К вопросу применения импульсных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/48

К вопросу применения импульсных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов

Рассмотрены особенности использования импульсных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов для решения практических задач на примере обработки семян пшеницы. Показано влияние распределения поглощённой дозы по глубине определяемого спектром пучка на эффективность его применения. Для электронного ускорителя Астра-М на основе импульсного трансформатора установлен режим работы (ускоряющее напряжение 260 кВ), при котором энергия пучка выделяется преимущественно в поверхностном слое биологических материалов. Это является важным для поверхностной обработки сельскохозяйственной продукции и сохранения сравнительно высокого уровня величины энергии в одном импульсе пучка ускорителя. Показано резкое снижение зараженности грибами Penicillium spp. с сохранением всхожести семян пшеницы при поглощенной дозе в поверхностном слое 100 Гр.

About application of pulsed electron beams with wide kinetic energy spectrum.pdf Введение Существующие примеры практического применения [1-7] электронных пучков 0.2-1 МэВ основаны, прежде всего, на использовании непрерывных электронных ускорителей, история которых насчитывает более 70 лет. Особенностью поглощения энергии непрерывного электронного пучка по глубине обрабатываемого материала является то, что максимум поглощённой дозы достигается на некоторой глубине объекта [4], определяемой характеристиками материала и энергией электронов. Таким образом, в облучаемом слое объекта обработки распределение поглощённой дозы по глубине заведомо неоднородно. Существует ряд задач, при которых необходимо обеспечение однородного распределения поглощённой дозы при ограниченной глубине обработки, например, обработка импульсным электронным пучком зерна злаковых культур. Как правило, обработка производится с двумя целями: для обеззараживания всего объёма зерна с целью длительного хранения и последующего сырьевого использования, а также в качестве предпосевной обработки поверхности семян [8, 9]. В первом случае могут применяться источники ионизирующих излучений с высокой проникающей способностью, например, электронные пучки сравнительно высоких энергий ~ 1 МэВ и более, тормозное рентгеновское и гамма-излучение. При решении второй задачи используют пучки электронов с кинетической энергией, проникающая способность которых позволяет обрабатывать поверхностные слои семян (~ 100-200 кэВ). Выбор кинетической энергии электронов при этом, как правило, ограничивается глубиной залегания зародыша и определяется для каждой конкретной культуры. Малая глубина облучения (пучки электронов с энергией десятки килоэлектронвольт) не позволит обезвредить весь объём покровных слоёв, содержащих возбудителей инфекций. Большая глубина обработки (300 кэВ и выше) приводит к выделению энергии в зародыше, что может повлиять на посевные качества семян. В работе [10] рассмотрена принципиальная возможность использования импульсных электронных пучков с широким спектром кинетических энергий для формирования более однородного распределения поглощенной дозы в ограниченной глубине в сравнении с моноэнергетическими пучками (рис. 1). Энергетический спектр импульсного электронного пучка определяется соотношением переднего и заднего фронтов импульса ускоряющего напряжения и длительностью его пологой части. Описанный подход обеспечивает достижение заданной поглощённой дозы за один либо несколько последовательных импульсов электронного пучка с широким спектром кинетических энергий электронов. Один из способов генерации таких пучков - применение ускорителей, построенных на основе импульсных трансформаторов. Разработано несколько таких ускорителей в Томском политехническом университете (таблица). Рис. 1. Распределение дозы по глубине полиэтиленовой мишени (PE) для электронов с разной кинетической энергией (указаны в кэВ), с учетом фольги выпускного окна (Ti) и воздушного промежутка 25 мм до мишени [10] Электронные ускорители на основе импульсного трансформатора, построенные в ТПУ за период 2012-2019 гг. Название Размеры (ДШВ), м Ускоряющее напряжение, кВ Энергия, переносимая пучком, Дж/имп. Длительность импульса тока пучка (на полувысоте), нс Максимальная частота следования, имп./с Ссылка ASTRA 2.512.5 370 4.5 60 50 [11] ASTRA-M 212 450 7 75 50 [12] ASTRA-M (2) 212 400 5 75 80 [12] - 21.72.4 500 45 120 5 [13] Каждый из указанных в таблице ускорителей использует ёмкостный накопитель энергии, коммутируемый псевдоискровым разрядником ПСС [14, 15]. Энергия передаётся через высоковольтный импульсный трансформатор непосредственно на вакуумный электронный диод с взрывоэмиссионным катодом [16]. Импульсы ускоряющего напряжения и тока пучка за мембраной выпускного окна приведены на рис. 2. Рис. 2. Осциллограммы импульса ускоряющего напряжения и тока пучка, выведенного в атмосферу через титановую мембрану толщиной 60 мкм [17] Возможности использования