Радиолюминесценция трития — это использование газообразного трития , радиоактивного изотопа водорода , для создания видимого света. Тритий испускает электроны в результате бета-распада , и когда они взаимодействуют с люминофорным материалом, свет излучается в процессе фосфоресценции . Общий процесс использования радиоактивного материала для возбуждения люминофора 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 , освещение наручных часов, а также в качестве портативных, но очень надежных источников света низкой интенсивности, которые не ухудшают человеческое ночное зрение. Прицелы для ночного использования и небольшие фонари (которые должны быть более надежными, чем фонари с батарейным питанием, но при этом не мешать ночному зрению или быть достаточно яркими, чтобы легко выдавать местоположение), используемые в основном военнослужащими, 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 светимости). [1]
Тритиевое освещение производится с использованием стеклянных трубок со слоем люминофора внутри и газообразным тритием внутри трубки. Такая трубка известна как «газообразный тритиевый источник света» (GTLS), или бета-свет (поскольку тритий подвергается бета-распаду ), или тритиевая лампа.
Тритий в газообразном тритиевом источнике света подвергается бета-распаду , высвобождая электроны, которые вызывают фосфоресцирование слоя люминофора . [2]
При изготовлении отрезок трубки из боросиликатного стекла , внутренняя поверхность которой покрыта люминофорсодержащим материалом , заполняется радиоактивным тритием. Затем трубка герметизируется до нужной длины с помощью углекислотного лазера . Боросиликат предпочтителен из-за его прочности и устойчивости к разрушению. В трубке тритий испускает постоянный поток электронов вследствие бета-распада. Эти частицы возбуждают люминофор, заставляя его излучать низкое, устойчивое свечение.
Тритий — не единственный материал, который можно использовать для автономного освещения. Радий использовался для изготовления самосветящейся краски с первых лет 20-го века примерно до 1970 года. Прометий ненадолго заменил радий в качестве источника излучения. Тритий является единственным источником излучения, используемым сегодня в радиолюминесцентных источниках света из-за его низкой радиологической токсичности и коммерческой доступности. [3]
Для получения света разных цветов можно использовать различные препараты фосфорного соединения. Например, легирование люминофора сульфида цинка различными металлами может изменить длину волны излучения. [4] Некоторые цвета, которые производятся в дополнение к обычным люминофорам, — это зеленый, красный, синий, желтый, фиолетовый, оранжевый и белый.
GTLS, используемые в часах, излучают небольшое количество света: недостаточно, чтобы его можно было увидеть при дневном свете, но видно в темноте на расстоянии нескольких метров. Средний срок полезного использования таких GTLS составляет 10–20 лет. Поскольку это нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года, скорость бета-выбросов за этот период снижается вдвое. Кроме того, деградация люминофора приведет к падению яркости тритиевой трубки более чем вдвое за этот период. Чем больше трития изначально помещено в трубку, тем ярче она изначально и тем дольше срок ее службы. Знаки выхода из трития обычно имеют три уровня яркости с гарантированным сроком службы 10, 15 или 20 лет. [5] Разница между знаками заключается в том, сколько трития устанавливает производитель.
Свет, излучаемый GTLS, различается по цвету и размеру. Зеленый цвет обычно выглядит как самый яркий цвет с яркостью до 2 кд/м 2 [6] , а красный — как наименее яркий. Для сравнения, большинство потребительских настольных жидкокристаллических дисплеев имеют яркость от 200 до 300 кд/м 2 . [7] Размеры варьируются от крошечных тюбиков, достаточно маленьких, чтобы поместиться на руке часов, до тюбиков размером с карандаш. Большие трубки (диаметром 5 мм и длиной до 100 мм) обычно встречаются только зеленого цвета и, что удивительно, могут быть не такими яркими, как стандартные тритиевые 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 имеющихся в продаже брелках. [ нужна цитата ]
Эти источники света чаще всего рассматриваются как «постоянное» освещение стрелок наручных часов , предназначенных для дайвинга, ночного или боевого использования. Их также используют в светящихся брелоках для ключей и в самосветящихся указателях выхода . Военные предпочитают их для применений, где 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 люминофор, такой как сульфид цинка.
Тритиевые лампы или бета-лампы раньше были [ когда? ] используется в рыболовных приманках. Некоторые фонарики имеют прорези для флаконов с тритием , поэтому фонарик можно легко найти в темноте.
