Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị SVST Co -60/B

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

79
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị SVST Co -60/B tiến hành tính toán phân bố liều xác định liều trung bình theo mật độ, so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm, viết chương trình tính thời gian chiếu xạ khi biết mật độ ρ(hay khối lượng hàng trong thùng hàng ) cường độ nguồn và liều yêu cầu chiếu xạ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị SVST Co -60/B

THƯ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Đặng Thị Minh Huệ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ LIỀU TRONG THÙNG HÀNG CHIẾU XẠ VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHIẾU XẠ TRÊN THIẾT BỊ SVST Co -60/B Chuyên ngành : Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao Mã số : 604405 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC TS. TRẦN VĂN HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh - 2010
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Trần Văn Hùng, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ Thành phố Hồ Chí Minh đã hướng dẫn, giúp đỡ, sửa chữa và có những chỉ dẫn quý báu trong suốt quá trình thực hiện bản luận văn này. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình, tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến bổ ích của Th.S. Cao Văn Chung, Nguyễn Anh Tuấn cũng như lãnh đạo, tập thể Phòng vận hành, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ Thành phố Hồ Chí Minh. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy trong thời gian đào tạo chuyên ngành tại trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh. Xin chân thành cảm ơn Khoa Vật lý, Phòng Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tại trường. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Sở Giáo dục và Đào tạo Phú Yên, Trung tâm Kỹ thuật Tổng hợp Hướng nghiệp Sông Hinh đã tạo mọi điều kiện về thời gian trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Tác giả Đặng Thị Minh Huệ
MỞ ĐẦU Công nghệ bức xạ là một bộ môn khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng các hiệu ứng vật lý, hóa học, sinh học và một số hiệu ứng khác khi bức xạ truyền năng lượng cho vật chất. Ngày nay công nghệ bức xạ đang phát triển một cách mạnh mẽ, với tốc độ tăng trưởng khá cao khoảng 15-20% thậm chí có nơi đến 25% như ở Việt Nam. Năm 1980 ở Việt Nam mới chỉ có một cơ sở chiếu xạ tại Hà Nội, dùng để xử lý chống nẩy mầm hành và khoai tây, năm 1999 thêm một cơ sở chiếu xạ lớn hơn ở Thành phố Hồ Chí Minh dùng để khử trùng dụng cụ y tế, đông nam dược và thực phẩm. Hiện nay ở Việt Nam đã có 6 cơ sở chiếu xạ dạng công nghiệp, trong đó có một cơ sở dùng máy gia tốc electron, 5 cơ sở dùng nguồn Co-60 và trong tương lai vào năm 2010 sẽ đưa tiếp vào vận hành một máy gia tốc electron 10MeV ở Thành phố Hồ Chí Minh. Theo nhu cầu phát triển nền kinh tế, Sở Khoa học thành phố Đà Nẵng, tỉnh Bình Thuận cũng đang có dự án xây dựng các nhà máy chiếu xạ để phục vụ nhu cầu xử lý của tỉnh và các vùng lân cận. Có thể nói, nhu cầu xử lý thực phẩm, rau quả phục vụ xuất khẩu và sản xuất, chế tạo các vật liệu mới ngày càng cao. Việc gia tăng ngày càng mạnh mẽ trong ứng dụng công nghệ bức xạ, đòi hỏi sự vận hành an toàn thiết bị, cũng như xác định liều chiếu chính xác cho từng loại đối tượng hàng là một vấn đề rất cần thiết; các đại lượng liều, liều trung bình trong sản phẩm theo các mật độ hàng hóa khác nhau cần phải được xác định. Chính vì vậy, đề tài “Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị SVST Co-60/B” cũng nhằm mục đích đó. Khi tia gamma của nguồn bức xạ Co-60 (với năng lượng 1173keV và 1332 keV) đi vào vật chất cần chiếu xạ, chúng bị suy giảm và phân bố năng lượng (liều chiếu xạ) trong sản phẩm sẽ phụ thuộc vào mật độ sản phẩm chiếu xạ. Đối với thiết bị chiếu xạ SVSTCo-60/B, thùng chứa sản phẩm chiếu xạ có kích thước 48 x 48 x 85 cm ; tùy thuộc mật độ ρ (g/cm3) sản phẩm sắp xếp trong thùng hàng và liều chiếu yêu cầu của từng sản phẩm, cần phải có thời gian chiếu xạ thích hợp. Chính vì vậy, mục đích nghiên cứu của đề tài là xác định các vị trí liều Dmin, Dmax và liều trung bình trong thùng hàng chiếu xạ theo các mật độ hàng khác nhau, trên thiết bị chiếu xạ SVST Co-60/B dùng nguồn Co-60, từ đó xác định thời gian chiếu xạ cần thiết theo liều yêu cầu. Cũng trên cơ sở tính toán xác định liều cực tiểu ( Dmin ) và liều cực đại (Dmax) theo mật độ sản phẩm chiếu xạ, viết một phần mềm xác định thời gian chiếu xạ, khi biết liều cần chiếu xạ, mật độ của sản phẩm cho các nhân viên vận hành sử dụng. Xác định liều Dmin và Dmax cũng như phân bố liều trong sản phẩm rất có ý nghĩa trong thực tiễn. Với một đối tượng hàng chiếu xạ cần có một giá trị liều cực tiểu để tiêu diệt các vi sinh vật, nhưng đồng thời không nên chiếu xạ liều quá cao sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Các nhân
viên vận hành luôn luôn cần phải biết các đại lượng này và từ đó tính toán đưa ra thời gian chiếu xạ cần thiết. Việc nghiên cứu chỉ tiến hành trên thiết bị SVST Co-60/B của Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ thành phố Hồ Chí Minh; với cấu trúc thùng hàng 48 x 48 x 85 cm chứa đầy vật chất chiếu xạ. Tuy nhiên, các kết quả tính toán và phương pháp thực hiện có thể áp dụng cho trên các thiết bị chiếu xạ dùng nguồn Co-60 khác. Từ mục tiêu của đề tài đặt ra cần phải tiến hành nghiên cứu tính toán những vấn đề sau : - Dùng chương trình MCNP(Monte Carlo N-Particle), một phần mềm nghiên cứu bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte – Carlo đã được xây dựng ở phòng thí nghiệm quốc gia Los – Alamos, Mỹ để tính phân bố liều trong không gian thùng hàng chiếu xạ, từ đó xác định vị trí liều Dmin và Dmax cho các mật độ ρ (g/cm3) : 0,15 ; 0,2 ; 0,3 ; 0,4 ; 0,5. - Từ tính toán phân bố liều xác định liều trung bình theo mật độ. - So sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm. - Viết chương trình tính thời gian chiếu xạ khi biết mật độ ρ (hay khối lượng hàng trong thùng hàng ) cường độ nguồn và liều yêu cầu chiếu xạ.