γ射线辐照和阳光照射对ZF6铅玻璃透光率的影响

刘永霞，邹树梁，匡 雅

（1.南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001；2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南衡阳 421001）

γ射线辐照和阳光照射对ZF6铅玻璃透光率的影响

刘永霞1，2，邹树梁2，匡 雅2

（1.南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001；2.核设施应急安全作业技术与装备湖南省重点实验室，湖南衡阳 421001）

通过实验研究ZF6铅玻璃在60Co放射源相同剂量率不同累积剂量照射下透光率的变化规律。将辐照后的铅玻璃在室外阳光下、室内自然光下和不透光的抽屉中放置观察，发现阳光照射对铅玻璃辐照着色的恢复起着重要作用，在建立铅玻璃透光率随辐照时间变化的数学模型时，室内自然光对铅玻璃透光率的影响可忽略。实验数据验证了受辐照时铅玻璃透光率的变化与辐照时间符合指数函数关系。根据文献资料推导出铅玻璃透光率变化与光照时间为线性函数关系，但发现其与实验数据的符合程度较差，本文根据样条曲线插值法推导出铅玻璃透光率与光照时间为二次函数关系，与实验数据的符合效果较好。

铅玻璃；辐照着色；光照着色恢复；透光率

目前我国核工业多采用ZF6铅玻璃制作屏蔽视窗，而电离辐照导致的着色严重威胁着铅玻璃视窗的使用。铅玻璃电离辐照着色是指玻璃在常温下受电离辐照如X（γ）射线、中子等作用生成色心而导致的一种可见光吸收增加的现象，在多组分玻璃中普遍存在电离辐照着色［13］。色心的产生和玻璃的内部缺陷有关，玻璃网络结构越密实，内部缺陷越少，越有利于阻止色心的产生，其耐辐照性能就越好［4－5］。文献［6］利用60Coγ射线对熔融石英、重火石和镧冕玻璃进行辐照，研究其光学透射率的变化，发现除熔融石英玻璃外，其他玻璃的可见光透射率辐照后均下降，当达到一定辐射剂量后，玻璃材料的透射率不再继续衰减而趋于稳定。研究人员还对玻璃的抗辐照性能开展了研究，发现主要有两个途径可提高其抗辐照性能：1）降低玻璃中非桥氧的浓度；2）添加抗辐照稳定剂。稳定剂的作用是补偿电子和空位产生的局部电荷失衡，从而抑制玻璃中色心的形成，减少玻璃的辐照损伤。对于硅酸盐玻璃，降低非桥氧的浓度即可制备高纯度的石英玻璃［7］。玻璃的抗辐照稳定剂性能最为优异的是氧化铈［8］，但由于高浓度的氧化铈会严重降低玻璃的可见光透过率，抗辐照玻璃中CeO2含量一般控制在摩尔分数0.55%左右。迄今为止，国内外已经成功研制并发展了一系列性能优异的多组分抗辐照玻璃，如Schott的BK7G18玻璃、国产K509玻璃等［9］。文献［4］对玻璃空间电离辐照着色以及几种玻璃的光学寿命进行了定性分析研究。

空间电离辐照是由能量连续变化的粒子组成的，绝大多数粒子穿透能力小，空间电离辐照仅能造成玻璃表层着色，另外玻璃电离辐照着色损伤存在着恢复过程［10］，玻璃空间电离辐照着色是一个复杂的动力学过程。受电离辐照着色的铅玻璃，再受太阳光照射，其着色会恢复，铅玻璃电离辐照着色和光照着色恢复也是一个复杂的动力学过程，目前还未见到关于建立铅玻璃辐照着色和光照着色恢复过程中透光率变化数学模型的研究。本文对铅玻璃辐照着色和光照着色恢复过程中透光率的变化规律进行研究，以实验数据为依据建立适用于铅玻璃电离辐照着色和光照着色恢复的数学模型，并以ZF6铅玻璃为研究对象，验证该数学模型的可靠性。本课题组研制了一台核设施退役场用的防核辐射挖掘机［11］，该挖掘机的视窗采用ZF6铅玻璃，其厚度为60 mm。研究γ射线辐照和阳光照射对铅玻璃透光率的影响，能为该挖掘机铅玻璃视窗的结构设计提供依据，同时也为核工业铅玻璃观察窗的设计提供参考。

