輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)低本底實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

影響因素的實(shí)測(cè)研究

王娟，楊少波¹，劉建華¹，龍遠(yuǎn)奎²，陳秋宏³

（1.湖北省核與輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)中心，湖北 武漢 430072）

（2.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

（3.廣東中科攬勝輻射防護(hù)科技有限公司，廣東 佛山 528000）

摘要:根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目工程前期（湖北省核與輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)中心低本底實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目）的調(diào)研工作,對(duì)本底值具有貢獻(xiàn)的幾個(gè)因素（宇宙射線、氡及其子體、地球天然y輻射和建筑材料自帶輻射）進(jìn)行了實(shí)測(cè)與分析。實(shí)測(cè)分析結(jié)果表明,通過(guò)換氣和保持實(shí)驗(yàn)室正壓的工程系統(tǒng)可以忽略氡及其子體的貢獻(xiàn),地球天然Y輻射在一定厚度的混凝土建筑框架下也可以忽略不計(jì),成功建設(shè)一間低本底實(shí)驗(yàn)室的輻射防護(hù)的關(guān)鍵在于對(duì)宇宙射線的屏蔽和低本底建筑材料的選擇。在嚴(yán)格控制防護(hù)體系成本的情況下，可將宇宙射線（低于GeV量級(jí)）和建筑材料的貢獻(xiàn)控制在30 nGy/h的本底水平。

關(guān)鍵詞  電離輻射，低本底實(shí)驗(yàn)室，輻射防護(hù)，宇宙射線，建筑材料

隨著核科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，在很多衍生領(lǐng)域，如電離輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中分析微量與痕量樣品時(shí)，對(duì)低本底γ能譜儀的靈敏度要求極高。如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件達(dá)到低本底環(huán)境也是核探測(cè)儀器一直致力于研究的領(lǐng)域。一般Y能譜測(cè)量裝置本身白帶屏蔽體，由一定厚度的鉛、鍋、電解銅等組成，可以較好的屏蔽環(huán)境本底輻射。這些屏蔽體可以消除次級(jí)宇宙射線中的電了、質(zhì)了、低能光了等軟成份對(duì)本底的影響^[1]。為了進(jìn)一步降低環(huán)境本底對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，除探測(cè)裝置本身自帶屏蔽體外還需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室本身輻射防護(hù)體現(xiàn)，使其達(dá)到低本底。目前國(guó)內(nèi)成功建成的低本底實(shí)驗(yàn)室很少，公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于低本底實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)也很少。本文著重探討實(shí)驗(yàn)室本身的結(jié)構(gòu)和屏蔽體系，對(duì)不同的本底影響因素進(jìn)行分析，以控制本底滿足低本底實(shí)驗(yàn)室要求。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)本底主要由四方面構(gòu)成：宇宙射線、氡、地球天然γ輻射和建筑材料中核素產(chǎn)生的輻射。其中,宇宙射線﹑氡、地球天然y輻射與低本底實(shí)驗(yàn)室選址相關(guān),一旦選擇工作確定,此三類影響基本固定,唯有建筑材料的影響可通過(guò)后期對(duì)建材的選擇實(shí)現(xiàn)減少對(duì)低本底實(shí)驗(yàn)室的影響。

1、 宇宙射線

宇宙射線是來(lái)自外太空的帶電高能次原子粒子,它們會(huì)產(chǎn)生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。在跨越10多個(gè)量級(jí)的能譜上﹐宇宙線的全能譜(不區(qū)分成份)基本服從隨能量單調(diào)下降的冪律分布[3,宇宙射線作為能量范圍廣,次級(jí)電離最多,輻射屏蔽最復(fù)雜的一部分﹐其對(duì)本底貢獻(xiàn)很難計(jì)算,據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明海平面上空氣中宇宙射線所造成的空氣吸收劑量率為32 nGy/h。

2、 氡及其子體

氡及其子體普遍存在于土壤﹑空氣中,是自然界三個(gè)天然放射性系（鈾系,锏系和牡系）中唯一的氣態(tài)元素!]。其同位素有²²²Rn ，²²⁰Rn，²²⁰Rn,由于²²⁰Rn半衰期為4 s ,²¹⁹Rn半衰期為55 s ，滯留在空氣中的氡以²²²Rn居多。²²²Rn是一種天然放射性惰性氣體﹐是天然放射²³⁸U系列中²²⁶Ra的衰變產(chǎn)物,其半衰期為3.825 d。氡同位素中²²²Rn和²²⁰Rn認(rèn)為是人類.124·

所受天然輻射照射的主要來(lái)源。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)將氡歸類于Ⅰ類致癌因素,世界衛(wèi)生組織(WHO )也將其列為可以致癌的19種物質(zhì)之一。

