThay Cô, anh chị em đồng nghiệp và gia đình Tác giả xin được bày tỏ lòng biết

ơn và trân trọng đến tất cả mọi người

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới hai ngườiThay hướng dẫn của mình là PGS.TS Trần Hoài Nam và TS Trần Văn Hùng Vớilòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi cảm thấy mình vô cùng may mắn khi được

làm việc dưới sự hướng dẫn của các Thay.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thay, Cô trong bộ môn Vật lý hat

nhân-Ngành Kỹ thuật Hạt nhân - nhân-Ngành Vật lý Y khoa, Khoa Vật lý-Vật lý Kỹ thuật,

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM đã tạo điều kiện và giúp đỡtdi trong suốt thời gian qua Đặc biệt, tôi xin cảm ơn GS TS Châu Văn Tạo đãluôn quan tâm tới các nghiên cứu sinh và nhắc nhở chúng tôi tham dự các buổi báocáo học thuật để mở rộng kiến thức và học hỏi kinh nghiệm, PGS TS Trần ThiệnThanh đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập tại Trường

Tôi xin cảm ơn Ban Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công

nghệ Bức xạ, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, nơi tôi thực hiện các nghiên

cứu trong luận án này Xin cám ơn các Anh/Chị đồng nghiệp đã luôn hỗ trợ nhiệttình, hướng dẫn và cộng tác với tôi trong lĩnh vực chiếu xạ kiểm địch nói chung vàtrong nghiên cứu khảo sát chất lượng trái vú sữa chiếu xạ nói riêng

Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô trong Hội đồngcham luận án Tiến sĩ đã dành nhiều thời gian, công sức đọc và cho tôi những nhậnxét, góp ý vô cùng quý báu đề tôi có thê điều chỉnh và hoàn thiện luận án tốt hơn

Tôi xin cảm ơn Co quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA), Dự ánD61024 (Hợp đồng nghiên cứu số 18984) đã tài trợ kinh phí cho những nghiên cứu

và thực nghiệm đo liều, hiệu chuẩn hệ liều kế

Cuối cùng, tôi xin gửi đến gia đình tôi lòng biết ơn chân thành vì đã luôn là

chỗ dựa vững chắc, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất dé tôi có cơ hội được

hoàn thành luận án này.

Mặc dù đã có gang dé hoàn thiện luận án một cách tốt nhất, nhưng kiến thứccủa bản thân còn nhiều hạn chế nên sai sót là điều khó tránh khỏi Do vậy, kínhmong nhận được những đóng góp quý báu của quý Thầy Cô, đồng nghiệp và các

độc giả.

il

Muc lục

Lời cam đoan i

Loi cam on ii

Muc luc Hi

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vỉ

Danh mục các bảng biểu ix

Danh muc cac hinh vé xi

Mở đầu 1

Chuong 1 Tổng quan 6

1.1 Tổng quan tình hình ứng dụng chiếu xạ 6

1.2 Tương tac electron với vậtchất 8

1.2.1 Tan xạ không dan hồi với các electron của nguyên tử 9

1.2.2 Elecronthứcấp cố 11 1.2.3 Tán xạ hạtnhân nhiềulần 11

1.2.4 Bucxahém 0 0 0.0.00 000004 13 1.2.5 Nang suất hãm, phân tán năng lượng và quãng chạy CSDA 14 1.2.6 Phân bố năng lượng electron trong vậtchất 15

1.3 Ảnh hưởng của bức xạ lên thực thểsống 18

1.3.1 Các thực thé sinh học đối tượng của chiéuxa 18

13.2 Ảnhhưởng của bứcxạionhóa 20

1H

1.5.

1.6.

1.3.3 Liều yêu cầu tốithểu

Ảnh hưởng của bức xạ lên sản pham chiếu xạ

1.4.1 Chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm chiếu xạ

1.4.2 Chất lượng cảm quan của thực phẩm chiếu xạ

1.4.3 Ảnh hưởng liều hấp thụ lên chất lượng trái cây tươi

Phân loại nguồn chiếu xạ thực phẩm ¬ š Phân bó liều hap thụ trong vật liệu chiếu xạ

1.6.1 Tỷ số đồng đềulều-DUR

1.6.2 Chiếu xạ chùm electron trên các sản phẩm không đồng đều 1.7 Chiếu xạ kiểm dich trai vú sữa

1.8 KétluanChuong] 000000000000

Chuong 2 Thiết bi và phương pháp nghiên cứu 2.1 Máy gia tốc tuyến tính UELR-10-15S2

2.2 2.3 2.4 2.5 2.1.1 Mô tả máy gia tốc UELR-10-15S2

2.1.2 Năng lượng electronsaugiatốc

2.1.3 Kích thước chùm electron và độ đồng đều liều bề mặt Hệ thiết bi đo liều hap thụ, liều kế

2.2.1 Liều kế dang phimB3

2.2.2 LiềukếEPR-alanne

Thiết bị đo phân bố tỷ trọng mat

Thiết lập thực nghiệm đo liều hắp thụ

2.4.1 Khảo sát phân bố liều trong vật liệu liên tục và không liên Mô phỏng Monte Carlo

2.5.1 Chương tình MCNP(4C2)

2.5.2 Mô hình mô phỏng tính toán phân bố liều trong vật liệu 2.5.3 M6 hình mô phỏng tinh phân bố liều trên trái vú sữa

2.5.4 Mô hình che chắn nhằm giảm tỷ số DUR

IV

42 42 42 44 46

50

51

52

54

55

57

60

62

62

63

65

2.6 KếtluậnChương2 00 00000 67

Chương 3 Kết qua khảo sát phân bố liều hap thu trong vật liệu và

tỷ số DUR trong trái vú sữa chiếu xạ 693.1 Phân bố liều trong vật liệu liên tục và không liéntuc 69

3.11 Kếtquảmô phỏng 693.1.2 Phân bố liều thực nghiệm va so sánh với mô phỏng 723.1.3 Quang chạy của eletron trong vật liệu và chiều dày tối ưu

51/590 5 2ã 515 aaaaaaa 743.2 Phân bố liều hấp thụ trong trái vú sữa chiếu xạ kiểm dịch 80

3.2.1 Phân bố liều trong thùng carton chứa trái vũ sữa 80

3.2.2 Phân bố liều hấp thụ trong trái vú sữa 813.2.3 Phân bố liều hấp thụ va tỷ số DUR khi áp dụng che chan 833.3 KếtluậnChương3 00 000000004 89Chuong 4 Kết luận 91Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án 95

Tài liệu tham khảo 97

Phụ lục 106

Danh mục các ký hiệu và chữ việt tắt

Ký hiệu

Ký hiệu

AE AH

tan xạ trên độ sâu

Hệ số suy giảm gamma trong vật chất

Tiết diện tương tác

Tiết diện tương tác vi phânSai số của giá trị x

Tỷ trọng mặt, băng tích của tỷ trọng với chiều dày của

vật liệu

Tỷ trong của vật liệu sử dung làm tam bù tỷ trọng

Góc tán xạ

Độ hấp thụ màu của liều kế trước khi chiếu xạ

Độ hấp thụ màu của liều kế sau khi chiếu xạThông số va chạm

Giá trị liều hap thụ cao nhất trong đường phân bố liềuGiá trị liều hấp thụ thấp nhất trong đường phân bố liềuChiều dày tối ưu của đối tượng chiếu xa

Hệ số nhân trong phép tính các tally của chương trình

Mái

Nhiệt dung riêng của vật liệu

Số gốc tự do sinh ra khi vật liệu hấp thụ 100 eVKhối lượng gốc của phân tử

Số lượng cơ thể sinh học

Quãng chạy thực nghiệm của chùm electron trong vật

bề mặt sản phẩm chiếu xạ

Số nguyên tửChiều rộng quét của chùm electron

vi

Tỷ số (hệ số) đồng đều liềuPhân tử mang thông tin di truyền

Rau, quả tươi

Hệ số hiệu quả của bài toán mô

Phân tử có vai trò sinh học trong

mã hóa, dịch mã, điều hòa, vàbiểu hiện của gene

Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan

Viện Năng lượng Nguyên tử Việt

Area Density Limit

Radiochromic film dosimeter

Continuous Slowing Down

Ap-proximation

Dose Uniformity Ratio

Deoxyribo Nucleic Acid

Fresh fruits vegetables

Figure Of Merit

Full Width at Half Maximum

Monte Carlo N-Particle

Mechanically-Deboned Chicken

Meat

Medium Density Fiberboard

Non-Spore Forming Sterility Assurance Level Spore Forming

RiboNucleic Acid

PolyStyrene

PolyEthylen

Tally Fluctuation Chart

The Total Soluble Solid content

Viét Nam Atomic Energy

Insti-tute

Research and Development

Cen-ter for Radiation Technology

Danh mục các bảng biêu

1.1

1.2

1.3

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

Trang

Liều Dị của một số vi sinh vật tiêu biểu [46] 22

Các nguồn ion hóa sử dụng chiếu xạ và độ xuyên sâu tương ing 32

Đặc điểm sử dụng của các loại bức xạ trong chiếu xạ thực phẩm 33

Các thông số thiết kế của máy gia tốc UELR-10-1582 [73] 44

Các chỉ số thiết lập và kết quả đo năng lượng của máy gia tốc UELR-10-1582 2 Q Q0Q Q0 Qua 46 Kích thước chùm electron theo khoảng cách đến đầu phát và vận tốc giới han dé đảm bảo độ đồng liều bề mặt sản phẩm 49

