辐照技术（共12篇）
辐照技术 篇1
0 引言
CCD探测器因其众多优点在航天遥感相机上得到广泛应用。而由于其外围电路采用集成电路器件(如FPGA、AD等)及自身为高灵敏度特性的固态成像器件,使CCD探测器及其外围电路易受空间辐射的影响。
国内外大量资料表明,CCD探测器在太空工作一段时间经辐照后,会出现图像数据信噪比变小,热像素增多等性能退化现象,这直接影响到航天遥感相机的工作精度和有效寿命;瞬态效应产生的伪星点使航天遥感相机出现工作异常,甚至使航天遥感相机致盲而被迫转入安全模式;空间辐射环境的高能粒子还会对CCD探测器的外围数字电路产生单粒子事件,使其不能工作,降低航天遥感相机的可靠性。因此研究空间辐射对CCD探测器的影响并采取相应的对策已是当务之急[1,2]。
本文概述了空间辐射环境对CCD探测器的辐射效应和机理尤其瞬态效应做了分析和总结,在此基础上结合国外研究成果探讨了相应防护对策。
1 空间辐射环境
空间辐射环境由多种粒子组成,其能量和通量连续,其中既有相对稳定的因素,如太阳风、捕获带和GCR,又有太阳耀斑和CME等爆发因素。根据造成损伤的粒子多少可将辐射效应分为单粒子事件(SEE)、累积效应、电离总剂量效应(TID)、位移损伤(DD)和航天器内外带电等等。CCD探测器的辐射环境不仅与高光谱遥感相机的轨道参数有关,还受太阳活动的影响,在针对其它天体的深空探测时,还要考虑目标天体的空间辐射情况。空间辐射剂量与航天器轨道的关系见表1[3,4]。
表1不同轨道的辐射剂量(参见右栏)
2 航天CCD相机基本组成和工作原理
航天CCD相机的电子系统一般包括焦平面组件电路和视频处理器。焦平面组件电路为CCD探测器提供电源、偏压和驱动脉冲,将CCD探测器输出的N路视频信号经缓冲,分别以差分方式输出。视频处理器完成以下功能:由焦平面组件电路送来的多路视频信号,分别经缓冲、去CCD信号处理电路(或称模数转换电路),经过程控放大、相关双采样、箝位和模数转换,变成数字信号;视频处理器还具有时序发生器功能,为CCD探测器提供驱动时序;视频处理器还可以接收外部送来的命令(如增益等),对整个相机进行控制。下图为航天CCD相机电路框图。
3 CCD探测器辐射测量原理
CCD探测器辐射测量装置由CCD焦面组件、时序控制板、信号处理板及后续数据采集系统及辐射源、挡板等装置组成。CCD焦面组件安装在特制的电路板上,电路板镀铜散热,时序控制板和电源板提供CCD探测器的驱动时序和偏压,信号处理板将视频板输出模拟视频信号转换为数字图象信号。数据采集系统包括16位量化的数字图像采集卡和图像分析处理软件,图像分析处理软件可以接收存储序列图像、图像数据RTS分析及收集曝光时间、计算图像线性度、测量CTI、暗电流与偏置电压特性关系分析。
以TH7890M为受试芯片,TH7890M芯片参数为512×512像元,像元大小为17μm×17μm,相机工作在帧转移模式,分上下半区,上下半区分别有各自的感光区、存储区,TH7890M探测器有两个输出端口,可以由两个端口输出也可以由一个端口输出,我们采用一个输出端口,行转移4μs,像素转移时间1μs,辐射源为10M质子束和60M质子束及Cobalt60,试验采取偏置方案,即探测器感光靶面用一窗口挡板遮盖,以确保试验时只有露出的感光面可以接受辐射[5]。图2给出了辐射测量相机配置图
图3给出了TH7890M探测器辐射测量原理框图。
表2为辐射剂量表:
在进行总剂量辐射时,为了节省芯片与试验经费,采用辐射保护窗口遮盖探测器一部分,这样一个探测器就可以参与多次试验。图4为辐射窗口配置示意图。
图4辐射保护窗口配置示意图(参见右栏)
4 试验结果
通过数据采集系统采集、接收、存储辐照试验前后的序列图像,图像分析处理软件可以分析计算图像的暗电流、线性度、CTI等与偏置电压的特性关系。
图5绘出了TH7890M器件的点光源照明下的线性度,均匀照明提供了满阱电荷能力,表明辐射并没有引起器件性能的显著改变。
CCD响应度/PRNU测试,通过钨灯平板光源近似均匀照明。分三种情况:1)没有滤光片,宽波段照明;2)绿滤光片(540nm,10nm宽);3)红滤光片(610nm,10nm宽)。图6到图7给出了同一个芯片的PRNU图和CTI图(在某些情况下,用钴60辐照),下图说明了辐射破坏不显著影响CCD芯片的PRNU,绿光影响最大,PRNU最差。(图中不同颜色指示均匀近似平板滤光)
需要注意的是,由于芯片栅极结构,粒子辐射损害在绝缘层引起一定的电荷积累,随总剂量效应增加,势阱界面电荷积聚增加,这种效果导致CCD上的有效电压改变,其中一个很重要的参数是ФCh0,零级门电压的通道势能,这个数值对于TH7890M器件大概是10V或11V。试验结果表明,辐射损害在感兴趣的水平内对CCD响应没有显著影响。
摘要：CCD探测器是一类高灵敏度光电器件,其作为关键元器件在航天CCD相机上有着广泛的应用,但是它易受空间辐射的影响而造成性能退化和工作异常。分析CCD探测器的辐射效应机理并制定相应的防护对策,既是当前可靠性提高的基础,也是今后高性能航天CCD相机发展的必然要求。文章分析了空间辐射效应机理对CCD探测器产生的影响,更进一步对影响CCD探测器较为严重的瞬态效应做了较为深入的探讨。
关键词：空间辐射环境,辐射效应,瞬态效应
参考文献
[1]周建涛,蔡伟,武延鹏,等.星敏感器空间辐射效应研究[J].宇航学报,2010,31(1):24-30.
[2]祁章年,陈湄,李向高.卫星舱内宇宙辐射剂量测量与分析[J].宇航学报,1993(4):56-60.
[3]胡刚毅.微电子器件的抗辐射加固和高可靠技术[J].微电子学,2003,33(3):224-231.
