電子束輻射技術應用研究及發展前景

杜方嶺 王志芬 王守經 胡 鵬 張奇志

摘 要:近幾年來電子束輻射技術越來越受到人們的重視。結合國內對該領域的研究和應用情況,綜合分析了電子束輻射技術的特點、研究現狀和發展前景。

關鍵詞:電子束輻射技術;加速器;發展前景

中圖分類號:TL99 文獻標識號:A 文章編號:1001-4942(2009)12-0102-03

目前輻照加工設備主要有兩種,一種是利用鈷-60或銫-137等γ輻射源的輻照裝置,另一種是利用電子加速器產生一定能量電子束的輻照裝置,分別被稱為γ輻照裝置和電子加速器輻照裝置。在我國γ輻射加工技術已經有50多年的研究和應用歷史,工藝技術成熟,基本實現了商業化應用,而電子束輻射加工技術是20世紀90年代以來才被廣泛關注的高新技術,基礎研究還相當薄弱[1],但近年來該技術的發展勢頭迅猛,呈現出了廣闊的發展前景[2]。本文就目前我國該技術領域的研究和應用情況進行了綜述分析。

1 電子束輻射技術的特點

1.1 電子束的特點

與γ射線相比電子束具有以下優勢和特點:(1)可利用的能區寬。用戶可以根據需要設計制造多能區可轉換或單能區的專業設備。(2)電子流聚束性能好。加速器產生的電子束集中,方向一致,可以產生更高的劑量率。(3)能量利用率高,一般在60%左右。電子束在照射物品時,其能量可以均勻地分布在被照射的區域內,幾乎全部被吸收。(4)操作簡單,使用安全,除消耗電能外不再產生其它對環境的污染隱患。(5)高能電子束可以轉化為穿透能力更強的X射線。

1.2 高能電子束與γ射線的區別

由于來源不同,電子束和γ射線在許多方面存在著很大的差別(見表1)。

2 電子束輻射技術的應用領域[3,4]

2.1 輻射化工

電子束輻射技術在化工領域的應用,主要集中在電線電纜的輻射交聯、熱收縮材料、橡膠產品的輻射預硫化處理、發泡材料輻射交聯、電池隔膜、涂料的輻射固化處理等方面。

2.2 輻射消毒、殺菌

在農產品和食品輻照加工、谷物的輻射殺蟲貯藏、醫療用品消毒處理、植物性產品的進出口檢疫等方面,電子束輻射技術具有明顯的技術優勢,該領域已經成為最近幾年國內外研究的熱點。

2.3 環保技術

將電子束輻射技術與傳統的化學、生物治污技術相結合,研發新的污水處理、醫療垃圾無害化處理、煙道氣脫硫脫硝綜合處理技術等,在國內外已經取得了一批技術成果,部分已經應用于工業化生產。

2.4 輻射誘變育種

電子束輻射誘變育種和創新農作物種質還是一個嶄新的領域,國內外的基礎性研究非常少。從目前僅有的研究結果看,它是一種高效的農作物育種技術手段。

3 電子束輻射技術的研究現狀

3.1 農產品、食品貯藏加工應用研究

農產品、食品輻照貯藏加工技術是安全有效的綠色加工技術,在該應用領域電子加速器輻射技術比傳統的鈷源輻射技術具有更強的綜合技術優勢,因此,它的研究和應用也備受學者的關注。李淑榮等(2004)[5]研究發現,采用518 Gy以上劑量輻照赤擬谷盜的成蟲,在4周后死亡率達到100%。對小麥和稻谷的研究證明1 kGy劑量的電子束輻照處理,不會對其營養品質和加工特性造成顯著影響。丘泉發等研究發現,利用低劑量的電子束輻照荔枝,可以推遲成熟3～7 d。采用0.04 kGy劑量電子束輻照大蒜,可以抑制發芽[6]。另外,在檢疫害蟲的輻照處理技術、小包裝方便食品的輻照加工等方面也做了一些研究工作,取得了很好的效果[7]。