Đặc điểm các loại liều kế sử dụng trong do liều chiếu xạ 50

Tương quan giữa số đếm ghi nhận bởi đầu dò với mật độ vật chất [79] 55 Thành phan phan trăm nguyên tố của một số vật liệu[§I] 58

Thong số chiều xạ thực nghiệm đo phân bồ liều hấp thụ trong vat liệu 59 Thành phần trai vú sữa Lo Rèn và vú sữa tím [82] 60

Kích thước, trọng lượng và thành phần nguyên tố trong trái vú sữa Lò Rèn và vú sữa tím [82] 60

Thông số chiếu xạ thực nghiệm đo phân bó liều hap thụ trong trái vú sữa 62 Gia tri Drax trong các vật liệu liên tục và không liên tục 72

Giá trị D„„„ thực nghiệm 74

Quang chạy của electron R, trong các vật liệu 76

Chiều dày tối ưu Ropt chiếu xa một mặt trên các vật liệu 76

Các đặc tính của đường phân bồ liều trong trường hợp vật liệu liên tục và không liên tục ẶẶẶẶVc 77 Bảng so sánh các đặc tính của đường phân bồ liều hấp thụ trong vật liệu liên tục và không liên tục 79

Phân bố liều hap thụ trong thùng chứa trái vú sữa đo bằng liều kế

ala-nine Thực nghiệm được lặp lại 3 lần và lay gia tri trung binh tai

1X

3.8 Các kích thước tâm bi tỷ trọng và tỷ số DUR trong trái vú sữa Lò Rèn

tuonging 2 Q Q Q HQ HQ HH KV 85

3.9 So sánh kết quả thực nghiệm đo liều hap thụ trong trái vú sữa trong hai

trường hợp có và không có tam bù tỷ trọng MDF 89

Danh mục các hình vẽ

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

1.10

1.11

1.12

1.13

1.14

1.15

1.16

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

Trang

Gian đồ va chạm giữa electron so cấp va electron của nguyên tử [6] 10

Electron truyền một phan năng lượng AE cho các electron trong thé tích hình tru[6] 10

Giản đồ va chạm giữa electron tới và hạt nhân có điện tích Ze [6] 12

Năng suất hãm của electron trong nước, nhôm và vàng [44] 15

Phân bó năng lượng hap thụ theo chiều sâu của electron năng lượng 10 MeV với các giá tri a = 0; 0,06 và 0,24[45] 16

Phân bồ năng lượng hap thụ theo năng lượng electron trong vật liệu [6] 17 Phân bố năng lượng hap thụ trong vật liệu của electron thứ cấp và tia Độ hụt khối lượng trái theo liều chiếu xạ 28

Thay đổi các chỉ số TSS, Hàm lượng acid Ascorbic và độ pH trong trai vú sữa theo thời gian sau khi xử lý chiếu xạ kiểm dịch 29

Cảm quan trái vú sữa tím được chiếu xạ ở thời gian 6 ngày sau thu hoạch 31 Chiếu xạ kiểm dịch và định hướng sử dụng chùm eletron trong chiếu xạ kiểm địch ee 33 Phân bố năng lượng electron 10 MeV trong vật chất 34

Phân bó liều hấp thụ trong vật liệu được chiếu xạ hai mặt có các tỷ trọng mặt khác nhau 36

Tỷ số DUR theo ty trọng mặt (chiếu xạ một mặt) [6ó] 37

Ty số DUR theo ty trọng mặt (chiếu xạ hai mặt) [6] 38

Đóng gói một số hàng chiếu xạ - 39

Máy gia tốc và các thành phan 43

Gian đồ xung chùm electron, cao thế Klystron và sóng phanxa 44

Nêm RISO P4701 ẶQ Q QQ ee 45 Phân bó liều hap thụ bởi chùm electron trong nêm nhôm 46

Gian đồ dòng cấp cho nam châm quét 47

XI

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

2.12

2.13

2.14

2.15

2.16

2.17

2.18

2.19

2.20

2.21

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

Vết chùm electron trên bề mặt đối tượng chếuxạ 49

Kích thước chùm electron theo khoảng cách đến cửa số Titanium 49

Liều kế Rdiochromic-film SI Đường tương quan giữa liều hap thụ theo độ hấp thụ liều xạA, 52

Hệ đo liều alanine(Aerial) 52

Phố EPR của một liều kế Alanine 53

Đường tương quan giữa biên độ phô EPR - liều hấp thụ 33

Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo mật độ 55

Phân bố năng lượng dé lại trong vật chất mô phỏng bằng chương trình ¡0 ee 58 M6 hinh do phan bồ liều hấp thụ trong vật liệu liên tục và không liên tục 59 Vị trí liều kế B3 gan trên bề mặt và bên trong trái vú sữa tím 61

Mô hình tính toán phân bố liều hap thụ trong mẫu chiếu xa sử dung chương trình MCNP4C2 64

Mô hình MCNP - cấu hình nguồn mặt 64

Mô hình MCNP vật chat liên tục (a) và không liên tục (b) 65

Mô hình chia lưới trái vú sữa trong tính toán phân bố liều hấp thụ sử dung MCNP4C2 Ặ.ẶẶ ee 66 Tấm bi ty trong cho trái vú sữa nhằm giảm giá tri DUR khi chiếu xạ băng chùm electron I0 MeV 67

Phân bó liều hap thụ trong vật liệu nước liên tục và không liên tục 70

Phân bó liều hap thụ trong vật liệu plastic liên tục và không liên tục 71

Phân bố liều hap thụ trong vật liệu giả hàng liên tục và không liên tục 71 Phân bó liều hap thụ thực nghiệm trong vật liệu giả hàng 73

Phân bó liều hấp thụ thực nghiệm trong vật liệu plastic 73

Đường ngoại suy xác định giá trị quãng chạy trong vật liệu giả hàng 75

Đường ngoại suy xác định giá trị quãng chạy của electron trong vật liệu

Phân bố liều hap thụ trong vật liệu plastic liên tục chiếu xa hai mặt bởi

chùm electron 10 MeV Chiều dày chiếu xạ tối ưu được lựa chọn là

9,40 glem? Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q va 78

Xil

Phân bồ liều hấp thụ trong vật liệu giả hàng liên tục chiếu xạ hai mặt bởi

chùm electron 10 MeV Chiều day chiếu xa tối ưu được lựa chon là

Bồ trí liều kế trên thùng trái vú sữa Lò Rèn (A) và vú sữa tím (B)

Phân bó liều hấp thụ mô phỏng (trái) và thực nghiệm (phải) trên trái vú

sữa Lò Rèn chiếu xạ bằng chùm electron 10 MeV

Phân bố liều hap thụ mô phỏng (trái) và thực nghiệm (phải) trên trái vũ

sữa tím chiếu xạ bằng chùm electron 10 MeV

Ty trọng mặt trái vú sữa theo góc (ø)

Mô hình che chan sử dụng tắm bù tỷ trọng MDF nhằm giảm độ bat

đồng đều liều hap thụ trong trái vú sữa

Phân bó liều hap thụ trong trái vú sữa Lò Rèn ứng với trường hợp 1 (a)

và trường hợp 6 (b) của tam bù tỷ trọng

Thiết kế tắm bù tỷ trọng MDF được lựa chọn cho trai vú sữa Lò Rèn

chiếu xạ bằng chùm electron 10 MeV nhăm giảm tỷ số DUR

Thiết kế tam bù tỷ trọng MDF được lựa chọn cho trái vú sữa tím chiếu

xạ bằng chùm electron 10 MeV nham giảm giá tri DUR

Phân bố liều mô phỏng (trái) và thực nghiệm (phải) trong trái vú sữa

Lò Rèn chiếu xạ hai mặt với thiết kế tắm bù tỷ trọng MDF đượclựa chọn nhằm giảm tỷ số DUR

Phân bố liều mô phỏng (trái) và thực nghiệm (phải) trong trái vú sữa

tím chiếu xạ hai mặt với thiết kế tắm bù tỷ trọng MDF được lựachọn nhằm giảm tỷ số DUR