[4]杨晓超,王世金,王月,等.太阳同步轨道空间粒子辐射剂量探测与研究[J].宇航学报,2008,29(1):357-361
[5]siraelectro-optics.Radiation Testing of CCD&APSImaging Devices[R/OL].17 June 2003.https://escies.org/download/webDocumentFileid=844
辐照技术 篇2
辐照技术在城市固体废弃物资源化中的应用
摘要：介绍了我国团体废弃物的.分布处理现状及存在问题,对辐射技术在污泥、建筑垃圾及高分子固体垃圾等方面废弃物资源化中的应用进行了综述,探讨了辐射技术在固体废弃物资源化方面的应用前景.作 者：郑勇 郭晓亚 ZHENG Yong GUO Xiao-ya 作者单位：上海大学化工系,上海,00 期 刊：江苏环境科技 ISTIC Journal：JIANGSU ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：, 21(2) 分类号：X2 关键词：辐射 固体废弃物 资源化
辐照，福照？ 篇3
辐照，加工技术的第三次革命
辐照加工技术被誉为人类加工技术的第三次革命，它有别于传统的机械加工和热加工技术，是利用电子加速器产生的β射线或放射性同位素钴-60产生的γ射线辐照不同物质从而产生物理、化学、生物效应，使被辐照物质的物理性能和化学组成发生变化，让它变成人们所需要的一种新物质，或使生物体受到不可恢复的损失和破坏，达到人们所需要的目标。目前，不管是高分子材料间的聚合或是裂变，还是农业上的杀灭害虫、医学上的消除病菌，都可利用辐照技术来实现。
随着技术水平的提高，人们对辐照技术的认识在不断深化，辐照加工产业队伍日渐壮大，北美、欧洲的辐照加工产品应用已十分广泛，亚洲、南美洲甚至比较落后的非洲，都相继有不少装置投入使用，我国的食品及医疗保健用品灭菌加工也开始大量运用辐照加工技术。
辐照技术的放射源释放的射线有很强的穿透力，能够深入到物质内部进行“加工”，而且这种加工只需在常温下就可以进行。由于加工者是高能射线以及由它引发的高度活性中间物，而不是分子热运动，因此，能耗低且无残留物，可谓十分环保。因其反应易于控制，加工流程简单，被大量应用于产业化、规模化的生产等，还可为某些采用常规处理方法难以去除的污染物提供了新的净化途径。
医疗产品采用辐照消毒，灭菌彻底，价格便宜且无污染，如今已发展成为一种不可代替的新技术，形成了一定的产业规模，特别在国际上对医疗产品几乎全面废止采用化学消毒灭菌的办法后，辐照杀毒更有着不可替代的意义。我国是全球医疗器械十大新兴市场之一，已成为除日本以外亚洲最大的市场。随着蒙特尔国际环保公约的生效，生产企业已在逐步淘汰ETO法灭菌，转而采用辐照灭菌法。
对于食物的加工，目前市场上采用的灭菌方法有很多，例如高温高压法和气体熏蒸法，然而，这些方法有着灭菌不彻底或是可能产生致癌物质等这样那样的缺点，长期食用可能对身体造成伤害。辐照加工，是继前两种方法之后，人们用于食物灭菌的新方法，脱水蔬菜、方便面调料及真空包装的熟肉制品、保健饮料等食物的灭菌，都可采用此技术。自1998年国家规定市场上所有出售的辐照食品必须贴上辐照食品标识后，辐照食品逐渐被消费者所认识和接受。然而，近年来一些辐照食品的负面影响带来了消费者不同的看法。
食品加工用辐照？
不久前，辐照企业的防腐加工被曝出“潜规则”，一些厂家为逐利，对食品进行超标辐照以延长保质期，也有厂家不按规定标识辐照食品便上市销售，像真空包装的泡椒凤爪，这种产品在国内几乎都经过了辐照处理，但市面上不少泡椒凤爪产品都无“辐照”标识，除此之外还有加工过程中存在违规操作现象等等，引起了人们的关注。
其实，按照国家强制性标准《预包装食品标签通则》明确规定，经电离辐射线或电离能量处理过的食品，必须在食品名称附近标明“辐照食品”，这也是对消费者知情权的保护。但是，由于消费者对辐照产品存在猜疑，不少厂家怕引发消费者的误会、影响销售，所以不愿意明确标明。
据了解，我国辐照食品每年产量达30万吨以上，包括果蔬、调料、包装食品等在内，占据全球同类产品产量近三分之一。而且从1984年起，我国经卫生部批准允许食用消费的辐照食品就有马铃薯、洋葱、大蒜、花生、谷物、蘑菇、香肠等7种。发展到目前，我国已批准的辐照食品已覆盖了谷类、豆类制品，干果果脯类，熟畜禽类，冷冻包装禽、畜肉类，香辛料类，新鲜水果、蔬菜6大类，基本覆盖了人们日常食用的常见品种。可以说，辐照食品早就出现在我们的餐桌上。不过，一提到辐照，很多人易望文生义，直接就联想到核辐射，甚至想到了致癌，那么，这种技术为何会被用到食品的加工上？
原来，食品在接受照射时，不直接与放射源接触，因此食品不存在带有放射性的问题。辐照过程不添加化学物质，食品不会被污染，安全性得到保障。通过辐照，还可以少用些防腐剂，并延长保质期。与高温灭菌一样，辐照不会产生放射性，其射线能量不足以激发被照物产生放射性的残留。全球第一家商业食品辐照工厂于1991年在美国佛罗里达州开业，专门从事土豆辐照处理，辐照源是钴-60。此后，全世界多个国家对多种食品进行了辐照处理研究，相继建立了辐射站。
广东药学院营养与食品卫生系主任王晓波教授指出，国内外对辐照技术的研究已经进行了几十年，对其使用早有严格的法规标准，并从保护公众知情权的角度，对这类食品的标识提出统一要求，但关于辐照技术的知识普及却相对落后，不少人误以为这种加工技术跟核辐射污染有关。
“有些企业称怕引起人们误解，所以不在食品上明确标识，其实这种躲躲闪闪的做法更易适得其反。”王晓波认为，在加强辐照技术科普的基础上，通过多渠道让消费者了解辐照食品安全性并保障其知情权，更有利于消除公众疑虑，逐渐取得消费者的信任。虽然多数企业能按规操作，但不可否认的是这方面的监管仍存在空白，部分企业缺乏责任感，造成实际执行上“有法不依”的现象仍然存在。王晓波呼吁各相关管理层面应尽快完善辐照食品的管理和监测体系。
目前，辐照技术已经被包括英美和我国之内的五十多个国家广泛用于各种食品加工中。我国对辐照技术的使用有严格的规定。国家规定的辐照剂量范围，按不同的加工目的而定，防腐、消毒、杀菌，需要不一样的剂量，用10kGy以下的剂量处理任何食物都不会产生有毒物质。大量的卫生安全实验也证明，在规定剂量范围内辐照的食品不会引起营养和微生物方面的问题，也不会影响食品原味和原有口感。
环保中的“福”照
环境问题是目前世界人民共同关注的重要问题，各个国家都意识到保护环境是当前一个根本性主题。为寻求更好更有效的污染物处理方法，各国尝试了很多科技研究，辐照处理方法作为一种安全环保的技术，越来越受到人们的重视。上世纪70年代开始，辐照技术在环保中的应用研究开始起步，并逐步进行了有效的工艺实验。
电子束作为辐射类型的一种，因其工艺技术适用范围广泛，日渐成为环境保护的重要手段之一。从20世纪70年代，人们开始用电子束辐照法处理生活污水和工业废水，它可使水中产生活性物质，像是羟自由基，可气化和分解水中有机污染物，有效地杀死水中微生物。该法可明显消除城市污水中的TOC、COD、并灭除污水中的病原体等。其中，COD去除率可达到65%～80%。与传统的水处理方法——活化污泥法相比，电子辐照技术是一项更有效的污水处理技术，将辐照技术与普通废水处理技术联用，具有协同效应，可进一步提高处理效果。
在自然环境中，污泥含有大量的能量与生物价值，是优良的农田肥料和土壤改良剂。但污泥由于有致病的细菌、寄生虫而不能被直接利用，常用的堆肥法、热消毒或化学处理等方法，消毒效果均不十分彻底与稳定。用γ—射线或电子束辐照，是一种很有效的解决方法。
美国于1976年在波士顿的Deer岛建成一座电子束污泥辐照厂，效果十分显著。污泥经辐照灭菌后，可作为肥料直接在农田中使用。德国、日本等国家都设有处理污泥的辐照装置，并获得良好的效果。
食品辐照技术与食品质量安全 篇4
食品辐照技术起源于19世纪50年代,在世界卫生组织(WHO)于1983年和1998年指出辐照食品没有毒理学、营养学以及微生物学方面的问题,国际食品法典委员会(CAC)于1984年通过“辐照食品通用标准”、“辐照食品推荐规程”等标准之后,辐照食品引起了国际组织和各国政府的广泛关注,食品辐照保藏也得到了迅速发展。
食品辐照技术