3.2 農作物育種應用研究

截至目前,我國利用電子(束)輻射技術已經誘變選育成功3個禾谷類作物品種[8],還進行了部分作物的電子束輻射敏感性研究。郭寶江等(1982)[9]用5 MeV電子束輻射水稻研究發現,電子輻射引起的輻射損傷輕、誘變效率較高、變異譜較廣。安道昌等在冬小麥、張燕凌等在春小麥上的研究發現,高能電子束對這兩種作物誘變的生物學效應要高于中子和γ射線。陸偉等(1995)[10]對高粱干種子的研究發現,高能電子束的輻射效應或M1代的田間株型變化均高于γ射線,并確定了白粒品種的適宜劑量為30～50 Gy,紅粒品種100～150 Gy。舒慶堯等(1996)[11]對水稻的研究發現,萌動種子的適宜劑量是50 Gy,干種子的適宜劑量是150 Gy,并出現了小花不育的現象。汪麗虹等(1995)[12]發現,55 keV加速電子束輻照枸杞種子引起了非按期DNA的合成,而對其產生的損傷程度要比7 MeV 16O6+重離子產生的損傷要大。芮靜宜等(1995)[13]的研究發現,電子束對大麥干種子的誘變適宜劑量為100～200 Gy,M2代的突變率達到0.276%～3.84%,除了出現多種葉綠素變異類型外,還出現了許多形態和生理習性突變。

研究發現電子束輻射誘變具有輻射損傷低、誘發變異頻率高、變異譜廣等特點,是具有很大發展潛力的新誘變源。

3.3 輻射化工

國內利用加速器輻射技術進行化工材料的生產和改性,已經取得了許多技術成果,有的已經實現了大規模應用。俎建華等系統研究了一步法輻射接枝制備磺酸型離子交換膜的各種工藝條件,并將結果應用于新型動力電池隔膜的研制。劉振灝等(1995)[14]研究發現將磁鐵技術應用于電子束輻照電線電纜的束下工藝,可以提高束流利用率,改善輻照均勻性。孫大寬對電子束輻射固化樹脂基復合材料進行了研究,發現對子午線輪胎采用電子束輻照預硫化工藝,不但可以大大提高天然橡膠的分子交聯強度,還能夠節約10%的天然橡膠用量,節約能源,保護環境。另外,電子束輻射技術在熱收縮材料、發泡塑料、高性能印染助劑、納米材料的生產技術等方面也進行了大量的研究和應用[3]。

3.4 新型環保技術的研發及應用

電子束輻射技術在環保方面的應用一直備受關注,大量的研究發現電子束輻照處理在“三廢”治理方面具有突出的技術優勢。中國科學院上海應用物理研究所進行了電子束輻射處理環境污染的研究,發現4～10 kGy的劑量與1%的O3結合,能夠大大提高SO2和NOx(氮氧化物)的脫除效率,并研制成功了束能量在0.7～0.8 MeV 、束流強度為140～160 mA的高功率專用設備。田揚捷等(2002)[15]研究認為輻射處理后的煙道氣,還可以生產硫酸銨和硝酸銨。單張生、劉下國等認為電子束輻射處理可以殺滅各類污水、污泥中的致病微生物和寄生蟲,還能夠分解苯酚、氧化苯酚和高分子材料等有害有機物[16,17]。與傳統的填埋、投海、焚燒等處理方法相比,輻照處理“三廢”不會造成環境的二次污染,符合我國經濟的可持續性發展戰略。目前我國已在成都和杭州等地建立了電子束煙道氣凈化處理示范裝置。

4 電子束輻射技術的發展前景

4.1 谷物的輻射殺蟲貯藏

目前我國的谷物貯藏仍采用傳統的藥物熏蒸法防殺害蟲,不但會產生藥物殘留,影響谷物的食用安全性,還會產生對環境的污染,誘發害蟲的抗藥性[18]。大量的研究發現,電子束輻射處理谷物殺蟲徹底,具有全相性,不會造成對產品和環境的污染,能夠很好地保持谷物的營養品質和加工特性,是具有廣闊發展空間和應用前景的綠色貯糧技術。