Mỡ đầu

Chiếu xạ kiểm dịch thực phẩm là công nghệ sử dung năng lượng bức xa ionhoá nhằm mục đích nâng cao chất lượng vệ sinh và an toàn thực phẩm băng cáchloại bỏ các tác nhân gây hư hỏng và các vi sinh vật gây bệnh truyền qua thực phẩmhoặc côn trùng gây hại mà không làm ảnh hưởng đáng kề đến chất lượng, mùi vịcủa sản phẩm [1, 2] Bức xạ ion hóa được sử dụng trong chiếu xạ thực phẩm baogồm: tia gamma, tia X hoặc chùm electron [3] Trong đó, chiếu xạ bằng tia gamma

sử dụng đồng vị phóng xạ, thường là nguồn Co-60 hoặc Cs-137 Việc sử dụng cácđồng vị phóng xạ như Co-60 hoặc Cs-137 trong chiếu xạ thực phẩm đối mặt vớicác vấn đề liên quan tới an ninh nguồn phóng xạ, an toàn bức xạ và xử lý chất thảiphóng xạ Trong những năm gan đây, khả năng cung ứng đồng vị Co-60 phục vụchiếu xạ ngày càng gặp nhiều hạn chế [4]

Trong khi đó, phương pháp chiếu xạ bằng chùm tia X và chùm electron phát

ra từ các máy gia tốc có tính an toàn và hiệu quả cao hơn Do đó, việc lựa chọnchiếu xạ bằng nguồn tia X và chùm electron đang được quan tâm đặc biệt Khácvới chiếu xạ gamma, tia X và chùm electron được sản sinh bằng thiết bị, máy móc,không ảnh hưởng tới nguồn cung ứng cùng với sự phát triển và phô biến của côngnghệ, hiện tại các máy gia tốc phục vụ chiếu xạ công nghiệp đã không ngừng giatăng số lượng và công suất [4]

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7250:2008, Quy phạm thực hành chiếu xạ

xử lý thực phẩm quy định năng lượng chiếu xạ sử dụng chùm electron trong chiếu

xạ thực phẩm và dụng cụ y tế là 10 MeV, với chiếu xạ sử dụng tia X là 5 MeV (nănglượng electron trước khi phát bức xạ hãm) Một số quốc gia, như Mỹ chấp nhậnmức năng lượng electron trước khi hãm lên đến 7,5 MeV [1] Với mục tiêu mở rộng

và đa dạng hóa phương pháp chiếu xạ, năm 2012 Trung tâm Nghiên cứu và Triển

khai Công nghệ Bức xạ (VINAGAMMA), Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam

(VINATOM) đã đưa vào hoạt động máy gia tốc chùm electron UELR-10-15S2 vớichùm electron sau gia tốc có năng lượng 10,0 + 0,4 MeV, công suất 15 kW Day

1

là thiết bị đầu tiên trong nước ứng dụng trực tiếp chùm electron phục vụ công tác

ma tại đó nhận một liều hấp thụ bằng một nửa liều bề mặt R;o„ và chiều dày nhậnđược một nửa giá tri liều cực đại R;o Giá trị R, phan ánh khả năng xuyên sâu củachùm electron trong vật chat Giá trị R, là vị trí giao của đường làm khớp của phansuy giảm đường phân bố liều với trục hoành [8] Chiều dày chiếu xạ tối ưu một mặtDope được xác định bằng chiều dày mà tại đó liều hấp thụ nhận được bằng VỚI giátrị liều hấp thụ tại bề mặt vật liệu, hiệu suất sử dung của chùm electron là cao nhất.Chiều dày Rsoe va Rso tương ứng là chiều dày mà liều hấp thụ nhận được bằng mộtnửa liều bề mặt và một nửa liều D„„„„ Chiều dày chiếu xạ tối ưu hai mặt được xácđịnh bang hai lần giá trị R;o, [6]

Năng lượng của chùm electron sử dụng trong chiếu xạ nằm trong khoảng

từ 300 keV đến 25 MeV [8] Đã có nhiều công trình nghiên cứu phân bồ liều củachùm electron trong sản phẩm chiếu xạ, đặc biệt tại vùng năng lượng thấp từ 0,3 -1,0 MeV [7, 9-13], phân bố liều trong vùng năng lượng electron ở vùng năng lượngcao hon cũng đã được thực hiện [14-16] Tại vùng năng lượng thấp, từ 300 keVđến 600 keV, độ xuyên sâu của eletron trong vật liệu đạt khoảng 0,2 g/cm’ Đối

với chùm electron năng lượng 3 MeV, độ xuyên sâu trong vật liệu đạt 1,5 g/cm?

[9] Đối với chiếu xạ thực phẩm và dụng cụ y tế, chùm electron có năng lượng caonhất được sử dụng là 10 MeV, tương ứng khả năng xuyên sâu trong polyethylene

là 5,0 g/cm? [6, 7] Các nghiên cứu về ảnh hưởng của sự tích lũy điện tích trongmôi trường vật chất ảnh hưởng đến kết qua do phân bố liều hấp thụ thực nghiệm

của electron trong vật liệu cũng được nghiên cứu [16].

Đối với chùm electron chiếu xạ có năng lượng 10 MeV, chiều dày chiếu xatối ưu, Dont dé đạt được hiệu suất xử lý cao nhất trong trường hợp chiếu xạ một mặtđối với vật liệu nước ở trạng thái liên tục là 3,8 g/cm2, ứng với trường hợp chiếu

xạ hai mặt là 8,8 g/cm? với tỷ số DUR tương ứng là 1,35 [6] Tuy nhiên, đối vớihàng thực phẩm va dụng cụ y tế có vật liệu thay đổi đa dạng từ thành phần nguyên

tố đến tý trọng và cách sắp xếp vật liệu cấu thành sản phẩm Vì vậy, việc phân tíchđường phân bồ liều trong một số vật liệu đại diện cũng như trong một SỐ trạng tháivật liệu không liên tục cần được đánh giá, khảo sát lại với chùm electron 10 MeVtrên máy gia tốc UELR-10-15S2 tại VINAGAMMA với các đặc trưng riêng củađối tượng chiếu xạ cũng như của chùm electron phát ra từ thiết bị

Trái vú sữa là một trong những sản phẩm nông sản Việt Nam có giá trị, giàuchất dinh dưỡng, có mùi vị thanh và được xuất khẩu nhiều sang thị trường Mỹ,Uc Hai loại vú sữa xuất khẩu được ưa chuộng là vú sữa Lò Rèn và vú sữa tím

Vú sữa Lò Rèn thông thường có kích thước từ 5 — 7 cm va trọng lượng dao động

từ 200 — 300 g, trái vú sữa tím có kích thước khoảng 8 — 10 cm và trọng lượng từ

400 — 500 g Trong điều kiện thông thường, trái vú sữa có thời gian bảo quản ngắn(khoảng 3 — 5 ngày) nếu không sử dung các biện pháp xử lý, do trong tự nhiên trái

vú sữa dễ nhiễm các loại côn trùng và vi sinh vật gây hư hỏng trái (Lasiodiplodia

theobromae) gây thôi quả Vẫn đề đặt ra là cần phải tăng thời gian bảo quản trái vúsữa đủ dài, đồng thời không làm giảm chất lượng trái phục vụ cho quá trình xuấtkhâu Do đó, cần có biện pháp loại trừ hoặc ức chế các loại côn trùng và vi sinhvật gây hại có trên trái, trong đó kỹ thuật chiếu xạ sử dụng chùm tia gamma, tia Xhay chùm electron được xem là giải pháp hiệu quả nhất [6, 17-21]

Hiệu quả của quá trình xử lý bằng phương pháp chiếu xạ lên các loài côntrùng và vi sinh vật trên trái phụ thuộc vào liều hấp thụ Dé đạt mục đích kiểmdịch thực vật đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng sau chiếu xạ, trái vúsữa cần được chiếu xạ ở mức liều 400 Gy bằng một trong ba loại bức xạ gamma,tia X hoặc electron [22] Tuy nhiên, đối với mức liều hấp thụ lớn hơn 600 Gy sẽ

làm cho chất lượng trái vú sữa bị ảnh hưởng về màu sắc, mùi vị, tình trạng trái vàlượng vitamin [21] Mức liều chiếu xạ càng cao thì mức độ ảnh hưởng càng lớn[19, 23] Đối với trường hợp chiếu xạ sử dụng chùm electron năng lượng 10 MeV,

tỷ số đồng đều liều hấp thụ DUR trong trái vú sữa có thé cao hơn 2,0 [24] Điềunày có nghĩa rằng, đối với liều chiếu xạ 400 Gy, trong trường hợp chiếu xạ hai mặt,trong trai vú sữa sẽ có những vi trí sẽ nhận được liều chiếu cao hơn 600 Gy, có thểlên đến 1000 Gy hoặc hơn

