本發(fā)明涉及一種輻照加工中產(chǎn)品輻照質(zhì)量控制技術(shù)，尤其是一種測量γ、電子束和X射線產(chǎn)品輻照劑量不均度及劑量分布的技術(shù)，具體地說是一種通過測量紙材中的EPR信號，計算產(chǎn)品輻照劑量分布及其不均度的方法。

背景技術(shù)：

輻照技術(shù)是指采用高能射線(γ、電子束和X射線)對食品、醫(yī)療用品、化工材料以及“三廢”進行輻照處理，實現(xiàn)產(chǎn)品保鮮、消毒及改性的目的。它具有不升溫、無環(huán)境污染、無防腐劑殘留、快速、不需要打開包裝和便于工業(yè)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。輻照過程中，產(chǎn)品的輻照質(zhì)量是通過輻射劑量控制來實現(xiàn)的。為了使產(chǎn)品或材料達到需要的輻射效應，需要保證產(chǎn)品接受最小輻照劑量，同時過高的輻照劑量會也使產(chǎn)品品質(zhì)破壞或產(chǎn)生不期望。據(jù)此，引入產(chǎn)品輻照劑量分布以及其不均度概念。某產(chǎn)品輻照劑量分布是指產(chǎn)品內(nèi)各位點的吸收劑量的相對比值u＝D_i/D_j，其不均勻度(U)等于該批產(chǎn)品輻照吸收劑量的最大值(D_max)與最小值(D_minx)之比，即U＝D_max/D_min。降低產(chǎn)品輻照劑量的不均勻度可以提高輻照裝置的能量利用率的作用。因此，我們更關(guān)注后者。產(chǎn)品輻照劑量分布的不均度一般不得大于2(國家劑量檢定規(guī)程JJG 591-1989γ射線輻射源的劑量學性能)。

通常采用化學或物理劑量計跟蹤產(chǎn)品輻照，劑量計一般貼附在產(chǎn)品箱上或置于產(chǎn)品內(nèi)，待產(chǎn)品輻照作業(yè)完成后取出劑量計測定并計算得出。該方法的缺點一是輻照前布放劑量計以跟蹤產(chǎn)品整個輻照過程，不能事后補救；二是一只劑量計只能代表一個位點，如果有些位點不好布放劑量計或放置的位點不準確或劑量計打碎或丟失，則得不到需要的結(jié)果。

電子加速器輻照需要預先測定劑量連續(xù)分布，繪制劑量深度曲線，從而確定半劑量深度和有效射程。采用常用的布放劑量計方法，非常繁瑣，工作量大。因此，迫切需要一種價廉且方便的方法來完成此項任務。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是根據(jù)輻照在紙材中誘導的ESR信號與產(chǎn)品輻照劑量成正相關(guān)的試驗結(jié)果，在產(chǎn)品輻照后從包裝紙箱上提取紙材，測定ESR信號，計算ESR信號強度的相對變化，從而獲得輻照劑量的相對變化，即產(chǎn)品劑量分布及其不均勻度。

本發(fā)明的目的可以通過以下措施達到：

一種產(chǎn)品輻照劑量分布及其不均勻度的測定方法：取與產(chǎn)品一同經(jīng)過輻照處理過的包裝紙箱或測定紙，從不同位點上提取待測紙材，測定其ESR信號，依據(jù)輻照在紙材中誘導的ESR信號與產(chǎn)品輻照劑量成正相關(guān)，計算出產(chǎn)品輻照劑量分布及其不均勻度。

在一種具體方案中，本發(fā)明的測定方法為：產(chǎn)品經(jīng)過輻照處理后，取該產(chǎn)品內(nèi)部或外部的與產(chǎn)品一同經(jīng)過輻照處理的包裝紙箱或測定紙，從所述包裝紙箱或測定紙的至少兩個位點上分別提取待測紙材，以同一批次未經(jīng)輻照處理的包裝紙箱或測定紙作為對照待測樣品并提取對照紙材，或者將所述同樣經(jīng)過輻照處理的包裝紙箱或測定紙經(jīng)過退火處理后作為對照待測樣品并提取對照紙材，測定待測紙材和對照紙材的ESR信號，通過各紙材的ESR信號強度計算產(chǎn)品輻照劑量分布及其不均勻度。

