Введение
Свет, производимый в материале при облучении ионизирующим излучением
Радиолюминесценция – это явление, при котором свет возникает в материале под воздействием ионизирующего излучения, такого как альфа-частицы, бета-частицы или гамма-лучи. Радиолюминесценция используется как источник слабого света для ночной подсветки приборов или указателей. Радиолюминесцентная краска иногда применяется для стрелок часов и шкал приборов, обеспечивая их видимость в темноте. Радиолюминесценция также иногда наблюдается вблизи мощных источников излучения, таких как ядерные реакторы и радиоизотопы.
Механизм
Радиолюминесценция возникает, когда входящая частица ионизирующего излучения сталкивается с атомом или молекулой, возбуждая орбитальный электрон на более высокий энергетический уровень. Частица обычно образуется в результате радиоактивного распада атома радиоизотопа – изотопа элемента, обладающего радиоактивностью. Затем электрон возвращается в своё основное состояние, излучая избыточную энергию в виде фотона света. Вещество, испускающее свет определённого цвета под воздействием ионизирующего излучения, называется фосфором. Радиолюминесцентные источники света обычно состоят из радиоактивного вещества, смешанного с фосфором или расположенного рядом с ним.
Приложения
С тех пор как радиоактивность была открыта в начале 20-го века, основным применением радиолюминесценции является радиолюминесцентная краска, используемая для циферблатов часов и компасов, прицелов, индикаторов приборов самолетов и других инструментов, обеспечивая их видимость в темноте. Радиолюминесцентная краска состоит из смеси химического вещества, содержащего радиоизотоп, и радиолюминесцентного химического вещества (люминофора). Непрерывный радиоактивный распад атомов изотопа высвобождает частицы излучения, которые сталкиваются с молекулами люминофора, заставляя их излучать свет. Постоянное воздействие радиоактивных частиц вызывает химическое разрушение многих типов люминофоров, поэтому радиолюминесцентные краски теряют часть своей яркости в процессе эксплуатации. Радиолюминесцентные материалы также могут применяться при создании оптоэлектрической ядерной батареи – разновидности радиоизотопного генератора, в котором ядерная энергия преобразуется в свет.
Радий
Первое применение радиолюминесценции было в светящейся краске, содержащей радий – естественный радиоизотоп. Начиная с 1908 года, для окраски циферблатов часов и приборов использовалась светящаяся краска, содержащая смесь радия и цинкового сульфида, легированного медью, что придавало ей зеленоватое свечение. Фосфоры, содержащие цинковый сульфид, легированный медью (ZnS:Cu), излучают сине-зеленый свет; также используются фосфоры, содержащие цинковый сульфид, легированный медью и марганцем (ZnS:Cu,Mn), излучающие желто-оранжевый свет. Луминесцентная краска на основе радия больше не используется из-за радиационной опасности для людей, занимающихся изготовлением циферблатов. Эти фосфоры не подходят для использования в слоях толще 25 мг/см², поскольку самопоглощение света становится проблемой. Цинковый сульфид подвергается деградации кристаллической решетки, что приводит к постепенной потере яркости значительно быстрее, чем истощение радия. Экраны спинтарископа, покрытые ZnS:Ag, использовались Эрнестом Резерфордом в его экспериментах по открытию атомного ядра. Радий использовался в светящейся краске до 1960-х годов, когда его заменили другими радиоизотопами, упомянутыми выше, из-за опасений за здоровье. Помимо альфа- и бета-частиц, радий излучает проникающие гамма-лучи, которые могут проходить сквозь металл и стекло циферблата часов, а также сквозь кожу. Типичный старый циферблат радиевых наручных часов имеет радиоактивность 3–10 кБк и может подвергать его владельца годовой дозе в 24 миллизиверта при непрерывном ношении.
Тритий
Последнее поколение радиолюминесцентных материалов основано на тритии – радиоактивном изотопе водорода с периодом полураспада 12,32 года, который испускает бета-излучение очень низкой энергии. Он применяется в циферблатах наручных часов, прицелах оружия и знаках аварийных выходов. Газ трития заключен в небольшую стеклянную трубку, внутренние стенки которой покрыты люминофором. Бета-частицы, испускаемые тритием, сталкиваются с люминофором, заставляя его флуоресцировать и излучать свет, как правило, желто-зеленого цвета. Тритий используется, поскольку считается, что он представляет пренебрежимо малую угрозу для здоровья человека, в отличие от предыдущего радиолюминесцентного источника – радия, который оказался серьезной радиационной опасностью. Бета-частицы с низкой энергией 5,7 кэВ, испускаемые тритием, не могут пройти сквозь стенки стеклянной трубки. Даже если бы это было возможно, они не способны проникнуть в кожу человека. Тритий представляет опасность для здоровья только при попадании внутрь организма с пищей или при вдыхании. Поскольку тритий – это газ, при разрушении трубки он рассеивается в воздухе и разбавляется до безопасной концентрации. Период полураспада трития составляет 12,32 года, поэтому яркость источника света на основе трития снизится вдвое за это время.
Инфракрасная радиофлуоресценция
Инфракрасная радиофлуоресценция (иногда пишется как радиофлуоресценция) — это метод датирования, основанный на инфракрасном (~880 нм) люминесцентном сигнале ортоклаза при воздействии ионизирующего излучения. Он позволяет установить время последнего воздействия дневного света на отложения, например, слой песка, освещенный перед отложением.