Đề tài Các thiết bị chiếu xạ gamma ứng dụng trong xử lý bằng bức xạ

cơ quan năng l−ợng nguyên tử quốc tế các thiết bị chiếu xạ gamma ứng dụng trong xử lý bằng bức xạ lời nói đầu công nghệ bức xạ là một trong những lĩnh vực đ−ợc IAEA trợ giúp và thúc đẩy phát triển, có một số ch−ơng trình đ−ợc thiết lập. tạo điều kiện cho việc ứng dụng công nghệ bức xạ ở các n−ớc thành viên đang phát triển. Xem xét trong tài liệu này, sổ tay về “các thiết bị chiếu xạ gamma ứng dụng trong xử lý bằng bức xạ” đ−ợc soạn thảo miêu tả các thiết bị chiếu xạ gamma khác nhau có thể sử dụng cho các ứng dụng xử lý bằng bức xạ. Nó tập trung miêu tả các nguyên lý chung về thiết kế và hoạt động của các thiết bị chiếu xạ gamma phù hợp với các ứng dụng đối với chiếu xạ công nghiệp trong thực tế. Tài liệu này nhằm mục đính cung cấp thông tin cho các nhà sử dụng thiết bị chiếu xạ công nghiệp, phổ biến cho họ về công nghệ, với hy vọng rằng với những thông tin ở đây sẽ trợ giúp họ trong việc lựa chọn một thiết bị chiếu xạ tối −u cho những yêu cầu của họ. Sự lựa chọn đúng đắn không chỉ ảnh h−ởng đến hoạt động mà còn đến hiệu quả với hiệu suất cao hơn của thiết bị, và vì thế mang lại nguồn lợi kinh tế lớn hơn. Tài liệu này cũng nhằm mục đính thúc đẩy hơn nữa việc ứng dụng xử lý bức xạ đối với các chính phủ và công chúng nói chung. Tài liệu này đ−ợc biên soạn bởi nhóm các nhà hoá học và các nhà ứng dụng công nghiệp của IAEA, phần khoa học về vật lý và hoá học do ông Kishor Mehta trợ giúp. Ông Andrej G. Chmielewski là thành viên của IAEA chịu trách nhiệm về dự án này. IAEA xin bày tỏ sự biết ơn tới tất cả các cá nhân và các tổ chức đã cung cấp các thông tin có giá trị cho tài liệu này. Chú thích về biên tập tài liệu này Tài liệu này đã đ−ợc soạn thảo từ tài liệu gốc theo đúng nh− lập luận của các tác giả. Các quan điểm đ−ợc trình bày không cần thiết phải phản ánh với IAEA, với chính phủ các n−ớc thành viên hoặc các tổ chức có liên quan. Việc sử dụng các tên riêng của các quốc gia hoặc các vùng lãnh thổ không hàm ý bất kỳ một phán xét nào của nhà xuất bản và của IAEA, liên quan đến quan hệ pháp lý của các quốc gia hoặc các vùng lãnh thổ đó, các tác giả hoặc các viện nghiên cứu của họ, hoặc sự phân định các đ−ờng biên giới của họ. Việc trích dẫn tên riêng các công ty hoặc các sản phẩm (có hoặc ch−a đ−ợc đăng ký bản quyền) không hàm ý bất kỳ một ý định nào nhằm xâm phạm bản quyền, và nên đ−ợc dịch nguyên văn khi có sự nhất trí hoặc khuyến cáo của IAEA. Các tác giả phải có trách nhiệm trong việc nhận đ−ợc sự chấp thuận cần thiết của IAEA để tái bản, dịch hoặc sử dụng tài liệu từ các nguồn dữ liệu đã đ−ợc đăng ký bản quyền. các nội dung giới thiệu chung Công nghệ xử lý bức xạ Quá trình phát triển của Công nghiệp xử lý bức xạ Xử lý bức xạ Các nguồn bức xạ Tổng quan Nguồn bức xạ Cobalt-60 Mô tả thiết bị chiếu xạ gamma Tổng quan về thiết bị chiếu xạ nguồn cobalt60 các thiết bị chiếu xạ gamma Các nguyên lý thiết kế Thiết kế độ lớn của nguồn phóng xạ và các hoạt động lắp đặt Liều xử lý và liều chỉ định Các loại máy chiếu xạ Các thiết bị chiếu xạ độc lập (phân loại của IAEA