纯紫外辐照器的研制毕业论文.docx

目 录纯紫外辐照器的研制毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII1辐照器综述11.1辐照器概述11.1.1伽玛射线辐照装置11.1.2电子加速器辐照装置21.2辐照器的应用41.2.1辐照交联41.2.2辐照固化41.2.3辐照硫化41.2.4辐照降解51.2.5辐照接枝改性51.3电子加速器辐照装置的发展历程51.3.1国外电子加速器辐照装置的发展历程51.3.2我国电子加速器辐照装置的发展历程61.4纯紫外辐照器的研究背景61.5纯紫外辐照器的研究意义72热释光原理及应用92.1热释光原理92.2热释光应用102.2.1 辐射剂量学102.2.2 地质学102.3古陶瓷年龄测定102.4固体缺陷分析112.5石油勘探112.6其它应用113分光原理123.1光栅分光原理123.2石英阿贝棱镜分光原理134辐照系统设计原理154.1光栅分光辐照系统设计原理154.2石英阿贝棱镜分光辐照系统设计原理165辐照效果检测176结论19鸣 谢20参考文献211 辐照器综述1.1 辐照器概述辐照装置，是利用放射性元素的辐射去改变分子结构的一种化工技术。辐照装置常用辐射源有三大类：放射性同位素源、电子加速器和反应堆。目前辐照装置有两种：一种是伽玛射线辐照装置（如图1），一种是电子加速器辐照装置（分为X线辐照装置和电子线辐照装置，主要是电子线辐照装置，如图2）。本文所研制的纯紫外辐照器就属于电子加速器装置的一种。1.1.1 伽玛射线辐照装置利用钴60(60Co)或铯137(137Cs)产生的具有强穿透能力的光子束进行各种辐照处理的设备，称为辐照装置或源装置。60Co源是使用最普遍的放射源，137Cs因其射线能量较低，所以在辐射处理工业中使用较少源装置可用于科学研究、医学、工业等，其在工业中用于探伤或流水线的自动控制。因为射线容易造成生物体细胞内的DNA断裂进而引起细胞突变、造血功能缺失、癌症等疾病，对细胞有杀伤力，所以医学上的源装置一般用于治疗肿瘤，而且在使用射线辐照装置必须要做好防护措施。图1所示为一种使用Co-60放射源的典型的大型辐照装置。一般可分为三大部分：放射源屏蔽室，辐照室，控制室。辐照源在未使用情况下置于屏蔽于水池，放射源通过钢索与传动装置连接。一般屏蔽水池在辐照室的下方。被照物品放置在辐照室。当有物品需要辐照时，由工作人员控制，物品由传送带进入辐照装置，也可由工作人员在确定放射源安全屏蔽后，将被辐照物品在辐照室内放好。确定所有的工作人员离开了辐照室，并关好辐照室的防护门后，在控制室操作，将将放射源起吊，源露出水池时物品即马上开始被辐照。辐照结束后，操作人员要在控制室操作将放射源下降到屏蔽水池内，然后打开辐照室的屏蔽门，工作人员进入辐照室将货物或物品搬出，或将物品通过传送带运出。而后工作人员离开辐照室，关好辐照室的屏蔽门，辐照结束。显然，这种辐照器是一种大型的设施。一般放射源的活度在数百居里以上，辐照室的面积较大，一般在数十平米以上。由于伽马射线的穿透能力很强，可对器具进行彻底灭菌。这种辐照装置常用于一些医疗器械、一次性塑料用品、食品和一次性餐具等的灭菌处理。图1.用于工业的射线辐照装置1.1.2 电子加速器辐照装置电子加速器是利用电磁场获得高能电子射线或转变成 X射线的装置。它是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。下面以DG系列中频变压器型工业电子加速器中的DG-1.2型电子加速器为例简单介绍电子加速器的工作原理，其主体结构图如图3（初级线圈、高压芯柱、加速管和高压电极安放在充有0.8 MPa SF6绝缘气体的密闭容器内，从而沿着高压芯柱可以获得较高的电气强度；加速管同心地安装在高压芯柱中，电子枪置于加速管顶部。）。其基本工作原理是：电子束从电子枪阴极发射，通过加速管中的高压电场获得加速，最终从扫描引出装置出射到大气中；辐照样品经过传动系统被传送到扫描窗下进行辐照加工。这种辐照器不需要特别的放射源屏蔽池。因为辐照源在需要辐照的时候才开启，不通电的时候，装置不会产生电离辐射。