Bài giảng Bức xạ

Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
Trong công nghiệp, việc sử dụng bức xạ ngày càng được áp dụng rộng rãi, đặc biệt là
trong các ngành vật liệu, xử lý môi trường và chế biến thực phẩm...Xử lý bằng bức xạ
mang lại nhiều ưu điểm mà các phương pháp khác không thể mang lại, hay mang lại
không hoàn toàn. Vì vậy trong những năm gần đây việc nghiên cứu phát triển các quy
trình xử lý bằng bức xạ được thế giới quan tâm và khuyến cáo sử dụng. Các nghiên cứu
quan trọng đều được Cơ quan năng lượng Nguyên tử quốc tế (IAEA) tài trợ.
I. Khái niệm, phân loại và các thông số quan trọng của bức xạ [1] [4]
Bức xạ là năng lượng phát ra từ vật chất có bản chất sóng điện từ. Mỗi bức xạ đặc
trưng bằng dải năng lượng tương ứng với bước sóng λ xác định. Mối tương quan giữa
năng lượng E và bước sóng λ là:
λ
γ
hc
hE
==
I.1 Phân loại bức xạ theo năng lượng bước sóng
Dạng bức xạ Năng lượng điển hình Bước sóng
Bức xạ nhiệt
Vi sóng (Microwave)
Hồng ngoại (Infrarred)
Ánh sáng khả kiến
Tử ngoại ( Ultra Violet)
Tia Roentgen (Tia X)
Tia γ
< 100 eV
1 – 100 keV
1 – 100 MeV
>100 μm
10 – 100 μm
1 – 10 μm

380 – 760 nm
10 -380 nm
0.01 – 1000 nm
< 0.001 nm
Năng lượng điển hình là năng lượng của một lượng tử búc xạ. Năng lượng của nguồn
bức xạ là tổng năng lượng điển hình của tất cả các lượng tử bức xạ phát ra từ nguồn đó.
I. 2 Các đại lượng của quá trình chiếu xạ
Năng lượng bức xạ (P): là năng lượng phát ra của nguồn bức xạ
Liều chiếu (I) : năng lượng phát ra của nguồn bức xạ trên một đơn vị khối lượng vật
chất hấp thụ
dm
dP
I
=
Năng lượng bức xạ hấp thu E: đặc trưng cho lượng năng lượng mà vật chất hấp thu
khi có nguồn chiếu xạ vào
Năng lượng bức xạ hấp thu E = Năng lượng nguồn phát E
1
– năng lượng còn lại thu
được của bức xạ xuyên qua vật thể E
2
.
Liều hấp thụ D là năng lượng bức xạ hấp thu của một đơn vị khối lượng vật thể
11/2005 2
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
dm
dE
D
=
Đơn vị của liều hấp thu và liều chiếu là Gray ( viết tắt là Gy)

1 Gy = 1 J.kg
-1
Đơn vị ngoài hệ SI là rad, 1 Gy = 100 rad.
I.3 Các tia bức xạ thường dùng trong chế biến và bảo quản thực phẩm
- Vi sóng (Microwave): đây là tia có buớc sóng dài, không có khả năng xuyên sâu,
thường dùng để gia nhiệt cho thực phẩm
- Tia X, tia γ: tia có bước sóng cực ngắn, độ xuyên sâu mạnh, thuờng dùng để diệt
khuẩn.
- Tia β : là dòng electron chuyển động trong điện trường rất lớn. Khả năng xuyên sâu
trung bình, nhưng tiêu tốn năng lượng lớn, thường dùng để sát khuẩn bề mặt.
I.4 Sự tác động của bức xạ lên vật chất mà nó đi qua
Tác động chính của bức xạ trên đường đi là gây ion hóa vật chất. Tác động này
thường phá hủy cấu trúc hiện có của vật chất. Vì vậy bức xạ thường dùng để tiêu diệt các
thành phần không mong muốn trong thực phẩm như vi sinh vật, côn trùng,…Vì chiếu xạ
không chọn lọc nên các thành phần khác như dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cũng bị thay
đổi theo, đây là điều không mong muốn. Việc cần thiết là phải chọn loại bức xạ với liều
lượng phù hợp để có thể đạt được cả hai yêu cầu trên.
Trong thực phẩm chất trực tiếp nhận ảnh hưởng của bức xạ là nước. Nước bị ion hoá
sinh ra các gốc tự do như H. hay OH., cơ chế như sau [2]
Các gốc tự do H. hay OH. không bền tiếp tục tương tác với các chất khác để quay lại
trạng thái bền vững. Quá trình tương tác này diễn ra làm biến đổi các chất khác như:
protein, carbohydrate, lipid, enzyme, DNA, RNA… Các phản ứng chính thường là rối loạn
cấu trúc không gian, cắt mạch, ôxy hoá… Vì vậy các sản phẩm có độ khô cao như trái cây
khô, trái cây ngâm đường ít nhạy với bức xạ, cần được xử lý với liều cao hơn.
11/2005 3
Hình I.1 Cơ chế sinh ra các gốc tự do
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
II. Thiết bị xử lý thực phẩm bằng bức xạ [1] [3] [6]
Một thiết bị chiếu xạ gồm có các thành phần sau
- Nguồn bức xạ.

