Nghiên cứu chiếu xạ thanh long trên thiết bị gia tốc điện tử UERL 10 15s2

THƯ VIỆN 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 Chun ngành: Vật lý ngun tử, hạt nhân 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 q trình học tập trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tơi Q Thầy Cơ cung cấp cho tơi kiến thức chun sâu, giúp tơi trưởng thành học tập nghiên cứu khoa học Tơi xin gửi lời biết ơn đến tất Q Thầy Cơ tận tình giảng dạy tơi suốt thời gian học trường Tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Trần Văn Hùng, Nghiên cứu viên Trung tâm nghiên cứu triển khai cơng nghệ xạ - Viện Năng lượng Ngun tử Việt Nam định hình cho tơi lựa chọn đề tài tận tình hướng dẫn tơi suốt thời gian thực luận văn Đặc biệt, tơi học Thầy phương pháp làm việc khoa học học có từ thực tiễn, từ vốn sống, từ am hiểu thấu đáo riêng Thầy mà khó có sách diễn đạt hết điều Tơi chân thành cám ơn Ths Trần Khắc Ân, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu triển khai cơng nghệ xạ - Viện Năng lượng Ngun tử Việt Nam tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình thực đề tài Xin phép gửi lời cám ơn đến Q Thầy Hội đồng Bảo vệ Luận văn Thạc sĩ đọc, đóng góp ý kiến, nhận xét đánh giá luận văn Tơi gửi lời cám ơn Cử nhân Nguyễn Anh Tuấn cử nhân Cao Văn Chung - Phòng vật lý Trung tâm nghiên cứu triển khai cơng nghệ xạ - có ý kiến đóng góp q báu dành cho tơi nhiều hỗ trợ nhiệt tình q trình thực luận văn Tơi xin phép gửi lời cám ơn đến Sở Giáo dục – Đào tạo TP Hồ Chí Minh, Ban Giám Hiệu trường THPT Bùi Thị Xn đồng nghiệp tạo nhiều điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập, thực luận văn Cuối cùng, xin khắc sâu cơng ơn Cha Mẹ, người thân, bạn bè ln ủng hộ, động viên giúp đỡ tơi suốt khóa học DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu D1 : Liều chiếu từ đầu qt D2 : Liều chiếu từ đầu qt 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 rau sử dụng xạ ion hóa, chẳng hạn chùm điện tử, tia gamma tia X để giảm ngăn cản sinh trưởng tiêu diệt vi sinh vật có hại vật phẩm Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu khẳng định chiếu xạ có nhiều ứng dụng hữu ích, ví dụ tiêu diệt trùng hoa hạt ngũ cốc, chống nảy mầm khoai tây, hành tây, làm chậm chín loại tươi rau củ, gia tăng tính an tồn khử trùng sản phẩm thịt tươi đơng lạnh, hải sản trứng sữa.v.v Lịch sử chiếu xạ thực phẩm khám phá tia X Roentgen 1895 chất phóng xạ Becquerel 1896 Theo sau khám phá có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng xạ lên quan sinh học Đầu kỷ 20, nghiên cứu cho thấy xạ ion hóa hữu ích ứng dụng chiếu xạ thực phẩm Nguồn xạ sử dụng máy gia tốc hạt, tạo chùm điện tử tới lượng 24 MeV, vào cuối năm 40 kỷ 20, đồng vị phóng xạ nhân tạo Co60 Cs137 (phát xạ gamma) ứng dụng chiếu xạ cơng nghiệp cách phổ biến Tuy nhiên, thiết bị gia tốc điện tử ngày có tính chất ưu việt mà thiết bị sử dụng nguồn Co60 Cs137 khơng có Chẳng hạn khơng để lại chất thải phóng xạ (vì nguồn Co60 Cs137 hoạt độ q thấp khơng sử dụng ứng dụng chiếu xạ phải chơn cất chất thải phóng xạ), hoạt động phát xạ ion hóa, khơng sử dụng, tắt nguồn điện, chùm xạ ion hóa tắt.v.v Chính vậy, ngày giới có khoảng 200 thiết bị gia tốc điện tử 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, cơng ty Sơn Sơn (Bình Chánh) sử dụng chùm tia X từ máy gia tốc điện tử MeV để xử lý thực phẩm Chùm tia X tạo từ chùm điện tử MeV đập lên bia W Vào cuối năm (2010), Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Cơng nghệ Bức xạ 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 khử trùng dụng cụ y tế Cũng cần nói thêm, tình hình có tính chất thời việc xuất trái Việt Nam là: Mới Hoa Kỳ chấp nhận cho phép nhập trái Thanh long Việt Nam Tuy nhiên, u cầu bắt buộc từ phía Hoa Kỳ Thanh long phải qua