放射源60Co γ射線的利用效率研究

陳明利1,2，夏和舟1,2，程薇1,2，熊光權1,2，廖濤1,2，

耿勝榮1,2，鉏曉艷1,2，史德芳2，邱建輝2，陳洪國1,*

(1.非動力核技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北科技學院 核技術與化學生物學院，湖北 咸寧437100；

2.湖北省農業(yè)科學院 農產品加工與核農技術研究所，湖北省農產品輻照工程技術中心，湖北 武漢430064)

摘要：應用60Co γ射線照射量率計算法分析比較了4種放射源排列方法和3種輻照操作方式的γ射線利用效率。結果表明，3種操作方式中，換層操作的效率最高，利用率為1.78，其次是分區(qū)操作方式，為1.45，源超界的不換層方式最低，為0.85。實行換層操作時，當?shù)趸@高度在1.2 m之內時以3層高度收斂排列法(各層間活度比為0.6∶1.8∶0.6)的60Co γ射線利用率最高，為1.60；當?shù)趸@高度為1.4 m時，3層輕度收斂排列法(0.9∶1.2∶0.9)的60Co γ射線利用率最高，為1.72；當?shù)趸@高度達到1.6 m時，3層均勻排列法(1∶1∶1)的射線利用率最高，為1.78。

關鍵詞：60Co；放射源；排列；輻照；利用率

中圖分類號：TL99 文獻標志碼：A

收稿日期：2015-06-15;修回日期：2015-08-24

基金項目：公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項資助項目(201103007)；湖北省農業(yè)科技創(chuàng)新中心資助項目(2015-620-007-001)作者簡介：陳明利(1981—)，男，陜西延安人，助理研究員，碩士，從事農產品加工與核農技術研究

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2076

*通信作者：陳洪國，E-mail: chhg1969@163.com

Utilization Efficient of60Co γ-ray Source

CHEN Ming-li1,2, XIA He-zhou1,2, CHENG Wei1,2, XIONG Guang-quan1,2,

LIAO Tao1,2, GENG Sheng-rong1,2, ZU Xiao-yan1,2, SHI De-fang2,

QIU Jian-hui2, CHEN Hong-guo1,*

(1.Non-powerNuclearTechnologyCollaborativeInnovationCenter,SchoolofNuclearTechnologyand

Chemistry&Biology,HubeiUniversityofScienceandTechnology,Xianning437100,China;

2.InstituteforFarmProductsProcessingandNuclear-agriculturalTechnology,

HubeiAcademyofAgriculturalSciences,HubeiEngineeringResearchCenter

forFarmProductsIrradiation,Wuhan430064,China)

Abstract:Four kinds of irradiation source arranging styles and three operating modes of 60Co γ-ray sources were studied. The effects of these ways during radiation processing on γ-ray utilization rate were compared and analyzed by the calculation method of 60Co γ-ray dosage rate. The results show that for these three operating modes, the γ-ray utilization rate of changing layer operation is the highest with 1.78, the partition operation is the second highest with 1.45, and the mode of irradiation source coverage and unchanging layer operation is the least with 0.85. During the implementation of changing layer operation, when the height of the basket within 1.2 m the γ-ray utilization rate of centralized arrangement (0.6∶1.8∶0.6) is the highest with 1.60. When the height of the basket is 1.4 m the γ-ray utilization rate of mild centralized arrangement (0.9∶1.2∶0.9) is the highest with 1.72. When the height of the basket is up to 1.6 m, the γ-ray utilization rate of the average arrangement is the highest up to 1.78.

