tx建筑材料放射性現(xiàn)場檢測

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。tx建筑材料放射性現(xiàn)場檢測建筑材料放射性現(xiàn)場檢測方法研究建筑材料放射性現(xiàn)場檢測項目完成人員：徐 鍇 陸 遜 周絢乙項目完成單位：上海市計量測試技術(shù)研究院 【摘要】本文對影響建材表面g空氣比釋動能率測量的幾個因素作了研究，提出了一種建材放射性現(xiàn)場檢測方法和劑量限制要求，并對實驗和理論計算結(jié)果進行了討論，二者之間有較好的一致性。【關(guān)鍵詞】建筑材料；放射性測量1 前言一般情況下，建筑物的放射性大部分來自建筑材料中的天然放射性核素，這些放射性物質(zhì)對公眾造成附加照射，一般表現(xiàn)為全身外照射及其衰變子體的內(nèi)照射。對建

2、筑材料放射性物質(zhì)含量的限值是基于輻射防護基本安全標(biāo)準(zhǔn)而確定的，并以常見的放射性核素226Ra、232Th和40K的比活度表征。國際放射防護委員會(ICRP)對公眾規(guī)定的五年內(nèi)平均年有效劑量限值為1mSv，如果建造住房和工作用房的建筑材料中226Ra、232Th和40K的比活度分別為120、100和1000Bqkg-1(這一放射性水平接近現(xiàn)行國際規(guī)定的極限)，并假定公眾在室內(nèi)的居留因子為0.8，則建材放射性對公眾個體造成的年有效照射劑量約為1.1mSv，已經(jīng)略為超過ICRP確定的上述有效劑量限值1。為保障公眾及其后代的健康與安全，促進建筑材料的合理利用和建材工業(yè)的合理發(fā)展，各國相繼根據(jù)本國的放射

3、衛(wèi)生防護法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)制定出建筑材料放射性物質(zhì)的限制標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的檢測方法，并授權(quán)或指定有關(guān)部門負責(zé)貫徹實施。我國現(xiàn)行關(guān)于建筑材料放射性主要有以下三部標(biāo)準(zhǔn)，分別是：1994年國家建筑材料工業(yè)局頒布的JC518-1993天然石材產(chǎn)品放射防護分類控制標(biāo)準(zhǔn)；2000年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局修訂發(fā)布的GB6566-2000建筑材料放射衛(wèi)生防護標(biāo)準(zhǔn)；2000年國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局修訂發(fā)布的GB6763-2000建筑材料產(chǎn)品及建材用工業(yè)廢渣放射性物質(zhì)控制要求2,3,4。上述標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的測量條件和限制要求均不相同，而且對建筑物室內(nèi)的g空氣比釋動能率沒有作出限值要求和指定檢測方法。因此，迫切需要建立一種與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有機聯(lián)

4、系、適合現(xiàn)場快速檢測、并具操作性的測量方法，以滿足市場需求，這對于保護上海城市環(huán)境和公眾健康，促進國際大都市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文以目前市場上大量用于室內(nèi)裝飾的花崗石材料為研究對象，針對影響石材表面 g 空氣比釋動能率測量結(jié)果的幾個因素進行了實驗研究，得出一種現(xiàn)場快速檢測方法，并嘗試提出建筑物內(nèi)部建材放射性的檢測方法和限值要求。2 實驗2.1 測量儀器和實驗材料本實驗測量 g 空氣比釋動能率采用便攜式c-g射線輻射儀，比活度測量選用美國ORTEC公司高純鍺 g 譜儀，其對60Co1332keV能量峰分辨率為1.87keV。實驗材料選用山東石島紅花崗石，切割成規(guī)格為50502cm的正方形

5、薄板。2.2 建材本身對放射性的吸收影響當(dāng)g光子束穿過吸收介質(zhì)時,將通過光電效應(yīng)、康普頓散射和產(chǎn)生電子對三種效應(yīng)損失能量,寬束g光子數(shù)目的衰減規(guī)律由下式表示：5 （1-1） 式中，I0為入射光子束強度,I為經(jīng)過厚度為x的吸收體后g光子束的強度，m為吸收體的線性減弱系數(shù)，B稱為積累因子，是一個描述散射光子影響的物理量，它與射線能量、介質(zhì)種類和厚度等許多因素有關(guān)。由于g光子的散射效應(yīng)較為復(fù)雜，介質(zhì)對射線的吸收通常通過實驗測得。考慮到天然石材的放射性水平較低，實驗中我們按照地球天然本底Ra、Th、K的成分比例制作了一塊平板源：用60Co溶液源（Eg平均=1.25MeV）代替40K（Eg=1.46Me

