ANKARA NÜKLEER ARAŞTIRMA MERKEZİ
GIDA IŞINLAMASINDA ÜRÜNÜN BİLEŞİMİNİN
VE GEOMETRİNİN DOZ DAÜILIMI ÜZERİNE
ETKİSİ
Sabrı KESKİN
Gıda ışınlamasında İyonlaştırıcı ışınımlardan en u y gun şekilde yararlanabilmek, gıda maddesi ta r a f ı n dan ışınlama sırasında soğurulan dozun iyi bilinmesine bağlıdır.
Gıda maddesi tarafından ışınlama sırasında soğuru lan doz, ü r ü n ü n ve kullan ı l a n kaynağın şekilleri ve özellikleri nedeniyle, gıda maddesinin her tarafında aynı değildir ve heterojen olarak dağılır. D o z u n bu şekilde dağılışına gıdanın bileşimi, şekli, ü r ü n ü n veya k a y n a ğ ı n hareketli veya sabit olması gibi etken etki etmektedir. B u çalışmada bu etkenlerin etkisini açıkla mak ameeiyle, yoğunluk bakımı n d a n b i r ibirinden oldukça farklı iki ü r ü n ele alınarak hesapları y a p ı l d ı ve b u lunan sonuçları karşılaştırıldı, -^öylece gıda ı ş ınla masında ü r ü n ü n bileşiminin ve geometrik duru m u n doz d a ğ ı l ı m ü z e r i n e olan etkisi, açıklanmaya çalışıldı.
İ Ç İ N D E K İ L E R 1. GİRİŞ 2. GENEL PRENSİPLER 2.1. Kaynak 2.2. Ortam 2.3. Soğurma Katsayıları
2.3.1. Çizgisel Soğurma Katsayısı
2.3.2. Kütle Enerji Soğurma Katsayıları
3. KAYNAĞIN AKIŞI (FLOK) 4. DOZUN R A D OLARAK HESABI 5. SÜRDOZ ETKENİ
6. SONUÇLARIN GÖSTERİLMESİ
7. İZODOZ EĞRİLERİ VE DOZ DAĞILIMI e. s o n u ç
lanılan kaynağın şekilleri ve özellikleri nedenleriyle bu konu oldukça karışık görünmektedir.
Gıda maddesi tarafından ışınlama sırasında soğurulan doz miktarı gıda maddesinin her tarafında aynı değildir. Yani soğurulan dozun gıda maddesi içerisinde dağılışı maddenin kalınlığı, yoğunluğu, şekli, ışınlama kaynağına olan uzaklığı, maddenin ythut kaynağın hareketli veya
sabit olması gibi gıda maddesine bağlı çeşitli etkenlerle birlikte, ışınlama kaynağı olarak kullanılan kaynağın şekli, doz şiddeti gibi kaynağa ait özelliklerle ilgili etkenler nedenleriyle heterojendir.
Bu çalışmada, konuyu açıklamak amacıyla, biribirin- den oldukça farklı iki ürün ele alındı. Bu iki ürün için yapılan hesapları ve sonuçlarını vererek "gıda ışınlama
sında gıda maddesinin özellikleri ve geometrinin doz dağı lımına etkisi" açıklanmaya çalışıldı.
2, GENEL PRENSİPLER
Gıda ışınlamasında ürünün bileşiminin ve geometrinin doz dağılımı üzerine olan etkisini incelerken izlenen yolu ve genel prensipleri açıklayarak, bir örnek olarak ele
alınan ve heriki ürün için yapılan hesaplarla sonuçları sunuldu.
