Свечение трития: создание видимого света с помощью радиоактивного изотопа водорода.

Введение

Использование газообразного трития для создания видимого света

Тритиевая радиолюминесценция – это использование газообразного трития, радиоактивного изотопа водорода, для создания видимого света. Тритий испускает электроны посредством бета-распада, и при их взаимодействии с люминофором происходит излучение света в процессе фосфоресценции. Всякий раз, когда радиоактивный материал используется для возбуждения люминофора и последующего генерирования света, этот процесс называется радиолюминесценцией. Поскольку для тритиевой подсветки не требуется электрическая энергия, она широко применяется в таких областях, как аварийные знаки эвакуации, подсветка наручных часов и портативные, но очень надежные источники света низкой интенсивности, не ухудшающие ночное зрение человека. К последней категории относятся прицелы для ночного видения и небольшие фонари (которые должны быть надежнее работающих от батарей, но при этом не мешать ночному зрению и не быть достаточно яркими, чтобы легко раскрыть местоположение), используемые преимущественно военными.

История

Тритий был признан идеальным источником энергии для самосветящихся соединений в 1953 году, и эта идея была запатентована Эдвардом Шапиро 29 октября 1953 года в США (2749251 – Источник свечения).

Дизайн

Тритийное освещение создается с использованием стеклянных трубок, содержащих слой люминофора и тритийный газ внутри. Такая трубка известна как "газовый тритиевый источник света" (GTLS), или бета-источник света (поскольку тритий подвергается бета-распаду), или тритиевая лампа. В газовом тритиевом источнике света тритий подвергается бета-распаду, высвобождая электроны, которые вызывают люминесценцию слоя люминофора. В процессе производства стеклянная трубка из боросиликатного стекла, внутренняя поверхность которой покрыта материалом, содержащим люминофор, заполняется радиоактивным тритием. Затем трубка герметично запаивается до нужной длины с помощью углекислотного лазера. Боросиликатное стекло предпочтительнее благодаря своей прочности и устойчивости к разрушению. Внутри трубки тритий непрерывно испускает поток электронов в результате бета-распада. Эти частицы возбуждают люминофор, заставляя его излучать слабое, постоянное свечение. Тритий – не единственный материал, который можно использовать для создания источников света, не требующих внешнего питания. Радий использовался для производства самосветящейся краски с начала 20-го века и примерно до 1970 года. Прометий ненадолго заменил радий в качестве источника излучения. В настоящее время тритий является единственным источником излучения, используемым в радиолюминесцентных источниках света, благодаря его низкой радиологической токсичности и коммерческой доступности. Различные составы люминофорных соединений могут использоваться для получения света разных цветов. Например, легирование люминофора сульфида цинка различными металлами может изменить длину волны излучения. Помимо распространенных люминофоров, были созданы цвета, такие как зеленый, красный, синий, желтый, фиолетовый, оранжевый и белый. GTLS, используемые в часах, излучают небольшое количество света: недостаточное для видимости при дневном свете, но заметное в темноте с расстояния нескольких метров. Средний срок службы такого GTLS составляет 10–20 лет. Будучи нестабильным изотопом с периодом полураспада 12,32 года, интенсивность бета-излучения уменьшается вдвое за этот период. Кроме того, деградация люминофора приведет к снижению яркости тритиевой трубки более чем вдвое за тот же период. Чем больше трития изначально помещено в трубку, тем ярче она светит и тем дольше срок ее службы. Знаки эвакуации, использующие тритий, обычно доступны в трех уровнях яркости с гарантированным сроком службы 10, 15 или 20 лет. Разница между знаками заключается в количестве трития, установленном производителем. Свет, излучаемый GTLS, варьируется по цвету и размеру. Зеленый обычно является самым ярким цветом с яркостью до 2 кд/м², а красный – наименее ярким. Для сравнения, большинство потребительских настольных жидкокристаллических дисплеев имеют яркость от 200 до 300 кд/м². Размеры варьируются от крошечных трубок, достаточно маленьких, чтобы поместиться на стрелке часов, до трубок размером с карандаш. Большие трубки (диаметром 5 мм и длиной до 100 мм) обычно встречаются только в зеленом цвете и, как ни парадоксально, могут быть не такими яркими, как стандартный тритий размером 22,5 мм × 3 мм, что связано с более низкой концентрацией и высокой стоимостью трития; этот меньший размер обычно является самым ярким и в основном используется в коммерчески доступных брелоках.

