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 Công suất thiết kế Không sử dụng* 15-500 500-100 >1000 28 47 37 53 3 1 0 1 9 41 23 13 12 2 9 8 0 2 3 4 1 1 0 27 3 0 2 0 Hoạt độ hiên tại Không sử dụng* 15-500 500-100 >1000 70 53 14 28 0 4 1 0 44 28 5 9 11 12 3 5 1 4 3 1 14 1 1 13 0 4 1 0 (*): - Thông tin không chính thức, - Không sử dụng để chiếu xạ th−ơng mại. Thông th−ờng, mỗi sản phẩm/quá trình cần quan tâm đến hai giới hạn về liều nói trên, và các giá trị này xác đinh khả năng có thể chấp nhận dải liều để sao cho tất cả các phần của sản phẩm sẽ nhận đ−ợc liều trong dải đó. Các giá trị giới hạn về liều này, đặc biệt đối với các sản phẩm thông th−ờng nh− thực phẩm và các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ phải đ−ợc quy định bởi các cơ quan có thẩm quyền của quốc gia. Tỷ số giữa giới hạn liều cực đại và giới hạn liều cực tiểu có thể đ−ợc xem nh− tỷ số giới hạn liều. Trong quá trình xử lý chiếu xạ, các bức xạ gamma t−ơng tác với sản phẩm thông qua một số loại t−ơng tác nguyên tử, chẳng hạn nh− tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện và quá trình tạo cặp [12]. Thông qua các loại t−ơng tác này và kết quả là nó sẽ truyền năng l−ợng cho sản phẩm, do đó sản phẩm nhận đ−ợc liều bức xạ. c−ờng độ bức xạ bị giảm khi xuyên qua sản phẩm, dẫn đến việc giảm liều theo bề dày của sản phẩm. Hình 7. Phân bố liều-chiều sâu trong một thùng sản phẩm đ−ợc chiếu xạ từ hai mặt bằng nguồn cobalt-60. Đ−ờng cong ‘a’ minh hoạ phân bố liều-chiều sâu khi sản phẩm chỉ đ−ợc chiếu xạ từ một mặt (nguồn ở vị trí ‘a’). t−ơng tự, khi nguồn ở vị ttrí ‘b’, phân bố liều- chiều sâu đ−ợc minh hoạ bởi đ−ờng cong ‘b’. Do vậy, tổng liều chiếu xạ từ hai mặt của thùng sản phẩm đ−ợc thể hiện bằng đ−ờng cong ‘a+b’. Chú ý rằng liều tổng cộng này là đồng đều hơn so với tr−ờng hợp chỉ chiếu xạ từ một mặt của thùng sản phẩm (đ−ờng cong ‘a’ hoặc ‘b’). Điều này đ−ợc xem nh− phân bố liều-chiều sâu (xem hình 7, đ−ờng cong a hoặc b). Tốc độ suy giảm liều phụ thuộc vào thành phần và mật độ của sản phẩm, cũng nh− là năng l−ợng của bức xạ gamma. Bên cạnh đó, sự thay đổi của liều theo chiều sâu cũng tạo nên sự khác biệt về liều theo các mặt bên. Sự thay đổi về liều này phụ thuộc vào cấu hình chiếu xạ. Cả hai sự thay đổi về liều đó gây nên sự không đồng đều về liều đ−ợc chỉ định đối với sản phẩm. Sự chênh lệch về liều trong sản phẩm đ−ợc chiếu xạ là không thể tránh khỏi đ−ợc. Một ph−ơng pháp đ−ợc chấp nhận để miêu tả sự không đồng liều này là khái niệm tỷ số đồng liều (DUR), nó là tỷ số giữa giá trị liều cực đại và liều cực tiểu trong một thùng sản phẩm. Tỷ số này tăng theo mật độ của sản phẩm và kích th−ớc của thùng sản phẩm (xem hình 8). Hệ số đồng liều (DUR) Hình 8. Sự phụ thuộc của hệ số đồng liều (DUR) vào mật độ sản phẩm đối với hai cấu hình của thiết bị chiếu xạ (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Tỷ số này có thể tiệm cận đến sự đồng nhất (ví dụ, nhỏ hơn 1.05) đối với các mẫu nghiên cứu bức xạ, khi mà mục đích nghiên cứu nhằm xác định mối t−ơng quan giữa hiệu ứng bức xạ và liều hấp thụ trong mẫu. Nhìn chung, điều này có thể đạt đ−ợc bằng cách giảm kích th−ớc của mẫu. Đối với chiếu xạ công nghiệp thì không thể đạt đ−ợc hệ số đồng liều nh− vậy vì các lý do kinh tế. Một thùng sản phẩm th−ờng có kích th−ớc là 60 cm x 50 cm x 150 cm, và một số thiết bị chiếu xạ đ−ợc thiết kế để chiếu xạ cả giá sản phẩm có kích th−ớc 120cm x 100 cm x 150 cm. Hệ số đồng liều sẽ trở nên có ý nghĩa hơn sự đồng nhất trong các thùng sản phẩm lớn đó. Tuy nhiên, may mắn là vấn đề quan trọng nhất trong các ứng dụng là tồn tại một dải liều rộng mà có thể đ−ợc chấp nhận để đạt đ−ợc hiệu ứng mong muốn mà không ảnh h−ởng xấu đến chất l−ợng sản phẩm. Ví dụ nh−, tỷ số giới hạn liều trong khoảng 1.5 đến 3 áp dụng cho nhiều ứng dụng, đôi khi có thể lớn hơn phụ thuộc vào sản phẩm và quá trình chiếu xạ. Do đó, nguyên tắc h−ớng dẫn là: Hệ số đồng liều đo đ−ợc phải nhỏ hơn hệ số giới hạn liều đ−ợc quy định cho ứng dụng đó. Có hai cách để giảm hệ số đồng liều trong thùng sản phẩm (tức là làm cho liều hấp thụ trong sản phẩm trở nên đồng đều hơn). Sự thay đổi liều theo chiều sâu của sản phẩm đ−ợc giảm dễ dàng bằng cách chiếu xạ từ nhiều hơn một mặt của thùng sản phẩm (nh− đ−ợc minh hoạ trong hình 7). Điều này có thể thực hiện đ−ợc bằng việc quay thùng sản phẩm trong quá trình chiếu xạ hoặc thùng sản phẩm chuyển động xung quanh nguồn phóng xạ. Tất cả các thiết bị chiếu xạ áp dụng một trong hai ph−ơng thức này nhằm mục đích giảm hệ số đồng liều. Cũng có một số ph−ơng pháp để giảm sự thay đổi về liều tại các vị trí trên mặt bên cạnh của thùng sản phẩm, đó là bố trí các bút chì nguồn có hoạt độ cao hơn gần hai bên của bảng nguồn (làm giãn rộng vùng hoạt của nguồn), và sắp xếp các thùng sản phẩm sao cho cân đối với nguồn phóng xạ (nguồn lấn qua sản phẩm hoặc ng−ợc lại). Các thiết bị chiếu xạ khác áp dụng nhiều ph−ơng pháp khác nhau để gia tăng sự đồng đều của liều hấp thụ trong sản phẩm. Các loại thiết bị chiếu xạ Trải qua nhiều năm, các nhà sản xuất và các nhà cung cấp thiết bị chiếu xạ đã có rất nhiều nỗ lực nhằm đáp ứng những yêu cầu gia tăng của ngành công nghiệp chiếu xạ. Các yếu tố chính đ−ợc tập chung là các vấn đề: hiệu quả xử lý bằng bức xạ, sự đồng đều về liều trong sản phẩm, sự tin cậy hoàn toàn về thời gian và hoạt động của thiết bị chiếu xạ. Các vấn đề này đã đ−ợc cải thiện đều đặn theo thời gian. Các phép đo này mang lại kết quả là