炭疽杆菌与其近亲(即存在于土壤中的细菌)只在基因上有微小的差别, 研究发现就是这一微小的差别使得炭疽杆菌芽孢具有引起严重疾病的特征[1]。炭疽杆菌芽孢对理化因子的抵抗力较高, 在环境中存活时间极长。在自然界的土壤中, 炭疽杆菌芽孢可以存活30年以上[2]。人们对消毒炭疽病菌方法的研究已进行一个多世纪, 在这过去的一百年中各国发表的有关于消灭炭疽病菌的研究文献中所采用杀灭炭疽病菌的方法主要包括高温消毒[3]、甲醛消毒[4]、二氧化氯消毒[5]以及其他的消毒方法[6, 7]。但以上的各种消毒方法只对炭疽病菌的某种存在的方式有效, 比如只对存在于动物皮肤上、成捆的羊毛、地毯上、墙壁、信封里或小的物体表面上的炭疽病菌有效, 并且以上的各种消毒方法的效力也与环境和外界某些其它因素的密切相关, 如空气的湿度、温度、炭疽病菌的浓度、承载炭疽病菌的物体是否是多孔状物体、消毒剂是液体、气体或粉末状等, 并且有的消毒剂本身就能造成某种污染或对人体有害, 不能在公共场合大规模使用, 如甲醛是致癌物等。
全球科学家经过多年的研究已经证明, 辐射灭菌是一种十分安全可靠的方法, 它能有效杀死包括炭疽在内的一切细菌。辐射所造成的生物损害是基于辐射粒子(中子、伽马射线等)在物质内经过直接和间接作用引起生物体内DNA失去活力的一种生物效应。辐射对生物体所造成的损害程度与粒子在沿着粒子径迹上的能量沉积率(或线性能量转换)直接相关, 在总的单位质量上能量沉积相同的情况下, 辐射在沿着粒子径迹上线性能量转换越大对生物体所造成的损害程度也就越大。炭疽孢子的主要成分是碳水化合物, 其化学式可以表达为Cm (H2O)n, 它是富含氢的材料, 当中子碰撞到炭疽孢子中的质子(氢核)时, 中子将把它所有的能量传递给质子, 与其他辐射粒子相比中子有最大的线性能量转换, 这样中子就能对炭疽孢子产生最大的生物损害[8], 而且中子是一种不带电粒子, 其穿透能力非常强, 因此中子辐射在消毒炭疽污染方面是一个非常有效的工具。它既能对整箱物品进行杀灭炭疽病菌处理, 也能对隐藏在金属容器内或散布在公共场所的炭疽病菌进行消毒处理。这是一个崭新的研究课题, 国内外还没有人从事过用这方面系统研究工作。
1 蒙特卡洛粒子输运程序(MCNP4C)我们使用的MCNP4C程序是建立在蒙特卡洛方法基础上的软件。所谓的蒙特卡罗方法也称统计模拟方法, 是二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明, 而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。蒙特卡罗方法在金融工程学, 宏观经济学, 计算物理学(如粒子输运计算、量子热力学计算、空气动力学计算)等领域应用广泛。MCNP4C程序是由美国几个国家实验室经几十年的共同努力联合开发出来的比较完善可靠的用于中子输运计算的大型的蒙卡模拟计算程序, 它已被广泛地应用于核研究领域的各个方面。MCNP4C程序的模拟计算通常是以跟踪中子路径为基础, 也就是针对具体的几何结构和材料组成确定的物理模型, 通过跟踪并记录大量中子输运行踪, 从而估算出相关的物理量, 如中子通量密度、能量沉积等。
1.1 建立模型建立一个如图 1所示的由反射层、环境材料(不锈钢)、炭疽孢子层(厚度为4μm)以及中子源等组成的模型, 通过改变反射层的厚度、反射层材料的种类、炭疽孢子层的面积等变量, 研究单个中子在炭疽孢子中造成的能量沉积的变化, 考虑中子源强度、权重因子、单位换算, 最后计算达到致死剂量所需时间并总结出能在尽量短时间内达到致死剂量的条件。
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图 1 中子辐照杀菌装置模型 |
反射层厚度分别取1、5、10、15、20、25、30、32、34、36、38、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50cm。反射层材料种类我们选择了石墨、水和石蜡这三种材料, 它们都是比较常见的用来作为中子反射层的材料, 石墨和水的化学式比较简单, 分别为C和H2O。石蜡是从石油、页岩油或其他沥青矿物油的某些馆出物中提取出来的一种怪类蜡, 为白色或淡黄色半透明物, 具有相当明显的晶体结构。在石蜡中, 氢元素质量百分比为14.8605%, 碳元素质量百分比为85.1395%。三种材料主要的化学成分都是碳、氢和氧。其中碳和氧还较容易被中子感生出伽马射线, 伽马射线同时也会对炭疽孢子的生物结构造成损伤。