1 实验过程

1.1 实验样品

ZF6防辐射铅玻璃，密度为4.78 g／mm3，铅当量率为0.42 mmPb／mm，尺寸为50 mm× 50 mm×60 mm，8块。

1.2 γ射线辐照和光照实验

辐照实验在湖南省辐照中心进行，以251.7×1014Bq（68万Ci）的60Co为放射源，用重铬酸银试剂测得实验样品放置位置的剂量率为54 Gy／h，5个样品均放置在同一位置上，放置时间分别为1、4、10、40、160 h，所以其累积剂量分别为54、216、540、2 160、8 540 Gy。实验室样品的编号依次为2－1h、2－4h、2－10h、2－40h、2－160h。

辐照实验完成后立即测量其透光率，然后将实验样品放置室外受阳光照射，光照强度值约为100 000 Lx，每照射6 h测量1次实验样品的透光率。

1.3 透光率测定

采用上海仪电物理光学仪器有限公司的WGT－S透光率／雾度测定仪进行测量，该测定仪测量光的波长范围为300～900 nm。

2 实验结果

2.1 不同累积剂量铅玻璃辐照着色和光照着色恢复效果分析

铅玻璃2－1h辐照前透光率为84.0%，经过1 h的辐照后其透光率为46.2%，经100 h的阳光照射后其透光率为83.1%。铅玻璃2－4h辐照前透光率为83.3%，经过4 h的辐照后其透光率为10.1%，经100 h的阳光照射后其透光率为79.9%。铅玻璃2－10h辐照前透光率为82.6%，经过10 h的辐照后其透光率为1.5%，经100 h的阳光照射后其透光率为79.6%。铅玻璃2－40h辐照前透光率为83.7%，经过40 h的辐照后其透光率为0.0%，经100 h的阳光照射后其透光率为80.5%。铅玻璃2－160h辐照前透光率为83.9%，经过160 h的辐照后其透光率为0.0%，经100 h的阳光照射后其透光率为80.8%。以上5个铅玻璃样品辐照着色和光照着色恢复的照片如图1所示。

图1 铅玻璃样品辐照着色和光照着色恢复照片Fig.1 Photos of lead glass samples by irradiation coloring and coloring recovery

根据实验数据，绘制辐照后的5块铅玻璃样品受阳光照射透光率的变化曲线，如图2所示。从图2可知，在阳光照射的前期，铅玻璃透光率的恢复速度较快，在阳光照射54 h时，2－1h铅玻璃的透光率已恢复到辐照前的98.5%，2－4h铅玻璃的透光率恢复到辐照前的98.2%，2－10h铅玻璃的透光率恢复到辐照前的97.9%，2－40h铅玻璃的透光率恢复到辐照前的95.9%，2－160h铅玻璃的透光率恢复到辐照前的93.2%。而54～100 h之间，透光率恢复速度较慢。

图2 铅玻璃光照透光率变化曲线Fig.2 Transmittance change curve of lead glass by sunlight exposure