如图2所示，辐照源在上方，下方是辐照室，辐照室内的物品通过传送带运送。当物品经过辐照源的下方时接受辐照，辐照结束后，被传送带运出辐照室。图2.安装在屏蔽室内的电子加速器辐照装置图3. DG12型主体结构图1）顶盖，2）高压屏蔽面，3）高压电极，4）电子枪，5）加速管，6）整流单元，7）能源分配器，8）初级绕组终端，9）初级线圈10）容器，11）聚焦透镜，12）真空泵，13）真空计，14）真空闸阀，15,16）扫描线圈，17）提取装置，18）提取窗口1.2 辐照器的应用1.2.1 辐照交联20世纪50年代初发现聚乙烯经辐照交联可以提高其性能以后，这一方法引起了广泛的重视，目前已成为高分子改性的重要手段。辐照交联是一种利用各种辐射引发聚合物高分子长链之间的交联反应的技术手段。辐照交联可采用 X射线、钴60、静电加速器和大功率电子直线加速器等作为辐照源。辐射交联已经作为一项产业化技术被广泛用于电线电缆及汽车、家电、飞机、航天等电子设备线路，因为经过电子射线辐照后，电线电缆的外皮材料聚乙烯或聚氯乙烯发生交联反应，可使材料的绝缘性、耐热性、抗化学腐蚀、抗老化及机械强度等都得到明显改善。辐射交联技术应用的另一种重要产品是热收缩材料。它是通过电子射线辐射交联聚乙烯等高分子材料，然后加热使其扩张，再经过冷却定型，当重新加热到熔点以上时，热缩材料又重新收缩到未扩张前的状态，它这种可收缩的形状记忆特性可以利用于电线电缆接头以及管道防腐。1.2.2 辐照固化辐照固化是一种借助于能量照射实现化学配方（涂料、油墨和胶粘剂）由液态转化为固态的加工过程。辐照固化技术的实用化可以追溯到上世纪60年代，当时德国推出了第一代UV涂料，在木器涂装工业上得到初步应用。随着时代的发展，辐照固化技术逐步由单一的木材基材扩展至纸张、各种塑料、金属、石材，甚至水泥制品、织物、皮革等基材的涂装应用。加工产品的外观也由最初的高光型，发展到亚光型、珠光型、烫金型、纹理型等。辐照固化涂料是利用中、短波（300-400nm）UV光的辐射能量引发含活性官能团的高分子材料（树脂）聚合成不溶不熔的固体涂膜的涂料品种。辐照固化与传统的化学固化比较，具有无污染、能耗低、速度快、品质均一等优点。而且辐照固化不使用化学溶剂不会造成污染，是一种环保型固化方法。目前辐照固化应用比较成熟的领域有纸张、磁带、陶瓷、金属等产品的表面处理。1.2.3 辐照硫化 辐照硫化是指天然胶乳或橡胶在电子射线作用下可发生交联反应，这一过程与橡胶硫化的过程相类似。在辐照硫化的过程中不需要添加硫化剂和促进剂等加工助剂，同时与传统的化学热硫化方法相比较，避免了交联剂在橡胶基材内部分布不均导致的交联不均匀，同时也避免了温度梯度影响导致的材料性能下降。目前天然橡胶乳液辐照硫化(RVNRL)制品1(如医用乳胶手套、安全套、奶嘴和汽球等)在价格和质量上都可与化学硫化的天然橡胶制品竞争，并且在环境保护和卫生安全方面具有显著优势，可以满足现代人们对天然乳胶制品的卫生安全和生产环保方面的要求。1.2.4 辐照降解高分子聚合物在高能电子电离作用下，其分子结构发生主链断裂，称为辐照降解。经过辐照降解后，聚合物在溶剂中的溶解度增加，而相应的热稳定性、机械性能降低。 聚合物的辐照降解是无规律降解，主链断裂后呈无规律分布，主链的每一断裂都形成较小的非均等的大分子，从而导致平均分子量的减少和分子量分布的变化，很少会出现端基断裂和单体分子的生成。与辐照交联样辐照降解同样具有工业应用价值，如辐照降解型废塑料的处理和橡胶的辐照再生利用。聚四氟乙烯废料及加工后的边角料经辐照降解处理后，再经粉碎得到的超细粉可用作各种润滑剂及耐磨改进剂使用。1.2.5 辐照接枝改性辐照接枝是通过对某种聚合物进行辐照，使其产生自由基活性点，进而引发另一种单体进行接枝聚合，形成接枝共聚物，从而改变聚合物的特性。辐照接枝技术是应用广泛的一种高分子粉碎改性方法。通过辐照接枝能够研制出各种性能优异的新型高分子材料，或通过辐照改善原有材料的性能。辐照接枝是通过射线辐照引发的，不需要向体系添加引发剂，因此接枝聚合物非常纯，完全符合医用高分子材料的要求。经过辐照接枝改性后，聚乙烯以及聚丙烯类高分子材料，可以得到如离子交换树脂、共混增容剂等更有价值的新材料。