由于實(shí)驗(yàn)室地處地下室,是氡氣容易富集的地方,所以氡及其子體對(duì)本底的貢獻(xiàn)不能忽略。實(shí)驗(yàn)室所處建筑物室外地表l m處空氣中的氡濃度及室內(nèi)氡濃度在分別連續(xù)監(jiān)測(cè)30 min的情況下,測(cè)得建筑物室外地表1 m處空氣中的氡濃度及室內(nèi)氡濃度如表1所示,其結(jié)果均為17.0 Bq/m³左右。由ICRP提供的氡的劑量學(xué)轉(zhuǎn)換系數(shù)9 nSv/( Bq. h.m³) , 可算的氡的劑量貢獻(xiàn)為153 nSv/h。

氡的富集可以通過(guò)將取風(fēng)口設(shè)置在地表外Ⅰ米以上,采集新鮮地表大氣循環(huán),同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部與實(shí)驗(yàn)室外部地下室存在一個(gè)正壓差減少地下室富集的氡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。加之氡釋放的α粒子主要為穿透力極弱,主要為內(nèi)照射危害核素γ輻射只占室內(nèi)總輻射劑量的0.2%，對(duì)γ能譜儀的低本底影響可以忽略。

3、地球天然 γ 輻射

實(shí)驗(yàn)室所在地地表y空氣吸收劑量率實(shí)測(cè),測(cè)量均值(含于宇宙射線部分)為86.8 nGy/h ,如果減去宇宙射線部分,地球天然輻射(鈾系,鋼系、牡系和“K等)劑量貢獻(xiàn)約為57.8 nGy/h。

4、 建筑材料中核素產(chǎn)生的輻射

建筑材料中主要放射性核素為⁴⁰K、²²⁶ Ra和²³²Th，普通混凝土中⁴⁰K、²²⁶Ra和²³²Th含量典型值分別約為590 Bq/kg、52 Bq/kg、48 Bq/kg,即使不考慮宇宙射線和室外地球γ輻射的影響,普通混凝土建筑室內(nèi)空氣吸收劑量率即達(dá)到190 nGy/h 。

實(shí)驗(yàn)室框架構(gòu)建為:四周墻體和底板為50 cm厚的混凝土墻,頂板為80 cm厚的混凝土墻,密度均為2.35 g/cm³。各面混凝土的核素活度濃度分析如表1所示:

實(shí)驗(yàn)室已完成施工的混凝土天花板1m處γ空氣吸收劑量均值為134.1nGy/h。

5、研究結(jié)果

根據(jù)宇宙射線(主要是高能u子)入射的天頂角滿足公式(1):

I=Icosαθ    (1)

公式(1)中的I0為垂直地面方向(天頂角0°)的宇宙射線符合計(jì)數(shù)率。因此可以認(rèn)為到達(dá)地下室底層的宇宙射線主要為垂直入射。對(duì)于宇宙射線(只考慮從天花板上垂直入射部分)，每通過(guò)50g/cm2衰減7%，按此關(guān)系可得宇宙射線通過(guò)50g/cm2混凝土的衰減公式，如公式(2)所示: H=H(1－0．07)hρ/50    (2)

算的經(jīng)過(guò)h=80cm厚，密度ρ=2．35g/cm3的混凝土后其貢獻(xiàn)約24.36nGy/h。 氡的貢獻(xiàn)按其占總輻射劑量的0．2%計(jì)算為57.8×0.002=0.116nGy/h。 地球三大放射性系列對(duì)實(shí)驗(yàn)室的影響，在考慮50g/cm2的厚度防護(hù)下可以忽視其影響。實(shí)驗(yàn)室頂部混凝土厚度密度為80cm，側(cè)墻和底部混凝土厚度為50cm，密度均為2.35g/cm3的根據(jù)σ=ρh，此時(shí)六個(gè)面的面密度為188g/cm2(天頂)和117.5g/cm2均大于50g/cm2，可以忽略地球天然γ輻射的影響。建筑材料的電離輻射，約為125.5～135.6nGy/h。對(duì)實(shí)驗(yàn)室本底貢獻(xiàn)最高的宇宙射線和建筑材料。

6、結(jié)論

基于屏蔽層設(shè)計(jì)建議，宇宙射線主要考慮垂直入射角度，且其穿透性很強(qiáng)，低本底實(shí)驗(yàn)室的選擇最好為地下室，即上層有足夠厚的混凝土結(jié)構(gòu)起到屏蔽作用。否則在實(shí)驗(yàn)室天花板上耗費(fèi)的屏蔽材料將陡增。

建筑材料的貢獻(xiàn)十分巨大，由于分析采用的是一般建筑材料，因此在低本底實(shí)驗(yàn)室建造過(guò)程中，其框架選擇建材一定為低本底建材，否則整個(gè)防護(hù)體系的重點(diǎn)就是建筑材料本身的影響，而非真正的去降低天然本底。同時(shí)在六面墻體做好鉛屏蔽體系。

氡及其子體可采用通風(fēng)換氣等手段降低影響，最終忽略不計(jì)。地球天然輻射可忽略不計(jì)。