第四讲辐射加工技术

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1、回顾 1 加速器三根系 高压型 感应型 谐振型 2 三个里程碑 自动稳相原理 强聚焦原理 对撞机 3 同步辐射原理 优势及应用 4 低能加速器应用 1 第四讲 辐射加工 2 什么是辐射加工 广义的辐射加工就是利用粒子束辐照物质 物质发生各种 效应 原理和核心是辐射化学 利用的是辐射效应 辐射化学 研究射线与物质相互作用引起物质分子发生电 离 激发等效应所导致物质结构 电离效应 或状态 激 发 发生变化的科学 产生粒子束的设备 加速器 反应堆 离子注入机 放射源 钴源 紫外光设备 激光器 粒子束种类 电子束 中子 射线 UV 激光 X射线及 子 等 3 由于辐射作用于物质可以诱发物理效应 化学

2、效应和生物效应 因此其应用范围十分广泛 主要 领域如下 辐射育种 食品辐射消毒 灭菌 保鲜 辐射改性聚烯烃绝缘材料 如电缆 热收缩材料 一次性医疗用品辐射消毒 涂层辐射固化 包括木塑复合材料的辐射制备 辐射技术在生物医学和生物工程中的应用 工业三废的辐射净化等 辐射加工的研究对象和应用 4 辐射加工的优点 合成新材料 无需高温高压 甚至低至 100 无催化剂残留 固 液 气 材料改性 实现材料交联 接枝 降解 固化 高度自动化 自动控制和传输 节能 环保 无有毒有害气体释放 高效率高 工艺参数稳定可调 人员劳动强度低 工作环境优良 5 辐射加工业 辐射加工业70年代兴起 80 90年开始代迅速

3、发展 从辐射育种 辐射刺激生长开始起步 逐渐扩 展到辐射保鲜 辐射高分子材料改性及合成 辐 射杀虫 辐射消毒灭菌 辐射治理三废及辐射治 疗疾病等 目前辐射加工业已形成全世界每年千 亿美元的产业 辐射加工技术确有优点 但也不可过于夸大 因 为它也有一些缺陷 如 一次性投资较高 与常 规方法竞争激烈 多数人在心理上有排斥性 综合而言 辐射加工业会得到较快发展 但消 极和过热都不是正确的态度 6 辐射源 可分为三种类型 1 放射性核素源 如60Co 137Cs 源 2 机器源 如电子或粒子加速器 3 反应堆中子源 7 设备 钴源 加速器 8 钴源辐照装置的组成 辐照源室 辐射源 水井和水 升降源设备

4、 安全联锁系统 控制系统 传输系统 剂量监测系统 控制室 通风系统 操作间 原料库 成品库 9 小型钴源 60Co 10 加速器 提供电子束 传导装置 束下装置 Electron Beam 11 辐射加工技术是用于工业 农业等部门的实用技 术 它基于辐射作用下物质的物理性质 化学性质或生 物性质发生暂时性或永久性的变化 涉及辐射物理 辐 射化学 辐射生物学等问题 为了度量射线的电离作用 需要测定射线穿过物质 时所释放的能量 吸收剂量 单位质量物质受辐射后吸收辐射的能 量 单位为戈 Gy 1戈瑞 1焦耳 公斤 辐射化学产额 它反映辐射化学过程的效率 定 义为每吸收100eV能量所转换或产生的分子

5、 原子 离 子的数目 辐射加工技术 12 生物体辐照 电离辐射具有明显的生物效应 吸收不同剂量 在生物体内引起不同的效果 这些生物效应包括 促进生长 减缓生长 遗传变异 消毒 生命功 能终止等 对农产品可以起到抑制发芽 推迟成 熟期 延长贮藏寿命 杀灭致病微生物等 从而 构成食品辐照研究和实用化的主要内容 国际原子能机构 IAEA 联合国粮农组织 FAO 和世界卫生组织 WHO 对推动食品辐照起 了促进作用 成立了关于辐照料食品健康问题的 联合专家委员会 13 生物体辐照 1980年这个专家委员会在对辐照食品广 泛考查的基础上发表了一个全球性的标准 认为 在平均吸收剂量上限为10kGy情况 下

6、 辐照食品无毒 也不会引起营养学和 微生物学上的任何问题 这一建议和结论 在1983年已被联合国食品法规委员会 CAC 批准 不少国家的政府也立法承认了这一结论 为辐照食品商业化推广扫清了障碍 14 在北京举办亚运会期间 北京咏竹玛雅克辐射新 技术有限公司辐照泡菜 为运动员提供合格的食 品 随着人民生活水平的提高 辐照消毒在食品 加工中的作用将得到越来越广泛认识 辐照是冷 消毒 不会改变食品风味 辐照没有残留 不会 给消费者带来危害 辐照是整箱消毒 不须拆包 装 造成二次污染 80年代我国对蔬菜及水果的辐射研究表明 苹果 柿子经辐照后可保存6个月 超过一般冷冻保存 的效果 同时也证明了辐射对延

