Nghiên cứu chiếu xạ thanh long trên thiết bị gia tốc điện tử UERL-10-15S2

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

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 HỌC:
TS. TRẦN VĂN HÙNG






Thành phố Hồ Chí Minh - 2010
THƯ
VIỆN
LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã được
Quý Thầy Cô cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên sâu, giúp tôi trưởng thành trong học tập và
nghiên cứu khoa học. Tôi xin gửi lời biết ơn đến tất cả Quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy tôi trong
suốt thời gian học tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Văn Hùng, Nghiên cứu viên chính Trung tâm
nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã định hình
cho tôi lựa chọn đề tài này và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Đặc
biệt, tôi đã được học ở Thầy phương pháp làm việc khoa học và những bài học có được từ thực tiễn,
từ vốn sống, từ sự am hiểu thấu đáo của riêng Thầy mà khó có quyển sách nào có thể diễn đạt hết
được những điều đó.
Tôi cũng chân thành cám ơn Ths. Trần Khắc Ân, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu và triển
khai công nghệ bức xạ - Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam đã tạo điều kiện rất tốt cho tôi trong
suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Xin được phép gửi lời cám ơn đến Quý Thầy trong Hội đồng Bảo vệ Luận văn Thạc sĩ đã
đọc, đóng góp ý kiến, nhận xét và đánh giá luận văn.
Tôi cũng gửi lời cám ơn Cử nhân Nguyễn Anh Tuấn và cử nhân Cao Văn Chung - Phòng vật
lý Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ bức xạ - đã có những ý kiến đóng góp quý báu và
dành cho tôi nhiều sự hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin được phép gửi lời cám ơn đến Sở Giáo dục – Đào tạo TP Hồ Chí Minh, Ban
Giám Hiệu trường THPT Bùi Thị Xuân và các đồng nghiệp đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi và giúp
đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện luận văn.
Cuối cùng, xin khắc sâu công ơn Cha Mẹ, người thân, bạn bè luôn ủng hộ, động viên và giúp
đỡ tôi trong suốt khóa học.
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
D1 : Liều chiếu từ đầu quét 1
D2 : Liều chiếu từ đầu quét 2
D
T

: 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 và rau quả là sử dụng bức xạ ion hóa, chẳng hạn như chùm điện tử, tia
gamma hoặc tia X để giảm hoặc ngăn cản sự sinh trưởng hoặc tiêu diệt những vi sinh vật có hại
trong vật phẩm. Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu đã khẳng định chiếu xạ có rất nhiều ứng dụng hữu
ích, ví dụ tiêu diệt các côn trùng trên hoa quả và hạt ngũ cốc, chống nảy mầm khoai tây, hành tây,
làm chậm chín các loại quả tươi và rau củ, cũng như gia tăng tính an toàn và khử trùng các sản
phẩm thịt tươi đông lạnh, hải sản và trứng sữa.v.v.
Lịch sử của chiếu xạ thực phẩm có thể bắt đầu từ khi khám phá ra tia X bởi Roentgen 1895

và chất phóng xạ bởi Becquerel 1896. Theo sau những khám phá này đã có rất nhiều nghiên cứu
ảnh hưởng của bức xạ lên các cơ quan sinh học. Đầu thế kỷ 20, các nghiên cứu cho thấy bức xạ ion
hóa rất hữu ích trong ứng dụng chiếu xạ thực phẩm.
Nguồn bức xạ đầu tiên được sử dụng là máy gia tốc hạt, tạo ra chùm điện tử tới năng lượng
24 MeV, vào cuối những năm 40 của thế kỷ 20, các đồng vị phóng xạ nhân tạo như Co
60
và Cs
137

(phát bức xạ gamma) đã được ứng dụng trong chiếu xạ công nghiệp một cách phổ biến. Tuy nhiên,
các thiết bị gia tốc điện tử ngày nay vẫn có những tính chất ưu việt mà các thiết bị sử dụng nguồn
Co
60
hoặc Cs
137
không có được. Chẳng hạn như nó không để lại chất thải phóng xạ (vì nguồn Co
60

hoặc Cs
137
khi hoạt độ quá thấp không sử dụng trong ứng dụng chiếu xạ phải chôn cất như là một
chất thải phóng xạ), chỉ khi hoạt động nó mới phát bức xạ ion hóa, còn khi không sử dụng, tắt
nguồn điện, thì chùm bức xạ ion hóa cũng tắt.v.v.. Chính vì vậy, ngày nay trên thế giới có khoảng
hơn 200 thiết bị gia tốc điện tử đang 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, hiện nay tại công ty Sơn Sơn (Bình Chánh) đã sử dụng chùm tia X từ máy gia
tốc điện tử 5 MeV để xử lý thực phẩm. Chùm tia X này được tạo ra từ chùm điện tử 5 MeV đập lên
bia W. Vào cuối năm nay (2010), tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ sẽ 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 đông lạnh phục vụ xuất khẩu và khử trùng dụng cụ y tế.

Cũng cần nói thêm, một tình hình có tính chất rất thời sự trong việc xuất khẩu trái cây của
Việt Nam là: Mới đây Hoa Kỳ đã chấp nhận cho phép nhập khẩu trái Thanh long của Việt Nam.
Tuy nhiên, một yêu cầu bắt buộc từ phía Hoa Kỳ là Thanh long phải qua chiếu xạ để đảm bảo kiểm
dịch côn trùng. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu chiếu xạ Thanh long trên thiết bị
gia tốc điện tử UERL- 10-15S2” nhằm góp phần giải quyết vấn đề chiếu xạ trái Thanh Long xuất
khẩu của Việt Nam khi thiết bị gia tốc điện tử UERL- 10-15S2 đi vào hoạt động.
Mục đích của đề tài xuất phát từ đặc điểm về khả năng xuyên sâu của chùm điện tử thấp hơn
tia X và tia gamma nên trong khuôn khổ của luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu phân bố liều
trên trái Thanh long nhằm tiêu diệt các côn trùng, các ấu trùng và các trứng của côn trùng, sâu bệnh
trên trái Thanh long, đảm bảo yêu cầu kiểm dịch.
Chính vì vậy, luận văn mang một ý nghĩa thực tế rất cao, nhằm đáp ứng xuất khẩu trái Thanh
long vào thị trường Mỹ, Châu Âu cũng như các nước khác, góp phần nâng cao giá trị xuất khẩu của
trái Thanh long Việt Nam.
Để đạt được những mục tiêu trên, luận văn có những nhiệm vụ cơ bản sau:
- Tìm hiểu kích cỡ trái Thanh long, cách đóng gói xuất khẩu.
- Tính toán phân bố liều trên bề mặt trái Thanh long.
- Tính toán phân bố liều ở bên trong trái Thanh long.
- Độ bất đồng đều về liều.
- Các giải pháp giảm hệ số bất đồng đều liều, đặc biệt biên độ bất đồng đều về liều trên bề mặt
trái Thanh long nhằm đáp ứng tiêu diệt côn trùng trên bề mặt.
- Đánh giá năng suất xử lý của thiết bị.
Để thực hiện luận văn, chúng tôi dùng chương trình MCNP, một phần mềm vận chuyển bức
xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte-Carlo đã được xây dựng ở phòng thí nghiệm quốc gia Los-
Alamos, Mỹ. Đây là một công cụ tính toán mạnh, có thể mô phỏng vận chuyển nơtron, photon và
electron, và giải pháp bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều dùng trong nhiều lĩnh vực tính toán của
Vật lý hạt nhân.
Trong đề tài này MCNP được sử dụng để tính toán phân bố liều trong xử lý trái Thanh long.
Luận văn được sắp xếp thành ba chương theo cấu trúc như sau:
CHƯƠNG 1: HÓA BỨC XẠ, HIỆU ỨNG CỦA BỨC XẠ LÊN CƠ QUAN SINH HỌC VÀ
THÀNH PHẦN THỰC PHẨM