2.1. Kaynak
Kaynak olarak 1 Ci'lik C o ^ alındı. Bu radyoizo top aşağıdaki özellikleri gösterir:
Yarı ömrü : 5»27 sene
Işınım : ^ 1,173 MeV ($100) 1,332 MeV ($100) ^ 0,309 MeV ($100)
^ out put : 1,3 rhm/Ci (1 Ci, İ m den 1 saatte 1,3 r verir)
2.2. Ortam
Ortam olarak biribirinden yoğunluk bakımından ol dukça farklı iki ürün ele alındı:
a. I^SO^ : yoğunluk 1,8
b. Aseton : " 0,79 ( ^ 0 , 8 )
2,3» Soğurma Katsayıları
2.3.1. Ç i zgisel Soğurma Katsayısı
Heriki ürünün çizgisel soğurma katsayıları suyun çizgisel soğurma katsayısından hareket edilerek elde
edildi. Bu sadece yaklaşık olarak bir sonuç verir ve aşağıdaki formülle hesaplanır;
' / ^ ( ü r t o ) =
A«>
* Y0gUnlUk(ürUn) t ^ 2Soğurucu (su) yüzeyine 100 erg/cm lik bir şiddetle 60
düşen 1,25 M e V l u k Co $ ışınlarının soğurulması hesap lanmıştır. 1,25 MeV'luk Y. ışınları için s u d a ; = 0,064^ dir.
Yukarıdaki j^l] nolu formülden yararlanarak:
/ ^ ( a s e t o n ) / Y (h2s o4 )
= 0,064 X 0,79 = 0,0505 = 0,064 x 1,84 = 0,1177
olarak bulundu.
2,3»2. Kütle Ener.jiJŞoğurma Katsayıları
'Y ışınlarının madde ile karşılıklı etkileri ince lendiğinde görülüyor ki, Y ışını, enerjisine ve etki ettiği maddenin atom numarasına göre, üç ayrı yoldan soğurulur:
a. Fotoelektrik soğurma
b. Compton saçılım sı ile soğurma
4
-Maddenin atomunun soğurma katsayısı ışının dalga boyu ( A ) ile elementin atom numarasına bağlı olarak değişir. Işın daha ener
3
etik olduğu zaman fotoelektrik soğurma çok .abuk düşer. Gene fotoelektrik soğurma ağır elementlerde daha yüksek, hafif elementlerde daha az dır (1
).Işınlanan maddenin kütle enerji soğurma katsayısına etkisinin katılması tam olarak maddenin her gramındaki elektron sayısına ve sıra ile onun maddesel bileşimine bağlıdır. Fakat bu çeşitli maddeler için çok büyük de ğişiklik göstermez ve pekçok organik madde ve sonuç ola rak biyolojik dokular için hemen hemen suyun aynıdır (
1
).Elektron çifti meydana gelişi ile soğurma ise ancak 1,02 MeV'luk enerjiden fazla bir enerjiye sahip ışınlarla olabilir ve bu elektron ve pozitron oluşumu ile meydana gelir.
Kütle enerji soğurma katsayıları aşağıdaki formülden yararlanarak hesaplanmıştır;
X = Fotoelektrik olayı için tesir kesiti
( s * = Compton olayı için tesir kesiti
KT = Toplam çift meydana gelişi olayı için tesir kesiti
KT *
K
+
K
n e
= Çekirdek alanında çift meydana gelişi için tesir kesiti
K = Atomun elektronları alanında çift meydana gelişi için tesir kesiti
Yukarıdaki formülden [[23 yararlanarak:
y ^ e n (H2S04 ) =. 0,02739 cm2/ g
r n ^ e n
(aset0n)
= °»^295 cm2/ g o2arak bulundu.3» KAYNAĞIN AKIŞI (FLUX)
Işınlanan herhangibir ortamın belirli bir nokta sında kaynağın akışının hesabı nokta şeklinde olan bir kaynak için aşağıdaki formülden yararlanarak yapılır:
I = 0,55 . C. E. r A r/saat
R D 3
C = Küri (Ci) olarak aktivite 60
R =
M
-x =
MeV olarak enerji (Co için E = 2,5)
Kaynakla madde arasındaki metre olarak uzaklık Ortamın çizgisel soğurma katsayısı
6
-Bu formüle £3] dikkat edilecek olursa, iki önemli etkenle bağıntılı olduğu görülür:
a. Kaynakla ortam arasındaki uzaklıkla ilgili ve — şeklinde tamamen geometrik bir bağıntı
K
b. Çizgisel soğurmayı belirten fiziksel tabiatlı üslü bir bağıntı.