Bài toán đặt ra trong trường hợp chiếu xạ trái vú sữa xuất khẩu tại GAMMA, là cần có giải pháp giảm độ bat đồng đều liều hap thụ (giảm tỷ số DURnhỏ hơn 1,5) trong trái va sữa chiếu xạ hai mặt sử dụng chùm electron 10 MeV,nhằm đảm bảo hiệu quả của quá trình chiếu xạ xuất khâu đồng thời không làm ảnhhưởng đến chất lượng trái Do đó, mục tiêu của luận án này là nghiên cứu và đềxuất giải pháp sử dụng tam bù tỷ trọng MDF nhằm khắc phục phân bố không đồngđều liều hap thụ trong trái vú sữa chiếu xạ hai mặt ở quy mô công nghiệp Các tam

VINA-bù ty trọng được thiết kế tối ưu và có thé đặt bên ngoài thùng carton chứa trái vúsữa trong quá trình chiếu xạ Việc sử dụng các tắm bù tỷ trọng MDF đặt bên ngoàithùng carton chứa trái, cho phép quá trình chiếu xạ có thê thực hiện một cách dễ

đàng ở quy mô lớn mà không phải mở thùng hàng Tuy nhiên, khoảng cách giữa

các tam bù tỷ trọng và trái vú sữa chiếu xạ sẽ tạo ra vùng không liên tục trong mẫuvật liệu chiếu xạ Do đó, cần thiết có nghiên cứu đánh giá các đặc trưng của đườngphân bố liều trong môi trường vật liệu liên tục và không liên tục Kết quả nghiêncứu này sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu thiết kế kích thước các tam bu tỷ trọng MDF

phù hợp cho các loại trái vú sữa có kích thước khác nhau.

Do đó, Luận án tập trung các nội dung nghiên cứu chính như sau:

1 Nghiên cứu đánh giá các đặc trưng đường phân bố liều của chùm electronnăng lượng 10 MeV từ máy gia tốc tuyến tính UELR-10-15S2 trên một số vật liệuđặc trưng của sản pham chiếu xa trong trường hợp liên tục và không liên tục

2 Nghiên cứu xác định thiết kế tối ưu tam bù tỷ trong MDF sử dụng trongchiêu xạ trái vú sữa Lò Rèn và vú sữa tím Phân tích, đánh giá mô phỏng và thực

nghiệm phân bố liều hấp thụ và tỷ số đồng đều DUR trong trái vú sữa chiếu xạ haimặt bang chùm electron trên máy gia tốc chùm electron UELR-10-15S2.

Nội dung của luận án được trình bày trong 3 chương:

Chương I trình bay tông quan vê chiêu xạ, ứng dụng của chum electron

trong chiêu xạ, ảnh hưởng của bức xạ lên chât lượng sản phâm bị chiêu xạ, các vân

đề tồn tại trong chiếu xạ kiểm dịch trái vú sữa xuất khâu tại VINAGAMMA

Chương 2 mô tả thiết bị và phương pháp nghiên cứu, bao gồm: máy gia tốctuyến tính UELR-10-15S2, các hệ liều kế đo liều hấp thụ, bố trí thực nghiệm vàtính toán mô phỏng MCNP khảo sát phân bồ liều hấp thụ trong một số vật liệu trongđiều kiện liên tục và không liên tục, phân bồ liều trong trái vú sữa và đề xuất môhình che chắn sử dụng tam bù tỷ trọng MDF nhằm giảm tỷ số bat đồng đều liều hapthụ DUR trong trái vú sữa chiếu xạ hai mặt

Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm khảosát các đặc trưng của đường phân bố liều hap thụ trong vật liệu liên tục và khôngliên tục, kết quả tính toán phân bồ liều trong trái vú sữa chiếu xạ kiểm dịch, cũngnhư mô hình nhằm tăng sự đồng đều liều trong trái

Kết luận trình bày các kết quả nghiên cứu chính đạt được, và định hướngnghiên cứu tiếp theo trong việc mở rộng nghiên cứu áp dụng chiếu xạ kiểm dịchcho các loại trái cây khác bằng chùm electron 10 MeV

Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trực tiếp trong chiếu xạ trái vú sữa tạiVINAGAMMA và có thé áp dụng trong chiến lược phát triển của ngành chiếu xạ,

mở rộng thị trường chiêu xạ của Việt Nam.

Chương 1- Tổng quan

1.1 Tổng quan tình hình ứng dụng chiếu xạ

Chiếu xạ thực phẩm đã và đang được áp dụng nhằm loại bỏ vi sinh vậtgây bệnh trong thực phẩm cũng như tăng thời gian bảo quản thực phâm [25]

Mức liều hấp thụ ứng với từng loại thực phẩm được quy định tại Quyết định số

3616/2004/QD-BYT của Bộ Y tế [26] Trong đó, các thực phẩm chiếu xạ đượcphân theo 7 nhóm, liều lượng quy định đối từng nhóm và theo mục đích Với mụcđích ức chế nảy mầm, tiêu diệt côn trùng và mục đích kiểm dịch, liều hấp thụ chonhóm sản phẩm nông sản quy định trong khoảng 0,1 — 1 kGy Dé tăng thời gianbao quản cho nhóm thủy sản đông lạnh, mức liều hap thụ quy định trong khoảng 1

- 3 kGy Đối với mục đích kiểm soát nắm mốc cho thực phẩm khô, mức liều quyđịnh trong khoảng 1 — 3 kGy Trong khi đó, dé kiểm soát vi sinh vật gây bệnh trongthực phẩm, liều hấp thụ cần xử lý được quy định trong khoảng 1 — 7 kGy [26] Đốivới dụng cụ y tế, chiếu xạ ở mức liều 14,2 - 36,3 kGy có thé loại bỏ đến 108 lượng

vi sinh vật tồn tại (SAL 1075) [27]

Vượt qua các rào cản về mặt tâm lý, ngày càng có nhiều quốc gia đã dầnchấp nhận chiếu xạ là một phương pháp xử lý hiệu quả và tiện lợi [28-33] Hiện

có hơn 50 quốc gia chấp nhận chiếu xạ, trên 60 sản phẩm được thương mại hóa vàtrên 37 quốc gia đã thương mại hóa quy trình chiếu xạ [29, 34] Tổng khối lượngtiêu thụ sản phâm đã qua chiếu xạ hàng năm lên đến hàng triệu tấn, bao gồm: tráicây tươi, thủy sản đông lạnh, thực phẩm khô, gia vi, thức ăn thú cưng và các loạithực phẩm chế biến sẵn [4]

Về mục tiêu kiểm dịch thực vật, chiếu xạ là một trong những phương phápchính bên cạnh các phương pháp xử lý nóng, xử lý lạnh và xông khí nhằm mụcđích kiểm soát sự lây lan côn trùng từ các nước xuất khâu đến các nước nhập khâu

Hiệu quả của chiêu xạ kiêm dịch phụ thuộc vào liêu lượng và mức độ ảnh hưởng

của liều lượng lên chất lượng sản phẩm [5] Chiếu xạ có tính hiệu quả và kinh té,đảm bảo chất lượng sản phẩm sau xử lý [35] Một số quốc gia xem chiếu xạ là mộttrong những điều kiện dé nhập khẩu thực phẩm tươi, như đôi với New Zealand quyđịnh trái cây tươi và rau củ chiếu xạ ở mức liều 289 Gy hoặc cao hơn tùy thuộc vàođối tượng kiểm dịch trước khi nhập khâu vào [36] Đối với Mỹ, Cục Quản lý Thựcphẩm và Dược phẩm, FDA xem phương pháp chiếu xạ ở mức liều phù hợp là mộttrong ba phương pháp xử lý kiểm dịch thực vật chính áp dụng cho sản phẩm tươinhập khẩu [37] Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc cũng banhành hướng dẫn trong việc sử dụng chiếu xạ như là một thước đo kiểm dich [38].

Nhằm đảm bảo hiệu quả kiểm dịch thực vật và chất lượng sản phẩm sauchiếu xạ, cần phải kiểm soát liều hấp thụ trong toàn sản phẩm chiếu xạ cũng nhưphản ứng của sản phẩm với từng mức liều cụ thê và có biện pháp giảm tỷ số bấtđồng đều liều phù hợp Dé xác định phân bồ liều trong sản phâm, có nhiều phươngpháp được đề xuất như sử dụng giả hàng có cấu trúc hình học tương đồng với sảnphẩm chiếu xạ được làm bằng chất nhạy màu [39] Kết quả phân bố liều hấp thụtrong giả hàng thé hiện qua sự thay đổi màu sắc của chất nhạy màu Một phươngpháp hiệu quả là ứng dung máy cắt lớp CT dé xây dựng mô hình 3D của sản phẩm,kết quả hình ảnh cắt lớp thu nhận được sử dụng làm đầu vào mô phỏng bằng chươngtrình Monte-Carlo - MCNP5 dé xác định phân bó liều của sản phẩm [40]

Đề tăng độ đồng đều liều trong sản phâm, giảm tỷ số DUR, có nhiều biệnpháp hiệu qua đã được đưa ra Kim và cộng sự đề xuất biện pháp thay đổi gócchiếu xa (thay đổi hướng chùm tia tới) từ đó lựa chọn góc chiếu xạ phù hợp nhất[40, 41] và đạt hiệu quả đáng kể Một mô hình khác của Maxim đề xuất sử dụngbuồng chiếu xạ có cấu trúc đặc biệt, trong đó electron được tán xạ bằng lưới thépbao quanh mẫu nhằm thay đổi hướng tới của chùm electron, phương pháp này giúpgiảm hệ số đồng đều liều trong mau thử nghiệm còn 1,8 [42] Các biện pháp đềxuất đã giảm được ty số đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ, tuy nhiên chỉ hiệuquả trong trường hợp xử lý với từng sản phẩm đơn lẽ và gặp nhiều khó khăn khiứng dụng trong quy mô công nghiệp, đặc biệt đối với các sản phẩm yêu cầu không

tháo bao gói trong quá trình chiếu xạ.