6、V），Ra選用U-Ra平衡粉末，Th選用ThO2粉末，活度分別為2.8105Bq、2.27104Bq、1.68104Bq, 均勻混合三種源, 用883萬能膠水固定于兩塊20cm20cm0.8cm的石材中。在距離石材表面10cm處分別測量未加覆蓋和覆蓋2cm-42cm花崗石的劑量率（覆蓋面積為2m2m），間隔厚度為2cm，結(jié)果如圖2.1所示。2.3 建材堆放面積對空氣比釋動能率測量的影響在堆放厚度一定，探頭距建材表面距離一定的條件下，建材表面空氣比釋動能率與面積大小明顯相關(guān)，我們模擬了正方形堆放模體不同邊長對空氣比釋動能率的影響，實驗中我們以40cm為遞增長度，測量了邊長從20cm到400cm的

7、不同面積情況下與之相對應(yīng)的建材表面空氣比釋動能率，模體厚度為2cm，測量結(jié)果對土壤本底和宇宙射線作了修正?？紤]到天然石材的放射性水平較低，在模體厚度僅為2cm的條件下，測量統(tǒng)計誤差過大，我們?nèi)耘f利用另外制作的較高放射性水平的平板源作為實驗材料。由于沒有足夠經(jīng)費，也不太可能做出一套邊長從20cm直到400cm的平板源，實驗中我們把20cm20cm2cm的源放置在以測量點為中心，間隔為20cm的周圍不同位置，分別測量其空氣比釋動能率。最后不同邊長模體的空氣比釋動能率由其相應(yīng)位置的空氣比釋動能率分量算術(shù)疊加而得。圖2.2給出了探測器距建材表面中心高度分別為5cm、10cm、15cm時空氣比釋動能率隨

8、模體尺寸大小的變化規(guī)律。 2.4 探測器距建材表面中心高度對空氣比釋動能率測量的影響實驗采用2m2m0.5m的堆垛模型作為研究對象，分別測量了貼近材料表面直到距材料表面中心50cm處的空氣比釋動能率，間隔距離為5cm，測量值對土壤本底和宇宙射線作了修正，結(jié)果如圖2.3所示。2.5 模體厚度對空氣比釋動能率測量的影響我們在模型尺寸2m2m，探測器距材料表面中心10cm條件下，測量了堆放厚度從2cm到50cm，厚度間隔為2cm的空氣比釋動能率的變化，其結(jié)果如圖2.4。3 結(jié)果3.1 g 空氣比釋動能率測量與比活度分析結(jié)果對比實驗用花崗石經(jīng)比活度分析，226Ra、232Th和40K含量分別為48.6

9、、125.9、1120Bq/kg；2m 2m，厚度0.5m堆垛距表面中心10cm處測得的 g 空氣比釋動能率為178nGy/h（含本底）。根據(jù)Beck公式6可以計算出堆垛表面空氣g吸收劑量率為152nGy/h，由1.2的實驗可知，土壤本底完全被0.5m厚的石材所吸收，所以測量之中所含本底僅剩下宇宙射線的貢獻，根據(jù)全國環(huán)境天然貫穿輻射水平調(diào)查結(jié)果7（1983-1990年），上海地區(qū)的宇宙射線水平為29nGy/h，從測量值178nGy/h中扣除宇宙射線的空氣比釋動能率貢獻29nGy/h，得到149nGy/h，與Beck公式計算結(jié)果符合較好。3.2 影響g空氣比釋動能率測量結(jié)果的幾個因素通過模型實驗