1.1 Tương tác của hạt tích điện với vật chất.
1.2 Cơ sở hóa bức xạ.
1.3 Định nghĩa liều, đơn vị về liều.
1.4 Hiệu ứng của bức xạ lên cơ quan sinh học.
1.4.1 Các cơ quan vi sinh.
1.4.2 Hiệu ứng của bức xạ ion hóa.
1.5 Hiệu ứng của bức xạ lên thành phần thực phẩm.
1.6 Ứng dụng của chiếu xạ thực phẩm.
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ GIA TỐC ĐIỆN TỬ UERL 1015S VÀ CODE MCNP
2.1 Sơ bộ về sử dụng máy gia tốc điện tử trong chiếu xạ.
2.2 Phân bố chùm tia và liều bên trong vật chất chiếu xạ..
2.3 Thiết bị gia tốc điện tử UERL-10-15S2.
2.4 Code MCNP.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN 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 đều.
3.5 Các kỹ thuật làm giảm độ bất đồng đều.
3.6 Đánh giá năng suất của thiết bị.

CHƯƠNG 1
HÓA BỨC XẠ, HIỆU ỨNG CỦA BỨC XẠ LÊN CƠ QUAN SINH HỌC
VÀ THÀNH PHẦN THỰC PHẨM
Bức xạ là những dạng năng lượng phát ra trong quá trình vận động và biến đổi của vật chất.
Về mặt vật lý nó được thể hiện dưới dạng sóng, hạt hoặc sóng hạt. Mỗi dạng bức xạ được đặc trưng
bởi một dải năng lượng hay tương ứng với nó, một dải bước sóng xác định. Mối tương quan giữa
năng lượng
E
và bước sóng

λ
của bức xa được mô tả bởi biểu thức:
2
c
E h


 

(1.1)
Trong đó
h
- hằng số Planck; c- vận tốc ánh sáng trong chân không.
Hiện nay, các dạng bức xạ phổ biến được áp dụng là bức xạ electron, tia gamma, bức xạ hãm, bức
xạ tử ngoại, chùm ion, bức xạ nơtron.
Còn các nguồn bức xạ thông dụng bao gồm các nguồn bức xạ thụ động (nguồn đồng vị phóng xạ
như Co
60
, Cs
137
…) và các nguồn bức xạ chủ động ( máy gia tốc, thiết bị phát chùm tia) [4]. Để đi
sâu nghiên cứu quá trình truyền năng lượng của bức xạ cho vật chất chúng ta xem xét các đặc trưng
sau đây:
1.1 . Tương tác của hạt tích điện với vật chất [5],[13]
Các hạt mang điện bao gồm các hạt nhẹ mang điện (electron, positron) và các hạt nặng mang
điện (proton, hạt

, mảnh vỡ hạt nhân...).
Các hạt mang điện này khi đi vào môi trường chúng có thể tham gia các loại tương tác khác
nhau với nguyên tử như một toàn bộ, với các electron riêng lẻ của vỏ nguyên tử hay với hạt nhân

nguyên tử và truyền năng lượng cho nguyên tử, cho electron hay cho hạt nhân đó. Các tương tác đó
có thể là:
- Tán xạ đàn hồi với nguyên tử như một toàn bộ, electron không mất năng lượng, chỉ đổi
hướng chuyển động.
- Va chạm không đàn hồi với các electron của vỏ nguyên tử:
+ Kích thích: bức xạ mất năng lượng
+ Ion hóa: bức xạ mất năng lượng.
- Tán xạ trên nhân
+ Tán xạ đàn hồi: bức xạ không mất năng lượng, chỉ đổi hướng bay.
+ Tán xạ không đàn hồi: bức xạ mất năng lượng và phát bức xạ hãm.
- Gây ra phản ứng hạt nhân.
Tùy theo loại bức xạ (nặng hay nhẹ) và tùy thuộc vào năng lượng của bức xạ vào môi trường mà
xác xuất xảy ra các quá trình trên là lớn hay bé.
Các tương tác khả dĩ của hạt mang điện với nguyên tử của môi trường được minh họa trong hình
1.1.



Hình 1.1 Các tương tác khả dĩ của hạt mang điện với nguyên tử của môi trường
Đối với ứng dụng trong chiếu xạ thực phẩm và rau quả, bức xạ được quan tâm chủ yếu là
điện tử. Phạm vi nghiên cứu của luận văn là dùng trực tiếp chùm điện tử 10 MeV từ thiết bị gia tốc
để xử lý hoa quả, cụ thể là trái thanh long, vì vậy chúng tôi xin được đi sâu vào khảo sát tương tác
của điện tử với vật chất.
Khi các điện tử nhanh (điện tử năng lượng cao) đi qua vật chất, chúng bị va chạm Coulomb
với các điện tử và hạt nhân nguyên tử, mỗi va chạm đều có thể gây ra nhiều kiểu mất mát năng
lượng và góc lệch điện tử. Đối với những điện tử tới có năng lượng trong khoảng 1 -10 MeV, khối
lượng tương đối tính rất lớn hơn khối lượng điện tử nguyên tử, nhưng rất nhỏ so với khối lượng hạt
nhân nguyên tử. Vì vậy, nếu chỉ xét thuần túy động học, một va chạm tán xạ với một hạt nhân nặng
sẽ không dẫn đến truyền năng lượng, nhưng sẽ làm thay đổi đáng kể đường đi của điện tử (sự hãm
điện tử một cách đột ngột) có thể làm phát sinh tia X. Ngược lại, các va chạm với các điện tử

nguyên tử có thể dẫn đến truyền năng lượng đáng kể, bứt các điện tử ấy ra khỏi quỹ đạo của chúng (
sự ion hóa). Đến lượt mình, các điện tử thứ cấp nhanh này cũng có thể bị va chạm Coulomb, sinh ra
các điện tử tam cấp, tứ cấp… cho tới khi động năng do điện tử tới bị hấp thụ gần hết.
Xét về phương diện biến thiên năng lượng theo chiều sâu tương tác giữa điện tử với vật chất có
thể xảy ra các quá trình vật lý sau đây:
- Tán xạ không đàn hồi trên các điện tử của nguyên 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 bức xạ hãm( tia X) chủ yếu là do các va chạm hạt nhân.
1.1.1. Tán xạ không đàn hồi trên các điện tử của nguyên tử
Sơ đồ tương tác trên hình 1.2 cho thấy một điện tử nhanh đi tới với vận tốc
v
làm chuyển
động một điện tử nguyên tử. Khoảng cách gần nhất giữa các hạt được gọi là thông số va chạm, được
kí hiệu là
b
.

