第六节 电离辐射

电离辐射是一种十分有效的消毒手段，在医疗、工业、农业等领域的消毒灭菌作业中有着重要的作用。本节将介绍电离辐射的基本知识及其在消毒学中的应用。

一、电离辐射的产生

在物理学中，辐射是能量以波或粒子的形式在真空或介质中发射及传播的过程。根据能量，辐射可分为非电离辐射和电离辐射（ionizing radiation）。本章前几节介绍的低能紫外线、超声波、微波等辐射过程能量较低，均可划归为非电离辐射。而电离辐射中的辐射能量较高，可使被辐射物质中的原子发生电离。在电离过程中，核外电子受辐射能量作用脱离原子核束缚成为自由电子，而原子成为正离子。电离辐射的能量下限约为10eV（1eV=1.6e-19J）量级，这是辐射或辐射与物质相互作用的次级产物使空气等典型材料发生电离所需的最低能量。电离辐射也称为射线（ray）。

（一）电离辐射的种类

根据辐射来源，电离辐射既包括高能宇宙射线、天然放射性元素原子核衰变等自然辐射，也包括在消毒作业、医疗照射、辐照加工、无损检测、核电站及核试验等过程中产生的人工辐射。根据电荷及其他性质，电离辐射还可分为重带电粒子、快电子、电磁辐射和中子四大类。其中，快电子和电磁辐射在消毒学中有着重要的应用，本节将对其进行重点介绍。

快电子辐射的载体为电子，电子带单位负电荷（1.6e-19C）。快电子来自原子核β衰变产生的β射线、内转换电子、γ射线与物质相互作用产生的次电子、由电子加速器产生的高能电子束等。消毒学领域应用的快电子辐射主要来自电子加速器。

电磁辐射的载体为光子，不带电。高能电磁辐射主要包括γ射线和X射线。其中γ射线来自原子核衰变或物质与反物质湮灭过程。X射线则来自激发态原子退激过程或带电粒子在库仑场中的减速过程。消毒学领域应用的γ射线主要来自γ放射源中的原子核衰变，而X射线则主要由电子加速器产生的高能电子束轰击X射线转换靶得到。

（二）电离辐射与物质的相互作用

快电子辐射为带电辐射，电磁辐射则为非带电辐射。两者与物质的作用机制存在很大的差异，在消毒学领域中有着不同的应用特点。

当快电子进入被辐射物质时，可与其中的原子核及原子核的核外电子发生非弹性碰撞。当与原子核发生非弹性碰撞时，快电子被原子核减速或偏转，形成电磁辐射从而损失能量。该过程被称为快电子的辐射能量损失。而当与原子核的核外电子发生非弹性碰撞时，快电子将激发核外电子至高能级，甚至使其脱离原子核作用成为自由电子。快电子的这种能量损失过程被称为电离能量损失。由于辐射能量损失和电离能量损失，快电子在被辐射物质连续不断地损失能量，并将其沉积至被辐射物质。辐射能量损失与电离能量损失的比例由被辐射物质的原子序数及快电子能量等因素决定。对于消毒学中常见的被辐射物质（低原子序数）及常用的快电子能量（≤10MeV，1MeV=1e6eV），电离能量损失是快电子能量损失的主要因素。

不同于快电子辐射等带电辐射与被辐射物质的连续作用，电磁辐射这种非带电辐射与物质的相互作用是单次性的随机事件。单个光子进入被辐射物质时只有两种可能：一种是不发生任何作用而穿透物质，另一种是发生作用后消失或转换为另一个光子。一旦光子与物质发生作用，其能量将全部或部分转换为作用过程中产生的次电子的能量。而次电子再通过辐射能量损失和电离能量损失将其能量沉积至被辐射物质。光子与物质的作用主要包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应等。

电离辐射与被辐射物质的相互作用程度可由吸收剂量表征。为纪念放射生物学之父、英国物理学家戈瑞，吸收剂量单位定义为Gy（1Gy=1J/kg）。吸收剂量的物理意义为电离辐射在单位质量被辐射物质中沉积的能量。

二、消毒学中的电离辐射

（一）电离辐射在消毒学中的应用

由于具有穿透性强、升温低、无有害物质残留、环保等特点，电离辐射在消毒学中发挥着重要的作用，被应用在包括医疗器械、药品、组织移植物、食品以及污水污泥等众多领域的消毒灭菌作业中。本节将重点介绍电离辐射在医疗器械及药物生产等医疗用途中的消毒应用。