10、我們可以看出，建材堆放面積大小、厚度不同、測量點的選取不同，對建材表面空氣比釋動能率的測量結(jié)果都有不同程度的影響。3.2.1 建材堆放面積大小對空氣比釋動能率的影響由圖2.2可以看出, 對于測量距離15cm的曲線, 即使模型尺寸達到4m 4m, 空氣比釋動能率仍呈繼續(xù)增大的趨勢；對于測量距離10cm, 模型尺寸大于3.2m 3.2m時, 空氣比釋動能率趨于飽和；對于測量距離5cm,當(dāng)模型尺寸大于2m 2m, 空氣比釋動能率就已經(jīng)達到飽和。 3.2.2 測量距離對空氣比釋動能率的影響由圖2.3可以知道，探測器距模體表面距離遠近對測量結(jié)果影響很大，距離越遠, 空氣比釋動能率測量值越小, 距離材料表

11、面中心10cm處與50cm處的空氣比釋動能率比值達到1.43。3.2.3 建材堆放厚度對空氣比釋動能率的影響從圖2.4容易看出，建材表面空氣比釋動能率隨堆放厚度增加而增加，當(dāng)厚度達到30cm以上時，空氣比釋動能率趨于飽和，厚度2cm處的測量值相當(dāng)于飽和值的40%左右。3.3 建筑材料放射性現(xiàn)場檢測方法建材放射性現(xiàn)場檢測，特別是建筑物室內(nèi)環(huán)境測量條件差別很大，而國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的測量條件過分單一，與現(xiàn)場條件不相適應(yīng)。針對這一情況，提出一種與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)有機聯(lián)系起來，適合于現(xiàn)場檢測, 尤其是建筑物內(nèi)部建材放射性檢測的方法和限值要求，正是本研究所要達到的主要目的。3.3.1 堆場條件的建材放射性檢測堆

12、場條件的空氣比釋動能率測量比較容易解決, 只要參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB6566-2000中規(guī)定的測量條件和劑量限值執(zhí)行即可。而且, 根據(jù)圖2.4的結(jié)果, 堆放厚度只要超過30cm就可以滿足檢測需求, 不必一定要達到50cm的厚度，這樣可以減少部分工作強度。對于堆放面積不能達到2m 2m要求的， 可以根據(jù)圖2.2和表4.1所列修正系數(shù)對空氣比釋動能率限值進行修正。3.3.2 建筑物內(nèi)部的建材放射性檢測首先測量條件如何確定?？紤]到與國家標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系，我們認為可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB6566-2000，把探測器放在被測建材表面幾何中心位置上方10cm處進行測量，理由如下：根據(jù)實驗2.3和圖2.2的結(jié)果，如果探測距

13、離小于5cm，探測器所測量到的有效范圍比較小，不能反映較大面積建材的放射性真實情況；而探測距離大于15cm，測量值會隨探測距離增大而減小，由于建材所含放射性水平較低，則會帶來很大的統(tǒng)計誤差。綜合考慮，我們認為把測量距離定為10cm是合適的。對于建筑物室內(nèi)裝飾建材空氣比釋動能率限值，我們引入建材附加空氣比釋動能率這一概念。建材附加空氣比釋動能率定義為建筑物內(nèi)裝飾材料表面空氣比釋動能率與未鋪設(shè)裝飾材料建筑物（如毛坯房）室內(nèi)空氣比釋動能率之差值。GB6566-2000規(guī)定2m2m0.5m建材堆垛距離表面中心10cm處空氣比釋動能率限值為200nGy/h（含本底），而50cm厚的建材已幾乎把土壤本底完

14、全屏蔽，測量的空氣比釋動能率僅來自建材本身放射性和宇宙射線的貢獻，根據(jù)全國環(huán)境天然貫穿輻射水平調(diào)查結(jié)果（1983-1990年），全國的宇宙射線水平加權(quán)平均為30nGy/h左右，也就是說2m2m0.5m的建材堆垛引入的附加表面空氣比釋動能率限值為170nGy/h。 對建筑物室內(nèi)裝修，根據(jù)目前規(guī)定，地面鋪設(shè)石材只能選用1.52cm厚的材料薄板，由圖2.4可知2cm厚的石材放射性相當(dāng)于50cm厚石材的40%左右，那么對于2m2m的條件，我們可以把建筑物室內(nèi)裝飾建材附加空氣比釋動能率限值定為70nGy/h，如果鋪設(shè)面積不等于4m2，可以根據(jù)圖2.2和表3.1所列修正系數(shù)對附加空氣比釋動能率限值再做修正

