Радиационно-технологические установки для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов питания на основе ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ
|
Воронин, Леонид Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Новосибирск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.20
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правахрукописи
ВОРОНИН Леонид Александрович
РАДИАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ И ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ УСКОРИТЕЛЕЙ ИЛУ-6, ИЛУ-10
01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
НОВОСИБИРСК-2004
Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН.
НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:
Ауслендер Вадим Леонидович
Кулипанов
Геннадий Николаевич
доктор технических наук, профессор, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.
доктор физико-математических наук, академик, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
Усов
Юрий Петрович
доктор технических наук, профессор, Институт ядерной физики при Томском политехническом университете, г. Томск.
Чудаев
Владимир Яковлевич
кандидат физ.-мат. наук,
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера
СО РАН, г. Новосибирск.
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:
Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова, г. Санкт-Петербург.
Защита диссертации состоится
«¿Я »
2004 г.
в « /0 — » часов на заседании диссертационного сбвета Д.003.016.01 Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.
Адрес: 630090, г. Новосибирск,
проспект Академика Лаврентьева, 11.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.
Автореферат разослан « ¿9 »
2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук
А.А. Иванов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Среди радиационно-технологических процессов особенно выделяются технологии стерилизации медицинских изделий однократного использования и обработки продуктов питания, так как эти процессы должны соответствовать наиболее строгим и наиболее тщательно контролируемым стандартам. Хотя в настоящее время все еще широко используются химические и тепловые методы стерилизации, а также обработка продуктов питания на гамма-излучателях, применение радиационных технологий с использованием в качестве излучателей ускорителей электронов интенсивно развивается во многих странах, таких как: Россия, США, Япония, Южная Корея, Китай и других. Альтернативы ускорителям, способным работать и в электронной моде, и в режиме генерации тормозного излучения, и предназначенных как для стерилизации, так и для обработки продуктов питания с целью увеличения срока их хранения практически нет. Таким образом, создание компактных, дешевых, высокопроизводительных радиационно-технологических установок на базе промышленных ускорителей электронов относительно малых энергий является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы
Основной целью работы являлось исследование возможности создания установок и разработки технологий для стерилизации медицинских изделий однократного применения и обработки продуктов питания. Установки создавались на основе импульсных линейных ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10. Особенностью разработанной и внедренной технологии стерилизации медицинских изделий однократного применения (шприцев) является возможность обработки изделий в потребительской таре. Особенность установки для обработки продуктов питания заключается в применении специально созданного конвертера электронов в тормозное излучение и в использовании оригинальной системы диагностики тормозного излучения.
Научная новизна
1. Впервые в мировой практике исследована возможность использования ускорителей электронов с относительно низкой энергией (2.5 МэВ) для стерилизации медицинских изделий однократного применения.
2. Впервые разработан и создан компактный радиационно-технологический комплекс для стерилизации на базе промышленного ускорителя электронов ИЛУ-6.
3. Показана возможность создания установки для обработки продуктов питания тормозным излучением на базе ускорителя ИЛУ-10.
4. Создана эффективная система диагностики мощных потоков тормозного
излучения.
ЮС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I
Практическая значимость работы
Созданная и реализованная на заводе в Ижевске промышленная установка для стерилизации медицинских изделий обеспечивает производительность 100 тыс. одноразовых шприцев в час (порядка 70 млн. в год), что как минимум перекрывает потребности региона. Качество стерилизованных изделий не хуже, чем у зарубежных аналогов, а стоимость на 3-5% ниже и составляет менее 5% от стоимости изделия.
Проведены расчеты по конвертеру оптимальной толщины, позволяющие осуществить оптимальный выбор обрабатываемой продукции, сформулировать требования к конвейерной системе, рассчитать объемы стерилизуемых пищевых продуктов.
Создана система диагностики и оперативного контроля потока тормозного излучения, которая используется при настройке практически всех ускорителей серии ИЛУ и может представлять большой практический интерес при настройке радиационных комплексов на базе ускорителей различных типов, работающих в режиме генерации тормозного излучения. Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
• предложена методика моделирования распределения дозы по объему облучаемого материала; проведены расчеты, показавшие возможность использования ускорителя электронов ИЛУ-6 для стерилизации одноразовых медицинских шприцев в потребительской таре;
• проведены экспериментальные исследования распределения дозы по объему потребительской тары со шприцами; разработана технология стерилизации одноразовых медицинских шприцев;
• создан и реализован высокопроизводительный радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения;
• предложена методика удобного для быстрых оценок упрощенно-аналитического расчета конвертера электронов в тормозное излучение;
• проведены экспериментальные работы по определению распределения дозы тормозного излучения по объему фантома, показавшие хорошую корреляцию с расчетами;
• показана возможность создания установки для обработки продуктов и материалов большой массовой толщины (продукты питания, минеральное сырье, медицинские препараты, медицинские изделия однократного применения и пр.) на основе ускорителя ИЛУ-10;
• разработана эффективная система диагностики потока тормозного излучения, предназначенная для контроля формирования дозного поля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы.
