放射性氣態光源自吸收效應研究

李思杰 馬俊平 平杰紅 唐顯 孫玉華

摘 ?要：放射性氣態光源是利用密封在玻璃腔內的放射性氣體衰變發出的β射線激發附著在玻璃管內壁上的熒光涂層而發光，根據發光機制，放射性光源的自吸收效應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方面。研究和優化放射性光源的自吸收效應，是提高放射性氣態光源的光亮度的研究重點。文章對此三方面進行理論分析，結果表明，放射性氣態光源的自吸收效應隨著放射性氣體壓力和熒光層厚度的增加而越來越明顯，導致其光輸出特性的減弱;通過對涂層結構的優化，降低了放射性光源自吸收效應的影響。

關鍵詞：放射性光源;自吸收效應;光輸出;光亮度

中圖分類號：TL921 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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。放射性氣態光源作為同位素能源應用的一種形式，是利用毒性小、易防護和長半衰期的β放射性氣體（如氚-3、氪-85）與熒光物質制備而成，具有無需外加能源、使用壽命長、不受氣候環境影響等優點[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良光源，廣泛應用于航空、航海各類儀器儀表、瞄準器具、指示牌等[4]。

根據發光原理，放射性氣體的射線能量以及熒光基質的發光效率決定了放射性氣態光源的光輸出特性。但當放射性氣體與熒光基質已確定的情況下，自吸收效應就成了影響其發光亮度與放射性氣體利用率的主要因素。但在可查閱到國內外的放射性氣態光源的文獻中，大多數都是它的制備工藝研究以及應用場景報道[5-7]，未見深入對其自吸收效應研究的報道。在國內，吳健等人曾對氚光源亮度進行過Monte-Carlo計算[8]，但僅模擬了氚氣壓強和氚燈幾何條件對氚燈亮度的影響，未進一步對光源的自吸收效應進行研究和優化。

本文以氚氣作為填充的放射性物質，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，對其自吸收效應進行研究，目的是提高光亮度和放射性氣體利用率，為研制出高質量的放射性氣態光源提供必要的理論數據支撐。

1 計算方法和模型

本文構建模型如圖1所示。根據發光原理，自吸收效應包括以下三個過程：（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結果顯示，在純ZnS熒光層中，當厚度達到一定程度的時候，氚的β粒子能量已完全沉積，也即是意味著，在這個厚度范圍內，當氚氣活度一定時，光源的亮度是隨著厚度的增加而增大;當厚度超過這個范圍后，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進行編程計算，可得到ZnS熒光層發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情況下的熒光層轉換效率先增加后減小或趨緩。在熒光層厚度較小時，轉換效率a>b;隨著熒光層厚度的增加，位置b的轉換效率逐漸比a位置的大。

這說明熒光層厚度有一優化值，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，能量沉積發光與光輸運損失處于平衡狀態，即a，b兩種情況出現的轉化效率相同;低于該厚度時，大部分能量被沉積轉化成光能，同時光在熒光層的穿透輸運損失較小，即能量沉積發光占優勢，顯示結果為轉換效率a>b;當厚度超過優化值時，射線能量被進一步沉積轉換成光能，但此時熒光層的自屏蔽導致光的正向輸運損失更大，結果顯示為b>a;最后隨著射線在一定的熒光層中能量沉積完，此時發光轉換效率趨于平坦。

3 結論

本文以氚光源為例，分析了放射性氣態光源的自吸收效應，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，結果表明，自吸收效應隨著氣體壓力增大以及熒光層厚度的增加而越來越明顯，可通過對涂層結構方式進行優化，降低了放射性氣態光源自吸收效應的影響，提高了光亮度和放射性氣體的利用率。

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