các quy mô và thiết kế khác nhau của các thiết bị chiếu xạ đó có thể phù hợp cho các ứng dụng riêng biệt. Do đó, các thiết bị chiếu xạ quy mô th−ơng mại có thể đáp ứng với hầu hết các yêu cầu trong công nghiệp xử lý chiếu xạ. Bên cạnh đó, các thiết kế có thể cải tiến cho phù hợp hơn với các yêu cầu riêng của một ứng dụng. Các khái niệm về thiết kế khác và một số thiết kế riêng của thiết bị chiếu xạ đ−ợc thảo luận trong tài liệu tham khảo [13]. Về cơ bản, các thiết bị chiếu xạ gamma có thể phân thành hai nhóm sau: ƒ Các thiết bị chiếu xạ độc lập, và ƒ Các thiết bị chiếu xạ đa năng. Các thiết bị chiếu xạ độc lập (theo phân loại của IAEA là loại I và III) Các thiết bị chiếu xạ độc lập đ−ợc thiết kế riêng cho nghiên cứu và các ứng dụng với yêu cầu liều thấp và công suất nhỏ, cũng nh− là chiếu xạ máu để phòng tránh TA- GVHD và để diệt côn trùng đối với các ch−ơng trình kiểm soát côn trùng gây hại. Phần lớn các thiết bị chiếu xạ loại này có nguồn phóng xạ bảo quản khô và hoạt độ phóng xạ của nguồn giới hạn vào khoảng 25 kCi (xem hình 9). Các thiết bị chiếu xạ loại này, nguồn phóng xạ đặt ở trong buồng chiếu (có thể là nguồn cobalt-60 hoặc caesium-137) đ−ợc che chắn bằng t−ờng chì hoặc vật liệu t−ơng tự, và có động cơ để dịch chuyển mẫu từ vị trí nạp đến vị trí chiếu xạ. Các nguồn chiếu xạ loại này có thể đ−ợc đặt rất thuận tiện tại một phòng thí nghiệm hoặc một buồng chiếu mà không cần phải che chắn thêm. Những −u điểm cơ bản của các nguồn chiếu xạ nhỏ này là lắp đặt và vận hành chúng dễ dàng, chúng tạo ra suất liều cao và đạt đ−ợc sự đồng liều tốt, và điều này rất cần thiết cho công tác nghiên cứu về bức xạ. Các đặc tính này đạt đ−ợc do mẫu đ−ợc đặt với các bút chì nguồn bao quanh, vì thế nó nhận đ−ợc bức xạ từ tất cả các h−ớng. Các nguồn chiếu xạ loại này chỉ giới hạn đặt đ−ợc các mẫu có thể tích từ 1-5 lít. Tuy nhiên, kích th−ớc này là hoàn toàn đáp ứng cho các mẫu nghiên cứu và chiếu xạ quy mô nhỏ. Để chiếu xạ, thì mẫu đ−ợc đặt trong buồng chiếu tại ví trí nạp (đ−ợc bảo vệ-che chắn hoàn toàn), và thời gian chiếu xạ đ−ợc đặt sao cho mẫu nhận đ−ợc liều đã đ−ợc chỉ định (xem hình 9). Nhấn một nút trên bảng điều khiển để buồng chiếu cùng với mẫu sẽ tự động dịch chuyển đến vị trí chiếu xạ và nó sẽ quay lại vị trí dỡ mẫu ra (đ−ợc che chắn) khi kết thúc quá trình chiếu xạ. Hình 9. Thiết bị chiếu xạ gamma độc lập, nguồn đ−ợc bảo quản khô phù hợp cho công tác nghiên cứu và chiếu xạ quy mô nhỏ. Trong quá trình chuẩn bị chiếu xạ, một giá chứa mẫu đ−ợc đặt trong buồng chiếu khi nó ở vị trí nạp mẫu. Tuỳ thuộc vào suất liều của ngày chiếu xạ, mà đồng hồ đo thời gian trên bảng điều khiển (nút bên phải) đ−ợc đặt sao cho mẫu nhận đ−ợc liều mong muốn. Các thiết bị chiếu xạ độc lập này đ−ợc IAEA phân thành loại I (nguồn bảo quản khô) và loại III (nguồn bảo quản −ớt). Các ứng dụng và các thủ tục đối với việc sử dụng hai loại thiết bị chiếu xạ này đ−ợc miêu tả trong sổ tay thực hành an toàn bức xạ do IAEA xuất bản [14]. Các thiết bị chiếu xạ đa năng (theo phân loại của IAEA là loại II và IV) Đối với các nguồn chiếu xạ quy mô thí nghiệm và quy mô th−ơng mại hoàn toàn thì Các thiết bị chiếu xạ đa năng là phù hợp hơn, vì nguồn phóng xạ của chúng có thể bao gồm một số bút chì nguồn cobalt-60 đ−ợc sắp đặt trên một bảng nguồn (nh− bảng nguồn trong hình 6) hoặc dạng hình trụ (hình 11), mà chúng có thể đ−ợc chuyển vào một buồng chiếu xạ lớn. Khi dịch chuyển khỏi buồng chiếu này thì nguồn phóng xạ đ−ợc bảo quản bởi n−ớc (bảo quản −ớt), hoặc bảo quản bằng chì hoặc các vật liệu có nguyên tử khối cao thích hợp (bảo quản khô). Do các nguồn phóng xạ phát ra bức xạ gamma theo tất cả các h−ớng, nên các thùng chứa sản phẩm đ−ợc đặt xung quanh để tăng hiệu quả sử dụng năng l−ợng. Vì vậy, nhiều thùng chứa sản phẩm (100 đến 200) th−ờng đ−ợc chiếu xạ đồng thời. Đối việc bố trí chiếu xạ nh− vậy, suất liều trung bình thấp hơn nhiều và sản phẩm cần đ−ợc chiếu xạ trong khoảng thời gian dài hơn. Tuy nhiên, bù lại là trong thực tế nhiều thùng sản phẩm lớn đ−ợc chiếu xạ đồng thời. Các thiết bị xử lý bức xạ có thể đ−ợc phân loại theo kiểu hoạt động-theo mẻ hoặc liên tục. Các sản phẩm có thể đ−ợc dịch chuyển trong buồng chiếu xạ (nơi diễn ra quá trình chiếu xạ) khi nguồn phóng xạ ở vị trí bảo quản hoàn toàn (chiếu xạ theo mẻ) hoặc khi nguồn đang ở vị trí chiếu xạ (chế độ chiếu xạ liên tục). Để giảm sự khác biệt về liều hấp thụ trong thùng sản phẩm thì nó có thể đ−ợc xoay trong quá trình chiếu xạ (thích hợp cho chế độ chiếu xạ theo mẻ) hoặc thùng sản phẩm đ−ợc dịch chuyển quanh nguồn phóng xạ; phù hợp đối với chế độ chiếu xạ liên tục, nh−ng cũng có thể áp dụng cho một số thiết bị chiếu xạ theo mẻ. Đối với các thiết bị chiếu xạ đòi hỏi công suất lớn thì chế độ hoạt động liên tục là thích hợp hơn. Phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị chiếu xạ, các thùng chứa sản phẩm đi xung quanh nguồn phóng xạ trên một hệ băng tải (hoặc đ−ợc treo theo đ−ờng ray từ trên trần của buồng chiếu xạ) một vài lần (thông th−ờng, từ 1 đến 4 lần), và thùng sản phẩm cũng có thể dịch chuyển trên các độ cao khác nhau (đảo tầng). Mục đích cơ bản là để sản phẩm hấp thụ đ−ợc nhiều nhất năng l−ợng bức xạ có thể và đạt đ−ợc sự đồng liều t−ơng đối. Đối với các yêu cầu chiếu xạ liều thấp, thùng sản phẩm có thể đ−ợc dịch chuyển liên tục; tốc độ băng tải đ−ợc lựa chon sao cho đáp ứng đ−ợc liều yêu cầu. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng yêu cầu chiếu xạ liều cao, thì nhìn chung tốc độ của băng tải sẽ rất thấp, do đó thiết bị hoạt động theo chế độ dừng là thích hợp hơn. Trong chế độ hoạt động này, các thùng sản phẩm đứng lại (dừng) tại các vị trí chiếu xạ đ−ợc xác định xung quanh nguồn phóng xạ trong một khoảng thời gian dừng nào đó (th−ờng là vài phút), và sau đó tất cả chúng đ−ợc dịch đến các vị trí tiếp theo, sao cho mỗi thùng sản phẩm cuối cùng sẽ dừng ở từng vị trí (tại tất cả đ−ờng xung quanh nguồn) tr−ớc khi chúng đi ra khỏi buồng chiếu. Đối với chế độ hoạt động này, thời gian dừng đ−ợc lựa chọn dựa vào liều yêu cầu. Hình 10 chỉ ra chuỗi dịch chuyển của thùng sản phẩm xung quanh bảng nguồn, với 4 đ−ờng đi cho một mức độ cao của thùng sản phẩm của một thiết bị chiếu xạ hoạt động theo chế độ dừng. Hình 10. Ví dụ về một chuỗi trong quá trình chiếu xạ của một thiết bị chiếu xạ với 4 đ−ờng đi cho một mức độ cao của thùng sản phẩm. mỗi thùng sản phẩm chiếm một trên 40 vị trí của chuỗi trong quá trình chiếu xạ trong buồng chiếu. Vị trí ‘A’ đ−ợc cố định (vị trí duy nhất, t−ởng t−ợng) trên mặt bên của thùng sản phẩm, nó đánh dấu thùng sản phẩm đ−ợc đảo mặt h−ớng vào bảng nguồn khi thùng sản phẩm đi quanh nguồn. Bằng cách này, mỗi thùng sản phẩm đ−ợc chiếu xạ từ hai mặt. Đối với các thiết bị yêu cầu công suất chiếu xạ t−ơng đối nhỏ thì thiết bị có khả năng xử lý sản phẩm theo mẻ trở nên hữu dụng hơn. Hình 11 chỉ ra sơ đồ khối của một thiết bị chiếu xạ theo mẻ đơn giản mà nguồn phóng xạ là các thanh cobalt-60 hình trụ đơn giản. Đối với chế độ hoạt động này, một số thùng sản phẩm (một nhóm thùng) đ−ợc đặt bằng tay hoặc tự động vào buồng chiếu khi nguồn phóng xạ đ−ợc bảo vệ tại bể bảo quản nguồn. Sau đó buồng chiếu xạ đ−ợc đóng lại, nguồn đ−ợc dịch chuyển vào buồng đến vị trí chiếu xạ cố định đ−ợc xác định tr−ớc tại trung tâm của các thùng sản phẩm và chúng đ−ợc chiếu xạ trong khoảng thời gian yêu cầu. Các thùng sản phẩm có thể xoay quanh trục của nó hoặc quay tròn xung quanh nguồn trong quá trình chúng đ−ợc chiếu xạ để tăng sự đồng liều. Sau khi hoàn thành quá trình chiếu xạ, nguồn đ−ợc dịch chuyển về vị trí bảo quản, và các thùng sản phẩm đã chiếu xạ đ−ợc thay thế bởi một nhóm sản phẩm khác cho quá trình chiếu xạ tiếp theo. Các thiết bị chiếu xạ ở chế độ theo mẻ rất phù hợp cho chiếu xạ ở quy mô thí nghiệm vì vận hành chúng dễ dàng. Thêm vào đó, các thiết bị chiếu xạ loại này khá dễ dàng thay đổi suất liều cũng nh− là cấu hình nguồn/sản phẩm chiếu xạ cho mục đích nghiên cứu. Các thiết bị chiếu xạ đa năng này đ−ợc IAEA phân thành loại II (nguồn bảo quản khô) và loại IV (nguồn bảo quản −ớt). Các ứng dụng và các thủ tục đối với việc sử dụng hai loại thiết bị chiếu xạ này đ−ợc miêu tả trong sổ tay thực hành an toàn bức xạ do IAEA xuất bản [15]. Hình 11. Thiết bị chiếu xạ theo mẻ. Với thiết kế đơn giản nhất, một nhân viên lái xe nâng đặt bốn giá sản phẩm trên hệ có thể quay trong buồng chiếu xạ. Sau đó, nhân viên đi ra ngoài và buồng chiếu đ−ợc đóng lại, nguồn đ−ợc nâng lên và các giá sản phẩm đ−ợc quay trong suốt quá trình chiếu xạ. Các đặc tính tự động có thể đ−ợc thêm vào để tăng công suất xử lý sản phẩm (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Các thiết bị chiếu xạ đa năng phù hợp với quy mô th−ơng mại Cùng với sự phát triển của công nghiệp chiếu xạ, ngày càng có nhiều sản phẩm đã đ−ợc xử lý bằng bức xạ gamma với các mục đích khác nhau. Ngày nay, nhiều loại vật liệu đ−ợc chiếu xạ với các ứng dụng khác nhau. Thách thức không thay đổi mà các nhà thiết kế thiết bị chiếu xạ vẫn phải đối mặt là: làm thế nào để sản phẩm chiếu xạ nhận đ−ợc tối đa năng l−ợng hiệu dụng và sự đồng liều cao nhất, bằng một ph−ơng pháp đơn giản và đáng tin cậy. Các đặc tính của các sản phẩm mới, chẳng hạn nh− hình dạng, mật độ và thành phần dẫn đến yêu cầu th−ờng xuyên là thay đổi thiết kế thiết bị chiếu xạ. Một số sản phẩm có các yêu cầu đặc biệt, chẳng hạn nh− thực phẩm lạnh và đông lạnh. Với những thách thức này, các nhà thiết kế đã có một số thiết bị chiếu xạ đ−ợc phát triển, chúng đ−ợc miêu tả ở đây: Các thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ: Thiết kế cơ bản nhất là đặt sản phẩm trong các thùng kim loại để chiếu xạ. Các thùng chứa loại này đôi khi đ−ợc xem nh− dụng cụ mang sản phẩm. Các thiết bị chiếu xạ loại này rất đa năng, chúng có thể các sản phẩm trong các hộp, túi, hoặc các thùng. Phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị chiếu xạ, một thùng có thể chứa đ−ợc vài trăm kg sản phẩm. Các thùng này dịch chuyển xung quanh nguồn phóng xạ trên các băng tải dạng con lăn trên bốn hàng (mỗi bên bảng nguồn có hai hàng) và ở hai tầng. Có một hệ nâng-hạ các thùng giữa hai tầng của băng tải. Độ cao tổng cộng của hai thùng sản phẩm là cao hơn bảng nguồn, chính vì thế nó đ−ợc gọi là thiết bị chiếu xạ mà sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ (xem hình 12), thiết bị chiếu xạ loại này có thể đạt đ−ợc sự đồng liều trong sản phẩm. Hơn nữa, sản phẩm tiếp xúc đ−ợc nhiều bức xạ hơn phát ra từ nguồn, và vì thế hiệu quả sử dụng năng l−ợng t−ơng đối cao đối với thiết kế loại này. Tuy nhiên, sản phẩm đi qua hai độ cao khác nhau làm cho cơ chế truyền tải trở nên phức tạp hơn. Hình 12. Hai cấu hình chiếu xạ: sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ và nguồn phóng xạ lấn qua sản phẩm. Chú ý rằng đối với cấu hình sản phẩm bao phủ qua nguồn phóng xạ, độ cao tổng cộng của hai thùng sản phẩm cao hơn bảng nguồn và mỗi thùng sản phẩm