γ射線輻照和陽光照射對ZF6鉛玻璃透光率的影響

劉永霞，鄒樹梁，匡 雅

（1.南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點實驗室，湖南衡陽 421001）

γ射線輻照和陽光照射對ZF6鉛玻璃透光率的影響

劉永霞1，2，鄒樹梁2，匡 雅2

（1.南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點實驗室，湖南衡陽 421001）

通過實驗研究ZF6鉛玻璃在60Co放射源相同劑量率不同累積劑量照射下透光率的變化規(guī)律。將輻照后的鉛玻璃在室外陽光下、室內(nèi)自然光下和不透光的抽屜中放置觀察，發(fā)現(xiàn)陽光照射對鉛玻璃輻照著色的恢復(fù)起著重要作用，在建立鉛玻璃透光率隨輻照時間變化的數(shù)學(xué)模型時，室內(nèi)自然光對鉛玻璃透光率的影響可忽略。實驗數(shù)據(jù)驗證了受輻照時鉛玻璃透光率的變化與輻照時間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。根據(jù)文獻資料推導(dǎo)出鉛玻璃透光率變化與光照時間為線性函數(shù)關(guān)系，但發(fā)現(xiàn)其與實驗數(shù)據(jù)的符合程度較差，本文根據(jù)樣條曲線插值法推導(dǎo)出鉛玻璃透光率與光照時間為二次函數(shù)關(guān)系，與實驗數(shù)據(jù)的符合效果較好。

鉛玻璃；輻照著色；光照著色恢復(fù)；透光率

目前我國核工業(yè)多采用ZF6鉛玻璃制作屏蔽視窗，而電離輻照導(dǎo)致的著色嚴(yán)重威脅著鉛玻璃視窗的使用。鉛玻璃電離輻照著色是指玻璃在常溫下受電離輻照如X（γ）射線、中子等作用生成色心而導(dǎo)致的一種可見光吸收增加的現(xiàn)象，在多組分玻璃中普遍存在電離輻照著色［13］。色心的產(chǎn)生和玻璃的內(nèi)部缺陷有關(guān)，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越密實，內(nèi)部缺陷越少，越有利于阻止色心的產(chǎn)生，其耐輻照性能就越好［4－5］。文獻［6］利用60Coγ射線對熔融石英、重火石和鑭冕玻璃進行輻照，研究其光學(xué)透射率的變化，發(fā)現(xiàn)除熔融石英玻璃外，其他玻璃的可見光透射率輻照后均下降，當(dāng)達(dá)到一定輻射劑量后，玻璃材料的透射率不再繼續(xù)衰減而趨于穩(wěn)定。研究人員還對玻璃的抗輻照性能開展了研究，發(fā)現(xiàn)主要有兩個途徑可提高其抗輻照性能：1）降低玻璃中非橋氧的濃度；2）添加抗輻照穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑的作用是補償電子和空位產(chǎn)生的局部電荷失衡，從而抑制玻璃中色心的形成，減少玻璃的輻照損傷。對于硅酸鹽玻璃，降低非橋氧的濃度即可制備高純度的石英玻璃［7］。玻璃的抗輻照穩(wěn)定劑性能最為優(yōu)異的是氧化鈰［8］，但由于高濃度的氧化鈰會嚴(yán)重降低玻璃的可見光透過率，抗輻照玻璃中CeO2含量一般控制在摩爾分?jǐn)?shù)0.55%左右。迄今為止，國內(nèi)外已經(jīng)成功研制并發(fā)展了一系列性能優(yōu)異的多組分抗輻照玻璃，如Schott的BK7G18玻璃、國產(chǎn)K509玻璃等［9］。文獻［4］對玻璃空間電離輻照著色以及幾種玻璃的光學(xué)壽命進行了定性分析研究。

空間電離輻照是由能量連續(xù)變化的粒子組成的，絕大多數(shù)粒子穿透能力小，空間電離輻照僅能造成玻璃表層著色，另外玻璃電離輻照著色損傷存在著恢復(fù)過程［10］，玻璃空間電離輻照著色是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程。受電離輻照著色的鉛玻璃，再受太陽光照射，其著色會恢復(fù)，鉛玻璃電離輻照著色和光照著色恢復(fù)也是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程，目前還未見到關(guān)于建立鉛玻璃輻照著色和光照著色恢復(fù)過程中透光率變化數(shù)學(xué)模型的研究。本文對鉛玻璃輻照著色和光照著色恢復(fù)過程中透光率的變化規(guī)律進行研究，以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)建立適用于鉛玻璃電離輻照著色和光照著色恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型，并以ZF6鉛玻璃為研究對象，驗證該數(shù)學(xué)模型的可靠性。本課題組研制了一臺核設(shè)施退役場用的防核輻射挖掘機［11］，該挖掘機的視窗采用ZF6鉛玻璃，其厚度為60 mm。研究γ射線輻照和陽光照射對鉛玻璃透光率的影響，能為該挖掘機鉛玻璃視窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，同時也為核工業(yè)鉛玻璃觀察窗的設(shè)計提供參考。

