книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

§6. ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Впринципе в радиобиологии можно использовать облучательные установки, предназначенные для других целей, напри­ мер, рентгеноскопические и рентгенотерапевтические установки,,

облучательные установки для промышленной дефектоскопии, а также ускорители заряженных частиц, генераторы элементар­ ных частиц, ядерные реакторы, отработанные твэлы.

Развитие радиобиологии вызвало необходимость создания облучательных установок специального назначения. Примеры создания таких установок известны давно. Это — рентгеновские и гамма-установки, бетатроны, линейные ускорители для меди­ цинских целей и т. д. Промышленность начала выпуск мощных облучательных установок для стерилизации медицинских инст­ рументов и материалов. Следует отметить, что некоторые облу­ чательные установки медицинского назначения, например, изо­ топные флюорографические аппараты, с успехом используются в ветеринарии. В них вместо рентгеновских трубок применяют изотопные источники мягкого у- или рентгеновского излучения. Основными преимуществами их по сравнению с обычными рент­ геновскими аппаратами являются отсутствие необходимости электропитания, простота и удобство эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства.

Облучательную технику для сельского хозяйства стали раз­ рабатывать совсем недавно. Первая облучательная установка для предпосевного облучения семян в СССР была разработана А. В. Бибергалем в 1959 г. Серия облучательных установок для биологических и сельскохозяйственных исследований раз­ работана Д. А. Каушанским. Несомненно, в ближайшие годы создание облучательных установок для сельского хозяйства станет одной из новых отраслей не только атомной, но и сель­ скохозяйственной техники.

Уже сейчас можно дать классификацию этих облучатель­ ных установок. С точки зрения технологического назначения и области применения для сельского хозяйства нужны следующие установки: 1) для испытания и внедрения метода предпосев­ ного облучения семян; 2) предотвращения прорастания корне­ плодов при хранении; 3) для радиационной пастеризации и стерилизации продуктов плодоводства, овощеводства и живот­ новодства с целью увеличения сроков хранения; 4) для радиа­

тием мощности облучательной установки следует понимать со­ вокупность факторов: мощность дозы и дозу излучения, на ко­ торые рассчитана установка, а также активность источника излучения. По мощности установки условно подразделяют на-

310

установки малой, средней и большой мощности. Приходится еще раз подчеркнуть, что влияние мощности дозы излучения на радиобиологические эффекты изучено еще недостаточно. Однако установлено, что процессы радиационной стимуляции осуществляются наиболее эффективно при малой мощности дозы излучения. Например, стимулирующий эффект при пред­ посевном облучении семян хорошо проявляется при мощности

логии.

дозы порядка 10 рад!сек для у- и электронного излучений. Для радиационной стерилизации сельскохозяйственной продукции требуется гораздо большая мощность дозы излучения (порядка

103 рад!сек).

Активность радиоизотопного источника у-излучения уста­ новок для предпосевного облучения семян составляет порядка 103 г-экв Ra, тогда как активность источников в установках для

установки, которые могли бы обеспечить облучение материа­ лов в довольно широком интервале доз (102— 107 рад).

Для предпосевного облучения семян необходимы дозы в ос­ новном 102— 103 рад, для ингибирования прорастания корнепло­

для радиационной генетики и селекции 103— 105 рад. Исходя из этой классификации, можно сказать, что для предпосевного облу­ чения семян и ингибирования прорастания корнеплодов нужны

311

установки малой и средней мощности, для дезинсекции — уста­ новки средней мощности. К установкам средней мощности' следует также отнести установки, предназначенные для радиогенетических исследований и селекции. Для радиационной па­

точников у-излучения установок более 105 г-экв Ra.

С точки зрения мобильности облучательные установки под­ разделяют на стационарные, транспортабельные и передвиж­ ные.

Конструкция установок существенно зависит от выбранного

способа защиты персонала от внешнего облучения. Некото­ рые типы установок требуют сооружения специальной защиты. Например, источники излучения помещают в резервуар с во­ дой (резервуарная защита). Слой воды служит для поглоще­ ния излучения и защиты персонала от внешнего облучения. Такие облучательные установки, как правило, очень громоздки. При подземной защите источник излучения помещают в бетон­ ные устройства, сооруженные в почвогрунте. В рабочем состоя­

свинцового контейнера, в котором находится источник у-излу- чения, а также толщина поглощающего слоя рассчитываются таким образом, чтобы на поверхности контейнера создать предельно допустимую мощность дозы излучения.

Разработка радиационной технологии включает три основ­ ные стадии: исследовательскую, испытательную и производст­ венную. На исследовательской стадии радиобиологический эф­ фект изучается обычно в лабораторных условиях. Для этого нужны исследовательские облучательные установки, с помощью которых можно было бы получать требуемый и по возможности достаточно широкий интервал доз и мощности дозы излучения. После установления оптимальной дозы и мощности дозы, ко­

312

торые обусловливают полезный радиобиологический эффект, разрабатывают первые варианты облучательных установок для испытания радиационного метода в производственных или в близких к производственным условиях. Эти испытательные облучательные установки рассчитаны уже на более узкий диа­ пазон доз и, как правило, на одну оптимальную мощность дозы излучения. В процессе испытаний уточняют интервал оптималь­ ных доз и окончательно отрабатывают конструкцию производ­ ственной облучательной установки.