- Nơi chứa nguyên liệu để tiếp nhận nguồn bức xạ
- Thiết bị điều chỉnh liều lượng bức xạ, bảo vệ, ngăn ngừa việc nhiễm xạ ra ngoài.
- Thiết bị đo, nhập liệu, tháo liệu.
II.1 Nguồn bức xạ
Người ta thường phân loại thiết bị theo nguồn bức xạ, có hai loại nguồn thường sử
dụng là đồng vị phóng xạ và máy tạo bức xạ.
a. Nguồn đồng vị phóng xạ [1] [3]
Nguồn đồng vị phóng xạ là các đồng vị có khả năng phát xạ của các nguyên tố hóa
học. Trong tự nhiên tỉ lệ các đồng vị này so với đồng vị bình thường của nguyên tố là rất
thấp. Đặc trưng của đồng vị phóng xạ là chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã là thời gian mà
lượng đồng vị phóng xạ giảm đi một nửa. Tương ứng với sự giảm lượng đồng vị phóng xạ
là sự giảm của liều lượng bức xạ. Đến khi liều lượng này giảm xuống dưới mức yêu cầu
của quy trình công nghệ thì phải loại bỏ, thay mới. Vì vậy đó là một trong các thông số để
lựu chọn loại đồng vị phóng xạ phù hợp. Lưu ý rằng sự bức xạ là liên tục theo thời gian,
kể cả lúc không vận hành. Vì vậy phương án tận dụng năng luợng bức xạ cần được tính
đến.
Phương trình sau mô tả sự liên hệ giữa năng lượng bức xạ theo thời gian
E = E
0
e
-λt
Với E
0
: năng lượng bức xạ ban đầu.
λ: hằng số phụ thuộc chất bức xạ.
T
2ln
=
λ
với T: chu kì bán rã.

Có hai nguồn đồng vị phóng xạ chính:
• Nguồn phóng xạ γ:
Đây là các bức xạ điện từ có bước sóng cực ngắn λ < 0.001 nm. Bức xạ này có độ
xuyên sâu mạnh, năng lượng điển hình lớn. Chính vì vậy nên nguồn bức xạ γ thường
dùng có năng lượng nhỏ để hạn chế sự ảnh hưởng ra ngoài (các sóng γ tác động lên hầu
hết các vật chất trên đường đi của nó gây ra những biến đổi mạnh). Đó là nguyên nhân tại
sao các nguyên tố phóng xạ tự nhiên như Uranium, Radium, Plotonium không được dùng
trong các lĩnh vực khác ngoài các nhà máy hạt nhân.
Chính vì các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có năng lượng phát xạ quá mạnh không thể
sử dụng vào mục đích dân dụng nên các đồng vị phóng xạ nhân tạo được sử dụng. Các
đồng vị phóng xạ nhân tạo này là các nguyên tố có khối lượng nguyên tử trung bình ( từ
80 đến 130), các nguyên tố này trong tự nhiên có tồn tại đồng vị phóng xạ dạng vết. Để
thu đồng vị phóng xạ, quặng của các nguyên tố này được đưa vào lò phản ứng hạt nhân.
Chính vì cường độ bức xạ γ cao trong lò đã kích thích nguyên tử các đồng vị thường biến
đổi thành đồng vị phóng xạ. Hiện tượng này gọi là bức xạ nhiễm xạ: tức là các chất bình
thường (không bức xạ) sau một thời gian bị chiếu xạ thì biến đổi, có khả năng bức xạ lại
môi trường.
Đặc điểm của các đồng vị phóng xạ γ là có chu kỳ bán rã dài (thường tính bằng năm)
nên có thể sử dụng lâu dài.
11/2005 4
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
Hai đồng vị phóng xạ thường dùng là
60
Co (T = 5.27 năm) và
137
Cs ( T = 30 năm).
Cường độ bức xạ của hai chất trên là Co: 2.8 triệu Bq/g và Cs:3 triệu Bq/g. ( 1 Bq bằng
một lượng tử bức xạ trong một giây). Năng lượng điển hình là Co: 1,173 MeV và Cs:
0.661 MeV.
Phóng xạ γ thường dùng khi cần chiếu xạ vào sâu bên trong vật thể. Một bức xạ γ ở

