電子加速器輻射加工原理、應用及檢測研究

摘 要：電子束輻射技術作為一種高新技術，現(xiàn)已被廣泛應用于固體物理、材料科學、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。文章對電子束輻射技術的原理及應用進行了簡要的概述，并對輻射檢測研究現(xiàn)狀進行探討。

關鍵詞：電子束；輻射；電子加速器

電子束輻射加工技術，是利用電子加速器（0.2MeV～10MeV）產(chǎn)生的高能電子束，對被輻射物質(zhì)進行加工處理。這種技術自從被應用于農(nóng)業(yè)領域以后發(fā)展迅速，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益[1]。它有別于傳統(tǒng)的機械加工和熱加工技術，因而被譽為人類加工技術的第三次革命[2]，其特點是電子加速器發(fā)生的電子束有很強的穿透能力，可深入到物質(zhì)分子內(nèi)進行“加工”，這種“加工”在常溫下進行，對被輻射物質(zhì)的作用在于抑制發(fā)芽、延緩呼吸、殺蟲滅菌、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，而不是分子熱運動，能耗低、無殘留物、無環(huán)保問題。因此電子束輻射技術是清潔的加工技術，而且其反應易于控制，加工流程簡單，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現(xiàn)接枝、聚合、裂變或交聯(lián)，抑制或刺激生物生長，有效地殺滅害蟲、蟲卵、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的束流，或利用掃描裝置擴展成扇面束流。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)基團能構成新的分子形式。電子束輻射加工原理在于破壞化學鍵的同時伴隨生成新的化學反應，有機物分解或者原子錯位等。作為一種加工過程，電子束處理的基本效應是引起物理效應，以及化學結構的變化。

2 電子束輻射加工技術的應用

2.1 工業(yè)中的應用

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鏈之間形成化學鍵，從而使聚合物的物理性能、化學性能獲得改善并有可能引入新性能的技術手段。利用輻射交聯(lián)技術生產(chǎn)的一大類產(chǎn)品是具有特殊“記憶效應”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現(xiàn)化學配方（涂料、油墨和膠黏劑）由液態(tài)轉化為固態(tài)的加工過程。具有固化速度快、表面均一、能耗低、不使用化學溶劑等優(yōu)點，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)狀結構[3]。它避免了傳統(tǒng)的化學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，非常適合用于載重汽車輪胎、密封圈以及長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。輻射降解技術主要應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 無損檢測

電子束在無損檢測中的應用是利用高能電子束對目標靶進行轟擊所產(chǎn)生的X射線，在不損傷和不破壞材料、制品和構建的情況下，檢測出它們內(nèi)部的情況判別內(nèi)部有無缺陷的技術。由于具有穿透本領和靈敏度高，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用。

2.1.3 表面技術

電子束加工技術在表面技術中的應用主要分為兩大類。一類是電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術。它是利用高速運動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，廣泛應用于航空、航天發(fā)動機，工模具涂層，防腐涂層，熱障涂層等工業(yè)領域。另一類是電子束表面改性技術。由于電子束加工技術在使用過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，利用電子束對材料表層進行加熱，可以達到所需溫度或使材料熔化，從而實現(xiàn)對材料表面的改性，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，通過輻射誘變選育良種，在提高單畝產(chǎn)量、改進品質(zhì)、縮短生長期和增強抗逆性起到顯著作用。利用電子束對農(nóng)作物種子的刺激效應能夠使農(nóng)作物產(chǎn)量明顯提高，有研究顯示1～12kGy的電子束輻射對馬鈴薯的產(chǎn)量刺激效果明顯，最高增產(chǎn)幅度達到91.8%[4]。而適當?shù)妮椛鋭┝繉︸R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、食品領域采取加速器輻射殺蟲、滅菌代替原有的化學熏蒸法，得到了迅速的發(fā)展。輻射保鮮滅菌技術是利用電離輻射產(chǎn)生的γ、β、x射線及電子束對產(chǎn)品進行加工處理，以達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、化學反應，從而抑制其呼吸作用、內(nèi)源乙烯的產(chǎn)生、過氧化酶等酶活性，抑制發(fā)芽，殺滅害蟲及寄生蟲，防止腐爛，以延長產(chǎn)品的貯藏時間[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個月。輻照榨菜的衛(wèi)生指標、感觀指標、全N以及Pb、Hg、As的含量均符合國家標準，輻照對榨菜氨基酸，粗纖維含量無顯著影響[7]。