食品辐照技术是运用X射线、Y射线或电子高速射线辐射食品,使食品中生物体产生物理或化学反应,抑制或破坏其新陈代谢和生长发育,甚至使细胞组织死亡,从而达到消毒灭菌、延长食品贮藏销售时间、减少损失的目的的一种技术。因其不产热,又被称为“冷巴斯德杀菌法”(cold pasteurization)。
辐照保藏不同于化学熏蒸法、腌制法,不需要加入添加物,与加热、冷冻等方法一样,是一种物理保藏法,且属于冷处理技术,具有许多传统保藏法不可比拟的优点:
(1)射线穿透力强,可对预先包装好的或烹调好的食品通过剂量控制和辐照工艺进行均匀彻底处理,相比于热处理杀菌,辐照过程更易控制;
(2)辐照处理是“冷加工”,可保持食品原有的鲜度和风味,有的甚至可提高食品的工艺质量;
(3)辐照食品不会留下任何残留物,不污染环境,可提高食品卫生质量并有利于环保;
(4)节省能源,与热处理、干燥和冷冻保藏食品法相比,能耗降低几倍到十几倍;
(5)可对包装、捆扎好的食品进行杀菌处理,消除了在食品生产和制备过程中可能出现的严重交叉污染问题;
(6)杀菌效果好,并可通过调整辐照剂量达到对各类食品杀菌的要求;
(7)辐照灭菌速度快,操作简便,加工易控制,可连续加工,既经济,又省力,适于大规模加工。
辐照杀菌机理对食品的影响
食品辐照对活细胞有直接作用与间接作用两种影响。直接作用是活细胞中的生物分子直接受到射线辐照的作用而吸收辐射能量并导致机体损伤的作用过程,其中脱氧核酸所受影响最大。如果辐照首先与机体中的水分子作用,产生氢原子、羟自由基、水合电子等活性粒子,这些活性粒子再与生物分子如蛋白质、核酸、酶等作用,致使生物体的功能、代谢与结构发生变化而遭受损伤,这种作用过程为间接作用。由于活细胞均含有大量水份,辐照产生的总效应中通常主要是间接作用所产生的效应,除非在极端情况下,如干燥及冷冻情况下,直接作用才有可能成为主要的作用过程。
辐照导致的直接和间接的影响可以对细菌产生近乎致命的伤害,使得细菌对周围环境特别敏感(如热、酸性、冷冻等等)。
食品辐照技术研究进展
◆国外进展
自1875年伦琴(Roentgen)发现X射线以来,人们逐渐发现辐射对生物体具有一定的影响,进而对辐射的理论基础与应用研究越来越广泛和深入。
(引自:[日本《原子能视野》2003年5月刊报道]李韦华译)
◆国内动态
我国目前拥有γ射线辐照装置150多座,其中设计装源容量1.11×1016Bq以上的Co-60辐照装置有60余座;设计装源容量1.11×1016Bq以下的装置有80余座;全国实际装源容量约为48.1×1016Bq;电子辐照加速器目前已达到了45台,总功率达2005kw。其中90%的辐照装置都在不断地进行食品辐照保藏研究与生产加工。
我国在辐照食品的研究与推广方面位居亚洲领先地位。从1958年开始进行辐照保鲜研究至今,已在辐照食品的生产工艺、卫生安全、辐照装置和剂量检测等方面做了大量工作。至今,我国已有28个省、市、自治区的200多个单位对禽蛋、肉类、水产品等20多种食品已通过技术鉴定。在这些大量科研成果的基础上,卫生部于1984至1994年间先后批准颁布了马铃薯、洋葱、大蒜等18种辐照食品的卫生标准。1996年又正式颁布了“辐照食品卫生管理办法”,1997年公布了“辐照食品类别卫生标准”,以进一步对进口食品、食物、原料以及国内36大类食品进行辐照处理。目前,已商业化应用的领域主要包括:辐照大蒜(抑制发芽),其次是脱水蔬菜、香料调味品、营养品等的杀虫灭菌。1995～1998年每年的辐照食品数量均在4万吨以上。我国在进出口的粮食、水果、饲料的辐照检疫处理方面也有一定的应用。
食品辐照技术的应用及辐照食品安全性探讨
在控制食物污染、疾病传播和食品保藏等方面,辐照技术已经得到较为广泛的应用,并且取得了较大的经济效益。表2列举了辐照技术在食品保藏方面的一些应用。
通常,高分子(例如糖类,蛋白质和脂肪)不易受辐照的影响。维生素B是对辐照最敏感的维生素之一,但是食品辐照并不会引起食物中的维生素B的损失。FDA认为,辐照膳食中的营养素不会受到严重破坏,美国饮食协会也支持这一结论。
需指出的是,辐照食品与放射性核素的粉尘污染截然不同,放射性核污染是指含有放射性核素的粉尘污染了食品和其它物质,如Sr-90、Cs-137是毒性较大的人工放射性核素,其半衰期分别为28年和33.2年。一旦使用,经其污染的食品就会造成内辐射,对人体危害极大.而辐照食品是利用射线(通常是γ射线)来照射食品以杀虫杀菌,抑制酶的活性,由于被照食品没有直接接触放射性同位素,因此不会污染放射性物质。同时,在食品辐照中采用的低能量射线很难使食品中的元素产生诱变,与核污染完全不同。另外,食品辐照也不会引起感生放射性。
辐照技术的检测
1989年,IAEA组织了为期5年的辐照食品分析检测方法国际协调研究,将辐照食品检测方法由实验室研究推向了实际应用。目前,热释光法、ESR法以及化学法等己在国际贸易中被使用。此外,针对食品在辐照过程中产生的独特细微的物理化学变化及生物学迹象,开展了大量的分析测试研究,提出了一批有潜力的方法,如高效液相色谱检测法(HPLC)、激光成像检测法、核磁共振(NMR)及化学发光法等。还有一些新的检测方法也正在考证中。如在食品辐照过程中会产生自由基和生物大分子碎片(如DNA,碎片等),依据辐照前后DNA等生物大分子的分子量的变化,可采用分子排阻色谱,RAPD和DNA凝胶电泳色谱等方法进行辐照食品检测和鉴别。
这些方法的建立,提供了鉴定食品是否已被辐照和测定辐照食品吸收剂量的方法,而且强化了有关辐照食品的国家标准,提高消费者对辐照食品的信任度,推动了食品辐照技术的研究和发展,辐照食品的检测己成为辐照技术中非常活跃的研究领域之一。
辐照食品展望
规模工业辐照企业辐射安全 篇5
规模工业辐照企业辐射安全
规模化和国际化是当今国内辐射加工企业追求的目标,同样也要体现在辐射安全管理中,规模化是指安全管理体系规范而又严密形成一个系统;国际化是指辐射安全管理项也是国际认证一个重要项.
作 者：王建昌 朱南康 滕维芳 刘炳喜 作者单位：215007,苏州大学辐照技术研究所 刊 名：中华放射医学与防护杂志 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF RADIOLOGICAL MEDICINE AND PROTECTION 年，卷(期)： 25(2) 分类号： 关键词：辐照食品，就在你身边 篇6
所谓辐照食品，就是利用放射性钴的伽玛射线、X射线或高能量的电子束等穿透食物，使其中的水分和各种营养物质发生电离作用，以抑制蔬菜的萌芽，并能消毒、杀虫和防止霉变，利于食品长期保鲜。目前，辐照技术已被全世界广泛应用于食品、保健品和卫生材料的保质及高分子材料的改性等方面。用辐照办法处理过的肉类食品，其致病性微生物如霉菌、大肠杆菌、芽胞杆菌、沙门氏菌、葡萄球菌可全部被杀死。保存期可长达一年。土豆、洋葱、大蒜、姜、胡萝卜和红薯等根茎类蔬菜经辐照后，能避免发芽变质；辣椒、茄子、黄瓜、蒜苗、豆角、白菜等蔬菜经辐照后，可抑制腐烂，延长贮藏期；对板栗、香蕉、草莓、荔枝、柑橘、梨子、橙子进行辐照，可延长其成熟过程，便于长时保鲜和长途运输；对一些中药材和保健食品、脱水蔬菜、方便面调料等实施辐照，可防止细菌传播和变质。
与传统的消毒灭菌方式相比，辐照具有不使商品升温、灭菌彻底且不受物品包装和形态的限制，不损害物品的外观品质和内在特性，安全可靠、操作简单、应用范围广、节约能源和不污染环境等优势。
辐照技术与固体废弃物资源化 篇7
关键词：辐射,固体废弃物,资源化
固体废弃物资源化的基本任务是采取工艺措施从固体废弃物中回收一切当前可利用的组分, 它具有原料的廉价性、永久性和普遍性的特点, 是固体废弃物处理的最佳选择和主要归宿。在我国, 不仅固体废弃物问题形势严峻, 资源形势也不容乐观, 集中表现在人均资源低于世界平均水平, 利用率低, 浪费严重, 很大一部分资源没有发挥效益, 形成了新的废弃物。
一方面资源危机, 另一方面浪费巨大, 造成严重的环境问题。固体废弃物的最终出路在于废弃物的资源化。在我国, 固体废弃物资源化工作已日益受到重视, 但在综合利用的技术水平上比发达国家要落后许多。
1 我国固体废弃物的分布及处理现状
1.1 分布