chiếu xạ để đảm bảo kiểm dịch trùng Chính vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chiếu xạ Thanh long thiết bị gia tốc điện tử UERL- 10-15S2” nhằm góp phần giải vấn đề chiếu xạ trái Thanh Long xuất Việt Nam thiết bị gia tốc điện tử UERL- 10-15S2 vào hoạt động Mục đích đề tài xuất phát từ đặc điểm khả xun sâu chùm điện tử thấp tia X tia gamma nên khn khổ luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu phân bố liều trái Thanh long nhằm tiêu diệt trùng, ấu trùng trứng trùng, sâu bệnh trái Thanh long, đảm bảo u cầu kiểm dịch Chính vậy, luận văn mang ý nghĩa thực tế cao, nhằm đáp ứng xuất trái Thanh long vào thị trường Mỹ, Châu Âu nước khác, góp phần nâng cao giá trị xuất trái Thanh long Việt Nam Để đạt mục tiêu trên, luận văn có nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu kích cỡ trái Thanh long, cách đóng gói xuất - Tính tốn phân bố liều bề mặt trái Thanh long - Tính tốn phân bố liều bên trái Thanh long - Độ bất đồng liều - Các giải pháp giảm hệ số bất đồng liều, đặc biệt biên độ bất đồng liều bề mặt trái Thanh long nhằm đáp ứng tiêu diệt trùng bề mặt - Đánh giá suất xử lý thiết bị Để thực luận văn, chúng tơi dùng chương trình MCNP, phần mềm vận chuyển xạ đa dựa phương pháp Monte-Carlo xây dựng phòng thí nghiệm quốc gia LosAlamos, Mỹ Đây cơng cụ tính tốn mạnh, mơ vận chuyển nơtron, photon electron, giải pháp tốn vận chuyển xạ chiều dùng nhiều lĩnh vực tính tốn Vật lý hạt nhân Trong đề tài MCNP sử dụng để tính tốn phân bố liều xử lý trái Thanh long Luận văn xếp thành ba chương theo cấu trúc 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 hạt tích điện với vật chất 1.2 Cơ sở hóa xạ 1.3 Định nghĩa liều, đơn vị liều 1.4 Hiệu ứng xạ lên quan sinh học 1.4.1 Các quan vi sinh 1.4.2 Hiệu ứng xạ ion hóa 1.5 Hiệu ứng xạ lên thành phần thực phẩm 1.6 Ứng dụng chiếu xạ thực phẩm CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ GIA TỐC ĐIỆN TỬ UERL 1015S VÀ CODE MCNP 2.1 Sơ sử dụng máy gia tốc điện tử chiếu xạ 2.2 Phân bố chùm tia liều bên 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 3.5 Các kỹ thuật làm giảm độ bất đồng 3.6 Đánh giá suất thiết bị CHƯƠNG HĨA BỨC XẠ, HIỆU ỨNG CỦA BỨC XẠ LÊN CƠ QUAN SINH HỌC VÀ THÀNH PHẦN THỰC PHẨM Bức xạ dạng lượng phát q trình vận động biến đổi vật chất Về mặt vật lý thể dạng sóng, hạt sóng hạt Mỗi dạng xạ đặc trưng dải lượng hay tương ứng với nó, dải bước sóng xác định Mối tương quan lượng E bước sóng λ xa mơ tả biểu thức: E  h  c 2 (1.1) Trong h - số Planck; c- vận tốc ánh sáng chân khơng Hiện nay, dạng xạ phổ biến áp dụng xạ electron, tia gamma, xạ hãm, xạ tử ngoại, chùm ion, xạ nơtron Còn nguồn xạ thơng dụng bao gồm nguồn xạ thụ động (nguồn đồng vị phóng xạ Co60, Cs137…) nguồn xạ chủ động ( máy gia tốc, thiết bị phát chùm tia) [4] Để sâu nghiên cứu q trình truyền lượng xạ cho vật chất xem xét đặc trưng sau đây: 1.1 Tương tác hạt tích điện với vật chất [5],[13] Các hạt mang điện bao gồm hạt nhẹ mang điện (electron, positron) hạt nặng mang điện (proton, hạt  , mảnh vỡ hạt nhân ) Các hạt mang điện vào mơi trường chúng tham gia loại tương tác khác với ngun tử tồn bộ, với electron riêng lẻ vỏ ngun tử hay với hạt nhân ngun tử truyền lượng cho ngun tử, cho electron hay cho hạt nhân Các tương tác là: - Tán xạ đàn hồi với ngun tử tồn bộ, electron khơng lượng, đổi hướng chuyển động - Va chạm khơng đàn hồi với electron vỏ ngun tử: + Kích thích: xạ lượng + Ion hóa: xạ lượng - Tán xạ nhân + Tán xạ đàn hồi: xạ khơng lượng, đổi hướng bay + Tán xạ khơng đàn hồi: xạ lượng phát xạ hãm - Gây phản ứng hạt nhân Tùy theo loại xạ (nặng hay nhẹ) tùy thuộc vào lượng xạ vào mơi trường mà xác xuất xảy q trình lớn hay bé Các tương tác hạt mang điện với ngun tử mơi trường minh họa hình 1.1 Hình 1.1 Các tương tác hạt mang điện