再訪廣島

【德】麥考·帕默  著

郎倫友  譯

第二章  第八節

2.8 電離輻射的測量

   為了查明和量化電離輻射，我們必須觀察它與物質的一些相互作用；但這樣做容易受到傷害，我們必須找到放大在這種相互作用中所產生的初始信號的方法。有幾種不同的物理定理可以用來進行這種測量。

 2.8.1 電離

   這就是在電離室中進行觀察。電離室是一個充滿惰性氣體的封閉空間，同時還有兩個電極，電極之間施加高壓。當一個電離粒子從這個空間穿過時，就會與氣體的原子發生撞擊，把電子擊出它們的殼層。在這個強電場裡，離子和電子分別被吸引到那兩個相反的電極上，它們在電極上會發出電信號。這個信號的量級與生成的離子的數量是成正比例的；如上所述，這個數量根據電離粒子的類型和能量的不同而變化。

   接收到的信號到底是什麼樣的形式取決於實驗的裝置。如果電極之間維持初始的電壓而不進行更新，那麼每檢測一次，離子和電子的脈衝都會使初始電壓降低。這就是說測量值將是累計的——我們就會估算出生成了多少離子，但不是多少電離粒子。如果電壓保持穩定，那麼信號就是在每次電離之後將電壓恢復到預設水平所需要的電流；由於這種恢復非常迅速，計算在一個特定的時間段里電離粒子的數量是可以做到的。

   儘管這與直覺是相反的，但這個信號可以通過減小真空室內的氣壓進行放大，低氣壓將會減少電離粒子與氣體分子之間的撞擊次數，這樣離子和電子的數量就顯示出來了；然而這些離子在向各自的電極前進時，在撞擊其他氣體原子之前速度加快，由於速度更大了，它們就會逐一地電離那些氣體原子。總體效果就是帶電粒子的級聯擴散和由此而來的電子信號的放大。採用這种放大模式原則上有兩種方式：

   *放大可能是有限度的，所以信號歸根結底還是受由電離粒子直接產生的離子數和電子數的限制。然後信號將會保留電離粒子的性質和能量方面的信息。

   *放大有可能達到飽和——每一次都不管初始電離的強度，被同樣放大到最大的範圍。這將是最大程度的靈敏度，但在另一方面，卻喪失了區別不同類型粒子的能力。這後一條原理被廣泛地應用於蓋革計數器中。

   這兩種測試方式各有各的用途。一般來講，靈敏度優良的計數設備往往比較簡單，比較適合在現場使用。能夠區分不同類型粒子的設備比較複雜，主要在實驗室里使用。最重要的優點在於能根據粒子的能量區分和確認複雜混合物中的不同放射性核素，例如在土壤中，既有自然存在的核素，也有核塵埃；圖3.3顯示的就是這樣一個例子。

2.8.2 閃光

   與電離一樣，這種物理效應也是從一個電離粒子與別的原子或分子撞擊開始的。但是在閃光過程中，電子不是被擊打得自由了，而是在其宿主粒子內瞬間被提升到更高的能量狀態。當能量回落到它的初始水平時，它在撞擊中獲得的額外能量就以光的形式（一個光子）釋放出來。這束光能夠被聚焦到一個光電倍增管上並被量化；這個閃光的強度與閃光的原子或分子的數量成正比例，因此也與電離粒子的能量成正比例。γ-射線在諸如碘化鈉晶體等物質中產生強烈的閃光，這種方法被用來對它們進行檢測。

2.8.3 熱釋光

   有些物質，特別是陶瓷製品，可能對電離輻射表現出一種特別的反應：那些非正常運動的失序電子在物質中穿過一定的距離後陷入亞穩定狀態，即一種高能量的狀態，但它不像其他高能量狀態那樣自動降回到較低能量的水平。然而它能夠通過把材料加熱的方法被誘導以光的形式退還能量。這種由熱產生的光信號叫作“熱釋光”。（腳註16）

