基于蒙特卡洛方法的电子束辐照新鲜葡萄剂量分布模拟研究

王翠平 沈文梅

(河北建筑工程学院理学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

据FAO统计，葡萄是全球种植面积最大的一种水果，它产量位居前三位，随着社会进步和人们生活水平提高,对鲜食葡萄的需求量是越来越大.由于葡萄柔软多汁、含水量很高,很容易因为受到病菌浸染而腐烂变质.这给鲜食葡萄的贮藏、运输、延长销售时间等都带来不少困难,造成很大的经济损失.据估计，在全世界范围内.每年大约有27%左右的葡萄因采后腐烂而损失.因此,研究葡萄贮藏保鲜技术,满足市场需求这一课题具有重要意义.

传统的食品贮藏加工技术，如加热灭菌、药剂熏蒸、添加防腐剂等，不仅会破坏食品原有的结构，影响食品特有的口感与风味，而且还会对食品造成化学污染，危害人体健康.辐照作为一种冷杀菌技术，在处理过程中引起食品内部温度变化极小，国内外学者对其开展了广泛的研究.目前应用最多的是gamma射线辐照，以Co60作为辐照源，其穿透力强，可以有效地杀灭食品中的细菌.但是近年来，由于放射源丢失造成的放射性污染、核泄漏等问题，导致了多起安全事故的发生，gamma射线辐照的安全问题受到越来越多的重视.电子束辐照加工技术[1]中的高能电子束产生和消失通过电子加速器的开关控制，和gamma辐照相比不存在放射性污染、核泄漏等问题，是一种理想的gamma射线辐照替代技术.电子束辐照加工技术不仅可以彻底杀灭病原微生物，最大限度的保持食品品质，而且可以减少不良风味对食品的影响，延长货架期[2].因此得到越来越多的国家以及国际组织的关注[3].

保证产品的有效吸收剂量和辐照剂量的均匀度[4]是确保辐照产品质量的关键，所以在开展电子束加工前，需要对被辐照物吸收剂量做出准确的理论估算，才能避免实验的盲目性[5].计算电子束在材料中的吸收剂量及其他相关的参数，实际上就是解决电子在介质中的输运问题.本文用蒙特卡洛模拟程序包-GEANT4[6]研究了电子束辐照新鲜葡萄的剂量分布，计算分析了鲜食葡萄电子束辐照灭菌的各项参数对辐照效果的影响.

1 计算方法

1.1 Geant4

Geant4是由CERN(欧洲核子研究组织)开发的基于C++面向对象技术的蒙特卡洛应用程序包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程.相对于MCNP、EGS等商业软件来说,它的主要优点是源代码完全开放,用户可以根据自己的实际需要更改、扩充Geant4程序.由于具有良好的通用性和扩展能力，Geant4软件在涉及微观粒子与物质相互作用的诸多领域包括高能物理，空间科学、辐射医学等方面获得了广泛应用.自1999年发布以来，Geant4已被多个大型的高能物理实验组所采用,其模拟结果的准确性也得到了严格的检验.粒子输运过程的蒙特卡洛模拟是一种物理事实的逼真模拟：粒子按照程序描述的源分布而产生，穿过一定的距离，在输运的过程中根据程序设置的各种相互作用截面而发生碰撞和散射，损失一定的能量，改变运动方向或产生新的粒子.这个过程将一直进行下去，直到所有粒子被吸收(能量损失到一个特定值以下)或穿出研究区域为止.

