輻射環(huán)境監(jiān)測低本底實驗室建設(shè)

影響因素的實測研究

王娟，楊少波¹，劉建華¹，龍遠奎²，陳秋宏³

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

（2.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院，廣東 佛山 528000）

（3.廣東中科攬勝輻射防護科技有限公司，廣東 佛山 528000）

摘要:根據(jù)實際項目工程前期（湖北省核與輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中心低本底實驗室建設(shè)項目）的調(diào)研工作,對本底值具有貢獻的幾個因素（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）進行了實測與分析。實測分析結(jié)果表明,通過換氣和保持實驗室正壓的工程系統(tǒng)可以忽略氡及其子體的貢獻,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,成功建設(shè)一間低本底實驗室的輻射防護的關(guān)鍵在于對宇宙射線的屏蔽和低本底建筑材料的選擇。在嚴格控制防護體系成本的情況下，可將宇宙射線（低于GeV量級）和建筑材料的貢獻控制在30 nGy/h的本底水平。

關(guān)鍵詞  電離輻射，低本底實驗室，輻射防護，宇宙射線，建筑材料

隨著核科學與技術(shù)的發(fā)展，在很多衍生領(lǐng)域，如電離輻射環(huán)境監(jiān)測中分析微量與痕量樣品時，對低本底γ能譜儀的靈敏度要求極高。如何實現(xiàn)實驗條件達到低本底環(huán)境也是核探測儀器一直致力于研究的領(lǐng)域。一般Y能譜測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宇宙射線中的電了、質(zhì)了、低能光了等軟成份對本底的影響^[1]。為了進一步降低環(huán)境本底對測量結(jié)果的影響，除探測裝置本身自帶屏蔽體外還需要設(shè)計實驗室本身輻射防護體現(xiàn)，使其達到低本底。目前國內(nèi)成功建成的低本底實驗室很少，公開發(fā)表的關(guān)于低本底實驗室設(shè)計的文獻也很少。本文著重探討實驗室本身的結(jié)構(gòu)和屏蔽體系，對不同的本底影響因素進行分析，以控制本底滿足低本底實驗室要求。

實驗室內(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輻射與低本底實驗室選址相關(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后期對建材的選擇實現(xiàn)減少對低本底實驗室的影響。

1、 宇宙射線

宇宙射線是來自外太空的帶電高能次原子粒子,它們會產(chǎn)生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。在跨越10多個量級的能譜上﹐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,次級電離最多,輻射屏蔽最復雜的一部分﹐其對本底貢獻很難計算,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認為是人類.124·

所受天然輻射照射的主要來源。國際癌癥研究機構(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。

由于實驗室地處地下室,是氡氣容易富集的地方,所以氡及其子體對本底的貢獻不能忽略。實驗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30 min的情況下,測得建筑物室外地表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提供的氡的劑量學轉(zhuǎn)換系數(shù)9 nSv/( Bq. h.m³) , 可算的氡的劑量貢獻為153 nSv/h。

氡的富集可以通過將取風口設(shè)置在地表外Ⅰ米以上,采集新鮮地表大氣循環(huán),同時保證實驗室內(nèi)部與實驗室外部地下室存在一個正壓差減少地下室富集的氡進入實驗室。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γ能譜儀的低本底影響可以忽略。

3、地球天然 γ 輻射

實驗室所在地地表y空氣吸收劑量率實測,測量均值(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到190 nGy/h 。

實驗室框架構(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:

實驗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°)的宇宙射線符合計數(shù)率。因此可以認為到達地下室底層的宇宙射線主要為垂直入射。對于宇宙射線(只考慮從天花板上垂直入射部分)，每通過50g/cm2衰減7%，按此關(guān)系可得宇宙射線通過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h=80cm厚，密度ρ=2．35g/cm3的混凝土后其貢獻約24.36nGy/h。 氡的貢獻按其占總輻射劑量的0．2%計算為57.8×0.002=0.116nGy/h。 地球三大放射性系列對實驗室的影響，在考慮50g/cm2的厚度防護下可以忽視其影響。實驗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，此時六個面的面密度為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。對實驗室本底貢獻最高的宇宙射線和建筑材料。

6、結(jié)論

基于屏蔽層設(shè)計建議，宇宙射線主要考慮垂直入射角度，且其穿透性很強，低本底實驗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。否則在實驗室天花板上耗費的屏蔽材料將陡增。

建筑材料的貢獻十分巨大，由于分析采用的是一般建筑材料，因此在低本底實驗室建造過程中，其框架選擇建材一定為低本底建材，否則整個防護體系的重點就是建筑材料本身的影響，而非真正的去降低天然本底。同時在六面墻體做好鉛屏蔽體系。

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