Классификация облучательных установок по видам излу­ чения особых пояснений не требует.

Для конструкции установки существенное значение имеет вид облучаемой продукции. Сельскохозяйственная продукция может поступать на облучение в разном виде; это могут быть сыпучие материалы (семена, зерно), корнеплоды и плоды (кар­ тофель, яблоки и т. п.), продукция в упакованном виде. В за­ висимости от вида облучаемой продукции создаются установки, предназначенные для облучения сыпучих материалов, корне­ плодов и плодов, продукции в мелкой или крупной упаковке.

Рассмотрим теперь современное состояние облучательной техники с точки зрения технического обеспечения различных направлений сельскохозяйственной радиобиологии.

Рентгеновские установки. Напомним, что радиобиологиче­ ские исследования были начаты с исследования биологического действия рентгеновского излучения. Рентгеновские установки и в настоящее время используются для различных радиобиоло­ гических исследований при условии хорошо налаженной дози­ метрии излучения. Рентгеновское и у-излучения по биологиче­ скому действию практически эквивалентны, т. е. одна и та же поглощенная доза рентгеновского и у-излучений вызывает прак­ тически один и тот же эффект.

Рентгеновские установки различного типа используют для экспериментальных, лабораторных исследований стимулирую­ щего действия излучений на семена, проростки растений, а так­ же для получения мутаций при облучении семян и пророст­ ков.

Несмотря на известную «древность» рентгеновской техники, возможности ее использования для сельскохозяйственной радио­ биологии далеко не исчерпаны. До недавнего времени сущест­ вовало мнение, что рентгеновские установки нецелесообразно использовать для технологических целей. Одним из недостатков их является низкий к. п. д., т. е. лишь незначительная доля энергии падающих на анод электронов превращается в тормоз­ ное электромагнитное, рентгеновское излучение. Другой недо­ статок обычных рентгеновских установок, делающий их приме­ нение в производстве неприемлемым, — узкий пучок, тогда как для облучения продукции необходим широкий пучок с доста­ точной мощностью дозы излучения.

313

В последние годы разработан ряд рентгеновских устано­ вок технологического назначения с энергией фотонов 200 кэе

превращается в два изотопа-изомера 60**Ni и 60*Ni с перио­

314

а косвенным источником у-излучения. 60Со получают в ядерных реакторах по реакции типа (п, у). Важное преимущество 60Со состоит в том, что его можно использовать в виде металла — в реакторах облучают кобальтовую проволоку или кобальтовые стержни.

Изотоп 137Cs имеет период полураспада 27 лет. Он обра­ зуется в качестве продукта деления 235U. Следовательно, его можно получать путем выделения из смеси продуктов деления,

а продукт его p-распада. Метастабильный изомер 137тВа с пе­ риодом полураспада 2,6 мин, испуская у-фогон с энергией 0,66 Мэе, превращается в стабильный изотоп 137Ва. Таким об­ разом, как и в случае 60Со, изотоп 137Cs ■— косвенный источник у-излучения. Интерес к 137Cs возник в связи с тем, что, вопервых, это весьма долгоживущий изотоп; во-вторых, его можно получать в значительных количествах в качестве отхода ядер­ ных реакторов; в-третьих, он испускает более мягкое у-излуче- ние, чем источник 60Со, и поэтому требует меньших расходов на защиту со всеми вытекающими отсюда технико-экономиче­ скими последствиями.

Отработанные твэлы также являются источниками у-излуче- ния многочисленных продуктов деления 235U. Спектр этого излучения очень сложный. Сложный характер имеет и кривая уменьшения плотности потока излучения, так как в твэлах со­ держится смесь радиоактивных изотопов с различными перио­ дами полураспада.

Твэлы используют в качестве источников излучения в мощ­ ных облучательных установках.

Для этого их погружают в водяной бассейн, который слу­ жит радиационной защитой. При большой мощности дозы (по­ рядка 103 рад/сек) у-излучения высокой энергии (более 2 Мэе) в водяном бассейне образуется слабый поток нейтронов вслед­ ствие фотонейтронных реакций расщепления ядер дейтерия. Порог фотонейтронной реакции для ядер дейтерия составляет 2,23 Мэе. Как раз U0La испускает у-фотоны с энергией на 6% больше этого порога. Однако плотность потока нейтронов, об­ разующихся при этом, имеет порядок 103 нейтрон/(см2 •сек), т. е. он очень мал и практического значения не имеет.

В ряде случаев для экспериментальных целей используют радиационные контуры реакторов, которые обеспечивают высо­ кую мощность дозы излучения.