là loại I và III) Các thiết bị chiếu xạ tổng hợp (phân loại của IAEA là loại II và IV) Các thiết bị chiếu xạ tổng hợp phù hợp với quy mô công nghiệp Các tiêu chuẩn lựa chọn thiết bị chiếu xạ an toàn bức xạ các phòng thí nghiệm nhận xét chung phụ lục A tài liệu tham khảo giới thiệu chung Công ngHệ xử lý bức xạ Bức xạ ion hoá có thể làm thay đổi các đặc tính vật lý, hoá học và sinh học của các vật liệu đ−ợc chiếu xạ. Hiện nay, các ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp của bức xạ là khử trùng các sản phẩm y chăm sóc sức khoẻ bao gồm các loại thuốc, chiếu xạ bảo quản thực phẩm và các sản phẩm nông nghiệp (với các mục đích khác nhau, chẳng hạn nh− diệt côn trùng, làm chậm chín, ức chế nảy mầm, kiểm soát sâu bọ và khử trùng), và biến tính vật liệu (chẳng hạn nh− polyme hoá, khâu mạch polyme và tạo màu cho đá quý) (xem hình 1). Hình 1. Các sản phẩm đ−ợc xử lý bằng bức xạ gamma (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada và thiết bị chiếu xạ INCT, Warsaw, Ba lan). Danh mục ở bảng 1 chỉ ra một số ứng dụng tiêu biểu: sản phẩm đ−ợc xử lý, hiệu ứng mong muốn và dải liều cần thiết để đạt đ−ợc hiệu ứng này. Dải liều đ−ợc liệt kê ở đây là các giá trị điển hình đối với loại/các quá trình xử lý các sản phẩm khác nhau; giá trị thực phụ thuộc vào từng sản phẩm riêng và các mục đích xử lý, và đ−ợc quy định bởi các cơ quan chuyên môn của quốc gia. Có thể xem xét nhiều bài báo, báo cáo, và các cuốn sách cũng đã đ−ợc viết trong vài năm tr−ớc đây về lĩnh vực xử lý bằng bức xạ [1-9]. bảng I. Một số ứng dụng xử lý bằng bức xạ tiêu biểu Sản phẩm Hiệu ứng mong muốn Dải liều áp dụng, kGy Máu Khoai tây, hành, tỏi Các loại côn trùng Dâu tây và một số loại hoa quả khác Thịt, thịt gia cầm, cá Các loại gia vị Các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ Các vật liệu Polyme Ngăn ngừa TA – GVHD ức chế nảy mầm Khống chế sự tái sinh nhằm kiểm soát việc gây hại Kéo dài thời gian bảo quản bằng việc làm chậm chín Làm chậm quá trình phân huỷ, diệt các vi khuẩn gây bệnh (ví dụ, vi khuẩn gây độc Salmonella) Diệt các vi sinh vật và côn trùng Khử trùng Khâu mạch Ghép mạch 0.02-0.04 0.05-0.15 0.1-0.5 1-4 1-7 1-30 15-30 1-250 0.2-30 Một sự thúc đẩy có ý nghĩa đối với ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ luôn đi kèm với sự ra đời các lò phản ứng hạt nhân, chúng có khả năng sản xuất ra các đồng vị phóng xạ. Tia Gamma phát ra từ nguồn Cobalt-60 đã trở thành nguồn phóng xạ đ−ợc áp dụng phổ biến trong y tế và trong công nghiệp. Nhiều thiết bị chiếu xạ Gamma đã đ−ợc xây dựng, có khoảng 200 thiết bị đang hoạt động ở tất cả các n−ớc thành viên của Cơ quan Năng l−ợng Nguyên tử Quốc tế (IAEA). Hiện nay, việc sử dụng máy gia tốc electron nh− là một nguồn bức xạ (và đôi khi đ−ợc trang bị thiết bị chuyển đổi tia X) đang đ−ợc phát triển. Tuy nhiên, khó có thể thay thế đ−ợc các thiết bị chiếu xạ Gamma, đặc biệt đối với việc chiếu xạ các sản phẩm không đồng nhất và có khối l−ợng riêng cao. Tài liệu này chỉ đề cập đến các thiết bị chiếu xạ Gamma, chúng đ−ợc sử dụng cho nhiều mục đích xử lý bằng bức xạ khác nhau. Cobalt-60 hầu