從核輻射談功能材料

1、位于烏克蘭北部的切爾諾貝利風(fēng)景優(yōu)美，周圍松樹和白樺樹林茂密，森林位于烏克蘭北部的切爾諾貝利風(fēng)景優(yōu)美，周圍松樹和白樺樹林茂密，森林內(nèi)布滿河流和各種珍禽異獸，而且人口眾多。前蘇聯(lián)內(nèi)布滿河流和各種珍禽異獸，而且人口眾多。前蘇聯(lián)1973年開始在這里修年開始在這里修建切爾諾貝利核電站，于建切爾諾貝利核電站，于1977年正式啟動。年正式啟動。 1986年年4月月26日凌晨日凌晨1時許，隨著一聲震天動地時許，隨著一聲震天動地的巨響，火光四起，烈焰沖天，火柱高達的巨響，火光四起，烈焰沖天，火柱高達30多米。多米。切爾諾貝利核電站切爾諾貝利核電站4號核反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，其廠房號核反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，其廠房屋頂被炸飛、

2、墻壁坍塌，當(dāng)場死亡屋頂被炸飛、墻壁坍塌，當(dāng)場死亡2人。大量的放人。大量的放射性物質(zhì)外泄，使周圍環(huán)境的放射劑量高達射性物質(zhì)外泄，使周圍環(huán)境的放射劑量高達200倫倫琴小時，為允許指標(biāo)的琴小時，為允許指標(biāo)的2萬倍。萬倍。1700多噸石墨多噸石墨成了熊熊大火的燃料，火災(zāi)現(xiàn)場溫度高達成了熊熊大火的燃料，火災(zāi)現(xiàn)場溫度高達2000以上。救援直升機向以上。救援直升機向4號反應(yīng)堆投放了號反應(yīng)堆投放了5000噸降噸降溫和吸收放射性元素的物質(zhì)，并通過遙控機械為反溫和吸收放射性元素的物質(zhì)，并通過遙控機械為反應(yīng)堆修筑了厚達幾米的絕緣罩。應(yīng)堆修筑了厚達幾米的絕緣罩。 切爾諾貝利核電站爆炸釋放了大約切爾諾貝利核電站爆炸釋放

3、了大約2.6億居里的輻射億居里的輻射量，大約是日本廣島原子彈爆炸能量的量，大約是日本廣島原子彈爆炸能量的200多倍。這多倍。這次事故造成的放射性污染遍及前蘇聯(lián)次事故造成的放射性污染遍及前蘇聯(lián)15萬平方公里的萬平方公里的地區(qū)，那里居住著地區(qū)，那里居住著694.5萬人。由于這次事故，核電萬人。由于這次事故，核電站周圍站周圍30公里范圍被劃為隔離區(qū)，附近的居民被疏散，公里范圍被劃為隔離區(qū)，附近的居民被疏散，莊稼被全部掩埋，周圍莊稼被全部掩埋，周圍7000米內(nèi)的樹木都逐漸死亡。米內(nèi)的樹木都逐漸死亡。在日后長達半個世紀(jì)的時間里，在日后長達半個世紀(jì)的時間里，10公里范圍以內(nèi)將不公里范圍以內(nèi)將不能耕作、放牧

4、；能耕作、放牧；10年內(nèi)年內(nèi)100公里范圍內(nèi)被禁止生產(chǎn)牛公里范圍內(nèi)被禁止生產(chǎn)牛奶。切爾諾貝利的核輻射通過風(fēng)力、雨水等傳播途徑，奶。切爾諾貝利的核輻射通過風(fēng)力、雨水等傳播途徑，污染了烏克蘭、白俄羅斯、俄羅斯等一些堪稱世界上污染了烏克蘭、白俄羅斯、俄羅斯等一些堪稱世界上最富饒的土壤。最富饒的土壤。 到現(xiàn)在，參加救援工作的到現(xiàn)在，參加救援工作的83.4萬人中，已有萬人中，已有5.5萬人喪生，萬人喪生，7萬人成為殘疾人，萬人成為殘疾人，30多萬人受放射傷害死去。烏克蘭共有多萬人受放射傷害死去。烏克蘭共有250萬人因切爾諾貝利核事故而身患各萬人因切爾諾貝利核事故而身患各種疾病，其中包括種疾病，其中包括4

