Радиолюминесценция трития — это использование газообразного трития , радиоактивного изотопа водорода , для создания видимого света. Тритий испускает электроны посредством бета-распада , и когда они взаимодействуют с фосфорным материалом, свет испускается посредством процесса фосфоресценции . Общий процесс использования радиоактивного материала для возбуждения фосфора и в конечном итоге генерации света называется радиолюминесценцией . Поскольку тритиевое освещение не требует электрической энергии, оно нашло широкое применение в таких приложениях, как знаки аварийного выхода , подсветка наручных часов и портативные, но очень надежные источники света низкой интенсивности, которые не ухудшают ночное зрение человека. Прицелы для ночного использования и небольшие фонари (которые должны быть более надежными, чем фонари на батарейках, но не мешать ночному зрению или быть достаточно яркими, чтобы легко выдать свое местоположение), используемые в основном военными, подпадают под последнее применение.
В 1953 году было обнаружено, что тритий является идеальным источником энергии для самосветящихся соединений, и эта идея была запатентована Эдвардом Шапиро 29 октября 1953 года в США (2749251 – Источник свечения). [1]
Тритиевое освещение производится с использованием стеклянных трубок с фосфорным слоем внутри и тритиевым газом внутри трубки. Такая трубка известна как «газообразный тритиевый источник света» (GTLS), или бета-свет (так как тритий подвергается бета-распаду ), или тритиевая лампа.
Тритий в газообразном тритиевом источнике света претерпевает бета (β) распад, высвобождая электроны, которые заставляют слой люминофора фосфоресцировать . [ 2]
В процессе производства отрезок трубки из боросиликатного стекла , внутренняя поверхность которого покрыта фосфорсодержащим материалом, заполняется тритием. Затем трубка запечатывается на нужной длине с помощью лазера на углекислом газе . Боросиликат предпочтителен из-за своей прочности и устойчивости к разрушению. В трубке тритий испускает постоянный поток электронов из-за β-распада. Эти частицы возбуждают фосфор, заставляя его излучать слабое, постоянное свечение.
Тритий — не единственный материал, который можно использовать для автономного освещения. Радий использовался для изготовления самосветящейся краски с начала 20 века до 1970 года. Прометий ненадолго заменил радий в качестве источника излучения. Тритий — единственный источник излучения, используемый сегодня в радиолюминесцентных источниках света из-за его низкой радиологической токсичности и коммерческой доступности. [3]
Различные препараты фосфорного соединения могут использоваться для получения различных цветов света. Например, легирование цинк-сульфидного фосфора различными металлами может изменить длину волны излучения. [4] Некоторые из цветов, которые были изготовлены в дополнение к обычным фосфорам, — это зеленый, красный, синий, желтый, фиолетовый, оранжевый и белый.
GTLS, используемые в часах, излучают небольшое количество света: недостаточное, чтобы быть видимым при дневном свете, но видимое в темноте с расстояния нескольких метров. Средний срок службы такого GTLS составляет 10–20 лет. Скорость β-излучения уменьшается вдвое за каждый период полураспада (12,32 года). Кроме того, деградация фосфора приведет к тому, что яркость тритиевой трубки упадет более чем вдвое за этот период. Чем больше трития изначально помещено в трубку, тем она ярче изначально и тем дольше ее срок службы. Знаки выхода трития обычно имеют три уровня яркости, гарантированные для ожидаемого срока службы 10, 15 или 20 лет. [5] Разница между знаками заключается в том, сколько трития устанавливает производитель.
Свет, производимый GTLS, различается по цвету и размеру. Зеленый цвет обычно выглядит как самый яркий с яркостью до 2 кд/м 2 [6] , а красный — наименее ярким. Для сравнения, большинство потребительских настольных жидкокристаллических дисплеев имеют яркость от 200 до 300 кд/м 2 . [7] Размеры варьируются от крошечных трубок, достаточно маленьких, чтобы поместиться на руке часов, до трубок размером с карандаш. Большие трубки (диаметром 5 мм и длиной до 100 мм) обычно встречаются только в зеленом цвете и, что удивительно, могут быть не такими яркими, как стандартный тритий размером 22,5 мм × 3 мм, это связано с более низкой концентрацией и высокой стоимостью трития; этот меньший размер обычно самый яркий и используется в основном в брелоках, доступных в продаже. [ необходима цитата ]
Эти источники света чаще всего рассматриваются как «постоянное» освещение для стрелок наручных часов, предназначенных для дайвинга, ночного или боевого использования. Они также используются в светящихся брелоках для ключей и в самосветящихся знаках выхода . Они пользуются популярностью у военных в тех случаях, когда источник питания может быть недоступен, например, для циферблатов приборов в самолетах, компасов и прицелов для оружия. В случае твердых тритиевых источников света тритий заменяет некоторые атомы водорода в краске, которая также содержит фосфор, такой как сульфид цинка.
Тритиевые фонари или бета-фонари раньше [ когда? ] использовались в рыболовных приманках. Некоторые фонарики имеют слоты для тритиевых флаконов, так что фонарь можно легко найти в темноте.
