电子束辐射技术应用研究及发展前景

杜方岭 王志芬 王守经 胡 鹏 张奇志

摘 要:近几年来电子束辐射技术越来越受到人们的重视。结合国内对该领域的研究和应用情况,综合分析了电子束辐射技术的特点、研究现状和发展前景。

关键词:电子束辐射技术;加速器;发展前景

中图分类号:TL99 文献标识号:A 文章编号:1001-4942(2009)12-0102-03

目前辐照加工设备主要有两种,一种是利用钴-60或铯-137等γ辐射源的辐照装置,另一种是利用电子加速器产生一定能量电子束的辐照装置,分别被称为γ辐照装置和电子加速器辐照装置。在我国γ辐射加工技术已经有50多年的研究和应用历史,工艺技术成熟,基本实现了商业化应用,而电子束辐射加工技术是20世纪90年代以来才被广泛关注的高新技术,基础研究还相当薄弱[1],但近年来该技术的发展势头迅猛,呈现出了广阔的发展前景[2]。本文就目前我国该技术领域的研究和应用情况进行了综述分析。

1 电子束辐射技术的特点

1.1 电子束的特点

与γ射线相比电子束具有以下优势和特点:(1)可利用的能区宽。用户可以根据需要设计制造多能区可转换或单能区的专业设备。(2)电子流聚束性能好。加速器产生的电子束集中,方向一致,可以产生更高的剂量率。(3)能量利用率高,一般在60%左右。电子束在照射物品时,其能量可以均匀地分布在被照射的区域内,几乎全部被吸收。(4)操作简单,使用安全,除消耗电能外不再产生其它对环境的污染隐患。(5)高能电子束可以转化为穿透能力更强的X射线。

1.2 高能电子束与γ射线的区别

由于来源不同,电子束和γ射线在许多方面存在着很大的差别(见表1)。

2 电子束辐射技术的应用领域[3,4]

2.1 辐射化工

电子束辐射技术在化工领域的应用,主要集中在电线电缆的辐射交联、热收缩材料、橡胶产品的辐射预硫化处理、发泡材料辐射交联、电池隔膜、涂料的辐射固化处理等方面。

2.2 辐射消毒、杀菌

在农产品和食品辐照加工、谷物的辐射杀虫贮藏、医疗用品消毒处理、植物性产品的进出口检疫等方面,电子束辐射技术具有明显的技术优势,该领域已经成为最近几年国内外研究的热点。

2.3 环保技术

将电子束辐射技术与传统的化学、生物治污技术相结合,研发新的污水处理、医疗垃圾无害化处理、烟道气脱硫脱硝综合处理技术等,在国内外已经取得了一批技术成果,部分已经应用于工业化生产。

2.4 辐射诱变育种

电子束辐射诱变育种和创新农作物种质还是一个崭新的领域,国内外的基础性研究非常少。从目前仅有的研究结果看,它是一种高效的农作物育种技术手段。

3 电子束辐射技术的研究现状

3.1 农产品、食品贮藏加工应用研究

农产品、食品辐照贮藏加工技术是安全有效的绿色加工技术,在该应用领域电子加速器辐射技术比传统的钴源辐射技术具有更强的综合技术优势,因此,它的研究和应用也备受学者的关注。李淑荣等(2004)[5]研究发现,采用518 Gy以上剂量辐照赤拟谷盗的成虫,在4周后死亡率达到100%。对小麦和稻谷的研究证明1 kGy剂量的电子束辐照处理,不会对其营养品质和加工特性造成显著影响。丘泉发等研究发现,利用低剂量的电子束辐照荔枝,可以推迟成熟3～7 d。采用0.04 kGy剂量电子束辐照大蒜,可以抑制发芽[6]。另外,在检疫害虫的辐照处理技术、小包装方便食品的辐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 农作物育种应用研究

