放射源60Co γ射线的利用效率研究

放射源60Co γ射线的利用效率研究

陈明利1,2，夏和舟1,2，程薇1,2，熊光权1,2，廖涛1,2，

耿胜荣1,2，鉏晓艳1,2，史德芳2，邱建辉2，陈洪国1,*

(1.非动力核技术湖北省协同创新中心，湖北科技学院 核技术与化学生物学院，湖北 咸宁437100；

2.湖北省农业科学院 农产品加工与核农技术研究所，湖北省农产品辐照工程技术中心，湖北 武汉430064)

摘要：应用60Co γ射线照射量率计算法分析比较了4种放射源排列方法和3种辐照操作方式的γ射线利用效率。结果表明，3种操作方式中，换层操作的效率最高，利用率为1.78，其次是分区操作方式，为1.45，源超界的不换层方式最低，为0.85。实行换层操作时，当吊篮高度在1.2 m之内时以3层高度收敛排列法(各层间活度比为0.6∶1.8∶0.6)的60Co γ射线利用率最高，为1.60；当吊篮高度为1.4 m时，3层轻度收敛排列法(0.9∶1.2∶0.9)的60Co γ射线利用率最高，为1.72；当吊篮高度达到1.6 m时，3层均匀排列法(1∶1∶1)的射线利用率最高，为1.78。

关键词：60Co；放射源；排列；辐照；利用率

中图分类号：TL99 文献标志码：A

收稿日期：2015-06-15;修回日期：2015-08-24

基金项目：公益性行业(农业)科研专项资助项目(201103007)；湖北省农业科技创新中心资助项目(2015-620-007-001)作者简介：陈明利(1981—)，男，陕西延安人，助理研究员，硕士，从事农产品加工与核农技术研究

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2076

*通信作者：陈洪国，E-mail: chhg1969@163.com

Utilization Efficient of60Co γ-ray Source

CHEN Ming-li1,2, XIA He-zhou1,2, CHENG Wei1,2, XIONG Guang-quan1,2,

LIAO Tao1,2, GENG Sheng-rong1,2, ZU Xiao-yan1,2, SHI De-fang2,

QIU Jian-hui2, CHEN Hong-guo1,*

(1.Non-powerNuclearTechnologyCollaborativeInnovationCenter,SchoolofNuclearTechnologyand

Chemistry&Biology,HubeiUniversityofScienceandTechnology,Xianning437100,China;

2.InstituteforFarmProductsProcessingandNuclear-agriculturalTechnology,

HubeiAcademyofAgriculturalSciences,HubeiEngineeringResearchCenter

forFarmProductsIrradiation,Wuhan430064,China)

Abstract:Four kinds of irradiation source arranging styles and three operating modes of 60Co γ-ray sources were studied. The effects of these ways during radiation processing on γ-ray utilization rate were compared and analyzed by the calculation method of 60Co γ-ray dosage rate. The results show that for these three operating modes, the γ-ray utilization rate of changing layer operation is the highest with 1.78, the partition operation is the second highest with 1.45, and the mode of irradiation source coverage and unchanging layer operation is the least with 0.85. During the implementation of changing layer operation, when the height of the basket within 1.2 m the γ-ray utilization rate of centralized arrangement (0.6∶1.8∶0.6) is the highest with 1.60. When the height of the basket is 1.4 m the γ-ray utilization rate of mild centralized arrangement (0.9∶1.2∶0.9) is the highest with 1.72. When the height of the basket is up to 1.6 m, the γ-ray utilization rate of the average arrangement is the highest up to 1.78.

Key words：60Co; irradiation source; arrangement; irradiation; utilization rate

辐照加工技术自20世纪80年代商业化应用以来，从小钴源、50万Ci钴源发展到目前数十座装源量为400万Ci的大型辐照装置[1-5]，运行方式由最初的静态堆码辐照发展到现在的步进式动态间歇式辐照[6-11]，操作方式由小吊篮源超界的不换层操作过渡到大吊篮的分层操作，进而发展到今天的双层吊篮上下换层操作，行业发展迅速。其应用领域由当初的干品,如香辛料、脱水蔬菜辐照灭菌[12-15]、大蒜辐照抑制发芽[16-17]、中成药的辐照灭菌及医疗器械、卫生用品的辐射灭菌[18-19]，经历了含水的蛋白含量高的熟肉制品，如盐水鸭、泡凤爪[20-21]，并迅速扩展到医学、育种学、生物学研究等领域[10-19,22-25]。此外，辐射加工技术在高分子材料改性中的应用，更是有了长足的发展，如辐照交联电缆电线[26-27]、辐照热收缩材料、辐射聚合黏合剂和辐射接枝淀粉材料[28]等，在我国的工农业生产和国民经济发展中起到了重要作用。

