Application of High Current Pulsed-Periodic Electron Accelerator SINUS-320 for Cocoa Powder Sterilization

Один из методов стерилизации пищевых продуктов – обработка ионизирующим излучением. Процесс облучения тщательно контролируется с соблюдением параметров и времени обработки для достижения определенных результатов. Стерилизация с использованием ионизирующего излучения помогает предотвратить рост микроорганизмов, ответственных за порчу пищевых продуктов, таких как бактерии и плесень, за счет воздействия на их молекулярную структуру. Во время этих процедур могут использоваться два типа частиц: электроны и гамма-кванты. Воздействие этих типов ионизирующего излучения на вещество принципиально одинаково. Разница между ними заключается прежде всего в источнике их происхождения. Для пищевой промышленности используется электронное излучение с максимальной энергией частиц до 20 МэВ и гамма-излучение с энергией до 10 МэВ. Такой диапазон энергий слишком низок, чтобы способствовать возникновению наведенной радиоактивности в продуктах переработки. Гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность, тогда как проникающая способность электронов значительно ниже. Поэтому ускоренные электроны чаще всего используются для обработки продуктов в относительно тонких упаковках или сыпучих продуктов, таких как какао-порошок или зерна. Основным технологическим параметром, характеризующим степень радиационного воздействия продукции, является поглощенная доза ионизирующего излучения. Поглощенная доза – это определенное количество энергии, поглощенное продуктом во время его воздействия радиации. Подробный обзор применения технологий электронного и рентгеновского облучения в пищевой промышленности представлен в работах

Несмотря на низкую проникающую способность, электронное излучение чаще всего применяется для стерилизации пищевых продуктов. В этом случае могут быть использованы различные типы ускорителей, в том числе бетатроны, линейные ускорители и электронные синхротроны. Каждый из этих типов ускорителей имеет свои преимущества и недостатки.

В данной работе мы исследовали применение сильноточного импульсно-периодического ускорителя электронов СИНУС-320 для стерилизации какао-порошка. В качестве инструмента исследования использовался программный пакет GEANT4

Основной задачей было показать возможности использования ускорителя СИНУС-320 для качественной стерилизации пищевых продуктов, а также подбора оптимального режима работы. Основной особенностью генератора СИНУС-320 является относительно низкая энергия ускоренных электронов (до 500 кэВ). В связи с этим необходимо определить оптимальную толщину слоя облучаемого изделия. К очевидным преимуществам использования генератора СИНУС-320 относятся большой ток пучка (до 5 кА).

Модель, использованная для исследования распределения поглощенной дозы по глубине облучаемого какао-порошка, описана в следующей главе. Далее в главе 3 приводятся результаты исследования для различных режимов работы ускорителя. В заключении подведены итоги исследования и даны рекомендации по достижению оптимального режима работы ускорителя СИНУС-320.

Исследование проводилось посредством статистического моделирования с использованием программного пакета GEANT4. Основу модели составляют предложенная конструкция стерилизатора и параметры электронного пучка. С технической стороны стерилизатор состоит из ускорителя электронов, конвейерной ленты и свинцового экрана. Общий вид стерилизатора и подробное место стерилизации показаны на рисунке 1. Облучаемый продукт располагается на ленточном конвейере из нержавеющей стали, расположенном непосредственно под ускорителем. Ускоритель в этой модели состоит из катода, анода и внешнего стального корпуса. Подробное описание импульсно-периодического ускорителя электронов на основе генератора СИНУС-320 представлено в работах

Рисунок 1 - Конструкция стерилизатора: 