7、缓西红柿的后熟 也有一定的作用 15 辐射食品保鲜 杜牧 过华清宫 长安回望绣成堆 山顶千门次第开 一骑红尘妃子笑 无人知是荔枝来 白居易在 荔枝图序 中说 果子若离本枝则 一日而色变 二日 而香变 三日而味变 四五日外色香味尽去矣 16 辐射食品保鲜 古人采用 密封自发气调保鲜法 保存几天 现代采用 辐照保鲜 保存几十天 17 食品保鲜 食品辐照不加入化 学药物 常温下用射 线对食品做灭菌保鲜 处理 小于10千戈瑞 的剂量被认为是安全 的 不会产生放射性 不破坏营养价值 没有致病作用 18 辐射装置 高能所研制的10MeV 15kW电子加速器的电子束 辐照地点 高能所I号厅 加速器调试现场

8、实验条件简陋 食品 是从市场购买的鲜肉和香菇 选用的是低剂量的保鲜剂量 0 4 2 kGy 目的是降低食品中的微生物及其他细菌数量 延长新鲜食品的后熟期及保藏期 方法 将鲜肉块切成半公分厚的薄片 用塑料薄膜包好分成 6组 分别用0 4 2 0 kGy的不同剂量进行电子束辐照 然后 与未经辐照的对比组同时放在冰箱的冷藏区 5C 储存 辐照后按3个时段 5 15 37天作保鲜观察 辐射保藏的实例 19 鲜肉块辐照5天后 除对照组颜 色开始变深 辐照组基本完好 15天后 对照组开始变黑 低剂 量试样A1 1 A2 1 0 4 0 8kGy 开始变坏 37天后 除2 kGy辐照剂量的鲜 肉 A 5 1

9、 仍保持完好外 其 余鲜肉均已变质 辐射保藏的实例 20 受不同吸收剂 量的香菇 在 辐照15天后的 保鲜效果 0 2 kGy 辐射保藏的实例 21 由此看出 鲜肉的辐照保鲜随着剂量的逐步提高 保鲜效果 更加明显 本实验中2 kGy以上的剂量是合适的 对香菇也有相似的保鲜效果 合适的辐照剂量约 为0 2kGy 由于受目前实验条件的限制 传送系统比较简陋 辐照剂量的控制与检测精度不够好等原因 辐 照保鲜的效果暂时难于定量描述 但初步的实验 结果已经可以看出 电子束食品辐照 保鲜效果 明显 货架寿命有大的提高 具有很大的应用前 景和社会效益 辐射保藏的实例 22 辐射育种 利用放射性射线诱发种子产

10、生变异 从产生的各种各样的 变异中 筛选出有利用价值的突变体 培育出新品种 优 点是突变频率很高 分为外照射和内照射两种 剂量在 100到300戈瑞 外照射 被处理的植物试材受到体外某种辐射源发出的射 线的照射 内照射 指放射性元素引入到植物的组织细胞内进行照射 我国用辐照育种技术已培育的良种有水稻 原丰早 小麦 山农辐63 玉米 鲁原单4号 大豆 铁丰 18号 黑龙26号 高粱 晋杂1号 花生 粤 油22号 等 其中 鲁棉1号 棉花 原丰早 水 稻 铁丰18号 大豆等项目获国家发明一等奖 23 24 辐射育种 世界主要国家人工诱变作物品种数目 25 辐射育种 辐射育种归于诱变育种范畴 它可以

11、定义为利用 电离辐射处理作物种子 花粉或植株等材料 诱 使遗传物质发生改变 导致有关性状的变异 然 后通过选择和培育使有益的变异遗传下去 达到 改良和创造新品种的目的 基因突变是指电离辐射与生物体的主要遗传物质 一脱氧核糖核酸 DNA 发生直接作用或通过水辐解 产物而发生间接作用 导致DNA碱基对排列顺序的 改变或失去1个碱基 26 DNA结构发生变化后存在一系列修复工程 只有当 修复无效或修复发生误差时才能产生突变 另外受电离辐射作用染色体断裂后的重排 导致 缺失 重复 易位 倒位等染色体畸变也是辐射 育种的一个重要的过程 27 辐射防治害虫 1916年 Runner发现烟草甲经X射线处理后