然而，在辐照加工产业快速发展过程中，辐照装置自身的射线利用率问题却始终未见报道。射线利用率是指单位时间内被辐照的物质所吸收的有效能量与放射源所放射出的总能量之比。射线利用率的高低主要取决于放射源的排列、辐照加工的操作方式、吊篮的空间利用率等因素。目前国内绝大多数的放射源均为3层排列，也有少量4层排列，而3层排列又分为分散排列、均匀排列和收敛排列3类，其操作方式分为源超界不换层操作、货超界分区操作和货超界换层操作3种，这些放射源的不同排列方式和操作方式组成了10多种不同的运行方式，并各具特点。本研究拟对放射源不同排列方式及操作方式所形成的10余种运行方式进行射线利用率的计算研究，从中优选出高效运行方式，为提高辐照产业的射线利用效率、降低辐照成本、增加产业收益提供理论依据。

1计算依据及方法

1.1已知条件及操作方式

1) 源板结构：源板装载φ11 mm×451 mm的放射源3层，源间距25 mm，层间距100 mm，外部尺寸1.6 m×2.0 m。

2) 放射源活度：1.85×1015Bq。

3) 吊篮规格：底部1.0 m×0.6 m，高度1.5 m(源超界操作方式)、1.6 m(货超界换层操作方式)、2.7 m(货超界分区操作方式)。

放射源的排列：目前放射源主要有4种排列方法，分别用A、B、C、D表示(表1)。

表1　放射源的4种排列方法

注：1) 为3层放射源之间的活度比

操作运行方式：1) 源超界的不换层、不翻身方式；2) 大吊篮的分区翻身操作方式；3) 货超界双吊篮的上下换层操作方式。

1.2计算方法

为简化计算，作如下条件设定：

1) 将棒状放射源近似为由点状源串联成的线状源；

2) 由于源板和剂量场的对称性，计算时取吊篮的1/2进行比较；

3) 计算照射量率时，总装源量为1.85×1015Bq，根据图1所示的放射源与吊篮中心线上各点的相对位置，按式(1)进行计算。

图1　3种操作方式下吊篮与源棒的相对位置 Fig.1　Relative positions of basket and irradiation source rod for three operating modes

4) 计算射线利用率时，将图1中吊篮中心线上不同位置处所得照射量率进行叠加，然后乘以吊篮的体积，再乘以空气密度，即得相应高度吊篮中的总照射量，即总有效电荷量。

1.3计算公式

因放射源棒简化为由点状源串联而成的线状源，故计算过程中对点源公式[3]进行积分。点源公式如下：

(1)

对式(1)积分得：

(2)

式(2)中参数的相对位置如图2所示。

图2　式(2)中相关参数的相对位置 Fig.2　Relative position of parameter in formula (2)

2结果与分析

2.1吊篮中心各点的照射量率

不同高度的吊篮以源板中心线为基准，向上、下0.05 m开始作为起点，每间隔0.2 m取点，按图1所示方式进行操作，依据式(2)计算吊篮中心线上各点的照射量率，结果列于表2。

表2　吊篮中心线上各点的照射量率

由表2可看出，4种排列方法中，吊篮中心的照射量率均随测量点与源板水平中心线距离的增大而减小，照射量率的最大值在距源板中心最近的零点位置，且随放射源强度向源板中间层的集中而增大，而最远点的照射量率则随之减小。

2.2排源方式对源超界运行时射线利用率的影响

表2反映了4种源排列方法下吊篮中心线上各点在单位时间内所受照射量的大小，但不能反映不同质量的物质在同一剂量场中由γ射线照射而产生的不同效果。为直观反映不同高度的吊篮所包含的物质辐照后所产生的有效电荷总量，按照辐照加工过程中以被照物中最低吸收剂量为依据的质量控制法则，以不同高度代表自测量起点处到该高度处吊篮内所包含的空气质量为横坐标，以有效电荷总量为纵坐标作图，结果示于图3。

图3　不同排列方法下有效电荷量与吊篮高度的关系 Fig.3　Relationship of effective charge amount and height of basket in different arrangements

由图3可见，对于源超界的不换层操作方式，要求放射源的分布越均匀越好，4种排列方法的照射量均呈先升高再下降的趋势，最大值多出现在0.6～0.8 m之间，随着放射源强度向源板中间层的集中，照射量的最大值亦向中心集中，射线利用率下降，4种排列方法的最高有效电荷量由高到低依次为：A，12.42 C/s；B，12.04 C/s；C，11.65 C/s；D，10.51 C/s。因而对于源超界运行方式，放射源的排列越分散、越平均，效率越高。

2.3排列方法与分层操作对射线利用率的影响

分区操作是经过一批次辐照后，上下区间翻身，中间保持不变，其效能的增加如表3所列。

表3中固定区照射量为0～0.85 m范围的照射量率与该区域内物质的总有效电荷量的乘积，而翻身区的有效电荷量为0.85～1.45 m范围内的4个照射量率反转叠加后取最低值的1/2与该区域内物质质量的乘积，其增加率为翻身后的有效电荷量除以总有效电荷量的值。由表3可见，相较源超界操作方式，增加吊篮高度、实行分区操作，可大幅提高射线利用率，提高幅度达29%。

