nghiên cứu sử dụng bộ lọc để giảm độ bất đồng đều liều trong sản phẩm chiếu xạ trên máy gia tốc chùm tia điện tử uerl-10-15s2

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, em đã nhận được sự giảng dạy tận tình của quý thầy cô. Chính nơi đây đã giúp em trưởng thành trong học tập. Để hoàn thành tốt khóa luận em đã nhận được sự quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và động viên của quý thầy cô, gia đình, bạn bè…. Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Ban Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đã tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận. Thầy hướng dẫn TS. Trần Văn Hùng đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành tốt khóa luận. Trưởng bộ môn Vật lý Hạt nhân PGS.TS. Châu Văn Tạo đã tạo điều khiện cho em học tập và thực hiện khóa luận. Thạc sĩ Cao Văn Chung là người thầy đầu tiên truyền đạt cho em những kiến thức về CODE MCNP và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho khóa luận. Quý thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã giảng dạy cho em trong suốt quá trình học tập. Các bạn lớp 10vlhn đã quan tâm động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận. Cuối cùng, xin khắc sâu công ơn của cha mẹ, gia đình đã luôn sát cánh bên em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện khóa luận, luôn động viên và ủng hộ để em hoàn thành khóa luận này trong điều kiện tốt nhất. TP. Hồ Chí Minh tháng 7 năm 2014 Sinh Viên Nguyễn Vũ Diệu Linh 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Các ký hiệu T e Động năng tương đối của electron T Động năng của electron Năng lượng ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường p Động lượng của hạt E part Năng lượng của bức xạ điện từ E max Năng lượng cực đại của electron E(d) Năng lượng trung bình của electron sau khi qua bề dày d E 0 Năng lượng ban đầu của electron f Phần năng lượng electron chuyển thành photon W F Năng lượng electron để lại trong vật chất η b Năng lượng hữu ích W Cường độ bức xạ hãm η Hiệu suất chùm tia ∆m Khối lượng vật chất chiếu xạ ∆V Thể tích vật chất chiếu xạ n e Mật độ electron trong môi trường δ Số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ Z Bậc số nguyên tử của môi trường vật chất ρ Tỷ trọng khối ρ a Tỷ trọng mặt n Mật độ nguyên tử m e Khối lượng electron m p Khối lượng proton m n Khối lượng neutron e Điện tích electron c Vận tốc ánh sáng v Vận tốc của hạt electron bắn tới υ Vận tốc băng chuyền σ rad Tiết diện hiệu dụng σ(T,ν) Tiết diện phát photon D Liều hấp thụ D tb Liều trung bình D S Liều tổng P ht Suất liều hấp thụ d Chiều dày đối tượng chiếu xạ d opt Chiều dày tối ưu X 0 Chiều dài bức xạ r e Bán kính cổ điển của electron 4 Các chữ cái viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt MCNP Monte Carlo N-Particle Chương trình mô phỏng vận chuyển hạt N của nhóm J.F.Briesmeister ENDF Evaluated Nuclear Data File Thư viện số liệu hạt nhân ENDL Evaluated Nuclear Data Library Thư viện số liệu hạt nhân ACTL ACTivation Library Thư viện kích hoạt từ Livemore ADN Acid Deoxyribo Nucleic Axit Deoxyribo Nucleic 5 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 MỞ ĐẦU Chiếu xạ thực phẩm là một công nghệ đảm bảo an toàn về mặt vệ sinh thực phẩm và rất kinh tế. Hiện nay trên thế giới có nhiều nước sử dụng công nghệ này để xử lý và bảo quản các loại thực phẩm khác nhau bao gồm trái cây, rau củ, gia cầm. 