Hình 1.2 Sơ đồ va chạm giữa điên tử tới và một điện tử nguyên tử
Độ biến đổi vi phân trong momen dp chuyển đến điện tử nguyên tử trong thời gian dt bằng lực điện
trường
F
giữa các hạt được xác định theo phương trình:
2
2
dp e
F
dt

r
 

(đơn vị cgs) (1.2)
r
: khoảng cách tức thời giữa các điện tử.
Nếu giả thuyết rằng năng lượng được truyền
E
, là một phần tương đối nhỏ của năng lượng
điện tử tới
E
và rằng hướng của điện tử tới thay đổi không đáng kể khi va chạm, tổng biến thiên
momen
p
của nguyên tử điện tử thu được bằng cách lấy tích phân theo thời gian của thành phần
vuông góc. Vì
dx
dt
v

nên
p
được xác định theo công thức:
2 2
2
2
( ) cos ( )
e dx e
p
v r bv


  

(1.3)
Điện tử tới bị mất năng lượng
E
.
Mà
E
được xác định bằng công thức:
2
( )
2
p
E
m

 
(1.4)
với
m
là khối lượng nghỉ của điện tử.
Thay (1.3) vào (1.4) ta được:
4
2 2
2e
E
mv b
 
(1.5)

Nếu gọi
N
là mật độ của các nguyên tử có nguyên tử số
Z
, khi đó sẽ có
(2 ) .bdb NZ s


các điện tử
nguyên tử trên gia số độ dài
s
có thông số va chạm nằm giữa
b
và
b db
được biễu diễn trong
hình 1.3.
Do đó, sự mất mát năng lượng va chạm trung bình trên đơn vị chiều dài của điện tử tới
( )
coll
E
s


,
được tính bằng cách lấy tích phân trên tất cả các giá trị của thông số va chạm, như công thức:
4 2 4 2
max
min
( / ) 4 ( / ) ( / ) 4 ( / )ln( / )

coll
E s NZ e mv db b NZ e mv b b
 
    

(1.6)
Vì các hạt tới và các hạt bia đều là điện tử, nên năng lượng truyền cực đại là
/ 2E
; thông số va chạm
tối thiểu có thể tính từ phương trình (1.5). Giá trị cực đại này của thông số va chạm cần phải kể đến
một thực tế là các điện tử nguyên tử không hoàn toàn tự do mà bị liên kết trong các trạng thái
nguyên tử khác nhau.








Hình 1.3 Một điện tử tới truyền năng lượng
E
cho mỗi điện tử trong thể tích hình trụ
(
(2 / )bdb s



Dựa trên mô hình thống kê của nguyên tử có thể xác định năng lượng kích thích và ion hóa trung
bình I

av
ở dạng vi phân.
4
2
( ) 4 ( ) ( )
coll
av
dE e E
NZ ln
ds mv I

 
(1.7)
av
I
xấp xỉ với
nguyên tử số của vật liệu, với hằng số tỷ lệ cùng bậc với năng lượng Rydberg 13.5 eV. Chú ý rằng ở
các năng lượng điện tử phi tương đối tính,
2
2
mv
E 
và vì thế công suất hãm do va chạm giảm xấp xỉ
theo
1
E

. Tuy nhiên, ở năng lượng tương đối tính thì vận tốc
v
gần bằng tốc độ ánh sáng và công

suất hãm sẽ tăng logaric với năng lượng.
1.1.2. Phát xạ điện tử thứ cấp
Phổ của điện tử thứ cấp, do các quá trình va chạm sinh ra, có thể thu được nếu chú ý rằng 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 năng lượng biến thiên như biểu thức
2
/ ( ) ( )d d E E


 
(1.8)
Vì thế, phổ này nặng về vùng năng lượng thấp hơn; đối với các điện tử có năng lượng thấp hơn 10
keV, thì năng lượng đó thường được xem như là bị suy giảm ngay tại chỗ. Còn các điện tử thứ cấp
nhanh hơn thì sẽ rời xa khỏi chỗ va chạm và sẽ sinh ra các điện tử khác. Quá trình suy giảm năng
lượng này gần như tức thời và những điện tử cuối cùng đạt đến năng lượng nhiệt và hoặc bị bắt giữ
hoặc bị dẫn điện thoát đi.
1.1.3. Sự va chạm (tán xạ) đàn hồi với hạt nhân làm mở rộng chùm tia theo chiều ngang.
Bây giờ chúng ta xét sự va chạm giữa một điện tử tương đối tính với một hạt nhân nặng có
điện tích Ze, như hình 1.4.

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa va chạm giữa một điện tử tới và một hạt nhân nặng
có điện tích Ze
Tương tự với phương trình (1.3), sự biến thiên momen động lượng
p

của điện tử tới là
2
2.Ze
bc
. Góc
tán xạ do tương tác này chính là
2
/ 2 /( )p p Ze bcp

  
(1.9)
Khi chùm tia điện tử xuyên sâu vào vật chất, mỗi điện tử riêng lẻ sẽ chịu nhiều lần lệch hướng như
thế, với kết quả tích lũy lại sẽ chính là sự trãi rộng bề ngang của chùm tia. Vì giá trị có xác suất nhất
của góc tán xạ trung bình ấy phải là 0 (các va chạm đều là không có hướng ưu tiên), cho nên có thể
sử dụng một hệ thức cho góc tán xạ trung bình bình phương <
2

> bằng cách lấy tích phân bình
phương của phương trình (1.9) trên toàn bộ khoảng cho phép của các thông số va chạm. Nếu giả
thuyết rằng những thay đổi của
p
là bé, tích phân này sẽ thành biểu thức
4
2 2
2 2
max
min
8 ln( / )
e
c p

xNZ b b
 
 
 
 
 
(1.10)
Với
x
là độ xuyên sâu vào trong vật hấp thụ.
Điện tích hiệu dụng trong công thức này thực sự phải là hàm của thông số va chạm b, vì các điện tử
nguyên tử gây che chắn các điện tích hạt nhân. Điều đó thường được tính đến bằng việc lựa chọn
chính xác giá trị
max
b
. Tuy nhiên, góc tán xạ trung bình bình phương thì không nhạy lắm với giá trị
thực của thông số va chạm, dù là cực đại hay cực tiểu, vì chúng chỉ xuất hiện trong thừa số dạng
hàm logarith. Vì
cp
là bằng hai lần động năng điện tử E, một phép tính xấp xỉ thô cho góc tán xạ
bình phương trung bình sẽ là:
2 2
( / )a Z E x

