钴-60源与辐射技术
60Co γ-Ray Source and Radiation Technology
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收稿日期: 2019-05-6 接受日期: 2019-05-26
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Received: 2019-05-6 Accepted: 2019-05-26
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介绍了钴-60源及其在辐射化学基础研究、无机纳米材料的辐射还原制备、高分子材料的辐射合成与改性及核反应堆与核燃料循环中的辐射化学等方面的科学研究,以及在工业、农业和医疗领域中的辐射加工应用。由此期望引导公众去正确地了解和认识辐射技术,使辐射技术更好地为人类服务。
关键词:
The 60Co source and its application in scientific research, such as the radiation synthesis of inorganic nanomaterials, the radiation synthesis and modification of polymeric materials, and radiation chemistry in nuclear reactors and nuclear fuel cycle, are introduced in this paper. Furthermore, the practical applications of the 60Co source in industry, agriculture and medical treatment are also presented. It is expected to guide the public to understand correctly the radiation technology so as to better serve human beings.
Keywords:
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林廷睿, 彭静, 翟茂林.
LIN Tingrui.
钴-60 (60Co)作为一种人工放射性核素,是目前最常用的γ射线辐射源。以它为基础的辐射技术,是核技术应用领域的重要组成部分,涉及到农业、工业、医疗等国民经济众多领域,取得了良好的社会经济效益。本文通过介绍60Co辐射源、辐射技术及其应用,旨在使公众能够更好地了解辐射技术,正确对待核辐射技术的应用。
1 60Co源介绍
1.1 60Co的来源与性质
60Co核素是质子数为27、质量数为60的一类原子,它是由质子数为27、质量数为59的59Co核素放入核反应堆中,经强中子流辐照使其原子核捕获一个中子(
表1 电磁波谱的有关参数[4]
电磁波 | 能量/eV | 频率/Hz | 波长 |
γ射线区 | > 2.5 × 105 | > 6.0 × 1019 | < 5 pm |
X射线区 | 2.5 × 105–1.2 × 102 | 6.0 × 1019–3.0 × 1016 | 0.005–10 nm |
真空紫外光区 | 1.2 × 102–6.2 | 3.0 × 1016–1.5 × 1015 | 10–200 nm |
近紫外区 | 6.2–3.1 | 1.5 × 1015–7.5 × 1014 | 200–400 nm |
可见光区 | 3.1–1.6 | 7.5 × 1014–3.8 × 1014 | 400–800 nm |
近红外光区 | 1.6–0.50 | 3.8 × 1014–1.2 × 1014 | 0.8–2.5 μm |
中红外光区 | 0.50–2.5 × 10-2 | 1.2 × 1014–6.0 × 1012 | 2.5–50 μm |
远红外光区 | 2.5 × 10-2–1.2 × 10-3 | 6.0 × 1012–3.0 × 1011 | 50–1000 μm |
微波区 | 1.2 × 10-3–4.1 × 10-6 | 3.0 × 1011–1.0 × 109 | 1–300 mm |
无线电波区 | < 4.1 × 10-6 | < 1.0 × 109 | > 300 mm |
图1