本方法中的包裝紙箱或測定紙的來源為化學成分一致的同批加工產(chǎn)品，或者加速器傳輸線或鈷源輻照吊箱內(nèi)同一加工批次產(chǎn)品。

本方法中可以從同一批次未經(jīng)輻照處理的包裝紙箱或測定紙中直接獲得對照紙材，也可以采用退為處理間接地獲得對照紙材，一種具體的退火處理為：將所述同樣經(jīng)過輻照處理的包裝紙箱或測定紙，于90～110℃下干燥2～6小時，去除其背景信號，再進行ESR測定并計算。

本發(fā)明中所述的測定紙可以是放置于產(chǎn)品內(nèi)部或外部的專門用于本方法測定的紙，也可以是置于產(chǎn)品內(nèi)部或外部的用于部分包裝、支撐、阻擋或其他功能的紙。

本方法中的待測紙材可以從多個位點上選取，最簡單的方式是選取兩點，也可選取三個或三個以上的點，這樣可以獲得多個產(chǎn)品劑量分布及其不均勻度數(shù)據(jù)，對其進行平均或其他處理即可。以采用兩個點為例，產(chǎn)品劑量分布及其不均勻度計算方法為：u＝D_{待測紙材1}/D_{待測紙材2}＝(S_{待測紙材1}-S_對照紙材)/(S_{待測紙材2}-S_對照紙材)，其中S_{待測紙材1}、S_{待測紙材2}分別為不同位點上的待測紙材的ESR信號強度對g值的積分值，S_{對照紙材為}為對照紙材的ESR信號強度對g值的積分值，g＝1.965～2.040，D_{待測紙材1}、D_{待測紙材2}分別為不同位點上的輻照吸收劑量，待測紙材的，產(chǎn)品劑量分布進行歸一化處理。

在一種優(yōu)選方案中，待測紙材的取樣和制備方法為：在待提取的紙上選取輻照劑量監(jiān)測位點i和j，從位點i和j的紙內(nèi)壁夾層中，提取紙材樣品i和樣品j，紙材樣品先剪成長方形再稱重，然后卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管并推入管底，使樣品高度在測試區(qū)域內(nèi)。進一步的，所述紙材樣品剪成的長方形的邊長為2-4cm，重量為0.100～0.300g，樣品高度在ESR測試管的測試區(qū)域內(nèi)不高于3cm。

本方法中的紙材樣品選取紙內(nèi)壁夾層而非表層或最內(nèi)層，這樣可以降低紙箱外層受紫外、天然輻射的影響和紙箱最內(nèi)層受機械操作的干擾信號的產(chǎn)生

紙材樣品可剪成任何形狀，但除長方形以外的其他形狀會減少測試過程的裝樣量和高度控制；在該類測試中一般會將樣品粉碎，但試驗發(fā)現(xiàn)采用粉碎的方式會使材料產(chǎn)生機械自由基，影響檢測結(jié)果的準確性。對照紙材可以只選取一個位點，其他取樣和制備方法與待測紙材相同。一種對照紙材的取樣和制備方法為：在待提取的未輻照或經(jīng)過退火處理的紙上選取任意位點，從該位點的紙內(nèi)壁夾層中，提取紙材樣品，紙材樣品先剪成長方形再稱重，然后卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管并推入管底，使樣品高度在測試區(qū)域內(nèi)。進一步的，所述紙材樣品剪成的長方形的邊長為2-4cm，重量為0.100～0.300g，樣品高度在ESR測試管的測試區(qū)域內(nèi)不高于3cm。

本發(fā)明中，待測紙材樣品(包括待測紙材和對照紙材)在ESR測試管中于15天內(nèi)完成測定，以7天內(nèi)為最佳。

當待測紙材選取位點i和j時，產(chǎn)品劑量分布及其不均勻度計算方法為：u＝D_i/D_j＝(S_i-S₀)/(S_j-S₀)，其中S_i、S_j、S₀分別為紙材樣品i、紙材樣品j、對照紙材的ESR信號強度對g值的積分值，g＝1.965～2.040，D為輻照吸收劑量，產(chǎn)品劑量分布進行歸一化處理。

本方法中，待測紙材的ESR信號的測量條件為：X波段，功率為0.1～20mW；中心磁場348mT，掃描寬度±20mT；調(diào)制頻率50kHz～100kHz，調(diào)制振幅0.1mT～1.0mT；時間常數(shù)40～200ms，掃描速率15mT/min，增益1.0×10⁴～1.0×10⁶。