1954年，强生公司首次利用γ放射源对手术操作中使用的缝合线进行了灭菌处理，取得了良好的效果。自此之后，电离辐射在医疗领域得到了越来越广泛的应用。据国际原子能机构（IAEA）的统计，目前世界各地有超过200个为医疗用途服务的电离辐射消毒灭菌装置，分布在50余个国家和地区，每年的产值高达数十亿美元。包括注射器、手套、手术服、口罩、贴膏、敷料等在内的一次性医疗用品，经电离辐射消毒的比例高达40%～50%。而在药物生产中，该比例也早已超过10%。我国的电离辐射消毒产业起步较晚，但发展很快，目前已建成数十个放射装置，带来了很大的经济效益。

（二）微生物的耐辐射性

达到特定消毒灭菌效果所需的电离吸收剂量由待消毒物质中微生物的耐辐射性所决定。电离辐射消毒中采用D₁₀值来评价微生物的耐辐射性，其定义为杀灭90%微生物所需要的吸收剂量。D₁₀值越高，表明微生物具有更强的耐辐射性。微生物的耐辐射性与其化学、物理结构以及辐射损伤修复能力有关，不同微生物的耐辐射性存在巨大差异。ISO11137：1995标准通过对大量数据进行分析，给出了一般待消毒医疗产品中微生物耐辐射性的分布，如表4-6-1所示。例如，65.487%的微生物具有1.0kGy的D₁₀值，22.493%的微生物具有2.0kGy的D₁₀值。表4-6-1给出的结果是统计平均值，而不一定是待消毒物质中的真实情况，后者由实际加工及后处理过程共同决定。对于医疗用品的消毒灭菌作业，早期的吸收剂量标准为25kGy，而较新的标准指出需要根据待消毒物品中的微生物数量、种类及无菌保证水平（SAL）等因素共同计算吸收剂量。

（三）消毒学中的γ射线

在消毒学中，最常用的电离辐射为放射源产生的γ射线。放射源通常采用由反应堆制得的放射性元素60Co或137Cs。放射源中的放射性元素以一定概率衰变，其放射强度定义为单位时间内发生衰变的原子数量。为了纪念在放射性领域做出开创性贡献的居里夫妇及贝克勒尔等物理学家，放射强度的单位被命名为Ci或Bq。1Ci初始定义为1g226Ra在1s内的衰变数，1Bq则定义为1s内发生1次衰变的放射源的强度。1Ci=3.7e10Bq。根据每次衰变产生的辐射能量，放射强度还可等效为辐射功率。放射源的放射强度由于衰变而指数下降，一段时间后其强度将降为初始值的一半，这段时间被定义为放射性元素的半衰期。以消毒灭菌作业中常用的60Co为例，60Co首先通过β衰变成为激发态的60Ni，然后再通过γ衰变成为稳态的60Ni。每个60Co原子在衰变过程中产生两个光子，其能量分别为1.17MeV和1.33MeV。60Co的半衰期为5.27年，其放射性每年下降约12%。对于1MCi放射强度的60Co放射源，其辐射功率约为15kW。

采用60Co放射源进行消毒灭菌作业的装置示意图如图4-6-1所示。该装置主要由放射（辐照）室、控制室及设备室构成。其中放射室与控制室及设备室之间建有屏蔽层，用来屏蔽γ射线、保护放射室外人员及设备。60Co放射源一般由多根60Co柱体构成。在未进行消毒作业时，放射源被储藏在放射室下方的竖井内并加以屏蔽。此时，操作人员可以进入放射室放置或取出待消毒物品。进出放射室的通道一般被建成迷宫式以进一步提高屏蔽效果。当操作人员撤离并锁闭放射室后，放射源被吊车升起至待消毒物品中间进行消毒作业。

γ射线放射源的消毒处理能力由放射源的放射强度和消毒物品所需的吸收剂量共同决定。以目前常用的大中型γ射线放射源装置为例，其放射强度为1MCi，等效辐射功率为15kW，其中的30%可被待消毒物品吸收。当对医疗用品消毒时（假设所需吸收剂量为25kGy），该装置每小时可消毒的物品重量约为0.65t。而当对食品消毒时（假设所需吸收剂量为4kGy），该装置的处理能力为每小时4t。