Ở Việt Nam, chiếu xạ thực phẩm và kiểm dịch đã được thương mại hóa vàphát triển mạnh mẽ Từ năm 1999 đến nay, đã có hơn 7 đơn vI/công ty chiếu xạ đượcthành lập Trong đó 5/7 đơn vị/công ty sử dụng nguồn gamma, 1 công ty (TNHHChiếu xa Sơn Son) sử dụng may gia tốc chùm electron 5 MeV có bộ chuyên đồitia X và 01 máy chiếu xạ chùm electron năng lượng 10 MeV tại VINAGAMMA

phục vụ chiếu xạ thực phẩm, khử trùng dụng cụ y tế Sản lượng chiếu xạ thực

phẩm thực hiện trên máy gia tốc UELR-10-15S2 tại VINAGAMMA hàng năm đạt

7300 tan hàng thực phẩm và thức ăn thú cưng, 3650 mở hàng dụng cụ y tế Các kếtquả khả quan tại các đơn vị khác như Công ty chiếu xạ Toàn Phát, cũng như các

kế hoạch mở rộng đầu tư nhà máy chiếu xạ mới của Công ty Cổ phần Chiếu xạ AnPhú tại Bắc Ninh hoặc đầu tư mới như chiếu xạ Hạnh Nguyên cho thấy thị trườngứng dụng công nghệ chiếu xạ thực phẩm là rất lớn

Tuy có sự phát triển về số lượng thiết bị, nhưng các nghiên cứu trong nước

về chiếu xạ thực phẩm, trong đó bao gồm chiếu xa bằng chùm electron 10 MeVcòn nhiều hạn chế và chỉ dừng ở mức độ phân tích đường phân bố liều trong vậtliệu cũng như các đánh giá sơ bộ về thiết bị chiếu xạ [79] Các nghiên cứu về chiếu

xạ kiểm dịch, đặc biệt là chiều xạ kiểm dich bang chùm electron hầu như chỉ đượcthực hiện tai VINAGAMMA, như nghiên cứu ảnh hưởng của liều xạ lên chất lượngtrái vú sửa xuất khẩu và một số loại trái cây khác [43, 82] Các biện pháp nhằmgiảm hệ số đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ chưa đầy đủ và cần được thựchiện nghiên cứu nhiều hơn

1.2 Tương tác electron với vật chất

Với electron có năng lượng trong khoảng từ 1 đến 10 MeV, do khối lượngtương đối tính của electron lớn hơn so với các electron của nguyên tử nhưng lại nhỏhơn nhiều so với khối lượng của hạt nhân nguyên tử, vì vậy các tán xạ do va chạmvới hạt nhân không làm electron mat nhiều năng lượng mà chi làm thay đôi hướng

của electron và phát bức xạ hãm Tuy nhiên, các tương tác với electron của nguyên

tử lại lam electron mat nhiều năng lượng và bức các electron ra khỏi nguyên tử (quátrình ion hóa nguyên tử) Các electron thứ cấp lại tiếp tục trải qua các tương tácCoulomb tạo ra các electron thứ ba, cho đến khi phan động năng cua electron sơcấp ban dau bị hấp thu gần như hoàn toàn trong vật chat.

Như vậy, khi electron so cap di vào vật chat sẽ xảy ra các quá trình: tán xa không đàn hôi với electron của nguyên tử sinh ra các electron thứ cap, tan xạ dan

hôi với hạt nhân nguyên tử gây nên sự phân kỳ của chùm electron sơ câp và phát

bức xạ hãm khi tương tác với trường hạt nhân nguyên tử.

1.2.1 Tan xạ không đàn hồi với các electron của nguyên tử

Tương tác giữa electron năng lượng cao với các electron tự do được mô tảtheo lý thuyết cô điển của Thomson va Bohr Hình 1.1 mô tả tương tác không đànhồi của electron tới electron nguyên tử Khoảng cách từ electron nguyên tử đếnquỹ dao electron kéo dai (b) được gọi là thông số va chạm Sự thay đổi động lượng

dp cua electron tới trong thời gian dt tỷ lệ với lực tương tác giữa 2 hạt Giả sử phannăng lượng mà electron tới truyền cho electron của nguyên tử AE là một phần nhỏ

so với năng lượng của electron tới và hướng của electron tới không thay đổi

nhiều trong quá trình va chạm, sự thay đôi động lượng Ap cua electron nguyên tử

được xác định bằng tích phân theo thời gian của thành phần vuông góc của lực Do

Hình 1.1: Giản đồ va chạm giữa electron sơ cấp va electron của nguyên tử [6].

qua Hình 1.2 Năng lượng trung bình của electron tới bi mat do va chạm trên mộtđơn vị độ dài (AE/As),.y được tính bằng tích phân theo thông số va chạm [6]:

~(AEJAs)„w= 4nNZ(c4/mv?) / (db/b) = Ar NZ(c4/mv2) Inman /Pmin).

(1.3)

Hình 1.2: Electron truyền một phan năng lượng AE cho các electron trong thé tích hình trụ[6].

Do hat tới và bia đều là electron nên năng lượng truyền lớn nhất là Ƒ /2.Thông số va cham cực tiêu khi đó có thé được xác định qua phương trình (1.2) Giátri cực đại của thông số va chạm cần được xét trong điều kiện electron của nguyên

tử không hoàn toàn tự do và liên kết với nguyên tử với nhiều trạng thái khác nhau.Trên cơ sở mẫu thống kê nguyên tử, năng lượng electron tới bị mất do va chạm

10

được xác định qua phương trình [6]:

~(đE/ds).¿ị = ArNZ(e1/mø2) In(E/ Tov) (1.4)

Với Iq, là năng lượng trung bình bình kích thích va ion hóa, tỉ lệ xấp xi vớinguyên tử số của vật liệu và hằng số tỉ lệ cỡ bậc năng lượng Rydberg, 13,5 eV Ởvùng năng lượng không tương đối tính của electron, = mv? /2, quá trình matnăng lượng của electron do va cham sẽ giảm xap xỉ Z~! Ở mức năng lượng tươngđối tính, vận tốc ø gần băng vận tốc ánh sáng, năng lượng mat mát do va chạm tăng

theo hàm logarit của năng lượng.

1.2.2 Electron thứ cấp

Phổ electron thứ cấp là kết quả của các va chạm giữa electron tới và electroncủa nguyên tử với xác suất tương tác vi phân do được tính là 2zbdò Sự thay đổicủa phô năng lượng electron thứ cấp được xác định qua phương trình [6]:

Hình 1.3: Gian đồ va chạm giữa electron tới và hạt nhân có điện tích Ze [6].

Khi chùm electron đi vào vật chất, mỗi electron sẽ trải qua nhiều lần bị lệchhướng và kết quả là chùm tia bị loe ra, trong khi giá trị xác suất cao nhất của góctán xạ trung bình bằng 00 (các va chạm rời rạc) Giá trị trung bình của bình phươnggóc tán xạ < 2 > được xác định bằng cách lay tích phân của bình phương giá trịtrong phương trình (1.6) trong miền của thông số va chạm Giả thiết thay đổi của

p là nhỏ, tích phân sẽ cho kết quả [6]:

< 8? >= 8xzNZ”*[c1/(c2p?)] In(bmax/bmin); (1.7)

với x là độ sâu trong chất hap thụ

Điện tích hiệu dụng trong phương trình (1.7) là một hàm của thông số vachạm b do có sự che chắn điện tích của hạt nhân bởi các electron của nguyên tử.Trong thực tế, có thể xem xét chọn bmax một cách thích hợp Tuy nhiên, giá tritrung bình của bình phương góc tán xạ không ảnh hưởng nhiều vào các giá trị củacác thông số va chạm cực đại hoặc cực tiểu do chúng chỉ có trong hàm logarit Do(cp) bằng gấp đôi động năng của electron, khi đó, xấp xỉ thô của giá trị trung bìnhcủa bình phương góc tán xạ sẽ la: < 6? >= a(Z/E)?z, với a là hằng số Đối vớivật chất là nước, biéu thức xấp xi được xác định như sau [6]:

< 6? >= 6z(cm)/[E(MeV)]? (1.8)

12

1.2.4 Bức xạ hãm

Với các thông số va chạm nhỏ, sự va chạm của electron tới với hạt nhân

nguyên tử khá dữ dội, tạo nên sự dừng đột ngột của electron Quá trình hãm độtngột của electron kèm theo phát bức xạ hãm, Bremsstrahlung Xác suất phát bức

xạ hãm phụ thuộc vào khoảng cách hiệu dụng giữa electron và hạt nhân do hiệu

ứng màn chắn bởi các electron của nguyên tử Với electron đến có năng lượng nhỏhon 35 MeV, tiết điện phát bức xạ hãm x4p xi bang [6]:

o(E,v) = (4Z7/137v)r2 In(2, 8E), (1.9)

với v là tần số của photon phat ra, va ro = e2/mc? = 2,82.10~13 em là bán kính cổđiển của electron Tương tự như trường hợp va cham electron với electron, ta cóthê xác định biéu thức tinh năng suất hãm cho trường hợp phát tia X Với số photonphát ra có tần số trong khoảng từ đến + dv là Nơ(E, )dds, khi đó electron cónăng lượng # đi qua đơn vị chiều dai ds mat năng lượng do bức xạ hãm trên mộtđơn vi độ dai được xác định băng [6]:

Do electron không thé phat bức xạ vượt qua năng lượng của nó nên humax =

E, với h là hằng số Planck Mặc dù giá trị tiết điện phát bức xạ hãm phân kỳ ở vùngphoton năng lượng thấp nhưng độ mắt năng lượng tong cộng sẽ không bị phân tán

do hvo(E, v) xap xi là hằng số và giới hạn dưới có thé bằng 0 Phương trình (1.10)

sẽ là [6]:

—(dE/ds)raa = (4N Z? /137) Er? In(2,8E) (1.11)

Năng lượng ma electron mắt do phat bức xạ hãm tỉ lệ với Z2 va tăng nhanh

13

hơn so với tỷ lệ tăng tuyến tính của năng lượng electron tới Ở vùng năng lượngkhông tương đối tính, sự phát tia X gần như đăng hướng Ở các mức năng lượngtương đối tinh sự phat tia X chủ yếu về phía trước với góc phát trung bình là [6]:

(0) = [2E(MeV)]"1 (1.12)

1.2.5 Năng suất hãm, phân tan năng lượng và quãng chạy CSDA

Khi so sánh hai phương trình (1.4) và (1.11) đối với các electron có nănglượng ở mức trung bình trong vùng tương đối tính, tỉ số giữa mat năng lượng dophát bức xạ hãm và mat năng lượng va cham sẽ là:

(—dE/ds)pqa/(—dE/ds) con = ZE(MeV)/800 (1.13)

Đối với thực phẩm chiếu xa, thông thường có Z < 8 và E < 10 MeV, thì nănglượng mất do va chạm chiếm đa số so với năng lượng mất do phát bức xạ hãm

Từ phương trình (1.4) cho thấy năng suất hãm do va chạm phụ thuộc vào mật độelectron (WZ) của môi trường Đối với thực phẩm chủ yếu là các nguyên tổ nhẹ,mật độ electron tỉ lệ với mật độ vật chất ø Trong trường hợp này, người ta dùngkhái niệm năng suất hãm khối do va chạm và được xác định bằng (đ2/ds)„øw / ø.Hình 1.4 biểu diễn năng suất ham khối do va chạm trong nước, nhôm và vàng theo

năng lượng của electron.

Đối với electron có năng lượng lớn hơn 200 keV, năng suất hãm khối gầnnhư không phụ thuộc vào năng lượng và phụ thuộc ít vào nguyên tử số Z của vậtliệu Vì vậy, năng lượng electron bị mat trong thực phẩm xấp xi bằng [6]:

(dE/ds).„¡/p = 2,0 MeV.cm?/g (1.14)

Độ mắt năng lượng được biểu diễn trong phương trình (1.14) chỉ là giá trị

trung bình Tuy nhiên, đối với một quãng chạy cho trước thì độ mat nang luong

14

Nang suất him electron

1.0E-02 1.0E-01 1.0E+0 1.0E+01 1.0E+02

Nang hrong (MeV)

Hình 1.4: Năng suất hãm cua electron trong nước, nhôm và vàng [44].

thăng giáng và đối với một độ mat năng lượng cho trước thì quãng chạy sẽ thănggiáng, đặc tinh này gọi là sự phân tán về độ mat năng lượng Do electron có thémat đến một nửa năng lượng sau một lần va chạm với electron của nguyên tử, giátrị phân tán về năng lượng là đáng ké và thậm chí đến 20% của tong năng lượng

bị mat Biéu thức năng suất hãm có thé được dùng dé xác định quãng chạy CSDAbằng cách lấy tích phân:

JCSDA = - [aEl(aEja) (1.15)

Regpa biểu diễn quãng chạy xấp xi làm chậm liên tục Giá trị này đánh giá chiềudài trung bình của electron chạy trong vật chất Nó không phải là độ xuyên sâutrung bình theo trục va chạm và tán xạ hạt nhân Giá trị xấp xi của quãng chạyResgpa được tính bang cách thay phương trình (1.14) vào phương trình (1.15) [6]

Respa = E(MeV)/|2p(g/em°)] (1.16)

1.2.6 Phân bố năng lượng electron trong vật chất

Khi electron đi vào vật chất, mặc dù năng suất hãm của electron gần như

là hằng số với các electron có năng lượng lớn hơn 200 keV, tuy nhiên phan nănglượng bi hap thụ trong vật chất không phải là không thay đổi theo độ sâu trong vật

15

chất Phần năng lượng mà mỗi electron để lại trong vật chất phụ thuộc vào quátrình tán xạ phức tạp, đóng góp bởi các electron thứ cấp và sự phân tán năng lượng

của chính các electron sơ câp.

Từ phương trình (1.8), biểu diễn giá trị bình phương của trung bình góc

02 = ar với dr = 0dz, độ dai của ds = dz(1 + 02)1⁄2 và suất hap thụ năng lượngtheo độ sâu là dE/dx = (dE/ds)(ds/dx) Với giả thiết động năng ban đầu củaelectron là 10 MeV, phan thay đồi năng lượng hấp thụ theo chiều sâu với 3 giá trị abang 0; 0,06 và 0,24 được biéu diễn trong Hình 1.5 Khi góc tán xạ trung bình tăng

Dé xác định đường phân bồ năng lượng mà electron dé lại trong vật chất, cóhai phương pháp được áp dụng đó là phương pháp mô men tiệm cận đề giải phươngtrình xấp xỉ làm chậm liên tục của electron Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộcnhiều vào điều kiện biên cũng như chỉ áp dụng cho những bài toán đơn giản Mộtphương pháp linh hoạt hơn và có thể giải bài toán với các mô hình phức tạp hơn

là sử dụng kỹ thuật tính toán thống kê Monte Carlo dựa trên các thống kê lịch sử

16

va chạm của electron khi đi vào vật chất Trên thực tế, các va chạm riêng rẽ khôngđược xét tới Thay vào đó, các kết quả tính toán mô tả các khía cạnh khác nhau củacác quá trình vận chuyền electron được dùng dé mô tả một số lớn các va cham đơn

lẻ như là một đoạn đơn của tính toán Khi đó việc tính toán sẽ tính đến lịch sử củaelectron từ đoạn đơn này đến đoạn đơn khác Ưu điểm chính của kỹ thuật này là

tính mêm dẻo khi xác định câu hình bài toán và chọn các điêu kiện biên.

Đường cong phân bồ năng lượng hấp thụ theo chiều sâu trong nước đối vớicác electron có năng lượng khác nhau đã được tính toán bằng chương trình MonteCarlo - TIGER một chiều và được đưa ra trong Hình 1.6 [6] Kết quả tính toán được

thực hiện trên các chùm electron đơn năng Đặc điểm quan trọng là liều hấp thụ

tăng dần khi đi sâu vào vật chất đến giá tri cực đại và sau đó giảm gần như tuyến

tính Độ xuyên sâu tăng gần như tuyến tính với năng lượng electron do năng suấthãm gần như là hang số trong dai năng lượng electron từ 200 keV đến 10 MeV Giátrị cực đại liều hấp thụ tăng khi năng lượng electron giảm chủ yếu do góc tán xạtăng lên Liều hấp thụ không giảm đột ngột về 0 là do tán xạ, phân tán năng lượng

và phông tia X trong trường hợp của electron có năng lượng cao.

0

1 2 3 4 5 6

Ty trong mat ( g/cm’)

Hình 1.6: Phân bố năng lượng hấp thu theo năng lượng electron trong vật liệu [6].