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BỨC XẠ 1.1.Nguồn chiếu xạ Cobalt 60(Co60) 10 , 13 , 15 Các máy chiếu xạ sử dụng nguồn Co60 được chế tạo và sử dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 50 do những ưu điểm nổi bật về nguồn phóng xạ và thiết bị: - Chế tạo nguồn Co60 không phức tạp và dễ dàng chế tạo các thanh nguồn với hoạt độ lớn do người ta đã có thể thiết kế và xây dựng các lò phản ứng có thông dòng mật độ neutron nhiệt cao dùng để biến Co59 thành Co60, công nghệ chế tạo và xử lý an toàn. - Nguồn Co60 dễ dàng bảo quản, không gây ô nhiễm cho môi trường do đặc tính Co60 là một kim loại (khác với Cs137 là dạng bột) và che chắn phóng xạ đơn giản nhờ nước thường hoặc bê tông. Phương tiện và kỹ thuật ngày nay cho phép vận chuyển các nguồn Co60 với hoạt độ cao cũng là một yếu tố quan trọng đảm bảo tính thương mại của nguồn loại này. - Nguồn Co60 có chu kỳ bán rã lớn (5,27 năm), khả năng xuyên sâu cao của tia gamma cho phép sử dụng chúng để chiếu xạ các hàng hóa có mật độ cao, kích thước lớn. - Do các thuộc tính khá an toàn của nguồn Co60 trong chế tạo, sử dụng, bảo quản và vận chuyển mà việc chế tạo các máy chiếu xạ, các thiết bị đảm bảo an toàn trở nên dễ dàng và có kinh tế. - Chiếu xạ sử dụng tia gamma nguồn Co60 có khả năng xử lý rất nhiều mặt hàng có hiệu quả kinh tế rất cao so với các phương pháp xử lý thông thường khác. - Việc chiếu xạ khử trùng các vật phẩm y tế và thanh trùng các mặt hàng thực phẩm đã được các tổ chức quốc tế như FAO, WHO và IAEA cũng như rất nhiều nước trên thế giới chấp nhận và phát triển. Các thiết bị chiếu xạ Co60 được ứng dụng để khử trùng; giảm độ nhiễm vi sinh; diệt mối, mọt, nấm, chống nẩy mầm; biến tính vật liệu và dùng cho các Nghiên cứu-Triển khai. Các sản phẩm được xử lý bởi các thiết bị này gồm: Các vật phẩm y tế như bông, băng gạc, dây truyền dịch, bơm tiêm một lần, các dụng cụ phẫu thuật, trang thiết bị dùng trong y tế, mô ghép, máu, v.v.; dược phẩm, nguyên liệu dùng trong dược phẩm, các nguyên liệu dùng trong mỹ phẩm; các vật liệu polymer, v.v.v. Trên cơ sở những dữ liệu trên đây có thể thấy rằng việc ứng dụng công nghệ chiếu xạ ở nước ta rất phù hợp với xu thế chung và cần có những bước phát triển tiếp theo, đặc biệt là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các máy chiếu xạ dùng nguồn Co60. 1.2.Tương tác của gamma với vật chất 3 Bức xạ gamma có bản chất sóng điện từ, đó là các photon năng lượng E cao hàng chục keV đến hàng chục MeV. Khi bức xạ gamma đi vào vật chất bị vật chất hấp thụ do tương tác điện từ. Tương tác của lượng tử gamma với vật chất không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt mang điện. Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra
các cặp electron-positron, rồi các electron này gây ion hóa môi trường. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp. 1.2.1.Hiệu ứng quang điện Khi lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này được gọi là quang electron. Quang electron nhận được động năng Ee bằng hiệu giữa năng lượng gamma vào E và năng lượng liên kết  lk của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra Ee = E – εlk (1.1) Hiệu ứng quang điện không xảy ra đối với electron tự do vì không bảo đảm quy luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Thực vậy, nếu hiệu ứng quang điện xảy ra trên electron tự do thì từ định luật bảo toàn năng lượng, động lượng ta có: 1 E  m0 c 2 (  1) (1.2) 1  2 E m c  0 (1.3) c 1  2 v Trong đó   , m0  9,1.1031 kg , c  3.108 m / s . c Từ (1.2) rút ra E 1  2  1 (1.4) m0c 1  2 1  2 Phương trình này có hai nghiệm   0 và  1 . Giá trị   0 cho nghiệm tầm thường Ee = 0 và nghiệm  1 không có ý nghĩa vì electron có khối lượng khác không. Như vậy muốn có hiệu ứng quang điện thì electron phải liên kết trong nguyên tử. Hơn nữa muốn hiệu ứng xảy ra, năng lượng tia gamma phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron để thỏa mãn biểu thức (1.1), nhưng không được lớn quá vì khi đó nó coi electron gần như tự do. Hình 1.1.Hieäu öùng quang điện
Hiệu ứng quang điện chủ yếu xảy ra đối với electron ở lớp K và với tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng (chẳng hạn như chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh hoc) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp. 1.2.2.Hiệu ứng Compton Khi tăng năng lượng gamma đến giá trị lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử, thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu hiệu ứng Compton. Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi của gamma vào với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử. Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron thì được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Hình 1.2. Hiệu ứng Compton Trong kết quả của hiệu ứng Compton, thay cho phôton sơ cấp với năng lượng E xuất hiện một photon bị tán xạ với năng lượng Eγ’
h Trong đó  và  ' tương ứng là bước sóng của bức xạ sơ cấp và bức xạ tán xạ; 0  là một hằng m0 c số và được gọi là bước sóng Compton của điện tử ;  là góc giữa P và P thay đổi trong khoảng từ 0 ' đến  Hình 1.3. Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do Biểu thức (1.8) chỉ ra rằng bước sóng  ' của bức xạ gamma bị tán xạ tăng theo góc tán xạ  , và biến thiên bước sóng  khi tán xạ xảy ra dưới một góc không đổi thì không phụ thuộc vào bước sóng  của bức xạ gamma tới. Năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ một góc  xác định bằng biểu thức sau: 1 E '  h '  h (1.9) h 1 (1  cos ) m0 c 2 h ' Sự giảm của năng lượng h ' và do đó của cả xung lượng của lượng tử gamma bị tán xạ theo sự c tăng của năng lượng và xung lượng electron giật lùi. Mối liên hệ giữa động năng của electron giật lùi Ee và góc bay ra  của nó có thể biễu diễn bằng hệ thức sau : 2h m0c 2 Ee  h (1.10) 2h h 1 2  tg 2 (1  ) m0 c m0 c 2  Trong đó  là góc bay ra của electron giật lùi, thay đổi từ 0 đến . Góc  liên hệ với góc tán xạ  2 bằng công thức: 1  tg  cot g (1.11) h 2 1 m0 c 2 Từ (1.10) ta suy ra rằng, động năng của electron giật lùi Ee thay đổi từ 0 đến Eemax .