với ngun tử mơi trường Đối với ứng dụng chiếu xạ thực phẩm rau quả, xạ quan tâm chủ yếu điện tử Phạm vi nghiên cứu luận văn dùng trực tiếp chùm điện tử 10 MeV từ thiết bị gia tốc để xử lý hoa quả, cụ thể trái long, chúng tơi xin sâu vào khảo sát tương tác điện tử với vật chất Khi điện tử nhanh (điện tử lượng cao) qua vật chất, chúng bị va chạm Coulomb với điện tử hạt nhân ngun tử, va chạm gây nhiều kiểu mát lượng góc lệch điện tử Đối với điện tử tới có lượng khoảng -10 MeV, khối lượng tương đối tính lớn khối lượng điện tử ngun tử, nhỏ so với khối lượng hạt nhân ngun tử Vì vậy, xét túy động học, va chạm tán xạ với hạt nhân nặng khơng dẫn đến truyền lượng, làm thay đổi đáng kể đường điện tử (sự hãm điện tử cách đột ngột) làm phát sinh tia X Ngược lại, va chạm với điện tử ngun tử dẫn đến truyền lượng đáng kể, bứt điện tử khỏi quỹ đạo chúng ( ion hóa) Đến lượt mình, điện tử thứ cấp nhanh bị va chạm Coulomb, sinh điện tử tam cấp, tứ cấp… động điện tử tới bị hấp thụ gần hết Xét phương diện biến thiên lượng theo chiều sâu tương tác điện tử với vật chất xảy q trình vật lý sau đây: - Tán xạ khơng đàn hồi điện tử ngun 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 xạ hãm( tia X) chủ yếu va chạm hạt nhân 1.1.1 Tán xạ khơng đàn hồi điện tử ngun tử Sơ đồ tương tác hình 1.2 cho thấy điện tử nhanh tới với vận tốc v làm chuyển động điện tử ngun tử Khoảng cách gần hạt gọi thơng số va chạm, kí hiệu b Hình 1.2 Sơ đồ va chạm điên tử tới điện tử ngun tử Độ biến đổi vi phân momen dp chuyển đến điện tử ngun tử thời gian dt lực điện trường F hạt xác định theo phương trình: F dp e  (đơn vị cgs) dt r (1.2) r : khoảng cách tức thời điện tử Nếu giả thuyết lượng truyền E , phần tương đối nhỏ lượng điện tử tới E hướng điện tử tới thay đổi khơng đáng kể va chạm, tổng biến thiên momen p ngun tử điện tử thu cách lấy tích phân theo thời gian thành phần vng góc Vì dt  dx nên p xác định theo cơng thức: v p  ( e2 dx 2e2 )  cos  ( )  v r bv (1.3) Điện tử tới bị lượng E Mà E xác định cơng thức: E  (p)2 2m (1.4) với m khối lượng nghỉ điện tử Thay (1.3) vào (1.4) ta được: E  2e mv 2b2 (1.5) Nếu gọi N mật độ ngun tử có ngun tử số Z , có (2 bdb) NZ s điện tử ngun tử gia số độ dài s có thơng số va chạm nằm b b  db biễu diễn hình 1.3 Do đó, mát lượng va chạm trung bình đơn vị chiều dài điện tử tới ( E )coll , s tính cách lấy tích phân tất giá trị thơng số va chạm, cơng thức: (E / s )coll  4 NZ (e4 / mv )  (db / b)  4 NZ (e4 / mv )ln(bmax / bmin ) (1.6) Vì hạt tới hạt bia điện tử, nên lượng truyền cực đại E / ; thơng số va chạm tối thiểu tính từ phương trình (1.5) Giá trị cực đại thơng số va chạm cần phải kể đến thực tế điện tử ngun tử khơng hồn tồn tự mà bị liên kết trạng thái ngun tử khác Hình 1.3 Một điện tử tới truyền lượng E cho điện tử thể tích hình trụ ( (2 bdb / s ) Dựa mơ hình thống kê ngun tử xác định lượng kích thích ion hóa trung bình Iav dạng vi phân ( dE e4 E )coll  4 NZ ( )ln( ) (1.7) ds mv I av I av xấp xỉ với ngun tử số vật liệu, với số tỷ lệ bậc với lượng Rydberg 13.5 eV Chú ý lượng điện tử phi tương đối tính, E  mv cơng suất hãm va chạm giảm xấp xỉ theo E 1 Tuy nhiên, lượng tương đối tính vận tốc v gần tốc độ ánh sáng cơng suất hãm tăng logaric với lượng 1.1.2 Phát xạ điện tử thứ cấp Phổ điện tử thứ cấp, q trình va chạm sinh ra, thu ý 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 lượng biến thiên biểu thức d / d (E )  (E )2 (1.8) Vì thế, phổ nặng vùng lượng thấp hơn; điện tử có lượng thấp 10 keV, lượng thường xem bị suy giảm chỗ Còn điện tử thứ cấp nhanh rời xa khỏi chỗ va chạm sinh điện tử khác Q trình suy giảm lượng gần tức thời điện tử cuối đạt đến lượng nhiệt bị bắt giữ bị dẫn điện 1.1.3 Sự va chạm (tán xạ) đàn hồi với hạt nhân làm mở rộng chùm tia theo chiều ngang Bây xét va