炭疽层样本面积我们取了10cm × 10 cm和20cm × 20cm两种, 主要是考虑到被炭疽菌污染的区域面积大小, 有的情况下会大些, 有时则会小些。
我们选用14.0MeV中子管为中子源, 置于距炭疽层上表面5cm的位置。中子管是把离子源、加速器、靶以及气压调节系统全部真空密封在一支玻璃(陶瓷或不锈钢管)内构成的结构紧凑的真空器件, 工作时无需抽真空设备和气源装置, 因而是一种小型轻便的中子源设备。中子管是一种适于推广的中子源, 与普通同位素中子源相比, 它的中子产额高, 能谱单色性好, 且可以产生脉冲中子, 不用时可以关断, 因而防护容易、存储管理和运输方便[8]。
2 研究结果 2.1 反射层的饱和度使用MCNP4C程序计算出各个情况下的单个中子在炭疽孢子中的能量沉积, 共有三种反射层材料, 分别为石墨、水和石蜡, 每种反射层材料对应10cm × 10cm和20cm × 20cm两种炭疽层面积, 每种炭疽层对应22个不同的反射层厚度, 以每22个不同的反射层厚度为一组数据总共则可得到6组。图 2是以中子管为放射源, 石墨为反射层, 炭疽层面积为10cm × 10cm时得到的组数据。
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图 2 以石墨作为反射层时单个中子在炭疽孢子中的能量沉积 |
经观察可以发现在任何情况下随着反射层厚度的增加, 单个中子在炭疽孢子中的能量沉积是增加的, 而且在反射层增加到一定厚度后, 再增加则对单个中子的能量沉积影响不大。综合所有的数据表明, 以中子管为放射源时石墨的饱和厚度约为30cm, 石蜡的饱和厚度约为20cm, 水的饱和厚度约为25cm。且炭疽层面积大小对饱和厚度的影响几乎没有。反射层达到饱和厚度后, 单个中子的能量沉积都在10-4量级。
2.2 结果对比以及讨论 2.2.1 反射层材料种类对单个中子能量沉积的影响反射层材料一共选用了三种分别是石墨(100%的碳, 质量密度为1.7 g /cm3)、水(H2O, 质量密度为1 g /cm3)和石蜡(H元素质量百分比为14.8605%, C元素质量百分比为85.1395%, 质量密度为0.93 g /cm3) [10]。
炭疽孢子的主要成分是碳水化合物, 其化学式可以表达为Cm(H2O) n, 当中子碰撞到炭疽孢子时, 中子将与炭疽孢子的碳水化合物中的碳、氢和氧原子核发生相互作用, 把它的能量传递给这些原子核。也就是说同样情况下有越多中子与炭疽孢子发生碰撞杀菌效果就会越好。出于这点考虑我们在原来的模型周围加上了反射层, 模拟实验证明加了反射层后, 用于模拟炭疽的栅元中的能量沉积的确比原来多了, 而且选用不同的反射层材料时, 单个中子在炭疽层中的能量沉积也会有明显差别, 这样又会直接影响到杀菌效果。
图 3是以中子管为放射源, 中子能量为14.0MeV, 炭疽层面积为(20 × 20) cm2时得到的组数据。可以发现石墨为反射层的效果最好, 达到饱和厚度后, 石蜡的效果是石墨的约90%, 水的效果是石墨的约93%, 就这一点而言三种材料都能担当反射层的任务, 而就饱和厚度而言石蜡总是最薄的。
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图 3 采用不同反射层时单个中子在炭疽孢子中的能量沉积 |
水的宏观散射截面要比碳的宏观散射截面大, 但模拟数据显示石墨的散射效果要比水好, 这一现象是因为材料散射中子的能力不仅与宏观散射截面有关, 更与材料的密度有关。在本实验中石墨的密度为1.7g /cm3, 水的密度为1g /cm3。若将石墨的密度改为1g /cm3, 则模拟结果显示水的反射层效果就比石墨好了。就是说还可以通过增加反射层材料密度来缩短达到致死剂量的时间。
综上所述, 若是想要追求更彻底的杀菌效果, 反射层材料就应选用石墨, 虽然从材料性能上看, 石墨密度大、耐高温、可塑性强, 但制成设备后相当笨重。而石蜡密度小, 易加工, 制成设备后更轻便。
