运用核物理教学实验测量和分析照明光源的辐射

云月厚，杨军

(内蒙古大学，内蒙古呼和浩特 010021)

大学核物理实验教学一直采用盖革-谬勒计数器研究原子核衰变放射性计数统计分布规律及用能谱分析仪测量Cs137、CO60等标准源的γ能谱，核物理实验与社会生产实践联系较少，学生实验兴趣不高，我们将现开设的核物理实验进行拓展，用现有实验仪器对照明光源辐射进行对比研究，得到了有益结果，不仅对人们在使用照明光源时提供指导以有利于保护眼睛，且对拓展大学生科研训练有积极作用。已有研究表明高能光子对人体有害，特别是对视网膜神经组织的杀伤较大［1-2］。日常中一般对电视机、计算机荧屏的辐射较为关注［7］，迄今还未见到有关照明光源辐射研究报道，运用核物理教学实验对照明光源辐射进行研究，经过用包装照相底片的黑纸滤波后，用盖革—谬勒计数器对几种照明光源辐射测量，用能谱分析仪测量了日光灯的发射能谱，结果显示普通荧光日光灯辐射的高能光子要远远超过LED、白炽灯、太阳光，并且不同品牌的日光灯辐射剂量差别也很大。

1 实验仪器

盖革-谬勒计数器(FJ-365)，标准放射源Cs137，单道能谱分析仪(FH10098)、记忆存储示波器(PM3266)、打印机(FH464)。

2 实验原理及测试方法

2.1 三种照明光源穿透黑纸辐射光子计数对比测量

盖革-谬勒(Geiger-Miller)计数器是常用的探测辐射仪器。可以准确记录入射光子或粒子数目，但不能区别能量大小和所带电荷多少。实验原理参见文献［3］，测量前在铅室内用标准放射性同位素Cs137做高能光子源，调整触发阈值、工作电压等工作参数。然后将光源放在距探测窗口不同距离下测试。为了滤掉可见光、紫外光，用包装照相底片的黑纸屏蔽计数器窗口。光源的入射光子穿过黑纸进入计数管，其触发的脉冲经过计数管探头、定标器，在打印机显示所接受的光子数目。

2.2 用能谱分析仪测日光灯的发射能谱

用能谱分析仪测试光源发射光谱的实验原理参见文献［3］。当光子射入闪烁晶体后，受激的晶体原子退激发射的光子数与入射光子的能量成正比，经过光电倍增管和线性放大器，单道脉冲分析器和自动定标器甄别，在打印机上显示出不同能量的光子数。测试前用放射性同位素Cs137发射γ射线的184 keV的背散射峰和662 keV的全能峰，标定出能谱仪测量时能量刻度，然后测量日光灯发射光子的能谱。可以将阈值电压换算成能量(keV)。

3 测量结果及讨论

3.1 照明光源辐射光子计数及发射能谱测量

当不用黑纸遮盖探测管窗口，在太阳光下计数的显示每秒计数29342个，在用黑纸屏蔽探测管窗口后，在太阳光下计数为0。用黑纸滤波后，用盖革—谬勒计数器对不同厂家生产的40 W普通日光灯，如国产、台湾产、菲利浦等品牌的普通日光灯测试结果显示，不同品牌日光灯辐射高能光子差别很大，有些杂牌灯管辐射量是菲利浦灯管的十余倍。为便于对比，图1画出用100 s定时测量，在不同距离时，40 W菲利浦灯管、40 W白炽灯、40 W LED灯发出的穿透黑纸的光子数如图1所示。

图1 三种光源计数率随距离的变化关系曲线

利用单道能谱分析仪，选取300 s定时，测量40 W菲利浦日光灯发射能谱，如图2所示。

图2 日光灯的发射能谱

在刚超出紫外波段时，光子数量不大，随着能量增加在83 keV有一个很高的射线峰，其半高宽是50 keV～260 keV，图中已将能谱仪的阈值换算成能量。

3.2 结果分析

普通荧光日光灯是在管中充有汞或少量其它元素，在交变电杨作用下，灯管辉光放电，绝大多数光子来自中部等离子区［4］。主要是Hg最外层6S壳层电子受激发射，其电离能是10.44 eV;退激时发射紫外光，紫外光照射管壁荧光粉层转化为可见光［5］。在离子、电子碰撞中，会有少量内层电子被激发，退激时会发出较强射线，其中大部会被日光灯管壁荧光粉层俘获，但会有少数高能光子逸出形成高能光子辐射。可见光能量是1～7 eV，紫外光是7～1 keV，X射线是1 k～300 keV，300 keV以外是γ射线。图2所示的主要光子辐射所呈现的复杂谱形与灯管中的其它元素、荧光粉材料、能谱分析仪晶体的散射效应等问题有关。

实验结果表明，普通荧光日光灯辐射的高能光子数量要远远超过白炽灯和LED灯。并且实验显示穿透黑纸的高能粒子在空气中按指数规律衰减的很快，在超过50 cm后其强度已显著减小。日光灯辐射的射线在空气中，一般对人体不构成威胁，但在较近距离，特别是近距离使用日光灯时，其辐射对视网膜神经组织的杀伤作用不可忽视。虽然辐射剂量拉德(red=100 erg/g)很小，但视网膜神经组织生物学效应系数(RBE)很大［6-10］，生物辐射剂量公式为:

长期近距离使用光源的科研、教学、医务人员应注意防护，使用近距离光源时应采用白炽灯或LED灯为宜。

［1］钱大可，史元明.辐射防护中弱贯穿辐射的监测［J］.辐射防护，1994，14(4):34-36.

［2］李星洪.辐射防护基础［M］.北京:原子能出版社，1982，102.

［3］吴思诚.近代物理实验［M］.北京:北京大学出版社，1986，156-170.

［4］B·斯皮瓦克.专门物理实验［M］.北京:高等教育出版社，1965，188.

［5］褚圣麟.原子物理学.［M］北京:人民教育出版社，1979，211.

［6］国际辐射单位与测量委员会(ECRU)第51号报告.辐射防护剂量学中的量和单位［J］.辐射防护通讯.1994，14(6):149-151.

［7］任礼华，吴锦海，张传座.电视机、电脑显示屏与β辐射的关系［J］.上海环境科学，1998，17(8):31-34.

［8］吴晓晨，蔡喆，彭振坚等.灯和灯系统的光生物安全检测分析［J］.信息技术与标准化，2010(7):51-54.

［9］陈慧挺，蔡喆，吴晓晨等.扩展光源的辐射亮度及人眼危害［J］.照明工程学报，2012，23(1):43-45.

［10］王玮彬，翁凡钟，沐阳等.光子在塑料闪烁体内的传输速率测量［J］.大学物理实验，2012(3):14-17.