Тритий используется для подсветки прицелов некоторых видов стрелкового оружия. Сетка оптического прицела SUSAT SA80 , а также оптического прицела LPS 4x6° TIP2 винтовки PSL содержит небольшое количество трития для достижения того же эффекта, что и пример использования трития в прицеле винтовки . Электроны, испускаемые в результате радиоактивного распада трития, вызывают свечение люминофора , обеспечивая тем самым долговечный (несколько лет) прицел для огнестрельного оружия без батарейного питания, который виден в условиях слабого освещения. Однако свечение трития незаметно в ярких условиях, например, при дневном свете; следовательно, некоторые производители начали интегрировать оптоволоконные прицелы с тритиевыми флаконами, чтобы обеспечить яркие и высококонтрастные прицелы огнестрельного оружия как в ярких, так и в темных условиях.
Хотя эти устройства содержат радиоактивное вещество, в настоящее время считается, что освещение с автономным питанием не представляет серьезной угрозы для здоровья. В отчете Консультативной группы по ионизирующей радиации Агентства по охране здоровья правительства Великобритании за 2007 год говорится, что риски для здоровья, связанные с воздействием трития, вдвое выше, чем ранее установленные Международной комиссией по радиологической защите [8] , но инкапсулированные тритиевые осветительные устройства, обычно имеющие форму светящаяся стеклянная трубка, встроенная в толстый блок прозрачного пластика, вообще предотвращает воздействие трития на пользователя, если устройство не сломано.
Тритий не представляет угрозы внешнего бета-излучения при капсулировании в непроницаемых для водорода контейнерах из-за его низкой глубины проникновения, недостаточной для проникновения через неповрежденную кожу человека. Однако устройства GTLS излучают низкие уровни рентгеновских лучей из-за тормозного излучения . [9] Согласно отчету Организации экономического сотрудничества и развития , [10] любое внешнее излучение газообразного тритиевого осветительного устройства происходит исключительно за счет тормозного излучения, обычно в диапазоне 8–14 кэВ. Мощность дозы тормозного излучения не может быть рассчитана на основе свойств только трития, поскольку мощность дозы и эффективная энергия зависят от формы защитной оболочки. Голый цилиндрический флакон GTLS, изготовленный из стекла толщиной 0,1 мм, длиной 10 мм и диаметром 0,5 мм, обеспечивает мощность поверхностной дозы 100 миллирад в час на кюри. Если вместо этого тот же флакон изготовить из стекла толщиной 1 мм и заключить в пластиковое покрытие толщиной 2–3 мм, GTLS обеспечит мощность поверхностной дозы 1 миллирад в час на кюри. Мощность дозы, измеренная на расстоянии 10 мм, будет на два порядка ниже измеренной мощности поверхностной дозы. Учитывая, что половинная толщина фотонного излучения с энергией 10 кэВ в воде составляет около 1,4 мм, ослабление, обеспечиваемое тканями, покрывающими органы кроветворения, является значительным.
Основная опасность трития возникает при его вдыхании, проглатывании, инъекции или всасывании в организм. Это приводит к поглощению испускаемого излучения в относительно небольшой области тела, опять же из-за малой глубины проникновения. Биологический период полураспада трития – время, необходимое для выведения из организма половины принятой дозы – невелик и составляет всего 12 дней. Выведение трития можно еще больше ускорить, увеличив потребление воды до 3–4 литров в день. [11] Прямое кратковременное воздействие небольших количеств трития в основном безвредно. Если тритиевая трубка порвется, следует покинуть это место и позволить газу диффундировать в воздух. Тритий в природе существует в окружающей среде, но в очень небольших количествах.
Поскольку тритий используется в оружии форсированного деления и термоядерном оружии (хотя в количествах, в несколько тысяч раз превышающих количество в брелке), потребительские и защитные устройства, содержащие тритий для использования в Соединенных Штатах, подлежат определенному хранению, перепродаже, утилизации и использованию. ограничения. В США такие устройства, как самосветящиеся указатели выхода, манометры, наручные часы и т. д., содержащие небольшое количество трития, находятся под юрисдикцией Комиссии по ядерному регулированию и подлежат правилам владения, распространения, а также импорта и экспорта, установленным в Части 10 CFR , 30, 32 и 110. На них также распространяются правила владения, использования и утилизации в некоторых штатах. Светящиеся изделия, содержащие больше трития, чем необходимо для наручных часов, не так широко доступны в розничных магазинах США. [ нужна цитата ]
Они легко продаются и используются в Великобритании и США. В Англии и Уэльсе они регулируются департаментами гигиены окружающей среды местных советов. [ нужна ссылка ] В Австралии продукты, содержащие тритий, освобождаются от лицензии, 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). Ci), за исключением устройств безопасности, где предел составляет 74 × 10 9 беккерелей (2,0 Ки) общей активности. [12]