再访广岛

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

第二章  第八节

2.8 电离辐射的测量

   为了查明和量化电离辐射，我们必须观察它与物质的一些相互作用；但这样做容易受到伤害，我们必须找到放大在这种相互作用中所产生的初始信号的方法。有几种不同的物理定理可以用来进行这种测量。

 2.8.1 电离

   这就是在电离室中进行观察。电离室是一个充满惰性气体的封闭空间，同时还有两个电极，电极之间施加高压。当一个电离粒子从这个空间穿过时，就会与气体的原子发生撞击，把电子击出它们的壳层。在这个强电场里，离子和电子分别被吸引到那两个相反的电极上，它们在电极上会发出电信号。这个信号的量级与生成的离子的数量是成正比例的；如上所述，这个数量根据电离粒子的类型和能量的不同而变化。

   接收到的信号到底是什么样的形式取决于实验的装置。如果电极之间维持初始的电压而不进行更新，那么每检测一次，离子和电子的脉冲都会使初始电压降低。这就是说测量值将是累计的——我们就会估算出生成了多少离子，但不是多少电离粒子。如果电压保持稳定，那么信号就是在每次电离之后将电压恢复到预设水平所需要的电流；由于这种恢复非常迅速，计算在一个特定的时间段里电离粒子的数量是可以做到的。

   尽管这与直觉是相反的，但这个信号可以通过减小真空室内的气压进行放大，低气压将会减少电离粒子与气体分子之间的撞击次数，这样离子和电子的数量就显示出来了；然而这些离子在向各自的电极前进时，在撞击其他气体原子之前速度加快，由于速度更大了，它们就会逐一地电离那些气体原子。总体效果就是带电粒子的级联扩散和由此而来的电子信号的放大。采用这种放大模式原则上有两种方式：

   *放大可能是有限度的，所以信号归根结底还是受由电离粒子直接产生的离子数和电子数的限制。然后信号将会保留电离粒子的性质和能量方面的信息。

   *放大有可能达到饱和——每一次都不管初始电离的强度，被同样放大到最大的范围。这将是最大程度的灵敏度，但在另一方面，却丧失了区别不同类型粒子的能力。这后一条原理被广泛地应用于盖革计数器中。

   这两种测试方式各有各的用途。一般来讲，灵敏度优良的计数设备往往比较简单，比较适合在现场使用。能够区分不同类型粒子的设备比较复杂，主要在实验室里使用。最重要的优点在于能根据粒子的能量区分和确认复杂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，也有核尘埃；图3.3显示的就是这样一个例子。

2.8.2 闪光

   与电离一样，这种物理效应也是从一个电离粒子与别的原子或分子撞击开始的。但是在闪光过程中，电子不是被击打得自由了，而是在其宿主粒子内瞬间被提升到更高的能量状态。当能量回落到它的初始水平时，它在撞击中获得的额外能量就以光的形式（一个光子）释放出来。这束光能够被聚焦到一个光电倍增管上并被量化；这个闪光的强度与闪光的原子或分子的数量成正比例，因此也与电离粒子的能量成正比例。γ-射线在诸如碘化钠晶体等物质中产生强烈的闪光，这种方法被用来对它们进行检测。

2.8.3 热释光

   有些物质，特别是陶瓷制品，可能对电离辐射表现出一种特别的反应：那些非正常运动的失序电子在物质中穿过一定的距离后陷入亚稳定状态，即一种高能量的状态，但它不像其他高能量状态那样自动降回到较低能量的水平。然而它能够通过把材料加热的方法被诱导以光的形式退还能量。这种由热产生的光信号叫作“热释光”。（脚注16）

   这种亚稳定状态可以持续非常长的时间，这就是说它给那个物质一个曾经受到电离辐射的“记忆”。陶瓷材料相当紧密，因此不会轻易地被α-射线或β-射线穿透。中子和γ-射线能够穿透陶瓷，但在这些射线中，只有γ-射线同电子发生有效的相互作用。因此，在实践中，所有观察到的热释光活动都可以归因于γ-射线。

   一个很有意义的热释光应用就是对考古发掘出来的陶瓷进行年代的断定。【46】一件新的陶器经过火烧将会清除粘土中先前积存的发光能量，这样就“重新设置了时钟”；在使用过程中在火上反复加热，起的也是同样的作用。一旦它被埋入地下，不管怎样，由于材料本身含有放射性同位素以及周围土壤中的放射性同位素，例如钾40，它的被抑制的热释光都会以一个稳定的速率增加。当这个陶器被发掘出来后，再次进行加热时，它释放出来的光的量将与撞击它的γ-粒子的数量成正比例，也就是同它被掩埋所经历的时间成正比例。

   在这种方法应用于最新制造的瓷砖和砖块时，这种由天然射线产生的光在背景中理所当然的是微不足道的。在一份从广岛和长崎采集的样品中，显现出来的绝大部分信号都来自炸弹爆炸时γ-射线的强烈闪光。我们将在第五章中讨论这类实验研究。

2.8.4 质谱分析法

   这种方法并不是测量辐射本身，但它能用来确定样品中放射性核素的存在和丰度。顾名思义，质谱分析法就是根据原子的质量对原子进行简单的区分，或者在其他应用中区分分子；因此，它能够用来区分稳定的和不稳定的核素。这种方法需要把所有的原子都转化成单离子，然后在电场中进行加速；它必须克服惯性，这种惯性与物质的质量是成正比例的；因此在两个质量不同而电荷相等的原子之间，较轻的原子将比较重的原子先到达检测器。（脚注17）

   质谱分析法的功能非常强，而且用途广泛；尽管如此，它还是不能完全替代辐射计量。为了理解这两种方法各自的优点，就要考虑到在截然不同的时间范围里放射性核素的衰变。（见2.3.1节）在铀235的裂变产物中，有一种短命的核素是碘131，它的半衰期只有8天，而长寿的核素碘129的半衰期却长达1 600万年。（二者都是碘的同位素。）

    假设我们有一个含有1ppm（百万分之一）碘131的样品，其余成分是碘129，质谱分析法就会简单地计算出它们在任何一个设定的时刻的原子核，立即向我们显示出真实的丰度——我们的样品中，碘131的微小比重很可能由于干扰而被忽略。另一方面，如果我们用的是辐射计量，碘131的非常短命则意味着在测量的那段时间里，它又有更多的原子会衰变——实际上，在这种情况下，它的信号会比碘129的信号强700多倍；采用的样品量小，我们就可能完全忽略碘129 。这种效果并不罕见，例如，为了测量土壤样品中的铀的同位素，对于比较短命的铀234，辐射计量是首选方法，而质谱分析法更适合计量长寿命的铀235或铀236 。

【脚注】

16，打一个简单的比方：一台弹球机，活塞就是电离粒子，球就是电子。当你拉动活塞然后松开，球就获得了能量，开始滚动。大多数情况是球一直滚到出口，但有时球可能撞到途中某个障碍物上。为了使球再滚动起来，你必须拍打球桌补充一些活动能量。用热释光法，就是热能产生的冲撞力使陷入亚稳定状态的电子得以解脱。

17，这就是最容易理解的飞行时间（TOF）模式中的分离原理；不过质谱分析法还有其他操作模式。