phải đi qua hai độ cao khác nhau sau một chu trình chiếu xạ. Còn đối với cấu hình nguồn phóng xạ lấn qua sản phẩm thì độ cao của nguồn lớn hơn độ cao của thùng sản phẩm và mỗi thùng sản phẩm chỉ đi ở một độ cao sau một chu trình chiếu xạ hoàn chỉnh (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Các thiết bị chiếu xạ nguồn lấn qua sản phẩm: Xem xét một cách đơn giản nhất cơ chế truyền tải, thì nhìn chung các thùng sản phẩm của loại thiết bị này dịch chuyển theo bốn hàng hoặc nhiều hơn nh−ng chỉ ở một độ cao xác định. Một thùng sản phẩm (đôi khi chính là các dụng cụ mang sản phẩm) có chiều dài lớn hơn thùng sản phẩm đối với tr−ờng hợp cấu hình sản phẩm bao trùm qua nguồn phóng xạ, nh−ng độ cao này vẫn nhỏ hơn độ cao của bảng nguồn, vậy nên nó tạo thành cấu hình nguồn lấn qua sản phẩm (xem hình 12). Các thùng sản phẩm của loại thiết bị này th−ờng đ−ợc treo từ một đ−ờng ray từ trên trần của buồng chiếu xạ. Độ đồng liều có thể so sánh đ−ợc với tr−ờng hợp cấu hình sản phẩm lấn qua nguồn phóng xạ, nh−ng năng l−ợng hiệu dụng thì nhỏ hơn. Các thiết bị chiếu xạ cả giá sản phẩm: Các thiết bị chiếu xạ loại này đ−ợc thiết kế để chiếu xạ toàn bộ giá sản phẩm nh− khi nhận đ−ợc. Các sản phẩm đ−ợc nhận với kích th−ớc chuẩn của giá (các thùng chứa), sao cho phù hợp với cả các công đoạn khác của quá trình chiếu xạ (bao gồm cả việc vận chuyển trên hệ băng tải). Trong một số khía cạnh khác, thì các thiết bị chiếu xạ loại này t−ơng tự nh− thiết bị chiếu xạ với cấu hình sản phẩm lấn qua nguồn phóng xạ. Có hai −u điểm chính đối với thiết bị chiếu xạ cả giá sản phẩm. Nó tiết kiệm công sức trong việc di dời các hộp sản phẩm khỏi các giá để xếp chúng vào trong một thùng chứa sản phẩm (ví dụ một thùng mang sản phẩm) chuẩn bị cho việc chiếu xạ, và sau đó, khi xử lý xong lại dỡ các hộp sản phẩm đó và đặt lên các giá để chuyển đi. Thiết bị chiếu xạ loại này tránh đ−ợc việc h− hại các sản phẩm do quá trình nạp-dỡ. Nhận thấy rằng kích th−ớc của các giá sản phẩm là không giống nhau ở các vùng trên thế giới, cho nên các nhà cung cấp thiết bị chiếu xạ có thể thiết kế thiết bị theo yêu cầu của khách hàng. Các thiết bị chiếu xạ theo mẻ: Các thiết bị chiếu xạ loại này là t−ơng đối đơn giản và phù hợp cho chiếu xạ quy mô nhỏ. Các thùng sản phẩm đ−ợc sắp đặt vào trong buồng chiếu khi nguồn phóng xạ ở vị trí bảo quản. Để đạt đ−ợc yêu cầu về sự đồng liều, thì mỗi thùng sản phẩm đ−ợc đặt trên một dụng cụ có thể quay liên tục trong suốt quá trình chiếu xạ. Chẳng hạn, các thùng sản phẩm có thể xoay tròn quanh nguồn phóng xạ. Các tính chất đặc biệt: Có thể có những yêu cầu riêng cho một số quá trình mà có thể kết hợp chặt chẽ trong một số thiết kế. Nó bao gồm: - Chiếu xạ các sản phẩm trong điều kiện đông lạnh và lạnh: Quá trình này th−ờng kèm theo việc sử dụng các thùng chứa cách nhiệt. - Liều chỉ định có thể mang lại lợi nhuận: Đối với chế độ hoạt động liên tục, cho phép chiếu xạ đồng thời các sản phẩm với các yêu cầu về liều khác nhau. Các sản phẩm yêu cầu liều nhỏ hơn đi ra khỏi buồng chiếu sau số vòng chiếu xạ ít hơn, trong khi các sản phẩm khác tiếp tục đi quanh nguồn để nhận đ−ợc liều cao hơn. - Các ứng dụng liều thấp: Do tốc độ động cơ của hệ băng tải có giới hạn, nên các kỹ thuật khác nhau có thể đ−ợc sử dụng để giảm suất liều hấp thụ cho những xử lý này. Các kỹ thuật này bao gồm chỉ sử dụng một phần nguồn phóng xạ (ví dụ nâng một trong một số phần bảng nguồn lên vị trí chiếu xạ), hoặc là sử dụng các vật liệu làm suy giảm c−ờng độ phóng xạ, và chiếu xạ ở các khoảng cách lớn hơn đến nguồn phóng xạ (điều này có thể là chiếu xạ ở một đ−ờng nhánh riêng). Hệ thống điều khiển đ−ợc máy tính hoá: Phần mền máy tính quản lý trực tuyến với các thiết bị hiển thị ngày nay đã đ−ợc trang bị ở nhiều thiết bị chiếu xạ (xem hình 13). Nó làm cho công tác vận hành và đảm bảo an toàn đối với một thiết bị chiếu xạ trở nên dễ dàng bằng việc cung cấp các thông tin về các vấn đề sau liên tục và kịp thời: - Các giá trị của tất cả các thông số cơ bản mà có thể ảnh h−ởng đến liều hấp thụ của sản phẩm; những thông tin này là cần thiết cho việc kiểm soát quá trình, - Trạng thái về vị trí của nguồn và tất cả các khoá liên động; thông tin này là cần thiết cho việc vận hành an toàn thiết bị, và - Vị trí và trạng thái của các thùng sản phẩm trong buồng chiếu; thông tin này là cần thiết cho việc kiểm soát sản phẩm. Hình 13. Màn hình ở phòng điều khiển hiện thị trạng thía hiện tại của thiết bị chiếu xạ (hình trên, bên phải). Bức ảnh bên phải phía d−ới chỉ vị trí của phòng điều khiển tại thiết bị chiếu xạ. Hai bức ảnh bên trái hiển thị vị trí của tất cả các thùng sản phẩm (tại thiết bị chiếu xạ IPEN, Brazil). Những thông tin đó giúp giảm sai số, và làm cho khả năng sản xuất tăng lên với cùng khoảng thời gian đảm bảo rằng tất cả các sản phẩm đ−ợc nhận, đ−ợc xử lý, và đ−ợc giao trả không chậm trễ. các tiêu chuẩn lựa chọn thiết bị chiếu xạ Để vận hành có hiệu quả một thiết bị chiếu xạ thì tiêu chuẩn cho các yêu cầu của ứng dụng/các ứng dụng phải đ−ợc hiểu rõ ràng tr−ớc khi thiết bị đ−ợc thiết kế và xây dựng. Nó cũng quan trọng nh− việc các yêu cầu này phải đ−ợc truyền đạt rõ ràng đến nhà cung cấp thiết bị chiếu xạ. Khi lên danh mục các yêu cầu, không chỉ cần thiết xem xét các yêu cầu hiện tại mà cần bao gồm cả các yêu cầu cho t−ơng lai (có tính hiện thực). Các yêu cầu này sau đó nên đ−ợc đối chiếu với các đặc tính của các loại thiết bị chiếu xạ khác, và việc lựa chọn