mức năng lượng bình thường có thể xuyên qua một tấm chì dày 5 cm hay một tấm nhôm
dày 2 m.
• Nguồn phóng xạ β:
Phóng xạ β là các tia electron. Phóng xạ β có thể tạo được từ nguồn đồng vị phóng xạ
β hay máy gia tốc eletcron. Ở đây chỉ đề cập đến nguồn đồng vị phóng xạ β. Phóng xạ β
không có tính xuyên sâu mạnh nên an toàn hơn phóng xạ γ.
Các nguồn phóng xạ β thường gặp là
32
P,
35
S

,
123
I…. Phương trình biến đổi chung của
đồng vị phóng xạ β
β
+→
+
YX
A
n
A
n 1
Để có được các đồng vị phóng xạ này, người ta sẽ bắn phá hạt nhân bằng luồng
electron từ máy gia tốc eletcron theo phương trình ngược lại.
XY
A
n
A

n
→+
+
β
1
Đồng vị phóng xạ β thường có chu kỳ bán rã ngắn (thường từ vài ngày đến vài tháng).
Chu kỳ bán rã của
32
P là 15 ngày, của
35
S là 87 ngày, của
123
I là 60 ngày. Chính vì chu kỳ
bán rã ngắn này nên các đồng vị phóng xạ β có thời gian sử dụng ngắn, phải thay mới
thường xuyên.
Phóng xạ β thường được sử dụng khi chỉ cần chiếu xạ bề mặt, không có khả năng
xuyên sâu nên an toàn cho nguời vận hành. Tuy nhiên độ xuyên sâu thấp làm giảm khả
năng xử lý các sản phẩm. Phóng xạ β thường được dùng để xử lý bề mặt hay sử dụng
cho các sản phẩm có hình dạng mỏng, phẳng.
Bề sâu chiếu có thể ước lượng bằng công thức
ρ
3
2
kE
d
=
Với d : bề sâu chiếu
E: năng lượng ( E= hν (với bức xạ γ) = e.U (với bức xạ β))
ρ: khối lượng riêng vật liệu
k: hệ số.