2h m0 c 2 E emax  h (1.12) 2h 1 m0 c 2 Các electron giật lùi trong hiệu ứng Compton hướng chủ yếu theo phương chuyển động ban đầu của các lượng tử gamma tới. Năng lượng của lượng tử gamma này càng lớn thì sự dị hướng càng lớn. Nếu năng lượng của lượng tử gamma lớn hơn 2MeV thì đa số electron có góc bay ra nhỏ hơn 200. 1.2.3.Hiệu ứng tạo cặp electron-pozitron Khi năng lượng của các lượng tử gamma đủ cao, thì cùng với hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton, có thể xảy ra dạng tương tác thứ ba của các lượng tử gamma với vật chất. Đó là sự tạo thành các cặp electron – pozitron. Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh electron 2mec2 = 1,02 MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron - pozitron. Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn dư biến thành động năng của electron - pozitron. Quá trình tạo cặp cũng xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé. Hiệu ứng tạo cặp chỉ được xảy ra trong trường hạt  m nhân. Ngưỡng tạo cặp là: 2mc 2 1   1, 02MeV , với M là khối lượng hạt nhân, m là khối lượng  M  electron Hình 1.4. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron Như vậy hiệu ứng tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng E của gamma vào lớn hơn 1,02MeV. Hiệu số năng lượng E – 2mec2 bằng tổng động năng của electron Ee- và pozitron Ee+ bay ra. Do hai hạt này có khối lượng giống nhau nên có xác suất lớn để hai hạt có năng lượng bằng nhau Ee-= Ee+. Electron mất dần năng lượng của mình để ion hóa các nguyên tử môi trường. Pozitron mang điện tích dương nên khi gặp electron của nguyên tử, điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng hủy electron - pozitron. Khi hủy electron - pozitron hai lượng tử gamma được sinh ra bay ngược chiều
nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,51MeV, tức là năng lượng tổng cộng của chúng bằng tổng khối lượng của hai hạt electron và pozitron 1,02MeV. 1.3.Cơ sở hóa bức xạ  2 , 12 , 16 Ở trạng thái cơ bản, số electron quỹ đạo của nguyên tử trong phân tử là 2 hoặc 8, các electron kết cặp với nhau, hai electron trong một cặp có spin ngược chiều nhau. Khi vật chất bị gia nhiệt, chiếu với ánh sáng, năng lượng ion hóa hay tương tác với enzime thì các nguyên tử hay phân tử trong đó sẽ bị mất một hoặc vài electron hóa trị và trở thành dạng tự do. Số lượng gốc tự do được tạo thành phụ thuộc vào năng lượng, cường độ của các tác nhân gây kích thích. Phân tử nước, thành phần chủ yếu của đa số sinh vật sống, khi hấp thụ đủ năng lượng ion hóa mất một electron trở thành một gốc tự do mang điện dương. H 2O  Ionizing _ energy   H 2O   e  (1.13) Dấu “◦”chỉ sự thiếu electron. Electron tự do bên vế phải phương trình (1.13) nhanh chóng trở về vị trí cũ hay các phân tử nước khác hình thành electron Solvate hay electron Hydrate, ký hiệu es hay eaq . Phương trình được viết: H 2O  ionizing _ energy   H 2O   eaq  (1.14) Ion dương vỡ thành gốc hydroxyl và ion hydrogen.  H 2O  OH  H  (1.15) Các phân tử nước hấp thụ không đủ năng lượng để mất electron nhưng đạt trạng thái kích thích cũng có thể tách thành gốc hydroxyl và một nguyên tử hydro: H 2O  excited   OH   H (1.16) Phương trình tổng quát:  H 2O  ionizing _ energy  eaq  3 , OH  3 , H  0.4  , H  (1.17) Những số trong dấu “ ( )” chỉ xác suất hình thành. Trong Lipid: LH 2   LH 2  e  LH 2   LH  H  (1.18) L tượng trưng cho gốc Lipid. Tương tác với Protein: PH 2   PH 2  e  PH 2   PH  H  (1.19) P là gốc protein.