а - общая схема стерилизатора; б - детальный вид места стерилизации

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.21.1

В качестве анода используется алюминиевая фольга толщиной несколько десятков микрон. Пучок ускоренных электронов генерируется вблизи поверхности катода. Начальное положение электронов равномерно распределено по поверхности катода. Направление электронов – вертикально вниз к аноду. Пространство между катодом и анодом – вакуумом. Электроны достигают поверхности облученного изделия, проникая через анодную фольгу. Доза облучения определялась как удельная поглощенная энергия на единицу массы продукта. Энергетический спектр электронов в исходном состоянии зависит от напряжения ускорения генератора. На рисунке 2 показаны спектры электронов для напряжений 350 кВ, 400 кВ, 450 кВ и 500 кВ. Приведенные данные для энергетических спектров соответствуют измеренному импульсу напряжения в режиме ускорения электронов. Как показано на рисунке, существует небольшая доля электронов, энергия которых превышала максимально возможную энергию при однократном ускорении. Такой эффект обусловлен спецификой работы СИНУС-320.

Рисунок 2 - Энергетический спектр электронов для разных ускоряющих напряжений

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.21.2

Следует отметить, что электроны теряют часть своей энергии при прохождении через анодную фольгу и воздушный зазор между анодом и какао-порошком. Таким образом, низкоэнергетическая составляющая электронного спектра подавляется до достижения какао-порошка.

Разработанная модель была использована для изучения распределения поглощенной дозы в зависимости от глубины проникновения в какао-порошок. Исходными данными, использованными в исследовании, были ускоряющее напряжение (350 кВ, 400 кВ, 450 кВ и 500 кВ), толщина алюминиевой анодной фольги (30 мкм, 50 мкм и 70 мкм), а также толщина облученного слоя какао-порошка (3 мм, 4 мм и 5 мм). Результаты представлены на рисунке 3. Левый, средний и правый столбцы на рисунке 3 соответствуют анодной фольге толщиной 30 мкм, 50 мкм и 70 мкм соответственно. Верхняя, средняя и нижняя части рисунка 3 соответствуют толщине облучаемого какао-порошка 3 мм, 4 мм и 5 мм соответственно. На каждом рисунке показаны результаты для четырех значений ускоряющего напряжения: 350 кВ (желтый), 400 кВ (фиолетовый), 450 кВ (синий) и 500 кВ (зеленый). Результаты получены при времени облучения 13 нс (один импульс).

Рисунок 3 - Результаты расследования

Примечание: левая часть соответствует толщине анодной фольги 30 мкм, средняя - 50 мкм, правая - 70 мкм; верхняя часть соответствует толщине слоя какао-порошка 3 мм, средняя - 4 мм, нижняя - 5 мм; на каждом рисунке показаны результаты для четырех значений ускоряющего напряжения; желтая линия соответствует напряжению 350 кВ, фиолетовая - 400 кВ, синяя - 450 кВ, зеленый - 500 кВ

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.21.3

Полученные результаты показали, что генератор СИНУС-320 может быть использован для эффективной стерилизации какао-порошка толщиной слоя 3-5 мм. Это достигается подбором правильной комбинации ускоряющего напряжения и толщины анодной фольги. Например, при U = 500 кВ, l = 70 мкm и d = 5 мм разброс поглощенной дозы не превышал 30% (от 600 Гр до 800 Гр за один импульс).

Из полученных результатов также видно, что поглощенная доза отличается для разной толщины слоев какао-порошка на глубине более 2 мм. при одинаковых прочих условий облучения. С увеличением толщины слоя какао-порошка поглощенная доза уменьшается. Очевидно, что наблюдается эффект переотражения излучения от конвейерной ленты, состоящей из нержавеющей стали. Этот эффект также можно использовать для выбора оптимальной толщины слоя облучаемого изделия.

В работе методом статистического моделирования было проведено предварительное исследование применения генератора СИНУС-320 для стерилизации какао-порошка Показано, что генератор СИНУС-320 позволяет эффективно стерилизовать какао-порошок толщиной слоя 3-5 мм при ускоряющем напряжении 350-500 кВ. Очевидно, что описанный метод подходит к стерилизации продуктов, близких по плотности и элементному составу к какао-порошку, таких как мука, кофе и т.д. Следует отметить, что метод с использованием программного комплекса GEANT4 полностью оправдал себя. Представленный выше подход можно использовать для аналогичных целей, где используются ускорители электронов.