Key words：60Co; irradiation source; arrangement; irradiation; utilization rate

輻照加工技術自20世紀80年代商業(yè)化應用以來，從小鈷源、50萬Ci鈷源發(fā)展到目前數(shù)十座裝源量為400萬Ci的大型輻照裝置[1-5]，運行方式由最初的靜態(tài)堆碼輻照發(fā)展到現(xiàn)在的步進式動態(tài)間歇式輻照[6-11]，操作方式由小吊籃源超界的不換層操作過渡到大吊籃的分層操作，進而發(fā)展到今天的雙層吊籃上下?lián)Q層操作，行業(yè)發(fā)展迅速。其應用領域由當初的干品,如香辛料、脫水蔬菜輻照滅菌[12-15]、大蒜輻照抑制發(fā)芽[16-17]、中成藥的輻照滅菌及醫(yī)療器械、衛(wèi)生用品的輻射滅菌[18-19]，經歷了含水的蛋白含量高的熟肉制品，如鹽水鴨、泡鳳爪[20-21]，并迅速擴展到醫(yī)學、育種學、生物學研究等領域[10-19,22-25]。此外，輻射加工技術在高分子材料改性中的應用，更是有了長足的發(fā)展，如輻照交聯(lián)電纜電線[26-27]、輻照熱收縮材料、輻射聚合黏合劑和輻射接枝淀粉材料[28]等，在我國的工農業(yè)生產和國民經濟發(fā)展中起到了重要作用。

然而，在輻照加工產業(yè)快速發(fā)展過程中，輻照裝置自身的射線利用率問題卻始終未見報道。射線利用率是指單位時間內被輻照的物質所吸收的有效能量與放射源所放射出的總能量之比。射線利用率的高低主要取決于放射源的排列、輻照加工的操作方式、吊籃的空間利用率等因素。目前國內絕大多數(shù)的放射源均為3層排列，也有少量4層排列，而3層排列又分為分散排列、均勻排列和收斂排列3類，其操作方式分為源超界不換層操作、貨超界分區(qū)操作和貨超界換層操作3種，這些放射源的不同排列方式和操作方式組成了10多種不同的運行方式，并各具特點。本研究擬對放射源不同排列方式及操作方式所形成的10余種運行方式進行射線利用率的計算研究，從中優(yōu)選出高效運行方式，為提高輻照產業(yè)的射線利用效率、降低輻照成本、增加產業(yè)收益提供理論依據。

1計算依據及方法

1.1已知條件及操作方式

1) 源板結構：源板裝載φ11 mm×451 mm的放射源3層，源間距25 mm，層間距100 mm，外部尺寸1.6 m×2.0 m。

2) 放射源活度：1.85×1015Bq。

3) 吊籃規(guī)格：底部1.0 m×0.6 m，高度1.5 m(源超界操作方式)、1.6 m(貨超界換層操作方式)、2.7 m(貨超界分區(qū)操作方式)。

放射源的排列：目前放射源主要有4種排列方法，分別用A、B、C、D表示(表1)。

表1　放射源的4種排列方法

注：1) 為3層放射源之間的活度比

操作運行方式：1) 源超界的不換層、不翻身方式；2) 大吊籃的分區(qū)翻身操作方式；3) 貨超界雙吊籃的上下?lián)Q層操作方式。

1.2計算方法

為簡化計算，作如下條件設定：

1) 將棒狀放射源近似為由點狀源串聯(lián)成的線狀源；

2) 由于源板和劑量場的對稱性，計算時取吊籃的1/2進行比較；

3) 計算照射量率時，總裝源量為1.85×1015Bq，根據圖1所示的放射源與吊籃中心線上各點的相對位置，按式(1)進行計算。

圖1　3種操作方式下吊籃與源棒的相對位置 Fig.1　Relative positions of basket and irradiation source rod for three operating modes

4) 計算射線利用率時，將圖1中吊籃中心線上不同位置處所得照射量率進行疊加，然后乘以吊籃的體積，再乘以空氣密度，即得相應高度吊籃中的總照射量，即總有效電荷量。

1.3計算公式

因放射源棒簡化為由點狀源串聯(lián)而成的線狀源，故計算過程中對點源公式[3]進行積分。點源公式如下：

(1)