chạm điện tử tương đối tính với hạt nhân nặng có điện tích Ze, hình 1.4 Hình 1.4 Sơ đồ minh họa va chạm điện tử tới hạt nhân nặng có điện tích Ze Tương tự với phương trình (1.3), biến thiên momen động lượng p điện tử tới 2.Ze2 Góc bc tán xạ tương tác   p / p  Ze2 /(bcp) (1.9) Khi chùm tia điện tử xun sâu vào vật chất, điện tử riêng lẻ chịu nhiều lần lệch hướng thế, với kết tích lũy lại trãi rộng bề ngang chùm tia Vì giá trị có xác suất góc tán xạ trung bình phải (các va chạm khơng có hướng ưu tiên), sử dụng hệ thức cho góc tán xạ trung bình bình phương <  > cách lấy tích phân bình phương phương trình (1.9) tồn khoảng cho phép thơng số va chạm Nếu giả thuyết thay đổi p bé, tích phân thành biểu thức  e4  ln(bmax / bmin ) 2  c p      8 xNZ  (1.10) Với x độ xun sâu vào vật hấp thụ Điện tích hiệu dụng cơng thức thực phải hàm thơng số va chạm b, điện tử ngun tử gây che chắn điện tích hạt nhân Điều thường tính đến việc lựa chọn xác giá trị bmax Tuy nhiên, góc tán xạ trung bình bình phương khơng nhạy với giá trị thực thơng số va chạm, dù cực đại hay cực tiểu, chúng xuất thừa số dạng hàm logarith Vì cp hai lần động điện tử E, phép tính xấp xỉ thơ cho góc tán xạ bình phương trung bình là:    a ( Z / E )2 x (1.11) với a số Đối với nước biểu thức gần hữu ích    x(cm) /  E ( MeV )  (1.12) 1.1.4 Phát xạ hãm( tia X) chủ yếu va chạm hạt nhân [2],[3] Khi hạt electron đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm thay đổi đột ngột hướng bay ban đầu, tức hạt electron thu gia tốc lớn Gia tốc hạt electron thu tỷ lệ với điện tích hạt nhân tỷ lệ nghịch với khối lượng Theo điện động lực cổ điển, hạt tích điện nói chung hay hạt electron nói riêng chuyển động có gia tốc, phát xạ điện từ, gọi xạ hãm Phổ xạ hãm phổ liên tục, có lượng từ đến giá trị cực đại E0 động hạt electron vào Sự mát lượng hạt electron trường hợp gọi lượng xạ Độ mát lượng đơn vị đường electron phát xạ hãm xác định theo cơng thức  (E / s )rad  NE0 Z re   ln   E0   f (Z )  me c  (1.13) Trong N số ngun tử đơn vị thể tích; E0 lượng electron;   137 số cấu trúc tinh tế; Z điện tích hạt nhân; me khối lượng nghỉ electron; re bán kính cổ điển electron xác định cơng thức re  e2  2,82.1013 cm mec (1.14) Ta thấy, độ mát lượng phát xạ hãm tăng theo hàm lơgarit tự nhiên lượng Khi lượng tăng, độ mát lượng phát xạ hãm tăng theo, độ mát lượng ion hóa khơng đổi Khi lượng electron cỡ vài MeV trở lên, mối liên hệ độ mát lượng phát xạ hãm ion hóa xác định theo cơng thức sau: (dE / dx)rad EZ  (dE / dx)col 800 (1.15) Ngồi ra, độ mát lượng đơn vị đường phụ thuộc vào ngun tử số chất hấp thụ Đối với mơi trường hấp thụ cho trước, lượng nhỏ độ mát lượng ion hóa kích thích mơi trường chiếm ưu thế, đó, tỷ số độ mát lượng phát xạ hãm ion hóa nhỏ đơn vị Khi lượng tăng, tỷ số số tăng dần, đến giá trị lượng electron đạt giá trị lượng tới hạn Ecr , độ mát lượng phát xạ hãm độ mát lượng ion hóa Tại lượng tới hạn E  Ecr ta có phương trình  dE   dE   dx    dx    rad  col (1.16) Ta thấy lượng tới hạn phụ thuộc vào điện tích hạt nhân hay xác phụ thuộc vào ngun tử số mơi trường Từ biểu thức (1.15) ta nhận thấy rằng: Ngun tử số mơi trường lớn, lượng tới hạn giảm Năng lượng tới hạn xác định theo cơng thức Ecr  800MeV Z  1,2 (1.17) Khi lượng electron lớn nhiều lượng tới hạn, mát lượng chủ yếu phát xạ hãm Khi lượng electron giảm theo hàm số mũ xun qua vật chất xác định theo cơng thức  E  E0 exp   x  (1.18)   lrad  Trong lrad chiều dài xạ mơi trường Nó định nghĩa khoảng cách mà lượng electron giảm hệ số  0,367 phát xạ hãm E0 lượng ban đầu e electron 1.2 Cơ sở hóa xạ [5],[6],[9] 1.2.1.Cơ sở lý thuyết cơng nghệ xử lý thực phẩm lượng ion hóa Ở trạng thái bản, số electron quỹ đạo ngun tử phân tử 8, electron kết cặp với nhau, hai electron cặp có spin ngược chiều Ví dụ phân tử nước biễu diễn: H:O:H Dấu “ : ” Biễu diễn số electron ngồi H (hai), O (tám) Khi vật chất bị gia nhiệt, chiếu với ánh sáng, lượng ion hóa hay tương tác với enzime ngun tử hay phân tử bị vài electron hóa trị trở thành dạng gốc tự Số lượng gốc tự tạo thành phụ thuộc vào lượng, cường độ tác nhân gây kích thích Bây giờ, ta xét phân tử nước thành phần chủ yếu đa số sinh vật sống Trong trường hợp gốc tự hình thành thủy phân nước tác dụng xạ Đầu tiên ion hóa H 2O  Ionizing _ energy  HOH   e : cặp ion Sau q trình số phản ứng xảy ra: - Một là: Cặp ion tái hợp lại để trở thành phân tử bình thường Khi khơng có tổn hại xảy - Hai là: Electron gắn vào phân tử nước trung hòa trở thành loại ion thứ ba H 2O  e  HOH  - Ba electron bao quanh đến phân tử nước hình thành nên eeq ( gọi tương đương electron) Các ion HOH  HOH  khơng bền vững bị tách thành phần tử nhỏ HOH   H   OH * HOH   OH   H * OH * H* gọi gốc tự Thời gian hình thành gốc tự vào khoảng  s Vậy kết thủy phân xạ hình thành ion H  , OH  gốc tự Tương đương electron e-eq OH* H* e eq có tác dụng gốc tự Do OH * H * eeq gọi chung gốc tự sơ cấp Các ion H  OH  tái hợp mà khơng gây tổn hại sinh học Các loại ion thường xuất nước Các gốc tự phân tử trung hòa có electron khơng ghép cặp vỏ ngồi nên chúng có hoạt tính hóa học mạnh Chúng khơng bền, thời gian sống vào khoảng  s Tuy nhiên, khoảng thời gian ấy, chúng khuếch tán gây tương tác chỗ xa tế bào ( khoảng nm) Các gốc tự tương tác với phân tử khác theo phản ứng oxy hóa – khử Chúng cơng phá phân tử ADN, bẽ gãy liên kết phân tử gây tổn thương điểm nơi xa điểm hình thành gốc tự Các gốc tự tạo hydrogen peroxide, H 2O2 , độc tế bào hình thành nhiều cách Với xạ có LET(năng suất truyền lượng tuyến tính) cao, mật độ gốc tự cao, hai gốc tự OH * có kết hợp lại để hình thành H 2O2 OH *  OH *  H 2O2 Hay trường hợp có nhiều Oxy, hydrogen peroxide hình thành theo chuỗi sau H *  O2  HO*2 Các gốc tự Hydroperoxyl HO*2 khơng bền, kết hợp với hay với H * để tạo thành hydrogen peroxide: 2HO*2  H 2O2  O2 HO*2  H *  H 2O2 H 2O2 , OH * , H * e -eq xem sản phẩm gây hại q trình xạ phân, chất độc tế bào Ngồi ra, hai loại gốc tự khác hình thành Một số phân tử hữu khác, ký hiệu RH, trở thành gốc tự RH  Ionizing _ energy  RH *  H *  R* Khi có oxy, loại gốc tự khác hình thành : R*  O2  RO2 Như vậy, thể sống thể thống có khả tự điều khiển họat động bảo vệ tác nhân gây hại bên ngồi, chúng có khả tự phục hồi bị tổn thương Khi tác nhân gây hại đủ lớn, ngồi khả tự phục hồi thể sống chết Đây sở việc điều khiển giá trị lượng ion hóa làm tác nhân tiêu diệt vi khuẩn, ký sinh trùng xử lý thực phẩm Với liều lượng đủ lớn, lượng ion hóa tiêu diệt sinh vật từ dạng đơn bào đến phức tạp 1.2.2 Tổn thương xạ ion hóa 1.2.2.1 Tổn thương mức độ phân tử Các tổn thương phân tử hữu quan trọng đại phân tử hữu sở gây nên tổn thương mức độ tế bào, mơ tồn thể Năng lượng chùm tia truyền trực tiếp hay gián tiếp cho phân tử hữu chỗ chiếu hay lan xung quanh Như nói, xạ ion hóa kích thích ion hóa ngun tử cấu tạo nên phân tử từ phá vỡ mối liên kết, phân ly phân tử, tạo sản phẩm hóa học gây nên tổn thương lớn lan rộng Biểu tổn thương phân tử chiếu xạ là:  Giảm hàm lượng hợp chất hữu định sau chiếu xạ so với lúc trước chiếu xạ Trong thực tế, người ta thường theo dõi men sinh học (enzym), protein đặc hiệu, axít nhân… nhóm chức hóa học gốc amin( NH2), cacboxy (COOH), gốc SH bị tách lìa khỏi cấu trúc phân tử hữu Sở dĩ hàm lượng chúng bị giảm q trình tổng hợp sản xuất bị kìm hãm, phân hủy chuyển hóa chất tăng lên chiếu xạ  Hoạt tính sinh học phân tử hữu bị suy giảm hẳn cấu trúc phân tử bị tổn thương bị phá vỡ Ta biết phân tử hữu có cấu trúc định, cấu trúc định chức hoạt động Bức xạ ion hóa tách rời phá vỡ nhóm chức hóa học khỏi cấu trúc phân tử làm cho