I. Tổng quan nghiên cứu tối ưu hệ số liều hấp thụ electron
Chiếu xạ kiểm dịch thực phẩm là công nghệ sử dụng năng lượng bức xạ ion hóa nhằm nâng cao chất lượng vệ sinh và an toàn thực phẩm. Mục đích là loại bỏ các tác nhân gây hư hỏng, vi sinh vật gây bệnh truyền qua thực phẩm hoặc côn trùng gây hại. Quá trình này không làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng, mùi vị của sản phẩm. Bức xạ ion hóa bao gồm tia gamma, tia X hoặc chùm electron. Trong đó, chiếu xạ bằng tia gamma sử dụng đồng vị phóng xạ như Co-60 hoặc Cs-137. Việc sử dụng các đồng vị phóng xạ này đối mặt với các vấn đề liên quan tới an ninh nguồn phóng xạ, an toàn bức xạ và xử lý chất thải phóng xạ. Khả năng cung ứng đồng vị Co-60 phục vụ chiếu xạ ngày càng hạn chế. Phương pháp chiếu xạ bằng chùm tia X và chùm electron phát ra từ các máy gia tốc có tính an toàn và hiệu quả cao hơn. Do đó, việc lựa chọn chiếu xạ bằng nguồn tia X và chùm electron đang được quan tâm đặc biệt. Chiếu xạ electron mang lại nhiều lợi ích so với các phương pháp khác.
1.1. Tổng quan về phương pháp chiếu xạ electron thực phẩm
Chiếu xạ electron sử dụng máy gia tốc, có tính an toàn và hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng đồng vị phóng xạ. Điều này giải quyết vấn đề về an ninh nguồn phóng xạ và xử lý chất thải. Máy gia tốc phục vụ chiếu xạ công nghiệp ngày càng gia tăng về số lượng và công suất, cho thấy xu hướng phát triển của công nghệ này. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7250:2008, năng lượng chiếu xạ sử dụng chùm electron trong chiếu xạ thực phẩm và dụng cụ y tế là 10 MeV, với chiếu xạ sử dụng tia X là 5 MeV. Một số quốc gia, như Mỹ chấp nhận mức năng lượng electron trước khi hãm lên đến 7,5 MeV. An toàn thực phẩm chiếu xạ là yếu tố hàng đầu.
1.2. Đặc điểm máy gia tốc UELR 10 15S2 sử dụng năng lượng electron 10 MeV
Năm 2012, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (VINAGAMMA), Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (VINATOM) đã đưa vào hoạt động máy gia tốc chùm electron UELR-10-15S2 với chùm electron sau gia tốc có năng lượng 10,0 + 0,4 MeV, công suất 15 kW. Đây là thiết bị đầu tiên trong nước ứng dụng trực tiếp chùm electron phục vụ công tác chiếu xạ. Do khả năng ion hóa cao của chùm electron so với tia gamma và tia X, đường phân bố liều hấp thụ của chùm electron trong vật liệu có dạng phức tạp hơn và bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như năng lượng electron, thành phần vật liệu, kích thước và hình dạng sản phẩm chiếu xạ.
II. Thách thức tối ưu hệ số liều hấp thụ trong chiếu xạ
Đường phân bố liều trong sản phẩm chiếu xạ ảnh hưởng đến sự đồng đều của liều hấp thụ (DUR), giá trị liều cực đại, quãng chạy, chiều dày chiếu xạ tối ưu (một và hai mặt), chiều dày mà tại đó nhận một liều hấp thụ bằng một nửa liều bề mặt và chiều dày nhận được một nửa giá trị liều cực đại. Các yếu tố này cần được xem xét để tối ưu hóa quá trình chiếu xạ. Năng lượng của chùm electron sử dụng trong chiếu xạ nằm trong khoảng từ 300 keV đến 25 MeV. Đã có nhiều công trình nghiên cứu phân bố liều của chùm electron trong sản phẩm chiếu xạ, đặc biệt tại vùng năng lượng thấp từ 0,3 - 1,0 MeV, và phân bố liều trong vùng năng lượng electron ở vùng năng lượng cao hơn cũng đã được thực hiện.
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến phân bố liều hấp thụ electron
Hình dạng của đường phân bố liều trong sản phẩm chiếu xạ có ảnh hưởng đến sự đồng đều của liều hấp thụ (DUR), giá trị liều cực đại, quãng chạy R,, chiều dày chiếu xạ tối ưu Dont dé (một và hai mặt), chiều dày ma tại đó nhận một liều hấp thụ bằng một nửa liều bề mặt R;o„ và chiều dày nhận được một nửa giá tri liều cực đại R;o. Giá trị R, phan ánh khả năng xuyên sâu của chùm electron trong vật chat. Giá trị R, là vị trí giao của đường làm khớp của phan suy giảm đường phân bố liều với trục hoành.