   這種亞穩定狀態可以持續非常長的時間，這就是說它給那個物質一個曾經受到電離輻射的“記憶”。陶瓷材料相當緊密，因此不會輕易地被α-射線或β-射線穿透。中子和γ-射線能夠穿透陶瓷，但在這些射線中，只有γ-射線同電子發生有效的相互作用。因此，在實踐中，所有觀察到的熱釋光活動都可以歸因於γ-射線。

   一個很有意義的熱釋光應用就是對考古發掘出來的陶瓷進行年代的斷定。【46】一件新的陶器經過火燒將會清除粘土中先前積存的發光能量，這樣就“重新設置了時鐘”；在使用過程中在火上反覆加熱，起的也是同樣的作用。一旦它被埋入地下，不管怎樣，由於材料本身含有放射性同位素以及周圍土壤中的放射性同位素，例如鉀40，它的被抑制的熱釋光都會以一個穩定的速率增加。當這個陶器被發掘出來後，再次進行加熱時，它釋放出來的光的量將與撞擊它的γ-粒子的數量成正比例，也就是同它被掩埋所經歷的時間成正比例。

   在這種方法應用於最新製造的瓷磚和磚塊時，這種由天然射線產生的光在背景中理所當然的是微不足道的。在一份從廣島和長崎採集的樣品中，顯現出來的絕大部分信號都來自炸彈爆炸時γ-射線的強烈閃光。我們將在第五章中討論這類實驗研究。

2.8.4 質譜分析法

   這種方法並不是測量輻射本身，但它能用來確定樣品中放射性核素的存在和豐度。顧名思義，質譜分析法就是根據原子的質量對原子進行簡單的區分，或者在其他應用中區分分子；因此，它能夠用來區分穩定的和不穩定的核素。這種方法需要把所有的原子都轉化成單離子，然後在電場中進行加速；它必須克服慣性，這種慣性與物質的質量是成正比例的；因此在兩個質量不同而電荷相等的原子之間，較輕的原子將比較重的原子先到達檢測器。（腳註17）

   質譜分析法的功能非常強，而且用途廣泛；儘管如此，它還是不能完全替代輻射計量。為了理解這兩種方法各自的優點，就要考慮到在截然不同的時間範圍里放射性核素的衰變。（見2.3.1節）在鈾235的裂變產物中，有一種短命的核素是碘131，它的半衰期只有8天，而長壽的核素碘129的半衰期卻長達1 600萬年。（二者都是碘的同位素。）

    假設我們有一個含有1ppm（百萬分之一）碘131的樣品，其餘成分是碘129，質譜分析法就會簡單地計算出它們在任何一個設定的時刻的原子核，立即向我們顯示出真實的豐度——我們的樣品中，碘131的微小比重很可能由於干擾而被忽略。另一方面，如果我們用的是輻射計量，碘131的非常短命則意味着在測量的那段時間裡，它又有更多的原子會衰變——實際上，在這種情況下，它的信號會比碘129的信號強700多倍；採用的樣品量小，我們就可能完全忽略碘129 。這種效果並不罕見，例如，為了測量土壤樣品中的鈾的同位素，對於比較短命的鈾234，輻射計量是首選方法，而質譜分析法更適合計量長壽命的鈾235或鈾236 。

【腳註】

16，打一個簡單的比方：一台彈球機，活塞就是電離粒子，球就是電子。當你拉動活塞然後鬆開，球就獲得了能量，開始滾動。大多數情況是球一直滾到出口，但有時球可能撞到途中某個障礙物上。為了使球再滾動起來，你必須拍打球桌補充一些活動能量。用熱釋光法，就是熱能產生的衝撞力使陷入亞穩定狀態的電子得以解脫。

17，這就是最容易理解的飛行時間（TOF）模式中的分離原理；不過質譜分析法還有其他操作模式。