Радиационно-технологические установки для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов питания на основе ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Воронин, Леонид Александрович

• Воронин, Леонид Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронин, Леонид Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Сравнение существующих методов стерилизации и обработки продуктов питании. Преимущества радиационных методов.

Глава 2. Промышленный комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения на основе ускорителя ИЛУ-6.

2.1 Обоснование возможности использования ускорителя с энергией пучка ускоренных электронов 2.5 МэВ для стерилизации шприцев.

2.2 Радиационно- технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения на базе ускорителя ИЛУ-б.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиационно-технологические установки для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов питания на основе ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10»

Среди радиационно-технологических процессов особенно выделяются технологии стерилизации медицинских изделий однократного использования и обработки продуктов питания, так как они непосредственно связаны с жизнедеятельностью и здоровьем людей. Хотя в настоящее время все еще широко используются химические и тепловые методы стерилизации, а также стерилизации и обработки продуктов питания на гамма-излучателях, применение радиационных технологий с использованием в качестве излучателей ускорителей электронов активно расширяется во многих развитых и развивающихся странах, таких как: США, Япония, Южная Корея, Китай и других. Альтернативы ускорителям, способным работать и в электронной моде, и в режиме генерации тормозного излучения, и предназначенных .как для стерилизации, так и для обработки продуктов питания, практически нет.

Важной задачей является выбор типа ускорителя с параметрами, удовлетворяющими как требованиям технологического процесса, так и требованиям необходимой производительности. Хотя в состав оборудования радиационно-технологического комплекса, кроме ускорителя, входит специально оборудованное помещение с радиационной защитой (бункер), система транспортировки облучаемой продукции, приборы технологической дозиметрии и текущего радиационного контроля, все же стоимость ускорителя и бункера может составлять совокупно до 2/3 стоимости комплекса. В свою очередь стоимость радиационной защиты прямо пропорциональна параметрам ускорителя, в особенности, энергии ускоренных электронов. Таким образом, является актуальным создание компактных, дешевых, высокопроизводительных радиационно-технологических установок на базе конкурентоспособных промышленных ускорителей электронов сравнительно невысоких энергий [1,2].

Целью настоящей работы явилось создание установок и разработка технологий для стерилизации медицинских изделий однократного применения и обработки продуктов питания. Установки создавались на основе импульсных линейных ускорителей ИЛУ-6 (2.0 - 2.5 МэВ, 20 кВт) и ИЛУ-10 (3.5 - 5.0 МэВ, 50 кВт). Ускорители этой серии предназначены для широкого применения в различных технологических процессах. Они рассчитаны на длительную непрерывную работу в промышленных условиях [3].

Созданная и реализованная на заводе в Ижевске промышленная установка на базе ускорителя ИЛУ-6, предназначенная для стерилизации медицинских изделий однократного применения (шприцев), обеспечивает производительность 100 тыс. одноразовых шприцев в час (порядка 70 млн. в год), что как минимум перекрывает потребности региона. Качество стерилизованных изделий не хуже, чем у зарубежных аналогов, а стоимость стерилизации на 3-5% ниже и составляет менее 5% от стоимости изделия. Особенностью разработанной технологии стерилизации является возможность обработки изделий в потребительской таре.

Для использования в технологии обработки продуктов питания тормозным излучением создана установка на базе ускорителя ИЛУ-10. Особенность установки заключается в применении специально созданного конвертера электронов в тормозное излучение и в использовании оригинальной системы диагностики тормозного излучения. Предложена расчетная схема, позволяющая осуществить оптимальный выбор продукции, сформулировать требования к конвейерной системе, рассчитать объемы стерилизуемых пищевых продуктов. Разработанная для применения в составе установки система диагностики и оперативного контроля потока тормозного излучения, уже используется при настройке практически всех ускорителей серии ИЛУ и может представлять большой практический интерес при настройке радиационных комплексов на базе ускорителей различных типов, работающих в режиме генерации тормозного излучения.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые в мировой практике исследована возможность использования ускорителей электронов с относительно низкой энергией (2.5 МэВ) для стерилизации медицинских изделий однократного применения в потребительской таре; впервые разработан и создан компактный, автоматизированный радиационно-технологический комплекс для стерилизации на базе промышленного ускорителя электронов ИЛУ-6; предложена методика пригодного для быстрых оценок упрощенно-аналитического расчета конвертера тормозного излучения; создана установка для обработки продуктов питания тормозным излучением на базе ускорителя ИЛУ-10; создана эффективная система диагностики мощных потоков тормозного излучения.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