2.2.2 炭疽层面积对单个中子能量沉积的影响采用14.0 MeV中子管为中子源, 以水为反射层时单个中子在炭疽孢子中的能量沉积如图 4所示, 图中方点线代表炭疽层样本面积为10cm × 10cm数据, 圆点线代表炭疽层样本面积为20cm × 20cm时的数据。从图中可以看出炭疽层样本面积越小中子在炭疽层中沉积的能量越多。
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图 4 炭疽层面积对单个中子能量沉积的影响 |
在模拟过程中有两个因素影响着最后的单个中子能量沉积。首先, 在模拟过程中炭疽层的厚度始终保持4μm不变, 面积越大, 体积就越大, 质量就越大, 单位质量分摊到的能量沉积就越小, 这一点使得炭疽层样本面积减小对单个中子的能量沉积影响为增大; 其次, 炭疽层面积越大, 中子与其碰撞的概率就越大, 中子沉积在炭疽孢子层中的能量就越多, 这一点使得炭疽层面积减小对单个中子的能量沉积影响减小。但中子是不带电粒子, 具有很强的穿透性, 且炭疽层很薄, 直接穿透炭疽层的中子占多数, 故由于增大炭疽层面积而导致的与炭疽层发生碰撞的中子数增量要远小于由于增大炭疽层面积而导致的直接穿透炭疽层的中子数的增量。因此可以认为对于强穿透性的粒子而言增加可能与其碰撞的材料面积并不能显著增加它们的碰撞概率。这一点使得前一因素在这一过程中占了主导地位。从现象上看就表现为炭疽层样本面积越小, 单个中子能量沉积越高。
3 估算杀菌时间综上所述, 在所有模拟得出的数据中, 中子对炭疽孢子造成伤害最高的是以中子管为放射源, 石墨为反射层(饱和厚度), 炭疽层面积为10cm × 10cm的情况下, 此时单个中子在炭疽孢子中的能量沉积最高, 约为5 × 10-4 MeV /g。我们计算此时杀死炭疽孢子所需要的时间。
杀死炭疽孢子的时间可由公式(1)计算, 其中D是炭疽孢子的致死剂量, 约为1 000Gy[11]; Q为中子的权重因子, 14.0 MeV能量的中子的权重因子为10; d为单个中子在炭疽孢子中的能量沉积, 约为5 × 10-4 MeV /g; 中子的强度1012 n /s。
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(1) |
由式(1)计算可得, 只需要约20min就可以将炭疽孢子全部杀灭。而在美国1014 n /s产额的中子管技术已经趋于成熟[12], 可以看到如果使用1014 n /s强度的中子管还可将杀菌时间减少2个量级, 只需要约十多秒。
4 结论本文详细研究了反射层厚度、反射层材料以及炭疽层面积等对单个中子在炭疽层中能量沉积大小的影响。为了重点研究中子辐照杀灭炭疽菌时中子在炭疽菌上的能量沉积并尽可能减少模拟计算的时间, 在用MCNP程序模拟计算时没有考虑中子与炭疽及周围反射层物质作用所产生的伽马射线等在炭疽上能量的沉积。
从模拟数据可以看出反射层厚度越厚, 杀菌效果越好, 中子在炭疽孢子中的能量沉积是随着反射层厚度的增加而增加的, 但当反射层厚度增加到一定程度后, 再继续增加反射层的厚度则对中子的能量沉积影响不大, 这一反射层厚度称为饱和厚度。
使用不同种类的反射层也会对结果有影响, 其中以石墨为反射层的效果最好。就饱和厚度而言, 石蜡的饱和厚度只有石墨的65%, 水的饱和厚度只有石墨的70%。综合各种因素, 在中子辐照杀灭炭疽中石蜡可能是比较合适的反射层材料, 它质量轻, 容易搬动运输和加工成型, 而石墨密度大, 制成设备后相当笨重, 水则要考虑泄漏的因素。
炭疽层面积越小, 杀菌效果越好, 由于增大炭疽层面积而导致的与炭疽层发生碰撞的中子数增量要远小于由于增大炭疽层样本面积而导致的直接穿透炭疽层的中子数的增量, 因此对于强穿透性的粒子而言增加可能与其碰撞的材料的面积并不能显著增加它们的碰撞概率。
以石墨为反射层, 中子管为中子源, 炭疽层面积为10cm × 10cm, 中子源距离炭疽层上表面5cm时单个中子能量沉积最大, 约为5 × 10-4 MeV /g。在此条件下, 如果中子管的强度为1012 n /s则只需要约20min就可以将炭疽孢子全部杀灭。而如果使用1014 n /s产额的中子管则只需十多秒即可达到炭疽孢子的致死剂量。
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