值得注意的是,γ射线对人体有很强的损伤作用,它会电离或激发人体内的生物大分子(如核酸、蛋白质),使之性质发生改变,从而导致相应的细胞功能及代谢亦遭受破坏。在γ射线辐射下,人体的DNA链的复制会受到阻碍甚至发生断裂,同时人体内的大量水分子会发生电离或激发产生·OH和·H等自由基继而攻击体内的生物大分子。表2列出人体受到不同剂量辐射后诱发人体组织损伤与造成人体死亡的时间。因此,在涉及γ射线的场合中必须做好安全防护措施,比如用铅板、铅罐和铅衣等作为防护用具。
表2 人体受到γ射线不同剂量辐照时诱发的综合征和死亡时间[5]
全身吸收剂量/Gy * | 造成死亡的主要效应 | 辐照后死亡时间/天 |
3–5 | 骨髓损伤(LD50/60) ** | 30–60 |
3–5 | 胃肠道及肺损伤 | 10–20 |
> 15 | 神经系统损伤 | 1–5 |
*吸收剂量指单位质量被辐照物质吸收的平均能量,国际单位为Gy,即J·kg-1** LD50/60表示预计使一半的个体在60天内死亡所需的剂量
1.2 60Co源的结构及其辐照装置
通常将60Co核素加工成棒状包裹在不锈钢管中并组装成圆环状或平板状,便得到60Co源(简称钴源) (图2)。由于60Co核素衰变产生的β射线被不锈钢外壳阻挡,因此60Co源发射出的射线只有γ射线,被作为γ辐射源使用。钴源的结构形状多样,将多根钴棒均匀排布成环状形成的圆环状钴源,通常用于实验研究或小型辐射加工;而平板状钴源将多根钴棒平行地固定在矩形不锈钢架上,一般用于工业化辐照加工。
图2
因为γ射线能量高且穿透能力强,所以钴源辐照装置需要具有很好的屏蔽性。钴源的辐照装置一般分为干法和湿法两类。干法装置是将钴源存储在屏蔽容器中,辐照时用传动装置将其移出屏蔽容器。这种装置优点是安排紧凑,但缺点是可供辐照空间小且可供选择的剂量率少(单位时间内的吸收剂量称为剂量率)。而湿法装置是将钴源存储在约4米深水井中(水作为屏蔽物),辐照时用传动装置将其移出水井[6]。湿法装置的优点是装卸源方便、可供辐照空间大,可以辐照较大体积的样品以及可供选择的剂量率多,因而应用更加广泛。此外,除了自屏蔽钴源装置外,两种装置的辐照室须以足够厚的高密度混凝土墙作为屏蔽层,同时具有通风设施除去辐照过程中产生的臭氧和热量,以及迷宫通道和相应厚度的门与安全区、操作室相连(图3)。
图3
2 利用60Co源开展的辐射化学科学研究
2.1 辐射化学基础研究
当使用钴源辐照物质时,它发射的γ射线与物质会发生相互作用,产生光电效应、康普顿效应和电子对生成等效应。通过上述过程,γ射线将它们的全部或部分能量传递给介质中的束缚电子产生次级电子从而引发辐射化学反应,而入射γ光子本身消失或被散射,但其他未发生相互作用的γ光子则可穿透吸收层(图4)。此外,不同于紫外光与物质相互作用时只有光子能量与介质激发能级相匹配时才能发生吸收引发光化学反应,γ射线与物质作用时是无选择性的,故几乎所有物质都能与γ射线发生相互作用产生辐射化学反应。因此,利用钴源可以开展一系列辐射化学的基础与应用研究。
图4
许多化学或辐射化学进行的反应都是在水溶液中,所以对水的γ射线辐射效应的研究有重大意义。水在γ射线辐照时,会辐解生成水合电子(
并且,在pH = 3–11时,水每吸收100 eV的γ射线辐射能量分别生成2.7、0.55、2.7、0.026、2.7、0.45和0.71个
在水溶液反应体系中,利用γ射线辐解水生成的氧化或还原产物能够引起各种氧化或还原反应,而其自由基产物也能够引起有机物的抽氢反应和加成反应等等。例如,由空气饱和的0.4 mol·L-1 H2SO4、0.001 mol·L-1 NaCl和0.001 mol·L-1 (NH4)2Fe(SO4)2组成的硫酸亚铁(Frick)剂量计溶液在γ射线辐射下生成的·OH、HO2·和H2O2可将Fe2+氧化为Fe3+,基于该体系的氧化还原反应常用来标定辐射场的剂量率。
2.2 无机纳米材料的辐射还原法制备
纳米材料是指具有纳米尺度(1–100 nm)粒子构成的并具有特殊性能的材料,因其所具有的表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧穿效应而在力学、热学、磁学、光学、电学和催化等领域有着广泛的应用。与其他制备纳米粒子的方法相比,γ射线辐射还原法有着可在常温甚至低温下进行、工艺简单和易于调控等优点。
在γ射线辐照下,水辐解产生的
2.3 高分子材料的辐射合成与改性
高分子材料在现代社会中无处不在,我们的衣食住行处处都离不开它们。钴源在制备高性能高分子材料方面同样也有着重要的应用,并由此诞生了高分子辐射化学这一重要的辐射化学分支学科。
当γ射线与高分子相互作用时,聚合物的分子链上会产生自由基,这些自由基作为活性位点可引发接枝、交联和降解等反应(图5)。这些高分子在固态下的反应利用普通化学法通常是很难做到的。因此,γ射线辐射技术极大地拓宽了高分子材料的加工改性空间。
图5