15、。表3.1 附加空氣比釋動能率限值對于不同面積的修正系數(shù)面積/m20.040.160.641.442.5645.767.8410修正系數(shù)0.160.370.650.800.931.001.061.091.114 討論4.1 實驗與蒙特-卡洛(Monte-Carlo)方法計算結(jié)果對比北京防化研究院李湘葆先生，中國計量科學(xué)研究院萬國慶先生等在他們最近的一項研究工作中采用Monte-Carlo方法, 針對建材放射性檢測, 對不同模型尺寸與不同測量條件的建筑材料空氣比釋動能率進行了計算8。湊巧我們的研究內(nèi)容與其基本相同，可以與之作一比較。對比理論計算與模型實驗的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn),無論是模型厚度，模型尺寸

16、大小，還是探測距離對建材表面空氣比釋動能率的影響，二者之間均呈現(xiàn)較好的一致性。僅對于探測距離這一因素，當(dāng)測量距離小于5cm時，理論計算與實驗測量差異頗為明顯，尤其是當(dāng)探測器貼近建材表面，即距離趨近于0時，二者之間甚至達到一個數(shù)量級的差別。如何解釋這一現(xiàn)象呢？實際上，并非總有可能設(shè)計出完全理想條件下的儀器裝置，象我們通常采用的便攜式輻射儀都存在有一定程度的角相應(yīng)，當(dāng)測量距離較近時，探測器將只能探測到有限范圍內(nèi)所包含的射線，這也就是當(dāng)探測距離較近時，實測值要小于理論計算值的原因之所在。 4.2 現(xiàn)場檢測中的某些具體問題在建筑材料放射性現(xiàn)場測量當(dāng)中，有一部分建材形狀不規(guī)則。由于研究經(jīng)費和時間所限，我

17、們的實驗僅討論了正方形一種情況，如有條件可做進一步的工作。4.3 測量結(jié)果的不確定度我們給出空氣比釋動能率測量結(jié)果的擴展不確定度為23.5%（置信概率95%），其中儀器的能量響應(yīng)貢獻最大。實驗中使用的便攜式c-g射線輻射儀探頭采用碘化鈉塑料閃爍體材料，由于碘化鈉探頭不同于高壓電離室，其對低能部分射線的能量響應(yīng)不是很好，我們所使用儀器產(chǎn)品說明書中給出的能量響應(yīng)是小于20%（100keV2MeV），而高壓電離室價格昂貴，且不方便攜帶，所以權(quán)衡之下，我們?nèi)赃x用了塑料閃爍型c-g射線輻射儀。此外，建筑材料放射性水平很低，空氣比釋動能率測量值統(tǒng)計漲落很大，有時上下幅度甚至可以達到30%。針對這一情況，我

18、們對每一測量點都重復(fù)測量30次，取其算術(shù)平均值作為結(jié)果。單次測量的相對實驗標(biāo)準(zhǔn)差為5%10%。5 結(jié)論本課題研究基本解決了目前建材放射性的現(xiàn)場檢測問題。在國家室內(nèi)建筑材料g空氣比釋動能率限制標(biāo)準(zhǔn)尚未制定之前，而作建材比活度測量成本又較高的情況下，我們認為利用便攜式輻射儀測量建材附加空氣比釋動能率是方便又可行的一個較好的解決辦法。致謝: 課題得到了導(dǎo)師張利民與劉樹林兩位教授的精心指導(dǎo)，此外，項目研究過程中，與唐方東、李燕飛、楊遂平等同志進行了有益的探討，在此謹(jǐn)表示衷心感謝。參考文獻1 張利民, 劉樹林等. 關(guān)于建材放射性監(jiān)測的調(diào)研報告(內(nèi)部). 上海市計量測試技術(shù)研究院,1999.5.2 中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 天然石材產(chǎn)品放射防護分類控制標(biāo)準(zhǔn)(JC518-93). 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.3 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn), 建筑材料放射衛(wèi)生防護標(biāo)準(zhǔn)(GB6566-2000)