5、7.3萬兒童。萬兒童。 在烏克蘭的核受害者中最常見的是甲狀腺在烏克蘭的核受害者中最常見的是甲狀腺疾病、造血系統(tǒng)障礙疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病疾病、造血系統(tǒng)障礙疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及惡性腫瘤等。以及惡性腫瘤等。 2005年年11月月20日，日，46歲的西凡諾娃坐在位歲的西凡諾娃坐在位於白俄羅斯斯特裏切沃地區(qū)的房子裏。她於白俄羅斯斯特裏切沃地區(qū)的房子裏。她的丈夫和大女兒都死於放射性物質(zhì)引起的的丈夫和大女兒都死於放射性物質(zhì)引起的心臟病。據(jù)當(dāng)?shù)蒯t(yī)生說，放射性物質(zhì)在這心臟病。據(jù)當(dāng)?shù)蒯t(yī)生說，放射性物質(zhì)在這一地區(qū)導(dǎo)致了多種健康問題，包括甲狀腺一地區(qū)導(dǎo)致了多種健康問題，包括甲狀腺癌、白血病、心腦血管疾病、出生缺陷以癌

6、、白血病、心腦血管疾病、出生缺陷以及基因變異等及基因變異等 2005年年11月月25日，白俄羅斯首都明斯克，日，白俄羅斯首都明斯克，8歲的伊萬在手術(shù)後慢慢地醒來，他歲的伊萬在手術(shù)後慢慢地醒來，他也因為核爆炸的影響而患上了甲狀腺癌也因為核爆炸的影響而患上了甲狀腺癌 今日在切爾諾貝利的河里仍有魚兒漫游，但它們體內(nèi)積滿銫、钚等核子物質(zhì)。今日在切爾諾貝利的河里仍有魚兒漫游，但它們體內(nèi)積滿銫、钚等核子物質(zhì)。松樹則長出褐色的怪枝，顯示樹木生態(tài)因核輻射而出現(xiàn)巨變。松樹則長出褐色的怪枝，顯示樹木生態(tài)因核輻射而出現(xiàn)巨變。 離核電站僅公里的小鎮(zhèn)離核電站僅公里的小鎮(zhèn)20年來成為無人居住的年來成為無人居住的“死城死城

7、” 2005年年11月月21日，在白俄羅斯的日，在白俄羅斯的“黑色地帶黑色地帶”，翻譯嘉琳娜拿著蓋格計數(shù)器，翻譯嘉琳娜拿著蓋格計數(shù)器測量該地區(qū)的放射性物質(zhì)水準(zhǔn)。據(jù)專家估計，這一地區(qū)的放射性物質(zhì)含量要比測量該地區(qū)的放射性物質(zhì)水準(zhǔn)。據(jù)專家估計，這一地區(qū)的放射性物質(zhì)含量要比當(dāng)年日本廣島和長崎的原子彈爆炸導(dǎo)致的放射性物質(zhì)泄漏量高出當(dāng)年日本廣島和長崎的原子彈爆炸導(dǎo)致的放射性物質(zhì)泄漏量高出100倍倍 探頭系統(tǒng)探頭系統(tǒng)脈沖信號處理脈沖信號處理 數(shù)字信號處理及顯示數(shù)字信號處理及顯示射線在探頭中沉積能量，形成電壓脈沖，電壓脈沖經(jīng)線性放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理后，被計算機系統(tǒng)采集。根據(jù)射線能量沉積形成的方式不同，又可

8、分成多種不同的探頭，主要有以NaI(Tl)為代表的閃爍體探頭和以高純鍺為代表的半導(dǎo)體探頭，還有電離室和GM計數(shù)管等。采用特殊設(shè)計的半導(dǎo)體探測裝置輻射劑量率儀采用特殊設(shè)計的半導(dǎo)體探測裝置輻射劑量率儀 用用3025mm,NaI(TL)閃爍體做的閃爍體做的輻射儀輻射儀 能即時測量操作簡單價格昂貴不能同時測量輻射分布情況空間的分辨率不高（特別在用于放射治療中，要求有很高的空間分辨率）熱釋光劑量計微管熱釋光劑量計微管 熱釋光劑量計片、管及熱釋光測量儀熱釋光劑量計片、管及熱釋光測量儀熱釋光（熱釋光（thermoluminescence，簡稱，簡稱TL）現(xiàn)象是吸收）現(xiàn)象是吸收了電離輻射能的半導(dǎo)體或絕緣體受熱

