Tính toán phân bố liều trong thùng hàng chiếu xạ và xây dựng phần mềm xác định chế độ chiếu xạ trên thiết bị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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
THƯ
VIỆN


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 Vi
ệt 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 tố
c 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 kh
ẩu 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
đượ
c 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 thuộ
c
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/cm
3
) 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 D
min
, D
max
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 ( D
min
) và liều cực đại (D
max
) 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 D

min
và D
max
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 ngu
ồn 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 D
min

và D
max
cho các mật độ ρ (g/cm
3
) : 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(Co
60
)
     
10 , 13 , 15

Các máy chiếu xạ sử dụng nguồn Co
60
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 Co
60
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
Co
59
thành Co
60
, công nghệ chế tạo và xử lý an toàn.
- Nguồn Co
60
dễ dàng bảo quản, không gây ô nhiễm cho môi trường do đặc tính Co
60
là một kim
loại (khác với Cs
137
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 Co
60

với hoạt độ cao cũng là một
yếu tố quan trọng đảm bảo tính thương mại của nguồn loại này.
- Nguồn Co
60
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 Co
60
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 Co
60
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 Co
60
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 liệ
u
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 Co
60
.
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 kh
ỏi 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 E
e
bằng hiệu giữa năng lượng gamma vào E
và năng lượng liên kết
lk

của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra
E
e
= E – ε
lk
(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:

2
0
2
1
(1)
1
Emc



(1.2)
0
2
1
mc
E
c




(1.3)
Trong đó
31 8
0
, 9,1.10 , 3.10 /
v
mkgcms
c



 
.
Từ (1.2) rút ra

2
22
0
1
1
11
E
mc

 



(1.4)
Phương trình này có hai nghiệm
0


và
1


. Giá trị
0



cho nghiệm tầm thường E
e
= 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 m

ột phần năng lượng
còn electron thì được giải phóng ra khỏi nguyên tử.











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 E
γ
’
<E
γ
, còn electron trên đó xảy ra sự tán xạ gọi là electron giật lùi thì
thu được động năng
e
E


'
e

EEE
 

(1.5)
Sử dụng các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng với giả thiết rằng electron là electron tự
do ta có:



,
0
2
'2
0
2
1.6
1
1
11.7
1
mc
hh
cc
hhmc










 




Từ (1.6),(1.7) có thể chỉ ra rằng biến thiên bước sóng trong tán xạ Compton là:

 
'
0
1os (1.8)c
 
   

Hình 1.2. Hiệu ứng Compton
Trong đó

và
'

tương ứng là bước sóng của bức xạ sơ cấp và bức xạ tán xạ;
0
0
h
mc



là một hằng
số và được gọi là bước sóng Compton của điện tử ;

là góc giữa
P

và
'
P

thay đổi trong khoảng từ 0
đến










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:

''
2
0
1
1(1os)
Eh h
h
c
mc






(1.9)
Sự giảm của năng lượng
'
h

và do đó của cả xung lượng
'

h
c

của lượng tử gamma bị tán xạ theo sự
tăng của năng lượng và xung lượng electron giật lùi. Mối liên hệ giữa động năng của electron giật
lùi
e
E
và góc bay ra

của nó có thể biễu diễn bằng hệ thức sau :

2
0
2
22
00
2
(1.10)
2
1(1)
e
h
mc
Eh
hh
tg
mc mc






 

Trong đó

là góc bay ra của electron giật lùi, thay đổi từ 0 đến
2

. Góc

liên hệ với góc tán xạ


bằng công thức:

2
0
1
cot (1.11)
2
1
tg g
h
mc







Từ (1.10) ta suy ra rằng, động năng của electron giật lùi
e
E
thay đổi từ 0 đến
ax
em
E
.
Hình 1.3. Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do


2
0
emax
2
0
2
E (1.12)
2
1
h
mc
h
h
mc







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 20
0
.
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 2m
e
c
2
= 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
nhân. Ngưỡng tạo cặp là:
2
21 1,02
m
mc MeV
M