Những gốc tự do có hoạt tính hóa học rất mạnh, chúng tác dụng với chính nó hay các hợp chất hóa học khác ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào của sinh vật sống, ví dụ tác dụng của protein thành protein thứ cấp. OH   PH 2   PH  H 2O  (1.20) Cũng có thể tương tác với aromatic protein của những amino acid tạo những gốc tự do khác nhau như:  OH  PH 2  HO   PH 2 (1.21) Cấu hình phân tử của gốc tự do ban đầu phụ thuộc vào cấu hình gốc của phân tử, thành phần bị tách khỏi khi gốc tự do được hình thành phụ thuộc vào vị trí của các liên kết yếu nhất : C-H ; C-C. Một nhân tố quan trọng khác ảnh hưởng đến sự hình thành gốc tự do là sự hiện hữu của oxy phân tử, chúng tương tác như một lưỡng gốc với hai electron chưa kết cặp. Khi có mặt oxy, hầu hết gốc tự do tương tác với nó tạo thành gốc peroxy.  LH  O2  OOLH (1.22) Các vận chuyển electron có thể xảy ra hình thành ion hydro và gốc tự do mang điện âm:  PH  O2   OOPH (1.23)  PH  O2  P  H   O2 (1.24) Khi gốc tự do tương tác với nhau: Nhị trùng:  RH   RH  R  RH 2 (1.25) Không tỉ lệ:  RH   RH  HR  HR (1.26) Do tương tác với những phân tử hòa tan có tính hoạt động như nhóm sulfhydryl (-SH), glutathione (GSH )  RH  GSH  RH 2  GS (1.27) GS   GS   GSSG (1.28) Tương tác với ascorbute trong vitamin C  OORH  AH   HOORH   A (1.29) Một cơ thể sống là một thể thống nhất có khả năng tự điều khiển các hoạt động và bảo vệ đối với các tác nhân gây hại bên ngoài, chúng có khả năng tự phục hồi khi bị tổn thương. Khi tác nhân gây hại đủ lớn, ngoài khả năng tự phục hồi của một cơ thể sống thì nó sẽ chết đi. Đây là cơ sở của việc điều khiển giá trị năng lượng ion hóa làm tác nhân tiêu diệt vi khuẩn, ký sinh trùng trong xử lí thực phẩm và khử trùng dụng cụ ytế. Với liều lượng đủ lớn, năng lượng ion hóa có thể tiêu diệt các sinh vật từ dạng đơn bào đến phức tạp.
1.4.Hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa 5 , 9 Sinh học bức xạ khảo sát tác dụng của bức xạ lên cơ thể sống và các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng sinh học thông qua việc khảo sát quá trình tương tác khi bức xạ đi vào cơ thể. Sự hiểu biết về cơ thể người cho phép trả lời hai vấn đề cơ bản khi cơ thể chịu tác dụng của bức xạ: thứ nhất các hiệu ứng sinh học của bức xạ đối với các cơ quan trong cơ thể như thế nào? Thứ hai, các chất phóng xạ xâm nhập cơ thể di chuyển trong đó và bị thải ra như thế nào? Vấn đề thứ nhất được trình bày ở đây là: Các loại tổn thương do bức xạ gây ra ở mức phân tử, mức tế bào và mức cơ thể. 1.4.1.Các hiệu ứng bức xạ ở mức phân tử 1.4.1.1.Tia bức xạ kích thích và ion hóa các nguyên tử và phân tử vật chất Các bức xạ ion hóa như tia X, tia gamma, các hạt alpha, beta và neutron đều tương tác với vật chất khi đi qua môi trường, chủ yếu gồm hai hiệu ứng là kích thích và ion hóa nguyên tử vật chất. Kích thích là quá trình mà nguyên tử hoặc phân tử khi hấp thụ năng lượng từ tia bức xạ chuyển lên một trạng thái năng lượng mới, không bền vững gọi là trạng thái kích thích. Nguyên tử hoặc phân tử ở trạng thái kích thích đó dễ dàng và nhanh chóng phát năng lượng đã hấp thụ được dưới dạng những photon, bức xạ nhiệt hay phản ứng hóa học để trở về trạng thái ban đầu trước khi tương tác với tia bức xạ. Ion hóa là quá trình mà năng lượng từ tia bức xạ làm bật electron quỹ đạo của nguyên tử hoặc phân tử ra ngoài. Nguyên tử lúc đầu trung hòa về điện nay trở thành các cặp ion: ion âm (hoặc electron bị bật ra) và ion dương (phần còn lại của nguyên tử hoặc phân tử). Một hạt tích điện khi đi qua vật chất chỉ mất một phần năng lượng của mình do ion hóa nguyên tử hay phân tử. Do đó dọc theo đường đi của mình qua vật chất, hạt tích điện có nhiều lần va chạm và có thể tạo ra rất nhiều cặp ion. Vì vậy năng lượng của hạt tích điện giảm dần trên quỹ đạo. Ở cuối quỹ đạo, các hạt tích điện không còn đủ lớn để ion hóa vật chất, sẽ liên kết với các ion trái dấu để trở thành nguyên tử hay phân tử trung hòa về điện hoặc tồn tại tự do ở trạng thái chuyển động nhiệt. Như vậy dọc theo quỹ đạo các hạt tích điện xuất hiện nhiều cặp ion. Các ion này không tồn tại lâu mà gây nên các phản ứng hóa học tiếp theo hoặc kết hợp với nhau để thành những phân tử trung hòa về điện. Để biểu diễn độ lớn của khả năng ion hóa người ta dùng khái niệm độ truyền năng lượng tuyến tính LET (Linear Energy Transfer ). Đối với tia X và tia gamma quá trình tương tác không gây ra sự ion hóa trực tiếp như trên. Trong các hiệu ứng quang điện và tạo cặp, các electron bị bứt ra sẽ gây ion hóa môi trường, đó là quá trình ion hóa gián tiếp. Sự kích thích và ion hóa nguyên tử hay phân tử nêu trên làm thay đổi tính chất hóa học hay sinh học của các phân tử sinh học. Có hai cơ chế tác dụng là tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp. 1.4.1.2.Tác dụng trực tiếp của bức xạ lên các phân tử sinh học
