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再访广岛【41】 2023-11-21 08:08:20

再访广岛

 

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

 

第六章  第一节

 

6.1 T65D和DS86剂量测定方案中的中子剂量估算

 

  我们在前面已经讨论过了,一颗真正的原子弹应该释放γ-射线和中子辐射。罗伯特·威尔逊【72】所进行的研究可能是最早对广岛和长崎所释放的两种辐射形式的数量进行量化的尝试。注意,他几乎没有可以利用的物理数据(见4.1一节的引文),他尽量使提出的估计合理,但他提醒,推断的数据——特别是那些关于快中子的,特别是在生物效应方面非常重要的数据——“仅仅是猜测”。

   这个问题的实验研究始于1950年代晚期;这项研究工作产生了T65D剂量测定方案。【36】(另见第十一章)根据T65D,广岛的中子剂量比长崎的高许多,在广岛中子剂量中占总辐射剂量的很大部分,而在长崎γ-射线占主导地位。这是不同的炸弹设计的结果:长崎的炸弹含有大量的化学炸药,它的“轻”元素成分阻止中子比阻止γ-射线更有效;相反,广岛的炸弹外壳完全是由金属元素构成的,它的较重的原子轻而易举地减弱了γ-射线,而且比减弱中子多得多。

 

6.1.1  在原子弹试验中观察到的中子通量的传播

 

   许多与T65D剂量测定方案相关的实验研究都是与在美国进行的原子弹试验同时进行的。为了研究爆炸释放的中子的射程以及它们的通量,也就是中子撞击地面上一个指定区域的总量,在距爆炸中心不同的距离处安置了适当的检测器。这些检测器装有能够俘获中子的非放射性元素,因俘获将变得有放射性;(脚注1)从这样产生的放射性中,也可以推断出中子的通量来。而且,为了显示中子能量光谱,使用几种不同的前体元素,这些元素优先俘获不同能量的中子。

       

图6.1  在“典型的原子弹试验”中观察到的中子通量。数据源自奥克西耶著作【36】第16页的图2.2。

 

Fd d²(neutrons/cm²·m²/kT):Fd d²(中子/平方厘米·平方米/千吨);Distance from epicenter(m):离爆炸中心的距离(米)。Gold:金;Plutonium:钚;Neptunium:镎;Uranium:铀;Sulfur:硫。

所使用的不同的检测器装有能俘获不同能量中子的元素。金俘获最慢的中子;图示的依次是其他元素的能量阈值。详见正文。

 

   图6.1 描绘的就是奥克西耶【36】报告的这样一些检测结果。在这幅图中,是按方程式2.11的数据绘制的,修正了从爆炸中心发散的通量。(见2.7.4一节)。我们看到,所有的数据都可以顺利地绘成直线。由于y轴是对数,这就是说直线上指数衰减的近似值对结果总结得相当好,即使这样并没有准确地反映中子与物质相互作用的方式。(参见2.4.4一节)我们注意到了这些斜线,以及因此产生的松弛长度,(脚注2)在不同的元素之间有所不同。发现松弛长度最短的是金(218米),它俘获的是非常低能(热)的中子;而最大的松弛长度(255米)是在硫上观察到的,它同时俘获能量最大(>2.5兆电子伏)的中子。

   显示的所有这五种元素的平均松弛长度为235米。然而这些检测都是在内华达州进行的,那里在海拔1 000米以上,而且大概是在相当干燥的空气中进行的。广岛和长崎都处于低海拔,而且紧靠大海,空气密度较大,通常比较潮湿。这两个因素会引起中子更加迅速的衰减:这在T65D剂量测定方案中确实有反映,这个方案假定这两个城市的中子松弛长度均为198米。

   在离爆炸点特别近的地方——就是那块地面——T65D剂量测定模式对所有的中子剂量单个设定了松弛长度【36】;相反,其他一些作者【86,87】对低高能中子分别用不同的松弛长度得出的中子传播计算结果是比较准确的近似值。下面我们将根据情况使用这两种方法。

 

6.1.2 源光谱

 

   中子在空气中的穿行范围取决于它们的运动能量。它们一旦失去了全部初始能量,就只能与周围的气体分子保持热平衡状态——就是说它们被热化了——它们很快就会被氮原子核俘获,从而终结它们的独立存在。因此图6.1所显示的慢中子和快中子的射程同样长,可能会使人第一眼看到时感到意外。具体解释,例如在1 200米处观察到的慢中子在真正的意义上并没有从炸弹中逃脱;相反,它们像快中子一样,逃脱过程中由于与空气中的原子核多次碰撞而逐渐慢下来。因此,只有那些逃脱了爆炸的高能中子——按奥克西耶【88】的说法是指那些“高于硫的阈值”,即2.5兆电子伏的中子——才会在极近的距离增加中子的剂量。为了理解地面上中子的剂量,我们还必须知道由爆炸的炸弹所发射的中子的能量分布情况,通常被称为源光谱。理论上这是一个非常简单的概念,但在实践上是很难预测的。格拉斯通【49】解释了其中的原因:

       

   从理论上讲,计算中子穿透炸弹的材料后的能量光谱应该是可能的。然而由于炸弹材料在中子被射出时并不是完全散开的,中子光谱在很大程度上取决于爆炸过程中一个极其复杂的阶段里炸弹部件的精细的几何结构。由于这些因素和其他条件,这个计算实际上是根本不可能的,必须依靠实验。

 

6.1.3 T65D剂量测定方案

 

   与格拉斯通的评估一样,T65D剂量测定方案的发展确实影响了许多关于这个问题和其他问题的实验。然而从根本上讲它不可能准确地测定广岛炸弹的源光谱,因为战后进行的核试验爆炸没有一次使用类似的炸弹设计。

   由炸弹引起的中子衰变有两种极限情况,这可以用两个替代实验来近似计算,实际上这在T65D【36,89】之前的研究中就已经进行了。“辐射安全研究反应堆”(HPRR)就是一个屏蔽非常少的快中子铀235反应堆;如果炸弹的外壳在大部分中子被发射出去之前就完全散落开了,那么一个与这个反应堆相似的中子光谱就是预料之中的了。另一方面,如果炸弹外壳在这个关键时刻仍然完好无损,那么光谱就会柔和很多,与“良品组件”类似,另一个有壳的实验反应堆的强度与广岛炸弹的强度是相似的。

       

图6.2 广岛炸弹的中子源光谱。根据洛伊和门德尔松【86】的资料绘制。

Neutron leakage(dN/dE):中子漏损量(dN/dE);Neutron energy . E(MeV):中子能量E(兆电子伏);Ichiban assembly: 良品组件:HPRR:辐射安全研究反应堆;Little Boy:小男孩。

另外两个光谱中,在中子能量为0.6兆电子伏时,任意归一化为相同值,代表了那颗炸弹光谱的合理极限情况。在T65D剂量测定方案中,广岛炸弹(小男孩)的光谱被认为与辐射安全研究反应堆的光谱相似。这里展示的“小男孩”光谱是由洛伊和门德尔松提供的。

 

   图6.2显示的是用两台仪器观察到的实验光谱。显然高能中子——即那些完全有机会到达地面的中子——的促进作用是相当不同的。在T65D中,广岛炸弹的中子源光谱被认为是与辐射安全研究反应堆的光谱相似的,也就是说,那些在爆炸中逃脱的中子基本上没有受到炸弹壳的阻挡,这就印证了我们对广岛高中子剂量的估计。事实上,离爆炸中心大约800米处,T65D的物理中子剂量超过了γ-剂量。如果我们把中子相对生物效应(RBE)5(见2.9.2一节)考虑进去,那么在广岛所有的严重暴露的幸存者中,中子辐射占据了生物效应的主导地位。

 

6.1.4 DS86和DS02剂量测定方案

 

   1981年,随着洛伊和门德尔松的论文《对广岛和长崎的剂量估算的修正》【90】的发表,在广岛的盛行的中子说戛然而止。该论文发表在聚焦辐射方面的生理和化学问题的《健康物理学》杂志上。该论文完全没有物理方面的细节,这个问题将在稍后揭示;如此仓促的可能原因将在11.5一节进行解释。该文同时只是告诉读者:

 

   我们已经准备好了新的剂量估计值,它们应该是值得相信的,部分原因是------相应的中子水平已经表明与现场放射性检测结果一致。

 

   这两个作者的第二篇论文【86】提出了一些物理方面的论据;不过这些论据在实质上基本都是理论性的,他们的论文缺少必要的使读者能够自主地确认论文的正确性的细节。据称计算的中子剂量与桥本等人【80】早期报告的现场检测的钴60放射性是一致的。但下面我们将会看到,后来这些可用的数据与T65D的数据更加一致。然而,经过进一步的阐述,洛伊和门德尔松修订的剂量估计值在1987年作为DS86剂量测定方案被采纳。【91】在2002年宣布的DS02方案【87】仅对DS86做了相当小的改变,至今仍然有效。就本章而言,这两种方案可以同等对待。