對式(1)積分得：

(2)

式(2)中參數(shù)的相對位置如圖2所示。

圖2　式(2)中相關參數(shù)的相對位置 Fig.2　Relative position of parameter in formula (2)

2結果與分析

2.1吊籃中心各點的照射量率

不同高度的吊籃以源板中心線為基準，向上、下0.05 m開始作為起點，每間隔0.2 m取點，按圖1所示方式進行操作，依據式(2)計算吊籃中心線上各點的照射量率，結果列于表2。

表2　吊籃中心線上各點的照射量率

由表2可看出，4種排列方法中，吊籃中心的照射量率均隨測量點與源板水平中心線距離的增大而減小，照射量率的最大值在距源板中心最近的零點位置，且隨放射源強度向源板中間層的集中而增大，而最遠點的照射量率則隨之減小。

2.2排源方式對源超界運行時射線利用率的影響

表2反映了4種源排列方法下吊籃中心線上各點在單位時間內所受照射量的大小，但不能反映不同質量的物質在同一劑量場中由γ射線照射而產生的不同效果。為直觀反映不同高度的吊籃所包含的物質輻照后所產生的有效電荷總量，按照輻照加工過程中以被照物中最低吸收劑量為依據的質量控制法則，以不同高度代表自測量起點處到該高度處吊籃內所包含的空氣質量為橫坐標，以有效電荷總量為縱坐標作圖，結果示于圖3。

圖3　不同排列方法下有效電荷量與吊籃高度的關系 Fig.3　Relationship of effective charge amount and height of basket in different arrangements

由圖3可見，對于源超界的不換層操作方式，要求放射源的分布越均勻越好，4種排列方法的照射量均呈先升高再下降的趨勢，最大值多出現(xiàn)在0.6～0.8 m之間，隨著放射源強度向源板中間層的集中，照射量的最大值亦向中心集中，射線利用率下降，4種排列方法的最高有效電荷量由高到低依次為：A，12.42 C/s；B，12.04 C/s；C，11.65 C/s；D，10.51 C/s。因而對于源超界運行方式，放射源的排列越分散、越平均，效率越高。

2.3排列方法與分層操作對射線利用率的影響

分區(qū)操作是經過一批次輻照后，上下區(qū)間翻身，中間保持不變，其效能的增加如表3所列。

表3中固定區(qū)照射量為0～0.85 m范圍的照射量率與該區(qū)域內物質的總有效電荷量的乘積，而翻身區(qū)的有效電荷量為0.85～1.45 m范圍內的4個照射量率反轉疊加后取最低值的1/2與該區(qū)域內物質質量的乘積，其增加率為翻身后的有效電荷量除以總有效電荷量的值。由表3可見，相較源超界操作方式，增加吊籃高度、實行分區(qū)操作，可大幅提高射線利用率，提高幅度達29%。

表3　分區(qū)操作時不同排列法下的有效電荷量

2.4換層操作對不同排列法射線利用率的影響

換層操作工藝中目前主要有4種吊籃高度，分別為1.0、1.2、1.4、1.6 m。4種排列方法換層操作時，不同吊籃高度下的有效電荷量列于表4。按照雙吊籃上、下?lián)Q層的操作方法將表2中0.05～1.65 m的數(shù)據反轉疊加計算吊籃高度為1.6 m時的總有效電荷量，結果列于表5。

由表4可看出，總照射量隨著吊籃高度的增大而增大，吊籃高度在1.0～1.2 m之間時，放射源收斂排列方式D的照射量高于中間低上下高的分散排列方式A；而當?shù)趸@高度達1.2～1.6 m之間時，則以排列方式C的輕度收斂排列法為最高，當?shù)趸@高度達到1.6 m時，以排列方式B的平均排列法射線利用率最高，高度收斂排列法D低于分散排列法A，其原因可由表5數(shù)據解釋。