• предложена методика моделирования распределения дозы по объему облучаемого материала; проведены расчеты, показавшие возможность использования ускорителя электронов ИЛУ-б для стерилизации одноразовых медицинских шприцев в потребительской таре;

• проведены экспериментальные исследования распределения дозы по объему потребительской тары со шприцами; разработана технология стерилизации одноразовых медицинских шприцев;

• создан и реализован высокопроизводительный радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения;

• предложена методика удобного для быстрых оценок упрощенно-аналитического расчета конвертера электронов в тормозное излучение;

• проведены экспериментальные работы по определению распределения дозы тормозного излучения по объему фантома, показавшие хорошую корреляцию с расчетами;

• показана возможность создания установки для обработки продуктов и материалов большой массовой толщины (продукты питания, минеральное сырье, медицинские препараты, медицинские изделия однократного применения и пр.) на основе ускорителя ИЛУ-10;

• разработана эффективная система диагностики потока тормозного излучения, предназначенная для контроля формирования дозного поля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы.

Общим итогом диссертационной работы является создание эффективных, надежных и конкурентоспособных промышленных радиационио-технологических установок, способных решать практически любые задачи в промышленных технологиях. Осуществлена контрактная поставка радиационно-технологического комплекса для стерилизации медицинских изделий (Россия), двух установок для обработки продуктов питания тормозным излучением в США, ведутся переговоры по поставке еще двух комплексов (Китай, Казахстан).

Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались: на семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, на IX, X международных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт

Петербург, 1998, 2001); на Конференции по радиационным процессам (Обнинск, Россия 1999); на XVII Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 2000); 6th Int. Conf. on Electron Beam Treatment (Varna, Bulgaria, 2000); International Symposium on Radiation Technology in Emerging Industrial Applications (Beijing ,China, 2000); на объединённой научной сессии СО РАН и СО РАМЫ "Новые медицинские технологии" (Новосибирск, Россия 2000); на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, 2001); Conference Radiation Physics and Chemistry (St.Adel, Canada, 2002); на XVII Международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта, Украина 2003); Meeting on New Application of Accelerators (Wuxi, China 2003); на Международном совещании по радиационной обработке IMRP 2003 (International Meeting on Radiation Processing) (Chicago, USA 2003).

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе проводится сравнение существующих методов стерилизации и обработки продуктов питания. Показываются преимущества радиационных методов, в частности, электронно-лучевого метода стерилизации и обработки продуктов питания тормозным излучением. Обосновывается выбор параметров ускорителя для различных технологий.

Во второй главе подробно описан радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения на базе ускорителя ИЛУ-6. Приведены расчеты распределения доз по объему облучаемой продукции. Обоснован выбор геометрии облучения и описаны технические средства, позволившие достигнуть оптимального распределения дозы по объему изделия и добиться максимальной производительности комплекса. Показаны результаты экспериментов и предложена эффективная технология облучения продукции. Подробно описан ускоритель, конвейерная система и подпучковое оборудование.

В третьей главе рассмотрена радиационно-технологическая установка для обработки пищевых продуктов тормозным излучением с использованием ускорителя ИЛУ-10. Приведено описание ускорителя ИЛУ-10 и показана возможность создания на его основе радиационно-технологической установки. Предложена методика аналитического расчета оптимизированного конвертера и описана его конструкция. Представлена расчетная схема, позволяющая осуществить оптимальный выбор продукции, сформулировать требования к конвейерной системе, рассчитать объемы стерилизуемых пищевых продуктов. Приведены результаты экспериментов по определению распределения дозы в объеме облучаемого материала. Предложены меры по увеличению коэффициента использования тормозного излучения.

