摘要：本刊（Radiation Physics and Chemistry）二十年前曾刊登一篇综述辐射技术研究进展的论文，该论文被引用逾百次。本文沿用前述首篇论文的结构，对辐射源工程、加工系统，以及辐射技术在灭菌、食品辐照、材料改性与合成、环境污染治理等领域的应用进展进行了全面性评述。

文章分析了这一对工业与科研均具重要意义的技术研究学科在发展中取得的成果与面临的难题。相关分析与观测到的发展趋势，可为研发及工业领域未来拟开展的工作提供方向指引，亦能为相关科研人员与专业从业者的工作提供参考。

关键词：辐射加工，工业γ射线源，工业电子加速器，电子束/X射线系统，辐射灭菌，食品辐照，聚合物加工，环境污染治理

核心亮点

- 辐射加工在全球经济多个领域持续发展进步。

- 探讨了辐射源及辐射技术的研发进展。

- 对未来研发与工业领域拟开展的相关工作进行了展望。

1. 引言

二十年前的2004年，国际原子能机构（IAEA）核应用与物理化学司工业与化学处工作人员发表了一篇关于辐射技术的论文——《过去、现在与未来》(Chmielewski  and Haji Saeid, 2004）。在过去的20年间，全球整体科技发展发生了翻天覆地的变化。

例如，2004年研究人员成功分离出石墨烯；2007年苹果手机问世；2013年高铁首次试运行。此外，大型强子对撞机于2015年成为全球规模最大、能量最高的粒子加速器，而尤为重要的是，两家独立私营企业成功实现了可重复使用火箭的发射。这些仅仅是部分重大发现与技术成果，它们彻底改变了世界的发展轨迹。

因此，了解这些非凡的高科技成果如何影响辐射技术的发展，以及此类突破性成果是否也在该领域出现，是十分有意义的。要找到这个问题的答案并非易事。不过，通过将研究范围限定在与参考文献密切相关的范畴内，我们可以查阅逾百篇引用该文献的论文，以及为所探讨议题带来全新见解的最新研究成果。本文沿用首篇论文采用的结构，对主要技术领域的发展进展进行综述。

2. 辐射源

电离辐射源是辐射技术的核心组成部分(Chmielewski and Haji-Saeid, 2019）。基于放射性同位素（RI）的辐射源与基于机械设备的辐射系统均得到广泛应用。根据最终用途的不同，放射性同位素密封源的强度跨度极大（kBq-PBq）。在先进辐射技术领域，高强度辐射源（Bq-PBq)具有更高的应用价值。配备X射线转换装置的电子加速器作为辐射源，是基于⁶⁰Co的辐射加工应用的主要替代方案。电子加速器可提供可变的能量（以适配不同穿透深度）与强度（即从低剂量率到高剂量率），而基于γ辐射源的系统，则具有固定的穿透深度和剂量率，这取决于其总放射性活度。

2.1 γ辐照装置

在血液辐照领域，常用的辐射源主要为¹³⁷Cs与⁶⁰Co，二者均可产生高能γ射线，且半衰期相对较长（¹³⁷Cs为30.1年，⁶⁰Co为5.27年）。这类放射源是材料辐射加工领域应用最广泛的γ源。

目前，商用γ辐照装置普遍采用⁶⁰Co作为辐射源。相关放射源制造商可提供多种类型的辐照设备。放射源通常存放于干式或湿式（水池）环境中，待处理物料在屏蔽防护舱内接受辐照。现代工业辐照装置大多采用湿式贮存方案，配备物料输送系统，只要包装产品的尺寸与重量符合输送系统要求，即可适配各类包装制品的辐照作业。

产品辐照时长取决于放射源活度，可在较大范围内调节，以满足不同产品的规定辐照剂量要求。据全球⁶⁰Co供应商数据显示，全球⁶⁰Co装源活度每年以6%的速率增长，这一趋势与一次性医疗用品产销增速（5%–6%）基本吻合。全球40个国家（不含中国数据）运营着200余座大型辐照装置，其中50台位于美国境内；在这200座装置中，超过120座装置由诺迪安公司生产。该公司推出的GammaFIT方案颇具特色（(Nordion, 2019）。

该方案十分适合研发机构，可先配备小型全景式辐照系统，未来升级为双通道自动料箱辐照装置。诺迪安另一款产品为平行排式托盘辐照装置，可直接对整托物料进行辐照，降低单元包装装卸成本（Nordion,2022)。印度赛迈克工程公司可提供多款γ辐照装置，包括适用于医疗与农产品辐照的料箱连续处理设备（Symec，2022）。

中国在该领域的核心企业主要有中国同辐股份有限公司旗下中核比尼（北京）核技术有限公司，以及北京三强核力辐射工程技术有限公司（SQHL），二者均拥有四类符合国内外标准的辐照装置。截至2015年，中国已有超130座⁶⁰Co辐照装置，单座最小活度≥30万居里，最大装源量达600万居里。

目前在运装置总设计容量超170百万居里，实际装源量达70百万居里。这类多功能辐射加工装置主要用于医疗保健产品（含中药）、食品及高分子材料的辐射加工（The  Academy of Contemporary China and World Studies, 2021）。

