Công nghệ bức xạ

Công nghệ xạ Giảng viên: PGS TS Trần Đại nghiệp Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân Viện Năng l ợng Nguyên tử Việt nam mở đầu Công nghệ xạ môn khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng vật lý, hoá học, sinh học số hiệu ứng khác xuất xạ truyền lợng cho vật chất, nhằm biến hiệu ứng thông qua quy trình công nghệ, để tạo sản phẩm với phẩm chất, tính công dụng mới, phục vụ ngời Sự đời môn công nghệ xạ kết giao kết hợp chủ yếu ngành vật lý hạt nhân, hoá học sinh học Do đó, để hiểu cách thấu đáo, đòi hỏi kiến thức định ngành có liên quan 1 Kỹ thuật hạt nhân công nghệ xạ 1 Vai trò kỹ thuật hạt nhân Vật lý hạt nhân có hai lĩnh vực ứng dụng quan trọng: - Các ứng dụng lợng: Năng lợng to lớn giải phóng phản ứng phân hạch tổng hợp hạt nhân đợc sử dụng nhà máy điện hạt nhân vũ khí hạt nhân; - Các ứng dụng phi lợng hay kỹ thuật hạt nhân: Lĩnh vực sử dụng tơng tác xạ hạt nhân với vật chất phản ứng hạt nhân phát lợng tơng đối nhỏ so với lợng phân hạch tổng hợp hạt nhân Kỹ thuật hạt nhân ngày trở thành ngành kinh tế kỹ thuật thực tế số nớc công nghiệp phát triển trở thành ngành kinh tế thực với lợi nhuận hàng năm lên tới hàng trăm tỷ đô la, mang lại hàng triệu việc làm, sánh ngang với ngành kinh tế quan trọng đất nớc Hoa Kỳ ví dụ điển hình cho quan điểm Năm 1991 ứng dụng phi lợng hạt nhân mang lại cho nớc 257 tỷ USD chiếm 78% lợi nhuận 3,7 triệu việc làm, chiếm 90% chỗ làm việc so với toàn ngành lợng nguyên tử Nếu so với ngành điện Hoa Kỳ lợi nhuận ứng dụng phi lợng hạt nhân lớn gấp 1,25 lần (không kể điện nguyên tử) Tuy chiếm tỷ trọng khiêm tốn công nghiệp nhng công nghệ xạ phát triển mạnh mẽ, với tốc độ tăng trởng hàng năm cao, khoảng 15 - 20%, chí có nơi lên tới 25% nh Việt Nam Hiện nớc ta có sở chiếu xạ: sở Hà Nội sở thành phố Hồ Chí Minh Các sở chiếu xạ thờng sử dụng nguồn gamma máy gia tốc làm nguồn chiếu xạ Trên giới có khoảng 200 nguồn 60Co 750 máy gia tốc hoạt động với mục đích công nghiệp nh nhà máy độc lập 1 Xử lý xạ - công cụ đổi công nghiệp Từ nhiều năm kỹ thuật hạt nhân, đặc biệt công nghệ xạ trở thành công cụ đổi công nghiệp, làm tăng hiệu công nghiệp, tăng suất lao động, tiết kiệm lợng bảo vệ môi trờng sinh thái Sau số thành tựu điển hình công nghệ xạ năm qua: - Các máy gia tốc ion nặng (máy cấy ion) tạo vi mạch với kích thớc dới 0,1 àm Riêng Nhật Bản có tới 400 máy cấy ion làm việc lĩnh vực bán dẫn vi điện tử - 100% vật liệu vách ngăn loại pin siêu nhỏ vật liệu polyme đợc xử lý xạ - Vật liệu composit SiC loại vật liệu sử dụng kỹ thuật hàng không vũ trụ đợc xử lý xạ, chịu tới nhiệt độ 18000C, xử lý nhiệt chịu đợc nhiệt độ 12000C - Hàng năm kỹ thuật xử lý bề mặt toàn giới sử dụng khoảng 20 triệu hóa chất, 40% lợng hoá chất bay vào khí gây ô nhiễm môi trờng tạo hiệu ứng nhà kính Kỹ thuật xử lý xạ cho 1% lợng hóa chất bay vào môi trờng - 80% bao bì thực phẩm Châu Âu Bắc Mỹ đợc xử lý bề mặt xạ - 90% lợng SO2 85% lợng NOx chất độc từ khói công nghiệp biến thành phân bón dùng nông nghiệp xử lý xạ electron Quá trình cho phép làm giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính Trái đất trận ma axit - Trong công nghiệp sản xuất dụng cụ y tế, 40 đến 50% sản phẩm đợc khử trùng công nghệ xạ Dự báo năm tới, tỷ lệ đạt 80% - Có 38 nớc với 120 chủng loại thực phẩm thơng mại hóa thực phẩm chiếu xạ Xử lý xạ từ nhiều năm trở thành lĩnh vực nghiên cứu phát triển quan trọng đợc quan Năng lợng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) khuyến cáo tài trợ 2 Tơng tác lợng xạ với vật chất Các đặc trng tơng tác xạ với vật chất 1 Khái niệm xạ Bức xạ dạng lợng phát trình vận động biến đổi vật chất Về mặt vật lý đợc thể dới dạng sóng, hạt sóng hạt Mỗi dạng xạ đợc đặc trng dải lợng hay tơng ứng với nó, dải bớc sóng xác định Mối tơng quan lợng E bớc sóng xạ đợc mô tả biểu thức: E = hv = c đó, h - số Plank; c - vận tốc ánh sáng chân không 2 Phân loại xạ theo lợng bớc sóng Tất dạng xạ phân loại theo lợng bớc sóng (1) Bảng 1: Phân loại xạ theo lợng bớc sóng Dạng xạ Năng l ợng điển hình B ớc sóng điển hình, m Sóng rađio - 102 - 10-4 Bức xạ nhiệt - 10-5 Tia hồng ngoại - 10-6 ánh sáng , tia tử ngoại - 10-7 Tia X: Tia : 100eV 10-8 1keV 10-9 10keV 10-10 100keV 10-11 1MeV 10-12 10MeV 10-13 100MeV 10-14 Đối tợng nghiên cứu môn công nghệ xạ Quá trình tơng tác xạ với vật chất ngày đợc ứng dụng để xử lý vật liệu, làm cho vật liệu có tính Nhiều trình xử lý xạ trở thành quy trình công nghệ Công nghệ xạ trở thành lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, công cụ đổi công nghiệp Đối tợng trình xử lý xạ dạng vật liệu thể khí, thể lỏng thể rắn; vật liệu vô vật liệu hữu Các dạng xạ phổ biến áp dụng xạ electron, tia gamma, xạ hãm, xạ tử ngoại, chùm ion, xạ nơtron Nói chung dạng xạ có lợng thấp Các nguồn xạ thông dụng bao gồm nguồn xạ thụ động (nguồn đồng vị phóng xạ nh 60 Co, 137Cs, ) nguồn xạ chủ động (máy gia tốc, thiết bị phát chùm tia) 2 Quá trình truyền lợng xạ cho vật chất 2 Các đặc trng chủ yếu trình truyền lợng Để sâu nghiên cứu trình truyền lợng xạ cho vật chất ta xem xét đặc trng sau đây: - Hệ số truyền lợng tuyến tính: Hệ số truyền lọng tuyến tính (Linear Energy Transfer- LET) L hạt mang điện môi trờng vật chất, đợc xác định công thức: dE L= dl (2) dE - tổn hao lợng trung bình hạt mang điện quãng đờng dl Năng lợng hạt thông thờng bị tiêu tốn cho trình ion hóa kích thích nguyên tử vật chất, phần khác tiêu tốn cho trình phát xạ hãm Các điện tử thứ cấp trình ion hóa, có đủ lợng để gây trình ion hóa tiếp theo, kết đờng hạt mang điện xuất vết tợng ion hóa tầng Các điện tử thứ cấp gây tợng ion hóa tiếp theo, đợc gọi điện tử Hệ số truyền lợng tuyến tính phụ thuộc vào động hạt sơ cấp quãng đờng tuyến tính cuả hạt vật chất - Liều hấp thụ Liều hấp thụ D chất có khối lợng dm đợc xác định tỷ số số lợng dE đ ợc chất hấp thụ khối lợng chất đó: D= dE dE = dm dV (3) - mật độ vật chất, dV - đơn vị thể tích Đơn vị liều hấp thụ Gray, viết tắt Gy: 1Gy = 1J kg-1 Đơn vị hệ SI rad 1Gy = 100 rad = 104 erg/g - Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ D' đợc xác định liều hấp thụ đơn vị thời gian: dD D' = dt ( 4) Đơn vị suất liều Gy.s-1 1Gy.s-1 = 