1 實驗過程

1.1 實驗樣品

ZF6防輻射鉛玻璃，密度為4.78 g／mm3，鉛當(dāng)量率為0.42 mmPb／mm，尺寸為50 mm× 50 mm×60 mm，8塊。

1.2 γ射線輻照和光照實驗

輻照實驗在湖南省輻照中心進行，以251.7×1014Bq（68萬Ci）的60Co為放射源，用重鉻酸銀試劑測得實驗樣品放置位置的劑量率為54 Gy／h，5個樣品均放置在同一位置上，放置時間分別為1、4、10、40、160 h，所以其累積劑量分別為54、216、540、2 160、8 540 Gy。實驗室樣品的編號依次為2－1h、2－4h、2－10h、2－40h、2－160h。

輻照實驗完成后立即測量其透光率，然后將實驗樣品放置室外受陽光照射，光照強度值約為100 000 Lx，每照射6 h測量1次實驗樣品的透光率。

1.3 透光率測定

采用上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司的WGT－S透光率／霧度測定儀進行測量，該測定儀測量光的波長范圍為300～900 nm。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同累積劑量鉛玻璃輻照著色和光照著色恢復(fù)效果分析

鉛玻璃2－1h輻照前透光率為84.0%，經(jīng)過1 h的輻照后其透光率為46.2%，經(jīng)100 h的陽光照射后其透光率為83.1%。鉛玻璃2－4h輻照前透光率為83.3%，經(jīng)過4 h的輻照后其透光率為10.1%，經(jīng)100 h的陽光照射后其透光率為79.9%。鉛玻璃2－10h輻照前透光率為82.6%，經(jīng)過10 h的輻照后其透光率為1.5%，經(jīng)100 h的陽光照射后其透光率為79.6%。鉛玻璃2－40h輻照前透光率為83.7%，經(jīng)過40 h的輻照后其透光率為0.0%，經(jīng)100 h的陽光照射后其透光率為80.5%。鉛玻璃2－160h輻照前透光率為83.9%，經(jīng)過160 h的輻照后其透光率為0.0%，經(jīng)100 h的陽光照射后其透光率為80.8%。以上5個鉛玻璃樣品輻照著色和光照著色恢復(fù)的照片如圖1所示。

圖1 鉛玻璃樣品輻照著色和光照著色恢復(fù)照片F(xiàn)ig.1 Photos of lead glass samples by irradiation coloring and coloring recovery

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制輻照后的5塊鉛玻璃樣品受陽光照射透光率的變化曲線，如圖2所示。從圖2可知，在陽光照射的前期，鉛玻璃透光率的恢復(fù)速度較快，在陽光照射54 h時，2－1h鉛玻璃的透光率已恢復(fù)到輻照前的98.5%，2－4h鉛玻璃的透光率恢復(fù)到輻照前的98.2%，2－10h鉛玻璃的透光率恢復(fù)到輻照前的97.9%，2－40h鉛玻璃的透光率恢復(fù)到輻照前的95.9%，2－160h鉛玻璃的透光率恢復(fù)到輻照前的93.2%。而54～100 h之間，透光率恢復(fù)速度較慢。

圖2 鉛玻璃光照透光率變化曲線Fig.2 Transmittance change curve of lead glass by sunlight exposure