nh− chỉ đ−ợc sử dụng nh− là nguồn bức xạ Gamma, và ngày nay nó đ−ợc sử dụng chủ yếu trong công nghiệp bởi vì ph−ơng pháp sản xuất đơn giản và nó không tan đ−ợc trong n−ớc. Xử lý bằng bức xạ Gamma có một số −u việt hơn so với các ph−ơng pháp xử lý khác; ví dụ nh−, khử trùng các sản phẩm y tế chăm sóc sức khoẻ sử dụng ph−ơng pháp EtO hoặc hấp nhiệt. Trong tr−ờng hợp khử trùng bằng bức xạ Gamma thì có một số −u điểm sau: - Sản phẩm đ−ợc xử lý có thể sử dụng ngay - Nhiệt độ sản phẩm tăng không đáng kể trong suốt quá trình xử lý - Bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên rất cao (vì vậy, có thể xử lý nguyên đai- nguyên kiện) - Qúa trình xử lý chính xác và có khả năng lặp lại, và - Dễ dàng kiểm soát quá trình (chỉ cần kiểm soát về liều). Quá trình phát triển của ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ Việc sử dụng trong th−ơng mại bức xạ Gamma để khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ đ−ợc bắt đầu từ cuối những năm 1950, và đến nay thì công nghệ bức xạ đã phổ biến ở nhiều quốc gia. Cùng với việc tích luỹ đ−ợc nhiều kinh nghiệm và độ tin cậy vào công nghệ mà ngày càng nhiều ứng dụng đ−ợc tìm thấy, và ngày càng có nhiều thiết bị chiếu xạ đ−ợc xây dựng. Sự mở rộng của ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ này không chỉ đòi hỏi các thiết bị chiếu xạ lớn hơn mà còn yêu cầu các thiết kế mới nhằm đáp ứng cho những ứng dụng mới. Hiện nay, một số nhà sản xuất đề nghị những thiết kế khác của thiết bị chiếu xạ mà có thể đáp ứng đ−ợc các ứng dụng đặc biệt, mà ở đây là các ứng dụng trong chiếu xạ thực phẩm và xử lý môi tr−ờng. Điều này đòi hỏi việc thúc đẩy phát triển các ứng dụng mới và các thiết bị chiếu xạ lớn hơn đáp ứng cho ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ. Hình 2. Số l−ợng nguồn Cobalt-60 bán ra theo từng năm Hình 2 chỉ ra việc đánh giá tổng doanh số nguồn Cobalt-60 bán ra từ các nhà cung cấp trong suốt 25 năm qua. Dựa vào số liệu này thì có thể đánh gía đ−ợc số các thiết bị chiếu xạ Cobalt tăng khoảng 6% một năm. Cần l−u ý rằng toàn thế giới sử dụng các dụng cụ y tế tăng với tỷ lệ t−ơng tự nh− vậy (5-6%), điều này d−ờng nh− kéo theo sự tăng t−ơng tự về số nguồn Cobalt bán ra. Những ứng dụng có sử dụng bức xạ Gamma cũng tăng đều đặn; từ khâu mạch/polyme hoá và khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ đến các ứng dụng chiếu xạ thực phẩm và xử lý môi tr−ờng nh− các loại khí thải, và xử lý n−ớc nhiễm bẩn và n−ớc thải. Các ứng dụng nổi bật nhất có thể trong các lĩnh vực về vật liệu na nô, hoặc cấu trúc các vật liệu (các vật liệu hấp thụ n−ớc, vật liệu nhựa tổng hợp, hoặc các pôlyme mạch thẳng, vv...) và các pôlyme tự nhiên. Một số thiết bị chiếu xạ hoạt động để xử lý các sản phẩm./quá trình đơn giản, trong khi số còn lại dùng cho nhiều mục đích khác nhau. Một điều tra gần đây của IAEA [10] đã chỉ ra rằng một tỷ lệ rất lớn các thiết bị chiếu xạ Gamma (85%) để xử lý các sản phẩm y tế chăm sóc sức khoẻ với mục đích tiệt trùng. Cũng vào khoảng nh− vậy các thiết bị chiếu xạ để xử lý bảo quản thực phẩm và các sản phẩm nông nghiệp với nhiều mục đích khác