電子加速器輻射加工原理、應(yīng)用及檢測(cè)研究

摘 要：電子束輻射技術(shù)作為一種高新技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于固體物理、材料科學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。文章對(duì)電子束輻射技術(shù)的原理及應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，并對(duì)輻射檢測(cè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：電子束；輻射；電子加速器

電子束輻射加工技術(shù)，是利用電子加速器（0.2MeV～10MeV）產(chǎn)生的高能電子束，對(duì)被輻射物質(zhì)進(jìn)行加工處理。這種技術(shù)自從被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以后發(fā)展迅速，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。它有別于傳統(tǒng)的機(jī)械加工和熱加工技術(shù)，因而被譽(yù)為人類加工技術(shù)的第三次革命[2]，其特點(diǎn)是電子加速器發(fā)生的電子束有很強(qiáng)的穿透能力，可深入到物質(zhì)分子內(nèi)進(jìn)行“加工”，這種“加工”在常溫下進(jìn)行，對(duì)被輻射物質(zhì)的作用在于抑制發(fā)芽、延緩呼吸、殺蟲(chóng)滅菌、檢疫處理等。由于加工者是高能射線以及由它引發(fā)的高度活性中間物，而不是分子熱運(yùn)動(dòng)，能耗低、無(wú)殘留物、無(wú)環(huán)保問(wèn)題。因此電子束輻射技術(shù)是清潔的加工技術(shù)，而且其反應(yīng)易于控制，加工流程簡(jiǎn)單，適合產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)。例如，使高分子材料分別實(shí)現(xiàn)接枝、聚合、裂變或交聯(lián)，抑制或刺激生物生長(zhǎng)，有效地殺滅害蟲(chóng)、蟲(chóng)卵、病菌等。

1 高能電子束產(chǎn)生及輻射加工原理

高能電子束的電子由電子槍產(chǎn)生，電子槍的陰極發(fā)射出電子，不斷產(chǎn)生的電子匯聚在一起在高壓電場(chǎng)的作用下速度被提高至0.3～0.7倍的光速。通常電子束的直徑為1～1.5cm，根據(jù)需要的不同，或利用電磁透鏡匯聚成更細(xì)的束流，或利用掃描裝置擴(kuò)展成扇面束流。高能電子束與物質(zhì)的相互作用，被處理的材料產(chǎn)生電離或者激發(fā)，形成自由基，自由基或者其他激活態(tài)基團(tuán)能構(gòu)成新的分子形式。電子束輻射加工原理在于破壞化學(xué)鍵的同時(shí)伴隨生成新的化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)物分解或者原子錯(cuò)位等。作為一種加工過(guò)程，電子束處理的基本效應(yīng)是引起物理效應(yīng)，以及化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。

2 電子束輻射加工技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工業(yè)中的應(yīng)用

2.1.1 輻射加工

輻射加工包括輻射交聯(lián)、輻射固化、輻射硫化、輻射降解及輻射接枝改性。

輻射交聯(lián)是利用電子束輻射在高分子聚合物長(zhǎng)鏈之間形成化學(xué)鍵，從而使聚合物的物理性能、化學(xué)性能獲得改善并有可能引入新性能的技術(shù)手段。利用輻射交聯(lián)技術(shù)生產(chǎn)的一大類產(chǎn)品是具有特殊“記憶效應(yīng)”的熱收縮材料，另一大類產(chǎn)品是輻射交聯(lián)的電線電纜。

輻射固化是一種借助照射方法實(shí)現(xiàn)化學(xué)配方（涂料、油墨和膠黏劑）由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的加工過(guò)程。具有固化速度快、表面均一、能耗低、不使用化學(xué)溶劑等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保的固化方法，幾乎涵蓋所有的印刷工藝。

輻射硫化是高能電子束在橡膠基體中激活橡膠分子，產(chǎn)生橡膠大分子自由基，使橡膠大分子交聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]。它避免了傳統(tǒng)的化學(xué)熱硫化由于使用的交聯(lián)劑在基材內(nèi)部分布不均而造成交聯(lián)不均勻，以及溫度梯度的影響造成的材料性能下降的缺點(diǎn)，非常適合用于載重汽車輪胎、密封圈以及長(zhǎng)期使用于戶外的橡膠產(chǎn)品。

輻射降解是指在輻射作用下，高分子聚合物發(fā)生主鏈斷裂的情況。輻射降解技術(shù)主要應(yīng)用于廢舊塑料的處理及橡膠制品的再生利用。

輻射接枝改性是研制各種性能優(yōu)異的新材料，或?qū)υ胁牧线M(jìn)行輻射改性的有效手段之一。由于輻射接枝不需要向體系添加引發(fā)劑，可得到非常純的接枝聚合物，是合成醫(yī)用高分子材料的有效方法。

2.1.2 無(wú)損檢測(cè)