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, nấm mốc, vi rút, các ký sinh trùng khác và các loại sâu bọ. Để giữ thực phẩm được lâu và an toàn khi sử dụng, ta dùng các bức xạ ion hóa gây ra những biến đổi về mặt sinh hóa nhằm ngăn chặn quá trình sao chép của AND, gây chết các tế bào vi khuẩn, côn trùng…. So sánh phương pháp chiếu xạ với phương pháp bảo quản thực phẩm khác như đông lạnh hay dùng hóa chất thì phương pháp chiếu xạ an toàn và mang tính kinh tế hơn rất nhiều. Các ảnh hưởng của việc chiếu xạ lên thực phẩm và lên người ăn thực phẩm chiếu xạ đã được nghiên cứu rộng rãi và lâu dài tại Mỹ cũng như các nước tiên tiến khác. Những nghiên cứu này cho thấy thực phẩm chiếu xạ có những lợi ích sau: Thứ nhất, chiếu xạ với liều thích hợp sẽ tiêu diệt được các vi khuẩn và vi sinh vật gây bệnh như E. coli, Trichina, Salmonella có trong thịt và gia cầm hay các loại thực phẩm khác, ngăn chặn sự nảy mầm của khoai tây và tỏi, làm chậm quá trình chín của trái cây Thứ hai, thực phẩm chiếu xạ không tiếp xúc với chất phóng xạ mà chỉ bị chiếu bởi chùm tia điện tử phát ra từ máy gia tốc, do đó nó không bị nhiễm phóng xạ. Thứ ba, sau khi chiếu xạ, thực phẩm không xuất hiện bất kỳ độc tố nào và không có sự thay đổi các thành phần hóa học gây ảnh hưởng bất lợi đến sức khỏe con người. Thứ tư, chiếu xạ không làm giảm giá trị dinh dưỡng cũng như các vitamin trong thực phẩm, ngoài ra cũng không có thay đổi nào của acid amin và acid béo 8 Thứ năm, các nhà máy sử dụng công nghệ chiếu xạ thực phẩm vận hành theo đúng qui trình an toàn sẽ không gây hại gì đến môi trường xung quanh cũng như không gây ảnh hưởng bất lợi về sức khỏe của nhân viên làm việc. Chính vì những lợi ích trên mà công nghệ chiếu xạ thực phẩm ngày càng được áp dụng rộng rãi. Tại Việt Nam, công nghệ chiếu xạ thực phẩm cũng đang được ứng dụng tại một số cơ sở. Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đang tiến hành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2. Thực tế để hoàn tất một quy trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải đơn giản. Do khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử không cao nên tỉ số bất đồng đều về liều khá lớn max min D D > 2. Vì vậy ta cần lắp rắp thêm bộ lọc để có max min D D < 2. Khóa luận này nghiên cứu thiết kế độ dày, hình dạng, chất liệu làm bộ lọc và sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particle) tính toán phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ trên máy gia tốc chùm tia điện tử UELR-10-15S2. Để quá trình chiếu xạ được an toàn, đơn giản, ít tốn kém hơn và nâng cao hiệu suất chiếu xạ. Khóa luận được chia thành 3 chương: Chương 1: Quá trình truyền năng lượng của electron trong vật chất: Trình bày quá trình mất năng lượng do ion hóa, mất năng lượng do bức xạ, mất năng lượng do bức xạ Synchrotron, mất năng lượng do bức xạ Cherenkov. Chương 2: Cơ sở khái niệm bộ lọc và chương trình MCNP: Trình bày cơ sở lý thuyết cho các tính toán chiều dày bộ lọc và năng lượng electron giảm khi đi qua bộ lọc, xem xét và lựa chọn vật liệu tối ưu làm bộ lọc, giới thiệu tổng quan về chương trình MCNP; mô tả sự phân bố chùm tia qua bộ lọc bằng MCNP. Chương 3: Cải tiến bộ lọc và kết quả tính toán: Kiểm tra kết quả của bài báo khoa học [6] bằng MCNP; trình bày phương pháp cải tiến và thiết kế bộ lọc tối ưu cho quá trình chiếu xạ dùng nguồn electron 6 MeV và 10MeV; kết quả tính toán phân bố liều theo độ sâu trong thùng hàng bằng chương trình MCNP. Kết luận và kiến nghị. 9 CHƯƠNG 1 QUÁ TRÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA ELECTRON TRONG VẬT CHẤT 1.1. Sự mất năng lượng do ion hóa Khi có sự va chạm của electron này với