nhau. Khoảng 50% số thiết bị chiếu xạ để xử lý các sản phẩm thuốc, bao gồm các nguyên liệu với mục đích khử trùng hoặc làm giảm vi khuẩn, trong khi đó khoảng 30% số thiết bị chiếu xạ để xử lý các loại pôlyme, bao gồm các loại cáp và ống nhựa với mục đích làm biến tính. Xử lý bức xạ Trong xử lý bằng bức xạ thì một sản phẩm hoặc một vật liệu đ−ợc chiếu xạ với mục đích bảo quản, làm biến tính hoặc cải thiện các đặc tính của chúng. Quá trình xử lý này đ−ợc thực hiện bằng cách đặt các sản phẩm trong khu vực gần nguồn bức xạ (chẳng hạn nh− Cobalt-60) với một khoảng thời gian nhất định sao cho sản phẩm đó đ−ợc chiếu bằng bức xạ phát ra từ nguồn phóng xạ. Một tỷ lệ năng l−ợng bức xạ truyền cho sản phẩm đ−ợc hấp thụ bởi sản phẩm đó, độ lớn của năng l−ợng này phụ thuộc vào khối l−ợng, thành phần và thời gian chiếu xạ. Đối với mỗi loại sản phẩm, thì độ lớn năng l−ợng bức xạ cần thiết để đạt đ−ợc hiệu ứng mong muốn trong sản phẩm đó; giá trị chính xác đ−ợc xác định thông qua công tác nghiên cứu. Các vật liệu phóng xạ, chẳng hạn nh− nguồn Cobalt-60 phát ra bức xạ. Tuy nhiên, sản phẩm đ−ợc chiếu xạ với các tia Gamma không trở thành vật liệu phóng xạ, và do đó nó có thể đ−ợc xử lý bình th−ờng. Điều này t−ơng tự nh− đối với tia X đ−ợc sử dụng trong bệnh viện với mục đích chẩn đoán bệnh; bệnh nhân đ−ợc chiếu bằng bức xạ (tia X) nh−ng anh ta/chị ta không trở thành vật liệu có khả năng phóng xạ. Một số thuật ngữ chung đ−ợc sử dụng trong xử lý bằng bức xạ là: Liều hấp thụ: Là độ lớn năng l−ợng đ−ợc hấp thụ bởi vật liệukhi đ−ợc chiếu từ nguồn phóng xạ Gray (Gy): là đơn vị của liều hấp thụ, t−ơng đ−ơng với 1Jun trên 1Kg vật liệu Khả năng phóng xạ: là c−ờng độ (hoặc công suất) của 1 nguồn bức xạ Gamma (nh− Cobalt-60) Curie (Ci) hoặc Becquerel (Bq): Là đơn vị của c−ờng độ phóng xạ của 1 nguồn bức xạ Gamma (nh− Cobalt-60) Chu kỳ bán rã: Là đặc tính của nguồn bức xạ Gamma; là khoảng thời gian sao cho hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ giảm đi một nửa. Các thuật ngữ này và các khái niệm khác liên quan đến xử lý bằng bức xạ đ−ợc thảo luận trong phụ lục A. Các nguồn bức xạ Tổng quát Trong phổ của bức xạ điện từ, bức xạ Gamma đ−ợc xếp vào vùng năng l−ợng cao cùng với tia X. Năng l−ợng liên quan đến bức xạ Gamma (ví dụ, các tia Gamma phát ra từ nguồn Cobalt-60) là đủ lớn để phát vỡ liên kết phân tử và ion hoá các nguyên tử, nh−ng không đủ lớn để ảnh h−ởng đến cấu trúc hạt nhân nguyên tử (không tạo thành vật liệu phóng xạ). Do đó, bức xạ Gamma có thể dùng để làm biết đổi tính chất hoá học, vật lý hoặc sinh học của các sản phẩm/vật liệu đ−ợc chiếu xạ; tuy nhiên, các sản phẩm này không trở thành vật liệu có tính chất phóng xạ. Bức xạ với năng l−ợng cao nh− vậy đ−ợc xem nh− bức xạ ion hoá. Tất cả các quá trình xử lý bằng bức xạ đ−ợc thực hiện với bức xạ ion hoá, nó bao gồm – bên cạnh bức xạ Gamma, electron năng l−ợng cao (thông th−ờng lớn hơn 80 keV) và các tia X đ−ợc sinh ra từ các electron năng l−ợng cao (ví dụ, 5-10 MeV). Cobalt-60 và Caesium-137 là phù hợp nhất cho các nguồn bức xạ Gamma để xử lý bằng bức xạ bởi chúng có năng l−ợng