Năng lượng bức xạ được truyền cho các phân tử sinh học mà chủ yếu là đại phân tử hữu cơ. Năng lượng đó gây các tổn thương về cấu trúc, chức năng và tạo tiền đề cho các tổn thương tiếp theo. Như vây bức xạ có thể tách các nhóm chức hóa học quan trọng ra khỏi các cấu trúc không gian của chúng và tạo các phân tử mới từ phân tử bình thường ban đầu. Sự biến đổi trong cấu trúc của các đại phân tử sinh học sẽ ảnh hưởng tới tốc độ các phản ứng hóa sinh, các hoạt động chức năng của chúng. Tiếp theo là các phản ứng hóa học có thể xảy ra giữa các phân tử bị tổn thương hoặc bị kích thích tạo ra các phân tử mới và lạ đối với cơ quan sinh học, đa số là chất độc, có hại. Đó là tính chất gây độc tố trong tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa. 1.4.1.3.Tác dụng gián tiếp của tia bức xạ lên các phân tử sinh học Trong cơ quan sinh học, nước chiếm một tỉ lệ khoảng 80% và có vai trò quan trọng. Bức xạ ion hóa khi tác dụng lên cơ quan sinh học sẽ gây nên hiệu ứng kích thích và ion hóa phân tử nước H2O. Quá trình tác dụng của tia bức xạ lên phân tử nước có thể tóm tắt như sau: - Quá trình kích thích phân tử: Tia bức xạ + H2O →(H2O)* → H* + OH* (1.30) - Quá trình ion hóa phân tử: Tia bức xạ + H2O → (H2O)+ + e (H2O)+ → H+ + OH* (1.31) e + H2O → (H2O)- →H* + (OH)- (H2O)- , (H2O)+, H+ , (OH)- là các ion , còn H* , (OH)* là các phân tử ở trạng thái kích thích ( có thể gọi là các gốc tự do) rất dễ tạo ra các phản ứng mới như: H* + H* → H2 (1.32) OH* + H* → H2O (1.33) OH* + OH* → H2O2. (1.34) Hydrogen peroxide H2O2 là một chất oxy hóa mạnh, rất có hại đối với phân tử hữu cơ. Trong thực tế lượng H2O2 có thể sản sinh nhiều khi trong môi trường có nhiều oxy. Tác dụng gián tiếp còn xuất hiện do sự hình thành các nhóm nguyên tử hoạt tính, gọi là các gốc tự do. Các gốc tự do cũng dễ gây nên các phân tử hữu cơ RH và tạo ra thêm các phân tử R* mới bị kích thích theo kiểu dây chuyền, tức là bản thân phản ứng của R* lên oxy tạo ra các R* mới : R* + O2 → RO2 (1.35) RO2 + RH → ROOH + R* (1.36) Do đó tác dụng lan xa và kéo dài sau chiếu xạ.
1.4.1.4.Tổn thương phân tử Biểu hiện của tổn thương phân tử như sau: - Giảm hàm lượng của một hợp chất hữu cơ nhất định nào đó sau chiếu xạ. Trong thực tế người ta thường theo dõi các enzime, các protein đặc hiệu, các acide nhân, v.v. Hàm lượng của chúng bị giảm vì quá trình tổng hợp và sản xuất có thể bị kìm hãm, cũng có thể sự phân hủy và chuyển hóa của các chất đó đã tăng lên do chiếu xạ. - Hoạt tính sinh học của các phân tử hữu cơ bị suy giảm hoặc mất hẳn do cấu trúc phân tử bị hư hại hoặc bị phá vỡ. Thông thường một nhóm chức hóa học quan trọng bị phá hủy hoặc bị phân ly. Do vậy, phân tử thay đổi tính chất và tác dụng. - Tăng hàm lượng một số chất có sẵn hoặc xuất hiện những chất lạ trong cơ quan sinh học, thông thường đó là những chất có hại, độc. Đó là sản phẩm mới của sự phân ly các phân tử hữu cơ hoặc của các phản ứng hóa học mới xảy ra do chiếu xạ, điển hình là H2O2, histamin, v.v. - Một trong các tổn thương phân tử ảnh hưởng đến chức năng sinh học quan trọng là tổn thương phân tử ADN và RNA. Các tổn thương đó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động di truyền của tế bào. 1.4.2.Các hiệu ứng bức xạ ở mức tế bào Cơ thể sinh vật sống có cấu tạo từ các cơ quan ( organ) như tim,phổi, nảo…. Các cơ quan cấu tạo từ các mô (tissue) như mô mỡ, mô da, mô xương….Các mô được cấu tạo từ các tế bào(cell). Tế bào là đơn vị sống cơ bản. Tương tác giữa bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào, làm chết tế bào hay làm cho chúng hoạt động bất bình thường. 1.4.2.1.Cấu tạo tế bào của cơ thể sống Về cấu tạo, tế bào thường có ba phần chính: một nhân tế bào (nucleus) ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương (cytoplasma), trong bào tương có các thành phần của tế bào như protein, ribosome, v.v.. Bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào (membrane). Mỗi bộ phận thực hiện những chức năng riêng rẽ. Hình 1.5.Cấu tạo cơ bản của tế bào Màng tế bào làm nhiệm vụ trao đổi chất với môi trường ngoài. Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa: catabolism), tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism). Còn nhân là nơi điều khiển