2.3 醫(yī)療衛(wèi)生中的應用

2.3.1 放射治療

用于惡性腫瘤的放射治療的醫(yī)用加速器是當今世界范圍內(nèi)，在加速器的各種應用領域中數(shù)量最大、技術最為成熟的一種。對許多癌癥病人而言，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 輻射對中藥材提取率的影響

甘肅農(nóng)業(yè)大學動物醫(yī)學院靳振召等[8]在貫葉金絲桃的電子束輻射殺菌研究中發(fā)現(xiàn)，與對照組（0劑量）相比，8.5kGy時，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中電子躍級而形成的，于放射性元素產(chǎn)生的射線來說，更利于大眾接受。但輻射后的食品安全性仍然值得關注。例如維生素是對輻射穩(wěn)定性較差的一種營養(yǎng)成分，維生素輻射后的損失主要受本身結構與輻射劑量的影響，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，嚴格控制輻射劑量是保證輻射食品安全的首要手段，同時也應將檢測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 輻射食品的檢測方法

輻射食品的檢測主要基于輻射處理食品能夠引起食品中某些物質(zhì)的細微變化，包括：分子激發(fā)或電離（損失電子）、化學鍵破裂、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鍵的進一步反應，產(chǎn)生新的輻解產(chǎn)物[9]。目前常用的檢測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程中儲存的能量，通過控制加熱分離出來的硅酸鹽，測定其熱釋光的強度，可以判斷是否經(jīng)過輻射。此法廣泛使用于檢測草藥、香辛料、水果、蔬菜、貝類水產(chǎn)及谷物，具有檢測準確靈敏，檢出限小于1kGy，檢測信號經(jīng)數(shù)年不衰減的優(yōu)點。

4.2 電子自旋共振光譜檢測法（ERS）

食品經(jīng)過電離輻射后會生成一定數(shù)量的自由基，通過檢測自由基判定食品是否經(jīng)過輻射的方法稱為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 激光成像檢測法（PSL）

通過激光致使輻射食品中的礦物質(zhì)釋放輻射積累的電荷轉化成光量子而產(chǎn)生激發(fā)光譜，檢測PSL信號即可判斷食品是否經(jīng)過輻射。該法具有快速、樣品無需進行前處理、可重復測量的特點，但應注意同一樣品多次測量會使PSL信號減弱。

4.4 細菌內(nèi)毒素/革蘭氏陰性微生物篩選法（LAL/GNB）

食品經(jīng)過一定劑量的輻射后，活的革蘭氏陰性菌基本會被殺死，產(chǎn)生大量的細菌內(nèi)毒素。通過對細菌內(nèi)毒素的測定和革蘭氏陰性菌的培養(yǎng)計數(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，說明該食品可能經(jīng)過輻射處理。

4.5 DNA裂解產(chǎn)物檢測法

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記物，使用微凝膠電泳方法檢測。此方法僅為一種篩選試驗，篩選結果需要用另一種特定的技術手段鑒定。

5 結束語

隨著科技的不斷發(fā)展，電子束輻射技術已由傳統(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，近年來更在環(huán)境保護方面發(fā)揮著積極的作用。新技術的深度發(fā)展及應用領域的擴張帶來了可觀的經(jīng)濟效益和工業(yè)產(chǎn)值，但更值得研究者關注的應該是如何科學、安全、高效并且可持續(xù)性發(fā)展地利用這項技術，使之更好的為社會生產(chǎn)及人類發(fā)展做出貢獻。

參考文獻

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