近年来, 我国固体废弃物堆放量已达70多亿t, 每年城市排放固体废弃物约20亿t, 且还以每年10%的速率增加。固体废弃物种类繁多, 分为工业废弃物、农林业废弃物、建筑垃圾、医疗卫生垃圾、交通运输垃圾以及来自居民生活、街道保洁、商业、机关等部门的固体废弃物, 其中后四种被我们习惯称为城市生活垃圾。随着人口的增长和人民生活水平的提高, 每天产生的固体废弃物也随之增长, 生活垃圾增长的百分比也越来越大。我国每年产生200～300万t废钢铁、600万t废纸、200万t废玻璃、70万t废塑料、30万t废橡胶等, 每年造成的损失高到400～500亿元。固体废弃物是一种放错位置的可资源化综合利用的宝贵资源, 随着我国经济持续高速增长, 生产、销售、消费过程中产生的固体废弃物大量增加, 未经处理的废弃物直接排放大自然, 成为日趋严重的环境污染源。解决固体废弃物的无害化、减量化以及资源化的终端处理问题迫在眉睫。
1.2 处理现状及存在问题
目前, 我国固体废弃物处理的主要方法有无害化卫生填埋、焚烧、堆肥和部分综合利用法等。大多数城市均以无害化卫生填埋和焚烧法为主处理固体废弃物, 这些处理方法存在以下问题:
(1) 采用无害化卫生填埋或焚烧法处理固体废弃物, 使大量的可回收资源化综合利用的废塑料、废橡胶、废金属、废纸张、废玻璃、废纺织品和废石油化工渣料等宝贵的废弃物资源被填埋或焚烧掉了, 造成大量可利用资源的流失。
(2) 部分城市开展的固体废弃物无害化卫生填埋, 实际上只有少数真正按照固体废弃物无害化卫生填埋的技术规范要求进行了无害化卫生填埋, 大多数均因建设资金紧缺而“简单”地填埋了, 这样处理就为日后的土壤污染埋下了隐患。
(3) 焚烧法处理固体废弃物是世界先进国家处理固体废弃物的有效方法之一。国内研制开发的垃圾焚烧设备, 大多是用于焚烧医院固体废弃物的小型设备, 价格虽然较便宜, 但不适合固体废弃物的集中统一处理, 且存在垃圾焚后的废渣和余热再利用问题, 以及垃圾焚烧产生的 (二次) 大气污染问题。
由于目前存在的种种问题, 寻找制定固体废弃物资源化的处理模式, 最大限度地从各类固体废弃物中回收可综合利用的宝贵资源, 探索我国固体废弃物资源化的最优道路势在必行。
2 辐射技术在固体废弃物资源化中的应用
2.1 辐射技术定义及优点
辐射技术是指利用原子辐射和原子核辐射对物体进行加工的技术。辐射技术已成为继机械加工、热加工和化学加工等主要加工技术之后诞生的又一门新技术。它的应用范围非常广泛, 涉及到农业、化工、环保、食品、考古、电子技术、材料科学、生物、医学和遗传学等领域。
辐射对被辐照物体的结构分子产生多种作用, 这包括:交联、裂解、固化以及接枝改性等。辐射交联技术就是利用高能或电离辐射引发聚合物电离与激发, 从而产生一些次级反应, 进一步引起化学反应, 实现高分子间交联网络的形成, 是聚合物改性制备新型材料的有效手段之一。而裂解就是在高能或电离辐射中, 使得高聚物的共价键断裂, 产生自由基, 引发高聚物大分子裂解。辐射固化技术是通过各种电子加速器产生的高能电子束流, 对适当的热固性塑料树脂体系进行辐射, 引起被辐射物质发生物理或化学变化, 从而完成固化过程的工业技术。电子束固化技术与传统热固化工艺相比有着很多独特的优点, 如易于实现, 固化速度快, 固化温升小, 可消除材料残余应力, 增加了材料设计自由度, 塑料树脂的使用期显著提高。而辐射接枝是指在高能射线作用下, 使主干分子链与单体在侧链上发生聚合反应生成接枝共聚物的过程, 是通过改性制备新型材料的有效方法之一。
由于利用射线加工方式简单, 功能多样, 这使得它具有很多优点:节省能源、场地和材料;生产过程可以控制, 安全可靠, 产品质量高;对环境无污染;低成本, 高效益。
辐射技术能处理各种污染物, 只要调节辐射剂量就行。辐射处理时不需另加化学品, 不会引起新的污染, 即二次污染。有些污染物最终分解为二氧化碳和水, 不留污染痕迹。而且, 辐射对杀菌特别有效, 这也是其它方法不具备的。辐射还可以与其它方法结合达到最佳效果。辐射在聚合物处理过程中起着非常重要的作用, 许多发达国家已将辐射技术应用于城市固废资源化上。同时, 很多国家的科研机构、高等院校和工业部门正进行着大量辐射加工项目的开发研究和中间实验工作, 辐射加工作为一种新工艺、新技术越来越受到世界各国的重视。
2.2 辐射在固体废弃物处理中的应用
2.2.1 辐射在污泥处理中的应用
污泥中不仅含有N、P、K等肥料, 而且含有Mn、Zn、Gu等微量元素, 经过适当处理后可以作土壤调节剂、肥料补充剂及动物饲料添加剂。但是同时含有细菌、病毒等。辐射技术加上其他技术如沉降、化学改性等对污泥进行综合处理是解决污泥问题的最好出路。
美国匹兹堡Carnegie Mellon研究所环保研究中心开发了含油淤泥的脱油技术。研究结果表明:微波脱油处理系统比常规法快30倍, 系统体积比常规的乳液分离系统小90%。Imperial Pet roleum Recovery公司进一步开发了原油淤泥的脱油技术。其过程为:首先用微波辐射原始乳液, 然后再以连续流动方式离心分离。该装置处理能力为283.5L/min。分离得到高质量的油料, 含低固体量的水和糊状固体。油料回收率为98%, 残余固体可以填埋处理。
此外, 泰国啤酒工业产生的污泥经3kGy射线辐照后可用于喂鱼。越南用射线辐照河内市的污泥废物用作播种体的载体。
2.2.2 辐射在建筑垃圾处理中的应用
目前, 我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30%～40%。绝大部分建筑垃圾未经处理就被直接运到郊外或乡村, 采用露天堆放或填埋的方式进行处理, 而堆放和填埋则需耗用大量的征地、垃圾清运等建设投资, 同时, 清运和堆放过程中的遗撒和扬尘又加重了环境污染。传统的处理方法已不再适应建筑垃圾的迅猛增长, 且不符合可持续发展的战略。
建筑垃圾在城市垃圾中属最清洁的垃圾, 只要合理利用就不会产生二次污染。目前, 由于建筑工地很少对建筑垃圾分类, 加之生活垃圾也掺杂其中, 增大了建筑垃圾的污染性, 同时也加大了处理难度。
美国的CYCLEAN公司采用辐射技术可以100%地回收利用建筑垃圾, 再生旧沥青路面料, 其质量与新拌沥青路面料相同, 而成本可减低1/3, 同时节约了垃圾清运和处理等费用, 大大减轻了城市的环境污染。
2.2.3 辐射在高分子固体垃圾处理中的应用
高分子物质的辐射裂解包括的材料较多, 有天然高分子, 如甲壳素 (海产品垃圾蟹壳和虾壳的主要成分) 的辐射裂解, 纤维素 (农林业垃圾木材和农产品秸秆的主要成分) 的辐射裂解。上海大学应用辐射技术处理浆粕, 在低辐射剂量 (<10kGy) 浆粕经过辐照处理后, 在粘胶纤维的磺化过程中, CS2的用量减少约30%, 从而减少CS2的排放量, 用红外光谱技术证明辐射使得纤维素的结晶受到破坏, 从结构上说明辐照纤维素在化学试剂用量大量减少的情况下, 能用于生产合格的粘胶。
目前有许多研究工作集中在甲壳素辐射裂解, 而在上世纪70年代海湾战争后, 石油危机时, 西方国家投入大量资金, 研究纤维素的辐射裂解和转化为酒精燃料的工作。值得庆幸的是, 合成高分子材料的辐射裂解技术已经产业化, 市场上已有产品销售。如聚四氟乙烯 (PTFE) 的辐射裂解, 目前全球氟树脂的消费量约为12万t, 其中70%左右为PTFE。而我国每年大约有1000t左右的废旧PTFE有待回收利用。PTFE极其稳定, 在环境中几十年都不会降解, 给环境带来不利的影响;而且价格昂贵, 目前废旧PTFE的市场价格为5～10元/kg。所以, 回收利用废旧PTFE不但是有很高的经济价值, 而且还有深远的环境意义。而经过辐照的PTFE可以获得纳米级的粉末, 它是一种耐高温的有机润滑剂, 加入润滑油、润滑脂中, 可大大提高这些产品的质量。另外, 对废弃的聚四氟乙烯粉末进行辐照, 可作为制造墨水、衣服以及润滑剂的主要成分, 现在也成为工业界的一个热点。
丁基橡胶是制造汽车内胎的原料, 我国汽车的保有量逐年快速递增。从安全角度出发, 通常轮胎的使用年限很短, 每年报废的轮胎数量巨大。如何有效利用报废丁基内胎橡胶, 是一项非常有意义的工作。目前, 我国丁基橡胶的回收再利用已经达到了每年2000t的水平。在辐照剂量达到70kGy时, 可以明显增强原始橡胶树脂和回收橡胶混合物的可塑性质, 而像拉长等其他物理性质在这个剂量下只是稍微减弱。商业产品中的橡胶树脂25%是基于被回收利用的橡胶, 目前也确定将其用于屋顶和船上的防水材料上。另外, 整个回收利用过程相当环保, 几乎没有污染。