quá trình tổng hợp đó. Trong nhân có ADN (deoxyribonucleic acid) là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thực hiện sự tổng hợp các chất. Hình 1.6.Mô hình cấu tạo của phân tử ADN Các tế bào có thời gian sống nhất định. Các tế bào khác nhau có thời gian sống khác nhau. Các tế bào cũng có khả năng phân chia để tạo thành tế bào mới. Đó là cơ chế để duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể người. ADN chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Thông thường, những tác dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá hỏng ADN của tế bào. Sau đây chúng ta sẽ xem xét chuỗi quá trình từ lúc bức xạ bắt đầu đi vào cơ thể cho đến khi xuất hiện những hiệu ứng quan sát được về mặt sinh học và xem xét những yếu tố ảnh hưởng đến các hiệu ứng này. 1.4.2.2.Sự tổn thương tế bào và việc sửa chữa Sự tổn thương tế bào do bức xạ chủ yếu do các hiệu ứng trên ADN và có thể gồm ba hiệu ứng chính như sau: - Tế bào có thể chết. - Chất liệu di truyền của tế bào có thể thay đổi và sự thay đổi này được truyền qua các tế bào mới. - Sự thay đổi có thể xảy ra trong tế bào và tế bào đó có thể dẫn tới sự phân chia dị thường. Các tế bào có các cơ chế sửa chữa rất hữu hiệu và hồi phục khỏi tổn thương do các tác nhân bên ngoài gây ra, kể cả tác nhân bức xạ. Nếu tốc độ tổn thương tế bào khá chậm thì khả năng hồi phục cao. Việc chiếu xạ với liều nhận được trong thời gian dài, hàng tháng hay hàng năm, được gọi là chiếu xạ trường cửu (chronic), thì khả năng sửa chữa tế bào cao. Đối với chiếu xạ cấp tập (acute), nghĩa là một liều lớn nhận được trong một vài giờ hay ngắn hơn, thì khả năng sửa chữa tế bào thấp hơn. Chính vì vậy, khi điều trị bằng bức xạ, liều chiếu cần được phân ra thành một số lần chứ không chiếu một lần để cho các tế bào khỏe mạnh gần khối u có thời gian hồi phục trong lúc các tế bào ung thư có độ nhạy cảm bức xạ cao có khả năng tổn thương cao hơn và khó hồi phục. 1.4.2.3.Sự nhạy cảm bức xạ Độ nhạy cảm bức xạ của tế bào nói lên mức độ mất khả năng tái sinh của tế bào nghĩa là mức độ bị hủy diệt tế bào sau chiếu xạ. Các cơ quan ung thư (sản sinh mạnh, nhiều tế bào non và có cấu trúc bất thường) có độ nhạy cảm bức xạ cao hơn các cơ quan lành.
Độ nhạy cảm bức xạ của các mô cũng khác nhau. Độ nhạy cảm cao nhất ở các mô tạo máu trong tủy xương, mô sinh dục, tiếp theo là các mô niêm mạc, da, thủy tinh thể của mắt. Mô liên kết như sụn xương, mạch máu có độ nhạy cảm trung bình, sau đó là các tế bào của các phụ tạng, mô tuyến nội tiết và cuối cùng là các mô cơ, xương và thần kinh có độ nhạy cảm bức xạ thấp nhất. Chính vì vậy tia bức xạ có thể gây các tổn thương khác nhau ở các mô khác nhau tạo ra các triệu chứng khác nhau. 1.4.3.Các hiệu ứng bức xạ ở mức cơ thể Các tế bào tạo nên các mô và các cơ quan hoạt động một cách có hệ thống. Nếu tế bào mất khả năng sinh sôi hoặc các chức năng của tế bào bị hạn chế thì các mô và các cơ quan cũng bị thay đổi, gây nên bệnh đục thủy tinh thể, giảm số bạch cầu, bệnh ban sốt đỏ, v.v. Khi đó chức năng chung của cơ thể cũng thay đổi, xuất hiện các triệu chứng như: nôn mửa, chảy máu, hay co giật. Các bệnh ung thư có thể xuất hiện nhiều năm sau đó. Các hiệu ứng do bức xạ có thể phân thành hai loại, hiệu ứng tất nhiên và hiệu ứng ngẫu nhiên. 1.4.3.1.Các hiệu ứng tất nhiên (deterministic effect) Kết quả của sự tổn thương tế bào là sự chết tế bào. Nếu chỉ có một số tế bào bị tác dụng thì trong cơ thể còn nhiều tế bào và những tế bào mới sẽ thay thế các tế bào bị chết. Như vậy, đối với các liều chiếu thấp thì không có hiệu ứng đáng kể. Tuy nhiên, khi tăng liều chiếu đến một giá trị liều chiếu nào đó, một số đủ lớn các tế bào bị chết và ảnh hưởng đến sự hoạt động của cơ quan cơ thể. Khi số lượng các tế bào bị tác dụng càng lớn thì sự mất chức năng của cơ quan càng nghiêm trọng. Hiệu ứng loại này được gọi là hiệu ứng tất nhiên và có liều chiếu ngưỡng. Liều chiếu ngưỡng là liều chiếu mà dưới nó không có hiệu ứng xảy ra, trên liều chiếu ngưỡng hiệu ứng càng nguy hiểm khi liều chiếu càng lớn. Hiệu ứng tất nhiên đối với mỗi người phụ thuộc vào các yếu tố sinh học, như tuổi và sức khỏe, các yếu tố hóa học như lượng oxygen trong mô. Mỗi quần thể người có một mức nhạy cảm bức xạ. Liều ngưỡng thấp đối với quần thể người nhạy cảm cao đối với bức xạ và liều ngưỡng cao đối với quần thể người nhạy cảm ít đối với bức xạ. Hiệu ứng tất nhiên có ý nghĩa quan trọng đối với chiếu xạ cấp, tức là chiếu một liều xạ lớn trong khoảng thời gian ngắn. Khi đó, một lượng bức xạ lớn làm hư hỏng các cơ quan cơ thể làm cho chúng ngừng hoạt động và gây tử vong. Với liều cấp lớn, hiệu ứng tất nhiên làm người chết trong vòng vài ngày hay vài tuần, gọi là hiệu ứng sớm. Một số hiệu ứng xảy ra muộn vài năm đến vài chục năm kể từ lúc chiếu xạ, đó là các hiệu ứng muộn. Chẳng hạn bệnh đục thủy tinh thể thuộc hiệu ứng muộn vì nó xảy ra sau một vài năm. 1.4.3.2.Các hiệu ứng ngẫu nhiên (Stochacstic effect)