9、發(fā)光的現(xiàn)象，很多晶體、玻了電離輻射能的半導(dǎo)體或絕緣體受熱發(fā)光的現(xiàn)象，很多晶體、玻璃、陶瓷和有機化合物都存在熱釋光現(xiàn)象，在三千多種礦石中，璃、陶瓷和有機化合物都存在熱釋光現(xiàn)象，在三千多種礦石中，有四分之三的礦石可顯示出熱釋光的性質(zhì)。有四分之三的礦石可顯示出熱釋光的性質(zhì)。對熱釋光現(xiàn)象的研究已經(jīng)有很長時間的歷史。早在對熱釋光現(xiàn)象的研究已經(jīng)有很長時間的歷史。早在1663年，年，Robert Boyle在他睡覺時就發(fā)現(xiàn)隨身攜帶一塊金剛石發(fā)出了微在他睡覺時就發(fā)現(xiàn)隨身攜帶一塊金剛石發(fā)出了微弱的光，而且這種弱光持續(xù)了很長一段時間，這是第一次科學(xué)地弱的光，而且這種弱光持續(xù)了很長一段時間，這是第一次科學(xué)地記錄下來

10、的熱釋光現(xiàn)象。記錄下來的熱釋光現(xiàn)象。1676年，年，Edsholtz觀察到礦物螢石觀察到礦物螢石也有發(fā)微弱光的現(xiàn)象。然而來自天然樣品中的熱釋光在實驗室里也有發(fā)微弱光的現(xiàn)象。然而來自天然樣品中的熱釋光在實驗室里重復(fù)產(chǎn)生卻是在重復(fù)產(chǎn)生卻是在1898年，當(dāng)時年，當(dāng)時Trowbridge Burbank加熱加熱螢石使之發(fā)出天然熱釋光，然后再用螢石使之發(fā)出天然熱釋光，然后再用X射線照射樣品使熱釋光重射線照射樣品使熱釋光重現(xiàn)。上個世紀(jì)初，現(xiàn)。上個世紀(jì)初，Morse首先研究了礦物螢石的熱釋光發(fā)射光首先研究了礦物螢石的熱釋光發(fā)射光譜。譜。 由于熱釋光強度與物質(zhì)所吸收的輻射劑量存在一定關(guān)由于熱釋光強度與物質(zhì)所吸

11、收的輻射劑量存在一定關(guān)系，以這一關(guān)系為基礎(chǔ)的熱釋光劑量學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用系，以這一關(guān)系為基礎(chǔ)的熱釋光劑量學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于輻射防護、輻射治療、環(huán)境監(jiān)測、考古學(xué)和地質(zhì)測年學(xué)于輻射防護、輻射治療、環(huán)境監(jiān)測、考古學(xué)和地質(zhì)測年學(xué)等諸多領(lǐng)域。等諸多領(lǐng)域。應(yīng)用研究主要有兩大應(yīng)用：應(yīng)用研究主要有兩大應(yīng)用：熱釋光材料的研究：使之能更好的應(yīng)用于已有的研究熱釋光材料的研究：使之能更好的應(yīng)用于已有的研究領(lǐng)域。如：輻射防護、輻射治療、環(huán)境監(jiān)測等。（舉例說領(lǐng)域。如：輻射防護、輻射治療、環(huán)境監(jiān)測等。（舉例說明：輻射治療）明：輻射治療）熱釋光方法應(yīng)用研究：考古學(xué)和地質(zhì)測年學(xué)等諸多領(lǐng)熱釋光方法應(yīng)用研究：考古學(xué)和地質(zhì)測年學(xué)等

12、諸多領(lǐng)域。（舉例說明：古陶器的真?zhèn)舞b別）域。（舉例說明：古陶器的真?zhèn)舞b別）1001502002503000102030405060 TL IntensityTemperature / oC10015020025030001020304050607080 TL IntensityTemperature / oC10-510-310-11011031051011031051071091011TL IntensityDose / Gy Data Fit curve目前獲得廣泛應(yīng)用的熱釋光劑量計主要是摻目前獲得廣泛應(yīng)用的熱釋光劑量計主要是摻入雜質(zhì)的堿金屬鹵化物、氧化物或堿土硫酸入雜質(zhì)的堿金屬鹵化物、氧

13、化物或堿土硫酸鹽，最具代表性的熱釋光材料是鹽，最具代表性的熱釋光材料是 LiF:Mg,Ti 、LiF:Mg,Cu,P 、LiF:Mg,Cu,Na,Si、CaSO4:Dy/Tm Al2O3:C 等目前較廣泛使用的等目前較廣泛使用的LiF，CaSO4等等難以滿足組織等效性要求，難以滿足組織等效性要求，在劑量學(xué)上，要求探測器在很寬的能量范圍內(nèi)都呈現(xiàn)在劑量學(xué)上，要求探測器在很寬的能量范圍內(nèi)都呈現(xiàn)一個恒定的響應(yīng)，因此，傾向于使用低一個恒定的響應(yīng)，因此，傾向于使用低Z材料，另外身材料，另外身體組織所吸收劑量的估計，要求有所謂的組織等效劑體組織所吸收劑量的估計，要求有所謂的組織等效劑量計。細胞組織的有效原子