Апробация работы и публикации
Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались: на семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, на IX, X международных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург, 1998, 2001); на Конференции по радиационным процессам (Обнинск, Россия 1999); на XVII Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 2000); 6th Int. Conf. on Electron Beam Treatment (Varna, Bulgaria, 2000); International Symposium on Radiation Technology in Emerging Industrial Applications (Beijing ,China, 2000); на объединённой научной сессии СО РАН и СО РАМН "Новые медицинские технологии" (Новосибирск, Россия 2000); на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, 2001); Conference Radiation Physics and Chemistry (St.Adel, Canada, 2002); на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, Украина 2003); Meeting on New Application of Accelerators (Wuxi, China 2003); на Международном совещании по радиационной обработке IMRP 2003 (International Meeting on Radiation Processing) (Chicago, USA 2003).
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 1 таблицу. Список литературы состоит из 50 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность создания радиационно-технологических комплексов на базе ускорителей сравнительно низких энергий для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов питания.
В первой главе проводится краткий сравнительный анализ существующих методов стерилизации медицинских изделий и показываются преимущества радиационных методов, в частности, электронно-лучевого метода. Приводится обоснование выбора значения стерилизующей дозы. Даются основные направления возможного использования тормозного излучения в технологии обработки продуктов питания и обосновывается выбор параметров ускорителя для этой технологии.
Во второй главе описаны этапы создания радиационно-технологичес-кого комплекса для стерилизации медицинских изделий однократного применения (шприцев) на базе ускорителя ИЛУ-6.
Проведенными исследованиями показано, что использование традиционной геометрии облучения, при которой ось шприца перпендикулярна оси пучка электронов, нецелесообразно, т.к. глубина
проникновения электронов сравнительно малой энергии (2.5 МэВ) недостаточна для организации равномерного облучения шприцев в потребительской таре. Можно показать, что выбор оптимальной геометрии облучения позволяет решить проблему увеличения производительности комплекса. В главе предлагается методика численного расчета дозы Б (г ) в материале изделий:
Здесь энергия электронов Е - переменная, зависящая от пространственных координат, 8 - масса на единичную площадь,
пересекаемая в направлении движения частиц, -
дифференциальный по углу и энергии поток. Применение данной методики к расчету предлагаемой геометрии облучения, при которой ось шприца параллельна направлению падения пучка электронов, показало принципиальную пригодность этой геометрии для облучения шприцев в потребительской таре, причем коэффициент неравномерности дозы по объему шприца Dmax/Dmin не превышает значения 1.6 при двухстороннем облучении.
Далее в главе приводятся результаты экспериментов по обработке шприцев. В исследовании распределения дозы по объему тары (рис.1) использовались дозиметрические пленки СО ПД(Ф)-50/150 (ГСО 4445-88). Также приведены результаты микробиологических тестов.
Доза, кГр
Рис. 1. Распределение дозы по объему продукции при двухстороннем облучении. Q - число дозиметров, получивших дозу в интервале £> ±ЛО, Qg— общее число дозиметров.
Далее в главе подробно описан промышленный линейный ускоритель электронов ИЛУ-6, имеющий следующие основные параметры:
- энергия электронов до 2.5 МэВ;
- частота повторения импульсов до 50 Гц;
- средний ток пучка до 8 мА;
- выходная мощность пучка до 20 кВт. Внешний вид ускорителя схематично показан на рис.2.
Рис. 2 Общий вид ускорителя ИЛУ-6. 1 - вакуумный объем; 2-резо-натор; 3 - смещения нижней половины резонатора; 4 — магниторазрядные насосы, 5 - инжектор электронов; б — выпускное устройство; 7 - измерительная петля; 8 -лампа генератора; 9 - опора петли связи; 10 — вакуумный конденсатор петли связи, 11 — подвижная пластина конденсатора обратной связи, 12 - катодный шлейф.
Приводится описание радиационно-технологического комплекса, установленного в г. Ижевск (Россия), включающего ускоритель, систему питания и конвейерную систему. Ускоритель ИЛУ-6 комплекса показан на рис.3, конвейерная система комплекса представлена на рис.4.