2.2 鉛玻璃不同場所光照著色恢復(fù)效果分析

為進一步分析陽光照射對輻照著色鉛玻璃透光率恢復(fù)的影響程度，選取了3塊與前面實驗規(guī)格相同的鉛玻璃進行60Coγ放射源的輻照，劑量率為54 Gy／h，放置時間為160 h，其累積劑量為8 540 Gy。3塊輻照后的鉛玻璃分別在室外受陽光照射、在室內(nèi)受自然光照射和放在不透光的抽屜中進行著色恢復(fù)實驗，其編號分別為：1－160h－GZH、1－160h－SHN和1－160h－CHT，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，受陽光輻照的1－160h－GZH鉛玻璃的透光率恢復(fù)速度較其他兩種的恢復(fù)速度快很多，在輻照后放置54 h時，透光率恢復(fù)到輻照前的93.2%，室內(nèi)鉛玻璃的透光率恢復(fù)到輻照前的0.069%，抽屜中鉛玻璃的透光率恢復(fù)到輻照前的0.014%，可見陽光照射對鉛玻璃輻照著色的恢復(fù)起著非常重要的作用。在室內(nèi)折射光的照射下，鉛玻璃著色恢復(fù)的速度較在不透光抽屜中的速度稍快，但與陽光照射相比差別較大。γ射線是一種波長較短的電磁波，而太陽光是波長較長的電磁波。γ射線對鉛玻璃的電離輻照使鉛玻璃內(nèi)部的束縛電子激發(fā)形成自由電子，并因此留下空穴。這些自由電子被玻璃材料中的結(jié)構(gòu)性缺陷（例如空位、間隙原子或雜質(zhì)原子）捕獲，形成新的電子構(gòu)型中心從而吸收入射光。由于很多吸收帶是在可見光光譜范圍內(nèi)，因此這些吸收帶也被稱為“色心”，導(dǎo)致鉛玻璃透光率下降。輻照著色后的鉛玻璃在受陽光照射時，其內(nèi)部因電離產(chǎn)生的空穴又重新捕獲自由電子，導(dǎo)致色心逐漸減少，透光率提高。而色心消失的速度與光照的強度有直接的關(guān)系，所以在陽光下照射的鉛玻璃透光率恢復(fù)的最快。

圖3 鉛玻璃在不同場所著色透光率隨光照時間的變化Fig.3 Transmittance of lead glass vs.illumination time in different places

3 鉛玻璃輻照著色和光照著色恢復(fù)的數(shù)學(xué)模型

3.1 鉛玻璃輻照著色數(shù)學(xué)模型

鉛玻璃電離輻照色心生成速率正比于吸收劑量和前驅(qū)體濃度的乘積［12］，即鉛玻璃受輻照產(chǎn)生的色心濃度滿足微分方程：

其中：d c／d t為單位體積色心生成速率，c為電離輻照色心濃度，t為輻照時間；c0為玻璃中能被電離為色心的前驅(qū)體的濃度；D為吸收劑量率；g為與色心生成率有關(guān)的常數(shù)。該微分方程的解為：

其中，A為色心濃度系數(shù)。

透光率與色心濃度呈反比，則透光率P與時間的函數(shù)關(guān)系如下：

其中，K0為透光率系數(shù)。

將式（3）分子分母同除以c0，則式（3）可簡化為：

其中：K1為透光率系數(shù)2；A1為色心濃度系數(shù)2。D＝54 Gy／h。

根據(jù)實驗結(jié)果可知：當(dāng)t為1 h時，P為46.2%；t為4 h時，P為10.1%；t為10 h時，P為1.5%。為便于計算，將透光率的%去掉后的這3組實驗數(shù)據(jù)代入式（4），求得K1＝－24.99，A1＝－1.18，g＝－0.005。利用實驗中測得的鉛玻璃輻照時間和透光率的數(shù)據(jù)與式（4）計算的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖4所示。從圖4可看出，用上述公式計算鉛玻璃輻照時間與透光率的關(guān)系與實驗數(shù)據(jù)符合效果較好，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.183%，這也說明上述數(shù)學(xué)模型可定量模擬鉛玻璃輻照著色過程。另外，根據(jù)式（4）計算可得出當(dāng)輻照時間為25 h時，其透光率約為0.0%，此時鉛玻璃的吸收劑量為1 350 Gy。將與上述實驗相同規(guī)格的鉛玻璃樣品放置在相同的位置輻照25 h后，測得其透光率為0.1%，與數(shù)學(xué)模型預(yù)測值的相對偏差為0.1%。

圖4 鉛玻璃輻照著色透光率變化曲線Fig.4 Variation curve of lead glass’s transmittance by irradiation coloring

3.2 鉛玻璃光照著色恢復(fù)數(shù)學(xué)模型

鉛玻璃的輻照實驗是在室內(nèi)完成的，且室內(nèi)自然光光線較弱。由圖3可知，室內(nèi)光線對鉛玻璃透光率恢復(fù)的影響較小，可忽略不計，即認(rèn)為透光率恢復(fù)發(fā)生在輻照后。則鉛玻璃電離輻照后透光率恢復(fù)過程中色心濃度滿足微分方程［9］：