Bu formül £
33
aynı zamanda ışınımlara karşı korunma işin blendaj hesaplarında da kullanılır. Işınlama odası nın dışında ışınımın şiddeti 2,5 miliröntgen/saati geçme mesi gerekir (2,5 mR/saat).Üslü ifadeler sadece dar demetli ışınlar ve ince kalınlıktaki soğurucu maddeler için geşerlidir. Bilhassa kalın blendamlarda bir foton, soğurulmadan önce çeşitli dağılım olaylarına maruz kalacak ve sonuç olarak kaynağın akışı (Flux) başlangıç akıdan (Flux) daha büyük olacaktır. Bunun için formülün £ 3 j içine “Build-up" etkeni eklenmiş tir:
I = B x 0,55 C. E. 1
R
2
B « Build-up Etkeni
Build-up etkeni çeşitli maddeler için (
3
u, beton, demir v.3.) H.Goldstein, j.W.Wilkins <îr ve John Moteff tarafından meydana getirilmiş olan tablolardan yararla narak bulunabilir.Bu çalışmada Build-up (B) etkeni dikkate alınmadı.
4, DOZUN RAB OLARAK HESABI
Ele a l m a n heriki ürün içerisinde dozların rad/saat olarak hesabı aşağıdaki formülden yararlanarak yapıldı:
D
(ürün) 0,877 . R x
m/ S u r ü n )
y ^ e n (hava)
D(ürün) = Ürün içinde rad/saat olarak doz 0,877 . R = Hava •' " " "
m^/en(ü r ü n ^ = Ürünün kütle enerji soğurma katsayısı n = Havanın " " " "
5. SÜRDOZ ETKENİ
Silindir şeklinde olan katı bir gıda maddesini veya silindir şeklinde olan bir konserve kutusunu ele alalım.
8
-Bu n u ışınları tamamen radial olan bir ışınım sahasına yerleştirelim. Ürünün ekseni üzerindeki herhangibir noktaya gelen ışın ürünün kalınlığını katedecektir. Eğer bu ışının yarılanma kalınlığı ürünün yarıçapına eşitse ve ışın tarafından ürünün çevre noktasına verilen doz 100 ise merkezinde
50
ve diametrik olarak eksen üze rindeki karşı noktada doz 25 olacaktır. Bütün ışın demet lerinin toplamı aşağıdaki sonucu verecektir:Çevrede: 100 + 25 = 125* Merkezde: 50 + 50 = 100
(Şekil A) Eğer araştırma sonucu 100 lük bir dozu gerektiriyorsa, ürünün çevresi
125
lik bir doz, dolayısiyle bir enerji gaspı ve yüzde 25 lik bir sürdoz meydana gelmiş olacaktır.Bu çalışmada bu enerji gaspı "sürdoz etkeni" olarak ifade edildi. Sürdoz etkeni, aynı ürünün çeşitli nokta larında, soğurulan en büyük dozun en küçük doza oranıdır:
D (Maksimum)
.... — ■ = Sürdoz etkeni D (Minimum)
125
Yukarıdaki örnekteki sürdoz etkeni: — — = 1,25 dir. 100
Suyun y a n l a m a kalınlığı veya akıcı maddelerin ve buna benzeyen gıda maddelerinin yarılama kalınlığı C o ^ için
12 cm dir (2).
Şu halde, yüzde 25 lik bir sürdoz elde
edebilmek için 24 cm çapında ve içi su ile dolu bir
madde ele almak lâzımdır.
Buna benzer bir hesap 12 cm çapında olan daha kü
çük bir kutu için yapılacak olursa kutunun merkezinde
141 lik bir doza karşılık çevresinde 150 lik bir doz
soğurulmuş olacaktır ki, burada sürdoz sadece yüzde 6
ve sürdoz etkeni 1,06 olacaktır.
Görülüyor ki, bir ürünün içinde ürün tarafından
soğurulan dozun heterojenliği kaynakla ürün arasındaki
uzaklık, ürünün kalınlığı ve yoğunluğu gibi etkenlerle
25
100
10
-6. SONUÇLARIN GÖSTERİLMESİ
Örnek olarak ele a l m a n iki ürün için çeşitli durumlara göre yapılan hesapların sonucu şekillerle gösterildi.