chúng khơng hoạt động sinh học đặc biệt  Tăng hàm lượng số chất có sẵn xuất chất lạ tổ chức sinh học Thơng thường chất có hại, độc cho tổ chức sinh học Chúng sản phẩm phân ly phân tử hữu phản ứng hóa học xảy chiếu xạ Điển hình H 2O2 , histamin, v.v Một tổn thương phân tử ảnh hưởng đến chức sinh học quan trọng tổn thương phân tử ADN ARN Các tổn thương ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động di truyền tế bào 1.2.2.2 Tổn thương mức độ tế bào Tế bào đơn vị sống Về cấu tạo, tế bào gồm nhân tế bào (nuclear) giữa, chất lỏng bao quanh gọi bào tương (cytoplasma) Bọc quanh bào tương màng gọi màng tế bào (membrane).(Hình 1.5) Mỗi phận thực chức riêng rẽ Hình 1.5 Cấu tạo tế bào Màng tế bào làm nhiệm vụ trao đổi chất với mơi trường ngồi Bào tương nơi xảy phản ứng hóa học, bẻ gãy phân tử phức tạp thành phân tử đơn giản lấy lượng nhiệt tỏa (dị hóa:catabolis) tổng hợp phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism) Còn nhân nơi điều khiển q trình tổng hợp Trong nhân có ADN đại phân tử hữu chứa thơng tin quan trọng để thực tổng hợp chất Trong hình (1.6) mơ hình cấu tạo phân tử ADN Các tế bào có thời gian sống định Các tế bào khác có thời gian sống khác Khi phân tử cấu tạo nên tế bào bị tổn thương xạ hoạt động chức đời sống tế bào bị ảnh hưởng Nhìn chung, rối loạn chức tế bào xảy với liều lớn (hàng trăm Gray) Hình 1.6 Mơ hình cấu tạo phân tử ADN Một chức quan trọng tế bào chức sinh sản Đó chức phân chia tế bào để tạo tế bào cho hệ sau ADN chứa thơng tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào Khả bị tạm thời (hồi phục được) vĩnh viễn tác dụng xạ ion hóa Thơng thường, tác dụng sinh học xạ lên phân tử phá hỏng ADN tế bào Các tổn thương mức độ tế bào là:  Sự phân bào bị chậm trễ: thường tạm thời xuất liều hấp thụ khoảng vài phần trăm Gray  Tế bào chết (mất khả phân bào, xảy tế bào chiếu xạ hệ sau) với liều từ  Gray 1.2.3 Cơ chế diệt khuẩn Cơ chế diệt vi sinh, trùng, nấm mốc gây hại cho người sử dụng thực phẩm dựa tính chất ion hóa ngun tử, phân tử cấu thành nên thể sống, đặc biệt phân tử ADN tế bào vi sinh gây bệnh Khi phân tử ADN bị ion hóa, liên kết chúng bị đứt gãy Nếu chiếu xạ liều vừa đủ việc phục hồi đứt gãy cấu trúc ADN khơng thực tế bào bị chết q trình phân bào vi sinh gây bệnh khơng thể phát triển 1.2.3.1 Khử trùng ( hay tiệt trùng Sterilization) Khử trùng xạ q trình vật lý nhằm bất hoạt vi sinh vật sinh vật nhờ hiệu ứng ion hóa tia xạ Q trình thực thiết bị chun dụng phát loại xạ ion hóa : tia gamma, chùm tia điện tử, tia X… So với phương pháp khử trùng nhiệt hóa học, khử trùng xạ xem cơng nghệ sạch, hiệu an tồn khử trùng xạ khắc phục nhiều nhược điểm phương pháp khác, độ đâm xun xạ sâu cho phép xử lý khối lượng sản phẩm lớn mà khơng phải tháo bao gói, tác dụng xạ lên sản phẩm sinh nhiệt yếu nên khơng làm chín, làm hỏng sản phẩm Ngồi xạ khơng để lại sản phẩm tồn dư 1.2.3.2 Thanh trùng Thanh trùng việc sử dụng tia xạ nguồn phóng xạ máy phát tia xạ để bảo quản ngăn ngừa biến chất thực phẩm gây vi sinh vật gây bệnh có hại 1.3 Định nghĩa liều, đơn vị liều [5],[6] Trong ứng dụng chiếu xạ thực phẩm rau quả, người ta thường quan tâm đến tác dụng sinh học xạ Những nghiên cứu sinh học xạ cho thấy tác dụng sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu tố, yếu tố quan trọng lượng mà xạ bỏ đơn vị vật chất Đại lượng gọi liều hấp thụ Liều hấp thụ có giá trị tùy thuộc loại xạ, lượng nó, thời gian chiếu tính chất vật chiếu Đo tính liều hấp thụ nhiệm vụ trọng tâm ứng dụng 1.3.1 Liều hấp thụ 1.3.1.1 Định nghĩa Liều hấp thụ (D) lượng lượng hấp thụ đơn vị khối lượng đối tượng vật chất bị chiếu xạ D E E  m V (1.19) Trong đó: E lượng xạ ion hóa đối tượng bị chiếu xạ; m khối lượng đối tượng bị chiếu xạ Định nghĩa áp dụng cho loại vật chất hấp thụ loại tia