2.2. Nghiên cứu về phân bố liều lượng chiếu xạ ở các mức năng lượng khác nhau
Tại vùng năng lượng thấp, từ 300 keV đến 600 keV, độ xuyên sâu của eletron trong vật liệu đạt khoảng 0,2 g/cm². Đối với chùm electron năng lượng 3 MeV, độ xuyên sâu trong vật liệu đạt 1,5 g/cm². Đối với chiếu xạ thực phẩm và dụng cụ y tế, chùm electron có năng lượng cao nhất được sử dụng là 10 MeV, tương ứng khả năng xuyên sâu trong polyethylene là 5,0 g/cm². Các nghiên cứu về ảnh hưởng của sự tích lũy điện tích trong môi trường vật chất ảnh hưởng đến kết qua do phân bố liều hấp thụ thực nghiệm của electron trong vật liệu cũng được nghiên cứu.
2.3. Sự cần thiết của phân tích phân bố liều trong vật liệu không liên tục
Đối với chùm electron chiếu xạ có năng lượng 10 MeV, chiều dày chiếu xa tối ưu, Dont dé đạt được hiệu suất xử lý cao nhất trong trường hợp chiếu xạ một mặt đối với vật liệu nước ở trạng thái liên tục là 3,8 g/cm2, ứng với trường hợp chiếu xạ hai mặt là 8,8 g/cm2 với tỷ số DUR tương ứng là 1,35. Tuy nhiên, đối với hàng thực phẩm va dụng cụ y tế có vật liệu thay đổi đa dạng từ thành phần nguyên tố đến tý trọng và cách sắp xếp vật liệu cấu thành sản phẩm. Vì vậy, việc phân tích đường phân bố liều trong một số vật liệu đại diện cũng như trong một SỐ trạng thái vật liệu không liên tục cần được đánh giá, khảo sát lại với chùm electron 10 MeV trên máy gia tốc UELR-10-15S2 tại VINAGAMMA với các đặc trưng riêng của đối tượng chiếu xạ cũng như của chùm electron phát ra từ thiết bị.
III. Phương pháp đánh giá phân bố liều trong trái vú sữa
Trái vú sữa là một trong những sản phẩm nông sản Việt Nam có giá trị, giàu chất dinh dưỡng, có mùi vị thanh và được xuất khẩu nhiều sang thị trường Mỹ, Úc. Hai loại vú sữa xuất khẩu được ưa chuộng là vú sữa Lò Rèn và vú sữa tím. Vú sữa Lò Rèn thông thường có kích thước từ 5 - 7 cm và trọng lượng dao động từ 200 - 300 g, trái vú sữa tím có kích thước khoảng 8 - 10 cm và trọng lượng lớn hơn, dao động từ 300 - 400 g.
3.1. Giới thiệu về trái vú sữa và tầm quan trọng của việc bảo quản thực phẩm bằng chiếu xạ
Trái vú sữa là một loại trái cây đặc sản của Việt Nam, được ưa chuộng trên thị trường quốc tế. Do đó, việc bảo quản và nâng cao chất lượng của trái vú sữa là rất quan trọng. Chiếu xạ là một phương pháp hiệu quả để kéo dài thời gian bảo quản và đảm bảo an toàn thực phẩm. Vú sữa Lò Rèn thông thường có kích thước từ 5 — 7 cm va trọng lượng dao động từ 200 — 300 g, trái vú sữa tím có kích thước khoảng 8 — 10 cm và trọng lượng lớn hơn, dao động từ 300 — 400 g.
3.2. Phương pháp đo liều hấp thụ electron trong trái vú sữa
Việc đo liều hấp thụ trong trái vú sữa cần được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hiệu quả của quá trình chiếu xạ. Các phương pháp đo liều bao gồm sử dụng liều kế và mô phỏng Monte Carlo. Phân bố liều cần được đánh giá cả bên trong và bên ngoài thùng carton chứa trái cây để đảm bảo tính đồng đều. Quá trình thực hiện các bước thí nghiệm đo liều lượng chiếu xạ này cần được đảm bảo tính chính xác, để bảo đảm tính an toàn.
IV. Giải pháp tối ưu hóa liều xạ bằng tấm bù tỷ trọng MDF
Để giảm sự không đồng đều liều trong quá trình chiếu xạ trái vú sữa, một giải pháp được đề xuất là sử dụng tấm bù tỷ trọng MDF (Medium Density Fiberboard). Tấm bù này được thiết kế để điều chỉnh sự phân bố liều, giúp đạt được hệ số đồng đều liều (DUR) tốt hơn. Các thiết kế tấm bù khác nhau đã được thử nghiệm và đánh giá để tìm ra cấu hình tối ưu.