本發(fā)明的輻照處理是采用高能射線γ射線、X射線或電子束進行輻照，輻射能量范圍為0.1MeV～28MeV；產(chǎn)品的輻照劑量范圍為1.5～45kGy。

本方法是依據(jù)輻照在紙材中誘導的ESR信號與產(chǎn)品輻照劑量成正相關(guān)的結(jié)果進一步得出的，本方法的依據(jù)如下：

1.材料與方法：取11組包裝紙材樣品，每組4個重復，用重鉻酸鹽劑量計跟蹤測定實際輻照吸收劑量為0、0.95kGy、2.2kGy、4.8kGy、6.9kGy、9.7kGy、18.0kGy、24.9kGy、36.2kGy、42.1kGy、55.4kGy。輻照后從其內(nèi)壁夾層中，提取紙材樣品i和樣品j，紙材先剪成為2-4cm大小長方形再稱重，約為0.100～0.300g，卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管，用特制不銹鋼鏟具將其推入管底，壓實，使樣品高度在測試區(qū)域內(nèi)，不高于3cm。

2.ESR測定：按照下述條件測定ESR波譜：儀器Bruker Emx-p lus，X波段9.8GHz，功率為0.63mW；中心磁場348mT，掃描寬度±40mT；調(diào)制頻率100kHz，調(diào)制振幅0.1mT；時間常數(shù)80ms，掃描速率2.0mT/min，增益1.0×10⁴；

3.試驗結(jié)果與計算：紙材樣品輻照后，其ESR波譜主峰加強，并出現(xiàn)不對稱分裂峰。用ESR信號高度對g值的積分(g＝1.975～2.040)得到ESR信號積分強度S。

在0～55.4kGy范圍內(nèi)，經(jīng)線性回歸得到：D＝kS+m，……(1),

其中：k與紙材成分有關(guān)的系數(shù)。

本實驗的決定系數(shù)R²＝0.9805>0.98，k＝7.54×10⁵，m＝-12.71,k和m分別為擬合直線的斜率與截距，與紙材本身性質(zhì)有關(guān)的量。

4.產(chǎn)品劑量分布及其不均勻度計算方法：

方程(1)中k不僅與紙材成分有關(guān)，還與貯存時間、輻照溫度及環(huán)境濕度等有關(guān)；當S＝S₀即未輻照時，D＝0，kS₀+m＝0,m＝-kS₀,代入(1)得到：D＝kS-kS₀＝kS-kS₀＝k(S-S₀)。

但由于同批紙材樣品的紙材成分、貯存時間、輻照溫度及環(huán)境濕度一致，故k相同。因而，u＝D_i/D_j＝k(S_i-S₀)/k(S_j-S₀)＝(S_i-S₀)/(S_j-S₀)

當i是max(最大輻照劑量對應位點)時,j是min(最小輻照劑量對應位點)時，U＝(S_max-S₀)/(S_min-S₀)即產(chǎn)品輻照的劑量不均勻度。

由此得到產(chǎn)品劑量分布及其不均勻度計算方法：u＝(S_i-S₀)/(S_j-S₀)，S_i、S_j、S₀分別為輻照劑量監(jiān)測位點i、位點j、未輻照的紙材樣品的ESR信號高度對g值的積分值(g＝1.965～2.040)，產(chǎn)品劑量分布可進行歸一化處理獲得。

5.S₀的間接測定方法是：另取待測樣品先進行退火處理，即于溫度為100℃的烘箱中干燥4小時，去背景信號再進行ESR測定并計算。

驗證試驗：

表1本方法與標準劑量計測定的u值比較

1、經(jīng)與丙氨酸標準劑量計比對，在1.5～45.0kGy劑量范圍內(nèi)，u值的測定誤差小于7.98％，在輻照加工劑量誤差8％的許可范圍內(nèi)。

2.由于紙材樣品取自當天的同批輻照紙質(zhì)包裝箱，紙材樣品的化學成分、測定前的放置時間(7天以內(nèi))、輻照溫度及環(huán)境濕度一致，k相同，從而不影響u值的測定結(jié)果。

3、紙材樣品放置30天以上，ESR信號強度有明顯衰減。由于不同輻照劑量下的ESR信號強度衰減速率可能存在差異，故本方法ESR測定應在15天內(nèi)完成，最佳為7天。