聚乙烯表面通过辐照接枝上极性分子，可以改善其表面亲水性，使材料在粘接、印刷及涂装过程中的加工性能得到改善。在天然纤维或丝绸上接枝丙烯酰胺或丙烯类单体，可有效改善织物的表面性能，提高其抗皱性。天然橡胶通过接枝改性，再制备粉末橡胶的研究已取得一定进展进展，改性后的粉末橡胶可作为增韧剂和增容剂，用于工程塑料的增韧等方面。1.3 电子加速器辐照装置的发展历程1.3.1 国外电子加速器辐照装置的发展历程1932年，英国科学家柯克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿建成了世界上第一台直流加速器直流高压加速器。1932年，美国科学家劳伦斯建成了回旋加速器，通过它获得了人工放射性同位素。1933年，美国科学家范德格拉夫发明了静电加速器。这两种加速器都属于直流高压型，能量最高只能到10MeV。1940年，世界上第一个电子感应加速器诞生，其能量可以达到100MeV。1952年，柯隆李温斯顿和史耐德发表了强聚焦原理的论文，使加速器能够获得更高的能量。在这之后，在环形或直线加速器中强聚焦原理被普遍采用。1960年陶歇克首次提出了采取两束加速粒子对撞的方式，用于高能反应或新粒子的产生，并通过对掩机上的实验验证了这一原理。目前全世界已建成1300多台电子辐照加速器。美国、俄罗斯、日本、法国、比利时等多个国家都已能够生产电子辐照加速器。国外辐射加工产业的电子辐照加速器发展主要有以下特点：(1)电子辐照加速器装置在数量上大幅度增加的同时，产品质量在不断提升，其结构更紧凑，易操作，维修更方便，并且长期运行后其稳定性、可靠性以及智能化水平等都有明显的提高；(2)电子辐照加速器向高能段和低能段延伸，高频高压加速器（地那米电子加速器）从500kV至55MeV、60-100mA；梅花瓣（Rhodotron）型电子加速器(能量10MeV、功率500700kW)已进入市场；(3)新型电子辐照加速器研发成功。法国帕莱索技术研究所成功研发桌面型电子加速器；美国RPC公司成功研制全新型“宽束机”多灯丝电子帘加速器；俄罗斯成功地研发出EA101O型环形电子加速器（能量5-10MeV，电子束流5-10mA，束功率25100kW）。1.3.2 我国电子加速器辐照装置的发展历程目前我国主要的电子加速器研制以及生产单位已超过10家，电子加速器生产有了长足的进步。以下列举几家研制以及生产单位：上海应用物理研究所，主要产品有以下3种：1)EBS-300-15 电子帘加速器,能量03MeV，电子束流50mA，应用于橡胶硫化和表面固化等领域。2)DGB-0.8 烟气脱硫脱硝电子加速器，最高能量0.8MeV，电子束流300mA，扫描宽度2000mm，应用于水处理和燃煤烟气脱硫脱硝。3）高频高压（地那米）电子加速器能量1.5-5.0MeV，电子束流20-40mA，扫描宽度900-1200mm，广泛应用于电线电缆和热缩材料辐射交联，以及食品保鲜、医疗用品消毒、海关检疫等领域。江苏达胜加速器制造有限公司，其主要生产高频高压加速器，能量范围1.5-4.0MeV，电子束流30-60mA，应用于电线电缆、热缩材料、发泡片材、电子元件等领域。中国原子能科学研究院，主要产品有以下3种：1)自屏蔽式电子束灭菌加速器，能量为2-2.5MeV，平均束功率大于1.0Kw，具有自屏蔽、体积小、重量轻、生动化程度高、工作稳定的特点，能灭杀邮件中的生物细菌，还可用于食品保鲜和医疗用品的辐射消毒灭菌等。2)工业无损探伤直线电子加速器，能量2-9MeV，转换成 X 射线后探伤范围达38380mm，广泛应用于工业无损探伤。3)高能大功率电子加速器，最高能量达10MeV，功率达到15kw，可广泛应用于医疗用品消毒、食品保鲜、海关检疫等领域。2004年，无锡爱邦辐射技术有限公司组建了爱邦加速器研究所，开始研发适应市场需求的新型高频高压（地那米）电子加速器。现有0.5MeV、0.8MeV、1.0MeV、1.5MeV、2.0MeV、2.5MeV、3.0MeV、4.0MeV等九种型号的高频高压(地那米)电子加速器。1.4 纯紫外辐照器的研究背景 紫外线的发现与观察到银盐在阳光下变暗有关。