2.2.4 辐射在其他方面的应用
除了上述各方面之外, 辐射在其他固体废弃物资源化应用中也取得了一定的成绩。例如:在固体毛织品废弃物中, 通过辐照隐藏的绵羊脂肪腺提取油脂材料, 这种材料净化后可用于化妆品、医药材料及婴儿护理产品中, 达到最大程度的回收利用;利用废弃的聚丙烯 (PP) 和三元乙丙橡胶 (含双环戊二稀, EPDM) , 在混合物一系列不同比率下用γ射线进行辐照, 可以增加其凝胶程度, 使得E P D M发生化学交联, 交联的E P D M以比较均匀的颗粒分散于PP连续相中, 既可增大橡胶在合金中的硬度, 又解决了流动性差的问题, 能够用于注射成型, 尤其是满足注射大型或者薄壁制件的加工需要。在一定比率下, 两种混合物的物理特征得到改进, 而在其他比率下也可能被裂解;在对高密度聚乙烯 (H D P E) 和聚丙烯 (P P) 固体混合废弃物的辐照分离回收利用中, 柠檬精油、异丙基等都是高密度聚乙烯典型的辐照产物。
目前国内外辐射技术在污泥、橡胶、纺织工业等固体垃圾处理方面得到了较为广泛的应用, 也取得了很好的成绩和商业效果, 但在农林业、城市生活垃圾方面应用尚且不多。因此, 开拓辐射技术在固体废弃物资源化中的应用还大有可为。
3 展望
辐照技术 篇8
一、高吸水性树脂及其特性
高吸水树脂又称水凝胶、超强吸水剂, 是一种含羟基、羧基等强亲水性基团, 并具有一定交联度的水溶胀型的高分子聚合物。能够吸收相当于自身重量几百倍甚至几千倍的水, 且吸水膨胀后生成的凝胶具有良好的吸水性和保水性, 并有一定的生物适应性及对外界刺激的应变性, 因此被广泛地应用于农业、医药卫生、建筑、工业、食品加工、人工智能材料、日用品等方面。
二、高吸水性树脂在农业上的应用
高吸水树脂的吸水性、保水性极为优良, 且具有反复吸水功能, 吸水后膨胀为水凝胶, 可缓慢释放水分供作物吸收利用。其溶于水后溶液呈弱碱性或弱酸性, 无毒、无刺激性, 使用安全。在农田抗旱保水、作物保苗增产及花木生产等方面有广阔的应用前景, 是一种新型的土壤改良剂和农业抗旱节水材料。当吸水树脂混入土壤时, 土壤的吸水性和保水性得以提高, 并使土壤形成团粒结构, 疏松多孔, 增加了土壤的透水性和通气性, 改善了水分在土壤中的移动性, 使有效水分得以延长, 并能降低土壤的昼夜温差, 而且还能提高土壤的吸肥、保肥能力, 有利于植物的生长发育。因此, 被广泛用于植物生育促进剂、植物生长促进剂、苗木移植保存剂、农业薄膜、温室栽培和无土栽培等。
三、国内外研究发展概况
1974年, 高吸水性树脂在美国实现了工业化生产, 随后日本用重金购买美国专利后进行了新产品开发, 并成为目前生产和出口高吸水性树脂最多的国家。德国、法国、英国、俄罗斯等国家也都进行了大量的开发研究并广泛应用于农业生产。我国对高吸水性树脂开发研究晚于发达国家, 自上世纪80年代开始进行研究和生产, 至今在农林生产、园林建设等多方面得到应用并取得了良好的效果, 成为节水农业技术体系的一个重要组成部分。
四、高吸水性树脂的辐照聚合
高吸水性树脂合成的原理是自由基引发聚合, 可分为亲水性单体均聚、共聚和接枝亲水性单体共聚。其聚合方法以化学合成法为主, 加工过程不仅需要添加化学引发剂, 还需要加热、控温, 工艺复杂, 操作困难, 能源消耗大, 引发剂有污染, 残留在聚合物中难以除去, 不利于环保。
与化学合成法相比, 辐照聚合法是利用钴-60辐照装置产生的γ射线照射, 引发单体、接枝原料产生自由基, 使单体与单体或单体与接枝原料聚合形成网状结构的高分子吸水材料。其优点显而易见:首先, 可以不需加引发剂, 产品更加纯净;其次, 聚合反应可在常温或低温下进行, 聚合反应速率与产物分子量可通过辐照剂量和剂量率加以调节;最后, 聚合反应可在体系中均匀进行, 避免局部过热和不均匀反应。因此, 辐射聚合法工艺简单、容易控制、节约能源, 在加工过程中不带入任何杂质, 无环境污染问题, 是一种先进性、技术含量高、环保的聚合加工方法。
五、农用高吸水性树脂的使用方法
由于我国水资源十分贫乏, 水土流失严重, 荒漠化土地日趋扩展, 并且我国正处于工业化、城市化的加速发展阶段, 因此, 城市草坪业和花卉业将有巨大的发展空间。吸水树脂作为土壤改良剂, 保水保肥剂、种子及苗木移植涂覆剂在农业、林业、园林绿化、改造沙漠等方面将起着重要的作用。现将农用高吸水树脂的具体使用方法介绍如下:
1. 土壤处理
(1) 拌土树脂直接或吸胀后与土混匀, 装盆作盆栽用土。
(2) 沟施将吸水树脂与种子一起撒在种植沟中, 然后覆土、浇水;或在树冠滴水线内开挖环状沟, 将树脂施于环状沟内, 施后盖土、浇水。
(3) 穴施将吸水树脂撒入穴内, 然后播种、覆土、浇水。
(4) 地面撒施将吸水树脂直接撒在地面上, 然后铺设草皮或大面积直播栽植。
(5) 地面喷施将吸水树脂配成溶液, 喷洒在地面形成一层薄膜, 可减少地面蒸发。
2. 种子包衣、涂层
将吸水树脂配成糊状粘液, 与种子混合, 静置, 然后捞出种子, 摊开晾干, 待种子表面形成一层树脂薄膜包衣后, 即可播种。
3. 种子造粒
将吸水树脂、微肥、农药等按比例混合, 与种子一起在制丸机中造粒, 可使小粒种子大粒化, 适于精量播种。
4. 根部涂层吸水树脂加水吸胀成水凝胶, 将植物根部浸入吸附水凝胶保湿, 便于植物长途运输和移栽。
六、农用高吸水性树脂的发展趋势
高分子吸水性树脂按原料可分成淀粉系列、纤维素系列和合成树脂三大类。淀粉系列和纤维素系列高吸水性树脂是指用淀粉或纤维素与乙烯基单体制得的吸水性接枝共聚树脂。由于淀粉和纤维素资源丰富、价格低廉, 因此淀粉系列和纤维素系列吸水性树脂生产成本较低, 且具有较好的生物降解性, 在自然界形成可良好的循环, 不会产生环境污染, 是一种绿色产品, 在农业上具有广阔的应用前景。而一些农副产品, 如秸秆、农作物加工废料、造纸黑液等产品, 既含有大量纤维、淀粉, 又会有很好的土壤营养成分和腐殖质等物质, 可通过对其改性, 进行功能化共聚, 开发适用于农林业的多功能、价格低的新型高吸水性树脂, 变废为宝, 具有很高的环保意义和经济意义。
辐照技术 篇9
一、四种灭菌方法及其原理
1. 热压法。
在不锈钢的容器里, 采用加压和电加热空气对流使气温上升, 一般灭菌110℃, 60分钟;杀死细菌芽孢160℃, 90分钟。加热使微生物蛋白质凝固或热力透入细胞膜使之胀裂出浆死亡, 灭菌效果好。不足之处, 能耗大, 温度不宜均匀, 商品温度高 (110℃以上) , 对热敏产品如塑料制品则不适用。
2. 微波法。
是频率2450兆赫 (MH2) , 功率10KW的电磁波发射装置, 因其能量达不到形成一个离子对所需的能量, 所以, 称非电离辐射。微波可使微生物中极性分子形成电偶极子, 并且随微波电场方向改变而高速转动, 使其周围不转或转速不高的分子碰撞、摩擦, 产生热, 致使微生物温度快速升高, 使蛋白质、DNA变性和酶失去活性而死亡。
3. 环氧乙烷熏蒸法。
环氧乙烷液体的沸点10.8℃。具有不锈钢内腔, 气动密封门结构的密闭容器, 体积由30m3、50m3等, 温度为3～100℃可控, 湿度80%可控, 功率4～6KW, 用量为1kg/m3。优点是适用于忌热物品常用灭菌法;缺点是污染环境, 污染产品。根据国际环保条约, 蒙特利尔议定书, 发达国家2005年禁止使用, 到2015年全部禁用。
4. 电子束辐照法。
高能电子束与微生物周围物质或微生物体内水分相互作用, 激发和电离, 产生水化电子和各种自由基等活性物质与细胞膜、DNA、酶等进行氧化还原等作用, 使其失活;或电子束直接破坏DNA使其断裂、缺损而不能修复, 使其死亡。此法优点是, 被辐照商品不升温, 可在原包装下辐照灭菌, 辐照不对商品产生有毒有害物质, 无环保问题, 因此称为绿色产业。
二、适用范围
四种灭菌方法对当前出口较多的四种商品灭菌适用范围如表1。
1. 动植物贺卡。
一般已用塑料薄膜密封包装, 所以热压法不适用, 环氧乙烷法因无法透入, 也无能为力。微波法, 因瞬时加热, 可用, 但灭菌不彻底。电子束辐照法最适用, 但注意辐照剂量不宜过高, 否则会引起某些包装材料变浅黄色。