phải dựa vào đánh giá tốt nhất. Danh mục một số tiêu chuẩn kỹ thuật sau đây sẽ giúp cho quá trình lựa chọn một thiết bị chiếu xạ: - Loại sản phẩm sẽ đ−ợc xử lý (kích th−ớc, mật độ, dạng hình học), - Sản phẩm theo mùa (một số sản phẩm thực phẩm có thể theo mùa), - Các yêu cầu về liều và sự đồng liều đối với sản phẩm và quá có ý định xử lý, - Các yêu cầu về công suất xử lý; hình 14 minh hoạ mật độ của sản phẩm có thể ảnh h−ởng nh− thế nào đến công suất xử lý, - Thiết bị chiếu xạ là một phần của quá trình sản xuất hay qúa trình khác hoặc là một thiết bị chiếu xạ dịch vụ, và - Thiết bị chiếu xạ đơn giản hay đa năng. Hình 14. Sự phụ thuộc của công suất xử lý vào mật độ sản phẩm đối với hai thiết kế khác nhau của thiết bị chiếu xạ (tại thiết bị chiếu xạ Nordion MSD, Canada). Bên cạnh các tiêu chuẩn kỹ thuật này, cũng còn một số tiêu chuẩn khác cũng nên đ−ợc xem xét trong quá trình lựa chọn thiết bị chiếu xạ. Bao gồm: - Nguồn vốn và chi phí hoạt động của toàn bộ thiết bị chiếu xạ - Các yêu cầu thực tiễn nh− nguồn điện, nguồn n−ớc, và - Khả năng đáp ứng về chuyên môn kỹ thuật của cán bộ tại địa ph−ơng, bao gồm cả nguồn nhân lực. Phụ thuộc vào quy định của pháp luật ở mỗi quốc gia, khi xây dựng và vận hành một thiết bị chiếu xạ cần phải có sự cấp phép. Một số cơ quan hoặc bộ có thể liên quan đến sản phẩm đ−ợc xử lý, chẳng hạn nh− cơ quan năng l−ợng nguyên tử, bộ y tế, bộ thực phẩm, bộ công nghiệp, vv... an toàn bức xạ Xử lý bằng bức xạ đã trở thành ngành công nghiệp hoạt động an toàn trong hơn bốn m−ơi năm qua với các thiết bị chiếu xạ th−ơng mại và kinh doanh. Những công nhân làm việc trong các thiết bị này mặc trang phục hàng ngày theo quy định và phải đáp ứng các tiêu chuẩn về sức khoẻ và các quy định về an toàn. Nếu nhận thấy một l−ợng lớn vật liệu phóng xạ tại một địa điểm với một số mục đích nào nào mà tiềm ẩn rủi ro cho con ng−ời (các công nhân và dân chúng) và môi tr−ờng, thì sẽ cần thiết phải đảm bảo một cấp độ an toàn và độ tin cậy cao hơn trong việc sử dụng các nguồn phóng xạ đó. Khi xem xét vấn đề này, IAEA phối hợp với một số tổ chức quốc tế (FAO, ILO, NEA of OECD, WHO và PAHO)* xuất bản các tiêu chuẩn cơ bản (BSS) để phòng tránh bức xạ ion hoá và đảm bảo an toàn cho các nguồn phóng xạ [16]. Các tiêu chuẩn này bao gồm các yêu cầu cơ bản bao trùm toàn bộ các hoạt động liên quan đến bức xạ. Nó nhằm mục đích nh− là một h−ớng dẫn thực hành đối với các cơ quan chức năng và các dịch vụ, các nhà quản lý và công nhân, phòng tránh bức xạ cho con ng−ời, các hoạt động của thiết bị, và cho các uỷ ban về an toàn và sức khỏe. Các yêu cầu này bao hàm các thủ tục bảo đảm chất l−ợng hiệu quả cùng với thiết kế, sản xuất, vận chuyển, lắp đặt, vận hành và loại thảicác nguồn bức xạ một cách cẩn thận. Năm 2003, IAEA đã xuất bản một báo cáo, trong đó cung cấp các thông tin và h−ớng dẫn nhằm thiết kế và vận hành an toàn các thiết bị chiếu xạ công nghiệp cho các tổ chức có ý định mua và vận hành thiết bị chiếu xạ [17]. Các thông tin này thoả mãn các yêu cầu của BSS trong một mã đ−ợc cung cấp nhằm đảm bảo rằng trong suốt quá trình hoạt động thông th−ờng, bảo d−ỡng và loại thải và trong các tình huống khẩn cấp, thì công nhân và dân chúng bị chiếu với liều trong các giới hạn đã định và giữ ở mức thấp nhất có thể một cách hợp lý (ALARA). Năm 1992, IAEA xuất bản h−ớng dẫn về an toàn, đây là công cụ h−ớng dẫn riêng để thiết kế, vận hành và quy định đối với các thiết bị chiếu xạ [18]. Điều này đ−ợc áp dụng cho tất cả các loại thiết bị chiếu xạ, cho dù chúng hoạt động cho mục đích th−ơng mại hoặc cho các mục đích nghiên cứu phát triển. Các nhà sản xuất thiết bị chiếu xạ tuân theo các thủ tục đ−ợc thiết lập mà nó phù hợp với các quy định của quốc gia và quốc tế để thiết kế và sản xuất các nguồn phóng xạ, chẳng hạn nh− tiêu chuẩn ISO 2919 [19]. Việc thiết kế các thùng chứa chất phóng xạ (ví dụ, cobalt-60) cũng nh− các thủ tục vận chuyển chịu sự chi phối bởi các quy định của IAEA trong việc vận chuyển an toàn chất phóng xạ [20] và luật pháp hiện hành của mỗi quốc gia. Các thùng chứa này đ−ợc bao bọc bởi vật liệu nặng theo đúng chi tiết kỹ thuật thiết kế nghiêm ngặt. -------------------- FAO- Tổ chức nông-l−ơng của liên hợp qốc ILO- Tổ chức lao động quốc tế NEA of OECD- Cơ quan năng l−ợng nguyên tử của các tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế WHO- Tổ chức y tế thế giới PAHO- Tổ chức sức khoẻ của Mỹ. Do vậy, chúng có khả năng chịu đ−ợc va đập và nhiệt độ cao mà vẫn hoàn toàn nguyên vẹn. Đối với các thiết bị chiếu xạ thiết kế theo loại IV (thiết bị đa năng, nguồn phóng xạ bảo quản −ớt) phải tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn ANSI [21] và các tiêu chuẩn quốc tế khác. Vì vậy, tr−ớc khi một thiết bị chiếu xạ có thể đ−ợc xây dựng và vận hành, thì cân thiết phải có giấy phép của các cơ quan có thẩm quyền của quốc gia. Nó đảm bảo rằng thiết bị đó đ−ợc xây dựng sao cho trong suốt quá trình hoạt động bình th−ờng thì bất kỳ sự chiếu xạ đối với các công nhân cũng nằm trong các giới hạn liều đ−ợc quy định bởi các tiêu chuẩn cơ bản của IAEA [16], và sự chiếu xạ đối với công chúng là không đáng kể, và việc phòng tránh phóng xạ và các thiết bị an toàn, cũng nh− các thủ tục phải đ−ợc thực hiện nghiêm túc. Cán bộ vận hành và các công nhân khác làm việc tại thiết bị chiếu xạ nằm trong một nhóm có khả năng bị chiếu bởi bức xạ ở các mức cao. Điều này đ−ợc phòng tránh thông qua các khoá liên động và các đặc tính thiết