庞杨1 王聪2
1 黑龙江省科学院技术物理研究所，黑龙江省哈尔滨市，150000
2 ，黑龙江中医药大学附属第二医院，黑龙江省哈尔滨市，150000
摘要:根据实际项目工程前期(湖北省核与辐射环境监测技术中心低本底实验室建设项目)的调研工作，对本底值具有贡献的几个因素(宇宙射线、氡及其子体、地球天然γ辐射和建筑材料自带辐射)进行了实测与分析。实测分析结果表明，通过换气和保持实验室正压的工程系统可以忽略氡及其子体的贡献，地球天然γ辐射在一定厚度的混凝土建筑框架下也可以忽略不计，成功建设一间低本底实验室的辐射防护的关键在于对宇宙射线的屏蔽和低本底建筑材料的选择。在严格控制防护体系成本的情况下，可将宇宙射线(低于GeV量级)和建筑材料的贡献控制在30nGy/h的本底水平。
关键词:电离辐射;低本底实验室;辐射防护;宇宙射线;建筑材料
随着核科学与技术的发展，在很多衍生领域，如电离辐射环境监测中分析微量与痕量样品时，对低本底γ能谱仪的灵敏度要求极高［1］。如何实现实验条件达到低本底环境也是核探测仪器一直致力于研究的领域。一般Y能谱测量装置本身白带屏蔽体，由一定厚度的铅、铁、电解铜等组成，可以较好的屏蔽环境本底辐射。这些屏蔽体可以消除次级宇宙射线中的电子、质子、低能光子等软成份对本底的影响。为了进一步降低环境本底对测量结果的影响，除探测装置本身自带屏蔽体外还需要设计实验室本身辐射防护体现，使其达到低本底。目前国内成功建成的低本底实验室很少，公开发表的关于低本底实验室设计的文献也很少。着重探讨实验室本身的结构和屏蔽体系，对不同的本底影响因素进行实测分析，以控制本底满足低本底实验室要求。
实验室内本底主要由四方面构成:宇宙射线、氡、地球天然γ辐射和建筑材料中核素产生的辐射［2］。其中，宇宙射线、氡、地球天然γ辐射与低本底实验室选址相关，一旦选择工作确定，此三类影响基本固定，唯有建筑材料的影响可通过后期对建材的选择实现减少对低本底实验室的影响。
1 宇宙射线
宇宙射线是来自外太空的带电高能次原子粒子，它们会产生二次粒子穿透地球的大气层和表面。在跨越10多个量级的能谱上，宇宙线的全能谱(不区分成份)基本服从随能量单调下降的幂律分布［3］，宇宙射线作为能量范围广，次级电离最多，辐射屏蔽最复杂的一部分，其对本底贡献很难计算，据相关数据表明海平面上空气中宇宙射线所造成的空气吸收剂量率为32nGy/h。
2 氡及其子体
氡及其子体普遍存在于土壤、空气中，是自然界三个天然放射性系(铀系，锕系和钍系)中唯一的气态元素［4］。其同位素有222Ｒn，220Ｒn，219Ｒn，由于220Ｒn半衰期为4s，219Ｒn半衰期为55s，滞留在空气中的氡以222Ｒn居多。222Ｒn是一种天然放射性惰性气体，是天然放射238U系列中226Ｒa的衰变产物，其半衰期为3.825d。氡同位素中222Ｒn和220Ｒn认为是人类所受天然辐射照射的主要来源［5］。国际癌症研究机构(IAＲC)将氡归类于I类致癌因素，世界卫生组织(WHO)也将其列为可以致癌的19种物质之一［6］。
由于实验室地处地下室，是氡气容易富集的地方，所以氡及其子体对本底的贡献不能忽略。实验室所处建筑物室外地表1m处空气中的氡浓度及室内氡浓度在分别连续监测30min的情况下，测得建筑物室外地表1m处空气中的氡浓度及室内氡浓度如表1所示，其结果均为17.0Bq/m3左右。由ICＲP提供的氡的剂量学转换系数9nSv/(Bq．h．m3)，可算的氡的剂量贡献为153nSv/h。
氡的富集可以通过将取风口设置在地表外1米以上，采集新鲜地表大气循环，同时保证实验室内部与实验室外部地下室存在一个正压差减少地下室富集的氡进入实验室。加之氡释放的α粒子主要为穿透力极弱，主要为内照射危害核素，γ辐射只占室内总辐射剂量的0.2%，对γ能谱仪的低本底影响可以忽略。
