1. Введение
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
[1][3][4][5][6]
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
[7]
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.
2. Методы и принципы исследования
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
[8][9][10]
Конструкция стерилизатора: а - общая схема стерилизатора; б - детальный вид места стерилизации
Энергетический спектр электронов для разных ускоряющих напряжений
3. Основные результаты
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).
Результаты расследования
4. Обсуждение
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.
5. Заключение
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.