王翠平 沈文梅

(河北建筑工程學(xué)院理學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，葡萄是全球種植面積最大的一種水果，它產(chǎn)量位居前三位，隨著社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平提高,對(duì)鮮食葡萄的需求量是越來(lái)越大.由于葡萄柔軟多汁、含水量很高,很容易因?yàn)槭艿讲【径癄€變質(zhì).這給鮮食葡萄的貯藏、運(yùn)輸、延長(zhǎng)銷(xiāo)售時(shí)間等都帶來(lái)不少困難,造成很大的經(jīng)濟(jì)損失.據(jù)估計(jì)，在全世界范圍內(nèi).每年大約有27%左右的葡萄因采后腐爛而損失.因此,研究葡萄貯藏保鮮技術(shù),滿足市場(chǎng)需求這一課題具有重要意義.

傳統(tǒng)的食品貯藏加工技術(shù)，如加熱滅菌、藥劑熏蒸、添加防腐劑等，不僅會(huì)破壞食品原有的結(jié)構(gòu)，影響食品特有的口感與風(fēng)味，而且還會(huì)對(duì)食品造成化學(xué)污染，危害人體健康.輻照作為一種冷殺菌技術(shù)，在處理過(guò)程中引起食品內(nèi)部溫度變化極小，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了廣泛的研究.目前應(yīng)用最多的是gamma射線輻照，以Co60作為輻照源，其穿透力強(qiáng)，可以有效地殺滅食品中的細(xì)菌.但是近年來(lái)，由于放射源丟失造成的放射性污染、核泄漏等問(wèn)題，導(dǎo)致了多起安全事故的發(fā)生，gamma射線輻照的安全問(wèn)題受到越來(lái)越多的重視.電子束輻照加工技術(shù)[1]中的高能電子束產(chǎn)生和消失通過(guò)電子加速器的開(kāi)關(guān)控制，和gamma輻照相比不存在放射性污染、核泄漏等問(wèn)題，是一種理想的gamma射線輻照替代技術(shù).電子束輻照加工技術(shù)不僅可以徹底殺滅病原微生物，最大限度的保持食品品質(zhì)，而且可以減少不良風(fēng)味對(duì)食品的影響，延長(zhǎng)貨架期[2].因此得到越來(lái)越多的國(guó)家以及國(guó)際組織的關(guān)注[3].

保證產(chǎn)品的有效吸收劑量和輻照劑量的均勻度[4]是確保輻照產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，所以在開(kāi)展電子束加工前，需要對(duì)被輻照物吸收劑量做出準(zhǔn)確的理論估算，才能避免實(shí)驗(yàn)的盲目性[5].計(jì)算電子束在材料中的吸收劑量及其他相關(guān)的參數(shù)，實(shí)際上就是解決電子在介質(zhì)中的輸運(yùn)問(wèn)題.本文用蒙特卡洛模擬程序包-GEANT4[6]研究了電子束輻照新鮮葡萄的劑量分布，計(jì)算分析了鮮食葡萄電子束輻照滅菌的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)輻照效果的影響.

1 計(jì)算方法

1.1 Geant4

Geant4是由CERN(歐洲核子研究組織)開(kāi)發(fā)的基于C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)的蒙特卡洛應(yīng)用程序包，用于模擬粒子在物質(zhì)中輸運(yùn)的物理過(guò)程.相對(duì)于MCNP、EGS等商業(yè)軟件來(lái)說(shuō),它的主要優(yōu)點(diǎn)是源代碼完全開(kāi)放,用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要更改、擴(kuò)充Geant4程序.由于具有良好的通用性和擴(kuò)展能力，Geant4軟件在涉及微觀粒子與物質(zhì)相互作用的諸多領(lǐng)域包括高能物理，空間科學(xué)、輻射醫(yī)學(xué)等方面獲得了廣泛應(yīng)用.自1999年發(fā)布以來(lái)，Geant4已被多個(gè)大型的高能物理實(shí)驗(yàn)組所采用,其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到了嚴(yán)格的檢驗(yàn).粒子輸運(yùn)過(guò)程的蒙特卡洛模擬是一種物理事實(shí)的逼真模擬：粒子按照程序描述的源分布而產(chǎn)生，穿過(guò)一定的距離，在輸運(yùn)的過(guò)程中根據(jù)程序設(shè)置的各種相互作用截面而發(fā)生碰撞和散射，損失一定的能量，改變運(yùn)動(dòng)方向或產(chǎn)生新的粒子.這個(gè)過(guò)程將一直進(jìn)行下去，直到所有粒子被吸收(能量損失到一個(gè)特定值以下)或穿出研究區(qū)域?yàn)橹?