截至目前,我国利用电子(束)辐射技术已经诱变选育成功3个禾谷类作物品种[8],还进行了部分作物的电子束辐射敏感性研究。郭宝江等(1982)[9]用5 MeV电子束辐射水稻研究发现,电子辐射引起的辐射损伤轻、诱变效率较高、变异谱较广。安道昌等在冬小麦、张燕凌等在春小麦上的研究发现,高能电子束对这两种作物诱变的生物学效应要高于中子和γ射线。陆伟等(1995)[10]对高粱干种子的研究发现,高能电子束的辐射效应或M1代的田间株型变化均高于γ射线,并确定了白粒品种的适宜剂量为30～50 Gy,红粒品种100～150 Gy。舒庆尧等(1996)[11]对水稻的研究发现,萌动种子的适宜剂量是50 Gy,干种子的适宜剂量是150 Gy,并出现了小花不育的现象。汪丽虹等(1995)[12]发现,55 keV加速电子束辐照枸杞种子引起了非按期DNA的合成,而对其产生的损伤程度要比7 MeV 16O6+重离子产生的损伤要大。芮静宜等(1995)[13]的研究发现,电子束对大麦干种子的诱变适宜剂量为100～200 Gy,M2代的突变率达到0.276%～3.84%,除了出现多种叶绿素变异类型外,还出现了许多形态和生理习性突变。

研究发现电子束辐射诱变具有辐射损伤低、诱发变异频率高、变异谱广等特点,是具有很大发展潜力的新诱变源。

3.3 辐射化工

国内利用加速器辐射技术进行化工材料的生产和改性,已经取得了许多技术成果,有的已经实现了大规模应用。俎建华等系统研究了一步法辐射接枝制备磺酸型离子交换膜的各种工艺条件,并将结果应用于新型动力电池隔膜的研制。刘振灏等(1995)[14]研究发现将磁铁技术应用于电子束辐照电线电缆的束下工艺,可以提高束流利用率,改善辐照均匀性。孙大宽对电子束辐射固化树脂基复合材料进行了研究,发现对子午线轮胎采用电子束辐照预硫化工艺,不但可以大大提高天然橡胶的分子交联强度,还能够节约10%的天然橡胶用量,节约能源,保护环境。另外,电子束辐射技术在热收缩材料、发泡塑料、高性能印染助剂、纳米材料的生产技术等方面也进行了大量的研究和应用[3]。

3.4 新型环保技术的研发及应用

电子束辐射技术在环保方面的应用一直备受关注,大量的研究发现电子束辐照处理在“三废”治理方面具有突出的技术优势。中国科学院上海应用物理研究所进行了电子束辐射处理环境污染的研究,发现4～10 kGy的剂量与1%的O3结合,能够大大提高SO2和NOx(氮氧化物)的脱除效率,并研制成功了束能量在0.7～0.8 MeV 、束流强度为140～160 mA的高功率专用设备。田扬捷等(2002)[15]研究认为辐射处理后的烟道气,还可以生产硫酸铵和硝酸铵。单张生、刘下国等认为电子束辐射处理可以杀灭各类污水、污泥中的致病微生物和寄生虫,还能够分解苯酚、氧化苯酚和高分子材料等有害有机物[16,17]。与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比,辐照处理“三废”不会造成环境的二次污染,符合我国经济的可持续性发展战略。目前我国已在成都和杭州等地建立了电子束烟道气净化处理示范装置。

4 电子束辐射技术的发展前景

4.1 谷物的辐射杀虫贮藏

目前我国的谷物贮藏仍采用传统的药物熏蒸法防杀害虫,不但会产生药物残留,影响谷物的食用安全性,还会产生对环境的污染,诱发害虫的抗药性[18]。大量的研究发现,电子束辐射处理谷物杀虫彻底,具有全相性,不会造成对产品和环境的污染,能够很好地保持谷物的营养品质和加工特性,是具有广阔发展空间和应用前景的绿色贮粮技术。