Phần đóng góp riêng rẽ của electron thứ cấp (knock-on electron) và phát tia

X vào đường cong phân bố năng lượng được biểu diễn trong Hình 1.7 Cả hai đónggóp này là tương đối nhỏ so với đóng góp của hiệu ứng sơ cấp Đóng góp của tia

17

X tăng đơn điệu theo chiều sâu; đóng góp của electron thứ cấp lại tương đối phứctạp, chúng có giá trị âm ở gần bề mặt do các electron này chuyên năng lượng từ bề

mặt đên các độ sâu sâu hơn.

0.04 +

Năng lượng hap thụ (MeV.cm?/g)

-0.12

Ty trong mặt (g/cm?)

Hình 1.7: Phân bố năng lượng hap thụ trong vật liệu của electron thứ cấp va tia X [6].

1.3 Ảnh hưởng của bức xạ lên thực thể sống

1.3.1 Các thực thể sinh học đối tượng của chiếu xạ

Các cơ thể sống trong thực phẩm liên quan đến van dé an toàn vệ sinh thựcphẩm va bảo quản là các vi khuẩn (bacteria), men (yeast), nam mốc (mold), virus,các ký sinh trùng, côn trùng và mọt (mine) Trong đó, vi khuẩn là co thé đơn bào(single-celled organism), tồn tại như tế bào sinh dưỡng (vegetative cell), phát triển

và nhân lên khi điều kiện bên ngoài cho phép Một số vi khuẩn còn ở dạng bào

tử (spores) có vỏ bọc bảo vệ cho phép chúng tồn tại trong trạng thái ngủ (dormantstage) và chống chọi với điều kiện khắc nghiệt

Vi khuẩn

Như đã nói ở trên, vi khuẩn (Bateria) là một đơn bào, về mặt an toàn thựcphẩm, các vi khuẩn được phân làm 3 nhóm: (1) Vi khuẩn có ích, (2) Vi khuẩn gâyhỏng thực phẩm, gây ra những thay đổi không mong muốn như thay đổi về mùi vị,hương vị, màu sắc, kết cấu và cảm quan của thực phẩm, (3) Vi khuẩn gây bệnh,

18

gây ra các dịch bệnh như Samonella, Listeria, Crostridium botulinium va E.coli.

Các vi khuẩn gây bệnh qua ba đường chính: xâm nhập, gây độc và nhiễmđộc cơ thé [46] Ví dụ vi khuẩn gây bệnh xâm nhập Salmonella typhimuriam gây

bệnh Salmonella khi sử dụng thịt gia cầm, loại vi khuân này làm hỏng thành ruột

non và gây ra triệu chứng tiêu chảy Một số lại tạo ra chất độc trong thực phẩm, ví

dụ như Staphulococus aureus va Clostridium botulinium tạo ra chất độc thần kinhmạnh khi sử dụng thực phẩm có chứa Clostridium botulinium Một số loại vi khuẩnchỉ tạo ra nhiễm độc khi vi khuẩn sống trong cơ thể, như Crotridium perfringen, tếbào vi khuẩn bám vào hệ tiêu hóa và tạo các bào tử mà lớp phủ của bào tử là tácnhân đầu độc cơ thé

Men va nam moc

Men (Yeast) là các vi sinh don bao, chúng kết hợp lại thành các soi nam.Khác với vi khuẩn có thê sinh sản bằng phương thức phân chia, men sinh sản bằng

sự nảy nở Nam mốc (Mold) có thé là đơn bao hoặc đa bao, thường thấy khi thựcphẩm dang bị biến chat Men va nam mốc có thé trở nên có hại do các độc tố chúngsinh ra Ví dụ như nam Aspergillus flavus tạo ra độc tố nắm mốc Aflatoxin gây hại

cho gan.

Virus và các ký sinh trùng

Virus không phải là các tế bào, chúng sống theo kiểu ký sinh bằng cách nhânbản nhờ vật liệu gen và tế bào chủ, như các tế bào thanh ruột của hệ tiêu hóa Virus

không phát triển trong thực phẩm nhưng có thé gây nhiễm cho vi khuẩn mang Các

virus gan (Heparitis) hoặc tủy (Polimyelitis) có thé truyền từ sữa tươi và sinh vật

có vỏ cứng bị nhiễm virus qua cơ thé người Trong khi đó, có nhiều loại ký sinhtrùng, đặc biệt là các vi sinh vật đơn bào, sán dây và giun không phát triển trongthực phẩm nhưng lại gây bệnh do sử dụng thực phẩm

Côn trùng và mọt

Côn trùng (Insect), mot (Mite) và các loại như vật nuôi là các sinh vật da tế

bào mức tiên hóa cao, gây ra thât thoát mùa mảng và chúng cũng là vật mang các

19

vi khuẩn và động thực vật sống ký sinh gây bệnh.

1.3.2 Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa

Bức xạ ion hóa chủ yếu làm đứt gãy các phân tử DNA (DeoxyriboNucleicAcid) trong nhân tế bào, cau trúc DNA có dạng hình thang xoăn dài [47-49] baogồm các phân tử đường (surgar) và phosphate, trong đó các thanh ngang chứa cácgốc acid nucleotide (cytosine, thumine, adenine va guanine) được liên kết yếu ởgiữa bằng liên hết hydrogen Các chuỗi amino acid trong dây xoắn DNA đượcdùng như bản mẫu cho tế bao khi phân chia và chịu trách nhiệm tổng hợp cácprotein va enzyme chủ yếu mà các chất này sẽ điều chỉnh sự trao đổi chat của tếbào thông qua quá trình sao chép RNA Do mỗi tế bào chỉ có một phân tử DNA,nên nếu bị sai hỏng bởi các hiệu ứng sơ cấp tạo bởi bức xạ hoặc do tác động củacác gốc tự do thứ cấp thì các thay đổi về hóa và sinh học sẽ ngăn cản quá trình tái

tạo và tê bao sẽ chét di.

Các DNA dễ bị ảnh hưởng bởi bức xạ ion hóa là do kích thước của chúng

lớn hơn so với các phân tử khác trong tế bào, ví dụ DNA của E.coli có 3,5 x 108cặp nucleotide cơ sở, khối lượng trung bình của mỗi cặp là 660 g/mol và tông khốilượng của DNA sẽ là 3,1.109 g/mol Với liều hấp thụ 1 kGy, từ công thức (1.17)

có thê tạo nên khoảng 200 đứt gãy nhánh đơn trong mỗi phân tử DNA E.coli [49]

20

trị G dé gây ra tôn thương đồng thời hai nhánh ước tính khoảng 0,07 [49] Với liềuhấp thụ 1,0 kGy, có thê gây ra 14 đứt gãy ở 2 nhánh của phân tử DNA của e.coli

và làm tế bảo sẽ chết

Số lượng cơ thé sinh học (N) chịu liều chiếu xạ sẽ thay đôi theo thời gian(dN/dt) phụ thuộc tuyến tính vào suất liều (dD/dt) theo công thức (1.18)

dN /dt = —a.N.dD/dt, (1.18)

với a là hang sô ty lệ Sô lượng cá thể sinh học còn lại sau khi chiếu xạ còn tồn tại

tương ứng được tính theo công thức (1.19).

N = Nụe *P = Ng.1090/23, (1.19)

với No là số vi sinh trước khi chiếu xạ Logarit hai về công thức (1.19) nhận đượcgiá tri liều D¡o, tức liều cần thiết dé giảm số vi sinh 10 lần được thê hiện trong công

thức sau:

Giá trị liều Dio của một số vi sinh vật tiêu biểu được trình bày trong Bang 1.1

Do kích thước phân tử DNA tăng theo độ phức tạp của cơ thể vi sinh, virusnói chung thường chịu bức xạ hơn vi khuẩn, vi khuẩn chịu liều bức xạ tốt hơn côntrùng [49] Giá trị Dio của virus thường vài kGy trong khi đó của vi khuẩn là vài

trăm Gy Có nhiều yếu tố ảnh hưởng kha năng chiu bức xa, bao gồm: nhiệt độ,

thành phần môi trường chứa tế bào và chu kỳ tăng trưởng của tế bào [50] Tác

dụng của chiếu xạ giảm đi khi nhiệt độ giảm do ở nhiệt độ thấp, tần suất trao đôi

chất của sinh vật giảm, sự hình thành và độ linh động của các phân li phóng xạcũng giảm Khô và lạnh cũng giảm tác dụng của bức xa Vi khuẩn dang bao tử cókhả năng chịu phóng xạ hơn các vi khuẩn thường Men chịu bức xạ hơn nắm mốc.Men có D¡o khoảng vài kGy trong khi nam mốc khoảng 1 kGy hoặc nhỏ hơn Độc

21

Bang 1.1: Liều Do của một số vi sinh vật tiêu biểu [46].