В четвертой главе подробно описана система диагностики потока тормозного излучения на основе полупроводниковых датчиков. Система предназначена для контроля формирования дозного поля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы. Показан механизм интеграции системы в систему управления и контроля установки.

В заключении перечислены основные результаты работы, рассматриваются перспективы развития и использования радиационно-технологических установок.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Воронин, Леонид Александрович

4.4 Выводы.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что в экспериментальных работах и при отработке технологии система является удобным инструментом контроля формирования дозных полей необходимой конфигурации. В реальном технологическом процессе система пригодна для проведения эпизодического контроля распределения доз, тогда как текущий контроль осуществляется одиночными концевыми датчиками. При облучении продукции отношение сигналов датчиков должно оставаться постоянным с заранее заданной точностью (обычно около 10-20 %). Изменение этого отношения свыше допустимых пределов свидельствует о нарушениях в работе установки и является основанием для остановки процесса облучения продукции. Кроме измерения относительного изменения мощности дозы диодные датчики могут быть использованы для измерения абсолютной дозы в заданных точках пространства за конвертером, но для этого должна быть проведена предварительная калибровка (например, по ТЛД или пленочным дозиметрам).

87

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Перечислим основные результаты работы: проведенным моделированием показана возможность использования сравнительно низкоэнергетического (2.5 МэВ) ускорителя электронов ИЛУ-6 для стерилизации одноразовых медицинских шприцев в потребительской таре; на основе расчетов и экспериментальных исследований разработана технология стерилизации одноразовых медицинских шприцев; создан, реализован и успешно эксплуатируется в течении 12 лет высокопроизводительный радиационно-технологический комплекс для стерилизации медицинских изделий однократного применения; предложена методика аналитического оценочного расчета конвертера электронов в тормозное излучение; проведены экспериментальные работы по определению распределения доз тормозного излучения на поверхности и по объему облучаемого материала, предложены рекомендации но выбору схемы облучения в зависимости от вида продукции, необходимого распределения и степени допустимой неравномерности дозы; показана возможность создания на основе ускорителя ИЛУ-10 установки для обработки продуктов и материалов большой массовой толщины; проведены сборка, наладка и испытания системы выпуска пучка с поворотом на 90°, тормозным конвертером и системой развертки пучка электронов на поверхности конвертера; предложены меры по достижению максимального коэффициента использования тормозного излучения;

8S

• на основе полупроводниковых датчиков разработана система диагностики потока тормозного излучения, предназначенная для контроля формирования ' дозного ноля тормозного излучения необходимой конфигурации и для оперативного контроля мощности дозы.

Опыт разработки и эксплуатации радиационно-технологических установок на базе ускорителей ИЛУ-6, ИЛУ-10 показал их высокую надежность, долговечность, производительность и конкурентоспособность на мировом рынке [46,47,48]. Общей тенденцией развития комплексов, предназначенных для' стерилизации и для обработки продуктов питания, является как увеличение энергии ускоренных электронов, так и мощности ускорителей. Так в России для стерилизации успешно используются ускорители типа УЭЛР, УЭЛВ (< 10 МэВ, < 10 кВт) производства НИИЭФЛ [49]. Однако по-прежнему использование в стерилизационных установках ускорителей сравнительно низкой энергии для стерилизации медицинских изделий малой массовой толщины представляется оправданным.

Поскольку энергия ускорителей, работающих в режиме генерации тормозного излучения, и предназначенных для обработки продуктов питания рекомендациями МАГАТЭ ограничена 5 МэВ, единственным способом повышения производительности установки является увеличение мощности ускорителя. Установки на базе ИЛУ-10 являются востребованными на рынке, однако в ИЯФ ведутся работы по созданию новой модели ускорителя (5 МэВ, 300 кВт) [50].