Đôi khi, hiệu ứng của bức xạ không giết chết tế bào mà chỉ thay đổi nó bằng một cách nào đó. Trong đa số trường hợp, sự thay đổi này của tế bào không đáng kể và không quan sát ngay được. Tuy nhiên, vết thương có thể tác dụng lên hệ điều khiển của tế bào và sau đó làm nó phân chia nhanh hơn bình thường. Nếu tế bào bị tác dụng bắt đầu phân chia theo cách này thì sẽ sinh ra một lượng rất lớn các tế bào con dị thường và tạo nên ung thư. Các ung thư không xuất hiện ngay sau khi chiếu xạ mà muộn một thời gian, trong thời gian này không quan sát được hiệu ứng. Thời gian ủ bệnh từ một vài năm đối với bệnh bạch cầu đến vài ba chục năm đối với các u ung thư. Ung thư thuộc loại hiệu ứng muộn. Độ lớn liều chiếu không làm thay đổi tính nghiêm trọng của ung thư, mà ảnh hưởng đến khả năng xuất hiện ung thư. Nói khác đi nguy cơ ung thư tăng theo liều chiếu. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng ngẫu nhiên vì nó xảy ra một cách ngẫu nhiên hay theo xác xuất. 1.4.3.3.Các hiệu ứng di truyền (hereditary effect) Nếu tế bào bị hư hỏng do bức xạ là một trong các tế bào sinh sản, nghĩa là tinh dịch hay trứng, thì sự hư hỏng này có thể tác dụng lên đứa con và các thế hệ sau này. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng di truyền, thuộc vào loại hiệu ứng ngẫu nhiên. Nguy cơ của hiệu ứng di truyền thấp hơn nguy cơ của hiệu ứng ung thư, cũng là một loại hiệu ứng ngẫu nhiên. Các thí nghiệm trên thực vật và động vật cho thấy, hiệu ứng di truyền xuất hiện sau khi chiếu xạ một liều lớn. Tuy nhiên, chưa tìm thấy hiệu ứng di truyền ở người. 1.5.Các định nghĩa liều, đơn vị liều 5 , 9 1.5.1.Liều chiếu và suất liều chiếu Liều chiếu là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh phóng xạ của một chùm photon (tia X hay tia gamma). Độ mạnh này thể hiện qua khả năng ion hóa không khí của chùm photon đó tại một điểm trong không gian. Liều chiếu X được định nghĩa là tỷ số dQ X (1.37) dm Trong đó dQ tổng điện tích của các ion cùng dấu được tạo ra (trực tiếp hay gián tiếp) trong một thể tích không khí có khối lượng dm bởi tia X hay tia gamma khi tất cả các electron được giải phóng hoàn toàn bị hấp thụ trong khối lượng không khí đó. Do những khó khăn về thực nghiệm nên khi đo liều chiếu, định nghĩa này chỉ dùng được cho photon có năng lượng dưới 3MeV. Đối với liều chiếu, môi trường được xem xét chỉ là không khí và bức xạ chỉ là photon có năng lượng dưới 3MeV. Đơn vị chuẩn của liều chiếu trong hệ SI là Culông/kilogam(C/kg). Ngoài ra người ta cũng thường dùng đơn vị Rơnghen ( ký hiệu là R ), giữa hai đơn vị này có quan hệ như sau:
1R = 2,58.10-4C/kg 1C/kg = 3876 R. Do điện tích của mỗi cặp ion là e = 1,6.10-19C, một liều chiếu có giá trị bằng 1C/kg sẽ tạo ra trong không khí 1(C/kg)/1,6.10-19 (C) = 6,25.1018 cặp ion/kg. Tương ứng 1R là liều chiếu của tia X hay tia gamma có thể tạo ra 1,61.1012 cặp ion trong một gam không khí hay 2,08.109 cặp ion trong 1cm3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn ( 760mmHg, 00C ) Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của suất liều chiếu trong hệ SI là Culông/kg.giây (C/kg.s ) hay A/kg.s. Đơn vị ngoài hệ SI thường dùng là R/h hay mR/h. 1.5.2.Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ là các đại lượng đặc trưng cho lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong vật chất. Khái niệm này được định nghĩa chung cho mọi môi trường và cho mọi loại bức xạ có khả năng ion hóa trực tiếp (hạt mang điện) hay gián tiếp ( photon, neutron ). Liều hấp thụ là lượng năng lượng được hấp thụ trong một đơn vị khối lượng vật chất. Liều hấp thụ (ký hiệu là D) là tỉ số giữa năng lượng trung bình d  mà bức xạ truyền cho vật chất trong thể tích nguyên tố và khối lượng vật chất dm của thể tích đó. d D (1.38) dm Định nghĩa trên có thể áp dụng cho mọi loại vật chất hấp thụ và mọi loại tia bức xạ có năng lượng tùy ý. Khả năng hấp thụ năng lượng phụ thuộc loại vật chất được chiếu. Với cùng một liều chiếu, các loại vật liệu khác nhau sẽ hấp thụ những lượng năng lượng khác nhau. Do đó khi đưa ra liều hấp thụ bao giờ người ta cũng phải cho biết loại vật chất đã hấp thụ lượng năng lượng đó. Đơn vị của liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (Gy): 1Gray (Gy) = 1J/kg. Trong thực tế, người ta còn sử dụng đơn vị rad (radiation absorbed dose): 1 rad = 10-2 Gy 1Gy = 100 rad . Suất liều hấp thụ là liều lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của nó là Gray/giây (Gy/s) và rad/s. 1.5.3.Liều tương đương và suất liều tương đương Về phương diện sinh học, người ta thấy rằng các loại bức xạ khác nhau, dù được hấp thụ cùng một liều như nhau trong mô, cũng có các tác dụng khác nhau. Trong an toàn phóng xạ, ngoài liều hấp thụ, người ta còn dùng một đại lượng khác gọi là liều tương đương. Đó là tích số giữa liều hấp thụ trung bình trong một mô hay một cơ quan và một hệ số đặc trưng cho loại bức xạ trong việc gây nên tác dụng sinh học.
