辐照技术应用

第九章辐照技术应用第一节辐射源第二节60Co辐射装置第三节辐射化学效应第四节辐射生物学效应第五节辐照技术应用第一节辐射源目前在辐射加工、辐射消毒、辐射育种、辐射治疗等应用中常用的辐射源是电子加速器、钴-60、铯-137。一、放射性衰变与辐射功率P=5.93×10-3·E·C（MeV/s）其中，C是放射性活度Ci,E是每次所释放出的可以被利用的粒子能量（MeV），5.93×10-3是单位转换系数。举例：求10万居里的60Co的辐射功率是多少？解：P=5.93×10-3×(1.33+1.17)×105=1,480(MeV/s)二、60Coγ源是目前使用最广泛的核素γ源，有如下特点：1.每次衰变发射两个能量相近，穿透力强的光子，从而可以较均匀地照射厚的或有包装（容器）的物品。2.半衰期较长，每年活度下降12.6%，可以稳定地长时间照射。3.供应源充分，成本较低：目前大反应堆每年作为副产品可生产数百万居里的60Co；4.源体为金属固体，可根据需要组装成各种形状；5.装置简单，操作与维护方便。三、137Csγ源137Cs是一种极为重要的裂变产物，来源极为丰富，2000年的供应量约为2000MCi。但其分离较麻烦、设备昂贵，以辐射功率计算费用较大。137Cs的显著特点是：半衰期长可长时间稳定照射，发射出的γ光子能量较低，容易防护。但射线的穿透力弱，自吸收严重，能量利用率低。四、电子加速器是用电磁场使电子获得高能量的装置，包括电子静电加速器、高频高压发生器、微波电子直流加速器等。其特点是：成本低、随时开关（没有放射性衰变的限制）。第二节60Coγ源照射装置根据使用目的的不同，可把核素源组合成各种形状，常用的有棒源、园筒形源和板面源。多数工业用照射装置采用由许多棒源排列成长方形的板状源。下面以广东省辐照中心的辐照装置为例来说明。辐照场的主要组成部分及其要求总的要求是：安全、可靠、好用、经济、力求简单先进。1.辐照室地下式，园形（直径6米），高3.6米。辐照室周围防护墙以一定厚度钢筋混凝土外，还有4米泥土作复盖防护层。辐照室顶以厚1.2米，直径为8米的钢筋混凝土结构，再加3米泥土复盖防护层。辐照室内顶横架一条能承重5吨的工字钢梁，作倒装放射源时吊铅容器之用。2.贮源及倒源水井辐照室内有一水井，作为倒装放射源及贮存放射源之用。水井规格为2×1.5×6m,水井中心点偏离辐照室中心点2.5m，以便倒装放射源工作。井内外不能相互渗透，井壁在混凝土层中间设有0.5~0.6cm钢板，钢板焊接处不能留有渗水隙缝。井内壁全部贴耐酸白瓷砖。3.迷宫道是人和辐照产品进出辐照室的必经之道，其必须有几个转弯（？）。全长15米，宽1.3米，高2.5米，采用S字形，开始于操纵室，经四处转弯进入辐照室。4.放射源升降机械装置要求辐照场每点位置的剂量率重复率良好，同时要求使用安全，装置或供长期使用，万一出现故障亦可安全排除。第三节辐射化学效应一、辐射化学基本反应过程电离辐射在物质中主要通过次级电子引起化学效应。具有高能量的次级电子沿着径迹与所遇分子发生非弹性碰撞，使分子电离或激发。这些初级产生出现后又继发多种次级反应，最终生成一系列稳定产物。作为中间粒子，除了激发分子、离子外，还有自由基、溶剂化电子和陷落电子等。1.激发分子及其反应过程包括单分子途径和双分子途径。单分子途径又包括发射荧光，分子内转移，单分子解离等过程。单分子解离激发分子解离成自由基或分子碎片需要的能量往往大于键的解离能，多余的能量作为碎片的动能。AB*→A·+B·激发双分子反应：抽氢反应：A*+RH→AH·+R·加成反应：A*+B→AB猝灭反应：A*+C→A+C（或E+D）激发分子的衰变过程一般在10-8秒内完成。2.离子及反应过程阳离子能与分子发生一系列反应，包括电子、质子，氢原子和氢化物离子等的转移。这类离子-分子的反应速度非常快，是辐射化学反应中最重要的反应之一，通式为：A++B→C++D例如电子转移：H2++H2O→H2O++H2氢原子转移：H2O++H2O→H3O++OH·3.自由基及其反应过程自由基在辐射化学中具有特别重要的意义，因为它是多数辐射化学初级过程的主要产物，又是次级反应中最活跃的因素。其反应过程有：电子转移：OH·+Fe2+→Fe3++OH-氢原子转移：H·+C2H6→H2+C2H5·4.溶剂化电子与陷落电子在极性介质中，热电子的存在引起围绕在它周围的极性分子偶极子取向。偶极子的正极端朝着电子、负极端远离电子，因而电子就落在此极化位阱中。如果此位阱在晶格空穴内，则这样的电子称为陷落电子；若在极性溶剂中，则称为溶剂化电子，如水合电子。e-+nH2O→e-aq二、水与水溶液的辐射分解1.纯水分解水的辐射产物中，H2的反应性很强，其它的活性粒子根据其氧化还原活性可以分为两组：一组具有还原性包括：e-aq和H·，另一组为氧化性产物：OH·和H2O2。2.