在1801，德国物理学家约翰威廉特制作标志观察可见光谱的紫色线末端之外看不见的光线，对照亮浸泡氯化银的纸张特别有效。他称之为氧化光以强调是化学反应，并将它们与可见光谱另一端的热射线区别开来。不久之后，这个名词简化为化学光的，并且在整个19世纪都是广为人知的名词。化学光和热射线这两个名词，最后分别改成紫外线和红外线辐射2。1893年，德国物理学家维克托舒曼发现低于200纳米的紫外线辐射会被空气强烈的吸收，因此称之为真空紫外线3。 紫外光是波长比可见光短，但比X射线长的电磁辐射。紫外光在电磁波谱中范围波长为10-400nm。这个范围内开始于可见光的短波极限，而与长波X射线的波长相重叠。紫外光被划分为A 射线、B 射线和C 射线(简称UVA、UVB 和UVC)，波长范围分别为400-315nm，315-280nm，280-190nm。紫外线最早是应用于消毒，这是紫外线最常见的用途，由于紫外线对于生物有较强的杀伤力，因此人类就用它来消灭细菌、病毒，人们也常利用阳光来杀菌，也因为它的强杀伤力，所以它也是物理致癌因子之一，所以使用时应注意防护。紫外线的穿透能力差，一般的普通玻璃就可以阻挡。现其应用领域已相当广泛：1）鉴定与透视，由于紫外线比一般的可见光更具有穿透能力，所以科学家也常以紫外线来进行透视或鉴定的工作（就像用X光进行健康检查一样）。例如利用紫外线来检查金属上细微的裂缝、图画的真伪、食品安全，甚至于在探索太空时，紫外线都可以派上用场。2）健康与医疗，受到过量的紫外线曝晒会造成人体的伤害，但是适当的日照却可以帮助人体合成维生素D。近来医学上更发现，照射适量的A光或是B光还可以治疗干癣、白斑等皮肤病变，让病患不再“皮痒”。不过这种“光照治疗”只能在医师的指示下进行，因为照射过量，可能会对某些人造成副作用或是永久的伤害。4）为昆虫指路，由于每一种生物所能够接收的光频率范围不同，所以有些动物要靠紫外线才能找到路或看清楚物体。例如蜜蜂在需找花蜜、为花朵传粉时，也必须藉助于紫外线。此外，紫外线也能协助植物进行光合作用。5）固化胶水或涂料，用紫外光辐照胶水和涂料可以让胶水或涂料由液态转为固态，比一般的化学固化更环保而且速度更快。但目前为止比较纯净的方便的且照度较大的紫外光源能暂时没有。1.5 纯紫外辐照器的研究意义在一些特殊的场合中，人们需要较纯净的紫外线辐照。例如在胶水固化领域：胶水在粘合一些固体高分子时，光源所发出的大量的可见光和红外线易导致高分子的温升，从而引起固体高分子物理或化学特性的变化，而导致粘合成品质量下降；纯紫外光在热释光和光释光测量材料中电子陷阱的过程中也具有一定的研究价值，但是光源所发出的可见光和红外线容易导致某些光敏感材料的热释光和光释光晒退，从而影响测量的准确性，所以人们希望能找到一些较纯净的强紫外辐照光源。一般的气体光源如低压汞灯，除了会发出较强的紫外线外，还有很强的可见光和红外线成分；紫外的半导体二极管（LED）可以发出纯净的紫外辐射，但紫外半导体二极管芯片技术尚处于刚起步阶段，这类LED芯片目前还十分昂贵，且发光效率较低，性价比较低。本研制目的在于提供一种性价比高的，并可以让人们很方便地用于一些特殊的生产和研究领域的较纯净的强紫外辐照光源。在研制初期，本研制曾试图用紫外的半导体二极管（LED）来实现，但碍于紫外半导体芯片技术目前尚不成熟，不但价格昂贵，发光效率也达不到实验要求，目前许多实用的LED阵列波长限制在365纳米，但LED在365nm的效率大约只有5-8%，在波长395nm处接近20%，而在较长波长的紫外线上才有较好的效率。因而本文选用了可发出较强紫外线的气体放点光源譬如高压汞蒸汽灯。气体放电光源是紫外辐射源迄今的主要形式，其电弧单位长度功率从0.1W/cm到400W/cm，辐射光谱范围覆盖了整个紫外区域，效率最高达60%，是LED的15倍左右。这类紫外辐射源中，电子在约为1V/cm到100V/cm的空气中的电场中加速，然后产生激发和电离，最后通过能级跃迁，辐射出紫外能量。但是这种光源中依然包含有可见光和红外线成分，只要利用分光器件如反射光栅、阿贝棱镜等，将紫外线与其他光如可见光和红外线分开，而后用光阑将紫外线导出，这样便可得到较理想的纯净且照度较强的紫外线的气体光源（紫外线的强度可以从Al2O3；LiF:Mg、Ti等样本在不同长度的时间被纯紫外线辐照后的测得的受热发光曲线中看出）。通过上述的方法，紫外线便可方便的用作辐照光源。2 热释光原理及应用2.1热释光原理目前，核能和核技术的开发与利用已成为当代科学技术发展的重要标志之一。随着我国核能利用的日益发展，放射性同位素的广泛应用，辐射剂量的监测成为了核能和放射同位素应用中的一个不可缺少的组成部分。热释光和光释光是辐射剂量监测的很重要的手段，随着这科技的快速发展，热释光和光释光逐渐发展成为观测材料中电子陷阱的重要手段。热释光是指晶体被射线或者高能粒子辐照后积蓄能量，在受热时所积蓄的能量以光的形式释放出来即受热放光的一种物理现象。利用能带理论可以很好地解释这种现象（如图4）。在绝对零度时，理想绝缘体价带的能带全部被电子填满，而导带全空。一般情况下，价带电子没有足够的能量跃迁到导带，材料中没有可自由移动的电荷，呈现绝缘特性。但实际晶体中都存在杂质原子、原子或离子空位以及结构错位等，这些存在会造成缺陷，从而破坏晶体的电中性，其形成的局部电荷中心吸引和束缚导电性的电荷粒子，在带隙中形成一些孤立的局部能级，即局域能级。靠近导带下的局部能级会吸附电子，这些能级即电子陷阱，而靠近价带上的局部能级会产生空穴，即激活能级。未受辐照时，电子陷阱是全空的，而激活能级填满电子。当受到辐照时，价带或者说激发能级中的电子受激发跃迁到导带成为自由电子，而激发能级产生空穴，晶体具有一定的导电性。价带电子跃迁到导带成为自由电子，在导带下的陷阱会将这些自由电子俘获，即晶体积蓄能量。当晶体受到升温加热时，被陷阱俘获的不同的电子在受热到不同程度时分别获得各自所需能量而纷纷摆脱陷阱的束缚，释放回导带，从而产生复合发光的现象，最后跃回激发能级。晶体吸收辐射剂量后，被俘获的电子填充局域能级，并随吸收剂量增加而增加，使热释光发光量增加。另一方面，晶体从环境吸收的热能通过热激发使被俘获电子数目逐渐减小。热释光强度为二者竞争的结果。该性质使热释光广泛用于剂量学、地质学、医学等领域。图4.热释光能带模型Ec导带底，Ev价带顶，Ef费米能级箭头为移动过程，实心圆为电子，空心圆为空穴，曲线箭头表示发光2.2热释光应用20世纪50 年代，美国Wisconsin大学的Daniels将材料的热释光特性用于辐射剂量的测量。最初使用的氟化锂（LiF）热释光材料具有很高的灵敏度,但是其热释光性能不稳定。后来，研究人员相继开发了具有更优异热释光性能的LiF:Mg, Ti和LiF:Mg, Cu, P，目前氟化锂系列材料仍是热释光剂量学上应用最广泛的材料。随着科研和生活的需要,对热释光剂量学材料的要求(如较宽的线性剂量响应范围、高灵敏度、重复使用性好等)逐渐提高，研究人员又开发了CaSO4:Mn, CaF2:Mn, Li2B4O7:Cu, MgSiO4等新型热释光材料。一定温度下，很多材料都有较强的热释光，在一定剂量范围内其光强正比或近似正比于所吸收的辐射能量，因此热释光可用于测量辐射剂量。随着人们对它认识的不断加深，其应用领域也在不断拓宽，从最初的剂量领域、年代测定领域到现在的医学领域，生物领域等。2.2.1 辐射剂量学比较多的材料在一定温度下是都有很强的热释光，在一定剂量范围内，其光强与所吸收的辐射能量成正比或近似正比，使热释光可用于测量辐射剂量。l953年，用LiF测量原子弹武器爆炸后的辐射剂量，首次成功将热释光技术用于辐射剂量学。后来发现CaSO 也是很好的辐射剂量测量材料。2.2.2 地质学Daniels等认为在其研究的8000多种天然矿物中，可测到天然热释光的约75。某些矿物的发光曲线随产地不同而变化，此发现让热释光技术在矿物资源产地的识别中得到广泛的应用。同样的原理，热释光同样可以用于对陨石和月球物质的研究，利用辐射填充陷阱及其热释放间的平衡关系，可以测算出陨石在太空时与太阳的距离。2.3古陶瓷年龄测定l960年Kennedy和Knopff第一次报道古陶瓷的热释光现象，如今热释光已广泛用于古陶瓷年代鉴定。陶瓷在烧制时受热，因高温原始的热释光能量全部释放，此后陶瓷重新被粘土及周围环境中放射性元素及天然射线辐照，积蓄了新的热释光能量，由于自然环境中放射性剂量相对恒定，因此热释光强度和受辐射时间成正比，从而可计算出其年代。