1.2 計(jì)算條件

在使用GEANT4程序包進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，一是要對(duì)模擬對(duì)象的材質(zhì)進(jìn)行描述，二是要對(duì)模擬對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述.描述模擬對(duì)象的材質(zhì)的參數(shù)包括：密度、組成元素的種類(lèi)和數(shù)目、以及化合物中各原子數(shù)目比或者混合物中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).本文所模擬的鮮食葡萄簡(jiǎn)化為80%水和20%葡萄糖組成的混合物，以方便計(jì)算.計(jì)算空間為笛卡爾坐標(biāo)系，分別在X、Y和Z坐標(biāo)方向?qū)⑹茌椪詹牧蟿澐殖稍S多小格，劃分的間隔在三個(gè)方向均可不同，最后可以形成一個(gè)由許多小立體元組成的矩形幾何體.出射面呈矩形分布的平行電子束可以任意角度入射到材料表面，電子束的能量可以按程序要求進(jìn)行調(diào)節(jié).在經(jīng)過(guò)數(shù)量足夠多的蒙特卡洛模擬抽樣計(jì)算后，將得到在每一個(gè)小立體元內(nèi)沉積的絕對(duì)能量值.根據(jù)這些能量值就可得到被照射材料中任意方向的劑量分布.在本模擬程序中假設(shè)受照材料的大小為11 cm×5 cm×5 cm，在X、Y方向每小格邊長(zhǎng)為1 cm，而Z方向每小格為0.1 cm，共分成6050個(gè)小立體元，不同能量的電子束垂直于X-Y平面入射.通過(guò)計(jì)算電子束在每個(gè)小立體元中沉積的能量以及每個(gè)小立體元的質(zhì)量即可計(jì)算出每個(gè)小立體元的吸收劑量.根據(jù)各點(diǎn)的吸收劑量，找出吸收劑量的最大值Dmax和最小值Dmin,按照公式U=Dmax/Dmin計(jì)算吸收劑量的不均勻度.

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 計(jì)算結(jié)果

圖1給出了能量為1MeV-9MeV的電子束輻照下葡萄等效物的吸收劑量深度分布曲線，即電子束沉積能量隨輻照物厚度的分布.圖2給出了9MeV電子束輻照下第一層的三維劑量分布，即電子束輻照下同一深度平面劑量分布.

圖1 不同能量的電子束

圖2 9MeV電子束輻照下同一深度平面劑量分布

2.2 結(jié)果分析

由圖1可見(jiàn)，電子束在受照葡萄等效物質(zhì)中的吸收劑量先隨深度增長(zhǎng)到一極大值，而后隨深度遞減.造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是電子束輻照到葡萄表面會(huì)發(fā)生散射，電子被散射到空氣中的概率較大，而空氣密度很低，散射回來(lái)的電子束較少，所以在此區(qū)域內(nèi)吸收劑量偏低.所以由于次級(jí)電子的作用，在靠近輻照物質(zhì)表面的淺層內(nèi)，吸收劑量隨深度的增加而增大.直到某一深度電子的增加與因衰減而使電子釋出的數(shù)目相等時(shí)，吸收劑量達(dá)到極大值.此后，隨物質(zhì)層深度增加，電子的釋出占優(yōu)勢(shì)，吸收劑量逐漸減少.從圖1中還可以看到對(duì)同一種輻照物質(zhì)，隨著電子束能量增大，輻照深度也隨之增加.圖2表明在輻照物質(zhì)的同一深度平面劑量分布是均勻的，在輻照過(guò)程中由這一因素分布引起的對(duì)輻照不均勻性的影響很小，可以不予考慮.

3 討 論

一定能量的電子束對(duì)于特定的輻照物質(zhì)來(lái)說(shuō)，就對(duì)應(yīng)于一個(gè)最優(yōu)的輻照厚度，作為輻射工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，一般推薦采用輻照產(chǎn)品前表面的入射劑量等于產(chǎn)品后表面上的出射劑量時(shí)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品厚度為最佳輻照加工厚度.輻照電子束能量越高，對(duì)應(yīng)的最佳輻照加工厚度越大，從提高輻照效率方面考慮，可以選擇較高能量的電子束進(jìn)行輻照.同時(shí)還要對(duì)電子束入射角度、擺放方式等進(jìn)行合理的優(yōu)化，以期既確保滅菌效果，又盡量避免無(wú)效的能量損失.利用以上規(guī)律，并進(jìn)行精確的理論估算，對(duì)于后續(xù)的優(yōu)化輻照工藝將起到積極的作用.

參 考 文 獻(xiàn)

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[6]www.geant4.cern.ch