γ辐照装置中大量高活度⁶⁰Co放射源的安全管控，成为当前面临的全新严峻挑战（Kohli，2018）。约十五年前，鉴于放射性物质安全问题日益受关注，全球普遍倾向于在可行场景下减少放射性同位素源的使用，转而采用非放射性同位素系统。然而，美国核管理委员会（NRC）认定：“海啸、飓风、地震、火灾等自然灾害，基本不会导致放射性物质失控进而危害生态环境”。

该机构曾对恐怖分子获取放射源制造“脏弹”的各类场景进行推演，结果发现，利用⁶⁰Co放射源污染大面积区域难度极大，在实际操作中几乎无法实现（US NRC，2020）。放射性同位素源在全球应用规模极为庞大，短期内难以全面替换为替代技术。此外，在当前电价水平下，鉴于加速器型X射线装置能量转换效率较低，γ辐照技术仍可与电子束（EB）/X射线系统形成竞争。

2.2 电子加速器

在辐射加工技术领域，微波源驱动的直线加速器、单谐振腔加速器以及直流加速器均得到了应用。不同类型加速器的区别在于电子加速方式的差异。产生加速电场主要采用两种核心技术：一是为加速器直接供电的高压电源，二是用于谐振腔的射频或微波频率发生器，这类设备利用电磁波的电场分量实现粒子加速。微波加速器（GHz频段）、射频加速器（低频段，100–200MHz）以及直流加速器（连续束流）均已发展为辐射加工领域的主流设备并得到广泛应用。

变压器型加速器凭借可高效实现高束流功率的优势，在工业应用中占据主导地位。此类加速器可将电子加速至5MeV。

大多数情况下,变压器加速器的能量多为0.15–1MeV。针对大体积产品件或高密度材料的辐射加工，需将电子加速至5–10MeV，这一过程需采用谐振加速方式。该类电子加速方法利用在多个小型同心谐振腔中形成的、频率为1300–3000MHz的微波波段电磁波电场分量实现加速。此类设备能量效率较低（最高仅10%）且造价高昂，限制了其在聚合物辐射改性领域的工业化应用。

频率为100MHz的谐振驱动系统则展现出更优的应用前景。该系统无需使用速调管、磁控管等昂贵微波能源，而是采用大功率真空管构成的低成本发生器，同时加速器能量效率也大幅提升（最高可达50%）。如今的电子加速器可视为多功能设备，能够提供不同能量与功率等级的束流（见表1）。某一应用场景适配的电子加速器类型，由所需电子能量决定，而电子能量又与待辐照产品的密度和结构相关；加速器也可依据束流功率划分类别，束流功率决定了整套设备的总加工能力（Applications  of ionizing radiation in materials processing, 2017）。

比利时离子束应用公司（IBA）推出的便携式TT50回旋谐振加速器（Rhodotron™）是近年来的一项创新成果。该设备束流能量为10MeV，功率10kW，配备直径80cm的辐照窗口，且能量效率达20%，将成为中小型辐照服务机构与研发院所的实用工具（IBA，2023）。

帕夫洛夫等人（2022）梳理了具备工业技术应用潜力的加速器类型：5MeV   X射线直线加速器常用于食品辐照，10MeV电子束加速器则多用于一次性医疗用品灭菌，直线加速器的典型能量分别为10MeV、7MeV和5MeV。相关厂商还可根据客户需求，提供定制化能量与功率参数的加速器（(Mevex,  2023)。

过去数十年间，辐射技术领域常用的电子加速器基础结构（直流型、谐振型与直线型）依托技术发展带来的新可能，包括加速器技术本身的进步，实现了持续优化升级。

与此同时，业界还出现了一种发展趋势：将以往仅用于核物理研究设备的加速器技术成果，转化为适配工业辐射加工的实用装置，这类装置采用连续波模式，电子能量、束流功率与外形尺寸均可按需调整。其中颇具代表性的创新方案为电子固定磁场交变梯度加速器，简称eFFAG加速器。该加速器的显著特点是采用恒定磁场（与回旋加速器类似）、分离式磁体段，且电子运动动力学机制类似于同步加速器(Dubinov  and Ochkina, 2018)。

出于多种目的，对具有高平均功率的小型电子源的需求越来越大。但这一领域并没有太大的发展，尤其是在电子源与超导射频（SRF）电路的集成方面。

Sipahi等人（2020）创建了一个真正紧凑、SRF、高平均功率电子直线加速器源的蓝图，该源包含热离子阴极器件。这是通过利用最近的发展来实现的超导、SRF腔和RF电源，以及SRF枪和阴极系统的创新解决方案。这种类型的加速器可以以50kW的标准功率连续运行，产生能量高达10MeV的电子束。

另一项同样具有创新性的设计是一款辐射技术用加速器，它采用超导结构对电子进行加速。此类加速器的加速段具备表面电阻降低10⁶倍的特点，这使得功率损耗可忽略不计，进而提升了设备的工作效率。同时，该结构的高效性意味着其冷却所需的能耗更低，高频功率几乎全部传递给电子束。