其中，k為反應(yīng)速率常數(shù)。該微分方程的解為：

透光率與色心濃度呈反比，則透光率與時間的函數(shù)關(guān)系如下：

將式（7）簡化為：

已知g＝－0.005，將2－160h鉛玻璃的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)代入式（8），求得E1＝1.66，F(xiàn)1＝0.004，且其吸收劑量D為8 540 Gy。利用實驗中測得的2－160h鉛玻璃光照時間和透光率的數(shù)據(jù)與式（8）計算的數(shù)據(jù)繪制曲線，結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，用式（8）計算鉛玻璃透光率與光照時間的關(guān)系與實驗數(shù)據(jù)符合效果不好，實驗測量值與式（8）計算值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差為25.29%。

因式（8）求解出的參數(shù)與實驗室數(shù)據(jù)的符合效果不理想，所以利用實驗數(shù)據(jù)采用樣條曲線插值法求解得到鉛玻璃透光率與其光照時間的函數(shù)關(guān)系：

用式（9）求解出的數(shù)值和實驗數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖6所示。實驗測量值與公式計算值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.56%。可見鉛玻璃透光率與其光照時間的函數(shù)關(guān)系應(yīng)為二次函數(shù)。

圖5 用式（8）計算的鉛玻璃透光率與光照時間的關(guān)系Fig.5 Relationship between lead glass’s transmittance and illumination time by formula（8）

圖6 用式（9）計算的鉛玻璃透光率與光照時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between lead glass’s transmittance and illumination time by formula（9）

4 結(jié)論

通過對鉛玻璃進行輻照和光照實驗，發(fā)現(xiàn)在相同的劑量率照射下，輻照時間越長，鉛玻璃的著色損傷越嚴(yán)重。輻照著色后的鉛玻璃受陽光照射后，其透光率基本可恢復(fù)到輻照前的數(shù)值。陽光照射54 h時，鉛玻璃樣品的透光率可恢復(fù)到輻照前的93.2%～98.5%

輻照著色后的鉛玻璃在室外、室內(nèi)和抽屜中放置，發(fā)現(xiàn)在室外受陽光輻照的鉛玻璃透光率恢復(fù)速度較其他兩種的恢復(fù)速度快很多，鉛玻璃在室內(nèi)受輻照時自然光對其著色恢復(fù)的影響較小，說明陽光照射對鉛玻璃輻照著色的恢復(fù)起著非常重要的作用。

通過實驗數(shù)據(jù)和公式求解的擬合函數(shù)可知，鉛玻璃輻照時間與透光率的關(guān)系為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而鉛玻璃透光率與其光照時間為二次函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)以上結(jié)果可認(rèn)為，本課題組研制的防輻射挖掘機視窗的鉛玻璃在核輻射場輻照著色后，經(jīng)太陽光照射著色恢復(fù)后，不會影響視窗的工程應(yīng)用。

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Effect ofγ－ray Radiation and Sun Exposure on Transmittance of ZF6 Lead Glass

LIU Yong－xia1，2，ZOU Shu－liang2，KUANG Ya2
（1.School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.Hunan Key Laboratory of Nuclear Facilities Emergency Safety Technology and Equipment，Hengyang 421001，China）

The transmittance variation of ZF6 lead glass which was irradiated by60Co under the same dose rate but different cumulative doses was researched through experiment.By putting the irradiated lead glass exposed on the radiation of sunshine outdoors，indoors nature light and dark drawer separately，the effect of sunlight exposure on the recovery of glass coloring was studied.The results show that the sunlight plays a significant role in the recovery of radiation coloring of lead glass，and the effect of indoors nature light to lead glass transmittance can be neglected when building the mathematical model of the relationship between the lead glass transmittance and the radiation time.The experimental results are verified that the lead glass transmittancepresents exponential relevant to irradiation time.According to the literature data，the relationship between the lead glass transmittance and its illumination time is linear，but the results by the relationship and the actual values are in poor agreement.Through the spline curve interpolation method，the relationship of the lead glass transmittance and its illumination time is a quadratic function，which gets a good agreement.

lead glass；radiation coloring；coloring recovery；transmittance

TL77

：A

：1000－6931（2015）12－2293－06

10.7538／yzk.2015.49.12.2293

2015－06－29；

：2015－08－27

湖南省科技重大專項資助項目（2012FJ1007）；湖南省教育廳創(chuàng)新平臺開放基金資助項目（15K107）；湖南省科技廳重點研發(fā)項目資助（2015GK3030）

劉永霞（1978—），女，河南通許人，副教授，博士研究生，從事核輻射環(huán)境作業(yè)裝備智能化設(shè)計方法研究