2.4 核反应堆与核燃料循环中的辐射化学研究
在核反应堆和核燃料循环体系中存在有强的放射性核素,导致核燃料循环中乏燃料后处理体系的萃取剂、核反应堆中材料的辐射稳定性是不可忽略的问题。利用钴源的γ射线可对乏燃料体系中的萃取剂、核反应堆中材料的辐射稳定性和辐解机理进行研究,可为解决核反应堆和核燃料体系中遇到的问题提供思路与方案。
3 60Co源的应用
3.1 工业应用
基于钴源的γ射线与物质发生的相互作用,使之在工业中有着广泛的应用,尤其在材料辐射加工和射线工业电子计算机断层扫描(CT)无损检测等领域。
由于辐射加工通常在室温下进行,无须外加热源,环境污染小,被认为是绿色加工技术。辐射加工产业为我国带来了巨大的经济产值,目前已经形成了以辐照交联线缆和热缩材料及制品为主,发泡材料、膜材料、印染涂料、超吸水材料、新型复合材料逐步上规模的产业格局。其中,辐射交联电线电缆的原理主要是利用聚烯烃类聚合物的辐射交联反应来实现对其改性,与过氧化物法、硅烷水热法等传统化学法相比具有适用基材广、挤出成型容易、机械性能优、使用寿命长等一系列优点[24],因此辐射法有着很大的竞争优势。而热缩材料又称高分子形状记忆材料,是由聚乙烯、聚氯乙烯等结晶型线性高分子经辐射交联后变成网状结构而具备有独特“记忆效应”的一类材料,而这种改性方式用传统化学方法是很难实现的[24]。
由于γ射线具有很强的穿透性,所以可利用其对物体某一定厚度的层面进行扫描,再经探测器检测和计算机处理从而得到物体的内部图像。比如,基于γ射线的以CT为代表的技术在工业无损检测和逆向工程中发挥着重大的作用[34]。
3.2 农业应用
钴源的γ射线辐射技术在农业上同样有着广泛的应用,主要集中在植物辐射诱变育种、农产品辐射加工等方面。主要原理是基于钴源的γ射线与生物活性物质作用会产生死亡、基因突变、抑制生长、失活等一系列生物效应。
当γ射线辐照农产品或食品时,会杀死寄生在农产品或食品表面的病原微生物和寄生虫,从而减少农产品或食品的腐坏变质。因此,利用钴源的γ射线对农产品或食品的辐射加工有着很大的利用价值。不过,虽然辐射加工农产品或食品有很多优越性,但不是所有农产品或食品都可以这样处理的,需要考虑其食用安全性,因此各国都制定有严格的有关辐照农产品或食品的法律。根据相关统计,2015年我国对农产品和食品的辐射加工量超过40万吨,占全球总量70万吨的一半以上,年产值超过180亿元[34]。
3.3 医疗应用
核技术在疾病的预防、诊断和治疗中有着重要的应用,而辐射技术作为核技术里重要的成员同样在医疗领域中有着举足轻重的地位。
例如,因钴源的γ射线辐射能够杀死各种菌类,故而在医疗及卫生用品的辐射灭菌上占有着很大的分量。在医疗器械及卫生用品的灭菌方面,目前普遍采用的方法有环氧乙烷熏蒸法、高温蒸汽蒸煮法和辐射灭菌法[7]。其中,第一种环氧乙烷熏蒸法会造成可致细胞突变的环氧乙烷的残留危害,而第二种高温蒸汽蒸煮法的能耗非常大。与前两种方法相比,辐射灭菌法不但没有任何有害物残留,而且可在常温下进行,所以其得到了广泛应用。尽管目前国内辐射灭菌法还不能完全取代前两种,但已经占到绝大多数的份额。
4 结语
60Co源γ射线辐射技术不仅在科学研究中占有重要的地位,而且在工业、农业和医疗等领域同样有着广阔的应用空间,为国家社会的发展带来了巨大的益处。可以预见,辐射技术未来必将会有更加广泛的应用。我们不仅应加强辐射技术的研究,而且应加大辐射技术的推广与宣传力度,让它能够更好地服务于人类社会。
参考文献
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DOI:10.1039/c2jm32231e [本文引用: 1]
DOI:10.1007/s10853-014-8286-0 [本文引用: 1]
DOI:10.1039/c2jm16722k [本文引用: 1]
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DOI:10.1021/acsami.8b11377 [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.memsci.2007.03.042 [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.carbpol.2004.04.003 [本文引用: 1]
DOI:10.1021/bm0342739 [本文引用: 1]
DOI:10.1039/C4CP04294H [本文引用: 1]
DOI:10.1002/app.45404 [本文引用: 1]
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