12、 后代 产生不育现象 1955年 Kniping等成功应用辐射不育技术 对螺 旋锥蝇的防治进行了模式试验 最终使美国东南 部螺旋锥蝇完全被消灭 世界各国已研究了100余种害虫的辐射不育工作 对20余种害虫应用了辐射不育治虫技术 在某一 区域已取得成功 利用核辐射在一定剂量范围内辐照害虫 能导致 害虫不育 发生遗传突变 甚至直接引起死亡 28 辐射杀虫 辐射杀虫即是利用电离辐射防治虫害 其辐射效应与剂量 大小有关 其生物效应在适当剂量时导致昆虫生殖细胞染 色体易位 受到损害 使当代受辐射的昆虫部分丧失延续 后代的能力并可遗传到下一代 使下一代比当代更不育 这种剂量称为半不育剂量 高于这种剂量 使

13、昆虫当代完全不育 称为不育剂量 当辐射剂量再提高时 害虫就不能完成世代交替 而慢慢 地死去 达到防治目的 这种剂量称为缓期致死剂量 当辐照剂量更高时 可在短时间内直接杀死害虫 这称为 致死剂量 29 用辐射的方法杀死昆虫和寄生虫使其丧失繁殖能 力 用加速器产生的辐射处理粮食 可以杀虫 灭卵 不霉变 延长粮食保存期 例如 用100万 电子伏的加速器辐照谷物 一小时可辐照150吨 害虫杀死率达100 此外 调味香料 中草药 保健食品 花生米 核桃等也可以辐照保存 30 害虫绝育断代 先培养出害虫的幼虫 给与辐射 其剂量 可控 不妨害其成长 为成虫 但变成了不 育化 成虫再交配时 产出的卵孵不出幼虫

14、 日本扑灭瓜实蝇 墨西哥扑灭果蝇 我 国扑灭大实蝇 31 雄性不育昆虫的对比 左为正常雄虫 右为不育 雄虫 雄性不育法 其不育雄虫释放为正常雄虫的9倍 则正常雄虫 与正常雌虫交配的概率为1 10 32 辐射不育治虫技术 原理 第一代以后若释放与第一代同等数量的不育性雄虫 则不育性 雄虫与正常雌虫比例急剧增大 即正常雄虫与正常雌虫之间的 交配概率急剧减小 第五代防治对象的种群就可以灭亡 33 抑制农作物在贮存过程中发芽 土豆 洋葱 大蒜贮存后 代谢作用仍进 行 过了休眠期 就会发芽 长根 长芽 的土豆有毒性 不能使用 长芽的洋葱 大蒜变空也不能食用 用低的剂量照射时 可抑制芽细胞的发育和长根 放

15、到地窖 贮存到来年夏天 拿出来还跟收获时一样 新鲜 34 小剂量刺激农作物生产 小剂量刺激作用的方法 1 播种前照射种子 或块茎等 2 直接照射作物 3 用放射性矿物作为微量元素施入土壤 三种方法中 播种前照射种子在生产上应用方便 种子适合大规模的连续处理 并且容易掌握各种处 理参数 剂量 剂量分布均匀度 处理种子的纯度 品质和生理状况等 35 定义 在辐射作用下 低分子化合物的不饱和分 子彼此连接形成具有高分子量的聚合物的化学过 程 称为辐射聚合 主要用来制备木制聚合物材料和水泥聚合物材料 制备的木制材料辐射剂量10 15戈瑞 可耐火 防菌 防腐蚀 制备的水泥辐射剂量10 15戈瑞 抗拉伸

16、扭曲 强度增大 渗水性低 在冻结 解冻循环中的耐 寒性增强 辐射聚合 36 辐射聚合 37 聚烯烃绝缘材料辐射交联改性 聚合物接受电离辐射能会产生一系列化学变化 其中最主要的 是分子链的交联与降解 交联即聚合物中性分子以化学键联系在一起 增大了分子量 交联程度不断增加导致形成凝胶 即不溶于任何溶剂也不能熔融的 网状结构 降解则是打断分子链使分子量减少 上述两种变化都是无规则而且是同时发生的 以交联为主的聚 合物 如聚乙烯 天然橡胶是交联型 以降解为主的聚合物 如聚 四氟乙烯 棉纤维素则是降解型 这种分子量和分子结构的变化会导致聚合物物理 力学等一系 列性质的有益变化 提高了高分子材料的质量及应用范围 分子交 联引起聚合物性能优化更具有实用性 而辐照法常优于化学法 38 聚合物的辐射交联 辐射交联聚乙烯 39 辐射交联电线电缆 聚烯烃交联后其性能得到明显改善 其中最主要的是其热稳定性 和绝缘性能 如交联聚乙烯电线在90一1240C温度下可以长期稳定使 用 而其介电常数也从2 3降至2 0 聚烯烃交联方法通常以过氧化物化学法 CV 和硅烷烃交联法 SV 为主 60年代发展了辐射交联法 它在