運用核物理教學實驗測量和分析照明光源的輻射

云月厚，楊軍

(內蒙古大學，內蒙古呼和浩特 010021)

大學核物理實驗教學一直采用蓋革-謬勒計數器研究原子核衰變放射性計數統計分布規律及用能譜分析儀測量Cs137、CO60等標準源的γ能譜，核物理實驗與社會生產實踐聯系較少，學生實驗興趣不高，我們將現開設的核物理實驗進行拓展，用現有實驗儀器對照明光源輻射進行對比研究，得到了有益結果，不僅對人們在使用照明光源時提供指導以有利于保護眼睛，且對拓展大學生科研訓練有積極作用。已有研究表明高能光子對人體有害，特別是對視網膜神經組織的殺傷較大［1-2］。日常中一般對電視機、計算機熒屏的輻射較為關注［7］，迄今還未見到有關照明光源輻射研究報道，運用核物理教學實驗對照明光源輻射進行研究，經過用包裝照相底片的黑紙濾波后，用蓋革—謬勒計數器對幾種照明光源輻射測量，用能譜分析儀測量了日光燈的發射能譜，結果顯示普通熒光日光燈輻射的高能光子要遠遠超過LED、白熾燈、太陽光，并且不同品牌的日光燈輻射劑量差別也很大。

1 實驗儀器

蓋革-謬勒計數器(FJ-365)，標準放射源Cs137，單道能譜分析儀(FH10098)、記憶存儲示波器(PM3266)、打印機(FH464)。

2 實驗原理及測試方法

2.1 三種照明光源穿透黑紙輻射光子計數對比測量

蓋革-謬勒(Geiger-Miller)計數器是常用的探測輻射儀器?？梢詼蚀_記錄入射光子或粒子數目，但不能區別能量大小和所帶電荷多少。實驗原理參見文獻［3］，測量前在鉛室內用標準放射性同位素Cs137做高能光子源，調整觸發閾值、工作電壓等工作參數。然后將光源放在距探測窗口不同距離下測試。為了濾掉可見光、紫外光，用包裝照相底片的黑紙屏蔽計數器窗口。光源的入射光子穿過黑紙進入計數管，其觸發的脈沖經過計數管探頭、定標器，在打印機顯示所接受的光子數目。

2.2 用能譜分析儀測日光燈的發射能譜

用能譜分析儀測試光源發射光譜的實驗原理參見文獻［3］。當光子射入閃爍晶體后，受激的晶體原子退激發射的光子數與入射光子的能量成正比，經過光電倍增管和線性放大器，單道脈沖分析器和自動定標器甄別，在打印機上顯示出不同能量的光子數。測試前用放射性同位素Cs137發射γ射線的184 keV的背散射峰和662 keV的全能峰，標定出能譜儀測量時能量刻度，然后測量日光燈發射光子的能譜?？梢詫㈤撝惦妷簱Q算成能量(keV)。

3 測量結果及討論

3.1 照明光源輻射光子計數及發射能譜測量

當不用黑紙遮蓋探測管窗口，在太陽光下計數的顯示每秒計數29342個，在用黑紙屏蔽探測管窗口后，在太陽光下計數為0。用黑紙濾波后，用蓋革—謬勒計數器對不同廠家生產的40 W普通日光燈，如國產、臺灣產、菲利浦等品牌的普通日光燈測試結果顯示，不同品牌日光燈輻射高能光子差別很大，有些雜牌燈管輻射量是菲利浦燈管的十余倍。為便于對比，圖1畫出用100 s定時測量，在不同距離時，40 W菲利浦燈管、40 W白熾燈、40 W LED燈發出的穿透黑紙的光子數如圖1所示。

圖1 三種光源計數率隨距離的變化關系曲線

利用單道能譜分析儀，選取300 s定時，測量40 W菲利浦日光燈發射能譜，如圖2所示。

圖2 日光燈的發射能譜

在剛超出紫外波段時，光子數量不大，隨著能量增加在83 keV有一個很高的射線峰，其半高寬是50 keV～260 keV，圖中已將能譜儀的閾值換算成能量。

3.2 結果分析

普通熒光日光燈是在管中充有汞或少量其它元素，在交變電楊作用下，燈管輝光放電，絕大多數光子來自中部等離子區［4］。主要是Hg最外層6S殼層電子受激發射，其電離能是10.44 eV;退激時發射紫外光，紫外光照射管壁熒光粉層轉化為可見光［5］。在離子、電子碰撞中，會有少量內層電子被激發，退激時會發出較強射線，其中大部會被日光燈管壁熒光粉層俘獲，但會有少數高能光子逸出形成高能光子輻射?？梢姽饽芰渴?～7 eV，紫外光是7～1 keV，X射線是1 k～300 keV，300 keV以外是γ射線。圖2所示的主要光子輻射所呈現的復雜譜形與燈管中的其它元素、熒光粉材料、能譜分析儀晶體的散射效應等問題有關。

實驗結果表明，普通熒光日光燈輻射的高能光子數量要遠遠超過白熾燈和LED燈。并且實驗顯示穿透黑紙的高能粒子在空氣中按指數規律衰減的很快，在超過50 cm后其強度已顯著減小。日光燈輻射的射線在空氣中，一般對人體不構成威脅，但在較近距離，特別是近距離使用日光燈時，其輻射對視網膜神經組織的殺傷作用不可忽視。雖然輻射劑量拉德(red=100 erg/g)很小，但視網膜神經組織生物學效應系數(RBE)很大［6-10］，生物輻射劑量公式為:

長期近距離使用光源的科研、教學、醫務人員應注意防護，使用近距離光源時應采用白熾燈或LED燈為宜。

［1］錢大可，史元明.輻射防護中弱貫穿輻射的監測［J］.輻射防護，1994，14(4):34-36.

［2］李星洪.輻射防護基礎［M］.北京:原子能出版社，1982，102.

［3］吳思誠.近代物理實驗［M］.北京:北京大學出版社，1986，156-170.

［4］B·斯皮瓦克.專門物理實驗［M］.北京:高等教育出版社，1965，188.

［5］褚圣麟.原子物理學.［M］北京:人民教育出版社，1979，211.

［6］國際輻射單位與測量委員會(ECRU)第51號報告.輻射防護劑量學中的量和單位［J］.輻射防護通訊.1994，14(6):149-151.

［7］任禮華，吳錦海，張傳座.電視機、電腦顯示屏與β輻射的關系［J］.上海環境科學，1998，17(8):31-34.

［8］吳曉晨，蔡喆，彭振堅等.燈和燈系統的光生物安全檢測分析［J］.信息技術與標準化，2010(7):51-54.

［9］陳慧挺，蔡喆，吳曉晨等.擴展光源的輻射亮度及人眼危害［J］.照明工程學報，2012，23(1):43-45.

［10］王瑋彬，翁凡鐘，沐陽等.光子在塑料閃爍體內的傳輸速率測量［J］.大學物理實驗，2012(3):14-17.