, với M là khối lượng hạt nhân, m là khối lượng
electron










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 – 2m
e
c
2
bằng tổng động năng của electron E
e-
và pozitron E
e+
bay ra. Do hai hạt này có khối
lượng giống nhau nên có xác suất lớn để hai hạt có năng lượng bằng nhau E
e-
= E
e+
. 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
Hình 1.4. Hiệu ứng tạo cặp electron - positron

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.
22
_
H O Ionizing energy H O 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
s
e


hay
aq
e

.
Phương trình được viết:
22
_
aq
H O ionizing energy H O e
 


(1.14)
Ion dương vỡ thành gốc hydroxyl và ion hydrogen.
2
HO 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:
 
2
H O excited OH H

(1.16)
Phương trình tổng quát:

     
2
_3,3,0.4,
aq
H O ionizing energy e OH H H
 


(1.17)
Những số trong dấu “ ( )” chỉ xác suất hình thành.
Trong Lipid:

22
LH LH e





2
LHLHH



(1.18)
L tượng trưng cho gốc Lipid.
Tương tác với Protein:

22
PHPHe






2
PHPHH



(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.

22
OH PH PH H O



(1.20)
Cũng có thể tương tác với aromatic protein của những amino acid tạo những gốc tự do khác
nhau như:
22
OH PH HO PH

(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 c
ặp.
Khi có mặt oxy, hầu hết gốc tự do tương tác với nó tạo thành gốc peroxy.

2
LH O OOLH

(1.22)
Các vận chuyển electron có thể xảy ra hình thành ion hydro và gốc tự do mang điện âm:


2
P H O OOPH


(1.23)

22
PHO PH O

 

(1.24)
Khi gốc tự do tương tác với nhau:
Nhị trùng:

2
RH RH R RH


(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 )

2
RHGSH RH 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 c
ủa 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 hiệ
u 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 trạ
ng 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 v
ề 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 v
ậy
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 tạ
o 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 đổ
i 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 d
ụng 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 H
2
O.
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 + H
2
O →(H
2
O)
*
→ H
*
+ OH
*
(1.30)
- Quá trình ion hóa phân tử:
Tia bức xạ + H
2
O → (H
2
O)
+
+ e
(H
2
O)
+
→ H

+
+ OH
*
(1.31)
e + H
2
O → (H
2
O)
-
→H
*
+ (OH)
-

(H
2
O)
-
, (H
2
O)
+
, 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
*
→ H
2
(1.32)
OH
*
+ H
*
→ H
2
O (1.33)
OH
*
+ OH
*
→ H
2
O
2
. (1.34)
Hydrogen peroxide H
2
O
2

là một chất oxy hóa mạnh, rất có hại đối với phân tử hữu cơ. Trong
thực tế lượng H
2
O
2
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
*
+ O
2
→ RO
2
(1.35)
RO
2
+ 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 H
2
O
2
, 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 cấ
u
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 t
ại 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 nhữ
ng 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 chi
ếu 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 v
ậy 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, gi
ảm 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 qu
ả 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 s
ố 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 li
ều 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 nhạ
y 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
ng
ừng 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 ả
nh 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
dm

(1.37)
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
-4
C/kg
1C/kg = 3876 R.
Do điện tích của mỗi cặp ion là e = 1,6.10
-19
C, một liều chiếu có giá trị bằng 1C/kg sẽ tạo ra
trong không khí 1(C/kg)/1,6.10
-19
(C) = 6,25.10
18

cặp ion/kg.
Tương ứng 1R là liều chiếu của tia X hay tia gamma có thể tạo ra 1,61.10
12
cặp ion trong một
gam không khí hay 2,08.10
9
cặp ion trong 1cm
3
không khí ở điều kiện tiêu chuẩn ( 760mmHg, 0
0
C )
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 đượ
c 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
dm