 
(1.11)
với a là một hằng số.
Đối với nước một biểu thức gần đúng rất hữu ích sẽ
2
2

6 ( )/ ( )x cm E MeV

 
 
 
(1.12)
1.1.4. Phát bức xạ hãm( tia X) chủ yếu là do các va chạm hạt nhân [2],[3]
Khi hạt electron đi đến gần hạt nhân, lực hút Coulomb mạnh làm nó thay đổi đột ngột hướng
bay ban đầu, tức là hạt electron có thể thu được một gia tốc lớn. Gia tốc của hạt electron thu được tỷ
lệ với điện tích của hạt nhân và tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó. Theo điện động lực cổ điển, khi
một hạt tích điện nói chung hay hạt electron nói riêng chuyển động có gia tốc, thì nó sẽ phát ra bức
xạ điện từ, được gọi là bức xạ hãm. Phổ bức xạ hãm là phổ liên tục, có năng lượng từ 0 đến giá trị
cực đại
0
E
của động năng hạt electron vào. Sự mất mát năng lượng của hạt electron trong trường
hợp này gọi là mất năng lượng do bức xạ. Độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi do
electron phát bức xạ hãm được xác định theo công thức
2 2
0
0
2
2
1
( / ) 4 ln ( )
3
e
rad
e
E

E s NE Z r f Z
m c

 
 
 
     
(1.13)
Trong đó N là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích;
0
E
là năng lượng của electron;
1
137


là
hằng số cấu trúc tinh tế; Z là điện tích của hạt nhân;
e
m
là khối lượng nghỉ của electron;
e
r
là bán
kính cổ điển của electron được xác định bởi công thức
2
13
2
2,82.10
e

e
e
r cm
m c

 
(1.14)
Ta thấy, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo hàm lôgarit tự nhiên của năng
lượng. Khi năng lượng tăng, độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo, trong khi đó độ
mất mát năng lượng do ion hóa hầu như không đổi. Khi năng lượng của electron cỡ vài MeV trở
lên, mối liên hệ giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm và do ion hóa được xác định theo
công thức sau:
800
( / )
( / )
rad
col
EZ
dE dx
dE dx

(1.15)
Ngoài ra, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi phụ thuộc vào nguyên tử số của chất hấp
thụ. Đối với một môi trường hấp thụ cho trước, khi năng lượng nhỏ độ mất mát năng lượng do ion
hóa và kích thích môi trường chiếm ưu thế, tại đó, tỷ số giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ
hãm và do ion hóa nhỏ hơn đơn vị. Khi năng lượng tăng, tỷ số số này tăng dần, đến giá trị năng
lượng của electron đạt giá trị năng lượng tới hạn
cr
E
, khi đó độ mất mát năng lượng do phát bức xạ

hãm bằng độ mất mát năng lượng do ion hóa. Tại năng lượng tới hạn
cr
E E
ta có phương trình
rad col
dE dE
dx dx
   
   
   

(1.16)
Ta thấy năng lượng tới hạn phụ thuộc vào điện tích của hạt nhân hay chính xác phụ thuộc vào
nguyên tử số của môi trường.
Từ biểu thức (1.15) ta nhận thấy rằng: Nguyên tử số của môi trường càng lớn, năng lượng tới hạn
càng giảm. Năng lượng tới hạn được xác định theo công thức
800
1,2
cr
MeV
E
Z


(1.17)
Khi năng lượng của electron lớn hơn nhiều năng lượng tới hạn, sự mất mát năng lượng của nó chủ
yếu do phát bức xạ hãm. Khi đó năng lượng của electron giảm theo hàm số mũ khi đi xuyên qua vật
chất được xác định theo công thức
0
exp

rad
x
E E
l
 
 
 
 
 
(1.18)

Trong đó
rad
l
là chiều dài bức xạ của môi trường. Nó được định nghĩa là khoảng cách mà năng
lượng của electron giảm đi hệ số
1
0,367
e

do phát bức xạ hãm.
0
E
là năng lượng ban đầu của
electron.
1.2. Cơ sở hóa bức xạ [5],[6],[9]
1.2.1.Cơ sở lý thuyết của công nghệ xử lý thực phẩm bằng năng lượng ion hóa
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. Ví dụ phân tử nước được
biễu diễn:

..
..
H:O:H

Dấu “ : ” Biễu diễn số electron ngoài cùng của H (hai), O (tám).
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 gốc
tự do. Số lượng gốc tự do được tạo thành phụ thuộc vào năng lượng, cường độ của các tác nhân gây
kích thích.
Bây giờ, ta xét phân tử nước là thành phần chủ yếu của đa số sinh vật sống. Trong trường
hợp này các gốc tự do sẽ được hình thành do sự thủy phân của nước dưới tác dụng của bức xạ.
Đầu tiên là sự ion hóa
2
_ H O Ionizing energy HOH e
 
  
: một cặp ion
Sau quá trình này một số phản ứng có thể xảy ra:
- Một là: Cặp ion có thể tái hợp lại để trở thành một phân tử bình thường. Khi đó không có tổn
hại gì xảy ra.
- Hai là: Electron có thể gắn vào một phân tử nước trung hòa và trở thành một loại ion thứ ba
2
H O e HOH
 
 

- Ba là electron có thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành
nên
eq
e


( gọi là tương đương electron)
Các ion
à HOH v HOH
 
không bền vững lắm và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn
*
*
HOH H OH
HOH OH H
 
 
 
 

* *
à HOH v
được gọi là các gốc tự do. Thời gian hình thành các gốc tự do vào khoảng
1 s

.
Vậy kết quả của sự thủy phân do bức xạ là sự hình thành các ion
,H OH
 
và các gốc tự do
* * -
eq
OH và H và e
. Tương đương electron
-

eq
e
cũng có tác dụng như một gốc tự do. Do đó
* * -
eq
à à eOH v H v
được gọi chung là các gốc tự do sơ cấp.
Các ion
à H v OH
 
có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào. Các loại ion này cũng
thường xuất hiện trong nước.
Các gốc tự do là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài cùng
nên chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh. Chúng cũng không bền, thời gian sống vào khoảng
1 s

.
Tuy nhiên, trong khoảng thời gian ấy, chúng có thể khuếch tán và gây tương tác tại một chỗ xa
trong tế bào ( khoảng nm). Các gốc tự do tương tác với các phân tử khác theo phản ứng oxy hóa –
khử. Chúng có thể công phá phân tử ADN, bẽ gãy các liên kết của phân tử đó và do đó gây ra một
tổn thương điểm ở một nơi xa điểm hình thành gốc tự do.
Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide,
2 2
H O
, rất độc đối với tế bào và có thể
được hình thành bằng nhiều cách. Với bức xạ có LET(năng suất truyền năng lượng tuyến tính) cao,
do mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do
*
OH
có thể có kết hợp lại để hình thành