1.2 计算条件

在使用GEANT4程序包进行模拟计算时，一是要对模拟对象的材质进行描述，二是要对模拟对象的几何结构进行描述.描述模拟对象的材质的参数包括：密度、组成元素的种类和数目、以及化合物中各原子数目比或者混合物中各元素的质量分数.本文所模拟的鲜食葡萄简化为80%水和20%葡萄糖组成的混合物，以方便计算.计算空间为笛卡尔坐标系，分别在X、Y和Z坐标方向将受辐照材料划分成许多小格，划分的间隔在三个方向均可不同，最后可以形成一个由许多小立体元组成的矩形几何体.出射面呈矩形分布的平行电子束可以任意角度入射到材料表面，电子束的能量可以按程序要求进行调节.在经过数量足够多的蒙特卡洛模拟抽样计算后，将得到在每一个小立体元内沉积的绝对能量值.根据这些能量值就可得到被照射材料中任意方向的剂量分布.在本模拟程序中假设受照材料的大小为11 cm×5 cm×5 cm，在X、Y方向每小格边长为1 cm，而Z方向每小格为0.1 cm，共分成6050个小立体元，不同能量的电子束垂直于X-Y平面入射.通过计算电子束在每个小立体元中沉积的能量以及每个小立体元的质量即可计算出每个小立体元的吸收剂量.根据各点的吸收剂量，找出吸收剂量的最大值Dmax和最小值Dmin,按照公式U=Dmax/Dmin计算吸收剂量的不均匀度.

2 计算结果及讨论

2.1 计算结果

图1给出了能量为1MeV-9MeV的电子束辐照下葡萄等效物的吸收剂量深度分布曲线，即电子束沉积能量随辐照物厚度的分布.图2给出了9MeV电子束辐照下第一层的三维剂量分布，即电子束辐照下同一深度平面剂量分布.

图1 不同能量的电子束

图2 9MeV电子束辐照下同一深度平面剂量分布

2.2 结果分析

由图1可见，电子束在受照葡萄等效物质中的吸收剂量先随深度增长到一极大值，而后随深度递减.造成这个现象的主要原因是电子束辐照到葡萄表面会发生散射，电子被散射到空气中的概率较大，而空气密度很低，散射回来的电子束较少，所以在此区域内吸收剂量偏低.所以由于次级电子的作用，在靠近辐照物质表面的浅层内，吸收剂量随深度的增加而增大.直到某一深度电子的增加与因衰减而使电子释出的数目相等时，吸收剂量达到极大值.此后，随物质层深度增加，电子的释出占优势，吸收剂量逐渐减少.从图1中还可以看到对同一种辐照物质，随着电子束能量增大，辐照深度也随之增加.图2表明在辐照物质的同一深度平面剂量分布是均匀的，在辐照过程中由这一因素分布引起的对辐照不均匀性的影响很小，可以不予考虑.

3 讨 论

一定能量的电子束对于特定的辐照物质来说，就对应于一个最优的辐照厚度，作为辐射工艺设计的基础，一般推荐采用辐照产品前表面的入射剂量等于产品后表面上的出射剂量时所对应的产品厚度为最佳辐照加工厚度.辐照电子束能量越高，对应的最佳辐照加工厚度越大，从提高辐照效率方面考虑，可以选择较高能量的电子束进行辐照.同时还要对电子束入射角度、摆放方式等进行合理的优化，以期既确保灭菌效果，又尽量避免无效的能量损失.利用以上规律，并进行精确的理论估算，对于后续的优化辐照工艺将起到积极的作用.

参 考 文 献

[1]刘敏，谢晶，韩志.非热技术在果蔬保鲜体系中的应用[J].包装与食品机械，2007,25(1):47～50,53

[2]彭发青，赵艳丽，胡加彬,等.水果的除害处理技术及其发展前景[J].植物检疫，2001,15(6):363～367

[3]孔秋莲，岳玲，戚文元,等.电子束辐照乳酸钙杀菌效果的研究[J].辐射研究与辐射工艺学报，2011,29(1):43～47

[4]Mclaughlin W L，Miller A，Fidan S et al.Radiat Phys Chem,1977,10:119～127

[5]张达明，张利民.两种聚乙烯材料中的电子束辐照剂量分布测定-优化辐射加工工艺的一种实验方法[J].辐射研究与辐射工艺学报，2000,18(4):272～277

[6]www.geant4.cern.ch