表3　分区操作时不同排列法下的有效电荷量

2.4换层操作对不同排列法射线利用率的影响

换层操作工艺中目前主要有4种吊篮高度，分别为1.0、1.2、1.4、1.6 m。4种排列方法换层操作时，不同吊篮高度下的有效电荷量列于表4。按照双吊篮上、下换层的操作方法将表2中0.05～1.65 m的数据反转叠加计算吊篮高度为1.6 m时的总有效电荷量，结果列于表5。

由表4可看出，总照射量随着吊篮高度的增大而增大，吊篮高度在1.0～1.2 m之间时，放射源收敛排列方式D的照射量高于中间低上下高的分散排列方式A；而当吊篮高度达1.2～1.6 m之间时，则以排列方式C的轻度收敛排列法为最高，当吊篮高度达到1.6 m时，以排列方式B的平均排列法射线利用率最高，高度收敛排列法D低于分散排列法A，其原因可由表5数据解释。

表4　换层操作时不同高度吊篮的有效电荷量

表5　换层操作的有效总电荷分布

由表5可见，分散型的排列法换层操作后，吊篮顶端和底部的剂量低于中间剂量，不均匀度增加使有效剂量降低，而收敛排列的两种方法又使吊篮中间的剂量低于两端，同样使有效剂量降低，而按排列方式B的均匀排列和按排列方式C的轻度收敛排列的不均匀度最低，射线利用率最高。

2.5不同排源法和不同操作方式的射线利用率比较分析

从以上分析结果可看出，不同的排源方式在3种操作方式中各有特点，以平均排列方式B、不换层操作方式射线利用率按100%计算，各种排列方式和操作方式的射线利用率列于表6。

表6　4种排列方法和3种操作方式的射线利用率

注：不换层操作即源超界操作，吊篮高度为1.5 m；分区操作即货超界操作，吊篮高度为2.7 m

由表6可见，不换层操作的源超界的操作方式效率最低，分区操作的射线利用率最少能提高28%，而换层操作的射线利用率更高，最低可提高41%，最高可达78%。

3讨论

根据研究结果及数据分析，目前60Co γ射线辐照产业在生产运行过程中存在很多内在规律，在4种放射源排列方式中，源板中心线上各点的照射量率最高，沿源板上、下两端延伸则逐渐减弱(表2)，源板中心线上照射量率最高为38.93 C·kg-1·s-1，向外延伸到1.65 m时照射量率最低为3.65 C·kg-1·s-1。源超界不换层操作模式下，由图3可知，4种放射源排列方法中分散排列和收敛排列射线利用率相差19%，这就要求放射源应分散或平均排列，才能获得很好的生产效率。分区操作运行方式在4种放射源排列方法中的效率，与源超界操作方式一致，分散排列射线利用率高于收敛排列，最低相差10%、最高相差17%。相比前两种操作方式，换层操作运行方式的生产效率随吊篮高度的不同显示出不同的规律，当吊篮高度较小，即≤1.2 m时，放射源收敛排列的有效电荷量(19.35 C·s-1)最高，即生产效率最高，平均排列次之(17.90 C·s-1)，分散排列最低(17.04 C·s-1)；吊篮高度为1.4 m时，轻度收敛排列的有效电荷量(20.71 C·s-1)最高；吊篮高度>1.4 m且≤1.6 m时，放射源平均排列有效电荷量最高(21.46 C·s-1)，放射源不同排列方式射线利用率相差2%～20%。

比较3种辐照加工运行方式的射线利用率，换层操作>分区操作>源超界，与放射源的排列相比，辐照操作方法对辐照装置的射线利用率影响更大，操作方式之间射线利用率相差1%～93%(表6)。放射源的排列方式和操作方式不仅关系到能否充分发挥辐照装置的生产能力，同时还关系到辐照装置的经济效益，以一个装源量100万Ci的装置为例，如果采用源超界高度收敛排列运行方式，仅相当于装源量为85万Ci，直接损失约300万元/年，运行损失225万元/年；如果采用换层操作平均排列运行方式，可增加运行收益1 170万元/年，其效益非常可观。所以，在实际生产中企业应根据自身现实条件和现有基础选择合适的放射源排列方法和操作方式。

4结论

1) 3种运行方式的射线利用率由大到小依次为：换层操作>分区操作>源超界；

2) 吊篮高度≤1.2 m时，放射源4种排列方式的射线利用率由大到小依次为：高度收敛排列>轻度收敛排列>平均排列>分散排列；

3) 吊篮高度为1.4 m时，放射源4种排列方式的射线利用率由大到小依次为：轻度收敛排列>平均排列>高度收敛排列>分散排列；

4) 吊篮高度≥1.6 m时，放射源4种排列方式的射线利用率由大到小依次为：平均排列>轻度收敛排列>分散排列>高度收敛排列。

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