(1.38)
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 mộ
t 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
lượ
ng, ký hiệu là W
R

H = W

R
.D (1.39)
Đơn vị của liều tương đương trong hệ SI là sievert (Sv)
H(Sv) = W
R
x D (Gy)
Ngoài ra người ta cũng thường dùng đơn vị rem
H(rem) = W
R
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 thươ
ng
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

W
T
. H
T
(1.40)
Trong đó H
T

là liều tương đương nhận được ở mô T và W
T
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 (0
0
-
5
0
C).
- 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 nh
ất của công nghệ bức xạ.
Nguồn bức xạ chủ yếu sử dụng để khử trùng dụng cụ y tế là gamma (Co
60
và Cs
137
), 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 tượ
ng 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” gi
ảm chậm do quá trình phục hồi của
hệ tế bào. Trong qúa trình chiếu xạ người ta hay sử dụng khái niệm D
10

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 D
min

= 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.
+ Xử lí được các vật liệu dễ bị biến dạng do nhiệt.
+ Xử lí được dụng cụ trong bao bì kín.
+ Không tạo ra độc chất như xử lí hóa nhiệt.
+ Dễ điều khiển.
+ Xử lí liên tục và dễ tự động hóa.
1.6.3. Làm sạch khói nhà máy bằng công nghệ bức xạ
Ô nhiễm môi trường là vấn đề toàn cầu. Sự phát tán các chất SO
2
và NO
x
vào khí quyển từ các
nhà máy than và dầu, các nhà máy công nghiệp, là một trong những nguồn ô nhiễm chủ yếu. Các chất
gây ô nhiễm này tạo ra các trận mưa axit và làm tăng hiệu ứng nhà kính với sự nóng dần lên của khí
quyển Trái đất.
- Kỹ thuật xử lý bằng electron là một kĩ thuật mới, tách đồng thời các chất nói trên từ khói thải,
đã được nghiên cứu ở một số nước và hiện có một số thi

ết bị công nghiệp, chẳng hạn ở Mỹ, Nhật, Ba
Lan...
- Nội dung và phương pháp: Khí thải phát ra được làm lạnh bằng cách phun các hạt nước kích
thước nhỏ tới nhiệt độ 70
o
C. Khí này được cho qua buồng chiếu và được chiếu bằng chùm electron với
sự hiện diện của amoniac (NH
3
) được trộn trước khi đưa vào buồng chiếu. Khí SO
2
và NO
x
được biến
thành axit tương ứng của chúng, sau đó biến thành amoni sulfat và amoni nitrat. Các chất này được thu
hồi bằng các máy tĩnh điện. Sản phẩm thu được là phân bón phục vụ cho nông nghiệp. Các phản ứng
này có thể xảy ra như sau:

2
O H, O, HO



NO
x
HNO
3
(1.41)

2
O H, O, HO


SO
2
H
2
SO
4
(1.42)



NH
3



H
2
SO
4


(NH4)
2
SO4 (1.43)

NH
4

(NH
4
)
2
SO
2
(NH
4
)
2
SO
4
. 2NH
4
NO
3
(1.44)

- Thiết bị: Một vài tổ máy gia tốc electron, năng lượng 0,5-1,5 MeV, công suất 10 – 50 kW,
dòng ~20mA; nhiệt độ 60 – 150
o
C
- Hiệu quả: Việc xử lý liên tục cho phép tách 95% khí SO
2

và 80% khí NO
x
ra khỏi khói thải.
Có thể kết hợp việc xử lý CO
2
với SO
2
và NO
x
bằng cách phun hỗn hợp Ca(OH)
2
để tạo thành
cacbonat canxi.
- Tính ưu việt của quy trình công nghệ:
+ Đây là quy trình duy nhất tách đồng thời SO
2
và NO
x