Необходимо отметить, что создание установок для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов является следствием многолетней работы, ведущейся в Институте ядерной физики СО РАН в

89 лаборатории промышленных ускорителей №14 под руководством B.JI. Ауслендера, а также заслугой всего коллектива лаборатории.

Автор считает своим долгом выразить благодарность Кулипанову Г.Н. за поддержку этой работы, Ауслендеру B.JI. за общее руководство, полезные советы и опыт, необходимые при создании установок; Полякову В.А. за неоценимую помощь в понимании тонкостей радиационных технологий; Якутину A.M. за создание системы электропривода конвейерной системы; Радченко В.М. и Кокину ЕЛ I. за разработку системы развертки пучка и помощь при запуске и настройке установки; Брязгину А.А. и Факторовичу Б.Л. за создание систем автоматизации ускорителей, системы поворота пучка и ценные дискуссии; Лукину A.M. и Сидорову А.В. за создание конвертера и обсуждения; Панфилову А.Д., Нехаеву В.Е., Горбунову В.А. Тувику А-Ф.А, Ромашко А.Д. за помощь в понимании физики ускорителей ИЛУ, за разработку, наладку и испытания многочисленных систем ускорителей и за полезные обсуждения. Также автор считает необходимым выразить свою благодарность за помощь в создании, сборке и наладке систем установок и за дружескую поддержку Максимову С.А., Васильеву Г.А., Ширяеву В.К., Пчельникову В.И., Голдыреву В.Г., Баданину И.А., Федорову А.П., Душину В.А, Осадчему И.И., Г. Б Глаголеву, Ткаченко В.О.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронин, Леонид Александрович, 2004 год

1. Auslender V.L. ILU-type electron accelerator for industrial technologies. «Nuclear Instruments and Methods in Physical Reseach» В 89 (1994) 4648.

2. Sztanyik L.B. Application of Ionizing Radiation to Sterilization. International Conference of Technical developments and prospects of sterilization, Vienna, 1974.

3. Генералова B.B. Гурский M.H. Дозиметрия в радиационной технологии М.: Изд-во стандартов, 1981.

4. Лоахарану П. Потребность в безопасном продовольствии возрастает. Радиационная технология: своевременное решение. Бюллетень МАГАТЭ, т. 43, N2, 2001. с. 37-42.

5. P.Sharpe et. al. Current Activities of the Panel on Gamma and Electron Irradiation. Ibid, p. 312.

6. Auslender V.L., Polyakov V.A. The installation for the single-use medical devices sterilization based of the electron accelerator type ILU. «Radiat. Phys. Chem.» Vol. 42, pp 563-566, 1993.

7. V.L. Auslender, A.A. Bryazgin, L.A. Voronin, V.A. Polyakov. Automated technological radiation installation for sterilization of medical goods. Proceedings of IMRP#10 Conference. May 1997, Anaheim, USA.

8. Ауслендер В.Д., Брязгин А.А., Сербии В.И., Воронин Л.А. Электронно-лучевая стерилизация медицинских изделий однократного применения с использованием ускорителей ИЛУ. Наука — производству, 2003, № 7(63), с. 44.

9. Радиационная дозиметрия: электронные пучки с энергиями от 1 до 50 МэВ. Сб. Доклад 35 МРКЕ под ред. Г.Б. Радзиевского, М. Энергоатомиздат, 1988

10. Воробьев А.А., Кононов Б.А. Прохождение электронов через вещество. Томск, 1966.

11. Нелипа Н.Ф. Введение в теорию многократного рассеяния частиц. Атомиздат, 1960.

12. Landau L. On the energy loss of fast particles by ionization. «Journal of physics» Vol.8, No.4, 1944.'

13. Голышк А.Г. и др. Отчет: разработка технологии обработки шприцев с помощью ускоренных электронов с энергией 2.5 МэВ с целыо их стерилизации. НТФ "Лтомбиотех", 1991.