Theo định nghĩa, liều tương đương H (equivalent dose ) gây bởi một loại bức xạ lên cơ thể sống là đại lượng để đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ, bằng tích số giữa liều hấp thụ D trong mô và một hệ số đặc trưng cho loại bức xạ đó, hệ số này không có đơn vị và được gọi là hệ số chất lượng, ký hiệu là WR H = WR.D (1.39) Đơn vị của liều tương đương trong hệ SI là sievert (Sv) H(Sv) = WR x D (Gy) Ngoài ra người ta cũng thường dùng đơn vị rem H(rem) = WR x D(rad) Vậy 1Sv = 100 rems Suất liều tương đương là liều tương đương được hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của suất liều tương đương là sievert/giây (Sv/s) và rem/s. Liều tương đương được dùng khi một cơ quan hay một mô riêng rẽ bị chiếu xạ. Khi chịu cùng một liều tương đương, các cơ quan và mô khác nhau trong cơ thể có thể chịu những mức độ tổn thương khác nhau. Tức là chúng có độ nhạy bức xạ khác nhau. Độ nhạy này được đặc trưng bởi một hệ số trọng số mô (tissue weighting factor). Trong trường hợp toàn thân bị chiếu, người ta dùng liều hiệu dụng (effective dose). Đó là tổng số E=  T WT. HT (1.40) Trong đó HT là liều tương đương nhận được ở mô T và WT là hệ số trọng số mô đặc trưng cho cơ quan (mô ) đó. Liều hiệu dụng cũng như liều tương đương có cùng thứ nguyên như liều hấp thụ (năng lượng/ khối lượng), nhưng người ta dùng đơn vị Sievert để tránh nhầm lẫn. 1.6.Các ứng dụng chiếu xạ theo mức độ liều chiếu  4 , 12 1.6.1.Xử lí bức xạ thực phẩm Xử lí bức xạ đối với thực phẩm được áp dụng chủ yếu để làm ngưng hoặc làm chậm sự phát triển của rau củ, cải thiện chất lượng của thực phẩm, diệt sâu bọ, khử trùng và tiệt trùng. Theo liều lượng, người ta chia quá trình xử lí thực phẩm làm ba loại: - Liều thấp (dưới 1 kGy): Sử dụng để hạn chế sự phát triển của rau, củ làm chậm quá trình chín của hoa quả và diệt côn trùng. - Liều trung bình (từ 1-10 kGy): Dùng để kéo dài thời gian bảo quản của thực phẩm, giảm sự lây nhiễm của vi sinh vật, cải thiện một số tính chất công nghệ. - Liều cao (từ 10-60 kGy): Dùng để tiệt trùng, diệt virut, xử lí đồ hộp.
Cũng theo liều,người ta phân biệt một số quá trình với các thuật ngữ mới: - Radurization : Xử lí ở liều 2 – 6 kGy, trong đó các vi khuẩn giảm một cách đáng kể, nhưng không tiêu diệt hoàn toàn. Quá trình này tăng khả năng bảo quản lên từ 3-5 lần ở nhiệt độ thấp (00- 50C). - Radicidation : Liều tương tự như trong radurization nhưng chỉ diệt một số loại vi khuẩn gây bệnh xác định. - Radappertization : Xử lí ở liều từ 30-50 kGy để tiêu diệt gần như hoàn toàn các hệ vi khuẩn, nhằm bảo quản lâu dài các sản phẩm như thịt và các sản phẩm thịt.. 1.6.2.Khử trùng dụng cụ y tế Khử trùng dụng cụ y tế là một lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất của công nghệ bức xạ. Nguồn bức xạ chủ yếu sử dụng để khử trùng dụng cụ y tế là gamma (Co60 và Cs137), ngoài ra nguồn electron cũng được sử dụng. Khử trùng bằng bức xạ là một kỹ thuật tổng hợp, nó liên quan tới sinh học bức xạ và hóa bức xạ. Dưới tác dụng của bức xạ, người ta phải giải quyết hai vấn đề: - Tiêu diệt vi trùng (nói chính xác hơn là làm mất khả năng sinh sản của chúng) - Ngăn chặn khả năng phân hủy bức xạ của đối tượng được khử trùng. Rõ ràng vấn đề đầu tiên liên quan tới sinh học bức xạ, vấn đề thứ hai liên quan đến hóa bức xạ. Hiện nay trong công nghệ tiệt trùng y tế, người ta chưa có khả năng tiêu diệt hoàn toàn vi trùng mà chỉ có khả năng giảm xác suất lây nhiễm của chúng để nó không vượt quá giá trị 10-6. Khả năng chống bức xạ của vi trùng được xác định chủ yếu bằng độ bền bức xạ của axit nucleic trong tế bào. Tiệt trùng là quá trình phá hủy các ADN của vi trùng sao cho số phân tử axit nucleic có khả năng phân chia tế bào giảm từ 6-9 bậc. Động lực học của quá trình chết của vi trùng tuân theo luật hàm mũ. Quy luật này được mô tả bằng mô hình truyền năng lượng, ở các liều nhỏ có một “bờ vai” giảm chậm do quá trình phục hồi của hệ tế bào. Trong qúa trình chiếu xạ người ta hay sử dụng khái niệm D10 là giá trị liều làm chết 90% lượng vi trùng hoặc liều tại đó 10% vi trùng còn sống sót. Liều tiệt trùng được coi là 25 kGy, nhưng ở các nước Đông Âu liều tiệt trùng được coi là từ 35-50 kGy, phụ thuộc vào mức độ nhiễm khuẩn ban đầu. Các nghiên cứu cho thấy đa số các polyme dùng làm dụng cụ y tế hầu như không biến đổi tính chất ở liều tiệt trùng như polyetylen, polypropilen, polyamit, cao su,silicon...Chỉ có polyaxetan và polytetrafluoetylen là bị phá hủy mạnh ở liều 25 kGy. Một trong những yêu cầu khi khử trùng là tính đồng đều. Cần phải đảm bảo để liều cực tiểu Dmin = 25 kGy. Tính ưu việt của khử trùng bức xạ dụng cụ y tế + Tiêu tốn năng lượng thấp hơn so với xử lí nhiệt.