1J.s-1.kg-1=1W.kg-1 - Kerma(Kinetic energy released in material) hay động giải phóng vật chất K dEk dEk E= = dm dV (5) - Kerma đợc coi tổng động ban đầu hạt mang điện giải phóng đơn vị khối lợng vật chất - Suất Kerma Suất Kerma đợc xác định công thức: K'= dK dt (6) Đơn vị đo Kerma suất Kerma tơng ứng giống nh đơn vị đo liều suất liều hấp thụ - Dòng dò lợng Dòng rò lợng lợng bị thất thoát khỏi bề mặt đơn vị thể tích xem xét Dòng rò lợng đợc xác định biểu thức J/ , J vectơ mật độ dòng Phơng trình cân liều khối vật chất đợc viết nh sau: dE dEk J dE B = dm dm dm (7 ) dEB - lợng tiêu hao cho trình hãm hạt mang điện - Liều chiếu Liều chiếu P đợc xác định số đơn vị điện tích sinh vật chất bị chiếu xạ điều kiện chuẩn (nhiệt độ T = 0oC, áp suất p = 760mmHg) dQ dQ P= = dm dV Đơn vị liều chiếu C.kg-1, đơn vị ngoại hệ Roentgen, viết tắt R 1R = 2.58 x10-4C.kg-1 (8) 2 Lý thuyết cấu trúc vết Để định lợng hóa trình chiếu xạ, cần thiết phải xác lập mối tơng quan đặc trng tr ờng chiếu xạ đặc trng tơng tác xạ với vật chất Lý thuyết cấu trúc vết R Katz đề xuất [8], xem xét mối tơng quan mật độ vết khuyết tật đ ợc tạo trình ion hóa dọc theo đờng hạt mang điện với liều lợng mà vật thể hấp thụ Xuất phát điểm lý thuyết thống kê Poisson Đối với phân bố ngẫu nhiên, xác suất để phần tử nhạy xạ tập hợp phần tử nhạy xạ đồng mặt thống kê, bị va chạm X lần, số lần va chạm trung bình A, đợc xác định biểu thức Ax e-A/x! Khi xác suất phần tử không bị va chạm lần (X=0), e-A, xác suất phần tử bị nhiều lần va chạm (1 - e-A) Giả sử hệ thống đợc chiếu tia gamma, D37 liều lợng trung bình để phần tử nhạy xạ chịu va chạm, số lần va chạm trung bình A= D/D37, hệ thống đợc chiếu xạ để có liều hấp thụ D Nh P = e D D37 (9) xác suất để phần tử hệ thống chịu nhiều lần va chạm Giả sử sau va chạm với xạ, phần tử nhậy xạ bị va chạm trở thành phần tử kích hoạt ghi nhận đợc Khi mật độ phần tử kích hoạt đợc xác định hàm đặc trng liều n(D): DD n( D) = CP = C e 37 (10) C - mật độ phần tử nhạy xạ Nh phụ thuộc mật độ phần tử kích hoạt liều hấp thụ tuân theo luật hàm mũ bão hòa Độ nhạy vật liệu đợc xác định đại lợng 1/D37 Khi D = D37, n(D) = C(1- 1/e) = C (1-0,37) = 0,63C (11) Do C mật độ phần tử nhạy xạ trở thành phần tử kích hoạt, nên nói D37 liều lợng mật độ phần tử kích hoạt đạt tới 63% mức bão hòa Lý thuyết cấu trúc vết lúc đầu đợc phát triển để tiên đoán hàm đặc trng liều độ nhạy xạ enzym vi rút đợc chiếu xạ hạt mang điện lợng cao, hay nh ngời ta th ờng nói xạ truyền lợng tuyến tính cao ( High Linear Energy Transfer Radiation High LET) Với ý nghĩa xạ gamma đợc xếp vào loại xạ truyền lợng tuyến tính thấp (Low LET) Lý thuyết cấu trúc vết đợc dùng để mô tả đờng đặc trng liều số liều lợng kế xạ nh alanine, thủy tinh số loại liều lợng kế khác 2 Mô hình truyền lợng Để tính đến hiệu ứng suất liều, hiệu ứng gây yếu tố nh nhiệt độ, độ ẩm, hiệu ứng hóa học, hiệu ứng liều siêu cao, nh vai trò phông chất chiếu xạ, mô hình truyền lợng đợc nghiên cứu phát triển [9] Khác với lý thuyết cấu trúc vết, phần tử kích hoạt đợc tạo dọc theo đờng hạt mang điện, mô hình