Приводится описание технических средств, позволивших улучшить распределение дозы на краях коробки со шприцами, в частности, доворачивающих магнитов и отражательных экранов.
Описанный комплекс доказал свою надежность, долговечность и высокую производительность. Последняя составляет около 100000 одноразовых шприцев объёмом 2.0 + 5.0 мл с иголками в час.
Рис 3 Ускоритель ИЛУ-6, установленный на предприятии «Ижевский мотозавод».
Рис 4. Часть конвейерной системы комплекса.
В третьей главе рассматривается возможность создания радиационно-технологической установки для обработки тормозным излучением продуктов и изделий большой массовой толщины, в частности, пищевых продуктов, с использованием ускорителя ИЛУ-10, Приведено краткое описание ускорителя ИЛУ-10 и показана возможность создания на его основе радиационно-технологической установки. Предложена методика пригодного для быстрых оценок упрощенно-аналитического расчета оптимизированного
конвертера и описаны варианты его конструкции. Представлена расчетная схема, позволяющая оптимизировать массовую толщину облучаемого продукта и сформулировать требования к конвейерной системе, рассчитать объемы стерилизуемых пищевых продуктов.
Приведены результаты экспериментов по определению и оптимизации распределения дозы на поверхности и в объеме облучаемого материала. Предложены меры по увеличению коэффициента использования тормозного излучения.
В четвертой главе описана система диагностики потока тормозного излучения на основе полупроводниковых датчиков. В качестве датчиков тормозного излучения использованы полупроводниковые диоды типа КД213. Показывается, что зависимость величины обратного тока кремниевого диффузионного диода от интенсивности падающего на него тормозного излучения имеет практически линейный характер в достаточно широком диапазоне мощностей доз (рис.5). При этом мощность дозы, измеренная датчиком, может быть выражена как:
где Q — полный заряд, освобождаемый комптон- и фотоэлектронами в области обедненного слоя, - энергия, теряемая электроном на создание электронно-дырочной пары, d - диаметр кристалла, р, - плотность кристалла, !з - ширина обедненной зоны, ^ - время нахождения датчика под пучком излучения.
аюа —-------
оло--------
О IX 200 ЭОЛ
Ток пучка ими, мА
Рис. 5. Зависимость отклика диодного датчика (в отн. единицах) от величины импульсного тока пучка электронов. По оси абсцисс отложен импульсный ток электронов на поверхности конвертера.
9
Система, состоящая из сборок датчиков, предназначена для контроля формирования дозного поля тормозного излучения необходимой конфигурации на поверхности и по объему обрабатываемой продукции. Описана подсистема оперативного контроля мощности дозы, в которой используются одиночные датчики. Описан способ интеграции системы датчиков в систему управления и контроля установки.
В заключении перечислены основные результаты работы, рассматриваются перспективы развития и использования радиационно-технологических установок.
Результаты диссертации опубликованы в следующих работах
1. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, B.L. Faktorovich, ..., L.A. Voronin, et al. «Accerators for E-beam and X-ray processing», Radiation Physics and Chemistry 63 (2002) 613-615.
2. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, L.A. Voronin, V.A. Polyakov. «Automated technological radiation installation for sterilization of medical goods», Proc. of IMRP-10 Conference, Anaheim, USA, May 1997, p.423-426.
3. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Сербин В.И., Воронин Л.А. «Электронно-лучевая стерилизация медицинских изделий однократного применения с использованием ускорителей ИЛУ», Наука- производству, 2003, № 7(63), с. 44-46.
4. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А. и др. «Ускорители электронов типа ИЛУ с энергией более 4.0 МэВ и мощностью более 50 кВт», Сб. докладов XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино 2000, т.2, стр. 347-350.
5. Ауслендер В.Л., Букин А.Д., Ткаченко В.О., Воронин Л.А. и др. «Рентгеновский конвертор электронного пучка мощностью 60 кВт для ускорителя ИЛУ-10», Труды X международного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, М: ЦНИИатоминформ, 2001 с.47-50.
6. Ауслендер В.Л, Воронин Л.А. Брязгин А.А. «Система измерения мощности дозы и ее пространственного распределения в мощных потоках тормозного излучения в режиме^^И^"», Труды X международного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, М: ЦНИИатоминформ, 2001 с.60-63.
7. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А., Горбунов В.А. и др. «Ускорители электронов типа ИЛУ для промышленных технологий», Вестник «РАДТЕХ-ЕВРАЗИЯ», №1(9), ИЯФ, Новосибирск 1999, с.32-45.
8. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, B.L. Faktorovich, V.A. Gorbunov, ..., L.A. Voronin, et al. «Electron accelerators type ILU for industrial technologies», Proc. of 6th Int. Conf. on Electron Beam Treatment, 4-7 June 2000, Varna, Bulgaria.
9. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А. и др. «Импульсные высокочастотные линейные ускорители электронов серии ИЛУ», Наука- производству, 2003, № 7(63), с. 11.
10. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, B.L. Faktorovich, ..., L.A. Voronin, et al. «ILU electron accelerators with energy 5-10 MeV and beam power 50-100 kW for food products processing», Proc. of International Symposium on Radiation Technology in Emerging Industrial Applications, 6-10 November 2000, Beijing, China.
11. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А. и др. «Ускоритель электронов 5 МэВ, 50 кВт с тормозной мишенью». Тезисы докладов XVIII Международного семинара по ускорителям заряженных частиц. 2003, Алушта, Украина. Полн. текст на англ. опубл. Problems of atomic science and technology, 2004, № 1, p.21-23.
12. Ауслендер В.Л., Бехтенев Е.А., Брязгин А.А., Воронин Л.А и др. «Ахроматическая система поворота пучка электронов на 90 градусов в ускорителе ИЛУ-10», Труды X международного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, М: ЦНИИатоминформ, 2001 с.64-67.
13.V.L. Auslender, A.D. Bukin, L.A. Voronin, E.N. Kokin, G.S. Kraynov, et al. «Bremsstrahlung converters for powerful industrial electron accelerators», Radiation Physics and Chemistry 71 (2004) 297-299.
14. V.L. Auslender, A.V. Bulatov, L.A. Voronin, E.N. Kokin, G.S. Krainov, V.M. Radchenko, et al. «Technique of design and calculation of extraction devices for electron accelerators», Preprint BudkerlNP 2004-27, Novosibirsk, 2004.
15. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, A.D. Bukin, A.N. Lukin, A.V. Sidorov, L.A. Voronin «Real-time X-ray dose power and dose distribution measurement system», Radiation Physics and Chemistry 71 (2004) 381383.
16. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, A.M. Gonchar, ..., L.A. Voronin, et al. «Experience of electron beam treatment for sterilization of disposal medical goods and in other medical and biological applications», Proc. ofthe Asian Particle accelerator Conference (APAC-98), March, 1998, Tokyo, Japan.
17. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А., Поляков В.А., Сербин В. И. «Применение ускорителей электронов серии ИЛУ в процессах электронно-лучевой стерилизации мединструмента и фармпрепаратов», Тезисы докладов IX Всероссийского совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и
медицине, 22-24 сентября 1998, Санкт-Петербург, М.: ЦНИИатоминформ, 1998, с. 33.
18.Ауслендер В.Л., Баженов О.Ю., Брязгин А.А., Воронин Л.А., Кокин Е.Н. и др. «Новые разработки мощных ускорителей типа ИЛУ с энергией 5 МэВ и более», Труды X международного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. Санкт-Петербург, М: ЦНИИатоминформ, 2001 с.51-55.
Воронин Леонид Александрович
Радиационно-технологические установки для стерилизации медицинских изделий
и обработки продуктов питания на основе ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Сдано в набор 24.10.2004 г. Подписано к печати 25.10.2004 г. Формат 100x90 1/16 Объем 0,8 печ.л., 0,6 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 60
Обработано на 1ВМ РС и распечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. АкадемикаЛаврентьева, 11.
,$24397
336
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. Сравнение существующих методов стерилизации и обработки продуктов питании. Преимущества радиационных методов.
Глава 2. Промышленный комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения на основе ускорителя ИЛУ-6.
2.1 Обоснование возможности использования ускорителя с энергией пучка ускоренных электронов 2.5 МэВ для стерилизации шприцев.
2.2 Радиационно- технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения на базе ускорителя ИЛУ-б.
Среди радиационно-технологических процессов особенно выделяются технологии стерилизации медицинских изделий однократного использования и обработки продуктов питания, так как они непосредственно связаны с жизнедеятельностью и здоровьем людей. Хотя в настоящее время все еще широко используются химические и тепловые методы стерилизации, а также стерилизации и обработки продуктов питания на гамма-излучателях, применение радиационных технологий с использованием в качестве излучателей ускорителей электронов активно расширяется во многих развитых и развивающихся странах, таких как: США, Япония, Южная Корея, Китай и других. Альтернативы ускорителям, способным работать и в электронной моде, и в режиме генерации тормозного излучения, и предназначенных .как для стерилизации, так и для обработки продуктов питания, практически нет.