Tóm lại nguồn đồng vị phóng xạ có các ưu điểm là đơn giản, không cần đến máy móc.
Tuy nhiên có nhược điểm là nguy hiểm (phóng xạ γ) và thời gian sử dụng ngắn (phóng xạ
β).
Sự giảm dần của năng lượng bức xạ theo thời gian
11/2005 5
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
Hình II.1 Đồ thị cường độ chiếu xạ theo thời gian
Với E: năng lượng bức xạ
t:: thời gian
b. Nguồn bức xạ từ máy tạo bức xạ
• Máy gia tốc electron (electron accelerator)
Máy gia tốc là các máy tạo ra một điện trường cực lớn. Máy thường có cấu tạo gồm
hai bản cực. Cực âm là kim loại có khối lượng phân tử trung bình, có ái lực với electron
thấp. Dưới tác dụng của điện thế rất cao giữa hai bản cực (10 – 100 KV), các electron này
bật khỏi tấm kim loại và bay về phía bản cực dương. Trên đường đi của electron, người ta
đặt các nam châm điện để định hướng lại quỹ đạo của electron bằng từ trường. Việc định
hướng này làm các electron không đập vào bản cực dương mà bay vào các ống định
hướng tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube). Đầu ra của các ống CRT này là sản phẩm
mà ta muốn chiếu xạ.
• Máy tạo tia Roentgen (Máy gia tốc electron bức xạ hãm)
Máy tạo tia Roentgen (tia X) có cấu tạo gần giống máy gia tốc electron. Tuy nhiên cực
dương của máy không phải là các ống CRT mà là tế bào quang điện. Tế bào quang điện
là các mảnh kim loại có số khối lớn (gọi là bia biến đổi) như Pb, W, Ta, Au,…Luồng
electron tốc độ cao mang năng lượng lớn sẽ bắn phá tế bào quang điện làm tế bào quang
điện phát ra các sóng điện từ có bước sóng cực ngắn. Đó là tia Roetgen (hay tia X), các
tia này có bước sóng từ 0.01 nm đến 1000 nm, tia Roentgen còn được gọi là bức xạ hãm.
Tia Roentgen có độ xuyên sâu mạnh (chỉ thua tia γ). Máy tạo tia Roentgen có hiệu suất
tạo bức xạ hãm thấp, chẳng hạn chì (Pb) có hiệu suất tạo bức xạ hãm là 8 %. Phần lớn
năng lượng còn lại chuyển thành nhiệt lượng. Vì vậy mảnh kim loại rất nóng, phải dùng
nước để tản nhiệt.

11/2005 6
T
1/2
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
Bức xạ hãm này có tính xuyên sâu mạnh có thể dùng cho các sản phẩm cần xử lý
bằng tia γ. Nó có ưu điểm hơn đồng vị phóng xạ γ ở các mặt sau (lưu ý là ta không có
máy để tạo phóng xạ γ).
- Có định hướng, khoảng 60% lượng bức xạ hãm này đến được vật cần chiếu xạ,
trong khi bức xạ của đồng vị phóng xạ γ phát đều theo mọi hướng nên tỉ lượng bức xạ có
ích rất thấp, nguồn
137
Cs có hiệu suất 20 %.
- Liều ổn định và đồng đều (các đồng vị phóng xạ có liều bức xạ giảm dần theo thời
gian).
• Đèn tử ngoại: đèn tử ngoại có cấu tạo giống đèn huỳnh quang dân dụng nhưng
không có lớp huỳnh quang. Khí trơ sử dụng trong đèn thường là Xe, Kr. Ngoài ra đèn
thường có lớp kính lọc để lọc bớt các tia bức xạ khác và làm giảm cường độ chiếu xạ.
Đèn tử ngoại đơn giản, dễ sử dụng, an toàn nên được sử dụng rộng rãi hơn so với các
loại máy tạo bức xạ khác. Đèn tử ngoại nếu có cùng công suất với các nguồn bức xạ khác
thì khả năng diệt khuẩn thấp. Vì vậy đèn tử ngoại thường được dùng với công suất cao để
kết hợp hai mục đích diệt khuẩn và gia nhiệt. Ưu điểm của phương pháp gia nhiệt bằng tử
ngoại là khả năng làm giảm lượng chất hữu cơ bay hơi do nhiệt. Người ta ước tính gia
nhiệt bằng tia tử ngoại có thể làm giảm lượng chất hữu cơ bay hơi khoảng 100 lần.
• Lò vi sóng: đây là các thiết bị gia nhiệt sử dụng vi sóng (microwave). Lò vi sóng
hoạt động trên nguyên tắc truyền dao động điện từ thành dao động vật chất của sản
phẩm. Lò vi sóng không có tác dụng diệt khuẩn nhưng cũng có khả năng tiêu diệt một số
vi sinh vật có cấu tạo tế bào đơn giản, dễ vỡ. Ưu điểm của lò vi sóng là hạn chế lượng
chất dinh dưỡng mất mát so với các phương pháp gia nhiệt khác.
• Một mô hình đang được nghiên cứu ứng dụng là mạch bức xạ. Mạch bức xạ là các
ống dẫn bức xạ từ lò phản ứng hạt nhân đến các cơ sở xử lý xung quanh. Các ống dẫn