electron khác, electron có thể mất đi một phần năng lượng đáng kể (trung bình đến một nửa năng lượng). Nhưng nếu electron sơ cấp có năng lượng lớn hơn năng lượng electron giật lùi thì năng lượng trung bình mất đi là một phần tư. Sự mất năng lượng trên đơn vị đường đi của electron cũng được tính bởi công thức Bethe dạng tổng quát [4]: ( ) ( ) ( ) e 4 2 2 2 2 2 2 e e e 2 2 2 ion e 2πn e m v T dT 1 - = ln - ln2 1- β - 1 + β +1- β + 1- 1- β - δ dx 8 m v 2I 1- β            ÷  ÷  ÷    ÷  ÷    ÷         (1.1) ở đây, e T là động năng tương đối của electron, e n là mật độ electron trong môi trường, và δ là số hạng hiệu chỉnh hiệu ứng mật độ. Khi v c 1= , ta có [4]: e 2 2 e 2 ion e m v dT 4πe e - = nZ×ln dx 2 2I m v      ÷  ÷  ÷     (1.2) ở đây Z, n lần lượt là bậc số nguyên tử và mật độ nguyên tử của môi trường vật chất. Sau va chạm, chùm electron đơn năng sẽ mất năng lượng và năng lượng của chùm electron qua tấm vật chất sẽ phân bố trong khoảng năng lượng nào đó phụ thuộc vào bề dày của vật liệu. Mặt khác, hạt electron vào có khối lượng bằng khối lượng electron trong nguyên tử nên va chạm giữa chúng làm hạt electron chuyển động lệch khỏi hướng ban đầu. Khi 10 đó hạt electron chuyển động theo đường cong gấp khúc sau nhiều va chạm trong môi trường hấp thụ và cuối cùng sẽ dừng lại khi hết năng lượng để ion hóa. 1.2. Sự mất năng lượng do bức xạ Khi hạt electron đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu, tức là chuyển động có gia tốc và mất năng lượng bằng cách phát ra bức xạ điện từ, mà thường gọi là bức xạ hãm (Bremsstrahlung). Năng lượng bức xạ hãm phân bố liên tục từ 0 đến giá trị cực đại 0 E của năng lượng hạt electron vào. Sự mất năng lượng của hạt electron trong trường hợp này gọi là mất năng lượng do bức xạ. Cường độ bức xạ hãm W là lượng năng lượng bức xạ trong một giây. Đối với hạt có gia tốc dv a = dt r r trong trường hợp không tương đối và không lượng tử hóa thì cường độ bức xạ hãm bằng: 2 2 2 3 3 e z W = a 2 c × r (1.3) Thay F a = m r r vào công thức (1.3) ta được: ( ) 2 2 2 3 2 F 3 e z W = × × 2 c m r (1.4) Từ biểu thức (1.4) ta thấy cường độ bức xạ hãm khi tương tác Coulomb của hạt với tâm điện tích sẽ tỉ lệ nghịch với bình phương khối lượng hạt và tỉ lệ thuận với bình phương điện tích của tâm tán xạ. Như vậy, sự mất năng lượng do bức xạ chỉ có giá trị đáng kể đối với hạt electron chứ không quan trọng đối với hạt nặng tích điện. Chẳng [...]... sở của bộ lọc 2.1.1 Giới thiệu Chiếu xạ thực phẩm là một công nghệ đảm bảo an toàn về mặt vệ sinh thực phẩm, an toàn khi sử dụng và rất kinh tế Chính vì những lợi ích đó mà công nghệ chiếu xạ thực phẩm ngày càng trở nên quan trọng Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đang tiến hành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2. .. khẳng định độ dày bộ lọc nhôm khi chiếu xạ bằng nguồn electron năng lượng E0 = 6 MeV là 0,6 cm Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đã vận dụng kết quả bài toán để tiến hành chiếu xạ thực phẩm trên máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2 Kết quả thực nghiệm cho thấy đường phân bố liều không được làm phẳng Do đó, khóa luận này dùng chương trình MCNP để kiểm tra kết quả bài báo Để thấy... xấu đi đồng thời mất hiệu quả chùm tia Phương pháp tăng sự đồng đều liều trong khắp chiều sâu của thùng hàng là sử dụng các vật liệu hấp thụ (được gọi là bộ lọc) [6] Sau khi đi qua bộ lọc hạt mất dần năng lượng và thâm nhập vào đối tượng chiếu xạ làm thay đổi sự phân bố liều theo chiều sâu 20 Hình 2.1 Phân bố liều trong