2.2 铅玻璃不同场所光照着色恢复效果分析

为进一步分析阳光照射对辐照着色铅玻璃透光率恢复的影响程度，选取了3块与前面实验规格相同的铅玻璃进行60Coγ放射源的辐照，剂量率为54 Gy／h，放置时间为160 h，其累积剂量为8 540 Gy。3块辐照后的铅玻璃分别在室外受阳光照射、在室内受自然光照射和放在不透光的抽屉中进行着色恢复实验，其编号分别为：1－160h－GZH、1－160h－SHN和1－160h－CHT，结果如图3所示。从图3可知，受阳光辐照的1－160h－GZH铅玻璃的透光率恢复速度较其他两种的恢复速度快很多，在辐照后放置54 h时，透光率恢复到辐照前的93.2%，室内铅玻璃的透光率恢复到辐照前的0.069%，抽屉中铅玻璃的透光率恢复到辐照前的0.014%，可见阳光照射对铅玻璃辐照着色的恢复起着非常重要的作用。在室内折射光的照射下，铅玻璃着色恢复的速度较在不透光抽屉中的速度稍快，但与阳光照射相比差别较大。γ射线是一种波长较短的电磁波，而太阳光是波长较长的电磁波。γ射线对铅玻璃的电离辐照使铅玻璃内部的束缚电子激发形成自由电子，并因此留下空穴。这些自由电子被玻璃材料中的结构性缺陷（例如空位、间隙原子或杂质原子）捕获，形成新的电子构型中心从而吸收入射光。由于很多吸收带是在可见光光谱范围内，因此这些吸收带也被称为“色心”，导致铅玻璃透光率下降。辐照着色后的铅玻璃在受阳光照射时，其内部因电离产生的空穴又重新捕获自由电子，导致色心逐渐减少，透光率提高。而色心消失的速度与光照的强度有直接的关系，所以在阳光下照射的铅玻璃透光率恢复的最快。

图3 铅玻璃在不同场所着色透光率随光照时间的变化Fig.3 Transmittance of lead glass vs.illumination time in different places

3 铅玻璃辐照着色和光照着色恢复的数学模型

3.1 铅玻璃辐照着色数学模型

铅玻璃电离辐照色心生成速率正比于吸收剂量和前驱体浓度的乘积［12］，即铅玻璃受辐照产生的色心浓度满足微分方程：

其中：d c／d t为单位体积色心生成速率，c为电离辐照色心浓度，t为辐照时间；c0为玻璃中能被电离为色心的前驱体的浓度；D为吸收剂量率；g为与色心生成率有关的常数。该微分方程的解为：

其中，A为色心浓度系数。

透光率与色心浓度呈反比，则透光率P与时间的函数关系如下：

其中，K0为透光率系数。

将式（3）分子分母同除以c0，则式（3）可简化为：

其中：K1为透光率系数2；A1为色心浓度系数2。D＝54 Gy／h。

根据实验结果可知：当t为1 h时，P为46.2%；t为4 h时，P为10.1%；t为10 h时，P为1.5%。为便于计算，将透光率的%去掉后的这3组实验数据代入式（4），求得K1＝－24.99，A1＝－1.18，g＝－0.005。利用实验中测得的铅玻璃辐照时间和透光率的数据与式（4）计算的数据绘制曲线，如图4所示。从图4可看出，用上述公式计算铅玻璃辐照时间与透光率的关系与实验数据符合效果较好，其标准偏差为0.183%，这也说明上述数学模型可定量模拟铅玻璃辐照着色过程。另外，根据式（4）计算可得出当辐照时间为25 h时，其透光率约为0.0%，此时铅玻璃的吸收剂量为1 350 Gy。将与上述实验相同规格的铅玻璃样品放置在相同的位置辐照25 h后，测得其透光率为0.1%，与数学模型预测值的相对偏差为0.1%。

图4 铅玻璃辐照着色透光率变化曲线Fig.4 Variation curve of lead glass’s transmittance by irradiation coloring

3.2 铅玻璃光照着色恢复数学模型

铅玻璃的辐照实验是在室内完成的，且室内自然光光线较弱。由图3可知，室内光线对铅玻璃透光率恢复的影响较小，可忽略不计，即认为透光率恢复发生在辐照后。则铅玻璃电离辐照后透光率恢复过程中色心浓度满足微分方程［9］：