ускорителей с широким спектром кинетических энергий электронов рассмотрены в настоящей работе на примере обработки импульсным электронным пучком семян пшеницы, заражённых фитопатогенными грибами. Результатом жизнедеятельности грибов являются микотоксины - токсичные вторичные метаболиты, наличие которых делает невозможным использование зерна в пищевых и кормовых целях. Фитопатогенные грибы (Fusarium spp., Helminthosporium spp., Alternaria spp., Penicillium spp.) являются возбудителями различных заболеваний семян пшеницы. Развитие данных заболеваний приводит к снижению урожая и качества злаков [18, 19]. Грибы могут заражать сельскохозяйственные культуры во время выращивания, сбора урожая, его транспортировки и хранения. Наличие грибных инфекций в семенах, приводит к снижению потенциала прорастания семян, развитию плесени, обесцвечиванию, неприятному запаху, развитию гнили, почернению зародыша, выработке микотоксинов [18]. Такие грибы повсеместно распространены на территории России [19]. Патогены могут быть расположены как в плодовой оболочке, алейроновом слое, так и полностью заселять эндосперм и зародыш [19]. В результате заражения зародыша грибами может происходить дальнейшее гниение и разложение зерна [20]. Существуют различные способы борьбы с фитопатогенными грибами, к ним относятся биологические, химические и физические методы обработки семян пшеницы. Химическая обработка заключается в использовании фунгицидов. Недостатком использования фунгицидов является возможность возникновения резистентности у грибов к препарату [19]. Кроме того, использование химического метода приводит к накоплению вредных соединений в почве [21]. К биологическим методам борьбы с грибами относится использование антибиотиков, микроорганизмов и их метаболитов, препаратов на основе бактерий, эндофитных микроорганизмов, биостимуляторов на основе бактерий [19]. К физическим методам обработки относятся: обработка теплом, высоким давлением, ультразвуком, импульсным электрическим полем, холодной плазмой, ионизирующим излучением и т.д. [22]. Основным преимуществом радиационной обработки является уменьшение нагрева, что позволяет снизить зараженность патогенными грибами семян пшеницы без использования химических препаратов при сохранении питательной ценности и без изменения вкусовых и других качеств зерна. Наиболее распространенным инструментами радиационной обработки являются гамма-источники и электронные ускорители. Радиационная обработка семян пшеницы с целью ингибирования фитопатогенных грибов и продуцируемых ими микотоксинов более подробно описана в обзорах [8, 9]. Экспериментальное оборудование и методика проведения исследований Нами проведены исследования по обеззараживанию семян пшеницы импульсами тормозного рентгеновского излучения [23]. Источником излучения являлся ускоритель электронов с максимальной кинетической энергией частиц 350 кэВ [12] и рентгеновским конвертером на основе молибденовой фольги. Результатом исследования стало определение дозы ионизирующего излучения для подавления патогенных грибов, которая составила 1,5 кГр. Однако обеспечение данной поглощённой дозы привело к снижению всхожести семян с 80 до 10 % [12]. Полученное значение поглощённой дозы использовалось при проведении исследований по влиянию обработки импульсным электронным пучком с широким спектром кинетических энергий на зараженность семян пшеницы грибными инфекциями. На основе предварительных исследований определены два различных режима работы ускорителя с амплитудой импульса ускоряющего напряжения на диоде 200 и 300 кВ [24]. Анализ распределения поглощённой дозы по глубине (рис. 3, а) показал принципиальные отличия для указанных режимов по величине дозовой нагрузки частей семени пшеницы [25]. Так, максимальное значение поглощённой дозы обеспечивалось в оболочках семени в режиме 200 кВ и в зародыше для 300 кВ. Этим объясняется разница показателей всхожести семян после обработки в двух режимах (рис. 3, б). Следует отметить, что при использовании импульсных электронных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов, авторы указывают среднее значение поглощённой дозы в семенах для описания режима обработки. Оценка дозы производилась калориметрическим способом с учётом массы объекта обработки. Значения поглощённой дозы в конкретном слое объекта обработки можно оценить с учетом расчетной величины проецированного пробега электронов пучка в облучаемом материале (рис. 3, а). Рис. 3. Распределение поглощенной дозы за импульс электронного пучка по структуре зерна пшеницы [25] (а) и всхожесть семян пшеницы [24] (б) для режимов работы ускорителя 200 и 300 кВ Дальнейшие исследования проводились в режиме работы с ускоряющим напряжением 260 кВ - усредненной величине по приведенным испытаниям. Спектр кинетических энергий электронов пучка после инжекции в атмосферу показан на рис. 4 [17]. Рис. 4. Спектр кинетических энергий электронов пучка после мембраны выпускного окна в режиме работы ускорителя 260 кВ [17] Обработка семян