thùng hàng khi không sử dụng bộ lọc Biểu đồ hình 2.1 cho thấy đường phân bố liều. .. khi qua bộ lọc Năng lượng E(d) (MeV) Độ dày d (cm) 5,95 0,010 35 5 0,197 4 0,397 3 0,600 2 0,806 1 1,016 Để thiết kế bộ lọc tối ưu cho quá trình chiếu xạ, cần nắm rõ đặc điểm chùm tia điện tử được tạo ra bởi máy gia tốc UERL-10-15S2 (Phụ lục 1) Chùm electron phát ra từ nguồn berium-aluminium, bị cathode của nguồn điện cao thế đẩy về lối vào của ống gia tốc nhờ một ống chuẩn trực Trong khối gia tốc, các... là không đáng tin cậy Để tăng thêm độ tin cậy của khóa luận, hàng loạt bộ lọc phẳng có độ dày khác nhau đã được mô phỏng bằng chương trình MCNP Điển hình là ba bộ lọc có độ dày lần lượt là 0,3; 0,1; 0,06 cm được trình bày trong mục 3.3 3.3 Phân bố liều trong thùng hàng được chiếu xạ bởi nguồn electron 6 MeV sử dụng bộ lọc có độ dày cố định Xem xét khả năng làm phẳng liều của bộ lọc có chiều dày cố định... 0,00 Hình 3.3 Phân bố liều trong thùng hàng sử dụng bộ lọc có chiều dày cố định được chiếu xạ bởi nguồn electron 6 MeV Từ bảng 3.4; 3.5; 3.6 và hình 3.3 cho thấy: − Các bộ lọc có chiều dày xác định không những không làm đường phân bố liều tốt hơn mà còn làm cho độ xuyên sâu của electron trong vật chất giảm đi rất nhiều − Bộ lọc càng dày thì khả năng hấp thụ năng lượng chùm tia điện tử càng lớn Dẫn đến... phát triển chi tiết bộ lọc, bao gồm việc lựa chọn độ dày, hình dạng, vật liệu thích hợp làm bộ lọc, tính toán tỉ lệ chùm tia điện tử thâm nhập vào thùng hàng để đảm bảo liều phân bố đồng đều trong khắp chiều sâu của đối tượng chiếu xạ 2.1.2 Cơ sở lý thuyết Chương 2 sẽ cung cấp các công cụ tính toán cụ thể bề dày bộ lọc tương ứng với các mức năng lượng electron nhằm thiết kế một bộ lọc hoàn chỉnh 21... của bộ lọc đến phân bố liều trong đối tượng chiếu xạ, cần xem xét sự phân bố liều hấp thụ trong thùng hàng khi sử dụng và không sử dụng bộ lọc bằng chương trình MCNP cho kết quả được trình bày trong bảng 3.2; 3.3 và hình 3.2 (File input của tính toán này được mô tả trong Phụ lục 6) Các kết quả tính toán trong khóa luận này có sai số tương đối R < 0,1 % 29 Bảng 3.2 Kết quả tính toán phân bố liều trong. .. năng lượng chùm tia hữu ích − Từ hình 3.3 khẳng định phân bố liều trong thùng hàng không đồng đều, chính vì vậy không thể dùng bộ lọc có chiều dày cố định để làm bằng phẳng đường cong liều 3.4 Tính toán tỷ lệ năng lượng chùm tia để làm phẳng đường phân bố liều Qua quá trình thử rất nhiều bộ lọc có bề dày khác nhau có thể khẳng định, bộ lọc có chiều dày cố định không thể làm phẳng đường phân bố liều mà... Thực tế để quá trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải đơn giản Do khả năng xuyên sâu của chùm tia điện tử không cao nên trong thùng hàng liều phân bố không đồng đều, hình 2.1 Chính vì thế, tỷ số bất đồng đều liều khá lớn D max D min > 2 Tại những điểm dưới liều, vi khuẩn không bị tiêu diệt Muốn diệt hết vi khuẩn ta phải cung cấp thêm liều Điều này dẫn đến, chất lượng hàng hóa được chiếu xạ ngày . dụng tại một số cơ sở. Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ đang tiến hành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2. Thực. Công nghệ Bức xạ đang tiến hành chiếu xạ các loại thực phẩm xuất khẩu và dụng cụ y tế sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2. Thực tế để quá trình chiếu xạ đạt hiệu quả tối ưu không phải. hai, thực phẩm chiếu xạ không tiếp xúc với chất phóng xạ mà chỉ bị chiếu bởi chùm tia điện tử phát ra từ máy gia tốc, do đó nó không bị nhiễm phóng xạ. Thứ ba, sau khi chiếu xạ, thực phẩm không