4.2 方便食品的輻射殺菌

方便食品是一類開包即可食用的產品,衛生質量的好壞會嚴重影響其自身的食用安全性,甚至會危及消費者的生命安全。大量的研究證明,電子束輻射處理能夠有效地殺滅這類產品中的污染微生物,特別是一些致病菌(如大腸桿菌、沙門氏菌等),能夠在確保食用品質和風味的條件下,大大提高產品的衛生質量。

4.3 進出口產品的輻射檢疫處理

隨著世界經濟一體化發展的不斷深入,我國進出口商品的數量和品種迅速增長,檢疫害蟲的防范壓力也隨之大幅度增加。充分發揮高能電子束輻射處理全相殺蟲的特點,展開對植物及植物性產品中檢疫害蟲的輻射技術研究,并盡快建立相關的國家標準,對于保護我國的物種安全具有重要的戰略意義。

4.4 特種電線電纜的輻射加工技術

核電站、軌道交通、海底電纜和高壓輸電技術的迅速發展,對于電線電纜的性能提出了非常高的要求。通過對基料和加工技術工藝的研究,開發生產具有特種性能的線纜,以滿足以上行業發展的需要,在該領域電子束輻射技術具有非常突出的技術優勢和廣闊的發展空間。

參 考 文 獻:

[1] 施培新.食品輻照加工原理與技術[M].北京:中國農業出版社,2004,1-9.

[2] 哈益明,施惠棟,王 鋒,等.電子束食品輻照的研究現狀與應用特點[J].核農學報,2007,21(1):61-64.

[3] 趙文彥,潘秀苗.輻射加工技術及其應用[M].北京:兵器工業出版社,2003,70-248.

[4] 李承華.輻射技術基礎[M].北京:原子能出版社,1988,190-212.

[5] 李淑榮,王殿軒.電子束對赤擬谷盜輻照效應的試驗研究[J].鄭州工程學院學報,2004,25(2):26-28.

[6] 單張生,崔來登.電子束輻照食品保鮮的近況和展望[J].核農學報,2001,15(2):125-128.

[7] 李 牧,邢增濤,馮志勇,等.電子束輻照在農產品貯藏保鮮中的應用[J].激光生物學報, 2007,16(5):640-643.

[8] 溫賢芳.中國核農學[M].鄭州:河南科學技術出版社,1999,647-650.

[9] 郭寶江,伍育源,阮繼紅.5MeV電子輻射對水稻誘變效應的研究[J].遺傳學報, 1982,9(6):461-467.

[10]陸 偉,蘇益民,宋高友.電子束與γ射線輻照高粱種子M1代效應的比較研究[J].核農學通報,1995,16(4):160-163.

[11]舒慶堯,李文海,夏英武,等.電子束注入水稻M1代生物效應初步研究[J].核農學通報,1996,17(4):162-164.

[12]汪麗虹,王崇英,楊漢民.55keV加速電子束和7MeV 16O6+離子束輻照枸杞種子后的非按期DNA合成[J].核農學報,1995,9(2):91-94.

[13]芮靜宜,金加蘭,馬新生.電子束對大麥的誘變效應研究Ⅰ—對M1和M2的效應[J].輻射研究與輻射工藝學報,1995,13(1):33-37.

[14]劉振灝,周知明,葛寶全.電子束輻照交聯電線中束下工藝的研究[J].輻射研究與輻射工藝學報,1995,13(1):16-23.

[15]田揚捷,晏乃強.輻射技術在環境污染治理中的應用[J].上海環境科學,2002,21(9):557-560.

[16]單張生.NBL-1010型電子加速器的輻照應用[J].核農學報,2000,14(6):353-358.

[17]劉下國,鄭 正,宋衛華.電子束輻照法在水處理中的應用[J].工業水處理,2002,22(2):4-7.

[18]譚華業,黃 斌,楊景田,等.電子束輻照技術在糧食領域的研究應用[J].糧油倉儲科技通訊,2005,2:12-14.