t−ơng đối cao và chu kỳ bán rã dài: Cobalt-60 là 5,27 năm và Caesium-137 là 30,1 năm). Tuy nhiên, việc sử dụng Caesium-137 bị hạn chế vì tính độc lập ít, các thiết bị chiếu xạ nguồn khô, đ−ợc sử dụng chủ yếu để chiếu xạ máu và khử trùng. Hiện nay, tất cả các thiết bị chiếu xạ công nghiệp sử dụng nguồn bức xạ Cobalt-60. nguồn phóng xạ Cobalt-60 Cobalt phóng xạ (Co-60 hoặc 60Co27) là các nguồn bức xạ Gamma đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ bức xạ, cả trong công nghiệp và cho các mục đích trong y tế. Sản xuất đồng vị phóng xạ Cobalt bắt đầu từ Cobalt tự nhiên (nguyên liệu) có đồng vị cobalt-59 làm giàu 100%. Quặng Cobalt giàu là rất hiếm và kim loại này chỉ chiếm khoảng 0.001% bề mặt vỏ trái đất. Các thanh kim loại (dạng hình trụ nhỏ) hoặc các thỏi (dạng bút chì) đ−ợc làm từ bột cobalt nung với độ tinh khiết 99.9% và đ−ợc hàn kín trong vỏ bọc kim loại Zircaloy, sau đó đ−ợc đ−a vào lò phản ứng hạt nhân với khoảng thời gian nhất định (khoảng 18-24 tháng) phụ thuộc vào thông l−ợng của Nơtron tại vị trí xảy ra phản ứng. Trong khoảng thời gian ở trong lò phản ứng, một nguyên tử cobalt-59 hấp thụ một nơtron và nó chuyển thành một nguyên tử cobalt-60. Trong suốt hai năm trong lò phản ứng, một phần nhỏ số nguyên tử trong thanh kim loại cobalt bị chuyển thành các nguyên tử cobalt-60. Hình 3. Các thanh kim loại và các bút chì cobalt-60 sẽ đ−ợc lắp thành khối bảng nguồn phóng xạ (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Hoạt độ phóng xạ riêng th−ờng giới hạn đến khoảng 120 Ci/g cobalt (khoảng 4 x 1012 Bq/g). Sau khi chiếu xạ, các thỏi kim loại chứa các thanh cobalt đ−ợc bọc thêm lớp thép không gỉ chống ăn mòn để tạo thành các bút chì nguồn phóng xạ hoàn chỉnh mà bức xạ Gamma có thể xuyên qua nh−ng bản thân lớp vỏ thép này không trở thành vật liệu có tính phóng xạ (cobalt-60) (xem hình 3). Cấu hình của nguồn phải đáp ứng đ−ợc yêu cầu sao cho những bút chì nguồn này sẽ đ−ợc nạp vào các môđun đã đ−ợc xác định tr−ớc trong bảng nguồn, và phân bố của các môđun này trên toàn bộ bảng nguồn của một thiết bị chiếu xạ công nghiệp (xem hình 4). Cobalt-60 (60Co27) phân rã thành một đồng vị Nikel bền, không có tính póng xạ (60Ni28), trong quá trình phân rã đó phát ra một hạt bêta âm (có năng l−ợng cực đại là 0.313 MeV), và chu kỳ bán rã của nó khoảng 5.27 năm (xem hình 5). Do vậy, Nikel-60 đ−ợc sinh ra ở trạng thái bị kích thích, và ngay lập tức nó phát ra hai phôtôn có năng l−ợng 1.17 và 1.33 MeV, rồi trở về trạng thái bền. Hai phôtôn gamma này đóng vai trò trong quá trình xử lý bằng bức xạ đối với các thiết bị chiếu xạ sử dụng bức xạ gamma từ nguồn cobalt-60. Tất cả các nguyên tử cobalt-60 sẽ phân rã, c−ờng độ và hoạt độ phóng xạ của nguồn cobalt sẽ giảm, giảm đến 50% trong khoảng 5.27 năm, hoặc giảm khoảng 12% mỗi năm. Định kỳ, các bút chì cobalt-60 đ−ợc nạp thêm vào bảng nguồn để đảm bảo công suất của thiết bị chiếu xạ. Các bút chì cobalt-60 cuối cùng đ−ợc tháo dỡ khỏi bảng nguồn khi hoạt độ của nó còn lại rất thấp, thông th−ờng sau 20 năm sử dụng. Hình 4. Biểu đồ minh hoạ cấu tạo của một bảng nguồn điển hình từ các