与其消毒方式相比，采用γ射线放射源的电离辐射消毒具有很多突出的特点。其主要优点归纳如下：

1.电离辐射穿透能力强，可对物品表面及一定深度进行消毒灭菌。因此不仅可以处理原材料，还可以对使用不同材料包装的完成品进行消毒灭菌。这是电离辐射相比其他消毒方式的显著优势；

2.电离辐射消毒作业导致待消毒物品温度变化可以忽略不计，这有利于保持被消毒物品本身的物理和化学性质；

3.电离辐射的安全性高，在被消毒物品中不残留有害物质，不需要额外去除残留物步骤；

4.电离辐射操作简单，仅需要控制时间和放射强度；

5.电离辐射过程中不产生对环境有害的物质，是一种环保的消毒方式。

当然，采用γ射线放射源的电离辐射消毒也存在一定的缺点。例如放射强度受放射源体积的限制，所需的消毒时间较长；在放射源的运输、操作、报废过程中均需要特殊的防护手段以保护人员及环境；需要定期补充或更换60Co柱体以补偿由于衰变导致的放射强度降低等。

（四）消毒学中的电子束

近年来，采用高能电子束的电离辐射消毒方式得到了很多关注，世界各地已建成多个电子束消毒灭菌辐射装置。这种消毒方法有着与γ射线放射源消毒相似的优点，如穿透性强、低升温、安全性高、操作简单、环保无污染等。同时，电子束消毒还有着独特的优势。例如其辐射功率远高于γ射线放射源，达到同样吸收剂量所需的时间短，因此可以实现流水线式消毒，消毒处理能力很强。另外，产生高能电子束的电子加速器在运输、安装、停止消毒作业等阶段不产生电离辐射，不需要采取特殊防护措施。同时，在消毒过程中，电子束电流强度及能量不随时间变化，不需要定期补充放射物质。

采用电子束的电离辐射消毒装置的核心器件为电子加速器。电子加速器是利用电场对由阴极发射的电子进行加速、增能的装置。根据采用的加速原理、建造规模等因素，电子加速器可提供100keV（1e5eV）至100GeV（1e11eV）量级的加速能量。其中，高能加速器不仅是物理学中的重要手段，还为化学、生物、信息等众多学科基础研究提供了强有力的工具。而中低能加速器则广泛应用于消毒作业、医疗照射、辐照加工、无损检测等生产生活领域。消毒学领域采用的电子加速器的能量大多低于10MeV，其突出特点为平均加速电流及辐射功率高，平均辐射功率可达100kW至1MW。

目前，消毒领域常用的电子加速器包括高压直流加速器、脉冲射频直线加速器以及Rhodotron多瓣回旋加速器等。采用Rhodotron加速器进行消毒作业的装置示意图如图4-6-2所示。

采用电子加速器进行消毒灭菌作业的装置与γ射线放射源装置布局相似，同时存在一些明显的区别。首先，电子加速器在未工作时不产生电离辐射，因此不需要建造专门的储存及吊升装置。其次，由于电子加速器的辐射功率高，因此所需消毒时间短，可以采用传送带等方式进行流水线式的消毒作业，消毒处理能力有很大提高。另外，电子束可以由外部磁场等方式改变方向，且穿透距离比光子短，因此可以更加有效地将辐射能量沉积至待消毒物品中。以图4-6-2中所示的Rhodotron加速器为例，其输出电子束能量为10MeV，辐射功率为245kW。假设辐射功率的70%可被待消毒物品吸收，则其每小时可处理的医疗用品约为25t，可处理的食品为154t，远高于γ射线放射源处理能力。

采用电子束进行消毒作业的装置也存在一些缺点。首先，电子加速器工作时需要外部供电，其效率不超过20%，对电能需求较高。其次，电子束的穿透效果虽然高于其他消毒手段，但低于γ射线。例如对于一般低密度待消毒物品，60Co放射源放出的γ射线穿透距离约为300mm，而10MeV电子束的穿透距离则为38mm。因此电子束消毒作业中对待消毒物品的厚度有一定的限制。另外，电子加速器的建造成本较高且操作人员需要较多的培训。

（五）消毒学中的X射线

X射线可由加速器产生的高能电子束轰击重金属靶得到，其能量峰值为入射电子能量的1/3～1/2。由于X射线为非带电辐射，因此其穿透能力很强，甚至优于60Co放射源。因此，近年来利用X射线进行消毒灭菌也得到了一定的研究。X射线消毒装置的最大缺点为电子束转换为X射线的效率较低，一般不超过10%，目前并未得到大规模应用。