+ Sản phẩm thu được làm phân bón.
+ Quy trình không đòi hỏi nhiều nước
+ Đáp ứng yêu cầu và tách SO
2
và NO
x
1.6.4.Xử lý bức xạ nguồn nước thải
Các nghiên cứu và công nghệ xử lý nước thải được tiến hành theo các bước xử lý sau đây: 1)Xử
lý bức xạ các nguồn nước tự nhiên; 2) Làm sạch bằng bức xạ các nguồn nước thải công nghiệp; 3) Xử
lý bức xạ các chất lắng đọng của nước thải. Quá trình xử lý nước thải được tiến hành đồng thời với quá
trình khử

tính lây nhiễm các mầm bệnh có trong nước.
1.6.4.1.Xử lý nước tự nhiên
Nước tự nhiên trước khi sử dụng làm nước uống, thường được làm sạch chủ yếu đối với các
chất hữu cơ vốn làm cho nước có màu; khử mùi và vị không bình thường của nước.
Dùng tia gamma của nguồn
60
Co với liều thấp cỡ 1 kGy, người ta có thể khử được màu, tẩy uế
và diệt khuẩn để nước có thể sử dụng làm nước sinh hoạt. Việc khử màu chủ yếu liên quan tới sự phân
hủy các chất mùn bởi các sản phẩm phân tích bức xạ, trong đó vai trò quan trọng nhất là các gốc tự do
OH. Cũng ở liều 1kGy mùi bị khử hoàn toàn và độ nhiễm độc vi khuẩn cũng như nhiễ
m độc ký sinh
trùng trong nước giảm đi rất nhiều, cho nên có thể coi 1 kGy là liều làm sạch nước.
1.6.4.2.Xử lý nước thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp thường chứa rất nhiều chất độc hại; những chất này khó phân hủy và lại
có nồng độ tương đối cao. Để phân hủy chúng cần liều
10DkGy

. Nói chung người ta thường kết hợp
nhiều phương pháp: hóa học, sinh học, bức xạ, v.v..
Sau khi làm sạch bằng phương pháp hóa học và sinh học, chỉ cần một liều bức xạ rất nhỏ để làm
sạch nước thải, cỡ 0,1 – 0,3 kGy
1.6.4.3.Xử lý bùn và các chất lắng đọng từ nước thải
Các chất lắng đọng thường chiếm từ 0,5 – 8% thể tích nước thải. Liều lượng 25kGy được coi là
li
ều lượng tiệt trùng đối với bùn và chất lắng đọng. Sản phẩm có thể làm phân bón trong công nghiệp.
1.6.5.Tổng hợp hóa bức xạ
Bức xạ ion hóa có thể sử dụng để thực hiện các phản ứng hóa học. Thông thường trong các quá
trình này, bức xạ ion hóa đóng vai trò tác nhân khơi mào đối với các phản ứng dây chuyền.
1.6.5.1 Tổng hợp sulfoclorit
-Mục tiêu của quy trình: thu được monosulfoclorit để sử dụng sản xuất các chất tẩy rửa sinh

học.
- Nội dung của phương pháp: dựa trên phản ứng dây chuyền ở pha lỏng được khơi mào bằng
bức xạ gamma
RH + SO
2
+ Cl
2
RSO
2
Cl +HCl (1.45)
Cơ chế của quy trình bao gồm các phản ứng sau:
* R + SO
2
→ RSO
2
(1.46)
R + Cl
2
→ RCl + Cl (1.47)
RSO
2
+ Cl → RSO
2
Cl (1.48)
* RH + Cl → R + HCl (1.49)
Cl + Cl → Cl
2
(1.50)
RSO
2