14. Пономарев В. I I. и др. Отчет: разработка технологии обработки шприцев с помощгло ускоренных электронов. Государственный Научный Центр «Институт биофизики», 1990.

15. Ауслендер В.Л., Брязгин А.А., Воронин Л.А. и др. Импульсные высокочастотные линейные ускорители электронов серии ИЛУ. -Наука производству, 2003, № 7(63), с. 11.

16. Поляков В.А. Получение больших токов в однорезонаторных ускорителях стоячей волны. Дис. на соиск. Учен. Степени кандидата технических наук. Новосибирск, 1977.

17. Yotsumoto K., Sunaga I I., Tanaka S., et al. High power bremstrahlung x-ray source for radiation processing. «Radiat. Phys. Chem.» Vol. 31, pp. 363368, 1988.

18. Cleland M.R., Thompson C.C., Strelczyk M. Advances in x-ray processing technology. Seventh International Meeting on Radiation Processing. 1989

19. В.Л. Ауслендер, A.A. Брязгин, Л.А. Воронин, E.H. Кокин, A.H. Лукин, И.Г, Макаров, С.А. Максимов, Г.Н. Острейко, А.Д. Панфилов, В.М. Радченко, А.В. Сидоров, В.О. Ткаченко, А.А. Тувик, В.Г. Ческидов.

20. Ускоритель электронов 5 МэВ 50 кВт с тормозной мишеныо. Тезисы докладов XVIII Международного семинара по ускорителям заряженных частиц. 2003, Алушта, Украина.

21. Ткаченко В.О. Промышленный ускоритель электронов ИЛУ-10 на энергию 5 МэВ, мощностью 50 кВт. Дис. на соиск. учен, степени кандидата технических наук. Новосибирск, 2003.

22. Бехтенев Е.А., Зиневич Н.И. Пикап-станции положения пучка в канале проводки.

23. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. М. Атомиздат, 1979.

24. Scott \V. National aeronautics and space administration report. TND-4063, 1967.

25. Emigh C.R. Thick target b'remsstrahlung theory. University of California LA-4097-MS, 1970.

26. Berger M., Seltzer S. Tables of energy losses and ranges of electrons and positrons. Washington, NASA, 1964, SP-3012

27. Букин А.Д. Выбор оптимального конвертера для ИЛУ-10 (рабочий отчет). ИЯФ, 2000

28. Сегре Э. Экспериментальная ядерная физика. Т.1. ИЛ. 1956

29. В.Я. Чудаев, Г.М. Протопопов. Защита от тормозного излучения электронных ускорителей с энергией 0.5-3 МэВ. Препринт ИЯФ, 1969.

30. H.W. Koch, J.W. Motz, Rev. Mod. Pliys., 31, 920, 1959.

31. Bukin A.D., Grozina N.A., Dubrovin M.S. et al. UNIMOD2 a universal program for simulation of eV colliding beam experiments. User's manual, version 2.0. Preprint BudkerlNP 94-20, Novosibirsk, 1994.

32. UNIMOD2 Universal Monte Carlo code for simulation of eV experiments. Proceedings of Workshop on Detector and Event simulation in High Energy Physics, 8-12 April 1991, NIKIIEF, Amsterdam, The Netherlands, pp. 79-85.

33. Gavrlenko T.P., Nikolaev Ju.A., Ulianiski V. Yu., D-gun "Ob" Detonation spraying. Proceedings of International Thermal Spray Conference. Japan, Kobe. 1995

34. V.L.Auslender, A.V.Bulatov, L.A.Voronin, E.N.Kokin, G.S.Krainov, V.M.Radchenko et al. Technique of design and calculation of extraction devices for electron accelerators. Preprint BudkerlNP 2004, Novosibirsk, 2004.

35. C6. Полупроводниковые счетчики излучения, Госатомиздат., М. 1962.

36. В.В. Румянцев. Радиационная стерилизация медицинских изделий и пищевых продуктов. Новые промышленные технологии, 2003, №1(312), с.53-56.