thanh nguồn phóng xạ, các bút chì nguồn và các môđun (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Hình 5. Biểu đồ phân rã của hạt nhân cobalt-60. Nhìn chung, các bút chì nguồn đ−ợc trả lại nhà cung cấp để tái sử dụng, tái chế hoặc loại bỏ. Trong khoảng 50 năm, thì 99.9% cobalt-60 sẽ phân rã thành nickel không phóng xạ. Hiện nay, thống kê toàn bộ về cobalt-60 trên toàn thế giới có tổng hoạt độ hơn 250 triệu Curie [6]. Do đó, các lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân đóng vai trò rất quan trọng, mang lại lợi ích cho cuộc sống của chúng ta thông qua việc sử dụng nguồn phóng xạ cobalt-60 trong y tế cũng nh− là các ứng dụng của bức xạ với quy mô công nghiệp. MÔ Tả Thiết bị chiếu xạ gamma Giới thiệu tổng quan về thiết bị chiếu xạ. Trong một thiết bị chiếu xạ lớn, thì buồng chiếu xạ, nơi sản phẩm đ−ợc xử lý bằng bức xạ là trung tâm của thiết bị chiếu xạ đó (xem hình 6). Các thành phần chính khác của một thiết bị chiếu xạ công nghiệp bao gồm: - Bể bảo vệ bảng nguồn phóng xạ cobalt-60 (khô hoặc −ớt), - Động cơ nâng-hạ nguồn phóng xạ - T−ờng bảo vệ xung quanh nhà nguồn, - Bảng (phòng) điều khiển, - Các thùng chứa (vận chuyển) sản phẩm, - Hệ thống băng tải đ−a sản phẩm vào/ra buồng chiếu xạ, - Hệ thống khoá liên động để kiểm soát và đảm bảo an toàn cho quá trình chiếu xạ - Khu vực nạp và dỡ sản phẩm, và - Các trang thiết bị phụ trợ. Nguồn bức xạ đặt tại buồng chiếu xạ (trong suốt quá trình chiếu xạ) hoặc ở bể bảo quản đ−ợc che chắn-bảo vệ bức xạ (th−ờng đ−ợc đặt bên d−ới buồng chiếu xạ), có thể bảo quản khô hoặc −ớt. Phải đảm bảo che chắn-bảo vệ phóng xạ bởi t−ờng bằng vật liệu rắn (đối với bể bảo quản khô) hoặc bởi n−ớc (đối với bảo quản −ớt) để sao cho cán bộ, công nhân viên có thể làm việc đ−ợc trong buồng chiếu, ví dụ các hoạt động bảo d−ỡng, khi nguồn phóng xạ ở vị trí bể bảo quản. N−ớc có một số đặc tính có thể mong muốn nh− là một vật liệu che chắn; nó là chất lỏng dễ phù hợp để truyền nhiệt, và nó còn trong suốt. Đối với một thiết bị chiếu xạ có nguồn phóng xạ bảo quản −ớt thì gần nh− tất cả các vật liệu đ−ợc sử dụng để chế tạo bảng nguồn, hệ thống ống dẫn, và các ống chứa nguồn đều bằng thép không rỉ, nhằm chóng sự ăn mòn điện. Xung quanh buồng chiếu xạ là t−ờng bảo vệ bức xạ, nó cũng đ−ợc xem nh− là t−ờng bảo vệ sinh học, nhìn chung nó bao gồm một t−ờng bê tông đủ dầy (th−ờng với bề dầy 2 mét) để làm suy giảm bức xạ phát ra từ nguồn, sao cho giữ cho mức phóng xạ tại khu vực phòng điều khiển gần với phông phóng xạ tự nhiên. T−ờng bê tông đó đ−ợc xây dựng theo kiểu rích rắc sao cho sản phẩm chiếu xạ có thể di chuyển và phải đảm bảo giảm đ−ợc bức xạ tán xạ đến phòng điều khiển, nơi nhân viên vận hành có thể kiểm soát hoặc điều khiển sự dịch chuyển của nguồn phóng xạ và sản phẩm. Động cơ của hệ băng tải sản phẩm có thể đơn giản hoặc có thể khá phức tạp phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị chiếu xạ. Đối với thiết kế để chiếu xạ liên tục (nh− đã chỉ ra trong hình 6), thì các thùng sản phẩm (hình 6) đ−ợc dịch chuyển xung quanh nguồn bức xạ bởi hệ băng tải xuyên qua buồng chiếu xạ. Hình 