其中，k为反应速率常数。该微分方程的解为：

透光率与色心浓度呈反比，则透光率与时间的函数关系如下：

将式（7）简化为：

已知g＝－0.005，将2－160h铅玻璃的相关实验数据代入式（8），求得E1＝1.66，F1＝0.004，且其吸收剂量D为8 540 Gy。利用实验中测得的2－160h铅玻璃光照时间和透光率的数据与式（8）计算的数据绘制曲线，结果如图5所示。从图5可看出，用式（8）计算铅玻璃透光率与光照时间的关系与实验数据符合效果不好，实验测量值与式（8）计算值之间的标准偏差为25.29%。

因式（8）求解出的参数与实验室数据的符合效果不理想，所以利用实验数据采用样条曲线插值法求解得到铅玻璃透光率与其光照时间的函数关系：

用式（9）求解出的数值和实验数据绘制的曲线如图6所示。实验测量值与公式计算值之间的标准偏差为2.56%。可见铅玻璃透光率与其光照时间的函数关系应为二次函数。

图5 用式（8）计算的铅玻璃透光率与光照时间的关系Fig.5 Relationship between lead glass’s transmittance and illumination time by formula（8）

图6 用式（9）计算的铅玻璃透光率与光照时间的关系Fig.6 Relationship between lead glass’s transmittance and illumination time by formula（9）

4 结论

通过对铅玻璃进行辐照和光照实验，发现在相同的剂量率照射下，辐照时间越长，铅玻璃的着色损伤越严重。辐照着色后的铅玻璃受阳光照射后，其透光率基本可恢复到辐照前的数值。阳光照射54 h时，铅玻璃样品的透光率可恢复到辐照前的93.2%～98.5%

辐照着色后的铅玻璃在室外、室内和抽屉中放置，发现在室外受阳光辐照的铅玻璃透光率恢复速度较其他两种的恢复速度快很多，铅玻璃在室内受辐照时自然光对其着色恢复的影响较小，说明阳光照射对铅玻璃辐照着色的恢复起着非常重要的作用。

通过实验数据和公式求解的拟合函数可知，铅玻璃辐照时间与透光率的关系为指数函数关系，而铅玻璃透光率与其光照时间为二次函数关系。

根据以上结果可认为，本课题组研制的防辐射挖掘机视窗的铅玻璃在核辐射场辐照着色后，经太阳光照射着色恢复后，不会影响视窗的工程应用。

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Effect ofγ－ray Radiation and Sun Exposure on Transmittance of ZF6 Lead Glass

LIU Yong－xia1，2，ZOU Shu－liang2，KUANG Ya2
（1.School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.Hunan Key Laboratory of Nuclear Facilities Emergency Safety Technology and Equipment，Hengyang 421001，China）

The transmittance variation of ZF6 lead glass which was irradiated by60Co under the same dose rate but different cumulative doses was researched through experiment.By putting the irradiated lead glass exposed on the radiation of sunshine outdoors，indoors nature light and dark drawer separately，the effect of sunlight exposure on the recovery of glass coloring was studied.The results show that the sunlight plays a significant role in the recovery of radiation coloring of lead glass，and the effect of indoors nature light to lead glass transmittance can be neglected when building the mathematical model of the relationship between the lead glass transmittance and the radiation time.The experimental results are verified that the lead glass transmittancepresents exponential relevant to irradiation time.According to the literature data，the relationship between the lead glass transmittance and its illumination time is linear，but the results by the relationship and the actual values are in poor agreement.Through the spline curve interpolation method，the relationship of the lead glass transmittance and its illumination time is a quadratic function，which gets a good agreement.

lead glass；radiation coloring；coloring recovery；transmittance

TL77

：A

：1000－6931（2015）12－2293－06

10.7538／yzk.2015.49.12.2293

2015－06－29；

：2015－08－27

湖南省科技重大专项资助项目（2012FJ1007）；湖南省教育厅创新平台开放基金资助项目（15K107）；湖南省科技厅重点研发项目资助（2015GK3030）

刘永霞（1978—），女，河南通许人，副教授，博士研究生，从事核辐射环境作业装备智能化设计方法研究