辐照的基本原理

出处：按学科分类—农业科学 中国轻工业出版社《肉类工业手册》第183页（4882字）

(一)辐照源

辐照源是辐照加工的最主要工具。适用于工业化生产的辐照源应符合下列要求：①功率大，剂量强度能满足工艺要求；②对大量物品的辐照应较均匀，射线较稳定；③便于操作、维护和安全防护；④不对被加工物产生放射性污染，也不使被加工物产生感生放射性；⑤设备投资和运行费用尽可能低。目前能较好地满足以上要求的辐照源主要是电子加速器产生的电子射线及放射性核素产生的γ射线。

1．放射性核素γ辐照源

能产生γ射线的放射性核素的种类很多，但能用于辐照加工的放射性核素源的半衰期要足够长。在辐照期间的射线强度几乎是恒定的，并能在较长时间内不进行补充；同时在使用时是安全可靠的，费用也应较低，并有足够的货源供应。能满足以上条件的放射性核素源至今只有⁶⁰Co及¹³⁷Cs两种。它们是依靠人工的方法制备而得的。⁶⁰Co是将自然界中稳定同位素⁵⁹Co金属制成棒状、长方形、薄片形、颗粒形或使用时所需的形状，置于高中子通量的反应堆的活性区中经中子一定时间照射，少量⁵⁹Co吸收一个中子后即生成⁶⁰Co辐照源。每克⁵⁹Co吸收一个中子后生成⁶⁰Co，其居里数正比于反应堆的中子通量并随照射时间的延长而提高。但由于反应堆所生成的⁶⁰Co辐照源同时也衰变着，所以对一定中子通量的⁶⁰Co辐照源的比度趋于一个极限值，那时生成的与衰变的⁶⁰Co辐照源正好相等。因此要生产高比度的⁶⁰Co辐照源，就需要高中子通量的反应堆，并辐照足够长的时间(表1－8－6)。¹³⁷Cs从核反应堆废料中提取作为辐照源使用时，它是以晶状CsCl盐形式提供。为了防止发生放射性污染，应用不锈钢套管包裹⁶⁰Co及¹³⁷Cs。

表1－8－6 经反应堆中子照射后得到辐照源的比度

60Co辐照源在衰变过程中每一个原子核放射出一个β粒子(0．306MeV)和两个能量不同的γ光子(1．17MeV及1．33MeV)，最后则变成稳定的同位素⁶⁰Co。¹³⁷Cs的β衰变有二级β粒子，一部分(8%)直接跃迁至Ba－137基级而放射出最大能量为1．18MeV的β射线，而另一部分(占92%)则跃迁至Ba－137的激发能级而放出最大能量为0．523MeV的β射线，再放出能量为0．66MeV的γ射线而跃迁到基态。母体射出β粒子后处于激发态的时间十分短暂(一般为10^－13s)，差不多马上就跃迁到基态而放出γ射线。由于β射线的穿透力很弱，一层不锈钢薄片就可以全部挡住，因此对被辐照的物质不起任何作用。由于⁶⁰Co具有γ射线的能量高(平均线为1．25MeV)，易于大量生产，价格较便宜，操作、使用与维护方便，并以金属状态存在，且可按使用需要制成不同形状等优点，因此它是目前肉类辐照加工中使用得最多的γ辐照源。表1－8－7所示为⁶⁰Co与¹³⁷Cs的性能比较。

表1－8－76⁰Co与¹³⁷Cs辐照源性能比较

2．电子加速器辐照源

电子加速器所产生的电子射线是目前发展最快的辐照源。由于它的功率大，价格低，射线能量可以控制，因此一度曾认为它与放射性核源相竞争。放射性核素γ辐照源与电子加速器相比有下列不同之处：

(1)放射性核素γ源所产生的γ射线的穿透力要比电子加速器所产生的电子射线高得多。⁶⁰Co所放出的γ射线(平均能量为1．25MeV)，在水中的半衰层(剂量减少一半的厚度)达11cm之厚，而1．25MeV的电子在水中的穿透能力只有0．4cm。因而γ射线能用于辐照较厚的物体，而电子射线只能用于照射薄膜、薄壁电缆或物体的表面。但电子加速器的功率很大，最大可达到100kW以上。因此射线的剂量率高达100kGy／s以上，甚至可达1000kGy／s，而3．7×10¹⁷Bq的⁶⁰Co源的输出功率只有1．59kW。

(2)γ辐照源的剂量均匀性(最大剂量与最小剂量之比，是剂量分布变化大小的度量)要比加速器所产生的电子射线好得多。加速器输出的电子束穿过物质时的最大射程与该物质的密度成反比，与电子束的能量成正比。在电子射程(R)内，被辐照物质的吸收剂量是不均匀的，约在1／3R处为最大，在约2／3R处吸收剂量与表面剂量大体相等。这一区域被称为电子有效穿透区域，并把2／3R的厚度作为照射的适宜厚度。其深度剂量分布曲线的形状与被照射材质及电子的能量有关。2MeV电子在普通塑料中最大剂量与最小剂量(表面剂量)的比例为1．6，这是电子辐照剂均匀性的极限。而在γ射线辐照情况下，由于γ射线有较大的穿透性及通过改进源的设计能使剂量分布较为均匀。