表4　換層操作時不同高度吊籃的有效電荷量

表5　換層操作的有效總電荷分布

由表5可見，分散型的排列法換層操作后，吊籃頂端和底部的劑量低于中間劑量，不均勻度增加使有效劑量降低，而收斂排列的兩種方法又使吊籃中間的劑量低于兩端，同樣使有效劑量降低，而按排列方式B的均勻排列和按排列方式C的輕度收斂排列的不均勻度最低，射線利用率最高。

2.5不同排源法和不同操作方式的射線利用率比較分析

從以上分析結果可看出，不同的排源方式在3種操作方式中各有特點，以平均排列方式B、不換層操作方式射線利用率按100%計算，各種排列方式和操作方式的射線利用率列于表6。

表6　4種排列方法和3種操作方式的射線利用率

注：不換層操作即源超界操作，吊籃高度為1.5 m；分區(qū)操作即貨超界操作，吊籃高度為2.7 m

由表6可見，不換層操作的源超界的操作方式效率最低，分區(qū)操作的射線利用率最少能提高28%，而換層操作的射線利用率更高，最低可提高41%，最高可達78%。

3討論

根據研究結果及數(shù)據分析，目前60Co γ射線輻照產業(yè)在生產運行過程中存在很多內在規(guī)律，在4種放射源排列方式中，源板中心線上各點的照射量率最高，沿源板上、下兩端延伸則逐漸減弱(表2)，源板中心線上照射量率最高為38.93 C·kg-1·s-1，向外延伸到1.65 m時照射量率最低為3.65 C·kg-1·s-1。源超界不換層操作模式下，由圖3可知，4種放射源排列方法中分散排列和收斂排列射線利用率相差19%，這就要求放射源應分散或平均排列，才能獲得很好的生產效率。分區(qū)操作運行方式在4種放射源排列方法中的效率，與源超界操作方式一致，分散排列射線利用率高于收斂排列，最低相差10%、最高相差17%。相比前兩種操作方式，換層操作運行方式的生產效率隨吊籃高度的不同顯示出不同的規(guī)律，當?shù)趸@高度較小，即≤1.2 m時，放射源收斂排列的有效電荷量(19.35 C·s-1)最高，即生產效率最高，平均排列次之(17.90 C·s-1)，分散排列最低(17.04 C·s-1)；吊籃高度為1.4 m時，輕度收斂排列的有效電荷量(20.71 C·s-1)最高；吊籃高度>1.4 m且≤1.6 m時，放射源平均排列有效電荷量最高(21.46 C·s-1)，放射源不同排列方式射線利用率相差2%～20%。

比較3種輻照加工運行方式的射線利用率，換層操作>分區(qū)操作>源超界，與放射源的排列相比，輻照操作方法對輻照裝置的射線利用率影響更大，操作方式之間射線利用率相差1%～93%(表6)。放射源的排列方式和操作方式不僅關系到能否充分發(fā)揮輻照裝置的生產能力，同時還關系到輻照裝置的經濟效益，以一個裝源量100萬Ci的裝置為例，如果采用源超界高度收斂排列運行方式，僅相當于裝源量為85萬Ci，直接損失約300萬元/年，運行損失225萬元/年；如果采用換層操作平均排列運行方式，可增加運行收益1 170萬元/年，其效益非?？捎^。所以，在實際生產中企業(yè)應根據自身現(xiàn)實條件和現(xiàn)有基礎選擇合適的放射源排列方法和操作方式。

4結論

1) 3種運行方式的射線利用率由大到小依次為：換層操作>分區(qū)操作>源超界；

2) 吊籃高度≤1.2 m時，放射源4種排列方式的射線利用率由大到小依次為：高度收斂排列>輕度收斂排列>平均排列>分散排列；

3) 吊籃高度為1.4 m時，放射源4種排列方式的射線利用率由大到小依次為：輕度收斂排列>平均排列>高度收斂排列>分散排列；

4) 吊籃高度≥1.6 m時，放射源4種排列方式的射線利用率由大到小依次為：平均排列>輕度收斂排列>分散排列>高度收斂排列。

參考文獻：

[1]MORRISSEY R F, HERRING C M. Radiation sterilization: Past, present and future[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2002, 63(3): 217-221.