   尽管他们要求对这些新的剂量估计值应该给予相信,但洛伊和门德尔松非常清楚,这些数据充其量是草率而成。这一点在洛伊和门德尔松参加的项目记录中是显而易见的。【88】参加者还有T65D剂量测定方案的主要支持者约翰·奥克西耶。这次会议是在1981年9月15日和 16日举行的,是洛伊和门德尔松的第二篇论文发表后一个星期。会议开始的时候,奥克西耶概括地介绍了他自己做的大量工作,他把他的观点归纳如下:

 

   科学工作要么必须接受进一步工作和时间的检验,要么必须被取代。------T65D曲线的最大不确定性被认为是广岛的中子[源]光谱。在这几年里对这项研究没有任何重大贡献,我们一直期待着对光谱进行多维流体动力计算。与此同时,显然进一步的工作将要么去证实,要么去修改这些T65D的数值,直到所有的评估都完成。根据T65D的数值改变我们对剂量-反应的现有观点似乎还为时过早。

 

   换句话说,奥克西耶是说到目前为止还没有什么实质内容证明T65D的估计站不住脚。在他的发言后的讨论中,洛伊和门德尔松谁都没有发言,也没有一个与会者对奥克西耶的这番话提出质疑。       

   在那次会议上,洛伊亲自进行了介绍,内容与他和门德尔松的第二篇论文【86】相似。在这个讲话中,他对他们假设的中子剂量的改变作了如下解释:

 

   我们的数值与以前的数值不同是由于两个因素:一个是估计的拉姆达(λ)是195(米),当时应该是155 。------这样巨大的误差基本上说明了我们的剂量为什么与T65D存在差异。

 

   这个有指向性的声明表明,我们能够通过考虑在“假设的拉姆达”,即松弛长度在T65D和最近的剂量测定方案之间选择出更符合的检测结果。这种方法要求的不只是数据,而且还要求模型本身用一个松弛长度很好地描述出来。运用方程2.11拟合代表T65D模型和DS86或DS02模型的剂量-距离的曲线,我们已经弄清楚了在距离爆炸中心不超过1 500米时的情况;超出这个范围,不管怎样中子辐射的检测值都很小。因此我们能够用松弛长度作为尺码去比较各种中子流量的测量和模式。

 

图6.3 T65D和DS02模式中的光子松弛长度

 

 

Fluence:流量(1/厘米²千吨);Neutron energy(eV):中子能量(电子伏);Relaxation length(m):松弛长度(米)。

 

A:DS02中子流量与中子能量的计算。复制自杨和克尔的著作【87,第153页】。每一条曲线表示的是在距爆炸中心特定距离上所观察到的流量。  B:T65D假设的与能量无关的松弛长度为198米。相反,在DS02中,松弛长度除了中子能量超过100 000电子伏时急剧增加外,在光谱的大部分中维持在低值上。这里曲线所显示的仅使用了与A图中的数据拟合的最上面的三条或全部六条曲线。

 

6.1.5 T65D和DS02中松弛长度的能量依赖性

 

  洛伊在总结他的修改后的剂量测定方案时,使用的是155米的松弛长度。但把松弛长度视为与能量相关,可以说是当前最好的描述模式  :在大部分光谱中,松弛长度都是与洛伊给出的松弛长度相似的,在光谱的高端松弛长度急剧增加。这种高能中子使硫活化成磷32,使铜活化成镍63 。如果DS02方案是正确的,那么这两种同位素的检测值应该相应地显示松弛长度超过200米,同时所有其他同位素应该显示松弛长度达到155米。相反,用T65D方案,所有的检测值都应该产生相似的接近200米的松弛长度。下面,我们决定不必去确定这两种模式哪种在理论上更为合理;我们将只是比较每种模式对检测的适用性。

  关于中子俘获产生的同位素的检测,这两个城市已经有了报告,我们在这里将把讨论的范围局限在广岛,因为这里有较多的数据集,它们通常包含更多的数据点。威尔逊【72】已经阐述了对广岛释放的中子剂量的重大意义的看法,但也存在不确定性,这很有可能导致更多的实验工作集中到这个城市。然而,根据这些有限的数据可以确定,长崎的情况与所有类型的测定结果非常相似。这个问题将在本章的余下部分进行讨论。

 

【脚注】

 

1:在某种情况下,前体元素实际上也是具有放射性的,但由中子俘获形成的衍生元素可以被分别加以区分并检测出来。

 

2:松弛长度的定义是一个给定的介质层的厚度——在这里介质是空气——它将随一个系数1/e使一束放射线减弱。(见2.7.3一节)


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