(3)γ辐照源对不同的几何形状的可变性较强，而电子加速器由于受到安装在辐照室的辐照窗的形状及位置限制，对于辐照器的形状难以改变。

(4)γ辐照源即使不使用时仍在继续衰变，而加速器可根据生产要求而随时开停车。

(5)早期的加速器的稳定性较差，现在加速器能持久稳定地运转。然而高功率的电子加速器还必须进行仔细地维修及进行必要的零部件替换，而放射性同位素源的输出功率十分稳定。

(6)对相同功率的辐照而言，电子加速器的建源投资费用要比放射性核素γ源便宜6～7倍，运转费用便宜2倍。虽然输出相同功率时，电子加速器的建源费用与操作费用均要比⁶⁰Co的γ辐照源便宜得多，但由于⁶⁰Co的γ射线的穿透力大大高于加速电子，因此它是目前对肉类照射惟一可选择使用的辐照源。无论使用γ辐照源或电子加速器，工业上应用时被辐照材料必须不会由此而产生感生放射性。因而γ射线与加速电子的能量必须低于产生r·n和e·n核反应的阈值(10MeV)。⁶⁰Co的γ射线能量远远低于此阈值。

X射线机所发出的是连续能谱，其设备较为简单。同时可用滤色片把低能部分滤去而得到较为单一的X线束，给研究工作带来很大的方便。但其能量利用率低，很不经济，因而至今还未应用到工业生产中。

(二)辐射作用的原理

电离辐射物通过食品时，在电离辐射物与分子级和原子级的食品粒子之间有撞击现象。当来自撞击的能量足以使电子从原子轨道移去时，即导致产生离子对。当撞击现象提供足够能量使原子之间的化学键分裂时，即发生分子变化，重要的后果是形成游离基。游离基为分子的一部分原子团或具有不成对电子的单个原子。稳定分子几乎总是具有偶数电子的，不成对电子构型是极不稳定的形式。所以游离基较大的趋势是相互起反应或与其它分子起反应，使其奇数电子成对和达到稳定性。离子对的形成、游离基、游离基与其它分子的反应，游离基的重新组合及有关的物理化学现象为微生物、酶和食品组分在辐射过程中起变化提供了理论依据。

1．直接作用

就活细胞和组织而言，来自辐射物的破坏作用和变异，主要是由于高能量射线和粒子与细胞的生命中心直接接触所致，有如子弹击中目标一样。肉类经照射后能长期保存，主要是由于γ射线与特殊色素或蛋白质分子直接撞击而引起的。这种造成微生物直接伤害的原因如下：

(1)微生物细胞核受辐射破坏，丧失了DNA或RNA的合成能力；

(2)细胞膜因照射发生性质的改变。其一是使细胞膜脆化，导致通透力改变，造成细胞内容物渗出到细胞外，尤其是水分的渗入，甚至可胀破细胞。其二是细胞对离子的选择性改变，使微生物细胞丧失了营养的摄取和废物的排泄功能。其三是构成细胞的触酶游离，使细胞内的DNA与组成成分被分解；

(3)内质网因照射而膨胀，使微生物细胞核内外信息的沟通受阻；

(4)线粒体膜变脆，穿透力增强，使细胞的能量代谢受阻而致使微生物死亡。

2．间接作用

辐射使微生物本身及其周围环境中的水分子电离而造成微生物的死亡。水分子对辐射很敏感。当接受了射线的能量后，水分子首先被激活，然后由活化了的水分子和食品中的其它成分发生反应。水被辐射的最后产物是氢气和过氧化氢等，形成机制很复杂。现已知的中间产物有以下三种：

(1)水合电子(eaq)；

(2)氢氧基(OH·)；

(3)氢基(H·)。

后两者是游离基。这些中间产物能在不同的途径中进行反应。其反应的可能途径如下：

eaq+H₂O→H·+OH·

OH·+OH·→H₂O₂ 两个氢氧基形成过氧化氢

H·+O₂→·HO₂ 一个氢基加上溶解氧可获得过氧化物基

·HO₂+·HO₂→H₂O₂+O₂ 两个过氧化物基产生过氧化氢

过氧化氢是一种强氧化剂和生物毒素。氢氧基和氢基分别为强氧化剂和还原剂，它们能与有机物料起反应，并且大体上改变分子结构。因活细胞和肉类物料大都是水，由辐照物赋予此溶剂活力，促使微生物发生致死或准致死的辐照效应。

电离辐照杀灭微生物一般以一定杀灭率所需要的吸收剂量(Gy，曾用rad，1rad=10^－2Gy)来表示，通常以杀死微生物数的90%计，即残存微生物数下降到原数的10%时，所需用的剂量，并用D₀表示。

式中 N₀——最初微生物数

N——使用D剂量后残留的微生物数

D——初期剂量，kGy

D₀——微生物残存数减到原数的10%时的剂量，kGy

微生物种类不同，对辐照敏感性也各不相同，因而D₀不同。例如大肠杆菌在肉汁培养基中的D₀为0．1～0．2kGy；荧光杆菌在肉汁培养基中的D₀为0．6kGy；梭状肉毒芽孢杆菌B53－型在咸肉罐头中的D₀为2．04kGy。

表1－8－8 肉中腐败菌对辐照的耐受性

注：1rad=10^－2Gy。

表1－8－9γ－杀死各种微生物及毒素所用最低剂量

注：病毒颗粒在悬浮液中为109个／mL。