2 2
H O
.
* *
2 2
OH OH H O 

Hay trong trường hợp có nhiều Oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi sau
* *
2 2
H O HO 

Các gốc tự do Hydroperoxyl
*
2
HO
không bền, có thể kết hợp với nhau hay với
*
H
để tạo
thành hydrogen peroxide:
*
2 2 2 2
* *
2 2 2
2HO H O O
HO H H O
 
 

* * -
2 2 eq
, , à eH O OH H v
được xem là sản phẩm gây hại chính của quá trình xạ phân, nó là chất
độc của tế bào.
Ngoài ra, hai loại gốc tự do khác cũng có thể được hình thành. Một số phân tử hữu cơ khác,
ký hiệu RH, có thể trở thành các gốc tự do
* * *
_ RH Ionizing energy RH H R   

Khi có oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành :
*
2 2
R O RO 

Như vậy, một cơ thể sống là một thể thống nhất có khả năng tự điều khiển họat động và bảo vệ 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 lý thực
phẩm. Với liều lượng đủ lớn, năng lượng ion hóa có thể tiêu diệt các sinh vật từ dạng đơn bào đến
phức tạp.
1.2.2. Tổn thương do bức xạ ion hóa
1.2.2.1 Tổn thương ở mức độ phân tử
Các tổn thương ở phân tử hữu cơ nhưng quan trọng nhất là các đại phân tử hữu cơ là cơ sở
đầu tiên gây nên tổn thương ở mức độ tế bào, mô và toàn cơ thể. Năng lượng của chùm tia được
truyền trực tiếp hay gián tiếp cho các phân tử hữu cơ tại chỗ chiếu hay lan ra xung quanh. Như trên
đã nói, bức xạ ion hóa có thể kích thích hoặc ion hóa các nguyên tử cấu tạo nên phân tử từ đó phá
vỡ các mối liên kết, phân ly các phân tử, tạo ra các sản phẩm hóa học mới gây nên tổn thương lớn
hơn và lan rộng hơn.
Biểu hiện của tổn thương phân tử do chiếu xạ là:

 Giảm hàm lượng của một hợp chất hữu cơ nhất định nào đó sau chiếu xạ so với lúc trước
chiếu xạ. Trong thực tế, người ta thường theo dõi các men sinh học (enzym), các protein đặc hiệu,
các axít nhân… trong đó các nhóm chức hóa học như gốc amin( NH
2
), cacboxy (COOH), gốc SH bị
tách lìa khỏi cấu trúc của các phân tử hữu cơ. Sở dĩ hàm lượng của chúng bị giảm đi 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 tổn
thương hoặc bị phá vỡ. Ta đã biết mỗi phân tử hữu cơ có một cấu trúc nhất định, cấu trúc đó quyết
định chức năng hoạt động của nó. Bức xạ ion hóa tách rời hoặc phá vỡ các nhóm chức hóa học khỏi
cấu trúc phân tử làm cho chúng không còn hoạt động sinh học đặc biệt nữa.
 Tăng hàm lượng một số chất có sẵn hoặc xuất hiện những chất lạ trong tổ chức sinh học.
Thông thường đó là những chất có hại, độc cho tổ chức sinh học. Chúng 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
2 2
H O
, 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 ARN. Các tổn thương đó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động di truyền của tế
bào.
1.2.2.2. Tổn thương ở mức độ tế bào
Tế bào là đơn vị sống cơ bản. Về cấu tạo, tế bào gồm một nhân tế bào (nuclear) ở giữa, một
chất lỏng bao quanh gọi là bào tương (cytoplasma). Bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng
tế bào (membrane).(Hình 1.5). Mỗi bộ phận thực hiện những chức năng riêng rẽ.


Hình 1.5
Cấu tạo 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:catabolis) 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 là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng
để thực hiện sự tổng hợp các chất. Trong hình (1.6) là 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. Khi các phân tử cấu
tạo nên tế bào bị tổn thương do bức xạ thì hoạt động chức năng và đời sống tế bào cũng bị ảnh
hưởng. Nhìn chung, rối loạn chức năng tế bào xảy ra với những liều lớn (hàng trăm Gray).

Hình 1.6 Mô hình cấu tạo của phân tử ADN
Một trong những chức năng quan trọng của tế bào là chức năng sinh sản. Đó là chức năng phân chia
tế bào để tạo ra các tế bào mới cho thế hệ sau. ADN chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc
phân chia tế bào. Khả năng đó có thể bị mất tạm thời (hồi phục được) hoặc vĩnh viễn dưới tác dụng
của bức xạ ion hóa. Thông thường, những tác dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá
hỏng ADN của tế bào. Các tổn thương ở mức độ tế bào có thể là:
 Sự phân bào bị chậm trễ: thường chỉ là tạm thời xuất hiện khi liều hấp thụ khoảng vài phần
trăm Gray.
 Tế bào chết (mất khả năng phân bào, có thể xảy ra ở ngay tế bào chiếu xạ hoặc ở một thế hệ
sau) với liều từ
1 2
Gray
1.2.3. Cơ chế diệt khuẩn
Cơ chế diệt vi sinh, côn trùng, nấm mốc gây hại cho con người khi sử dụng thực phẩm dựa
trên tính chất ion hóa các nguyên tử, phân tử cấu thành nên các cơ thể sống, đặc biệt là các phân tử
ADN của tế bào vi sinh gây bệnh. Khi các phân tử ADN bị ion hóa, các liên kết giữa chúng bị đứt
gãy. Nếu chiếu xạ ở một liều vừa đủ thì việc phục hồi các đứt gãy trong cấu trúc ADN sẽ không
thực hiện được và khi đó tế bào sẽ bị chết trong quá trình phân bào và vi sinh gây bệnh không thể
phát triển được.
1.2.3.1. Khử trùng ( hay tiệt trùng Sterilization)
Kh trựng bc x l mt quỏ trỡnh vt lý nhm bt hot cỏc vi sinh vt trong sinh vt nh cỏc

hiu ng ion húa ca cỏc tia bc x. Quỏ trỡnh ny c thc hin bi cỏc thit b chuyờn dng phỏt
ra cỏc loi bc x ion húa nh : tia gamma, chựm tia in t, tia X
So vi phng phỏp kh trựng bng nhit v húa hc, kh trựng bc x c xem l cụng
ngh sch, hiu qu v an ton hn vỡ kh trựng bc x khc phc c nhiu nhc im ca cỏc
phng phỏp khỏc, õm 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 chiu x thc phm v rau qu, ngi ta thng quan tõm n tỏc dng sinh
hc ca bc x. Nhng nghiờn cu sinh hc bc x cho thy tỏc dng sinh hc ny ph thuc vo
nhiu yu t, nhng yu t quan trng nht l nng lng m bc x b ra trong mt n v vt
cht. i lng ny c gi l liu hp th. Liu hp th cú giỏ tr tựy thuc loi bc x, nng
lng ca nú, thi gian chiu cng nh cỏc tớnh cht ca vt c chiu. o v tớnh liu hp th l
nhim v trng tõm trong cỏc ng dng ca chỳng ta.
1.3.1
. Liu hp th
1.3.1.1. nh ngha

Liu hp th (D) l lng nng lng c hp th trong mt n v khi lng ca i tng
vt cht b chiu x.