6. Sơ đồ khối toàn cảnh của một thiết bị chiếu xạ gamma điển hình, nguồn phóng xạ bảo quản −ớt (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Đối với quá trình chiếu xạ cố định, thì nguồn phóng xạ đ−ợc dịch chuyển đến buồng chiếu sau khi các thùng chứa sản phẩm đã đ−ợc xếp, đặt tại đó để chiếu xạ. Thiết bị chiếu xạ cũng cần bố trí các khu vực để l−u trữ các sản phẩm ch−a xử lý và các sản phẩm đã xử lý. Yêu cầu thông th−ờng đối với thiết kế thiết bị chiếu xạ là hai loại sản phẩm nói trên không đ−ợc phép lẫn lộn với nhau một cách không cố ý (chú ý hàng rào ngăn cách trong hình 6). Và tất cả các thiết bị chiếu xạ cũng phải đ−ợc trang bị các phòng thí nghiệm phù hợp để thực hiện các phép đo liều. Một số thiết bị chiếu xạ cũng cần trang bị một phòng thí nghiệm vi sinh hoặc một phòng thí nghiệm kiểm tra vật liệu. các thiết bị chiếu xạ gamma các nguyên tắc thiết kế. Có một số loại nguồn chiếu xạ phù hợp với quy mô công nghiệp. Do đó, một nhà thiết kế thiết bị chiếu xạ có năng lực dễ dàng chọn lựa một loại nguồn phù hợp nhất cho mục đích chiếu xạ công nghiệp. Thiết kế một nguồn chiếu xạ thay đổi từ loại nhỏ, nó phù hợp cho nghiên cứu về bức xạ, đến loại rất lớn, nó đáp ứng cho việc xử lý hàng trăm tấn sản phẩm mỗi ngày. Những khác biệt chính giữa các nguồn chiếu xạ là tổng hoạt độ phóng xạ của nguồn (Ví dụ, tổng hoạt độ của cobalt) và ph−ơng thức dịch chuyển các sản phẩm trong buồng chiếu xạ. Bên cạnh đó, ph−ơng thức vận hành của nguồn phóng xạ cũng có thể đ−ợc lựa chọn sao cho phù hợp với một ứng dụng riêng. Thêm vào đó, các nhà sản xuất có thể và sẽ thay đổi thiết kế của một nguồn chiếu xạ sao cho phù hợp hơn với các yêu cầu riêng. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản đối với tất cả các nguồn chiếu xạ là: - Đạt đ−ợc năng l−ợng hiệu dụng tối đa của bức xạ - Đạt đ−ợc độ đồng liều t−ơng đối trong sản phẩm, và - Đảm bảo an toàn và vận hành đơn giản. Các nguyên tắc này luôn kết hợp chặt chẽ với các yếu tố thiết kế sau đây, nó đã đ−ợc công nhận từ khi chiếu xạ công nghiệp mới ra đời và đ−ợc thực hiện tốt: - Các bút chì nguồn cobalt-60 đ−ợc bọc hai lớp, - Bể bảo quản nguồn phóng xạ bằng n−ớc (chống ion hoá), - Một vài lớp (dãy) sản phẩm xung quanh nguồn phóng xạ, và - T−ờng bảo vệ sinh học dạng rích rắc đ−ợc làm bằng bê tông có mật độ theo đúng tiêu chuẩn. thiết kế công suất và hoạt độ cho nguồn phóng xạ Công suất xử lý sản phẩm chủ yếu phụ thuộc vào hoạt độ hiện tại của nguồn phóng xạ đ−ợc lắp đặt và các yêu cầu về liều bức xạ. Hoạt độ của nguồn có thể thay đổi từ hàng chục kCi đến vài MCi. Hoạt độ khi lắp đặt luôn nhỏ hơn hoạt độ cực đại đối với nguồn chiếu xạ đã đ−ợc thiết kế, mà nó liên quan đến “công suất khi thiết kế”. Việc lựa chọn một công suất theo thiết kế dựa vào các yêu cầu về liều đối với các ứng dụng đã đ−ợc xác định và công suất tối đa xử lý sản phẩm hàng năm đ−ợc kỳ vọng trong suốt quá trình hoạt động của thiết bị chiếu xạ, bao gồm cả các yêu cầu trong t−ơng lai. Thông th−ờng, cần thử nghiệm khi bắt đầu vận hành một thiết bị chiếu xạ với nguồn có hoạt độ nhỏ hơn (nh− những yêu cầu hiện tại) so với