Важной задачей является выбор типа ускорителя с параметрами, удовлетворяющими как требованиям технологического процесса, так и требованиям необходимой производительности. Хотя в состав оборудования радиационно-технологического комплекса, кроме ускорителя, входит специально оборудованное помещение с радиационной защитой (бункер), система транспортировки облучаемой продукции, приборы технологической дозиметрии и текущего радиационного контроля, все же стоимость ускорителя и бункера может составлять совокупно до 2/3 стоимости комплекса. В свою очередь стоимость радиационной защиты прямо пропорциональна параметрам ускорителя, в особенности, энергии ускоренных электронов. Таким образом, является актуальным создание компактных, дешевых, высокопроизводительных радиационно-технологических установок на базе конкурентоспособных промышленных ускорителей электронов сравнительно невысоких энергий [1,2].
Целью настоящей работы явилось создание установок и разработка технологий для стерилизации медицинских изделий однократного применения и обработки продуктов питания. Установки создавались на основе импульсных линейных ускорителей ИЛУ-6 (2.0 - 2.5 МэВ, 20 кВт) и ИЛУ-10 (3.5 - 5.0 МэВ, 50 кВт). Ускорители этой серии предназначены для широкого применения в различных технологических процессах. Они рассчитаны на длительную непрерывную работу в промышленных условиях [3].
Созданная и реализованная на заводе в Ижевске промышленная установка на базе ускорителя ИЛУ-6, предназначенная для стерилизации медицинских изделий однократного применения (шприцев), обеспечивает производительность 100 тыс. одноразовых шприцев в час (порядка 70 млн. в год), что как минимум перекрывает потребности региона. Качество стерилизованных изделий не хуже, чем у зарубежных аналогов, а стоимость стерилизации на 3-5% ниже и составляет менее 5% от стоимости изделия. Особенностью разработанной технологии стерилизации является возможность обработки изделий в потребительской таре.
Для использования в технологии обработки продуктов питания тормозным излучением создана установка на базе ускорителя ИЛУ-10. Особенность установки заключается в применении специально созданного конвертера электронов в тормозное излучение и в использовании оригинальной системы диагностики тормозного излучения. Предложена расчетная схема, позволяющая осуществить оптимальный выбор продукции, сформулировать требования к конвейерной системе, рассчитать объемы стерилизуемых пищевых продуктов. Разработанная для применения в составе установки система диагностики и оперативного контроля потока тормозного излучения, уже используется при настройке практически всех ускорителей серии ИЛУ и может представлять большой практический интерес при настройке радиационных комплексов на базе ускорителей различных типов, работающих в режиме генерации тормозного излучения.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые в мировой практике исследована возможность использования ускорителей электронов с относительно низкой энергией (2.5 МэВ) для стерилизации медицинских изделий однократного применения в потребительской таре; впервые разработан и создан компактный, автоматизированный радиационно-технологический комплекс для стерилизации на базе промышленного ускорителя электронов ИЛУ-6; предложена методика пригодного для быстрых оценок упрощенно-аналитического расчета конвертера тормозного излучения; создана установка для обработки продуктов питания тормозным излучением на базе ускорителя ИЛУ-10; создана эффективная система диагностики мощных потоков тормозного излучения.
Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
• предложена методика моделирования распределения дозы по объему облучаемого материала; проведены расчеты, показавшие возможность использования ускорителя электронов ИЛУ-б для стерилизации одноразовых медицинских шприцев в потребительской таре;
• проведены экспериментальные исследования распределения дозы по объему потребительской тары со шприцами; разработана технология стерилизации одноразовых медицинских шприцев;
• создан и реализован высокопроизводительный радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения;
• предложена методика удобного для быстрых оценок упрощенно-аналитического расчета конвертера электронов в тормозное излучение;
• проведены экспериментальные работы по определению распределения дозы тормозного излучения по объему фантома, показавшие хорошую корреляцию с расчетами;
• показана возможность создания установки для обработки продуктов и материалов большой массовой толщины (продукты питания, минеральное сырье, медицинские препараты, медицинские изделия однократного применения и пр.) на основе ускорителя ИЛУ-10;
• разработана эффективная система диагностики потока тормозного излучения, предназначенная для контроля формирования дозного поля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы.
Общим итогом диссертационной работы является создание эффективных, надежных и конкурентоспособных промышленных радиационио-технологических установок, способных решать практически любые задачи в промышленных технологиях. Осуществлена контрактная поставка радиационно-технологического комплекса для стерилизации медицинских изделий (Россия), двух установок для обработки продуктов питания тормозным излучением в США, ведутся переговоры по поставке еще двух комплексов (Китай, Казахстан).
Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались: на семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, на IX, X международных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт
Петербург, 1998, 2001); на Конференции по радиационным процессам (Обнинск, Россия 1999); на XVII Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 2000); 6th Int. Conf. on Electron Beam Treatment (Varna, Bulgaria, 2000); International Symposium on Radiation Technology in Emerging Industrial Applications (Beijing ,China, 2000); на объединённой научной сессии СО РАН и СО РАМЫ "Новые медицинские технологии" (Новосибирск, Россия 2000); на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, 2001); Conference Radiation Physics and Chemistry (St.Adel, Canada, 2002); на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, Украина 2003); Meeting on New Application of Accelerators (Wuxi, China 2003); на Международном совещании по радиационной обработке IMRP 2003 (International Meeting on Radiation Processing) (Chicago, USA 2003).
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе проводится сравнение существующих методов стерилизации и обработки продуктов питания. Показываются преимущества радиационных методов, в частности, электронно-лучевого метода стерилизации и обработки продуктов питания тормозным излучением. Обосновывается выбор параметров ускорителя для различных технологий.
Во второй главе подробно описан радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения на базе ускорителя ИЛУ-6. Приведены расчеты распределения доз по объему облучаемой продукции. Обоснован выбор геометрии облучения и описаны технические средства, позволившие достигнуть оптимального распределения дозы по объему изделия и добиться максимальной производительности комплекса. Показаны результаты экспериментов и предложена эффективная технология облучения продукции. Подробно описан ускоритель, конвейерная система и подпучковое оборудование.
В третьей главе рассмотрена радиационно-технологическая установка для обработки пищевых продуктов тормозным излучением с использованием ускорителя ИЛУ-10. Приведено описание ускорителя ИЛУ-10 и показана возможность создания на его основе радиационно-технологической установки. Предложена методика аналитического расчета оптимизированного конвертера и описана его конструкция. Представлена расчетная схема, позволяющая осуществить оптимальный выбор продукции, сформулировать требования к конвейерной системе, рассчитать объемы стерилизуемых пищевых продуктов. Приведены результаты экспериментов по определению распределения дозы в объеме облучаемого материала. Предложены меры по увеличению коэффициента использования тормозного излучения.
В четвертой главе подробно описана система диагностики потока тормозного излучения на основе полупроводниковых датчиков. Система предназначена для контроля формирования дозного поля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы. Показан механизм интеграции системы в систему управления и контроля установки.
В заключении перечислены основные результаты работы, рассматриваются перспективы развития и использования радиационно-технологических установок.
4.4 Выводы.
В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что в экспериментальных работах и при отработке технологии система является удобным инструментом контроля формирования дозных полей необходимой конфигурации. В реальном технологическом процессе система пригодна для проведения эпизодического контроля распределения доз, тогда как текущий контроль осуществляется одиночными концевыми датчиками. При облучении продукции отношение сигналов датчиков должно оставаться постоянным с заранее заданной точностью (обычно около 10-20 %). Изменение этого отношения свыше допустимых пределов свидельствует о нарушениях в работе установки и является основанием для остановки процесса облучения продукции. Кроме измерения относительного изменения мощности дозы диодные датчики могут быть использованы для измерения абсолютной дозы в заданных точках пространства за конвертером, но для этого должна быть проведена предварительная калибровка (например, по ТЛД или пленочным дозиметрам).
87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Перечислим основные результаты работы: проведенным моделированием показана возможность использования сравнительно низкоэнергетического (2.5 МэВ) ускорителя электронов ИЛУ-6 для стерилизации одноразовых медицинских шприцев в потребительской таре; на основе расчетов и экспериментальных исследований разработана технология стерилизации одноразовых медицинских шприцев; создан, реализован и успешно эксплуатируется в течении 12 лет высокопроизводительный радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения; предложена методика аналитического оценочного расчета конвертера электронов в тормозное излучение; проведены экспериментальные работы по определению распределения доз тормозного излучения на поверхности и по объему облучаемого материала, предложены рекомендации но выбору схемы облучения в зависимости от вида продукции, необходимого распределения и степени допустимой неравномерности дозы; показана возможность создания на основе ускорителя ИЛУ-10 установки для обработки продуктов и материалов большой массовой толщины; проведены сборка, наладка и испытания системы выпуска пучка с поворотом на 90°, тормозным конвертером и системой развертки пучка электронов на поверхности конвертера; предложены меры по достижению максимального коэффициента использования тормозного излучения;
8S
• на основе полупроводниковых датчиков разработана система диагностики потока тормозного излучения, предназначенная для контроля формирования ' дозного ноля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы.