E E
D
m V

(1.19) Trong ú:
E
l
n
aờng lửụùng ca bc x mt i do s ion húa trong i tng b chiu x;
m
khoỏi lửụùng cuỷa i
tng b chiu x.
nh ngha trờn cú th ỏp dng cho mi loi vt cht hp th v mi loi tia bc x, cú nng lng
tựy ý.
1.3.1.2. n v
n v ca liu hp th trong h SI l Gray (Gy)
1 Gray =1 J/kg
Trong thc t, ngi ta cũn s dng n v rad
1 Gy = 100 rad
1.3.1.3. Tớnh cht
Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào loại vật chất được chiếu và tính chất của bức xạ. 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 cho biết loại vật chất đã hấp thụ lượng năng lượng
đó. Ngoài ra, sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ
với electron của nguyên tử vật chất. Do đó, năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng phụ
thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong
một đơn vị khối lượng của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ
của vật chất.
Đối với chiếu xạ thực phẩm, rau quả ta lại có mối quan hệ sau:
Đơn vị liều là Gy hoặc là kGy
1kGy = 1kJ/kg
Còn kW thì tỉ lệ với số phân rã phóng xạ/s/g.
Như vậy, nếu ta thay kW bởi kJ/s thì liều sẽ 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 (P
ht
) là liều hấp thụ tính trong một đơn vị thời gian.

ht
ht
D
P
t



(1.20)
Trong đó
ht
D
là liều hấp thụ trong khoảng thời gian
t
.
Đơn vị: W/kg hoặc rad/s hoặc Gy/s.
Nếu suất liều hấp thụ là một hàm của thời gian, khi đó liều hấp thụ được tính thông qua công thức

0
.
t
ht ht
D P dt


(1.21)
1.4. Hiệu ứng của bức xạ lên cơ quan sinh học [5],[13]
1.4.1. Các cơ quan vi sinh
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 và nấm mốc; vi rút và các ký sinh trùng khác và các loại sâu bọ.
- Vi khuẩn là các tổ chức đơn bào. Nhìn chung, chúng tồn tại dưới dạng tế bào sinh dưỡng,
sinh trưởng và nhân bản điều kiện bên ngoài cho phép. Một vài vi khuẩn còn có dạng bào tử. Về cơ
bản, chúng gồm các lớp che chắn bảo vệ, cho phép các cơ quan nằm bên trong dưới trạng thái tiềm
sinh và chúng có thể chịu đựng được điều kiện môi trường vô cùng khắc nghiệt.
Dưới góc độ bảo quản thực phẩm, vi khuẩn được chia thành 3 loại: (1) vi khuẩn có lợi là các
vi khuẩn có khả năng tạo ra một số loại đường thông qua quá trình lên men. (2) Vi khuẩn có hại là
loại vi khuẩn làm biến đổi mùi vị, màu sắc, thành phần và hình dạng của thực phẩm. (3) Vi khuẩn
gây bệnh là chủng loại vi khuẩn có khả năng phá vỡ trạng thái nội tại của thực phẩm, gây ra bệnh tật
cho động vật tiêu thụ. Các vi khuẩn gần đây bao gồm: vi khuẩn làm thực phẩm thành độc, vài loại vi
khuẩn lạ và e.coli (hình 1.7). Vi khuẩn gây độc có thể gây bệnh theo 3 cách: xâm nhập, đầu độc và
làm nhiễm độc. Một ví dụ về sự xâm nhập của vi khuẩn nhiễm độc là Salmonella typhimurian, với
độ nhiễm độc phụ thuộc vào mức độ hấp thụ của thực phẩm bẩn. Các cơ quan này bị tổn thương dọc
theo ruột non gây ra bệnh tiêu chảy. Sự đầu độc là kết quả của các thực phẩm có chứa vi khuẩn sản
sinh chất độc. Những chất độc phải kể đến là khuẩn cầu chùm Clostridium botulinum.









Hình 1.7 Một số loại vi khuẩn có hại
Trong trường hợp đặc biệt, cơ quan sau cùng có thể gây nhiễm độc neurotoxin cho thực phẩm và là

nguyên nhân sinh ra botulism. Sự nhiễm độc là kết quả của quả trình đưa các thực phẩm có chứa vi
khuẩn gây độc vào cơ thể. Một ví dụ về cơ quan bị nhiễm độc là Clostridium perfringens, những tế
bào được gắn vào thành ruột nơi mà chúng hình thành bào tử. Vỏ bào tử được cho rằng chúng là tác
nhân gây độc.
- Các loại men còn có cấu trúc đơn bào, mặc dù chúng có thể tập hợp thông tin qua chỉ nhị và
được gọi là “sợi nấm”. Khác với các vi khuẩn tái sinh thông qua việc phân chia tế bào, các loại men
tái sinh bằng sự cấy ghép.
- Các nấm mốc cũng có thể có cấu trúc đơn bào hay đa bào, chúng xuất hiện trong quá trình
phân hủy các vật chất.
Các loại men và nấm mốc có thể là mầm mống của các bệnh tật do các chất độc mà chúng
gây ra.
- Virus không phải là các tế bào thực, nhưng chúng là những ký sinh sẽ nhân bản khi xâm
nhập vào vật chất di truyền trong tế bào chủ, chẳng hạn như các tế bào dọc theo thành ruột. Các
virus không phát triển trong thực phẩm nhưng chúng có thể gây ảnh hưởng đến các vi khuẩn chủ.
Bệnh viêm gan truyền nhiễm virus và bệnh bại liệt truyền nhiễm virus có thể lây nhiễm qua sữa
chưa xử lý và thịt bị nhiễm bẩn. Nhiều loại ký sinh khác, đặc biệt là các dạng nguyên sinh, sán dây
chúng không sinh trưởng trong thực phẩm nhưng chúng có thể gây bệnh.
Côn trùng, bọ mạt, một số ký sinh khác và các tổ chức sống cao hơn như động vật đa bào gây
ảnh hưởng và có thể làm mất các giá trị của thực phẩm tươi sống và thực phẩm khô. Chúng còn gây
bệnh thông qua các ký sinh và vi khuẩn.
1.4.2. Hiệu ứng của bức xạ ion hóa
Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những
tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những quá trình sinh học
có thể âm ỷ hàng chục năm. Các quá trình này có mối quan hệ nhân quả, theo một quy luật vừa
mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay vẫn chưa được nhận thức đầy đủ.
Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống bao gồm:
 Giai đoạn vật lý
 Giai đoạn hóa lý
 Giai đoạn hóa sinh
 Quá trình sinh học