4.2 方便食品的辐射杀菌

方便食品是一类开包即可食用的产品,卫生质量的好坏会严重影响其自身的食用安全性,甚至会危及消费者的生命安全。大量的研究证明,电子束辐射处理能够有效地杀灭这类产品中的污染微生物,特别是一些致病菌(如大肠杆菌、沙门氏菌等),能够在确保食用品质和风味的条件下,大大提高产品的卫生质量。

4.3 进出口产品的辐射检疫处理

随着世界经济一体化发展的不断深入,我国进出口商品的数量和品种迅速增长,检疫害虫的防范压力也随之大幅度增加。充分发挥高能电子束辐射处理全相杀虫的特点,展开对植物及植物性产品中检疫害虫的辐射技术研究,并尽快建立相关的国家标准,对于保护我国的物种安全具有重要的战略意义。

4.4 特种电线电缆的辐射加工技术

核电站、轨道交通、海底电缆和高压输电技术的迅速发展,对于电线电缆的性能提出了非常高的要求。通过对基料和加工技术工艺的研究,开发生产具有特种性能的线缆,以满足以上行业发展的需要,在该领域电子束辐射技术具有非常突出的技术优势和广阔的发展空间。

参 考 文 献:

[1] 施培新.食品辐照加工原理与技术[M].北京:中国农业出版社,2004,1-9.

[2] 哈益明,施惠栋,王 锋,等.电子束食品辐照的研究现状与应用特点[J].核农学报,2007,21(1):61-64.

[3] 赵文彦,潘秀苗.辐射加工技术及其应用[M].北京:兵器工业出版社,2003,70-248.

[4] 李承华.辐射技术基础[M].北京:原子能出版社,1988,190-212.

[5] 李淑荣,王殿轩.电子束对赤拟谷盗辐照效应的试验研究[J].郑州工程学院学报,2004,25(2):26-28.

[6] 单张生,崔来登.电子束辐照食品保鲜的近况和展望[J].核农学报,2001,15(2):125-128.

[7] 李 牧,邢增涛,冯志勇,等.电子束辐照在农产品贮藏保鲜中的应用[J].激光生物学报, 2007,16(5):640-643.

[8] 温贤芳.中国核农学[M].郑州:河南科学技术出版社,1999,647-650.

[9] 郭宝江,伍育源,阮继红.5MeV电子辐射对水稻诱变效应的研究[J].遗传学报, 1982,9(6):461-467.

[10]陆 伟,苏益民,宋高友.电子束与γ射线辐照高粱种子M1代效应的比较研究[J].核农学通报,1995,16(4):160-163.

[11]舒庆尧,李文海,夏英武,等.电子束注入水稻M1代生物效应初步研究[J].核农学通报,1996,17(4):162-164.

[12]汪丽虹,王崇英,杨汉民.55keV加速电子束和7MeV 16O6+离子束辐照枸杞种子后的非按期DNA合成[J].核农学报,1995,9(2):91-94.

[13]芮静宜,金加兰,马新生.电子束对大麦的诱变效应研究Ⅰ—对M1和M2的效应[J].辐射研究与辐射工艺学报,1995,13(1):33-37.

[14]刘振灏,周知明,葛宝全.电子束辐照交联电线中束下工艺的研究[J].辐射研究与辐射工艺学报,1995,13(1):16-23.

[15]田扬捷,晏乃强.辐射技术在环境污染治理中的应用[J].上海环境科学,2002,21(9):557-560.

[16]单张生.NBL-1010型电子加速器的辐照应用[J].核农学报,2000,14(6):353-358.

[17]刘下国,郑 正,宋卫华.电子束辐照法在水处理中的应用[J].工业水处理,2002,22(2):4-7.

[18]谭华业,黄 斌,杨景田,等.电子束辐照技术在粮食领域的研究应用[J].粮油仓储科技通讯,2005,2:12-14.