14、序數(shù)約為量計。細胞組織的有效原子序數(shù)約為7.4。然而無論。然而無論LiF，硫酸鹽還是，硫酸鹽還是Al2O3:C，其有效原子序數(shù)都比人體，其有效原子序數(shù)都比人體組織的大。因此，要非常準(zhǔn)確測量組織對應(yīng)的吸收劑組織的大。因此，要非常準(zhǔn)確測量組織對應(yīng)的吸收劑量時，要在源和探測器之間加濾片加以修正，而這是量時，要在源和探測器之間加濾片加以修正，而這是一件非常需要經(jīng)驗的工作。一件非常需要經(jīng)驗的工作。 Li2B4O7的有效原子序數(shù)正好為的有效原子序數(shù)正好為7.4，具有極好的能量響，具有極好的能量響應(yīng)應(yīng) 和組織等效性，因此逐漸成為釋光劑量材料的研究和組織等效性，因此逐漸成為釋光劑量材料的研究熱點。熱點。探測器

15、是輻射的接收器，常用的有電離室、閃爍計數(shù)器、蓋格計數(shù)管、正比計數(shù)器、半導(dǎo)體探測器。電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設(shè)置一個平行極板電容器，加電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設(shè)置一個平行極板電容器，加幾百伏高壓。高壓在極板間產(chǎn)生電場，當(dāng)粒子或射線射向兩極板之間的空氣幾百伏高壓。高壓在極板間產(chǎn)生電場，當(dāng)粒子或射線射向兩極板之間的空氣時，在電場作用下，正離子趨向負極板，電子趨向正極板，產(chǎn)生電離電流。時，在電場作用下，正離子趨向負極板，電子趨向正極板，產(chǎn)生電離電流。若在外電路接一電阻若在外電路接一電阻R，就可形成響應(yīng)電壓，電阻，就可形成響應(yīng)電壓，電阻R的電壓降代表輻射的強度。的電壓降代

16、表輻射的強度。電離室主要用于探測電離室主要用于探測、射線。射線。 電離室外加電壓增大，電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)，使輸出電流與電離室外加電壓增大，電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)，使輸出電流與外加電壓無關(guān)，輸出只正比于射線到電離室的輻射強度。外加電壓無關(guān)，輸出只正比于射線到電離室的輻射強度。、電離室不電離室不能通用，不同粒子相同條件下，效率相差很大。能通用，不同粒子相同條件下，效率相差很大。 優(yōu)點：成本低電離室優(yōu)點：成本低電離室 壽命長；壽命長；缺點：檢出電流小。缺點：檢出電流小。蓋格計數(shù)管也稱氣體放電計數(shù)器。一個蓋格計數(shù)管也稱氣體放電計數(shù)器。一個密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制密封玻璃管

17、，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)，或是作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)，或是一個金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空充惰性一個金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。特點是，氣體（氖、氦）、鹵族氣體。特點是，工作電壓低。工作電壓低。工作原理：射線進入計數(shù)管后氣體被電離，負離子由陽極吸工作原理：射線進入計數(shù)管后氣體被電離，負離子由陽極吸引移向陽極時，離子又與其它氣體分子碰撞后產(chǎn)生多哥次級引移向陽極時，離子又與其它氣體分子碰撞后產(chǎn)生多哥次級電子，快到陽極時次極電子急劇倍增產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象。雪崩引電子，快到陽極時次極電子急劇倍增產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象。雪崩引起陽極整條線上雪崩，發(fā)生放電，放電后

18、空間電子又被中和，起陽極整條線上雪崩，發(fā)生放電，放電后空間電子又被中和，剩下許多正離子包圍陽極，形成正離子鞘。正離子鞘和陽極剩下許多正離子包圍陽極，形成正離子鞘。正離子鞘和陽極間的電場因正離子的存在而減弱。此時若有電子運動到該區(qū)間的電場因正離子的存在而減弱。此時若有電子運動到該區(qū)域，也不會產(chǎn)生雪崩放電，這段時間不能計數(shù)，稱域，也不會產(chǎn)生雪崩放電，這段時間不能計數(shù)，稱“死時死時間間”。由入射粒子引起的電離沿著整個陽極絲形成雪崩現(xiàn)象，而其由入射粒子引起的電離沿著整個陽極絲形成雪崩現(xiàn)象，而其輸出電壓脈沖的幅度與入射粒子能量和性質(zhì)無關(guān)。一般在零輸出電壓脈沖的幅度與入射粒子能量和性質(zhì)無關(guān)。一般在零點幾伏