Şekil-1, heriki ürün için soğurulan doz miktarını ve sürdoz etkenini göstermektedir (HgSO^ ve Aseton), Bu şekilde ürün ve kaynak hareketsizdir* Burada değiş ken yüksekliktir ve değişkene bağlı olarak sürdoz etkeni H^SO^ için 2,07 den 2,41 e kadar değişmektedir (1 inci durum İA ve İ B ) . Aseton için ise 1,67 den 2,26 ya ka dar değişmektedir (1 inci durum 1C ve İD) ki, bu durum H^SO^ için olan durumdan daha kötüdür.
Görülüyor ki, bu durumlarda iki önemli etken rol oynamaktadır. Birincisi yoğunluk (d), İkincisi paketin boyu (h) dur. Küçük boyutlu paketlerde (10 x 15 om) aseton için 1,62 olan sürdoz etkeni, H^SO^ için 2,07 olan sürdoz etkeninden daha küçüktür ve ürünlerin soğur- duğu doz, yoğunluğu küçük olan asetonda, yoğunluğu ase tona göre oldukça büyük olan H^SO^ den çok daha fazladır. Bu başka bir deyimle, yoğunluğu küçük olan bir ürünün aynı dozlar için ışınlanmasında, yoğunluğu daha büyük olan bir ürüne kıyasla, daha az bir sürenin gerekli olduğunu ifade eder.
Şekil - 2 de ise, ürün kaynağın önünden, kaynağa aynı yükseklikte ve paralel bir düzey üzerinde 180° lik bir dönüşle iki defa geçmektedir (2 inci durum 2A ve 2D). Buradaki sürdoz etkeni I^SO^ için 2,07 yerine 1,8 ve aseton için 1,62 yerine 1,4 olur.
Genel olarak 1,2 lik bir 3Ürdoz etkeni uygun bir etken olarak kabul edilir. Eğer 1,2 lik bir sürdoz etkeni elde edilmek iatenirse, kaynağın aynı geometrik durumunda paketin kalınlığını azaltmak veya kaynağa olan uzaklığı büyütmek suretiyle 1,2 lik bir sürdoz etkeni elde edilebilir.
Paketin kalınlığının küçültülmesi halinde bu k ü çülme HgSO^ için 5 cm ye kadar varır ki, o takdirde 1,2 lik bir sürdoz etkeni elde edilebilsin (2 inci du rum 2B). Aseton için ise 1,2 lik bir sürdoz etkeni
elde edebilmek için kalınlığın 7 cm ye kadar küçülmesi lâzım (2 inci durum 2E).
Paket boyutlarını koruyarak 1,2 lik bir sürdoz etkeni elde etmek için ürünlerin kaynağa olan uzaklık
ları değiştirilir. HgSO^ i ş ibu uzaJfİ1^ 3 m (2 inci durum 2C) ve Aseton için 26 cm dir (2 inci durum 2F).
12
Görülüyor ki, Şekil - 2 deki durumlarda da 3 önemli
etken rol oynamaktadır.
Bu etkenler; yoğunluk (d), pake
tin genişliği (b) ve paketin kaynağa olan uzaklığı (1)
dır.
Paketlerin kalınlıklarını veya genişliklerini değiş
tirmek suretiyle yapılan durum değişiklikleri (2 inci
durum 2B ve 2E) ile paket boyutlarını koruyarak paketle
rin kaynağa olan uzaklıklarını değiştirerek yapılan du
rumları (2 inci durum 2C ve 2F) karşılaştırılacak olursa;
2 inci durum 2C ve 2F durumunda soğurulan doz miktarı
küçülmekte ve dolayısiyle ışınlama süresi artmaktadır.