xạ, có lượng tùy ý 1.3.1.2 Đơn vị Đơn vị liều hấp thụ hệ SI Gray (Gy) Gray =1 J/kg Trong thực tế, người ta sử dụng đơn vị rad Gy = 100 rad 1.3.1.3 Tính chất Giá trị liều hấp thụ xạ phụ thuộc vào loại vật chất chiếu tính chất xạ Với liều chiếu, loại vật liệu khác hấp thụ lượng lượng khác Do đó, đưa liều hấp thụ người ta cho biết loại vật chất hấp thụ lượng lượng Ngồi ra, hấp thụ lượng mơi trường tia xạ tương tác xạ với electron ngun tử vật chất Do đó, lượng hấp thụ đơn vị khối lượng phụ thuộc vào lượng liên kết electron với hạt nhân ngun tử vào số ngun tử có đơn vị khối lượng mơi trường vật chất hấp thụ, khơng phụ thuộc vào trạng thái kết tụ vật chất Đối với chiếu xạ thực phẩm, rau ta lại có mối quan hệ sau: Đơn vị liều Gy kGy 1kGy = 1kJ/kg Còn kW tỉ lệ với số phân rã phóng xạ/s/g Như vậy, ta thay kW kJ/s liều tỉ lệ với số phân rã phóng xạ hay với số ADN bị bẽ gãy 1.3.2 Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ (Pht) liều hấp thụ tính đơn vị thời gian Pht  Dht t (1.20) Trong Dht liều hấp thụ khoảng thời gian t Đơn vị: W/kg rad/s Gy/s Nếu suất liều hấp thụ hàm thời gian, liều hấp thụ tính thơng qua cơng thức t Dht   Pht dt (1.21) 1.4 Hiệu ứng xạ lên quan sinh học [5],[13] 1.4.1 Các quan vi sinh Các cá thể sinh vật liên quan trực tiếp đến giữ gìn bảo quản thực phẩm bao gồm: vi khuẩn; men giấm nấm mốc; vi rút ký sinh trùng khác loại sâu bọ - Vi khuẩn tổ chức đơn bào Nhìn chung, chúng tồn dạng tế bào sinh dưỡng, sinh trưởng nhân điều kiện bên ngồi cho phép Một vài vi khuẩn có dạng bào tử Về bản, chúng gồm lớp che chắn bảo vệ, cho phép quan nằm bên trạng thái tiềm sinh chúng chịu đựng điều kiện mơi trường vơ khắc nghiệt Dưới góc độ bảo quản thực phẩm, vi khuẩn chia thành loại: (1) vi khuẩn có lợi vi khuẩn có khả tạo số loại đường thơng qua q trình lên men (2) Vi khuẩn có hại loại vi khuẩn làm biến đổi mùi vị, màu sắc, thành phần hình dạng thực phẩm (3) Vi khuẩn gây bệnh chủng loại vi khuẩn có khả phá vỡ trạng thái nội thực phẩm, gây bệnh tật cho động vật tiêu thụ Các vi khuẩn gần bao gồm: vi khuẩn làm thực phẩm thành độc, vài loại vi khuẩn lạ e.coli (hình 1.7) Vi khuẩn gây độc gây bệnh theo cách: xâm nhập, đầu độc làm nhiễm độc Một ví dụ xâm nhập vi khuẩn nhiễm độc Salmonella typhimurian, với độ nhiễm độc phụ thuộc vào mức độ hấp thụ thực phẩm bẩn Các quan bị tổn thương dọc theo ruột non gây bệnh tiêu chảy Sự đầu độc kết thực phẩm có chứa vi khuẩn sản sinh chất độc Những chất độc phải kể đến khuẩn cầu chùm Clostridium botulinum Hình 1.7 Một số loại vi khuẩn có hại Trong trường hợp đặc biệt, quan sau gây nhiễm độc neurotoxin cho thực phẩm ngun nhân sinh botulism Sự nhiễm độc kết quả trình đưa thực phẩm có chứa vi khuẩn gây độc vào thể Một ví dụ quan bị nhiễm độc Clostridium perfringens, tế bào gắn vào thành ruột nơi mà chúng hình thành bào tử Vỏ bào tử cho chúng tác nhân gây độc - Các loại men có cấu trúc đơn bào, chúng tập hợp thơng tin qua nhị gọi “sợi nấm” Khác với vi khuẩn tái sinh thơng qua việc phân chia tế bào, loại men tái sinh cấy ghép - Các nấm mốc có cấu trúc đơn bào hay đa bào, chúng xuất q trình phân hủy vật chất Các loại men nấm mốc mầm mống bệnh tật chất độc mà chúng gây - Virus khơng phải tế bào thực, chúng ký sinh nhân xâm nhập vào vật chất di truyền tế bào chủ, chẳng hạn tế bào dọc theo thành ruột Các virus khơng phát triển thực phẩm chúng gây ảnh hưởng đến vi khuẩn chủ Bệnh viêm gan truyền nhiễm virus bệnh bại liệt truyền nhiễm virus lây nhiễm qua sữa [...]