+ Cl → RSO
2
Cl (1.51)
Ngoài RSO
2
Cl, còn có sản phẩm phụ là clorit
- Nguồn bức xạ
60
Co, hoạt độ nhỏ 2kCi, suất liều 2x10
-4
-10
-2
Gy/s.
- Sản phẩm là dung dịch 30% sulfoclorit trong hyđrocacbon.
1.6.5.2.Tổng hợp chất thiếc – hữu cơ
- Phương pháp: dựa trên phản ứng khơi mào bằng bức xạ
2RBr + Sn → R
2
SnBr
2
(1.52)
- Điakil bromit thiếc (R
2
SnBr
2
) được dùng làm sản phẩm trong việc sản xuất các chất xúc tác
đặc biệt là các chất cố định polyme.
1.6.6.Công nghệ lưu hóa các chất đàn hồi
1.6.6.1.Sản xuất các vật liệu cách nhiệt bền nhiệt tự dính
- Chế tạo các băng dính cách điện chịu nhiệt

Nguyên lý: Lưu hóa hay khâu mạch.
Quy trình: Việc chế tạo các sản phẩm này bao gồm các công đoạn sau:
+ Chuẩn bị phối liệu ban
đầu gồm từ hỗn hợp cao su và một số phụ gia
+ Trộn phối liệu ở nhệt độ
0
50
C

+ Tạo băng cao su nguyên liệu trên đế polyetylen và cuộn thành bánh đường kính 12-15cm .
+ Lưu hóa bức xạ bằng nguồn
60
Co
+ Đóng gói sản phẩm trong gói polyetylen.
Để chế tạo các băng ta lấy hỗn hợp cao su polygetepolyxyloxan có chứa bo. Nguyên liệu này
có khả năng tự bám dính và hấp thụ nhiệt độ phòng. Tính tự bám dính có được nhờ nhóm B-O trong
mạch polyme.
Liều chiếu: từ 100-130kGy, suất liều 7,9 kGy/h.
Thiết bị: Máy gia tốc hoặc nguồn
60
Co.
- Chế tạo vải thủy tinh cao su.
Nguyên lý: lưu hóa cao su.
Quy trình chuẩn bị nguyên liệu:
+ Tấm vải thủy tinh bằng dung dịch polyxyloxan.
+ Phủ một lớp hỗn hợp mủ cao su.
+ Dùng rulô phủ tiếp một lớp màng mỏng polyetylen giữa lớp thứ nhất và lớp thứ hai.
Chiếu bức xạ electron: trên băng chuyển động liên tục. Liều hấp thụ 50-70kGy. Cũng có thể
dùng bức xạ gamma của nguồ
n

60
Co để lưu hóa. Trong trường hợp này sản phẩm được chiếu theo từng
cuộn.

1.6.6.2.Các quá trình lưu hóa bức xạ các chất đàn hồi khác
- Đệm, phớt cao su: Dùng nguồn
60
Co hoặc electron nhanh chiếu mủ cao su.
- Lốp ô tô: Lúc đầu người ta cho rằng chế tạo lốp ô tô bằng phương pháp lưu hóa bức xạ là có
triển vọng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về sau cho thấy vấn đề không đơn giản. Nguyên nhân là tính
phức tạp của đối tượng, tính đa dạng về thành phần và độ bền khác nhau của các chất trong quá trình
chiếu xạ. Do đó, đối với đối tượng này, xử lý bức xạ không thể
hiện tính ưu việt rõ rệt so với phương
pháp xử lý nhiệt. Tuy nhiên, việc kết hợp giữa xử lý bức xạ và xử lý nhiệt cho các kết quả khả quan
hơn
- Lưu hóa mủ cao su tự nhiên: Thiết bị gồm ba bộ phận : bộ phận nhũ tương hóa nguyên liệu, bộ
phận trộn và buồng phản ứng lưu hóa.
Trong bộ phận nhũ tương hóa, người ta chuẩn b
ị nhũ tương từ CCl
4
và nước. Nhũ tương đưa
vào bộ phận trộn để trộn từ từ với latex. Hỗn hợp sau đó được đưa vào buồng lưu hóa để chiếu gamma
từ nguồn
60
Co. CCl
4
được sử dụng với vai trò của chất tăng nhạy. Thiết bị hoạt động theo chu trình,
mỗi mẻ chứa 1.550 kg latex và 40 kg nhũ tương. Suất liều 2,27 kGy/h, liều 30 kGy.
1.6.7.Các quy trình biến tính vật liệu polyme bằng bức xạ
1.6.7.1.Chế tạo vỏ cáp và dây điện bằng khâu mạch bức xạ