Опыт разработки и эксплуатации радиационно-технологических установок на базе ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10 показал их высокую надежность, долговечность, производительность и конкурентоспособность на мировом рынке [46,47,48]. Общей тенденцией развития комплексов, предназначенных для' стерилизации и для обработки продуктов питания, является как увеличение энергии ускоренных электронов, так и мощности ускорителей. Так в России для стерилизации успешно используются ускорители типа УЭЛР, УЭЛВ (< 10 МэВ, < 10 кВт) производства НИИЭФЛ [49]. Однако по-прежнему использование в стерилизационных установках ускорителей сравнительно низкой энергии для стерилизации медицинских изделий малой массовой толщины представляется оправданным.
Поскольку энергия ускорителей, работающих в режиме генерации тормозного излучения, и предназначенных для обработки продуктов питания рекомендациями МАГАТЭ ограничена 5 МэВ, единственным способом повышения производительности установки является увеличение мощности ускорителя. Установки на базе ИЛУ-10 являются востребованными на рынке, однако в ИЯФ ведутся работы по созданию новой модели ускорителя (5 МэВ, 300 кВт) [50].
Необходимо отметить, что создание установок для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов является следствием многолетней работы, ведущейся в Институте ядерной физики СО РАН в
89 лаборатории промышленных ускорителей №14 под руководством B.JI. Ауслендера, а также заслугой всего коллектива лаборатории.
Автор считает своим долгом выразить благодарность Кулипанову Г.Н. за поддержку этой работы, Ауслендеру B.JI. за общее руководство, полезные советы и опыт, необходимые при создании установок; Полякову В.А. за неоценимую помощь в понимании тонкостей радиационных технологий; Якутину A.M. за создание системы электропривода конвейерной системы; Радченко В.М. и Кокину ЕЛ I. за разработку системы развертки пучка и помощь при запуске и настройке установки; Брязгину А.А. и Факторовичу Б.Л. за создание систем автоматизации ускорителей, системы поворота пучка и ценные дискуссии; Лукину A.M. и Сидорову А.В. за создание конвертера и обсуждения; Панфилову А.Д., Нехаеву В.Е., Горбунову В.А. Тувику А-Ф.А, Ромашко А.Д. за помощь в понимании физики ускорителей ИЛУ, за разработку, наладку и испытания многочисленных систем ускорителей и за полезные обсуждения. Также автор считает необходимым выразить свою благодарность за помощь в создании, сборке и наладке систем установок и за дружескую поддержку Максимову С.А., Васильеву Г.А., Ширяеву В.К., Пчельникову В.И., Голдыреву В.Г., Баданину И.А., Федорову А.П., Душину В.А, Осадчему И.И., Г. Б Глаголеву, Ткаченко В.О.
1. Auslender V.L. ILU-type electron accelerator for industrial technologies. «Nuclear Instruments and Methods in Physical Reseach» В 89 (1994) 4648.
2. Sztanyik L.B. Application of Ionizing Radiation to Sterilization. International Conference of Technical developments and prospects of sterilization, Vienna, 1974.
3. Генералова B.B. Гурский M.H. Дозиметрия в радиационной технологии М.: Изд-во стандартов, 1981.
4. Лоахарану П. Потребность в безопасном продовольствии возрастает. Радиационная технология: своевременное решение. Бюллетень МАГАТЭ, т. 43, N2, 2001. с. 37-42.
5. P.Sharpe et. al. Current Activities of the Panel on Gamma and Electron Irradiation. Ibid, p. 312.
6. Auslender V.L., Polyakov V.A. The installation for the single-use medical devices sterilization based of the electron accelerator type ILU. «Radiat. Phys. Chem.» Vol. 42, pp 563-566, 1993.
7. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, L.A. Voronin, V.A. Polyakov. Automated technological radiation installation for sterilization of medical goods. Proceedings of IMRP#10 Conference. May 1997, Anaheim, USA.
8. Ауслендер В.Д., Брязгин А.А., Сербии В.И., Воронин Л.А. Электронно-лучевая стерилизация медицинских изделий однократного применения с использованием ускорителей ИЛУ. Наука — производству, 2003, № 7(63), с. 44.