2. 化妆品用松花粉。
一般用涂膜纸盒 (铝盒) 包装, 环氧乙烷无法透入, 热压法温度110℃以上引起松花粉变质不能食用。微波法金属包装不适用, 涂膜纸盒可用, 但体积不宜过大, 否则微波透入不均匀, 灭菌效果差。电子束辐照灭菌则无此问题, 完全适用。
3. 幼儿玩具。
大部分是用高分子塑料制成, 体积较大又不规则, 一般不宜采用热压法和微波法灭菌。可用环氧乙烷法灭菌, 但有药物残留又污染环境。为此用电子束灭菌效果较好。
4. 妇幼用品。
妇幼用品如一次性使用妇女卫生用品, 幼儿卫生用品灭菌, 原则上四种方法都可以使用。但是热压法灭菌时间长, 加温降温往往需要一天时间, 工艺繁琐, 又耗能源;微波法限于穿透力, 往往要改包装, 灭菌不彻底 (70-90%) 。环氧乙烷法经济, 灭菌彻底, 完全适用, 唯一缺点是有残留、环保问题。电子束辐照灭菌, 无上述问题效果最佳, 缺点是投资大, 灭菌成本高。
三、技术经济分析
1. 成本。
建造四种灭菌方法车间的厂房, 设备, 仓库, 辅助设施等固定资产投资和年运转费用和收益, 根据近年来市场报价和有关单位资料和文献, 如表2。
2. 技术经济分析。从表2, 并结合表1, 作如下分析。
(1) 灭菌车间建造。生产厂出口需灭菌商品日产量300箱 (40*30*20cm) 以上, 建议投资建适合灭菌方法的车间, 从表2投资90～1540万即可建立, 从表3日处理量和单价, 不难算出投资满负荷运转1.5年即可回收成本。假使厂商在建造灭菌车间时, 还可利用现有设备, 如仓库、辅助设施等, 则建造成本还可以降低25～45%, 其年运转费用还可以降低, 则投资回收期将低于1.5年。
(2) 委托灭菌。生产厂出口需灭菌商品日产量小于100箱, 往往采用委托灭菌加工。从加工成本看, 采用环氧乙烷法最低, 每箱委托灭菌加工费为6元, 为电子束辐照法的一半。但是采用此法要考虑内包装和外包装均可透过环氧乙烷, 有的在包装容器 (如薄膜, 涂膜铝等) 要留好环氧乙烷透入窗口, 这样就需要改包装, 增加了成本, 往往是改包装的费用 (材料、人工、设备) 每箱超过6元。何况环氧乙烷灭菌消毒时间长, 有残留。为此, 不少厂商还是采用电子束灭菌方法。
四、小结
通过技术经济分析, 对当前出口的动植物贺卡、化妆用松花粉、幼儿玩具、妇婴用品的四种商品灭菌, 采用热压法、微波法、环氧乙烷法和电子束辐照法四种方法对比。对日产量300箱以上的厂商, 建议选择自建适合的车间进行灭菌, 对日产量100箱以下的厂商可进行委托加工灭菌, 考虑综合因素还是采用电子束辐照灭菌方法为佳。
参考文献
[1].王宝琴, 药凤荷主编.60COΥ射线辐照中药质量评价.中国药品生物制品检定所, 北京.1996.1-23
耐辐照塑料光纤的设计 篇10
随着空间技术的发展,迫切需要一种在辐照环境下仍能正常传输信号的光纤。人们对耐辐照石英光纤做了大量的研究[1,2,3,4],取得了不小的进展。然而石英光纤由于其材质的原因,在卫星发射的猛烈震动下容易断裂(特别是作为光传输通道用的粗光纤),因而耐辐照石英光纤不能满足空间技术应用的要求。而塑料的硬度很高,倘若用塑料取代石英,制作耐辐照塑料光纤,那么这个问题就可以迎刃而解了。目前,研究耐辐照塑料光纤的机构很少。美国佛罗里达大学Stan研究组致力于闪烁光纤的耐辐照研究[5,6],虽然闪烁光纤也是用塑料做成的,但其提出的方案不能直接应用于耐辐照塑料光纤。比如,他们提出用聚硅氧烷系列材料来代替聚苯乙烯做纤芯,但实际上聚硅氧烷系列材料的透明度不是特别高,损耗比较大,不适合做光纤的材料;并且这种材料的硬度比较低,因而也不适合空间技术的应用。本课题组在塑料光纤的辐照效应方面做了一些基础工作[7,8,9,10], 但仅仅给出了普通塑料光纤在辐照下的光信号透过率的变化,而没有给出如何预防或减小这种变化的方法。我们对耐辐照塑料光纤的设计作了一些尝试性研究,提出两种可以从根本上提高塑料光纤耐辐照能力的方案。
1 聚合物的辐照效应
高能辐照作用于聚合物将会在聚合物分子内部产生电离和激发,从而导致一系列辐照效应:分子链之间形成化学键——辐照交联;大分子主链断裂,平均分子量下降——辐照裂解;不饱和键含量发生变化;氧化及产生一些陷落自由基;释放出气体;产生异构化和环化反应等。这些变化过程可以同时发生,各种过程进行的相对速度取决于聚合物的化学性质。这些变化都可能导致聚合物材料物性方面的改变,如结晶度、玻璃化转变温度、熔点、密度、溶解性能、电性能、弹性模量、抗张强度、硬度、透气性等。
以上变化中,最核心的是聚合物分子链的断裂和交联,这两种效应同时进行,但有些物质以断链为主,而有些物质以交联为主。辐照交联是聚合物分子之间通过键桥联在一起的现象,其结果是聚合物分子量随吸收剂量的增加而增大。辐照裂解是聚合物在高能辐照作用下主链发生断裂的过程,生成两个或多个较短的聚合物分子,结果是聚合物分子量随吸收剂量的增加而下降,甚至有些聚合物分子裂解变成单体分子。分子量的变化将导致物质熔点、硬度、密度、强度、特性黏度等的变化。辐照稳定性不但与聚合物内部的能量转移有关,还与分子的空间效应有关。
目前常用的塑料光纤纤芯材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)。塑料光纤在辐照下,由于分子结构的改变,光纤损耗会增大。为了研究辐照剂量与光纤损耗间的关系,我们观察了一根塑料光纤在不同剂量的辐照下信号的透过率,并与一根同规格的未被辐照的光纤的透过率进行比较,获得辐照感生的损耗,即:
式中Tr为辐照后的信号透过率,T0为辐照前的信号透过率。实验表明,在较低的辐照剂量(<102 Gy)下,光纤损耗较小,且基本上可以在5天内恢复,但当辐照剂量较大(>103 Gy),时,光纤损耗较大,恢复时间也增加了,并且一部分损耗是永久性的。例如,1 m长的PMMA塑料光纤在辐照剂量104 Gy下,将产生2.86 dB的初始损耗,尽管这些损耗有一部分可以得到恢复,但是最终还是有1.2 dB的永久性损耗。
2 金属共聚物设计方案
在有机聚合物材料中混入一定比例的金属氧化物[11,12,13],在一定条件下共聚,可以形成能吸收部分射线的材料。这些材料除了可以吸收射线,起到防护作用外,还可以改善材料的其它物理化学性能,如稳定性、硬度、玻璃化转变温度和折光指数等。
在透明树脂分子链中引入金属氧化物后需要考虑材料透光率问题。引入金属的有机材料,在某些混合比例条件下会变得半透明甚至完全不透明,这种现象叫分相。因此,需要研究不同单体比例下,共聚材料的透光率变化,并用相图的形式来表示。在确定各种单体的配比时,需要参照该相图,确保共聚材料的高透光率。实验表明,在金属氧化物含量不是很高,质量分数低于30%的情况下,共聚物的透光率在可见光和红外波段变化不大(略有减低,但金属质量分数越高,减低程度会增大),而紫外波段透光率很低。但是,考虑到实际应用中塑料光纤工作在可见光或850 nm窗口,在这些波段金属材料对信号光的吸收很小,因而该方案可行性是很大的。
镉(Cd)、铅(Pb)、钡(Ba)、钆(Gd)以及镝(Dy)形成的金属有机共聚物具有较好的射线吸收能力。其中,镉对x射线和热中子的吸收很强,铅、钡、钆、镝对x射线和γ射线的吸收很强。金属有机共聚物对射线的吸收视金属在共聚物中的质量分数而定。金属的质量分数越高,则吸收越强。10%铅的共聚物可以吸收99.8%的x射线和2.3%～4.4%的γ射线;24%铅的共聚物可以吸收近100%的x射线和10.0%～15.2%的γ射线。钆、镝有机共聚物吸收射线的能力更强,0.5%钆的共聚物可以吸收86%的x射线和4.8%～16.5%的γ射线;2%钆的共聚物可以吸收92.9%的x射线和5.5%～24.6%的γ射线。因此,在透光率、工艺、成本等兼顾的情况下,可考虑适当提高金属的质量分数。
考虑到金属有机共聚物在拉丝工艺上的困难,可以考虑用这种材料作包层,而纤芯还是用传统的聚合物材料来制作。由于钆和镝属于稀土金属,比较昂贵,这里主要考虑铅和钡的金属共聚物。甲基丙烯酸铅(Pb(MA)2)、甲基丙烯酸(MA)、 苯乙烯(St)的共聚物折射率为1.52～1.57;肉桂酸钡(Ba(CA)2)、MA、St的共聚物折射率为1.55～1.59。可见含铅共聚物的折射率小于PS(聚苯乙烯)的折射率(1.58～1.60),但大于PMMA的折射率(1.49～1.50)。因此,选用Pb(MA)2、MA和St的共聚物做包层,PS做纤芯。