truyền lợng coi lợng xạ đợc phân bố thể tích nghiên cứu đợc phần tử cấu thành hấp thụ Hệ nghiên cứu gồm phần tử nhạy xạ đồng nhất; chúng nguyên tử, phân tử trạng thái tổ hợp Trờng xạ tác động lên hệ nghiên cứu bao gồm xạ sơ cấp xạ thứ cấp Năng lợng tích luỹ vật liệu gây xạ thứ cấp, bao gồm electron, ion, gốc tự xạ điện từ, tiếp tục gây tợng tơng tự nh xạ sơ cấp, chẳng hạn: tợng ion hoá, kích thích, tạo khuyết tật, tạo gốc tự do, biến đổi hoá lý , tất chúng đóng góp vào hiệu ứng xạ tổng ghi nhận đợc cách Ta xem xét phơng trình mô tả mối tơng quan mật độ phần tử kích hoạt, liều suất liều phần tử kích hoạt đợc hiểu theo nghĩa rộng nh nói Khi đơn vị khối lợng môi trờng xem xét chứa C phần tử nhạy xạ, hấp thụ liều D với suất liều không đổi D khoảng liều dD, có n(D) phần tử kích hoạt đợc tạo với xác suất xuất đơn vị thời gian p, tơng ứng với xác suất xuất đơn vị liều p/D Nh gia tăng phần tử kích hoạt ứng với đơn vị liều l ợng hấp thụ đợc xác định biểu thức [C-n(D)]p/D Tuy nhiên thực tế, số lợng phần tử kích hoạt quan sát đợc, thờng nhỏ giá trị này, chúng bị mát trình tái hợp với phần tử kích hoạt khác xạ gây ra, nh tác động khác nh phản ứng hoá học, nhiệt độ, độ ẩm môi trờng v.v Ngoài có trình mát khác, loại trừ đợc (do rò rỉ, phản ứng hạt nhân, ) mà để đơn giản hoá, ta không xem xét Lợng hạt bị khử kích hoạt đợc mô tả biểu thức (qr + qc + qt + qh + ) n(D)/D, qr, qc, qt, qh tơng ứng xác suất để phần tử kích hoạt trở thành phần tử bị khử kích hoạt tác động xạ, hoá học, nhiệt độ, độ ẩm v.v q = qr + qc + qt + qh + (12) Cả hai xác suất p q phụ thuộc vào chất chất nghiên cứu loại xạ Nh biến đổi số phần tử kích hoạt đơn vị khối lợng đơn vị liều hấp thụ đợc biểu diễn phơng trình : dn( D) p n( D ) = [C n( D)] q dD D' D' p q giá trị dơng có thứ nguyên s-1 (13) Nghiệm phơng trình tìm dới dạng: D D k0 k0 n( D ) = ns e D ' + n0 e D ' (14) đố hệ số: ns = pC = n() p=q k0 = p - q, n0 = n(0) (15) (16) (17) Hệ số no đợc coi phông, số phần tử bị kích hoạtkhi vật chất cha bị chiếu xạ (D = 0) Tuy nhiên, nh ta thấy công thức (14), no tham gia vào trình chiếu xạ Biểu thức (13) hàm đặc trng liều liều lợng kế làm từ vật liệu nghiên cứu, có tính đến phụ thuộc vào suất liều, hiệu ứng ảnh hởng đến hàm đặc trng, nh vai trò phông trình chiếu xạ Nó đợc coi hàm đặc trng liều liều kế loại vật liệu bị chiếu xạ 2 Các dẫn xuất mô hình truyền lợng - Dạng hàm mũ bão hoà lý thuyết cấu trúc vết: Nh nói trên, công thức (14) n0 đợc coi lợng phần tử kích hoạt liều lợng D = 0, hay thời điểm trớc chiếu xạ, nói cách khác, hàm đặc trng liều liều không (D = 0) Giả sử n0 = 0, biểu thức (14) viết: n( D) = ns [1 e ko D D' ] (18) Giả sử D = D/k0, n(0) = ns(1-e-1) = ns(1-0 37) = 63 ns (19) Điều có nghĩa D /k0 = D37 Giả sử không tính đến trình khử kích hoạt, ns = C n( D ) = p = e ns D D37 (20) Đây dạng hàm đặc trng liều lý thuyết cấu trúc vết dạng hàm mũ bão hoà - Dạng hàm mũ suy giảm: Trong trình chiếu xạ có nhiều trờng hợp ngời ta chủ yếu xét tới trình tiêu huỷ phần tử xạ chẳng hạn trình khử trùng, trình mầu số chất liều kế đo xạ v.v Khi ta coi ns