電子束在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用是利用高能電子束對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行轟擊所產(chǎn)生的X射線，在不損傷和不破壞材料、制品和構(gòu)建的情況下，檢測(cè)出它們內(nèi)部的情況判別內(nèi)部有無(wú)缺陷的技術(shù)。由于具有穿透本領(lǐng)和靈敏度高，作為一種最終檢查手段在大型鑄鍛焊件、大型壓力容器、反應(yīng)堆壓力殼、火箭的固體燃料等公建的質(zhì)量控制中得到廣泛的應(yīng)用。

2.1.3 表面技術(shù)

電子束加工技術(shù)在表面技術(shù)中的應(yīng)用主要分為兩大類。一類是電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)。它是利用高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊沉積材料表面，使材料升溫變成蒸氣而凝聚在基體材料表面的一種表面加工工藝，廣泛應(yīng)用于航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)，工模具涂層，防腐涂層，熱障涂層等工業(yè)領(lǐng)域。另一類是電子束表面改性技術(shù)。由于電子束加工技術(shù)在使用過(guò)程中可以較靈活地調(diào)節(jié)加熱面積、加熱區(qū)域以及材料表面的能量密度，電子束的能量利用率可以高達(dá)95%，并且電子束在材料表面的作用范圍僅為0.01～0.2mm，因此，利用電子束對(duì)材料表層進(jìn)行加熱，可以達(dá)到所需溫度或使材料熔化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面的改性，以滿足材料表面的摩擦磨損、耐腐蝕和高溫使用性能等要求。其主要分類有電子束表面淬火、電子束表面合金化和熔敷、制造非晶態(tài)表面及電子束表面熔凝處理。

2.2 農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.2.1 輻射育種

輻射育種主要利用高能電子改變農(nóng)作物遺傳特性，使其沿優(yōu)化方向發(fā)展，通過(guò)輻射誘變選育良種，在提高單畝產(chǎn)量、改進(jìn)品質(zhì)、縮短生長(zhǎng)期和增強(qiáng)抗逆性起到顯著作用。利用電子束對(duì)農(nóng)作物種子的刺激效應(yīng)能夠使農(nóng)作物產(chǎn)量明顯提高，有研究顯示1～12kGy的電子束輻射對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量刺激效果明顯，最高增產(chǎn)幅度達(dá)到91.8%[4]。而適當(dāng)?shù)妮椛鋭┝繉?duì)馬鈴薯的品質(zhì)也有影響，低劑量電子束照射，能夠提高其淀粉與還原糖含量。

2.2.2 輻射保鮮滅菌

根據(jù)蒙特利爾公約，到2005年要在全球范圍內(nèi)禁止使用溴甲烷，因此在農(nóng)產(chǎn)品、食品領(lǐng)域采取加速器輻射殺蟲(chóng)、滅菌代替原有的化學(xué)熏蒸法，得到了迅速的發(fā)展。輻射保鮮滅菌技術(shù)是利用電離輻射產(chǎn)生的γ、β、x射線及電子束對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工處理，以達(dá)到保鮮滅菌目的的一種方法[5]。這些高能射線能使微生物發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，從而抑制其呼吸作用、內(nèi)源乙烯的產(chǎn)生、過(guò)氧化酶等酶活性，抑制發(fā)芽，殺滅害蟲(chóng)及寄生蟲(chóng)，防止腐爛，以延長(zhǎng)產(chǎn)品的貯藏時(shí)間[6]。南京輻照中心劉踐等在電子束輻照榨菜研究中發(fā)現(xiàn)，天然榨菜經(jīng)電子束（8MeV）3kGy輻照，在南京地區(qū)9～10月常溫（20～25℃）下保質(zhì)期提高至3個(gè)月。輻照榨菜的衛(wèi)生指標(biāo)、感觀指標(biāo)、全N以及Pb、Hg、As的含量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輻照對(duì)榨菜氨基酸，粗纖維含量無(wú)顯著影響[7]。

2.3 醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用

2.3.1 放射治療

用于惡性腫瘤的放射治療的醫(yī)用加速器是當(dāng)今世界范圍內(nèi)，在加速器的各種應(yīng)用領(lǐng)域中數(shù)量最大、技術(shù)最為成熟的一種。對(duì)許多癌癥病人而言，放射治療是必須使用的治療方法，大約70%的癌癥病人在治療癌癥的過(guò)程中需要放射治療，約有40%的癌癥可以用放療根治。

2.3.2 醫(yī)用同位素生產(chǎn)

目前已確定作為臨床使用的80種醫(yī)用同位素，三分之二是由電子加速器生產(chǎn)的，廣泛的應(yīng)用于診斷疾病和治療腫瘤，尤其是缺中子短壽命同位素只能利用加速器生產(chǎn)。

2.3.3 輻射對(duì)中藥材提取率的影響

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院靳振召等[8]在貫葉金絲桃的電子束輻射殺菌研究中發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組（0劑量）相比，8.5kGy時(shí)，金絲桃素含量增加顯著（P<0.05），在10.0kGy的輻射劑量下，金絲桃素含量增加極顯著（P<0.01）。