Bu durum ise ışınlama randımanı için iyi değildir.
co 0) E* Q (D C^ O •» CVJ
p
•s c & J<s cö 0) 'Ö T İ M ■H (D & â T* Ih •H PH
[S3 CO W > ISI s S3 <*! P « S3 > o o CO CvJ -rl J4O» ü > r l jfcfl H rH -« CÖ N P > & d a I -p (D * f t S § rH 0) ^ rH Q) CÖ rH r-i p CQocö :d
ft Ö:o
cö 'ö H ‘ Ih 3*ıD rl *H Ss X i rH CD > CÖ M M ♦H CD r H > O H O O O <D r H •P ^ M X -*H Fh CD rH *H f t ö>» •rH Ö CD P • H -P O (D (D #—n m +> rû8 .-S
O r-l t%0 S C >S> a> o t3 >s -d P t* ft, :o —■ H Ö £ - P (D 3 s ■H O CM CM VO ,pq
CM UJO ĞI ! vo J L S CM 1 3 CM a sı 5 _ B P I P 0 0 İt SI 5 EK E Q | P CM « CM UK> gX CM CM sı s « B n sS| .5
Q SU eSI-S
, e s o VO o o •H o rH II coS| -H ^
«sL g ^ E ş i t uz ak l ı k t a i k i ge çişten so nraBu şekillerdeki (Şekil - 1 ve 2) durumlardan da anlaşılacağı üzere bir ürün tarafından soğurulan doz o ürünün yoğunluğuna, boyutlarına ve kaynağa olan uzak lığına bağlıdır. Yani bu çalışmada yapılan hesaplar sonucu ortaya çıkan şekiller gıda ışınlamasında ürünün bileşiminin, geometrik şekil ve durumunun soğurulan doz üzerine etkisine basit birer Örnektirler.
7. İZODOZ EĞRİLERİ VE DOZ DAĞILIMI
Aynı ürün içinde veya aynı ortam içinde eşit mik tarlarda soğurulan dozları gösteren noktaları biribiri-
ne birleştirmek suretiyle elde edilen eğrilerdir.
Bu çalışmada ele a l m a n ve yoğunlukları biribirin-den oldukça farklı olan H^SO^ ve Aseton içinde izodoz eğrileri elde etmek için hesaplar yapıldı. Bunun için durumlardan Şekil - 1 deki 1 inci durum İA (H^SO^ için) ve 1 inci durum 1C (Aseton için) seçildi. Bu izodoz
eğrilerini elde etmek için paketin kesiti karelere ayrıl-
2
dı ve her cm nin tam ortasındaki noktada soğurulmuş olan doz miktarı hesaplandı (Şekil - 3, HşSO^ ve (Şekil - 4 Aseton için). Heriki durumda da kaynak ve paketler hareketsiz dunundadırlar. Bu durumlarda eşit miktarlarda soğurulan dozları gösteren noktalar birleş tirilerek heriki ürün içerisindeki dozların dağılışını
16
-daha açık şekilde gösteren izodoz eğrileri elde edildi. Bu eğriler de Şekil - 5 de açık olarak görülmektedir
(HgSO^ için 1 inci durum İA, Aseton için 1 inci durum 1C).
