放射性气态光源自吸收效应研究

李思杰 马俊平 平杰红 唐显 孙玉华

摘  要：放射性气态光源是利用密封在玻璃腔内的放射性气体衰变发出的β射线激发附着在玻璃管内壁上的荧光涂层而发光，根据发光机制，放射性光源的自吸收效应是影响光输出特性的因素之一，包括气体对β粒子能量的自吸收、放射源在荧光层中的沉积能量和荧光层对光输出的自屏蔽三个方面。研究和优化放射性光源的自吸收效应，是提高放射性气态光源的光亮度的研究重点。文章对此三方面进行理论分析，结果表明，放射性气态光源的自吸收效应随着放射性气体压力和荧光层厚度的增加而越来越明显，导致其光输出特性的减弱;通过对涂层结构的优化，降低了放射性光源自吸收效应的影响。

关键词：放射性光源;自吸收效应;光输出;光亮度

中图分类号：TL921         文献标志码：A         文章编号：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

同位素能源是一种清洁、持久、安全的能源。放射性气态光源作为同位素能源应用的一种形式，是利用毒性小、易防护和长半衰期的β放射性气体（如氚-3、氪-85）与荧光物质制备而成，具有无需外加能源、使用寿命长、不受气候环境影响等优点[1-3]，特别适合于夜间的指示照明，是黑暗条件下小视野照明的优良光源，广泛应用于航空、航海各类仪器仪表、瞄准器具、指示牌等[4]。

根据发光原理，放射性气体的射线能量以及荧光基质的发光效率决定了放射性气态光源的光输出特性。但当放射性气体与荧光基质已确定的情况下，自吸收效应就成了影响其发光亮度与放射性气体利用率的主要因素。但在可查阅到国内外的放射性气态光源的文献中，大多数都是它的制备工艺研究以及应用场景报道[5-7]，未见深入对其自吸收效应研究的报道。在国内，吴健等人曾对氚光源亮度进行过Monte-Carlo计算[8]，但仅模拟了氚气压强和氚灯几何条件对氚灯亮度的影响，未进一步对光源的自吸收效应进行研究和优化。

本文以氚气作为填充的放射性物质，ZnS作为荧光层;从氚气对β粒子能量的自吸收、放射源在荧光层中的沉积能量以及荧光层对光输出的自屏蔽这三方面出发，对其自吸收效应进行研究，目的是提高光亮度和放射性气体利用率，为研制出高质量的放射性气态光源提供必要的理论数据支撑。

1 计算方法和模型

本文构建模型如图1所示。根据发光原理，自吸收效应包括以下三个过程：（1）氚气体对β粒子能量的自吸收;（2）放射源在荧光涂层中的能量沉积;（3）荧光涂层对光的自屏蔽。

图5结果显示，在纯ZnS荧光层中，当厚度达到一定程度的时候，氚的β粒子能量已完全沉积，也即是意味着，在这个厚度范围内，当氚气活度一定时，光源的亮度是随着厚度的增加而增大;当厚度超过这个范围后，再增加厚度也无助于光亮度的提高。

2.3 荧光涂层对光的自屏蔽

由式（8）～（10），利用MATLAB进行编程计算，可得到ZnS荧光层发光效率的变化曲线如图6所示。

从图6可以看出，随着荧光层厚度的增加，位置a和位置b情况下的荧光层转换效率先增加后减小或趋缓。在熒光层厚度较小时，转换效率a>b;随着荧光层厚度的增加，位置b的转换效率逐渐比a位置的大。

这说明荧光层厚度有一优化值，即射线在荧光层中能量主要沉积带（a，b交叉处），在该厚度值时，能量沉积发光与光输运损失处于平衡状态，即a，b两种情况出现的转化效率相同;低于该厚度时，大部分能量被沉积转化成光能，同时光在荧光层的穿透输运损失较小，即能量沉积发光占优势，显示结果为转换效率a>b;当厚度超过优化值时，射线能量被进一步沉积转换成光能，但此时荧光层的自屏蔽导致光的正向输运损失更大，结果显示为b>a;最后随着射线在一定的荧光层中能量沉积完，此时发光转换效率趋于平坦。

3 结论

本文以氚光源为例，分析了放射性气态光源的自吸收效应，包括氚气对β粒子能量的自吸收、放射源在荧光层中的沉积能量以及荧光层对光输出的自屏蔽这三方面，结果表明，自吸收效应随着气体压力增大以及荧光层厚度的增加而越来越明显，可通过对涂层结构方式进行优化，降低了放射性气态光源自吸收效应的影响，提高了光亮度和放射性气体的利用率。

参考文献：

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