9. Радиационная дозиметрия: электронные пучки с энергиями от 1 до 50 МэВ. Сб. Доклад 35 МРКЕ под ред. Г.Б. Радзиевского, М. Энергоатомиздат, 1988
10. Воробьев А.А., Кононов Б.А. Прохождение электронов через вещество. Томск, 1966.
11. Нелипа Н.Ф. Введение в теорию многократного рассеяния частиц. Атомиздат, 1960.
12. Landau L. On the energy loss of fast particles by ionization. «Journal of physics» Vol.8, No.4, 1944.'
13. Голышк А.Г. и др. Отчет: разработка технологии обработки шприцев с помощью ускоренных электронов с энергией 2.5 МэВ с целыо их стерилизации. НТФ "Лтомбиотех", 1991.
14. Пономарев В. I I. и др. Отчет: разработка технологии обработки шприцев с помощгло ускоренных электронов. Государственный Научный Центр «Институт биофизики», 1990.
15. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А. и др. Импульсные высокочастотные линейные ускорители электронов серии ИЛУ. -Наука производству, 2003, № 7(63), с. 11.
16. Поляков В.А. Получение больших токов в однорезонаторных ускорителях стоячей волны. Дис. на соиск. Учен. Степени кандидата технических наук. Новосибирск, 1977.
17. Yotsumoto K., Sunaga I I., Tanaka S., et al. High power bremstrahlung x-ray source for radiation processing. «Radiat. Phys. Chem.» Vol. 31, pp. 363368, 1988.
18. Cleland M.R., Thompson C.C., Strelczyk M. Advances in x-ray processing technology. Seventh International Meeting on Radiation Processing. 1989
19. В.Л. Ауслендер, A.A. Брязгин, Л.А. Воронин, E.H. Кокин, A.H. Лукин, И.Г, Макаров, С.А. Максимов, Г.Н. Острейко, А.Д. Панфилов, В.М. Радченко, А.В. Сидоров, В.О. Ткаченко, А.А. Тувик, В.Г. Ческидов.
20. Ускоритель электронов 5 МэВ 50 кВт с тормозной мишеныо. Тезисы докладов XVIII Международного семинара по ускорителям заряженных частиц. 2003, Алушта, Украина.
21. Ткаченко В.О. Промышленный ускоритель электронов ИЛУ-10 на энергию 5 МэВ, мощностью 50 кВт. Дис. на соиск. учен, степени кандидата технических наук. Новосибирск, 2003.
22. Бехтенев Е.А., Зиневич Н.И. Пикап-станции положения пучка в канале проводки.
23. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. М. Атомиздат, 1979.
24. Scott \V. National aeronautics and space administration report. TND-4063, 1967.
25. Emigh C.R. Thick target b'remsstrahlung theory. University of California LA-4097-MS, 1970.
26. Berger M., Seltzer S. Tables of energy losses and ranges of electrons and positrons. Washington, NASA, 1964, SP-3012
27. Букин А.Д. Выбор оптимального конвертера для ИЛУ-10 (рабочий отчет). ИЯФ, 2000
28. Сегре Э. Экспериментальная ядерная физика. Т.1. ИЛ. 1956
29. В.Я. Чудаев, Г.М. Протопопов. Защита от тормозного излучения электронных ускорителей с энергией 0.5-3 МэВ. Препринт ИЯФ, 1969.
30. H.W. Koch, J.W. Motz, Rev. Mod. Pliys., 31, 920, 1959.
31. Bukin A.D., Grozina N.A., Dubrovin M.S. et al. UNIMOD2 a universal program for simulation of eV colliding beam experiments. User's manual, version 2.0. Preprint BudkerlNP 94-20, Novosibirsk, 1994.
32. UNIMOD2 Universal Monte Carlo code for simulation of eV experiments. Proceedings of Workshop on Detector and Event simulation in High Energy Physics, 8-12 April 1991, NIKIIEF, Amsterdam, The Netherlands, pp. 79-85.
33. Gavrlenko T.P., Nikolaev Ju.A., Ulianiski V. Yu., D-gun "Ob" Detonation spraying. Proceedings of International Thermal Spray Conference. Japan, Kobe. 1995
34. V.L.Auslender, A.V.Bulatov, L.A.Voronin, E.N.Kokin, G.S.Krainov, V.M.Radchenko et al. Technique of design and calculation of extraction devices for electron accelerators. Preprint BudkerlNP 2004, Novosibirsk, 2004.
35. C6. Полупроводниковые счетчики излучения, Госатомиздат., М. 1962.
36. В.В. Румянцев. Радиационная стерилизация медицинских изделий и пищевых продуктов. Новые промышленные технологии, 2003, №1(312), с.53-56.