本發(fā)明的有益效果：

1、本方法是對傳統(tǒng)劑量測定跟蹤法的一項革新，在產(chǎn)品輻照后取樣檢測，不需事先布放劑量計，就可實現(xiàn)跟蹤產(chǎn)品整個輻照過程。

2、通過加熱退貨去除背景信號，不需要預留空白對照樣品。因此，可以實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)和監(jiān)管部門的抽查管理。

3.在同一產(chǎn)品箱上取樣進行相對檢測，不需要測定實際劑量大小。

4、適合于劑量計不好布放的情形，如拐角、光潔表面；不會出現(xiàn)劑量計打碎或丟失問題；可以在產(chǎn)品箱上任意取點測定ESR信號，獲得任意點劑量分布信息。

5、價格低廉。重鉻酸鹽或普通有機玻璃劑量計至少5元/支以上，而本發(fā)明的劑量樣品從產(chǎn)品箱直接獲得，不需另外購置，只需支付檢測費。對于成千箱產(chǎn)品來說，既節(jié)約人力又節(jié)省財力。

6、該方法可以避免劑量計放置對γ或電子束或X射線輻照原有能量分布的擾動現(xiàn)象。電子束輻照可通過測定紙箱上的垂直、連續(xù)劑量分布，繪制劑量深度曲線，確定半劑量深度和有效射程。

附圖說明

圖1是輻照在紙材產(chǎn)品箱中誘導的ESR波譜及積分區(qū)域；其中灰度部分代表g的取值范圍。

圖2是輻照產(chǎn)品包裝箱的紙材ESR信號積分強度與吸收劑量關(guān)系。

圖3是輻照產(chǎn)品包裝箱取樣位點示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例1、脫水蔬菜和紅棗輻照劑量不均勻度的測定。

脫水蔬菜和紅棗包裝紙箱規(guī)格分別為30×25×20cm³、25×25×20cm³，Co⁶⁰γ輻照，采用動態(tài)懸掛方式，吊具55×85×160cm³，預定輻照劑量為6kGy、2kGy。在裝滿脫水蔬菜和紅棗的吊具內(nèi)分別選取2個位點：頂上位點min(最小劑量處)、正面3/4位點max(最大劑量處)，并在紙箱外表面上作標記(輻照前、后皆可)，輻照完畢后2天內(nèi)取樣。撕開上述紙箱，從標記處的紙箱內(nèi)壁夾層中，剪取2.5×4cm²紙材，稱重0.135g，卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管，并用特制不銹鋼鏟具將其推入管底，壓實，使樣品高度在2.5～2.8cm之間。

另從該脫水蔬菜和紅棗包裝紙箱上分別任取2個樣品，作為對照點CK,于溫度為100℃的烘箱中干燥4小時。

24小時后，用ESR波譜儀檢測上述共4×2個樣品。測量條件為：微波頻率：X波段，功率為0.63mW；磁場：中心磁場348mT，掃描寬度±10mT；信號通道：調(diào)制頻率100kHz，調(diào)制振幅0.1mT，時間常數(shù)40ms，掃描速率15mT/min，增益5.0×10⁴。

產(chǎn)品輻照劑量不均勻度計算如下表：

S_max、S_min、S₀分別為位點max、min及CK的紙材樣品的ESR信號強度對g值的積分值(g＝1.965～2.04),脫水蔬菜和紅棗劑量不均度分別為1.5、1.7，U＜2，符合輻照加工的要求，且與重鉻酸鹽標準劑量計實際測定誤差相比，小于5％，因此可以作為產(chǎn)品劑量不均勻度測定的一種替代方法。

實施例2、電子束輻照敷料和面膜劑量不均勻度測定。

敷料和面膜包裝紙箱規(guī)格分別為60×28×35cm³、30×25×27cm³，電子束輻照(10MeV)，束下輸送采用板鏈傳送方式，預定輻照劑量為10、15kGy。在敷料和面膜包裝紙箱的扁平面上的和邊緣處分別各選取2個位點：邊緣處min(最小劑量處)、中心max(最大劑量處)，并在紙箱外表面上作標記(輻照前、后皆可)，輻照完畢后7天內(nèi)取樣。撕開上述紙箱，從標記處的紙箱內(nèi)壁夾層中，剪取2.5×4cm²紙材，稱重0.150g，卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管，并用特制不銹鋼鏟具將其推入管底，壓實，使樣品高度在2.8～3.0cm之間。