электронным пучком производилась согласно схеме, подробно описанной в [24]. Во время облучения семена располагались одним слоем на одинаковом расстоянии от выпускного окна ускорителя. Семена фиксировались в конверте из алюминиевой фольги толщиной (10±2) мкм, которая ограничивала воздействие продуктов радиолиза окружающей среды. Обработка проводилась фиксированным количеством импульсов электронного пучка последовательно с двух сторон конверта. Контроль параметров работы ускорителя показал разброс характеристик импульсного электронного пучка (амплитуды ускоряющего напряжения и полного тока диода) в пределах 10%. Проращивание и определение степени зараженности семян фитопатогенными грибами (на примере грибов Penicillium spp.) проводилось согласно общепринятым методикам ГОСТ 12038-84 и ГОСТ 12044-93 соответственно. Каждая экспериментальная точка являлась результатом не менее четырех дублирующих серий эксперимента, которые повторялись в одинаковом диапазоне поглощенных доз до 1 кГр. Результаты и их обсуждение Контроль показателей зараженности и всхожести для необработанных семян перед каждой серией экспериментов показал зараженность (24±6) % и всхожесть (76±6) %. Значения показателей после обработки импульсным электронным пучком с широким спектром кинетических энергий приведены на рис. 5. Рис. 5. Влияние дозы электронного пучка на зараженность грибами Penicillium spp. (а) и всхожесть семян пшеницы (б); 1, 2, 3, 4 - дублирующие серии экспериментов Анализ результатов облучения семян по критерию зараженности грибами Penicillium spp. (рис. 5, а) показал, что доля заражённых семян снижается с (26±6)% до значения менее 5 % в диапазоне поглощенной дозы 0.1-0.8 кГр. Анализ результатов по критерию всхожести семян (рис. 5, б) позволяет заключить, что при дозе более 0.15 кГр наблюдается снижение всхожести семян с 70 до 40 %. Таким образом, при облучении семян пшеницы импульсным электронным пучком с сохранением их всхожести возможно облучение дозами порядка 0.15 кГр. При необходимости угнетения всхожести семян, можно использовать значения доз, полученных в предыдущих экспериментах, например, режим работы ускорителя 300 кВ и дозы порядка 1.4 кГр в зародыше семени пшеницы. Таким образом, было показано, что в диапазоне доз до 1 кГр снижение зараженности грибами Penicillium spp. до уровня менее 5 % возможно уже при 0.1 кГр. При этом всхожесть семян в диапазоне дозы 0.2-0.5 кГр сохраняется на уровне порядка 65 %. При дозе до 0.2 кГр возможно сохранение параметров всхожести семян с уменьшением зараженности до уровня менее 5 %. Заключение На основании анализа результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Варьировать спектр кинетических энергий электронов в пучке и добиться как относительно равномерного распределения поглощённой дозы по глубине материала (по сравнению с моноэнергетическими пучками), так и распределения с увеличенной дозой в поверхностном слое материала можно путем обеспечения определённой величины соотношения длительности переднего и заднего фронта к длительности пологой части ускоряющего напряжения. Это продемонстрировано на примере использования ускорителя Астра-М для обработки семян пшеницы. В режиме работы установки с амплитудой импульса ускоряющего напряжения 260 кВ получены условия, при которых энергия пучка выделяется преимущественно в поверхностном слое семян, что приводит к резкому снижению зараженности грибами Penicillium spp. и практически не влияет на всхожесть семян. Поглощенная доза в данном режиме составила приблизительно 100 Гр в поверхностном слое. Установлена также величина поглощенной дозы (1.5 кГр) импульсного электронного пучка, которая угнетает всхожесть семян и применима при использовании радиационной обработки для длительного их хранения.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Егоров Иван СергеевичНациональный исследовательский Томский политехнический университетк.т.н., науч. сотр. НПЛ ИПЭПТ НИ ТПУegoris@tpu.ru
Исемберлинова Асемгуль АсентаевнаНациональный исследовательский Томский политехнический университетаспирантка, инженер-исследователь ИШФВП НИ ТПУaai29@tpu.ru
Полосков Артем ВикторовичНациональный исследовательский Томский политехнический университетмл. науч. сотр. ИШФВП НИ ТПУpoloskovav@tpu.ru
Серебренников Максим АнатольевичНациональный исследовательский Томский политехнический университетаспирант, инженер НПЛ ИПЭПТ НИ ТПУmas48@tpu.ru
Нужных Светлана АнатольевнаНациональный исследовательский Томский государственный университетк.б.н., ст. науч. сотр., науч. сотр. лаб. защиты растений Сибирского ботанического сада НИ ТГУzuzelica@sibmail.com
Ремнёв Геннадий ЕфимовичНациональный исследовательский Томский политехнический университетд.т.н., зав. лаб. НПЛ ИПЭПТ НИ ТПУremnev@tpu.ru
Всего: 6

Ссылки

Industrial Radiation Processing With Electron Beams and X-rays / compiled by. V.L. Auslender et al. - Vienna: IAEA techdoc, 1 May 2011, Revision 6. http://www.cirms.org/pdf/Industrial%20Radiation%20Processing%20-20May%202011%20-%20Revision%206.pdf.