... ht electron i n gn ht nhõn, lc hỳt Coulomb mnh lm nú thay i t ngt hng bay ban u, tc l ht electron cú th thu c mt gia tc ln Gia tc ca ht electron thu c t l vi in tớch ca ht nhõn v t l nghch vi khi lng ca nú Theo in ng lc c in, khi mt ht tớch in núi chung hay ht electron núi riờng chuyn ng cú gia tc, thỡ nú s phỏt ra bc x in t, c gi l bc x hóm Ph bc x hóm l ph liờn tc, cú nng lng t 0 n giỏ tr cc i E0 ca... kJ/s thỡ liu s t l vi s phõn ró phúng x hay vi s ADN b b góy 1.3.2 Sut liu hp th Sut liu hp th (Pht) l liu hp th tớnh trong mt n v thi gian Pht Dht t (1.20) Trong ú Dht l liu hp th trong khong thi gian t n v: W/kg hoc rad/s hoc Gy/s Nu sut liu hp th l mt hm ca thi gian, khi ú liu hp th c tớnh thụng qua cụng thc t Dht Pht dt (1.21) 0 1.4 Hiu ng ca bc x lờn c quan sinh hc [5],[13] 1.4.1 Cỏc c quan... electron; re l bỏn kớnh c in ca electron c xỏc nh bi cụng thc re e2 2,82 .101 3 cm 2 mec (1.14) Ta thy, mt mỏt nng lng do phỏt bc x hóm tng theo hm lụgarit t nhiờn ca nng lng Khi nng lng tng, mt mỏt nng lng do phỏt bc x hóm tng theo, trong khi ú mt mỏt nng lng do ion húa hu nh khụng i Khi nng lng ca electron c vi MeV tr lờn, mi liờn h gia mt mỏt nng lng do phỏt bc x hóm v do ion húa c xỏc nh theo cụng... loi ion ny cng thng xut hin trong nc Cỏc gc t do l nhng phõn t trung hũa cú mt electron khụng ghộp cp v ngoi cựng nờn chỳng cú hot tớnh húa hc rt mnh Chỳng cng khụng bn, thi gian sng vo khong 1 s Tuy nhiờn, trong khong thi gian y, chỳng cú th khuch tỏn v gõy tng tỏc ti mt ch xa trong t bo ( khong nm) Cỏc gc t do tng tỏc vi cỏc phõn t khỏc theo phn ng oxy húa kh Chỳng cú th cụng phỏ phõn t ADN,... iu khin quỏ trỡnh tng hp ú Trong nhõn cú ADN l mt i phõn t hu c cha cỏc thụng tin quan trng thc hin s tng hp cỏc cht Trong hỡnh (1.6) l mụ hỡnh cu to ca phõn t ADN Cỏc t bo cú thi gian sng nht nh Cỏc t bo khỏc nhau cú thi gian sng khỏc nhau Khi cỏc phõn t cu to nờn t bo b tn thng do bc x thỡ hot ng chc nng v i sng t bo cng b nh hng Nhỡn chung, ri lon chc nng t bo xy ra vi nhng liu ln (hng trm Gray)... xuyờn ca bc x sõu cho phộp x lý mt khi lng sn phm ln m khụng phi thỏo bao gúi, tỏc dng ca bc x lờn sn phm sinh nhit yu nờn khụng lm chớn, lm hng sn phm Ngoi ra bc x khụng li cỏc sn phm tn d 1.2.3.2 Thanh trựng Thanh trựng l vic s dng tia bc x ca ngun phúng x hoc mỏy phỏt tia bc x bo qun v ngn nga s bin cht ca thc phm gõy ra do vi sinh vt gõy bnh hoc cú hi 1.3 nh ngha liu, n v v liu [5],[6] Trong ng dng... in t cú nng lng thp hn 10 keV, thỡ nng lng ú thng c xem nh l b suy gim ngay ti ch Cũn cỏc in t th cp nhanh hn thỡ s ri xa khi ch va chm v s sinh ra cỏc in t khỏc Quỏ trỡnh suy gim nng lng ny gn nh tc thi v nhng in t cui cựng t n nng lng nhit v hoc b bt gi hoc b dn in thoỏt i 1.1.3 S va chm (tỏn x) n hi vi ht nhõn lm m rng chựm tia theo chiu ngang Bõy gi chỳng ta xột s va chm gia mt in t tng i tớnh... quanh bi 5 n 7 phõn t nc v hỡnh thnh nờn eeq ( gi l tng ng electron) Cỏc ion HOH v HOH khụng bn vng lm v cú th b tỏch thnh cỏc phn t nh hn HOH H OH * HOH OH H * OH * v H* c gi l cỏc gc t do Thi gian hỡnh thnh cỏc gc t do vo khong 1 s Vy kt qu ca s thy phõn do bc x l s hỡnh thnh cỏc ion H , OH v cỏc gc t do Tng ng electron e-eq OH* v H* v e eq cng cú tỏc dng nh mt gc t do Do ú OH * v H *... thoỏt i 1.1.3 S va chm (tỏn x) n hi vi ht nhõn lm m rng chựm tia theo chiu ngang Bõy gi chỳng ta xột s va chm gia mt in t tng i tớnh vi mt ht nhõn nng cú in tớch Ze, nh hỡnh 1.4 Hỡnh 1.4 S minh ha va chm gia mt in t ti v mt ht nhõn nng cú in tớch Ze Tng t vi phng trỡnh (1.3), s bin thiờn momen ng lng p ca in t ti l 2.Ze2 Gúc bc tỏn x do tng tỏc ny chớnh l p / p 2 Ze2 /(bcp) (1.9) Khi chựm tia in t... chc nng sinh hc quan trng l tn thng phõn t ADN v ARN Cỏc tn thng ú cú th nh hng trc tip n hot ng di truyn ca t bo 1.2.2.2 Tn thng mc t bo T bo l n v sng c bn V cu to, t bo gm mt nhõn t bo (nuclear) gia, mt cht lng bao quanh gi l bo tng (cytoplasma) Bc quanh bo tng l mt mng gi l mng t bo (membrane).(Hỡnh 1.5) Mi b phn thc hin nhng chc nng riờng r Hỡnh 1.5 Cu to t bo Mng t bo lm nhim v trao i cht vi