Các vật liệu xử lí bằng bức xạ có độ bền cơ, nhiệt cao, tính cách điện được c
ải thiện đặc biệt ở
nhiệt độ cao.
- Các loại polyme thường dùng làm lớp cách điện được xử lí bằng bức xạ là polyetylen (- CH
2
–
CH
2
-), polyvinylclorua (- CH
2
: CHCl -).
- Nguồn bức xạ để khâu mạch : máy gia tốc electron công suất 100-150 kW. Ngoài ra còn sử
dụng các bức xạ hãm.
- Quá trình chiếu : Liên tục
- Liều hấp thụ : 200 – 400 kGy. Dùng chất tăng nhạy có thể giảm liều xuống 100 – 200 kGy.
- Bề dày tối ưu d đối với e : Tùy theo bề dày của cáp, người ta sử dụng năng lượng của electron
sao cho thích hợp.
1.6.7.2.Chế tạo ống và màng co nhiệt
- Các sản phẩm thường gặp: phim, ống, băng, túi, các loại bao bì …, các sản phẩm thường được
sử dụng trong ngành điện kỹ thuật, công nghệ thực phẩm, đóng tàu, chế tạo máy, công nghiệp điện tử
và một số l
ĩnh vực khác.
- Các polyme thường dùng: polyetylen, polyvinylclorua, polyviniliđenflorid..
- Các nguồn bức xạ: máy gia tốc electron 1-3 MeV. Trường hợp đối với màng mỏng, có thể sử
dụng năng lượng thấp hơn 0,5–1 MeV. Ngoài ra có thể dùng bức xạ gamma của nguồn
60
Co.
- Kích thước co của sản phẩm có thể tới 15 – 20%
1.6.7.3.Chế tạo polyetylen xốp bằng bức xạ
- Nguyên lí: dựa trên quá trình khâu mạch.

- Quy trình: Gồm 4 giai đoạn :
1/ Giai đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu ban đầu
2/ Giai đoạn 2 : Tạo ra các phôi tấm trên cơ sở của nguyên liệu trên.
3/ Giai đoan 3 : Chiếu electron nhanh với năng lượng 0,5 – 4 MeV.
Liều tối ưu là 50-70 kGy.
4/ Giai đoạn 4: Việc tạo bọt khí trong các phôi chiếu xạ
được thực hiện do phân hủy chất tạo khí
khi bị đốt nóng ở nhiệt độ 180
0
C.
Mục đích của chiếu xạ là tăng độ nhớt của polyetylen nóng chảy bằng quá trình khâu mạch. Do
đó các chất khí khó thoát khỏi phôi, và thể tích của polyme tăng lên.
1.6.7.4.Công nghệ làm đông cứng chất phủ polyme
- Nội dung quy trình : Khi phủ một lớp mỏng hỗn hợp chất trùng hợp lên mặt vật liệu, sau đó
tiến hành chiếu xạ bằng electron nhanh để polyme hóa nó.
- Đối tượng : Gỗ, kim loại, chấ
t dẻo v.v.

- Năng lượng electron : 0,15 - 0,5 MeV. Với năng lượng tương đối thấp, các máy gia tốc
electron thường là loại tự bảo vệ. Liều sử dụng 20 - 200kGy.
Các ứng dụng: Xử lý các chất phủ, sơn, vật liệu trang trí, lớp phủ vật liệu dẫn điện, mực in,
bằng từ v.v…
1.6.8.Sản xuất vật liệu gỗ - chất dẻo, bê tông- polyme bằng công nghệ hóa bứ
c xạ