水溶液辐射分解e-aq+Cu2+→Cu+e-aq+O2→O2-H·+Cu2+→Cu++H+H·+→OH·+Fe2+→Fe3++OH-H2O2+Fe2+→Fe3++OH-+OH·HH第四节辐射生物学效应一、电离辐射对生物体的作用过程根据产生辐射损伤的原因不同，可把辐射对生物体的作用分为：直接作用与间接作用两种。直接作用生物体中的生物分子直接受到电离辐射的作用吸收辐射能量并导致机体损伤的过程。间接作用指电离辐射首先与机体中的水分子作用，产生氢原子、羟基自由基、水合电子等活性粒子，这些粒子再与生物分子如蛋白质、核酸、酶等作用，致使生物的功能、代谢与结构发生变化而遭受损伤。由于生物体均含有大量水份，辐射产生的总效应中通常主要是间接作用所产生的效应。从辐射损伤的角度，羟基自由基和水合电子是两种最重要的水辐解自由基，生物分子的许多辐射化学变化都是与它们发生反应的结果，前者是强氧化性物质，后者是强还原性物质。只有在干燥及冷冻情况下，直接作用才有可能成为主要过程。电离辐射与生物分子相互作用过程及其演变顺序大致可分为四个阶段：1.物理阶段持续时间约为10-18~10-12秒。辐射能量传递至生物分子及水中，导致体内各种分子的电离与激发，并产生初级活性粒子。2.物理化学阶段持续时间约为10-12~10-9秒。初级活性粒子通过各种反应，形成许多化学性质很活跃的活性粒子如：水分中可产生可扩散的氢原子、羟基自由基及水合电子等活性粒子。3.生物化学阶段持续时间约为10-9~100秒。前期形成的自由原子与自由基进一步的继续相互反应，并与它们周围物质起反应，特别是与生物重要的大分子核酸和蛋白质起反应，引起这些分子结构的变化。4.生物学阶段持续时间约为100~109秒。由于生物重要的大分子结构变化，使细胞内生化过程发生改变，并通过机体的代谢作用，使损伤得以扩大，从而表现出可见的生物损伤。二、辐射对生化物质的作用1.氨基酸氨基酸受照射后，生成二氧化碳、胺及氨，此外还发生C-H键断裂和二聚化。2.蛋白质不同种类的蛋白质对辐照的敏感性及反应各不相同。侧链是蛋白质分子中较为敏感的部分，含硫的氨基酸和环结构化合物是对辐射最敏感的部分。3.碳水化合物辐射常常导致醚键断裂。淀粉和纤维素被降解产生较小的单位，如葡萄糖、麦芽糖、H2，CO2等。4.脂类化合物脂肪或脂肪酸被照射后会发生脱羧、氧化、脱氢等作用，产生氢、烃类、不饱和化合物，同时放出CO2。一般来说射线照射下饱和脂肪是稳定的，不饱和的易氧化。5.核酸（以DNA为例）a)碱基降解与游离；b)联结A、T、G、C之间氢键发生断裂；c)DNA中联结糖与磷酸基之间的链断裂；d)形成交联三、辐射对活细胞的作用1.辐射对细胞结构、功能的作用细胞膜结构受照射后，其渗透性及完整性改变。辐射对核最重要的作用是使DNA合成延迟和抑制，染色体发生畸变。细胞质对辐射的抗性要比细胞核大得多，叶绿体对辐射相当稳定，需要500Gy才能破坏光合作用。辐射对细胞分裂有延缓和抑制作用。辐射对细胞有致死作用。2.活细胞的辐射钝化辐射钝化指细胞受照射后放在含有营养成份的培养基培养，失去了形成群落的能力。辐射引起细胞钝化的数目与吸收剂量之间有一定的直接关系。若以受照射细胞群体中存活下来的细胞所占分数对辐射剂量作图,可得剂量存活曲线。第五节辐照技术应用一、辐照医疗用品、药品灭菌消毒二、辐照食品保鲜及保藏三、辐射诱变育种四、辐射致色五、辐射制备高分子材料医疗用品一、辐照医疗用品、药品灭菌消毒中药原料冷冻食品调味品熟食品二、辐照食品保鲜及保藏三、辐射诱变育种辐射育种的主要成绩据FAO/IAEA联合署的有关资料，截至1995年的不完全统计，世界各国已在162种植物上利用辐射诱发突变育成优良品种。截至2001年，我国累计育成作物新品种625个，占全世界辐射诱变育成作物新品种总数的27.2%。神神舟三号搭载的“太空花”辐射不育防治害虫原理：对昆虫的某一虫态（蛹或成虫）进行一定剂量的照射，使性细胞的染色体断裂或易位，形成带显性致死突变的配子，但又不损伤其体细胞，其仍保持正常的生命活动和交尾能力。将此不育昆虫释放到野外，通过野生昆虫与其交配，产生不育后代来降低野生虫口的密度，经连续的多次释放达到控制害虫的目的。辐射不育防治害虫技术的特点1、防治目标专一；2、不会污染环境；3、防效持久；4、特殊作用。释放不育虫的成果美国从1967年开始一直在加利福尼州圣金华流域的重要棉产区释放辐照虫，成功地防治了从南方扩散来的棉红铃虫建立种群。由于释放辐射不育螺旋蝇，1982年后美国再没发现螺旋蝇危害的病例。智利于1995年12月宣布用昆虫不育技术灭绝了地中海果蝇。我国贵州省惠县在柑橘园释放辐射不育柑橘大实蝇，取得了显著的压低虫口的效果。四、辐射致色35KV交联电缆户内终端辐射改性高分子材料及其制品五、辐射制备高分子材料kGy六、辐照加工剂量一览表本讲总结一、讲述的内容：辐射源及装置、辐射化学效应，辐射生物学效应以及辐照技术的应用。其中重点：辐射生物学效应；难点：辐射源装置。二、课后复习的要求