thực tế thiết kế của nó, và sau đó nạp thêm dần cobalt vào bảng nguồn cho bằng với yêu cầu. Một thiết bị chiếu xạ không đ−ợc cấp phép khi hoạt độ phóng xạ của nguồn lớn hơn công suất đ−ợc thiết kế bởi vì nó đã đ−ợc thiết kế cho công suất đã định, đặc biệt là phải đáp ứng các yêu cầu về che chắn phóng xạ. Bảng II chỉ ra phân bố công suất thiết kế và hoạt độ phóng xạ đ−ợc lắp đặt hiện nay của 165 thiết bị chiếu xạ gamma th−ơng mại, mà chúng đáp ứng đ−ợc các yêu cầu nói trên [10,11]. Suất liều trong sản phẩm chiếu xạ có liên quan trực tiếp đến hoạt độ phóng xạ của nguồn đ−ợc lắp đặt. Kiểm soát liều hấp thụ đ−ợc chỉ định bằng cách điều chỉnh thời gian chiếu xạ hoặc tốc độ hệ băng tải. Chỉ cần sự suy giảm của hoạt độ nguồn phóng xạ do sự phân rã phóng xạ; nếu không đ−ợc xem xét thì nó có thể ảnh h−ởng rất lớn đến hoạt động của thiết bị - cả về tài chính cũng nh− là kế hoạt hoạt động của đơn vị. Hoạt độ của một nguồn cobalt-60 hàng năm giảm khoảng 12%. Do vậy, nhà vận hành thiết bị chiếu xạ cần bù bắp cho l−ợng hoạt độ bị mất đi này (nó làm giảm cả suất liều) bằng việc tăng thêm thời gian chiếu xạ khoảng 1% mỗi tháng để sản phẩm nhận đ−ợc đủ liều yều cầu. Thông th−ờng thời gian chiếu xạ trở nên dài hơn, không đáp ứng đ−ợc trong thực tế (làm giảm công suất xử lý sản phẩm), cho nên yêu cầu đ−ợc đặt ra là cần nạp thêm các bút chì cobalt-60 vào bảng nguồn (bổ sung nguồn) sau những khoảng thời gian nhất định, điều này phụ thuộc vào các yêu cầu xử lý sản phẩm. Hiện nay, thông th−ờng đối với các thiết bị chiếu xạ th−ơng mại thì năng l−ợng hiệu dụng phát ra từ nguồn phóng xạ mà sản phẩm hấp thụ đ−ợc là 30%. Do đó, một thiết bị chiếu xạ với hoạt độ nguồn cobalt-60 là 1 MCi (1 triệu Ci) thì sẽ xử lý đ−ợc 4 tấn (Mg) sản phẩm mỗi giờ với liều cực tiểu là 4 kGy (th−ờng đối với chiếu xạ thực phẩm). Nếu liều yêu cầu là 25 kGy (áp dụng cho khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ), thì công suất xử lý sẽ giảm chỉ còn 0.65 tấn một giờ. liều xử lý và liều chỉ định Liều xử lý là liều cần thiết để đạt đ−ợc hiệu ứng mong muốn đối với sản phẩm, nó đ−ợc xác định thông qua nghiên cứu về bức xạ, nó liên quan đến việc xác định mối quan hệ liều-hiệu ứng của sản phẩm/hiệu ứng trong các ứng dụng khử trùng các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ hoặc làm giảm số l−ợng vi khuẩn gây độc trong thịt gà. Nhìn chung, kết quả của việc nghiên cứu nói trên là tìm hiểu về hai loại giới hạn về liều: giới hạn liều thấp với liều cực tiểu đ−ợc yêu cầu để đạt đ−ợc hiệu ứng mong muốn trong sản phẩm, và giới hạn liều cao đ−ợc xác định nhằm đảm bảo rằng bức xạ sẽ không ảnh h−ởng đến chất l−ợng sản phẩm (chẳng hạn nh−: các thành phần nhựa trong các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ có thể trở nên bị giòn-gãy, hoặc các loại gia vị có thể bị mất đi h−ơng vị). Bảng II. Phân bố công suất thiết kế và hoạt độ của các nguồn phóng xạ đ−ợc lắp đặt theo vùng l∙nh thổ đối với 165 thiết bị chiếu xạ gamma th−ơng mại Hoạt độ của nguồn cobalt-60 (kCi) Trên toàn Châu phi Đông á và Châu âu Châu Mỹ la Nam mỹ Tây á thế giới thái bình d−ơng tinh Cô