另從該敷料和面膜包裝紙箱上各任取2個樣品，作為對照點CK,于溫度為100℃的烘箱中干燥4小時。

在24小時后，用ESR波譜儀檢測上述共4×2個樣品。測量條件為：微波頻率：X波段，功率為1.18mW；磁場：中心磁場348mT，掃描寬度±10mT；信號通道：調(diào)制頻率100kHz，調(diào)制振幅0.4mT，時間常數(shù)80ms，掃描速率15mT/min，增益5.0×10⁵。

S_max、S_min、S₀分別為位點max、min及CK的紙材樣品的ESR信號強度對g值的積分值(g＝1.965～2.04),敷料和面膜劑量不均度分別為1.3、1.3，U＜2，符合輻照加工的要求，且與丙氨酸標準劑量計實際測定誤差相比，小于5％，因此可以作為產(chǎn)品劑量不均勻度測定的一種替代方法。

實施例3、X射線輻照采血針和手套劑量不均勻度測定。

采血針和手套包裝紙箱規(guī)格分別為65×38×35cm³、40×35×67cm³，X輻照(5MeV)，束下輸送采用履帶傳送方式，預定輻照劑量為25、35kGy。在采血針和手套包裝紙箱的扁平面上的和邊緣處分別各選取2個位點：邊緣處min(最小劑量處)、中心max(最大劑量處)，并在紙箱外表面上作標記(輻照前、后皆可)，輻照完畢后15天內(nèi)取樣。撕開上述紙箱，從標記處的紙箱內(nèi)壁夾層中，剪取2.5×4cm²紙材，稱重0.150g，卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管，并用特制不銹鋼鏟具將其推入管底，壓實，使樣品高度在2.8～3.0cm之間。

另從該敷料和面膜未輻照同批包裝紙箱上各任取2個樣品，作為對照點CK。

在24小時后，用ESR波譜儀檢測上述共4×2個樣品。測量條件為：微波頻率：X波段，功率為20mW；磁場：中心磁場348mT，掃描寬度±10mT；信號通道：調(diào)制頻率50kHz，調(diào)制振幅1.0mT，時間常數(shù)100ms，掃描速率15mT/min，增益5.0×10⁵。

產(chǎn)品輻照劑量不均勻度計算如下表：

S_max、S_min、S₀分別為位點max、min及CK的紙材樣品的ESR信號強度對g值的積分值(g＝1.965～2.04),采血針和手套劑量不均度分別為1.5、1.5，U＜2，符合輻照加工的要求，且與丙氨酸標準劑量計實際測定誤差相比，小于6％，因此可以作為產(chǎn)品劑量不均勻度測定的一種替代方法。

實施例4、γ輻射源參考面劑量分布測定。

參考面劑量分布測定采用模擬產(chǎn)品，其外包裝為紙箱，輻照采用γ輻照源(1.25MeV)。在1米處用裝滿模擬產(chǎn)品紙板箱碼放面積為200×200cm²的參考面。預定輻照劑量為7～10kGy。在間隔30×40cm²處布放劑量計點陣，并在紙箱外表面上作標記，輻照完畢后7天內(nèi)取樣。撕開上述紙箱，從標記處的紙箱內(nèi)壁夾層中，剪取2.5×4cm²紙材，稱重0.150g，卷曲成圓筒，捏實，沿著管壁塞入ESR測試管，并用特制不銹鋼鏟具將其推入管底，壓實，使樣品高度在2.8～3.0cm之間。

另從該未輻照同批包裝紙箱上各任取2個樣品，作為對照點CK。

在24小時后，用ESR波譜儀檢測上述共4×2個樣品。測量條件為：微波頻率：X波段，功率為0.63mW；磁場：中心磁場348mT，掃描寬度±10mT；信號通道：調(diào)制頻率100kHz，調(diào)制振幅1.0mT，時間常數(shù)200ms，掃描速率15mT/min，增益5.0×10⁶。

產(chǎn)品輻照劑量分布計算如下表：

表2紙材的ESR信號強度對g值的積分值

表3參考面劑量分布測定(歸一化處理)

經(jīng)丙氨酸標準劑量計測定，參考面劑量分布歸一化處理后,相對劑量分布最大和最小分別為1.42、0.95，而本方法測定結(jié)果為1.52，0.92，兩者相對誤差最大為8.29％，小于10％，因此可以作為產(chǎn)品輻照劑量分布測定的一種替代方法。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。