3地球天然γ辐射
实验室所在地地表γ空气吸收剂量率实测，测量均值(含于宇宙射线部分)为86.8nGy/h，如果减去宇宙射线部分，地球天然辐射(铀系，锕系、钍系和40K等)剂量贡献约为57.8nGy/h。
4建筑材料中核素产生的辐射
建筑材料中主要放射性核素为40K、226Ｒa和232Th［7］，普通混凝土中40K、226Ｒa和232Th含量典型值分别约为590Bq/kg、52Bq/kg、48Bq/kg，即使不考虑宇宙射线和室外地球γ辐射的影响，普通混凝土建筑室内空气吸收剂量率即达到190nGy/h［8］。
实验室框架构建为:四周墙体和底板为50cm厚的混凝土墙，顶板为80cm厚的混凝土墙，密度均为2.35g/cm3。各面混凝土的核素活度浓度分析如表1所示:
实验室已完成施工的混凝土天花板1m处γ空气吸收剂量率测量均值为134.1nGy/h。
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5研究结果
根据宇宙射线(主要是高能μ子)入射的天顶角满足公式(1):
I=Icosαθ (1)
公式(1)中的I0为垂直地面方向(天顶角0°)的宇宙射线符合计数率。因此可以认为到达地下室底层的宇宙射线主要为垂直入射。对于宇宙射线(只考虑从天花板上垂直入射部分)，每通过50g/cm2衰减7%，按此关系可得宇宙射线通过50g/cm2混凝土的衰减公式，如公式(2)所示:
H=H(1－0．07)hρ/50 (2)
算的经过h=80cm厚，密度ρ=2．35g/cm3的混凝土后其贡献约24.36nGy/h。
氡的贡献按其占总辐射剂量的0．2%计算为57.8×0.002=0.116nGy/h。
地球三大放射性系列对实验室的影响，在考虑50g/cm2的厚度防护下可以忽视其影响。实验室顶部混凝土厚度密度为80cm，侧墙和底部混凝土厚度为50cm，密度均为2.35g/cm3的根据σ=ρh，此时六个面的面密度为188g/cm2(天顶)和117.5g/cm2均大于50g/cm2，可以忽略地球天然γ辐射的影响。
建筑材料的电离辐射，约为125.5～135.6nGy/h。
对实验室本底贡献最高的宇宙射线和建筑材料。
6结论
基于屏蔽层设计建议，宇宙射线主要考虑垂直入射角度，且其穿透性很强，低本底实验室的选择最好为地下室，即上层有足够厚的混凝土结构起到屏蔽作用。否则在实验室天花板上耗费的屏蔽材料将陡增。
建筑材料的贡献十分巨大，由于分析采用的是一般建筑材料，因此在低本底实验室建造过程中，其框架选择建材一定为低本底建材，否则整个防护体系的重点就是建筑材料本身的影响，而非真正的去降低天然本底。同时在六面墙体做好铅屏蔽体系。
氡及其子体可采用通风换气等手段降低影响，最终忽略不计。地球天然辐射可忽略不计。
参考文献:
［1］王茜，李雪泓，等．低本底实验室γ谱仪探测限研究［J］，四川环境，2018，37(6):118－123．
［2］曹臻，陈明君，等．高海拔宇宙线观测站LHAASO概况［J］．天文学报，2019．5(3):19－16．
［3］林意，张庆贤，王玥，等．密闭空间氡气浓度变化规律与估算方法研究［J］．同位素，2019，32(2):90－95．
［4］何正中．吕丽丹，周文韬，等．高纯锗γ谱仪对自然环境中氡子体的探测效率刻度［J］．环境与发展，2018，30(2):125－126．
［5］李龙才氡的辐射危害及其监测研究概况［］污染防治术，2017，30(4):1－4．
［6］巢世刚，卢新卫，翟永洪，等．西宁市建筑主体材料放射性水平及氡析出率的研究［J］．核化学与放射化学，2018．10(40:332－335)．
［7］胡颖，白书明，李冠超．广东省建筑材料放射性调查方案设计［J］．环保科技，2017．10(5):36－39．