在我国，上海博物馆从l975年就开始研究古陶瓷热释光测定年代，中国社会科学院考古研究、北京大学考古系、上海硅酸盐研究所等国内众多研究机构和学校都从事了相关的研究工作。2.4固体缺陷分析固体缺陷的浓度、焓及相关参数，通常是通过研究离子运动来确定的，如离子的电导率和缺陷的相互作用等。这类测量需要很多其它实验配合，如吸收光谱、杂质的分布等。原则上，热释光可以测出绝缘体或半导体各种缺陷的有用信息。Wiedemann和Schmidt发现热释光对样品中极微量杂质特别灵敏，目前该技术已用于测缺陷能级的存在。2.5石油勘探通常在同一油田的同一地层中，寿命基本一致，放射性元素分布大致均匀，因此在同一地层不同位置的热释光响应大致一样。但油气水的运移会使油气藏上方的放射性元素局部富集或贫化，地表环境辐射也随之变化，且随时间的推移而强化，根据这个原理，因此可以李用热释光测出长期以来地表环境辐射造成的累加影响，即可分析出油水边界的地表投影线位置和地下油气藏的分布趋势。2.6 其它应用近几年来，热释光又发展出了几个新的应用领域，例如在生物学中，采用这种术可研究DNA基模拟体。还可以用来识别引起矿工肺病的粉尘粒子等。热释光还可以用于存储器件、法庭鉴别方法，甚至可以通过鉴定砖石来鉴定雷电的情况等。3 分光原理3.1光栅分光原理光栅是重要的光学元件，已广泛应用在单色仪、摄谱仪等光学仪器中。实际上，光栅就是有一组数目极多的等宽、等距和平行排列的狭缝的镜片。应用透射光工作的称为透射光栅，应用反射光工作的称为反射光栅。由于反射光栅没有色差，所以本研制选择使用反射光栅，而且其从红外到紫外的光谱区域内无吸收。反射光栅是指在光学玻璃或熔融石英的镜面上，镀上一层金属膜，并在镜面金属膜上刻划一系列平行等宽、等距的刻线，这种使白光反射，又能使光色散的光栅；按形状分为平面反射光栅和凹面反射光栅两种。光栅可以很好的将不同波长的光分离出来，分光原理如图5所示。5a.平面反射光栅 5b.透射光栅图5 分光光路图平面反射光栅分光原理：根据夫琅禾费理论，当光投射到光栅面时，则光被衍射后，衍射角都符合条件d（sinsin）=m（此方程对平面，凹面，反射和透射光栅都适用），式中、分别为入射角和衍射角，d为光栅常数，m为光谱级次，m0，1，2，。角规定为正值，如果角与角在光栅法线同侧，角取正值，异侧取负值。当m0时，即零级光谱，衍射角与波长无关，即无分光作用。对于相同的光谱级数m，以同样的入射角投射到光栅上的由不同波长1、2、3.组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角出射。这就说明，对于给定的光栅，不同波长的同一级主级大或次级大（构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线）都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开（如图5a）。透射光栅分光原理：复合光经光栅衍射后彼此被分开（如图5b），在衍射角=0的方向上可以现察到中央极强，称为零级谱线，其它级数的谱线对称地分布在零级谱线的两侧，如图2b所示。如果光源中包含n种不同的波长，则同一级谱线对不同波长又将有不同衍射角，从而在不同的地方形成单色光线，此为分光过程。由公式d（sinsin）=m只要知道入射角、光栅的狭缝间距d、级数m以及波长就可以计算出紫外光的出射角，只要光栅的角度配合所选择的紫外光的出射角调好，可见光和红外线将被涂黑的金属外壳吸收，而被选择的紫外光则可通过光阑出射辐照物件。3.2石英阿贝棱镜分光原理 除了光栅分光，还可以用石英阿贝棱镜分光。不同波长的光在不同材料中的折射率不同，有些材料的折射率相对于其他材料具有更强大的波长色散。透明石英是一种很好的紫外光学材料，它对波长大于190nm的紫外光几乎是透明的。使用石英玻璃制作的阿贝棱镜，可以选择性的使一定波长的紫外线保持恒定的90 o偏转，而可见光和红外线的偏转小于90 o。可见光和红外线将被涂黑的金属外壳吸收，被选择的紫外光则可通过光阑出射辐照物件。分光原理如图6所示。图6. 