Тритий используется для подсветки прицелов некоторых видов стрелкового оружия. Сетка на оптическом прицеле SUSAT SA80 , а также телескопический прицел LPS 4x6° TIP2 винтовки PSL , содержат небольшое количество трития для того же эффекта, что и пример использования трития на прицеле винтовки. Электроны, испускаемые радиоактивным распадом трития, заставляют фосфор светиться, тем самым обеспечивая долговечный (несколько лет) и не работающий от батареек прицел для огнестрельного оружия, который виден в условиях слабого освещения. Однако свечение трития не заметно в ярких условиях, например, при дневном свете; поэтому некоторые производители начали интегрировать оптоволоконные прицелы с тритиевыми пузырьками, чтобы обеспечить яркие, высококонтрастные прицелы для огнестрельного оружия как в ярких, так и в тусклом свете.
Хотя эти устройства содержат радиоактивное вещество, в настоящее время считается, что автономное освещение не представляет значительной проблемы для здоровья. В отчете Консультативной группы по ионизирующему излучению Агентства по охране здоровья правительства Великобритании за 2007 год было заявлено, что риски для здоровья от воздействия трития в два раза превышают ранее установленные Международной комиссией по радиологической защите [8] , но инкапсулированные тритиевые осветительные устройства, обычно имеющие форму светящейся стеклянной трубки, встроенной в толстый блок прозрачного пластика, вообще не допускают воздействия трития на пользователя, если только устройство не разломано.
Тритий не представляет внешней угрозы бета-излучения при инкапсуляции в непроницаемые для водорода контейнеры из-за его малой глубины проникновения, которая слишком мала, чтобы проникнуть через неповрежденную кожу человека. Однако устройства GTLS излучают низкие уровни рентгеновского излучения из-за тормозного излучения . [9] Согласно отчету ОЭСР , [ 10] любое внешнее излучение от газообразного тритиевого светового устройства обусловлено исключительно тормозным излучением, обычно в диапазоне 8–14 кэВ. Мощность дозы тормозного излучения не может быть рассчитана только на основе свойств трития, поскольку мощность дозы и эффективная энергия зависят от формы сдерживания. Голый цилиндрический флакон GTLS, изготовленный из стекла толщиной 0,1 мм, длиной 10 мм и диаметром 0,5 мм, даст мощность дозы на поверхности 100 миллирад в час на кюри. Если бы тот же флакон был изготовлен из стекла толщиной 1 мм и заключен в пластиковую оболочку толщиной 2–3 мм, то GTLS даст мощность дозы на поверхности 1 миллирад в час на кюри. Мощность дозы, измеренная на расстоянии 10 мм, будет на два порядка ниже измеренной мощности дозы на поверхности. Учитывая, что толщина половинного значения фотонного излучения 10 кэВ в воде составляет около 1,4 мм, ослабление, обеспечиваемое тканью, покрывающей кроветворные органы, является значительным.
Основная опасность от трития возникает, если он вдыхается, проглатывается, вводится инъекцией или всасывается в организм. Это приводит к поглощению испускаемого излучения в небольшой области тела, опять же из-за малой глубины проникновения. Биологический период полураспада трития — время, необходимое для того, чтобы половина принятой дозы была выведена из организма — невелик, всего 12 дней. Выведение трития можно ускорить еще больше, увеличив потребление воды до 3–4 литров в день. [11] Прямое кратковременное воздействие небольших количеств трития в основном безвредно. Если тритиевая трубка сломалась, следует покинуть это место и позволить газу диффундировать в воздух. Тритий существует в природе в окружающей среде, но в очень малых количествах.
Изделия, содержащие тритий, контролируются законом, поскольку тритий используется в усиленном ядерном оружии и термоядерном оружии (хотя в количествах, в несколько тысяч раз превышающих количество в брелке для ключей). В США такие устройства, как самосветящиеся знаки выхода, датчики, наручные часы и т. д., содержащие небольшое количество трития, находятся под юрисдикцией Комиссии по ядерному регулированию и подлежат правилам владения, распространения, импорта и экспорта, изложенным в 10 CFR Части, 30, 32 и 110. Они также подлежат правилам владения, использования и утилизации в некоторых штатах. Светящиеся изделия, содержащие больше трития, чем необходимо для наручных часов, не широко доступны в розничных магазинах в Соединенных Штатах. [ необходима цитата ]
Они легко продаются и используются в Великобритании и США. Они регулируются в Англии и Уэльсе департаментами гигиены окружающей среды местных советов. [ необходима цитата ] В Австралии продукты, содержащие тритий, не подлежат лицензированию, если они содержат менее 1 × 10 6 беккерелей на грамм (2,7 × 10 −5 Ки / г) трития и имеют общую активность менее 1 × 10 9 беккерелей (0,027 Ки), за исключением устройств безопасности, где предел составляет 74 × 10 9 беккерелей (2,0 Ки) общей активности. [12]