[2]RAZEM D. Twenty years of radiation sterilization in Croatia[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2004, 71(1): 597-602.

[3]李承華. 輻射技術基礎[M]. 北京:原子能出版社,1988.

[4]JOHN B, KOWALSK I, YAN A, et al. Radiation sterilization-evaluation of a new approach for substantiation of 25 kGy[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2000, 58(1): 77-86.

[5]WIESNER L. The complementary nature of electron and gamma radiation for the sterilization of a wide variety of products[J]. Radiation Physics and Chemistry, 1983, 22(3): 685-691.

[6]梁劬,孫國慶. 我國核農學進展與展望[J]. 中國核工業(yè),2003(3):27-29.

LIANG Qu, SUN Guoqing. Progress and perspective of nuclear agriculture in China[J]. China Nuclear Industry, 2003(3): 27-29(in Chinese).

[7]趙文彥. 輻射加工技術及其應用[M]. 北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

[8]史建君,陳暉.60Co輻照室堆碼輻照劑量不均勻度測量及分析[J]. 浙江大學學報,2001,27(1):78-82.

SHI Jianjun, CHEN Hui. Measurement and analysis of dose uniformity ratio of pile-up irradiation in static state in irradiation room[J]. Journal of Zhejiang University, 2001, 27(1): 78-82(in Chinese).

[9]劉宏躍,施培新,林音. 不同排源方式對輻照產率的影響[J]. 核農學報,1999,13(3):163-167.

LIU Hongyue, SHI Peixin, LIN Yin. The effects of different source arrangement on the irradiation efficacy[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 1999, 13(3): 163-167(in Chinese).

[10]夏和舟,陳玉霞,曹宏云,等. 單板源堆碼輻照工藝研究[J]. 核農學報,1999,13(5):267-271.

XIA Hezhou, CHEN Yuxia, CAO Hongyun, et al. Piling up technology of goods irradiated by single plate source[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 1999, 13(5): 267-271(in Chinese).

[11]劉江平.60Co γ輻照加工產品劑量分布的蒙特卡羅模擬[J]. 輻射研究與輻射工藝學報,2010,28(1):57-61.

LIU Jiangping. Monte Carlo simulation for the dose mapping of products irradiated by60Co γ-ray[J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2010, 28(1): 57-61(in Chinese).

[12]KIRKIN C, MITREVSKI B, GUNES G, et al. Combined effects of gamma-irradiation and modified atmosphere packaging on quality of some spices[J]. Food Chemistry, 2014, 154(1): 255-261.

[13]MOHAMMAD H S, MARIA H O S, ANDREJ G C. Radiation treatment for sterilization of packaging materials[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2007, 76(8): 1 535-1 541.

[14]陳家華. 高劑量輻照胡椒粉對胡椒堿影響研究[J]. 食品科學,1999(10):40-41.

CHEN Jiahua. The effects of high-dose irradiation of pepper powder on piperine content[J]. Food Science, 1999(10): 40-41(in Chinese).

[15]李姣.60Co-γ射線輻照對香辛料微生物效應及品質影響的研究[D]. 廣州：華南理工大學,2010.

[16]謝宗傳,邢小黑,趙永富,等.60Co γ射線輻照大蒜色素變化的若干因素[J]. 核農學報,1999,13(5):257-260.

XIE Zongchuan, XING Xiaohei, ZHAO Yongfu, et al. Effects of different factors on plgment change of irradiated garlic[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 1999, 13(5): 257-260.