混合光经阿贝棱镜后的分光示意图。图中黑色细线表示紫外线，蓝色细线表示可见光，红色细线表示红外线，蓝色粗线表示混合光。假定入射光线的入射角为时，被选择的紫外线以折射角30o进入阿贝棱镜内，光线被棱镜面3反射后，在棱镜面4上的入射角也是30o，这样被选择的紫外线在棱镜面4上的折射角正好也为。由于阿贝棱镜面1和面4是相互垂直的，所以，被选择的紫外线的偏向角也正好为90 o。为此，阿贝棱镜也称为恒偏棱镜。入射光的入射角为时，由于不同波长的光其折射率不同，可见光和红外线的折射率小于被选择的紫外线的折射率，因此它们在棱镜面1上的折射角小于30o。将此折射角记为。由反射定律可知，光线经棱镜面2反射后入射到棱镜面4上的入射角为，因此棱镜面4上的折射角不再是。也就是说，可见光和红外线经阿贝棱镜后的偏向角不再是90o。典型波长的光的偏向角数据如表1。表1. 典型波长的光经棱镜的偏向数据(计算值)初始入射角/度波长/m折射率第一折射角/度第二入射角/度第二折射角/度偏向角/度48.810.2541.50530.0030.0048.8190.0048.810.2801.49430.2429.5147.3991.4248.810.4051.47030.7928.4244.3994.4148.810.7001.45631.1227.7642.7096.1048.810.9001.45231.2127.5742.2296.58表1中的第一折射角是指在阿贝棱镜面1上的折射角，从棱镜面1折射的光入射到棱镜面3上时，由于入射角都不小于45o，在棱镜3面上发生全反射。第二入射角是指从棱镜面3上全反射的光入射到棱镜面4上的入射角；第二折射角是指从棱镜面4上出射光的折射角。偏向角是指光线经棱镜后，出射光偏离入射光的夹角。由表1可知，波长为254nm左右的紫外光以90o偏向角穿出棱镜，波长大于280nm的紫外光、可见光和红外线，都偏离90o达1度以上。波长越长，偏向角越大。4 辐照系统设计原理4.1光栅分光辐照系统设计原理 第三章中讲述了光栅的分光原理，利用光栅，如图8制作成本研制的分光系统，图7为本研制辐照系统示意图，其具体的工作原理如下附图说明：图7图8 纯紫外辐照器示意图1）灯体、2）驱动电路、3、8）聚光透镜、4、9）光阑、5、10）外壳、6反射光栅，7）反射镜接通电源，气体光源1发光，光被聚光透镜3会聚反射后从光阑4进入分光系统，经过反射光栅6时被分光，然后反射到聚光透镜8会聚反射到反射镜7，适当的调节反射光栅6的角度位置，即可使波长为254nm的紫外光正好从出射光阑射出，调节出射端的聚光透镜8和平面反射镜7可使出射的紫外光聚焦于需要辐照的位置。可见光和红外线由于偏离较大，不能由出射光阑射出，而被内壁涂黑的光阑和金属外壳吸收，不会影响辐照对象。4.2石英阿贝棱镜分光辐照系统设计原理利用石英阿贝棱镜设计如图9的纯紫外辐照器。辐照系统的原理：气体光源被反光镜反射，经聚光透镜会聚由光阑入射到阿贝棱镜。适当的调节棱镜位置调节盘，可使254nm的紫外光正好从出射光阑射出。调节出射端的聚光透镜可使出射的紫外光聚焦于需要辐照的位置，可见光和红外线由于偏离较大，不能由出射光阑射出，而被内壁涂黑的光阑和金属外壳吸收，不会影响辐照对象。图9. 纯紫外辐照器示意图根据一般辐照的要求，出射光阑的开口尺寸需在1cm范围内可调，因此入射光阑的开口尺寸也需在1cm范围内可调。由于可见光和红外线经棱镜折射偏离254nm的紫外线都在2o以上，经计算可知，阿贝棱镜至出射光阑的长度大于30cm即可。由于聚光透镜和阿贝棱镜都采用透明石英玻璃为材质，可以很好的透过紫外线，紫外线的强度减弱很小，但可以有效的除去可见光和红外线的影响。5 辐照效果检测20世纪90年代，Akselrod等4采用提拉法生长了一种优良的新型Al2O3掺杂的热释光材料Al2O3: C晶体。一系列的研究表明5：Al2O3:C晶体具有灵敏度高（相同条件下是LiF:Mg,Ti的40-60倍）、对辐射敏感、光释光效率高等诸多优点6。因此Al2O3: C 晶体是极具应用潜质的热释光和光释光材料。目前，美国Landauer公司研制生产的 Al2O3: C热释光和光释光剂量计已经在欧美广泛使用。