Bhandari R.K. and Dey M.K. // Energy Procedia. - 2011. - V. 7. - P. 577-588.
Martins M.N. and Silva T.F. // Rad. Phys. Chem. - 2014. - V. 95. - P. 78-85.
Cleland M. // CAS 2005 - CERN Accelerator School: Small Accelerators: Proceedings. - 2006. - P. 383-416.
Chmielewski A. and Haji-Saeid M. // Rad. Phys. Chem. - 2004. - V. 71. - No. 1-2. P. 17-21.
Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., and Ozur G.E. // Surf. Coat. Technol. - 1997. - V. 96. - No. 1. - P. 117-122.
Mehnert R. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. - 1995. - V. 105. - No. 1-4. - P. 348-358.
Calado T., Venâncio A., and Abrunhosa L. // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. - Blackwell Publishing Inc., 2014. - V. 13. - No. 5. - P. 1049-1061.
Jeong M.A. and Jeong R.D. // Plant Pathology. - Blackwell Publishing Ltd, 2018. - V. 67. - No. 1. - P. 18-29.
Егоров И.С., Полосков А.В., Серебренников М.А., Ремнев Г.Е. // Материалы 13-й Междунар. конф., Минск, Беларусь, 30 сент. - 3 окт. 2019 г. / редкол.: В.В. Углов (отв. ред.) и др. - Минск: БГУ, 2019. - № 13. - C. 530-532.
Egorov I.S. et al. // Instrum. Exp. Tech. - 2013. - V. 56. - No. 5. - P. 568-570.
Egorov I. et al. // IEEE Trans. Dielectr. Electric. Insulat. - 2013. - V. 20. - No. 4. - P. 1334-1339.
Poloskov A. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. - 2020. - V. 969. - P. 163951.
Bochkov V.D. et al. // Acta Phys. Polonica. A. - 2009. - V. 115. - No. 6. - P. 1118-1121.
Egorov I.S. et al. // Instrum. Exp. Tech. - 2015. - V. 58. - No. 1. - P. 64-66.
Egorov I. et al. // Vacuum. - 2017. - V. 143. - P. 428-432.
Poloskov A. et al. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2019. - V. 1393. - No. 1. - P. 012115.
Braghini R. et al. // Appl. Rad. Isotop. - 2009. - V. 67. - No. 9. - P. 1622-1628.
Гагкаева Т.Ю., Гаврилова О.П., Левитин М.М., Новожилов К.В. // Защита растений и карантин. - 2011. - № 5. - С. 63-120.
Escrivá L. et al. // J. Food Quality. - 2017. - V. 2017. - P. 1-20.
Смолягина Т.А., Минаева О.М., Акимова Е.Е. // Вестник Томского государственного университета. Биология. - 2011. - Т. 3. - № 15. - С. 67-70.
Li X. and Farid M. // J. Food Eng. - 2016. - V. 182. - P. 33-45.
Исемберлинова А.А., Нужных С.А., Чубик М.В. и др. // Современные проблемы радиобиологии, радиоэкологии и агроэкологии: сб. докл. Междунар. молодёжной конф. - Обнинск: ФГБНУ ВНИИРАЭ, 2019. - С. 268-270.
Isemberlinova A.A. et al. // Key Eng. Mater. IEEE. - 2018. - V. 769. - P. 172-180.
Егоров И.C., Исемберлинова А.А., Серебренников М.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2020. - Т. 63. - № 7. - С. 36-40.
 К вопросу применения импульсных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/48

К вопросу применения импульсных пучков с широким спектром кинетических энергий электронов | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/48