放射性氣態(tài)光源自吸收效應(yīng)研究

李思杰 馬俊平 平杰紅 唐顯 孫玉華

摘 ?要：放射性氣態(tài)光源是利用密封在玻璃腔內(nèi)的放射性氣體衰變發(fā)出的β射線激發(fā)附著在玻璃管內(nèi)壁上的熒光涂層而發(fā)光，根據(jù)發(fā)光機(jī)制，放射性光源的自吸收效應(yīng)是影響光輸出特性的因素之一，包括氣體對β粒子能量的自吸收、放射源在熒光層中的沉積能量和熒光層對光輸出的自屏蔽三個(gè)方面。研究和優(yōu)化放射性光源的自吸收效應(yīng)，是提高放射性氣態(tài)光源的光亮度的研究重點(diǎn)。文章對此三方面進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明，放射性氣態(tài)光源的自吸收效應(yīng)隨著放射性氣體壓力和熒光層厚度的增加而越來越明顯，導(dǎo)致其光輸出特性的減弱;通過對涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低了放射性光源自吸收效應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：放射性光源;自吸收效應(yīng);光輸出;光亮度

中圖分類號(hào)：TL921 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）01-0058-03

Abstract： The gas-filled radio luminescent light source （GRLS） emits light by using the β-ray emitted the decay of the radioactive gas， which sealed in the glass tube to excite the phosphor coating attached to the inner wall of the glass. According to the illuminating mechanism， the self-absorption effect of the radioactive light source is the most important factor affecting the light output characteristics. In order to improve conversion rate from the radiant energy to the light energy， the self-absorption effect of GRLS was studied and optimized， by combining theoretical analysis and experimental verification. The results show that the self-absorption effects of GRLS including the self-absorption of the β energy of the radioactive gas and the phosphor layer， and it becomes more and more obvious as the increase of the gas pressure and the thickness of phosphor layer， resulting in the decrease of the light output characteristics. By optimizing the structure of the coating， the self-absorption effect of GRLS was reduced.

Keywords： GRLS; self-absorption effect; light output; brightness

引言

同位素能源是一種清潔、持久、安全的能源。放射性氣態(tài)光源作為同位素能源應(yīng)用的一種形式，是利用毒性小、易防護(hù)和長半衰期的β放射性氣體（如氚-3、氪-85）與熒光物質(zhì)制備而成，具有無需外加能源、使用壽命長、不受氣候環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，特別適合于夜間的指示照明，是黑暗條件下小視野照明的優(yōu)良光源，廣泛應(yīng)用于航空、航海各類儀器儀表、瞄準(zhǔn)器具、指示牌等[4]。

根據(jù)發(fā)光原理，放射性氣體的射線能量以及熒光基質(zhì)的發(fā)光效率決定了放射性氣態(tài)光源的光輸出特性。但當(dāng)放射性氣體與熒光基質(zhì)已確定的情況下，自吸收效應(yīng)就成了影響其發(fā)光亮度與放射性氣體利用率的主要因素。但在可查閱到國內(nèi)外的放射性氣態(tài)光源的文獻(xiàn)中，大多數(shù)都是它的制備工藝研究以及應(yīng)用場景報(bào)道[5-7]，未見深入對其自吸收效應(yīng)研究的報(bào)道。在國內(nèi)，吳健等人曾對氚光源亮度進(jìn)行過Monte-Carlo計(jì)算[8]，但僅模擬了氚氣壓強(qiáng)和氚燈幾何條件對氚燈亮度的影響，未進(jìn)一步對光源的自吸收效應(yīng)進(jìn)行研究和優(yōu)化。

本文以氚氣作為填充的放射性物質(zhì)，ZnS作為熒光層;從氚氣對β粒子能量的自吸收、放射源在熒光層中的沉積能量以及熒光層對光輸出的自屏蔽這三方面出發(fā)，對其自吸收效應(yīng)進(jìn)行研究，目的是提高光亮度和放射性氣體利用率，為研制出高質(zhì)量的放射性氣態(tài)光源提供必要的理論數(shù)據(jù)支撐。

1 計(jì)算方法和模型

本文構(gòu)建模型如圖1所示。根據(jù)發(fā)光原理，自吸收效應(yīng)包括以下三個(gè)過程：（1）氚氣體對β粒子能量的自吸收;（2）放射源在熒光涂層中的能量沉積;（3）熒光涂層對光的自屏蔽。