Надо отметить, что для экспериментов желательно иметь однородные по составу излучения или наиболее стандартные

315

источники излучения, чтобы получать сопоставимые результа­ ты. Источники смешанного у-излучения можно использовать для производственных целей, когда экономические соображе­ ния приобретают решающее значение.

Установки, основанные на использований у-излучателей, называются гамма-установками. Рассмотрим различные типы этих установок в зависимости от их мощности.

Гам м а-установки м алой мощности. В качестве источников излучения таких установок используют б0Со и 137Cs; причем ,37Cs применяют в основном в транспортабельных и передвиж­ ных установках.

В нашей стране разработаны и серийно выпускаются ряд гамма-установок малой мощности. Рассмотрим их принципи­ альные конструктивные особенности.

Имеются гамма-установки, позволяющие располагать облу­ чаемые объекты на различных расстояниях от излучателя. Пре­ имущество этих установок заключается в том, что посредством изменения расстояния можно в широких пределах изменять мощность дозы излучения.

В зависимости от активности источника, которым, как пра­ вило, является 60Со, у-излучатель может быть помещен в центре зала, тогда вокруг источника устанавливают облучаемые объекты, например сосуды с растениями или пакеты с семена­ ми. Там же в центре зала имеется глубокий бетонированный канал, в который погружают у-излучатель, когда установка находится в нерабочем состоянии. Толщина бетонных или кир­ пичных стен зала должна обеспечивать допустимую мощность дозы излучения вне зала. Вход в зал должен быть автомати­ чески блокирован — никто не может попасть в зал при рабо­ чем положении у-излучателя. Залы целесообразно строить та­ ких габаритов, чтобы максимально использовался весь воз­ можный диапазон мощности дозы излучения. Желательно, чтобы эти залы имели искусственный климат (фитотроны), где можно было бы проводить опыты круглый год при разных

облучения животных. При использовании у-излучателей актив­ ностью порядка 10— 100 кг-экв Ra и больше залы строить неце­ лесообразно. В этих случаях оборудуют так называемые у-поля, на которых в центре поля помещают облучательную ус­ тановку с подземной защитой. Поле должно быть огорожено, иметь защитную зону и охраняться, чтобы не допустить пребы­ вания там людей во время работы установки.

Схема установки для облучения растений на гамма-поле, показана на рис. 9.5. На у-поле, как правило, изучают дейст­ вие длительного облучения на растения. Для у-облучения пло­ довых и древесных культур оборудуют так называемые гамма-

316

сады. Гамма-залы, поля и сады — это по сути дела стационар ­ ные исследовательские гамма-установки. К этому же типу установок относятся гамма-установки, в которых у-излучатели находятся внутри специального подземного бетонированного канала («сухая» защита), куда опускают контейнеры с облу­ чаемыми объектами. Для защиты можно использовать бас­ сейн, заполненный водой («мокрая» защита). В этом случае-

Рис. 9.5. Схема установки для облучения растений на у-поле:

воздействию их у-излучения.

Все перечисленные установки имеют одно существенное не­ удобство — они требуют сооружения бетонированных храни­ лищ, строительства специальных зданий, водяных бассейнов.

Более удобными для работы с точки зрения компактности являются гамма-установки со свинцовой защитой. Иногда их называют «самозащищенными». Принцип устройства таких установок прост (рис. 9.6). Внутри свинцового контейнера имеется камера, в которую помещают у-излучатели- (60Со или 137C s). Объекты или вводят в камеру с у-излучателями или про­ пускают через облучательную камеру — статический и динами­ ческий режимы работы гамма-установок. Благодаря компакт­ ности свинцовой защиты такие установки малогабаритны.

317

Их легко перемещать внутри лаборатории или монтировать на автомашинах. Такие гамма-установки можно использовать для исследовательских целей, например для апробации метода пред­ посевного облучения семян. В СССР Д. А. Каушанским в 1968 г. ■создана передвижная гамма-установка для предпосевного облу­

мутаций.

Для радиоингибирования прорастания корнеплодов использу­ ют как стационарные, так и передвижные установки. Ящики с корнеплодами подаются в камеру с у-излучателями и перемеща­ ются с такой скоростью, чтобы за время прохождения около гам­ ма-излучателей корнеплоды получили ингибирующую прораста­ ние дозу излучения. Схема одной из стационарных производст­ венных установок для облучения картофеля показана на рис. 9.8, схема и общий вид передвижной установки — на рис. 9.9.

Установки такого же типа используют для дезинсекции ко­ жи и шерсти. В этом случае на облучение по конвейеру подают тюки кожи и шерсти. Для дезинсекции зерна применяют уста-

318

Рис. 9.7. Передвижная гамма-установка «Колос» для предпосевного облуче­ ния семян:

1 — приемный дозирующий бункер; 2 — ковшовый транспортер; 3 — загрузочный бункер» контейнера; 4 — контейнер-облучатель; 5 — пульт управления; 6 — ленточный транспор­ тер; 7 — бункер для облучения семян; 8 — мешкотара.

Рис. 9.8. Схема стационарной производственной: гамма-установки длят облучения картофеля.