19、到幾伏左右，用較簡單的電子線路就可記錄。點幾伏到幾伏左右，用較簡單的電子線路就可記錄。 閃爍計數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成，當(dāng)閃爍體受到輻射時閃爍計數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成，當(dāng)閃爍體受到輻射時閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的陰極閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的陰極上，激發(fā)出電子在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流。上，激發(fā)出電子在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流。 閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器 scintillation counter利用射線引起閃爍體的發(fā)光而進行記錄的輻射探測器利用射線引起閃爍體的發(fā)光而進行記錄的輻射探測器 。1947年由年由J.W. 科科

20、爾特曼和爾特曼和 H.P.卡爾曼所發(fā)明卡爾曼所發(fā)明 。它由閃爍體、光電倍增管。它由閃爍體、光電倍增管(見光電管見光電管)和電子和電子儀器等單元組成。射線同閃爍體相互作用，使其中的原子、分子電離或激發(fā)，儀器等單元組成。射線同閃爍體相互作用，使其中的原子、分子電離或激發(fā)，被激發(fā)的原子、分子退激時發(fā)出微弱熒光被激發(fā)的原子、分子退激時發(fā)出微弱熒光(見固體發(fā)光見固體發(fā)光)，熒光被收集到光電，熒光被收集到光電倍增管，倍增的電子流形成電壓脈沖，由電子儀器放大分析和記錄倍增管，倍增的電子流形成電壓脈沖，由電子儀器放大分析和記錄 ?？捎谩？捎玫拈W爍體種類很多的閃爍體種類很多 ，用得較多的有，用得較多的有NaI（

21、加微量（加微量Tl)、CSI(加微量加微量Tl)、ZnS(加微量加微量Ag )等無機鹽晶體和蒽、茋、對聯(lián)三苯等有機晶體，也有用液等無機鹽晶體和蒽、茋、對聯(lián)三苯等有機晶體，也有用液體、塑料或氣體的閃爍體。閃爍計數(shù)器的優(yōu)點是效率高，有很好的時間分辨體、塑料或氣體的閃爍體。閃爍計數(shù)器的優(yōu)點是效率高，有很好的時間分辨率和空間分辨率，時間分辨率達率和空間分辨率，時間分辨率達10-9秒秒 ，空間分辨率達毫米量級。它不僅，空間分辨率達毫米量級。它不僅能探測各種帶電粒子，還能探測各種不帶電的核輻射；不僅能探測核輻射是能探測各種帶電粒子，還能探測各種不帶電的核輻射；不僅能探測核輻射是否存在，還能鑒別它們的性質(zhì)和

22、種類；不但能計數(shù)，還能根據(jù)脈沖幅度確定否存在，還能鑒別它們的性質(zhì)和種類；不但能計數(shù)，還能根據(jù)脈沖幅度確定輻射粒子的能量。在核物理和粒子物理實驗中應(yīng)用十分廣泛。輻射粒子的能量。在核物理和粒子物理實驗中應(yīng)用十分廣泛。測定土壤中的放射性測定土壤中的放射性元素元素建材中的放射情況建材中的放射情況空氣中的氡濃度（活空氣中的氡濃度（活性炭法）性炭法）土壤中的氡濃度（活土壤中的氡濃度（活性炭法）性炭法）正比計數(shù)器接收一個正比計數(shù)器接收一個X、光子后就輸出一個電脈沖，幅度與光子能量成正光子后就輸出一個電脈沖，幅度與光子能量成正比，輸出脈沖的大小正比于入射產(chǎn)生的電子和正離子對數(shù)目，電子和正離比，輸出脈沖的大小正比于入射產(chǎn)生的電子和正離子對數(shù)目，電子和正離子對數(shù)目正比于氣體吸收的放射線的能量。放射線能量越大，電離電子獲子對數(shù)目正比于氣體吸收的放射線的能量。放射線能量越大，電離電子獲得能量大，碰撞產(chǎn)生的離子對越多。得能量大，碰撞產(chǎn)生的離子對越多。缺點：脈沖幅度隨工作電壓變化較大，容易受到外來電磁干擾，所以對電缺點：脈沖幅度隨工作電壓變化較大，容易受到外來電磁干擾，所以對電源穩(wěn)定性要求很高。源穩(wěn)定性要求很高。 射線入射到半導(dǎo)體中時，會產(chǎn)生電子射線入射到半導(dǎo)體中時，會產(chǎn)生電子空穴對，空穴對，X射線、射線、射線由于光電射線由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對生成等產(chǎn)生二次電子；高速二次