实验证明,当三者的质量百分比为20%∶40%∶40%时,竞聚率为0.2,因而可以实现很好的共聚,且这种配比的共聚物在相图上是透明的,因而可以很好地应用于实际中。
3 有机材料添加剂设计方案
裂解断链是聚合物的主要辐照效应,这一效应导致了聚合物材料的稳定性发生变化,并最终引起塑料光纤的损耗增大。多年以来,科学家和工程师们致力于防塑料降解的研究,提出了一些切实可行的方案,其中采用有机材料添加剂的方案可以在塑料光纤中应用。
有机材料添加剂在辐照激发下,会与聚合物单体竞争,吸收辐照能量,起到保护聚合物材料的作用。这种保护的实质是一种能量的转移。因此,只要被辐照激发的聚合物分子有相对较长的寿命,在它们发生断链以前,能量可以分散于整个大分子结构,这些能量就可以为这些添加剂所吸收。
在PMMA中引入10%的有机添加剂,如烯丙基硫脲、二间甲苯基硫脲、苯胺、8-羧基喹啉或苯基喹啉,都能对PMMA起到保护作用。由于PMMA的辐照效应主要体现在分子链断裂降解,因此可以用分子量变化的情况来反映其受辐照的影响程度。表1列出了各种添加剂对PMMA断链降解的保护情况,其中保护系数S定义如下:
式中Re为在无添加剂时产生给定分子量变化所需的辐照剂量,R为在有添加剂情况下产生同样分子量变化所需的辐照剂量。表1中的单位剂量是指在密度为1017/cm2的慢中子流下辐照16 h。
注:1) PMMA的原始平均分子量约为3.5×106。
从表1中可以看出,不同的添加剂对PMMA的降解有不同程度的保护作用,其中,二间甲苯基硫脲和苯基喹啉的保护作用最为明显。将这种添加剂引入塑料光纤,可以减小聚合物的断链,提高光纤的稳定性,降低光纤的辐照感生损耗。保护系数S越大,光纤感生损耗越小。因此,可以用这两种添加剂中的一种掺入PMMA,制作耐辐照塑料光纤。
跟引入金属氧化物相比,采用有机添加剂的方案有两个优点:a.重金属往往有毒,特别是铅,其毒性很大,因而用重金属氧化物做成的耐辐照光纤在人流比较多的场合要慎用,而有机添加剂是没有毒性的;b.金属质量很大,引入金属氧化物后,塑料光纤质量增加从而影响其应用,因而在同样的性能下,有机添加剂的方案更可行。
4 结 论
本文分析了塑料以及塑料光纤在辐照下的效应,提出了两种耐辐照塑料光纤的设计方案,第一种方案利用塑料和金属氧化物的共聚物做包层,PS做纤芯。由于金属可以吸收一部分射线,这种塑料光纤有一定的耐辐照作用。第二种方案采用在聚合物中引入有机添加剂,这些添加剂能够与聚合物单体竞争吸收辐照能量,有利于保持聚合物分子的稳定性,因而也能起到较好的耐辐照作用。这两种方案的核心思路都是能量的转移,通过吸收射线,保持塑料光纤性能的稳定,从而起到抗辐照的作用。
辐照食品欧盟检测标准及检测方法 篇11
关键词：辐照食品；鉴定标准；欧盟；检测方法
中图分类号：TS207 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）09-0051-03
食品辐照技术是一种新型食品储藏保鲜和加工技术。其采用辐射源产生的γ射线及加速器产生的高能电子束（EC）辐照农产品和食品，利用辐射化学和辐射生物学效应抑制發芽、推迟成熟、杀虫灭菌，达到提高食品卫生质量、保持营养品质及风味、延长货架期的目的。此法因具有冷加工处理、无二次污染和化学残留、能耗低等特点，在食品、农产品储藏保鲜等领域的应用越来越广泛。然而，辐照食品也存在一些潜在的安全性问题，尤其是随着进出口贸易的发展，辐照食品安全检测受到以欧盟为主的各国的广泛重视。
1 辐照食品技术发展概述
1980年10月，FAO、WHO和IAEA辐照食品联合专家委员会在汇总各国辐照食品研究成果的基础上，认为总体平均吸收剂量不超过10 kGy照射的任何食品不存在毒理学危险，不会产生特别的营养和微生物学的问题。辐照食品“国际安全线”的制定，对世界各国辐照食品的批准和商业化进程具有重大的推动作用。此后50多个国家批准200多种食品辐照，食品辐照的应用开始趋向商业化。
国际食品法典委员会（CAC）于1979年和1983年先后公布了推荐的国际食品辐射加工操作规范和国际辐照食品通用标准，并在2003年进行了修订。2011年国际标准化组织（ISO）发布了食品辐照标准ISO 14470—2011《食品辐照一食品辐照加工的开发、确认和常规控制》。
目前，全球超过57个国家批准应用食品辐照，然而从总体来看，辐照的商业化应用仍然有限。虽然欧洲和北美的食品辐照技术研发领先，但中国、东南亚及部分拉美国家的食品辐照的应用速度较快，比欧盟的进展明显快一些。
2 辐照食品检测原理
用电离辐射对食品进行辐照处理后，食品中的一些物质会发生细微变化，如分子电离、产生极端活性自由基、化学键破裂等，化学键和自由基通过反应后，会产生新的辐解产物。目前，在对食品进行辐照检测时，检测依据是对食品中微生物数量的变化、辐照食品过程中存在的物理变化和化学变化、辐照食品中特异辐解产物的产生等进行分析。
3 欧盟辐照食品检测标准
颁布辐照食品检测鉴定标准的国家和组织主要有欧盟、CAC和日本。欧盟建立了完善的检测鉴定标准体系。执行指令DIRECTIVE1999/3/EC规定在欧盟允许辐照的食品是干香草、香辛料和蔬菜调味品，并设定最大总体平均吸收剂量为10 kGy。为加强对辐照食品标签管理及检测未经批准产品的辐照问题，欧洲委员会批准了10项CEN辐照食品检测标准，详见表1。
在这10个检测标准中，EN13783-2001，EN13784-2001，EN14569-2004属于筛选方法，分别用直接荧光过滤、平板计数法、DNA彗星技术和LAL/GNB（内毒素法/革兰氏阴性菌微生物检测技术，其余属于不同类型食品的检测方法。
4 辐照食品鉴定检测方法
辐照食品鉴定方法分为化学分析法、生物学分检法和物理分析法三大类。物理方法主要有电子自旋共振光谱（ESR）检测法、热释光（TL）分析法、光致发光（PSL）检测法、黏度法、电阻抗法和近红外光谱法等；化学方法主要有挥发性碳氢化合物法、过氧化值法、2-烷基环丁酮法，σ-酪氨酸法和单细胞凝胶电泳法等；生物方法主要有直接荧光过滤技术/平板计数（DEFT/APC）法、DNA裂解产物检测法、内毒素/革兰氏阴性菌（LAL/GNB）法和种子发芽抑制法等。常用的分析方法及适用范围见表2。
4.1 电子自旋共振光谱检测法
电子自旋共振光谱检测法通过检测自由基来进行辐照食品鉴定，检测速度快、灵敏，适用于含骨类、结晶糖类和纤维素类食品检测，但检测灵敏度依赖于结晶结构的类型和数量，且设备昂贵。作为检测辐照食品极为快速有效的方法，已越来越多地被世界各国广泛使用。
4.2 热释光分析法
热释光分析法可判断能分离出矿物质的食品是否经过辐照处理，非常准确和灵敏，适用于可分离硅酸盐的所有食物，发光信号经数年不衰减，理论上可用于任何可分离出硅酸盐的辐照食品检测。但样品中的矿物含量、种类、辐照剂量、存储时间、空气、湿度、紫外光照、光热采样间隔等都影响TL信号。
4.3 光释光分析法
光释光分析法是一种应用激光成像技术检测辐照食品的检测方法。检测不破坏样品，因此整个样品或样品中的有机物和无机物都可以被反复测量。但同一种样品经反复测量处，光释光的信号就会减弱。
4.4 直接荧光过滤/平板计数法
直接荧光过滤/平板计数法可判别食品是否经过辐照处理，适用面广、费时少、操作方便。但非辐照加工过程也会出现类似结果，且灵敏度依赖食物初始含菌数量。
4.5 内毒素/革兰氏阴性菌法
内毒素/革兰氏阴性菌法是一种辐照食品检测的初筛方法，操作简单、费用少，适用于普通基层微生物实验室对辐照食品的初筛检测。缺点是非辐照加工过程也会出现类似结果，灵敏度依赖于食物初始含菌的数量和菌体内毒素的含量。但为一种初筛方法，阳性样品需要进一步确证。
4.6 DNA裂解产物检测法
DNA裂解产物检测法有潜力用于所有辐照食品检测。缺点是由于DNA片段可能是由其他方法得到，所以这只是一种筛选试验，其结果也须进一步验证。目前，该方法已成功应用于多种食品，包括动物食品和植物食品。
参考文献