Al2O3: C既是很好的热释光剂量计，也是目前最好的光释光剂量计。由于它对光很敏感，其用作热释光剂量计时，甚至不必退火而采用晒退的方式代替退火7。因此，本文采用Al2O3: C检验辐照器的效果，并使用了LiF:Mg,Ti作为对比，实验结果证明，Al2O3: C检验出来的效果要比LiF:Mg,Ti好。取重约0.2mg的Al2O3: C小晶粒，用低压汞灯直接照射一段时间后，用Harshow2000测量晶粒的热释光。典型的热释光发光曲线见图10a。用图8或图9所示的辐照器（光源为相同的低压汞灯）辐照一段时间后，测量所得典型热释光曲线如图1-b。由图可见，所测热释光线型和发光峰温与文献8910基本一致。10a. 低压汞灯直接辐照 10b.低压汞灯的纯紫外线辐照图10. 经紫外辐照后，Al2O3:C的热释光同样的方法，取LiF:Mg,Ti热释光剂量片用紫外辐照器辐照一段时间后，用Harshow2000测量，所得到的热释光曲线如图11。图中已经标出了对应的辐照时间从图中可以看出，辐照器辐照LiF:Mg,Ti剂量片100s时，热释光峰值约为33000；但辐照器辐照Al2O3: C剂量片60S以上，其热释光峰值就超过了40000。因此，可以说，Al2O3: C的热释光紫外响应比LiF:Mg,Ti剂量片响应更为灵敏。由于Al2O3: C的热释光容易被光晒退，低压汞灯在254nm附近有较强的热释光，但也有部分可见光。当直接用低压汞灯照射时，一方面紫外线会在晶粒中累积辐照剂量，另一方面可见光会晒退部分热释光。图11. 低压汞灯直接辐照，LiF:Mg,Ti的热释光将辐照时间与Al2O3:C热释光峰值之间的关系做出来，得到图12。图中的圆点表示剂量片直接被低压汞灯辐照后，测量到的峰值热释光与辐照时间的关系；图中的三角形表示剂量片被纯紫外辐照器辐照后，测量到的热释光峰值与辐照时间之间的关系。从图中可以看出，后者的线性较好。将低压汞灯通过阿贝棱镜分光系统后，紫外线的强度虽然有所减弱，但由于没有可见光的影响，可避免热释光的光晒退。从图12中可以看出，分光后的纯紫外线辐照的热释光与辐照时间有很好线性关系，低压汞灯直接辐照的热释光强度并不随辐照时间的延长而有所增加，但增加不如纯紫外辐照器随时间的增加而增加那么显著。图12. 热释光峰值与辐照时间的关系同样辐照60S时，纯紫外照射的热释光显著低于低压汞灯直接辐照所产生的热释光。这是因为：纯紫外辐照器的紫外辐照源是由低压汞灯所分出来的紫外光，在分光过程中，不是所有的紫外光都能从辐照器中射出，少量的紫外线在分光过程中被损失了。因此，在辐照时间不太长时，纯紫外照射的热释光显著低于低压汞灯直接辐照所产生的热释光。但随着辐照时间的延长，纯紫外照射的热释光逐渐会高于低压汞灯直接辐照所产生的热释光。这是由于低压汞灯发出的光中，由较强的紫外光成分，但同时也有一定强度的可见光。可见光的照射将会使Al2O3:C的热释光晒退。由于可见光强度不算太高，所以随着辐照时间的延长，热释光强度也会有所增加，但增加不如纯紫外光照射的增加那么显著。由此可知，基于分光原理研制的纯紫外辐照器是成功的，特别适用于作为热释光测量的一种辅助装置。6 结论以光栅或阿贝棱镜分光原理研制了使用低压汞灯作为辐照源的纯紫外辐照器；用Al2O3: C和LiF:Mg,Ti热释光剂量计检验了纯紫外辐照器的辐照效果；结果表明该辐照器的确可使物品受到纯紫外线辐照，而不会受到可见光和红外的影响，具有一定的实用价值，廉价且实用。其应用领域较广泛的，例如印刷、医疗、卫生、生物生长、验钞、消毒杀菌、材料检测等等。特别的它适用于某些紫外辐射敏感材料的检测，可用作热释光测量的一种辅助装置。 20 参考文献1 M. Akuuchi，K. Radiation Vulcanization of Natural Rubber Latex. RCA Regional Training Course on Quality Control of RVNRL R. Jakarta: Center for Application of Isotopes and Radiation National Atomic Energy Agency, 1