Tritium lighting is made using glass tubes with a phosphor layer in them and tritium gas inside the tube. Such a tube is known as a "gaseous tritium light source" (GTLS), or beta light (since the tritium undergoes beta decay), or tritium lamp. The tritium in a gaseous tritium light source undergoes beta decay, releasing electrons that cause the phosphor layer to phosphoresce. During manufacture, a length of borosilicate glass tube that has had the internal surface coated with a phosphor containing material is filled with radioactive tritium. The tube is then sealed at the desired length using a carbon dioxide laser. Borosilicate is preferred for its strength and resistance to breakage. In the tube, the tritium gives off a steady stream of electrons due to beta decay. These particles excite the phosphor, causing it to emit a low, steady glow. Tritium is not the only material that can be used for self powered lighting. Radium was used to make self luminous paint from the early years of the 20th century until approximately 1970. Promethium briefly replaced radium as a radiation source. Tritium is the only radiation source used in radioluminescent light sources today due to its low radiological toxicity and commercial availability. Various preparations of the phosphor compound can be used to produce different colors of light. For example, doping zinc sulfide phosphor with different metals can change the emission wavelength. Some of the colors that have been manufactured in addition to the common phosphors are green, red, blue, yellow, purple, orange, and white. The GTLSs used in watches give off a small amount of light: Not enough to be seen in daylight, but visible in the dark from a distance of several meters. The average such GTLS has a useful life of 10–20 years. Being an unstable isotope with a half life of 12.32 years, the rate of beta emissions decreases by half in that period. Additionally, phosphor degradation will cause the brightness of a tritium tube to drop by more than half in that period. The more tritium that is initially placed in the tube, the brighter it is to begin with, and the longer its useful life. Tritium exit signs usually come in three brightness levels guaranteed for 10, 15, or 20 year useful life expectancies. The difference between the signs is how much tritium the manufacturer installs. The light produced by GTLSs varies in color and size. Green usually appears as the brightest color with a brightness as high as 2 cd/m2 and red appears the least bright. For comparison, most consumer desktop liquid crystal displays have luminances of 200 to 300 cd/m2. Sizes range from tiny tubes small enough to fit on the hand of a watch to ones the size of a pencil. Large tubes (5 mm diameter and up to 100 mm long) are usually only found in green, and can surprisingly be not as bright as the standard 22.5 mm × 3 mm sized tritium, this is due to the lower concentration and high cost of tritium; this smaller size is usually the brightest and is used mainly in keychains available commercially.

Применение

Эти источники света чаще всего используются в качестве "постоянного" освещения стрелок наручных часов, предназначенных для дайвинга, ночного или боевого применения. Они также применяются в светящихся брелоках и самосветящихся знаках эвакуации. 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 часть атомов водорода в краске, которая также содержит люминофор, такой как сульфид цинка. Тритиевые источники света, или бета-лампы, ранее использовались в рыболовных приманках. Некоторые фонари имеют гнезда для тритиевых капсул, чтобы фонарь можно было легко найти в темноте. Тритий используется для подсветки механических прицелов некоторых видов стрелкового оружия. Перекрестие оптического прицела SUSAT на винтовке SA80, а также телескопического прицела LPS 4x6° TIP2 винтовки PSL, содержит небольшое количество трития для достижения аналогичного эффекта – пример использования трития в прицеле винтовки. Электроны, испускаемые при радиоактивном распаде трития, заставляют люминофор светиться, обеспечивая тем самым долговременную (несколько лет) и не требующую батарей подсветку прицела, видимую в условиях низкой освещенности. Однако свечение трития незаметно при ярком освещении, например, при дневном свете; поэтому некоторые производители начали интегрировать оптические прицелы с тритиевыми капсулами, чтобы обеспечить яркие, контрастные прицелы для огнестрельного оружия как в ярких, так и в тусклых условиях.