在这种条件下，该加速器可实现连续波（cw）运行，加速梯度可达10MeV/m。费米实验室依托传导冷却与三锡铌涂层技术，提出了商用电子直线加速器的全新设计思路。采用传导冷却的直线加速器能够在连续波运行模式下产生10MeV的电子束能量，而通过组合多个模块，还可提供更高功率（约1MW）(Thangaraj and Dhuley, 2022; Dhuley et al., 2022)。

2.3 配备 EB/X射线转换装置的电子束设备

由于电子在被加工材料中的射程相对较短，因此出现了采用电子加速器产生的X射线进行辐射加工的新型系统。何等研究者（2014）探讨了靶材设计原理的若干方面。在此类系统中，电子束会与由高原子序数Z的金属（如钨或钽）制成的冷却靶材发生相互作用。

这一现象早在一百多年前就已被发现，被称为轫致辐射。该辐射的能量与穿透能力，与⁶⁰Co源产生的γ辐射相近。遗憾的是，EB/X射线转换效率极低，其数值取决于靶材成分与电子束能量，仅能达到较低的百分比。不同靶材的X射线转换效率存在差异，钨或钽靶材的转换效率通常在7%–12%之间。理论预测与实际验证表明，靶材的原子序数与电子能量对转换过程的效率影响最为显著（见表2）。可以认为，靶金属薄片的最佳厚度应约为电子在该材料中穿透深度的0.3–0.4倍。

目前，大功率加速器已投入使用，这使得能够为工业应用中的X射线转换装置生成大功率电子束。高功率的比利时IBA公司Rhodotrons™电子加速器搭配EB/X射线转换装置已被研发出来作为解决方案。部分Rhodotron加速器可在7.0MeV能量下实现最高700kW的束流功率运行，而商用直线加速器的总束流功率通常最高仅为60kW。X射线的产生是高束流强度下辐射加工的一种实用工业应用选择。

该机制通过偏转磁铁以“8字形”轨迹结构加速电子。利用其强大的穿透力，能够用X射线照射大型物体。凭借其强大的穿透力，X射线的穿透深度要远大于其他射线，因此能够以与10MeV、50kW电子束相同的工业速率使用X射线来加工产品。辐射加工的主要操作因素是转换率和空间中的X射线束分布。

γ射线和X射线的剂量率比电子束辐射剂量率低四到五倍。由于电子束辐射的剂量率可达100kGy/s，而γ射线的剂量率通常为2.8×10³kGy/s（约10kGy/h）。γ射线和X射线的生产效率显著偏低。X射线的剂量率为2.7×10²kGy/s（100kGy/h），比γ射线高出一个数量级。一台100万居里的⁶⁰Co辐射源在相同时间内产生的辐射量，仅相当于一台功率仅为15kW的电子加速器。

因此，在条件允许的情况下，使用电子加速器在经济上更具优势。低能直接式加速器成本更低、电能利用效率更高，这也会对加工经济性产生一定影响。多种辅助因素会显著改变加工的经济效益，所有这些因素及相关成本均会影响X射线加工的经济性以及辐射加工装置的单位运行成本。直接式（2.5MeV）和谐振式（5MeV、7.5MeV）加速器的平均束流输出功率均为100kW（见表3），但二者的电子能量和成本利润存在差异。

需要指出的是，低能电子束转换为X射线的内部转换效率（见表2）较低，可通过直接式（变压器型）加速器相对低廉的成本，在运行单位成本层面予以弥补。Zimek（2020）开展了基于EB/X射线转换的辐射加工成本效益分析（见表3）。

测算数据显示，某X射线加工中心采用平均束流功率100kW、电子能量分别为2.5MeV和5MeV的设备，每日单班运行（每年2000小时）。采用不同结构的加速器及对应设备价格，可实现相同的运行单位成本。若采用更高电子能量（5MeV）设备实行三班制运行，经济效益会略有提升（见表4）。值得注意的是，直接式加速器成本更低（系数为5.5），能够弥补2.5MeV能量下转换效率较低的不足（系数为2.3）。

在不同经济假设条件下（折旧率、资本利率或建设成本），计算结果会略有差异。在选择辐射加工技术时，需重点考虑电子束应用存在穿透深度限制的问题。γ射线加工的特点是剂量率低，这意味着生产效率低下；而最终X射线束的应用相比电子束加工，电能利用效率更低。这是因为EB/X射线的转换效率最高仅为10%，即100kW的输入功率，转换后的X射线束功率仅相当于10  kW。

值得注意的是，1kW的轫致辐射功率，其辐射强度相当于67.6千居里水平的⁶⁰Co放射源。不过，由于轫致辐射具有独特的空间分布特性，其辐射利用系数相比各向同性分布的同位素放射源几乎可提高一倍。需要牢记的是，直线加速器的电能利用效率约为10%，因此所需的接入电功率为1MW。表格中所列数据基于2020年，该测算中采用的电价单位为0.1$/kWh（Zimek,2020）。