3 輻射食品的安全性

電子加速器產(chǎn)生的電子束與60Co-γ射線的最大區(qū)別在于，其產(chǎn)生的電離射線由高能電場(chǎng)中電子躍級(jí)而形成的，于放射性元素產(chǎn)生的射線來(lái)說(shuō)，更利于大眾接受。但輻射后的食品安全性仍然值得關(guān)注。例如維生素是對(duì)輻射穩(wěn)定性較差的一種營(yíng)養(yǎng)成分，維生素輻射后的損失主要受本身結(jié)構(gòu)與輻射劑量的影響，其中維生素B1和維生素C是所有維生素中最敏感的兩種。因此，嚴(yán)格控制輻射劑量是保證輻射食品安全的首要手段，同時(shí)也應(yīng)將檢測(cè)輻射食品的輻射劑量及殘留輻射量作為監(jiān)督輻射食品的一種行政手段。

4 輻射食品的檢測(cè)方法

輻射食品的檢測(cè)主要基于輻射處理食品能夠引起食品中某些物質(zhì)的細(xì)微變化，包括：分子激發(fā)或電離（損失電子）、化學(xué)鍵破裂、產(chǎn)生有極端活性的自由基、微生物跡象，由于自由基或者化學(xué)鍵的進(jìn)一步反應(yīng)，產(chǎn)生新的輻解產(chǎn)物[9]。目前常用的檢測(cè)方法主要有以下幾種：

4.1 熱釋光分析法（TL）

吸附有硅酸鹽的食品在輻射的過(guò)程中儲(chǔ)存的能量，通過(guò)控制加熱分離出來(lái)的硅酸鹽，測(cè)定其熱釋光的強(qiáng)度，可以判斷是否經(jīng)過(guò)輻射。此法廣泛使用于檢測(cè)草藥、香辛料、水果、蔬菜、貝類水產(chǎn)及谷物，具有檢測(cè)準(zhǔn)確靈敏，檢出限小于1kGy，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)年不衰減的優(yōu)點(diǎn)。

4.2 電子自旋共振光譜檢測(cè)法（ERS）

食品經(jīng)過(guò)電離輻射后會(huì)生成一定數(shù)量的自由基，通過(guò)檢測(cè)自由基判定食品是否經(jīng)過(guò)輻射的方法稱為ERS法。一般情況下，輻射產(chǎn)生的自由基壽命很短，尤其在液態(tài)情況下更不穩(wěn)定，因此，該方法適用于干燥或固態(tài)食品，如骨頭、纖維素等。

4.3 激光成像檢測(cè)法（PSL）

通過(guò)激光致使輻射食品中的礦物質(zhì)釋放輻射積累的電荷轉(zhuǎn)化成光量子而產(chǎn)生激發(fā)光譜，檢測(cè)PSL信號(hào)即可判斷食品是否經(jīng)過(guò)輻射。該法具有快速、樣品無(wú)需進(jìn)行前處理、可重復(fù)測(cè)量的特點(diǎn)，但應(yīng)注意同一樣品多次測(cè)量會(huì)使PSL信號(hào)減弱。

4.4 細(xì)菌內(nèi)毒素/革蘭氏陰性微生物篩選法（LAL/GNB）

食品經(jīng)過(guò)一定劑量的輻射后，活的革蘭氏陰性菌基本會(huì)被殺死，產(chǎn)生大量的細(xì)菌內(nèi)毒素。通過(guò)對(duì)細(xì)菌內(nèi)毒素的測(cè)定和革蘭氏陰性菌的培養(yǎng)計(jì)數(shù)可以估算食品中死的G-總數(shù)和活的G-總數(shù)。如果兩者差異很大，說(shuō)明該食品可能經(jīng)過(guò)輻射處理。

4.5 DNA裂解產(chǎn)物檢測(cè)法

電離輻射能夠?qū)е翫NA斷裂，從而產(chǎn)生大量的單鏈和雙鏈的DNA片段。由此產(chǎn)生的DNA裂解物可作為輻射處理的標(biāo)記物，使用微凝膠電泳方法檢測(cè)。此方法僅為一種篩選試驗(yàn)，篩選結(jié)果需要用另一種特定的技術(shù)手段鑒定。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的不斷發(fā)展，電子束輻射技術(shù)已由傳統(tǒng)的工業(yè)行業(yè)向農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、微電子行業(yè)縱深發(fā)展，近年來(lái)更在環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著積極的作用。新技術(shù)的深度發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)張帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)產(chǎn)值，但更值得研究者關(guān)注的應(yīng)該是如何科學(xué)、安全、高效并且可持續(xù)性發(fā)展地利用這項(xiàng)技術(shù)，使之更好的為社會(huì)生產(chǎn)及人類發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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