kế tới hạn cho hoạt động của một thiết bị chiếu xạ. Hệ thống và các thiết bị an toàn này đ−ợc kỳ vọng đáp ứng các tiêu chuẩn nào đó [18], bao gồm: - Bảo vệ chiều sâu: Nhiều cấp độ bảo vệ đ−ợc thiết lập, do đó tối thiểu hoá sự cần thiết can thiệp của con ng−ời. Các thiết bị chiếu xạ nên chỉ đ−ợc hoạt động nếu tất cả các cấp độ bảo vệ đ−ợc thiết lập và đang có hiệu lực; - Trang thiết bị dự phòng: Các thành phần chính nên đ−ợc tăng gấp hai lần - Sự độc lập: Lỗi của thiết bị chiếu xạ không đ−ợc làm h− hại đến hệ thống an toàn; và - Dự phòng đảm bảo an toàn: Lỗi của một hệ thống an toàn luôn do các điều kiện an toàn gây ra. Dựa vào các tiêu chuẩn này, một số hệ thống an toàn đ−ợc kết hợp với thiết kế của một thiết bị chiếu xạ nhằm đ−a ra cảnh báo sớm về các vấn để tiềm tàng hoặc ngăn chặn các nguy cơ sẽ xảy ra. Các hệ thống này đ−ợc thiết kế để bảo vệ sản phẩm, thiết bị, công nhân, và trong tr−ờng hợp xấu nhất là bảo vệ môi tr−ờng xung quanh. Tín hiệu cảnh báo từ các hệ thống này đ−ợc truyền đến phòng điều khiển chỉ ra chú ý ngay lập tức cho nhân viên vận hành. Các hệ thông này bao gồm: - Đầu rò nhiệt độ cao: nó nhận biết nhanh việc tăng nhiệt độ bất th−ờng, mà có thể dẫn đến h− hại sản phẩm và làm tăng khả năng cháy. - Thời gian trễ để giảm l−ợng ôzôn: khi không khí bị chiếu bởi bức xạ ion hoá, ôzôn và các khí độc đ−ợc hình thành, để giảm nhanh và hút chúng ra khỏi buồng chiếu cần sử dụng hệ thống thông gió. Hệ thống an toàn này nhằm tránh sự xâm nhập vào buồng chiếu xạ trong một khoảng thời gian ngắn kể từ khi nguồn phóng xạ trở về vị trí bảo quản cho đến khi đạt đ−ợc mức an toàn cho phép đối với các khí này. - Cảm biến xác định mức n−ớc trong bể bảo quản nguồn phóng xạ: nó kiểm soát liên tục mực n−ớc trong bể bảo quản nguồn và cảnh báo cho nhân viên vận hành khi mức n−ớc cao hoặc thấp một cách bất th−ờng. - Kiểm soát bức xạ: nó liên tục kiểm soát mức phóng xạvà cảnh báo cho nhân viên vận hành nếu có mức bất th−ờng, hai vị trí th−ờng đặt hệ thống kiểm soát này là tại lối ra của sản phẩm và bình khử ion đối với n−ớc bảo quản nguồn phóng xạ. - Hệ thống xác định vị trí nguồn phóng xạ: nó tr−ợc tiếp chỉ ra vị trí của mỗi bảng nguồn khi nó đi đến đáy bể bảo quản. - Đầu rò phát hiện động đất: nó sẽ ra lệnh từ động dịch chuyển nguồn phóng xạ về vị trí bảo quản an toàn khi xảy ra động đất. - Đầu rò phất hiện sản phẩm bị chiếu quá liều:nó nhận thấy một số trục trặc ở động cơ vận chuyển sản phẩm và tự động dịch chuyển nguồn về vị trí bảo quản để tránh cho sản phẩm bị chiếu qua liều. Các nhân viên vận hành và công nhân phải mang liều kế cá nhân trong suốt khoảng thời gian làm việc để kiểm soát liều bức xạ mà họ nhận đ−ợc. Các liều kế này đ−ợc đọc đều đặn sau những khoảng thời gian nhất định (ví dụ, cứ sau 2 tuần đọc một lần) để xác định liều nhận đ−ợc. IAEA phối hợp chặt chẽ với một số cơ quan quốc tế để đ−a ra h−ớng dẫn về các giới hạn liều bức xạ an toàn mà các công nhân có thể nhận đ−ợc [16], nó dựa vào các khuyến cáo của ICRP [22]. Do đó, các liều kế cá nhân đ−ợc sử dụng để khẳng định rằng không một nhân viên nào sẽ nhận đ−ợc liều v−ợt quá giới hạn. Thiết kế thiết bị chiếu xạ và các quy trình làm việc sao cho liều cá nhân đ−ợc giữ d−ới giới hạn. Theo IAEA, điều này thuộc trách nhiệm của nhân viên vận hành thiết bị, không chỉ giữ liều cá nhân d−ới giới hạn mà còn phải giảm liều cá nhân tới mức thấp nhất một cách hợp lý (đ−ợc gọi là nguyên tắc ALARA). Do vậy, nhìn chung liều bức xạ mà các công nhân nhận đ−ợc khi làm việc trong ngành công nghiệp xử lý bằng bức xạ là thấp hơn các giới hạn liều này, gần nh− là bằng với các mức phông phóng xạ tự nhiên. Một phần trong các yêu cầu của các tiêu chuẩn an toàn cơ bản của IAEA dành cho vấn đề an ninh của các nguồn phóng xạ nhằm tránh sự mất cắp hoặc h− hại và để ngăn chặn những ng−ời không có trách nhiệm thực hiện các hoạt động tại thiết bị chiếu xạ. Điều này có thể bao gồm, ví dụ nh− là: - Không kiểm soát khi không sử dụng một nguồn phóng xạ mà không tuân thủ tất cả các yêu cầu nh− trong giấy phép hoặc đăng kí, - Thông báo ngay lập tức cho cơ quan chức năng của quốc gia về việc mất kiểm soát, bị mất, bị lấy cắp hoặc bị thất lạc nguồn phóng xạ, - Không chuyển nh−ợng một nguồn phóng xạ trừ khi ng−ời nhận có đ−ợc sự cấp phép còn giá trị, và - Kiểm tra định kì sau các khoảng thời gian thích hợp về khả các nguồn phóng xạ có thể bị di dời nhằm chắc chắn rằng chúng ở đúng vị trí và đảm bảo an toàn. Để đáp ứng các yêu cầu này, một số thiết bị chiếu xạ lớn sẽ lập kế hoạch nhằm thiết lập các hàng rào an ninh, kiểm soát và theo dõi lối vào thông qua các hàng rào bảo vệ, để đảm bảo rằng những ng−ời đ−ợc phép tiếp cận với nguồn phóng xạ là đáng tin cậy, và tập huấn cho tất cả nhân viên về tầm quan trọng của công tác đảm bảo an ninh cho nguồn phóng xạ. các phòng thí nghiệm Nhiều thiết bị chiếu xạ đ−ợc trang bị các phòng thí nghiệm, chẳng hạn nh− phòng đo liều, phòng vi sinh, phòng kiểm tra thực phẩm và phòng thử nghiệm các vật liệu; điều này phụ thuộc vào những sản phẩm đ−ợc chiếu xạ tại thiết bị đó. Tuy nhiên, đối với tất cả các thiết bị chiếu xạ thì một phòng thí nghiệm về đo liều là hoàn toàn cần thiết. Hình 15 chỉ ra các trang thiết bị liên quan đến một số hệ đo liều mà chúng th−ờng đ−ợc sử dụng tại một thiết bị xử lý bằng bức xạ. Hình 15. Một số thiết bị điển hình của một phòng thí nghiệm đo liều tại một thiết bị xử lý bằng bức xạ (tại thiết bị chiếu xạ NCRRT, IAEA, Ai cập). Công