Безопасность

Хотя эти устройства содержат радиоактивное вещество, в настоящее время считается, что источники автономного освещения не представляют значительной опасности для здоровья. В отчете 2007 года Консультативной группы по ионизирующему излучению Агентства по охране здоровья правительства Великобритании было указано, что риски для здоровья от воздействия трития вдвое превышают ранее установленные Международной комиссией по радиационной защите, однако герметичные тритиевые осветительные устройства, как правило, представляющие собой светящуюся стеклянную трубку, заключенную в толстый блок прозрачного пластика, предотвращают любое воздействие трития на пользователя, если только устройство не будет повреждено. Тритий не представляет угрозы внешнего бета-излучения при герметизации в контейнерах, непроницаемых для водорода, благодаря его малой глубине проникновения, которая недостаточна для проникновения в неповрежденную кожу человека. Тем не менее, устройства GTLS излучают низкие уровни рентгеновского излучения вследствие тормозного излучения. Согласно отчету Организации экономического сотрудничества и развития, любое внешнее излучение от газового тритиевого источника света обусловлено исключительно тормозным излучением, обычно в диапазоне 8–14 кэВ. Интенсивность дозы тормозного излучения нельзя рассчитать только на основе свойств трития, поскольку она зависит от способа его герметизации. Открытый цилиндрический флакон GTLS из стекла толщиной 0,1 мм, длиной 10 мм и диаметром 0,5 мм создаст поверхностную интенсивность дозы в 100 миллирад в час на кюри. Если тот же флакон будет изготовлен из стекла толщиной 1 мм и помещен в пластиковый корпус толщиной 2–3 мм, то GTLS создаст поверхностную интенсивность дозы в 1 миллирад в час на кюри. Интенсивность дозы, измеренная на расстоянии 10 мм, будет на два порядка ниже измеренной поверхностной интенсивности дозы. Учитывая, что толщина полуслоя для фотонного излучения 10 кэВ в воде составляет около 1,4 мм, ослабление, обеспечиваемое тканями, покрывающими кроветворные органы, значительно. Основная опасность, исходящая от трития, возникает при его вдыхании, проглатывании, введении или абсорбции в организм. Это приводит к поглощению излучаемого излучения в относительно небольшом участке тела, опять же из-за малой глубины проникновения. Биологический период полувыведения трития – время, необходимое для выведения половины поглощенной дозы из организма – составляет всего 12 дней. Выведение трития можно ускорить, увеличив потребление воды до 3–4 литров в день. Прямое, кратковременное воздействие небольших количеств трития в основном безвредно. Если тритиевая трубка разбилась, следует покинуть помещение и дать газу рассеяться в воздухе. Тритий присутствует в природе, но в очень малых количествах.

Although these devices contain a radioactive substance, it is currently believed that self powered lighting does not pose a significant health concern. A 2007 report by the UK government's Health Protection Agency Advisory Group on Ionizing Radiation declared the health risks of tritium exposure to be double that previously set by the International Commission on Radiological Protection, but encapsulated tritium lighting devices, typically taking the form of a luminous glass tube embedded in a thick block of clear plastic, prevent the user from being exposed to the tritium at all unless the device is broken apart. Tritium presents no external beta radiation threat when encapsulated in non hydrogen permeable containers due to its low penetration depth, which is insufficient to penetrate intact human skin. However, GTLS devices do emit low levels of X rays due to bremsstrahlung. According to a report by the Organisation for Economic Co operation and Development, any external radiation from a gaseous tritium light device is solely due to bremsstrahlung, usually in the range of 8–14 keV. The bremsstrahlung dose rate can not be calculated from the properties of tritium alone, as the dose rate and effective energy is dependent on the form of containment. A bare, cylindrical vial GTLS constructed of 0.1 mm thick glass that is 10 mm long and 0.5 mm in diameter will yield a surface dose rate of 100 millirads per hour per curie. If the same vial were instead constructed of 1 mm thick glass and enclosed in a plastic covering that is 2–3 mm thick, the GTLS will yield a surface dose rate of 1 millirad per hour per curie. The dose rate measured from 10 mm away will be two orders of magnitude lower than the measured surface dose rate. Given that the half value thickness of 10 keV photon radiation in water is about 1.4 mm, the attenuation provided by tissue overlaying blood forming organs is considerable. The primary danger from tritium arises if it is inhaled, ingested, injected, or absorbed into the body. This results in the absorption of the emitted radiation in a relatively small region of the body, again due to the low penetration depth. The biological half life of tritium – the time it takes for half of an ingested dose to be expelled from the body – is low, at only 12 days. Tritium excretion can be accelerated further by increasing water intake to 3–4 liters/day. Direct, short term exposure to small amounts of tritium is mostly harmless. If a tritium tube breaks, one should leave the area and allow the gas to diffuse into the air. Tritium exists naturally in the environment, but in very small quantities.

Законодательство

Поскольку тритий используется в оружии с усиленным делением и термоядерном оружии (хотя и в количествах в несколько тысяч раз превышающих количество в брелоке), потребительские и защитные устройства, содержащие тритий для использования в Соединенных Штатах, подлежат определенным ограничениям на владение, перепродажу, утилизацию и использование. В США такие устройства, как самосветящиеся знаки эвакуации, приборы, наручные часы и т.п., содержащие небольшое количество трития, находятся под юрисдикцией Комиссии по ядерному регулированию и регулируются правилами, касающимися владения, распространения, импорта и экспорта, изложенными в разделах 10, 30, 32 и 110 CFR. Они также подлежат регулированию в отношении владения, использования и утилизации в отдельных штатах. Светящиеся изделия, содержащие больше трития, чем требуется для наручных часов, не широко доступны в розничной продаже в Соединенных Штатах. Они свободно продаются и используются в Великобритании и США. В Англии и Уэльсе регулирование осуществляется отделами охраны окружающей среды местных советов. В Австралии продукция, содержащая тритий, не требует лицензирования, если она содержит менее трития и имеет общую активность менее , за исключением средств безопасности, где предел составляет общую активность.