4.1. Sử dụng tấm bù tỷ trọng MDF để cải thiện độ sâu xuyên thấu và DUR
Tấm bù tỷ trọng MDF được sử dụng để điều chỉnh sự phân bố liều trong quá trình chiếu xạ. Bằng cách thay đổi hình dạng và độ dày của tấm bù, có thể cải thiện hệ số đồng đều liều (DUR) và giảm sự chênh lệch liều giữa các vùng khác nhau của sản phẩm. Các thực nghiệm và mô phỏng đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các thiết kế tấm bù khác nhau. Các thực nghiệm đã chứng minh, việc tối ưu hóa liều xạ là thực sự cần thiết đối với chất lượng của trái vú sữa.
4.2. Mô phỏng Monte Carlo để thiết kế tấm bù liều lượng chiếu xạ tối ưu
Mô phỏng Monte Carlo là một công cụ mạnh mẽ để thiết kế và tối ưu hóa tấm bù tỷ trọng MDF. Bằng cách mô phỏng quá trình tương tác của electron với vật chất, có thể dự đoán sự phân bố liều và điều chỉnh các thông số của tấm bù để đạt được kết quả mong muốn. Các mô phỏng Monte Carlo đã giúp xác định các thiết kế tấm bù tối ưu cho trái vú sữa Lò Rèn và vú sữa tím.
V. Kết quả nghiên cứu Đánh giá hiệu quả chiếu xạ trên trái vú sữa
Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát phân bố liều trong trái vú sữa chiếu xạ bằng chùm electron 10 MeV. Kết quả cho thấy, việc sử dụng tấm bù tỷ trọng MDF giúp cải thiện đáng kể hệ số đồng đều liều (DUR). Sự phân bố liều trong thùng carton chứa trái vú sữa cũng được đánh giá để đảm bảo tính đồng đều của quá trình chiếu xạ. Hiệu quả chiếu xạ đã được chứng minh bằng các kết quả phân tích.
5.1. Kết quả đo liều hấp thụ electron thực nghiệm và so sánh với mô phỏng
Các kết quả đo liều thực nghiệm đã được so sánh với kết quả mô phỏng Monte Carlo để đánh giá độ chính xác của mô hình. Sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy, mô hình có thể được sử dụng để dự đoán và tối ưu hóa quá trình chiếu xạ. Mức độ an toàn của trái vú sữa sau chiếu xạ cũng được kiểm tra.
5.2. Đánh giá tỷ lệ đồng đều liều DUR và tác động của tấm bù tỷ trọng MDF
Hệ số đồng đều liều (DUR) đã được đánh giá trong các trường hợp có và không có tấm bù tỷ trọng MDF. Kết quả cho thấy, việc sử dụng tấm bù giúp giảm đáng kể giá trị DUR, cho thấy sự cải thiện về tính đồng đều của liều. Tỷ lệ DUR đã được so sánh với các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo tuân thủ các quy định. Việc đảm bảo an toàn thực phẩm chiếu xạ là rất quan trọng.
VI. Kết luận triển vọng Ứng dụng chiếu xạ electron tương lai
Nghiên cứu đã thành công trong việc đánh giá phân bố liều và tối ưu hóa hệ số đồng đều liều (DUR) trong trái vú sữa chiếu xạ bằng chùm electron 10 MeV. Việc sử dụng tấm bù tỷ trọng MDF đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện tính đồng đều của liều. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để cải tiến quy trình chiếu xạ thực phẩm và đảm bảo an toàn thực phẩm. Chiếu xạ electron hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng trong tương lai.
6.1. Tổng kết các kết quả chính và đóng góp của nghiên cứu về kiểm soát liều xạ
Nghiên cứu đã cung cấp các thông tin quan trọng về phân bố liều trong trái vú sữa chiếu xạ bằng chùm electron 10 MeV. Việc sử dụng tấm bù tỷ trọng MDF đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả để cải thiện tính đồng đều của liều. Các kết quả này có thể được sử dụng để xây dựng các quy trình chiếu xạ thực phẩm hiệu quả và an toàn hơn. Các phương pháp kiểm soát liều xạ cũng được cải thiện.
6.2. Triển vọng và ứng dụng tương lai của kỹ thuật xạ trị electron trong bảo quản thực phẩm
Công nghệ chiếu xạ bằng chùm electron có tiềm năng lớn trong việc bảo quản thực phẩm và đảm bảo an toàn thực phẩm. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số chiếu xạ và phát triển các giải pháp tấm bù tỷ trọng tiên tiến hơn. Kỹ thuật xạ trị electron hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp thực phẩm và người tiêu dùng. Việc áp dụng phương pháp Monte Carlo cũng cần được chú trọng.