圖5結(jié)果顯示，在純ZnS熒光層中，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度的時(shí)候，氚的β粒子能量已完全沉積，也即是意味著，在這個(gè)厚度范圍內(nèi)，當(dāng)氚氣活度一定時(shí)，光源的亮度是隨著厚度的增加而增大;當(dāng)厚度超過這個(gè)范圍后，再增加厚度也無助于光亮度的提高。

2.3 熒光涂層對光的自屏蔽

由式（8）～（10），利用MATLAB進(jìn)行編程計(jì)算，可得到ZnS熒光層發(fā)光效率的變化曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著熒光層厚度的增加，位置a和位置b情況下的熒光層轉(zhuǎn)換效率先增加后減小或趨緩。在熒光層厚度較小時(shí)，轉(zhuǎn)換效率a>b;隨著熒光層厚度的增加，位置b的轉(zhuǎn)換效率逐漸比a位置的大。

這說明熒光層厚度有一優(yōu)化值，即射線在熒光層中能量主要沉積帶（a，b交叉處），在該厚度值時(shí)，能量沉積發(fā)光與光輸運(yùn)損失處于平衡狀態(tài)，即a，b兩種情況出現(xiàn)的轉(zhuǎn)化效率相同;低于該厚度時(shí)，大部分能量被沉積轉(zhuǎn)化成光能，同時(shí)光在熒光層的穿透輸運(yùn)損失較小，即能量沉積發(fā)光占優(yōu)勢，顯示結(jié)果為轉(zhuǎn)換效率a>b;當(dāng)厚度超過優(yōu)化值時(shí)，射線能量被進(jìn)一步沉積轉(zhuǎn)換成光能，但此時(shí)熒光層的自屏蔽導(dǎo)致光的正向輸運(yùn)損失更大，結(jié)果顯示為b>a;最后隨著射線在一定的熒光層中能量沉積完，此時(shí)發(fā)光轉(zhuǎn)換效率趨于平坦。

3 結(jié)論

本文以氚光源為例，分析了放射性氣態(tài)光源的自吸收效應(yīng)，包括氚氣對β粒子能量的自吸收、放射源在熒光層中的沉積能量以及熒光層對光輸出的自屏蔽這三方面，結(jié)果表明，自吸收效應(yīng)隨著氣體壓力增大以及熒光層厚度的增加而越來越明顯，可通過對涂層結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行優(yōu)化，降低了放射性氣態(tài)光源自吸收效應(yīng)的影響，提高了光亮度和放射性氣體的利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]繆增星，呂廷海，張淑卿.氚光源的研制[J].同位素，1990，3（1）：66-67.

[2]Kyeongsook Kim， Kwang Sin Kim， Soon Hwan Son， et al. Manufacturing Process of Self-Luminous Glass Tube Utilizing Tritium Gas：Experimental Results for DB Construction[J]. Korean Journal of Chemical Engineering，2005，22（6）：899-904.

[3]肖倫.放射性同位素技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2000.

[4]吳健，雷家榮，劉文科.氚光源及其研究進(jìn)展[J].同位素，2012，25（1）：1-7.

[5]蘆群勝，許增海.氚光夜間瞄準(zhǔn)具[P].中國：ZL200520110282.7，2007-04-18.

[6]彭述明，王和義.氚化學(xué)與工藝學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：283-289.

[7]王俊峰，張偉，姚守忠，等.氚工藝[M].北京：中國原子能出版社，2012：266-267.

[8]吳健，雷家榮，劉文科.氚燈亮度的Monte-Carlo模擬研究[J].同位素，2013，47（3）：481-484.

[9]許淑艷.蒙特卡羅方法在實(shí)驗(yàn)核物理中的應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，2006.

[10]盧希庭.原子核物理[M].北京：原子能出版社，2010.

[11]KENETH E. B， YURI A. B， YURI G. S， et al. Polymers， Phosphors， and Voltaics for Radioisotope Micro batteries[M]. New York： CRC Press LLC， 2002.

[12]M.Y.NADEEM， Waqas AHMED. Optical properties of ZnS thin films [J]. Turk J Phy， 24（2000）：651-659.

[13]余憲恩.實(shí)用發(fā)光材料[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2008.