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简易光谱辐照度测量监控装置 篇12
关键词：辐照度测量,ATMEGA48V,太阳能电池板
随着全球经济的发展, 能源问题已成为在发展进程中的重要问题。在新能源与可再生能源的构成中, 太阳能光伏发电成为了重要组成部分。而不论是在建设太阳能电站还是光伏建筑中, 我们都要得到在目标地区的光辐照数据, 对整个系统中太阳能板功率及蓄电池容量的选择和设计十分有必要。因此在建设之初就一定要在目标地区先测量出其辐照度作为我们参考是否可以建设以及怎么建设的该建筑的依据。同时装置还能对现有的太阳能电场进行数据的监控。
1、硬件设计
系统设计中所要测量的是转换为电平的光辐照度信号, 系统要求在野外长时间工作, 机构简单, 便于携带;单片机的片上功能尽可能完备, 满足所要测量的任务。经过比较选择了Atmega公司的RISC指令AVR单片机作为系统控制芯片。它的突出优点是高性能、超低功耗和功能集成。如图l是光辐照度测量仪器的框架图, 可以看出系统结构简单、外部设备得到了简化。
下面分别介绍下各部分的电路原理
1.1 Atmega48单片机的内部结构简介
Atmega48的工作电压l.8~5.5V, 有5种超低功耗工作模式可以切换到活动模式。常用的是外接普通的14.318KH或者32.768KHz的时钟晶振, 所用到的片上外围功能模块主要有:具有捕捉, 比较功能的16位定时器。可用于事件计数、时序发生、PWM生成等;23个可编程的I/O口;8通道10位逐次逼近型A/D转换器。Atmega48存储空间结构采用“冯诺依曼”体系, 程序存储器 (ROM) 、数据存储器 (RAM) 和外围模块由同一组地址和数据总线连接在同一个寻址空间中, 寻址空间共64K。其中RAM为8K, ROM为Flash型。
1.2 光传感单元设计
在测量阳光辐照度部分, 可选用TBQ-2总辐射表或者太阳能电池板作为测量单元。TBQ-2总辐射表可用来测量光谱范围为280~3000nm的太阳总辐射。通过电压放大, 输入到模拟乘法器MAX4211E得到功率值以电压形式输入到Atmega48单片机的ADC通道。如图2所示。
为了精确测量负载功率, 本文使用具有外部电阻分压器的MAX4211E, 将分压电阻R1、R2直接与负载相连, 电路如图2所示。其计算公式为:
这种设计能减小RSENSE功耗的影响, 提高测量负载功率的精度。图2中RSENSE为电流检测电阻。理想情况下, 最大负载电流在RSENSE两端产生满量程检测电压。只要选择合适的增益, 使电流检测放大器既能获得最大输出电压, 又不会出现饱和。在使得RS+端与RS-端之问的差分电压不超过满量程检测电压的情况下, 适当增加RSENSE的电阻值, 可提高USENSE, 有助于减小输出误差。
当选用电池板作为测量单元时, 系统设计就要考虑对其输出的电压进行分压, 并在最后计算时要考虑到分压比。
1.3 系统实时交互设计
除了测量光辐照度主要模块之外, 系统中还设计了实时时钟以及背板温度模块。时钟模块选用TI公司的DS1302串行时钟芯片, 这样每组测量结果便附上了当时的时间, 可以记录年、月、日、小时、分、秒、星期。有两个电源VCCl和VCC2, 一个为主电源, 当仪器上电时工作。另外一个为备份电源, 设计中选用一块3V的钮扣锂电池。由于有备份电源, 系统掉电后时钟芯片仍然能够工作。第一次调试时, 向时钟内部写入时间, 以后时钟便可以准确计时。背板温度模块我们选用的是DS18B20芯片, 具有体积小, 功耗低精度高, 易于单片机接口等优点, 采用寄生电源技术不用外接电压。
为了便于现场观测.系统中还有控制键盘和液晶显示模块.在电路中加入两个个按键, 当有键按下时, 与之相连的PD引脚电平变低, 触发PD2或PD3口cp断, 在中断服务程序里来实现相应的时间、光辐照度的测量和显示, 显示格式为固定小数点, 显示芯片为8位SMS0801段式串行液晶。
利用Atmega48的读写口实现串行异步通信.单片机与上位机之间的数据传送经过RS485收发器.选用MAX3485E芯片, 3.3V低电压供电, 半双工。由于485为差分平衡方式进行号传输.因此具有传输距离远、可有效防止噪声信号干扰的特点。
1.4 逻辑电平匹配
由于Atmega48为3.3V供电, 而一些芯片需要±5V供电。故此系统中存在两种工作电压。系统中使用了Atmega48芯片的内部A/D转换功能, 因此在AVCC引脚处要加上5V电压, 并且在其参考电压引脚ARFF处要选择合适的电压。Atmega48的I/O电平与5VTTL电平兼容。但与5V的CMOS标准器件相连时要仔细分析。当单片机输出驱动5V标准CMOS器件时常用一些电平移位器件如双电源电平移位器LVC4245或74LVC07等来达到电平匹配;当5VCMOS电平输驱动单片机时。可以采用稳压管或电阻分压来保证输入单片的电压在3.3V之内。
2、软件设计
AtmegaAVR系列单片机的程序使用配套的开发环境AVR Studio开发, 它同时支持汇编语言和C语言编程。用汇编编写的代码效率高, 但是开发周期长、代码维护困难;而目前单片机的C语言开发是比较流行和常用的方法, 本次设计中使用C语言来开发单片机程序。由于具有Flash存储器.利用单片机本身的JTAG接口, 通过Atmega公司所带的仿真器AVRISP可以方便的进行程序调试和代码下载。
在系统的软件设计中, 采用模块化设计方法, 各模块之问相对独立, 这样可以使得程序结构清晰, 便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件由主程序、定时器中断服务程序、键盘中断服务程序、数据采集处理子程序、实时时钟程序、显示程序、串行通信程序等模块构成。
主程序首先完成系统初始化。然后进入低功耗模式。利用定时器TIMER1产生一定的定时间隔, 通常是0.1秒, 定时间隔可以根据需要来设定。当定时时间到时, 在定时器TIMER1中断服务程序里置中断标志TCCR1=1。主程序的循环里判断该标志后完成光辐照度的测量并读出当前数据的采集时间, 然后置定时器Timer1中断标志=O, 主程序流程如图3所示。
单片机在完成一次采集过程后, 将数据包装后向上位机传送。点对点传输, 16进制传送。波特率为9600, 8位数据位, 1位停止位, 无校验。上位机接收程序及用户界面可以有很多种语言选择, 本设计用LAB View编写。它是半图形化的c编程开发工具, 适用于测试技术、控制技术、虚拟仪器技术及仪器驱动开发。
3、测试结果
利用本文所述的测试装置, 在室外测量的瞬时光辐照度曲线如图4所示。测试环境周围100m空旷, 相邻数据间隔为0.1s, 共3分钟。
TBQ-2输出的数据如 (a) 图所示抖动波形显示的采集数据可以看出在3分钟内, 光幅照度的变化较小。同时也可以看出数据的间隔小, 实时性好。同时直线显示的是电池板的背板温度, 也可以看出温度基本恒定。电池板输出数据如 (b) 所示是电池板的功率。由于本次选用电池板为800 cm2, 其数据关系为
从图中我们可以看出, 根据公司由TBQ-2输出的数据基本近似于近似于电池板功率。因此我们在使用的时候可以只需要电池板就能实现这个功能。这些数据有助于我们对环境参数的了解。并对太阳能建筑发电潜力进行评估, 可以用该系统常年采集到的数据, 来分析可能安装太阳能电池板的角度的发电效率, 实现最合理的太阳能建筑一体化。同时通过长期记录的数据和气象数据结合得到的不同天气下太阳能电池板的发电效率, 该系统就可以得出该地区常年的发电量, 并且也可以根据天气预报, 来预测出未来一段时间内太阳能电池板的发电效率。
4、结语
本文所介绍的设计方案, 由于采用了AVR系列单片机, 其丰富的片上外围模块功能使得整体体电路简单, 降低了成本;测量装置体积小, 适合野外便携工作。所测得的数据, 实时性好, 离线时可以分析某地的太阳能分布特征, 为光伏建筑的设计提供依据;在线时, 可以将实时数据作为控制制信号直接送到节能电源控制中心, 得到对实际情况的完全复现, 对于太阳能楼宇供电集控的研究有着重要的意义。
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