tác đo liều là rất cần thiết đối với các mục đích sau đây [23]: - Xác định các giới hạn liều xử lý (cùng với các phòng thí nghiệm vi sinh và/hoặc phòng thử nghiệm vật liệu), - Khả năng hoạt động thiết bị chiếu xạ, khả năng vận hành cho một loại sản phẩm/quá trình, và - Kiểm soát trong suốt quá trình hoạt động th−ờng qui của thiết bị. Phòng đo liều phải đ−ợc bố trí các cán bộ – công nhân viên đã qua đào tạo và có đủ năng lực. Tất cả các thiết bị chiếu xạ cần lựa chọn ít nhất một hệ đo liều th−ờng qui có độ chính xác và tin cậy thích hợp cho các ứng dụng của bức xạ [24]. Hiện nay, có nhiều hệ đo liều tốt phù hợp cho các thiết bị chiếu xạ th−ơng mại; việc lựa chọn hệ đo liều phụ dựa vào việc đối chiếu các yêu cầu của các ứng dụng của bức xạ với các đặc điểm kĩ thuật của các hệ đo liều này. Hệ đo liều đ−ợc lựa chọn cần đ−ợc hiệu chuẩn [13], và cần đ−ợc sử dụng theo đúng các thủ tục của quốc gia hoặc quốc tế đ−ợc công nhận, ví dụ các thủ tục này đ−ợc miêu tả trong các tiêu chuẩn ISO/ASTM [23-26]. Hệ đo liều này cần đ−ợc so sánh với các tiêu chuẩn quốc gia hoặc quốc tế đ−ợc công nhận [27]. Đây là một yêu cầu rất cần thiết, đặc biệt đối với các sản phẩm bắt buộc và th−ơng mại quốc tế, bởi vì các phép đo này không có nhiều giá trị nếu không thực hiện các phép so sánh với các tiêu chuẩn quốc gia hoặc quốc tế. Ngoài ra, ng−ời ta cũng khuyến cáo rằng nên tham gia th−ờng xuyên các phép so sánh về kết quả đo liều giữa các phòng đo liều để đảm bảo chất l−ợng của hệ đo liều đ−ợc sử dụng. Nếu quá trình chiếu xạ chủ yếu với mục đích khử trùng hoặc làm giảm vi sinh vật thì một phòng thí nghiệm vi sinh sẽ phù hợp, ở đó độ tạp nhiễm ban đầu có thể đ−ợc đánh giá và thử nghiệm để xem xét đ−a là liều khử trùng. T−ơng tự nh− vậy, nếu quá trình biến tính vật liệu là chủ yếu, chẳng hạn nh− pôlyme hoá, thì một phòng thí nghiệm về vật liệu đ−ợc trang bị các thiết bị kiểm tra độ bền cơ học và các đặc tính lý-hoá là rất hữu dụng. những nhận xét chung Ngày nay, công nghệ bức xạ đã đ−ợc ứng dụng rộng rãi, và đang đóng góp vào sự phát triển của công nghiệp, vì thế nó có vai trò rất quan trọng. Xem xét tổng giá trị của các sản phẩm đ−ợc xử lý bằng bức xạ ion hoá, thì giá trị kinh tế của công nghệ này là rất to lớn. Một số ứng dụng nh− khử trùng, và biến tính các pôlyme và các chất bán dẫn đã phát triển rộng rãi. Điều này là hoàn toàn chính xác đối với các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ ở các n−ớc công nghiệp nh− Mỹ và Canada, nơi có đến hơn một nửa số sản phẩm này đang đ−ợc khử trùng bằng bức xạ ion hoá. Hiện nay, công nghệ bức xạ đang đ−ợc mở rộng. Nhiều thiết bị đang đ−ợc xây dựng, và ngày càng có nhiều ứng dụng mới. Các ứng dụng mới này nhìn chung theo xu h−ớng phát triển công nghệ và nhu cầu của xã hội, nh− công nghệ nanô, các pôlyme tự nhiên, nhựa tổng hợp và bảo vệ môi tr−ờng. Cùng với sự gia tăng liên tục việc ứng dụng bức xạ trong công nghiệp và y tế, đòi hỏi các nhà sản xuất và các nhà cung cấp thiết bị chiếu xạ phải cải tiến và nâng cấp các loại thiết bị chiếu xạ hiện có cũng nh− là sẽ phải thiết kế các loại thiết bị chiếu xạ mới. Sự phát triển các loại thiết bị chiếu xạ mới mang lại lợi ích cho nhà chủ sở hữu quản lí thiết bị chiếu xạ, tuy nhiên điều này cũng dẫn đến việc phải cân nhắc tỉ mỉ giữa các loại thiết bị thích hợp để lựa chọn một loại thiết bị đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của họ. Việc lựa chọn đ−ợc một thiết bị chiếu xạ đúng đắn không chỉ làm cho việc vận hành đ−ợc dễ dàng mà nó còn đạt đ−ợc hiệu quả cao hơn, và vì thế cũng đem lại nguồn lợi về kinh tế lớn hơn. phụ lục A Một số khái niệm và thuật ngữ đ−ợc sử dụng để miêu tả một quá trình chiếu xạ và mô tả về các thiết bị chiếu xạ gamma đ−ợc thảo luận ở đây: Liều hấp thụ bức xạ là th−ớc đo năng l−ợng bức xạ đ−ợc hấp thụ, nó đ−ợc định nghĩa là năng l−ợng bức xạ (ở đơn vị joule, J) đ−ợc hấp thụ bởi một đơn vị khối l−ợng sản phẩm (ở đơn vị kilôgam, kg); đơn vị của liều hấp thụ là gray (Gy) [28]. Do đó, 1 gray (Gy) = 1 J/kg Bảng A.I chỉ ra các mức liều khác nhau đối với các ứng dụng chủ yếu của bức xạ. Nhìn chung, các ứng dụng của bức xạ trong th−ơng mại và công nghiệp đ−ợc xem nh− là ‘xử lý bằng bức xạ’ và dải liều áp dụng đ−ợc gọi là ‘liều xử lý bức xạ’ hoặc ‘liều cao’. bảng A.I các ứng dụng chủ yếu của bức xạ và các dải liều t−ơng ứng ứng dụng dải liều áp dụng Y tế – chẩn đoán Y tế - điều trị Công nghiệp – thực phẩm và nông nghiệp Công nghiệp – khử trùng Công nghiệp – biến tính vật liệu 10 – 100 mGy 1 – 10 Gy 0.1 – 10 kGy, hoặc cao hơn 10 – 30 kGy 50 – 100 kGy, hoặc cao hơn Suất liều là liều trong một đơn vị thời gian và nó đ−ợc xác định bởi hoạt độ của nguồn phóng xạ và cấu hình chiếu xạ. Suất liều đ−ợc đo với đơn vị là kGy/h hoặc Gy/s. Các thiết bị chiếu xạ nghiên cứu có thể đạt đ−ợc suất liều đến 20 kGy/h. Đối với một thiết bị chiếu xạ công nghiệp (chẳng hạn thiết bị nguồn cobbalt-60 với hoạt độ 3 MCi), nó có thể đạt đ−ợc suất liều 100 kGy/h tại các vị trí gần nguồn phóng xạ, nh−ng suất liều trung bình khoảng 10 kGy/h. Mức độ phóng xạ là c−ờng độ (hoặc công suất) của một nguồn phóng xạ, nó đ−ợc định nghĩa là số phân rã của hật nhân phóng xạ trong một giây. Tên riêng của mức độ phóng xạ trong hệ đơn vị SI là becquerel (Bq) [28]. Tuy nhiên, đơn vị này chỉ một l−ợng phóng xạ rất nhỏ, và nh− vậy đơn vị hoạt độ phóng xạ cổ điển là curie (Ci). Do đó, 1 becquerel (Bq) = 1 phân rã/s = 1 s -1 1 curie (Ci) = 3,7 x 10 10 