[17]張璇,何建中,李瑞軍. 輻照抑制冷藏大蒜發(fā)芽的研究[J]. 核農學報,2005,19(2):102-104.

ZHANG Xuan, HE Jianzhong, LI Ruijun. Research on sprout inhibition effect of refrigerated garlic by irradiation[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 2005, 19(2): 102-104(in Chinese).

[18]GISELA C C, MENDES M D, TERESA R S B, et al. Ethylene oxide sterilization of medical devices: A review[J]. American Journal of Infection Control, 2007, 35(9): 574-581.

[19]楊冰,張自強,季君暉,等. 無菌醫(yī)療器械的常用滅菌方法及驗證[J]. 中國醫(yī)療器械信息,2010,16(5):34-38.

YANG Bing, ZHANG Ziqiang, JI Junhui, et al. Sterilization methods and validation for aseptic medical device[J]. China Medical Device Information, 2010, 16(5): 34-38(in Chinese).

[20]朱佳廷,馮敏,嚴建民,等. 熟肉制品輻照加工HACCP體系的建立與應用[J]. 江蘇農業(yè)科學,2013,41(12):296-298.

ZHU Jiating, FENG Min, YAN Jianmin, et al. Establishment and application of HACCP system for the processing of cooked meat products by irradiation[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2013, 41(12): 296-298(in Chinese).

[21]鄧鋼橋,鄒朝暉,彭玲,等. 泡椒鳳爪微生物污染來源及輻照殺菌效果的研究[J]. 激光生物學報,2012,21(3):209-213.

DENG Gangqiao, ZOU Chaohui, PENG Ling, et al. Microbial survey during preparation processing and irradiation sterilization effect of pickled chicken’s feet[J]. Acta Laser Biology Sinica, 2012, 21(3): 209-213(in Chinese).

[22]GOPAL N G S. Radiation sterilization of pharmaceuticals and polymers[J]. Radiation Physics and Chemistry, 1977, 12(1): 35-50.

[23]鄒偉民,劉敏,顧世火,等.60Co γ射線輻照中成藥滅菌技術的研究[J]. 核農學通報,1996,17(2):70-71.

ZOU Weimin, LIU Min, GU Shihuo, et al. Research on the technology of the sterilization of Chinese patent medicine by60Co[J]. Nuclear Agriculture Bulletin, 1996, 17(2): 70-71(in Chinese).

[24]陳梅紅,陳桂松. 輻照中成藥、中藥材的殺菌效果及其成分分析[J]. 核農學報,1999,13(1):59-62.

CHEN Meihong, CHEN Guisong. The influence of irradiation on sterilization and composition of traditional Chinese medicine[J]. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 1999, 13(1): 59-62(in Chinese).

[25]HERRING C M. Radiation sterilization at American Hospital Supply Corporation[J]. Radiation Physics and Chemistry, 1977, 14(1): 55-59.

[26]邰文峰,邱岳進,石紅,等. γ射線再高分子材料輻射改性中的應用[J]. 印染助劑,2006,23(7):8-11.

TAI Wenfeng, QIU Yuejin, SHI Hong, et al. Use of γ-ray in radiant modification of macromolecules[J]. Textile Auxiliaries, 2006, 23(7): 8-11(in Chinese).

[27]魏根栓,王廣輝,哈鴻飛. 高分子材料輻射改性[J]. 核物理動態(tài),1996,13(2):54-56.

WEI Genshuan, WANG Guanghui, HA Hongfei. Study on radiation modification of polymeric materials[J]. Trends in Nuclear Physics, 1996, 13(2): 54-56(in Chinese).

[28]鄧海,楊濟活. 高聚物輻射接枝的發(fā)展及應用[J]. 輻射研究與輻射工藝學報,1998,16(2):65-69.

DENG Hai, YANG Jihuo. Development and application of radiation grafting of high polymers[J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 1998, 16(2): 65-69(in Chinese).