Trong các quá trình trên, có lẽ quá trình vật lý là được hiểu biết đầy đủ và chi tiết hơn cả. Càng về
sau, mức độ phức tạp càng tăng lên và mức độ chính xác của dự đoán càng giảm xuống. Có lẽ
nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa có những dữ liệu thống kê đầy đủ, cũng như do sự khác biệt
rất lớn giữa các cá thể làm cho khó có thể thực hiện những phép đo lặp lại được như trong vật lý.
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu từng bước một trong chuỗi quá trình đó.
1.4.2.1. Giai đoạn vật lý
Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất. Nhờ
những tiến bộ trong sinh học phóng xạ, người ta ngày càng nhận thức rõ hơn ảnh hưởng của giai
đoạn vật lý lên các quá trình tiếp theo. Đặc điểm quan trọng nhất trong giai đoạn này có liên quan
đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng cục bộ mà bức xạ truyền cho môi
trường.
Giai đoạn vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn từ 10
-16
s đến 10
-13
s. Đó là
thời gian để bức xạ (photon, electron) đi qua cấu trúc chịu tương tác.Trong chiếu xạ thực phẩm và
rau quả, năng lượng bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích. Sự
ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào. Các tổn thương này càng nhiều và
càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào càng lớn. Do đó, tác dụng
của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường.
Đại lượng này chính là liều hấp thụ đã được định nghĩa trong phần trước.
Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, axit amin, protein, enzym
hay một phần của màng tế bào và chủ yếu là các phân tử nước, vốn chiếm một tỉ lệ khối lượng
khoảng 80% trong tế bào.
Quá trình ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của các đại phân tử sinh học
trong tế bào. Hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn
thương cho ADN, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào. Những tổn thương gây ra trên các
màng và các ống vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc.
Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó. Đó là tác dụng trực

tiếp. Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa các phân tử nước
trong vùng lân cận nó. Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy phân do bức xạ) và dẫn đến
việc hình thành các gốc tự do và hydroxyl. Các gốc tự do và hydroxyl công phá các phân tử ADN (
hình 1.8).
Khi một ADN bị tổn thương, ta không thể phân biệt là nó chịu tác dụng trực tiếp hay gián tiếp,
nhưng do tế bào chứa khoảng 80% nước và dưới 1% ADN, nên người ta cho rằng tác dụng gián tiếp
đóng vai trò quan trọng. Những thí nghiệm bổ sung cho phép ước tính rằng đối với các bức xạ có
LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số các thương tổn,
phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp.











Hình 1.8 Tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp
Mặt khác, ta lại có năng lượng liên kết hóa học càng thấp, năng lượng cần thiết để bẽ gãy
phân tử càng bé. Trong các phân tử hữu cơ, liên kết cộng hóa trị có năng lượng liên kết lớn nhất
(khoảng 1,5 – 4 eV/liên kết), do đó chúng có độ bền cao nhất đối với sự công phá của bức xạ. Loại
mối thứ hai là liên kết Hydro, có năng lượng liên kết khoảng 0,2 – 0,4 eV/liên kết), dễ dàng bị bẻ
gãy hơn, ngay cả với bức xạ không ion hóa như tia tử ngoại. Như sẽ thấy, trong phân tử ADN các
nhánh chính có liên kết cộng hóa trị, còn các base nối với nhau bằng liên kết hydro. Điều này khiến
cho ADN tương đối vững bền với các tác nhân có năng lượng thấp, nhưng lại dễ bị đứt gãy do các
bức xạ ion hóa. Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ
bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác.

1.4.2.2. Giai đoạn hóa lý
Giai đoạn hóa lý kéo dài trong khoảng từ 10
-13
s đến 10
-2
s, mở đầu bằng việc hình thành các
gốc tự do và kết thúc bằng những thay đổi cấu trúc và chức và chức năng của các phân tử sinh học
có trong tế bào.
Như đã nói trên, bức xạ có thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp thông qua việc ion hóa hay
kích thích phân tử nước. Trong cả hai trường hợp, năng lượng của bức xạ sẽ được hấp thụ trong các
phân tử hữu cơ cũng như vô cơ. Tiếp sau quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã
hấp thụ từ bức xạ cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng
nội phân tử hay từ phân tử này sang phân tử khác. Quá trình trao đổi nội phân tử có thể làm thay đổi
cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách các nhóm chức năng hay làm đứt vỡ những
phân tử có dạng chuỗi. Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương
tác giữa phân tử nước. Đó là quá trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do. Thường thì các
gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro
trong ADN. Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa
được. Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng ½
đường kính của thớ của nhiễm sắc thể. Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi
có mặt oxy hay các phân tử ái electron. Ngược lại, một số phân tử khác có thể thu hút các gốc này
và làm giảm tác dụng sinh học của chúng.
Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau: đứt một nhánh,
đứt hai nhánh, tổn thương base, nối giữa các phân tử trong AND, nối giữa AND và protein, tổn
thương bội.
1.4.2. 3. Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN
Quá trình sinh học kéo dài từ 10
-2
s đến nhiều giờ. Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị tổn
thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là những tổn thương

không hồi phục được.
1.4.2. 4. Quá trình sinh học
Giai đoạn này có thể kéo dài từ vài giờ đến nhiều năm sau chiếu xạ. Những tổn thương hóa sinh ở
giai đoạn đầu nếu không được hồi phục sẽ dẫn đến những rối loạn về chuyển hóa. Kết thúc tế bào
không thể hoạt động bình thường dẫn đến tế bào bị chết hay bị hủy hoại.
Bây giờ chúng ta xem xét cụ thể hiệu ứng của bức xạ ion hóa lên các cơ quan vi sinh:
Trước hết ta cần lưu ý rằng: một nguyên nhân quan trọng để đối chiếu mức độ nhạy cảm cao
của ADN dưới hiệu ứng bức xạ ion hóa là các ADN lớn hơn nhiều so với các phân tử khác trong
cấu trúc tế bào. Ví dụ như, ADN chromosom của e.coli bao gồm 3,5x10
6
nucleotide ghép đôi, với
khối lượng trung bình của mỗi phân tử là 660 thì tổng khối lượng các phân tử lên đến 2x10
9
. Giả sử
giá trị G duy nhất (đặc trưng cho nguyên nhân gây tổn thương trong một trụ xoắn (trụ chính) của
phân tử ADN). Với liều hấp thụ 1 kGy sẽ bẻ gãy gần 200 trụ chính trong một phân tử ADN của
e.coli. Trong khi đó, một trụ chính bị bẻ gãy sẽ không gây chết ADN mà có thể gây đột biến trong
quá trình nhân bản. Hơn nữa, tùy thuộc sự định hướng của phân tử và hướng tới của bức xạ ion hóa,
chúng còn có thể gây tổn thương lên trục xoắn kép song song, cả hai trụ chính đều bị tách ra cùng
lúc do sự bẻ gãy phân tử ADN trong hai phần tách biệt. Với trụ xoắn kép bị bẻ gãy thì luôn luôn gây
chết tế bào. Ước tính giá trị G của trụ xoắn kép bị bẻ gãy khoảng 0.07
6
. Mức liều 1 kGy có thể bẻ
gãy 14 trụ xoắn kép của phân tử ADN của e.coli gây chết tế bào.
Với hầu hết các cơ quan sinh học bị chiếu bởi bức xạ ion hóa, tốc độ suy giảm quần thể
(dN/dt) đo được phụ thuộc tuyến tính vào suất liều (dD/dt) và chính quần thể đó :
/ ( / )dN dt aN dD dt
(1.22)
với a là hằng số đặc trưng cho quần thể. Khử biến thời gian và thực hiện phép lấy tích phân ta được