Bq Và một ví dụ: 100 kCi = 100.000 Ci = 3,7 x 1015 Bq = 3,7 PBq. Bảng A.II diễn giải các đơn vị th−ờng đ−ợc sử dụng trong xử lý bằng bức xạ. bảng A.II các bội số của các đơn vị trong hệ SI Thừa số Bội số Kí hiệu 1015 peta P 1012 109 106 103 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 tera giga mega kilo deci centi milli micro nano pico T G M k d c m ч n p Công suất xử lý bằng bức xạ là số l−ợng (khối l−ợng hoặc thể tích) của sản phẩm đ−ợc xử lý trong một đơn vị thời gian (chẳng hạn nh− kg/h hoặc m3/h) và nó đ−ợc xác định bởi mức độ phóng xạ (c−ờng độ) của nguồn, mật độ sản phẩm và liều hấp thụ. Đối với một thiết bị chiếu xạ gamma, công suất nguồn có thể tính đ−ợc dựa vào hoạt độ phóng xạ của nguồn; cứ 1 triệu curie cobalt-60 thì giải phóng công suất 15 kW. Hình 14 chỉ ra sự phụ thuộc của công suất xử lý chiếu xạ vào mật độ của sản phẩm. Tài liệu tham khảo [1] CHMIELEWSKI, A.G., HAJI-SAEID, M., Radiation technologies: past, present and future, Radiat. Phys. Chem. 71 (2004) 17–21. [2] DROBNY, J.G., Radiation technology for polymers, CRC Press, New York (2003). [3] FAIRAND, B.P., Radiation sterilization for health care products – X ray, gamma and electron beam, CRC Press, New York (2002). [4] FELDIÁC, G. (Ed.), Industrial application of radioisotopes, Akademiai Kiado, Budapest, Hungary (1986). [5] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Emerging applications of radiation processing, IAEA-TECDOC-1386, Vienna (2004). [6] MASEFIELD, J., Reflections on the evolution and current status of the radiation industry, Radiat. Phys. Chem. 71 (2004) 8–15. [7] MOLINS, R.A. (Ed.), Food irradiation: Principles and applications, John Wiley & Sons, New York (2001). [8] MORRISSEY, R.F., HERRING, C.M., Radiation sterilization: past, present and future, Radiat. Phys. Chem. 63 (2002) 217–221. [9] WORLD HEALTH ORGANIZATION, High-dose irradiation: Wholesome-ness of food irradiated with doses above 10 kGy, Report of a Joint FAO/IAEA/WHO Study Group, WHO Technical Reports Series No. 890, Geneva (1999). [10] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Directory of gamma processing facilities in Member States, IAEA-DGPF/CD, Vienna (2004). [11] ZHU, N., WANG, C., TENG, W., Status of radiation sterilization of healthcare products in China, Radiat. Phys. Chem. 71 (2004) 591–595. [12] ATTIX, F.H., ROESCH, W.C. (Eds.), Radiation dosimetry, Vol. 1, Academic Press, New York (1968). [13] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Dosimetry for food irradiation, TRS No. 409, Vienna (2002). [14] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Manual on self-contained gamma irradiators (Categories I and III), IAEA- PRSM-7, Vienna (1996). [15] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Manual on panoramic gamma irradiators (Categories II and IV), IAEA-PRSM-8, Vienna (1996). 39 [16] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, International basic safety standards for protection against ionizing radiation and for the safety of radiation sources, Safety Series No. 115, Vienna (1996). [17] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Practice specific model regulations: Radiation safety of non-medical irradiation facilities, IAEA-TECDOC-1367, Vienna (2003). [18] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Radiation safety of gamma and electron irradiation facilities, Safety Series No. 107, Vienna (1992). [19] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION, Radiation protection – Sealed radioactive sources – General requirements and classification, ISO 2919, Geneva (1998). [20] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Regulations for the safe transport of radioactive material, Safety Series No. ST-1, Vienna (1996). [21] AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE, Safe design and use of panoramic, wet source storage irradiators (Category IV), ANSI-N43.10-1984, New York (2001). [22] INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROTECTION, Recommendations of the ICRP, Publication No. 60, Pergamon Press, Oxford and New York (1991). [23] AMERICAL SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard practice for dosimetry in gamma irradiation facility for radiation processing, ISO/ASTM 51702, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 12.02, ASTM International, USA (2004). [24] AMERICAL SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard guide for selection and calibration of dosimetry systems for radiation processing, ISO/ASTM 51261, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 12.02, ASTM International, USA (2004). [25] AMERICAL SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard guide for dosimetry in radiation research on food and agriculture products, ISO/ASTM 51900, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 12.02, ASTM International, USA (2004). [26] AMERICAL SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard practice for dosimetry for a self-contained dry-storage gamma-ray irradiator ISO/ASTM 52116, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 12.02, ASTM International, USA (2004). [27] SHARPE, P.H.G., Calibration and traceability in high dose dosimetry, IAEA- TECDOC-1070, Vienna (1999) 281–288. 40 [28] INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIATION UNITS AND MEASUREMENTS, Fundamental quantities and units for ionizing radiation, ICRU Report 60, USA (1998).