Cơ thể sống Môi trường Nhiệt độ | Dio, kGy

Virus

Hepatitis A Trai, sò, hau Môi trường 4,8

Tay chan miéng Dung dich nước Môi trường 2,0

Vi khuẩn (NSF)

Campylobacter jejuni Thịt bò xay Môi trường 0,15

Shigella dysenteriae Tôm Đông lạnh 0,22

Listeria monocytogenes Thit gia cam 12 0,49

Escherichia coli MDCM 10 0,23

Salmonella enteritidis Thịt bò xayítmỡ | Môi trường 0,7

Salmonella typhimurium MDCM 10 0,39 Salmonella paratyphi A Hau 5 0,85 Staphylococcus aureus Thịt bò xay it mỡ 5 0,75

Streptococcus faecium Tôm 5 0,9

Vi khuân (SF)

Clostridium botulinum Thit bo ham Môi trường 1,4

Clostridium perfringens Nước Môi trường 2,1

Men và nắm mốc

Aspergillus flavus Môi trường nuôi cấy | Môi trường 1,0

Rhizopus stolonifer Colony Môi trường 1,2

Trichosporon cutaneum Giò sông Môi trường 1,0

Protozoa

Entamoeba hystolytica Nước, FFV Môi trường <0,1 Toxoplasma gondii Thit heo Môi trường <0,2

Cycsticercus bovis Thi bo Môi trường 0,4

Trichina spiralis Thit heo Môi trường 0,1

Con trung

Ruoi trên trái Quả tươi Môi trường | 0,15

tô nam sinh bởi một sô nam moc có khôi lượng phân tử nhỏ hơn nhiêu so với DNA nên chịu bức xa tot hơn.

Liều tiêu điệt côn trùng phụ thuộc vào tuôi và giai đoạn phát triển của chúng.Trứng côn trùng rất nhạy với phóng xạ, côn trùng trưởng thành chịu phóng xạ lớnhơn Liều hap thụ 1 - 3 kGy có thé tiêu diệt côn trùng ở mọi giai đoạn phát triểntrong vài ngày, tuy nhiên liều triệt sản côn trùng lại thấp hơn nhiều (khoảng vài

trăm Gy) [50].

22

1.3.3 Liều yêu cầu tối thiểu

Liều yêu cầu tối thiêu là liều cần thiết dé giảm sỐ lượng vi sinh vat đến mộtmức chấp nhận từ giá trị số nhiễm ban đầu Thông thường mục tiêu cần giảm số visinh để đảm bảo an toàn thực phẩm là 107 lần hoặc 5 lần giá trị Dịo [51] Ví dụ đốivới thịt bò xay, với số lượng E.coli ban dau là 1.000 cá thể có trong 25 g, dé xácsuất tim thay một cá thể e.coli còn sống sau khi chiếu là nhỏ hon 0,2 thì cần phảithực hiện chiếu liều bang 5 lần giá trị Dyo là 1,25 kGy

Liều yêu cầu tối thiểu tính được ở trên được xem là liều cỡ trung bình donam trong dai liều từ 1 — 10 kGy Với mức liều 1,25 kGy thì phan gia tăng nhiệt

độ của khối mẫu là rất thấp (tính bằng phan năng lượng của bức xạ ion hóa dé lạitrong thực phẩm) Với dai liều hap thụ từ 1 — 10 kGy, mức độ gia tăng nhiệt độ củakhối mẫu chỉ dao động trong khoảng 0,25 — 2,50°C

1.4 Ảnh hưởng của bức xạ lên sản phẩm chiếu xạ

1.4.1 Chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm chiếu xạ

Thực phẩm chiếu xạ đảm bảo chất lượng dinh dưỡng không bị thay đôi đáng

ké so với thực phẩm không được chiếu xạ, hàm lượng chất dinh dưỡng đa lượngcủa thực phẩm thay đổi không đáng kể sau khi chiếu xạ Protein, chất béo vàcarbohydrate ít bị thay đổi về giá trị dinh dưỡng trong quá trình chiếu xạ ngay cảvới liều lượng trên 10 kGy, mặc du có thé có những thay đổi về mặt cảm quan [34]

Tương tự như vậy, các acid amin thiết yếu, acid béo thiết yếu, khoáng chất

và các nguyên tô vi lượng cũng không bị ảnh hưởng Có sự giảm sút một số vitamin

(đặc biệt là thiamin) nhưng chúng có cùng mức độ như xảy ra trong các quy trình

xử lý khác như sấy khô hoặc đóng hộp (khử trùng băng nhiệt) [52, 53]

bohydrate được gọi là monosaccharide có công thức tông quát là (CHạO)„ (với

n là số nguyên và lớn hơn 2) Các monosaccharide còn có thê được phân ra 2

nhóm nhỏ là aldose và ketose, tùy theo chức năng chính của nhóm là aldehydic hay

ketonic Monosaccharide thường là glucose va fructose Các disaccharide gồm crose, lactose và maltose, gồm hai đơn vị monosaccharide có công thức tông quát

su-là C„(H;O)„_¡ (n>5) Polysaccharide bao gồm tỉnh bột và xơ sợi như cellulose,

glycogen va dextrin là các phân tử lớn có chứa nhiêu đơn vi monisaccharide.

Khi chiếu xạ, cabohydrate phức hợp bị phá hủy thành các sugar đơn giản

hơn, trong khi đó các monosaccharide lại bị phân tách thành các acid sugar và

ketone, tương tự các thành phần thủy phân thông thường Do đó, với liều chiếuthấp và trung bình, chất lượng dinh dưỡng của carbohydrate ít bị ảnh hưởng Tuynhiên, với liều hấp thụ cao, có thể làm yếu các chất tạo nên thành của các tế bảosợi và giảm kết cấu (texture) và chất lượng của sản phẩm [49]

Chất đạm

Chất đạm (Protein) là các hợp chất cao phân tử chứa nitrogen, carbon, drogen và oxygen Một số protein còn chứa sắt, phốt pho và lưu huỳnh Protein cònđược gọi là polypeptide vì có chứa các chuỗi amino-acid và được liên kết bởi cácpeptide (nhóm carboxyl của một amino acid được nối với nhóm amino khác) Khốilượng của một protein nam trong dai vài ngàn đến hơn một triệu đơn vị nguyên tử.Protein là thành phần chính của cấu tạo tế bào, chiếm 50% khối lượng khô của mô

hy-động vật Các protein khá đa dạng, từ các protein dài, không tan trong nước (tạonên mô, lông và tóc) đến các protein đậm đặc, tan trong nước và enzyme có thể

đi qua màng tế bao, tạo xúc tác cho các phản ứng trao đôi chất quan trọng cho sựsông Chức năng của một protein được xác định bởi cấu trúc 3 chiều của protein

đó Các protein dạng sợi như collagen và các sợi protein cơ chủ yếu là các sợi daiSong song của các amino acid được nối bởi các nhóm khác nhau Ngược lại, cácprotein dang cầu như enzyme, albumin va myoglobin có các cấu trúc xoắn và hìnhdang bat kỳ

Cac amino acid nhạy với các phan ly phóng xạ nhưng lại kém nhạy khi ở

24

trong cấu trúc của phân tử protein Vì vậy, ở dải liều hấp thụ thấp và trung bình,protein của thực phẩm ít bị chia cắt thành những mảnh protein và amino acid cókhối lượng phân tử nhỏ hơn khi so sánh với phương pháp xử lý bằng hơi nước nóng.Nhưng ở mức liều hấp thụ cao hơn, protein bị suy giảm và dẫn theo chất lượng củasản phẩm chiếu xạ giảm theo [54].

carbohydrate và protein.

Lipid ít bi ảnh hưởng khi bị chiếu xa ở mức liều hấp thụ thấp và trung bình

Ở mức liều nay, lipid không tạo nên các vòng thom (aromatic) và các di vòng(heterocyclic) hoặc cô đặc các vòng thơm (các chất có nguy cơ gây ung thư) Tuynhiên ở mức liều cao, với sự có mặt của oxy sẽ tạo nên các hydroperoxide lỏng cómùi mỡ ôi, đặc biệt các acid béo chưa bão hòa gây ra các mùi khó chịu Đề giảm

sự tạo thành các acid béo chưa bão hòa, có thé kết hợp biện pháp xử lý chiếu xạ ởnhiệt độ thấp hoặc loại bỏ bớt oxy trước khi chiếu xạ [49]

Các vitamin

Các vitamin là các phân tử nhỏ, chiếm một lượng rất nhỏ trong thực phẩmnhưng lại rất cần cho sự phát triển cơ thể Thiếu hụt vitamin nghiêm trọng tạo ra cácảnh hưởng mạnh đến sinh lý Có tổng cộng khoảng 13 nhóm vitamin quan trọng.Các vitamin hòa tan trong nước gồm BI (thiamin), B2(riboflamin), B3 (niacin), B5(pantothenic), B6 (pyridoxine), B12 (cynocobalamin), Folacin, Biotin va vitamin

25