*rl M 0) uy» -P td •H ® ra \ S -ra 'd *h ^ d o. « -H CNJ Ö ^ 6 *H «d- o ^ s °CO ^ « CM (D o W W p4 d W v -> 3 o O rH II 10 mo d ■p s CÛ IS3 •rl O vo LA ra CM r*1 d VO CO ON Q CM CM r a CM CM o ON co VO d * t d -d - d LA IA LA LA LA IA LA d d d d c ^ ON o rH CM < a d d d r a CM rH o o \ C*"* rO rO d d - "d* d d d d d d d d r a r a CM d IA vo t — c o 0 0 0 0 0 0 0 0 r - vo LA d CNİ rO * a r a r a r a r a r a r a r a r a r a r a ra r a ra O rH CM CM r a *51: d IA d d r a CM CM rH o m rO rO r a r a r a r a r a r a r a r a r a r a r a r a co ON O rH CM CM r a r a r a CM CM «H o ON 0 0 CM CM r a r a r a r a r a r a r a r a r a î a r a CM CM OO On o rH CM CM r a r a r a CM CM rH o ON co CM CM r a r a r a r a r a r a r a r a r a r a r a CM CM R 31 CMr a CMr a 33 3 34 35 s 34 33 1 _ _ _ _ _ _ CM ra CMr a rHr a a CM d m vo c*» co CO co co co r - VO LA d CM rO rO r a r a r a r a r a r a r a r a r a m r a r a r a r - ON o rH CM r a d d d r a CM f-H o ON rO r a 'd* d d* d d d d d d d d r a r a vo co ON o CM CM r a CM CM o ON 0 0 vo d 'd- d •d- "d* IA IA IA LA IA LA LA d d d d d o Pl M pC| w ■ b W» -r* -i. £ 2 » '7 J< ____________________ 1 0 ° m ________________________ ! _ / / 1 5 c m
£ © H
rl
H
e _ d © 3Q0 Tİ O £ o -p <D © (D 34 r l £ • < 6 © © x - r f i © © (0 rH r l •H o O »d u 4» O 4» •d cO ıA £ cd U ttb N • * trv :p rH O © * H •r l O rH rH â ° E d E § © 4» n ı ı IIS
1 " * 1 © © © d 33 M O 4» p H 34 o r - 1 ■p 3 L P« © o •H •rl © d 0 p © H rH •rl 34 © \ •H *r4 >q0 © © O a> © 'd o £ O © ,£ E CO* * £ •rl © 33 p rH CM 4 * Hn
£ d E © H © d •H O O 'd U M * d +> £ 4 * © © w CO © d © U 4 * 4> P« •r! 34 *J © © 34 34 o /T-S © O O* T * *4 « O •rl © • X £ E > rH CO lA t — ON rH CM ~ ^ 1 r r <©■ rO CM rH ON r— IA iA IA IA vo vo vo vo VO vo VO vo VO ı n IA IA R CMIA IA IALA VOLA IAr - c oIA 0 0IA COIA ıA voLA IAIA LA CMLA R vo CO ON rH CM c r \ m rO rO m CM rH ON 0 0 vo LA IA IA ıA IA IA IA IA IA *3 “ ^3* VO h - CO ON O rH rH rH o ON 0 0 r - vo 5 ^3* IA IA IA IA IA «3> *3 “ r n IA vo t — 0 0 ON ON ON ON ON 0 0 h r VO IA *3* r o IA VO h - CO ON ON ON ON ON CO h - VO lA m *3- <©* «3* *3-^t* VO co ON O rH «H rH O ON co h - vo t •d- <3- IA IA lA ıA ıA *3* VO 0 0 ON rH CM rO rO rO m m CM H a\ CO VO ■d- IA IA IA lA IA IA IA IA *3-R CMIA *3*LA IAIA VOIA r -lA COIA COLA coIA IA VOIA IAIA IAv t CMIA R IA h- ON rH CM m «3- m CM ON r - IA LA IA IA VO VO vo vo VO VO vo vo VO IA IA ıAmo £i
e f VJ VI § v / ~1< -İ.lo c i d u ru m İA İZ O D O Z E Ğ R İL E R İ l .c i Ş e k il
20
-3. SONUÇ
Işınlanan ürünlerin yoğunlukları, boyutları ve geometrik durumları, ürünlerin kaynağı olan uzaklığı, ürünün yahut kaynağın sabit veya hareketli veya heriki-
einin birden hareketli olması gibi çeşitli etkenlerle birlikte, bizzat kaynağın Özellikleri gibi etkenler ışınlamadan beklenen sonuca ulaşmada önemli etkenlerdir.
özet olarak denilebilir ki, bütün ışınlama düzen lerinde ürünün boyutlarının ı?ok dikkatle seçilmesi gereklidir.
9. REFERANSLAR
1. P.Alexander and ZJILBacq Fundamentals of Radiobiology P.13-19, (1966) (Third Printing)
2. L.Brunelet, L.Roussel et P.Vidal
Considerations Th£oriques et Technologique dans la Conception des Grands Irradiateurs pour le Traitement des Deurees Agricoles et Alimentaires, Ann.Nutr.