( / 2,3)
10
aD aD
o o
N N e N
 
 
(1.23)
Với N
0
là số lượng quần thể ban đầu khi bắt đầu chiếu xạ và D là liều tích lũy. Để tiện lợi hơn ta lấy
logarit 2 vế của phương trình (1.23) và biểu diễn độ nhạy cảm của các cơ quan đặc trưng dưới tác
dụng của bức xạ ion hóa theo liều D
10
, hay thường biểu diễn theo giá trị liều D (giá trị thập phân).
Đó là giá trị liều yêu cầu để giảm số lượng cá thể ban đầu xuống 10 lần. Từ phương trình (1.23), giá
trị D
10
được định nghĩa bởi
10
D =2,3/a
(1.24) Ngoài ra, do kích
thước của phân tử ADN thường tăng lên theo sự phức tạp của các cơ quan, virus thường chịu đựng
với phóng xạ tốt hơn vi khuẩn, vi khuẩn thì hơn côn trùng… Liều cho các loại virus thường khoảng
vài kGy, trong khi giá trị liều D
10
cho các loại vi khuẩn khoảng vài trăm Gy. Tuy nhiên, còn rất
nhiều hệ số làm ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với hiệu ứng bức xạ bao gồm nhiệt độ, đặc điểm cấu
trúc môi trường và chu kỳ sinh trưởng của tế bào. Ví dụ thông thường thì độ nhạy cảm với bức xạ
suy giảm khi nhiệt độ giảm. Nguyên nhân của hiệu ứng này là khi nhiệt độ giảm làm thì tốc độ

chuyển hóa cũng giảm và giảm đặc tính và hoạt tính của bức xạ tự do. Sự sấy khô hoặc đông lạnh
cũng làm suy giảm độ nhạy cảm với bức xạ như nhau. Vi khuẩn trong trạng thái tiềm sinh, giai đoạn
bào tử thường chống chịu với bức xạ cao hơn so với giai đọan phát triển của tế bào dinh dưỡng.
Các loại men thường chống chịu với hiệu ứng bức xạ cao hơn các loại nấm mốc, điển hình là
giá trị liều gây hiệu ứng D
10
khoảng vài kGy, trong khi liều D
10
gây cho nấm mốc là 1 kGy hoặc
nhỏ hơn. Những độc tố được sinh ra do các loài nấm mốc khác nhau có khối lượng nguyên tử phải
nhỏ hơn phân tử khối ADN vì vậy sức chống chịu với hiệu ứng bức xạ cao hơn.
Liều bức xạ để tiêu diệt côn trùng phụ thuộc chủ yếu vào tuổi và trạng thái phát triển của
chúng, đang còn trong trứng là nhạy cảm với bức xạ nhất, giai đoạn trưởng thành có sức chống chịu
cao nhất. Các mức liều trong khoảng từ 1 – 3 kGy sẽ tiêu diệt toàn bộ côn trùng trong tất cả các giai
đoạn trong vài ngay sau đó, nhưng khi khử trùng thường có hiệu quả ở mức liều thấp hơn. Ví dụ,
liều khử trùng với giai đoạn trưởng thành của côn trùng trong khoảng từ 50 – 150 Gy và với các loại
mạt là từ 60 – 80 Gy.
1.4.3. Liều yêu cầu cực tiểu
Nguồn gốc và phân phối một số thực phẩm đặc trưng cần mức liều yêu cầu cực tiểu D
m
, mức
liều này có thể được tính toán cho các cơ quan sinh học của các quần thể khác nhau. Với mục đích
là làm giảm bớt số lượng các vi sinh trong quá trình bảo quản thực phẩm thường có hệ số 10
5
hay 5
lần giá trị D
10
. Ví dụ, giá trị D
10
để diệt e.coli trong thịt bò tươi là 0,25 kGy. Chính vì tiêu chuẩn

ngặt nghèo của thịt đóng gói với yêu cầu cao hơn so quần thể e.coli ban đầu là 1000 cá thể trong 25
g thịt bò tươi. Để bảo quản nguồn gốc thịt sống cần mức liều cực tiểu bằng 5 D
10
hay 1,25 kGy.
Xem một quần thể ban đầu trong trường hợp xấu nhất, xác suất tìm được một cá thể e.coli trong 1
pao thịt bò tươi đã chiếu xạ là 0,2, đảm bảo hiệu quả trong việc bảo quản các sản phẩm chiếu xạ.
Liều yêu cầu cực tiểu áp dụng trong trường hợp này được coi là mức liều trung bình nó nằm
trong khoảng từ 1 – 10 kGy. Sự tăng nhiệt độ cũng được liên hệ với liều cực tiểu. Dùng nhiệt dung
riêng của nước (cal/g
0
C) làm một ví dụ thì khoảng tăng nhiệt độ tương ứng chỉ là 0,25 – 2,5
o
C. Các
ứng dụng khoảng liều trung bình để kiểm soát vi khuẩn gây bệnh do đó có khi còn được gọi với cái
tên “thanh trùng nguội” mặc dù cụm từ này không được công nhận.
1.5. Hiệu ứng của bức xạ lên thành phần thực phẩm
- Trong quá trình chiếu xạ, thực phẩm không hề tiếp xúc với chất phóng xạ mà chỉ bị chiếu
tia gamma phát ra từ các chất phóng xạ hay sử dụng chùm tia electron, do đó nó không thể bị
nhiễm và trở thành “thực phẩm phóng xạ” được.
- Việc chiếu xạ đúng liều lượng trong một số trường hợp cũng có thể làm mất đi một phần
nhỏ các vitamin nhóm B, vitamin A, C, E, K, các amino acid và các acid béo không no, tuy nhiên
vẫn không ảnh hưởng đến chất lượng, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Hương vị, hình thức của
thực phẩm đã được chiếu xạ hoàn toàn giống như thực phẩm chưa chiếu xạ.
- Cũng chưa ghi nhận được các chất độc hại có khả năng ảnh hưởng đến sức khoẻ người tiêu
dùng được tạo thành sau khi chiếu xạ thực phẩm.