này có chứa hợp kim của kim loại nóng chảy như In – Ga, hay In – Mn. Mạnh bức xạ tận
dụng phần năng lượng dư thừa của nhà máy điện hạt nhân. Công suất của mạch bức xạ
tương đối lớn (khoảng 5 % công suất của nhà máy điện hạt nhân đó) nên cần một năng
suất nhập liệu rất lớn. (Một mạch bức xạ có thể xử lý với năng suất khoảng 100 lần so với
một máy bức xạ bình thường). Ngoài ra những khó khăn trong khâu bảo đảm an toàn bức
xạ, việc phải sử dụng kim loại nóng chảy đã cản trở việc đưa mô hình này vào thực tế.
Hiện nay trên thế giới có một mô hình thử nghiệm đặt tại Lithunia có công suất 300 kW.
Hy vọng trong thời gian tới các nhà khoa học có thể tìm ra các chất dẫn truyền hiệu quả,
khả thi, cùng với việc thiết kế một quy trình đạt mức an toàn cao nhất.
Hình II.2 Mô hình máy gia tốc electron [6]
1: cực âm, 2: cực dương, 3: nam châm
điện, 4: ống cathode (CRT)
Nhìn chung các máy tạo bức xạ có
các ưu điểm là công suất lớn, liều chiếu
lớn, hiệu suất cao và có định hướng. Tuy
cần tiêu tốn năng lượng khi vận hành
nhưng ta có thể kiểm soát được liều
lượng, cường độ và hướng chiếu xạ.
So sánh hiệu suất sử dụng năng
lượng nguồn bức xạ
Nguồn bức xạ Hiệu suất
Máy gia tốc electron
Nguồn bức xạ hãm
66
50
11/2005 7
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
Nguồn
60
Co

Nguồn
137
Cs
25
20
II.2 Thiết bị điều chỉnh năng lượng bức xạ
Thông thường nguồn bức xạ thường phát ra bức xạ vượt mức yêu cầu của quy trình,
công nghệ, nên ta phải điều chỉnh năng lượng bức xạ. Đối với các máy bức xạ thì việc
điều chỉnh dễ dàng thông qua bộ phận điều khiển trên máy. Còn đối với các đồng vị phóng
xạ thì chúng ta phải sử dụng các chất hấp thụ bớt một phần năng lượng. các chất thường
dùng là các kim loại nặng, nước, nước nặng (D
2
O). Thường dùng nhất là chì và nước.
Một điều lưu ý quan trọng là vật liệu để chế tạo thiết bị chiếu xạ để bức xạ không bị lọt
ra ngoài gây nguy hiểm cho người vận hành, đặc biệt là bức xạ dạng tia γ hay tia X do đặc
tính xuyên sâu mạnh của nó. Với hai nguồn phóng xạ này thì vật liệu thích hợp là bê tông.
Bề dày bình trung bình của bức tường này là từ 6 – 7 foot (khoảng 2 m).
Ngoài ra với đồng vị phóng xạ cần có biện pháp bảo quản khi không vận hành.
Thường các đồng vị phóng xạ tia γ được đặt dưới bể nước sâu để làm giảm mức nguy
hiểm.
Hình II.1 Mô hình một thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ (1) [3]
11/2005 8
1, Nơi chứa đồng vị phóng xạ. 2, thiết bị điều khiển. 3, băng chuyền nhập
liệu. 4, băng chuyền tháo sản sản phẩm. 5, nơi chứa nguyên liệu thô. 6, nơi
chứa sản phẩm sau chiếu xạ, 7, tường bảo vệ bằng bê tông.
Tiểu luận công nghệ chế biến rau quả GVHD: Tôn Nữ Minh Nguyệt
Hình II.2 Mô hình thiết bị xử lý bằng bức xạ [6]
Hình II.3 Mô hình một thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ (2) [6]
11/2005 9
1, Nơi chứa đồng vị phóng xạ. 2, thiết bị điều khiển. 3, băng chuyền nhập

liệu. 4, băng chuyền tháo sản sản phẩm. 5, nơi chứa nguyên liệu thô. 6, nơi
chứa sản phẩm sau chiếu xạ, 7, tường bảo vệ bằng bê tông.