浙江省環(huán)境保護實驗綜合樓低本底實驗室的設計

王欣剛 向元益 趙順平 甄賜達 張艾明 馬如維

摘要：為輻射環(huán)境監(jiān)測設計一個低本底實驗室，從位置、建材、宇宙射線、屏蔽、防氡、電氣和施工各方面綜合考慮，最終得到空氣吸收劑量率27.2nGy/h，氡濃度降為10Bq/m3的滿意結果。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測;低本底實驗室;設計

中圖分類號：X83 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）05-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.073

Abstract：This paper was to design a low-background laboratories for radiation environment monitoring. Considering location， building materials， cosmic rays， shielding， radon mitigation， electrical and construction factors，The end result：air absorbed dose rate was 27.2nGy/h and radon concentration was 10Bq/m3.

Keywords：Environmental monitoring;Low-background laboratory;Design

低本底實驗室是用于環(huán)境樣品和其他樣品放射性測量的專用實驗室，該實驗室的主要功能有三個方面：（1）γ譜、α譜、總α、總β、低能β等分析測量;（2）參考物質的定值;（3）環(huán)境樣品和其他樣品分析工作的比對與質量保證。

1 概念設計[1]

為使低本底實驗室內本底盡可能降低、高靈敏度儀器穩(wěn)定性盡可能增加，對實驗室做了以下幾方面的設計考慮：（1）建議低本底實驗室建于“綜合樓配房”的地下一層，也可建于地上一層，建于地下一層對降低本底有利，但使用不如地上一層方便;（2）選用低水平物質作為建筑材料和裝飾材料降低實驗室內的γ空氣吸收劑量率;（3）增加墻體厚度為1m以降低宇宙射線和實驗室外環(huán)境物質對劑量率的貢獻;（4）在低本底室內設置20cm厚低水平鐵室和10cm厚低水平鉛室（內襯鎘和銅）進一步降低建材中天然核素和宇宙射線對劑量率的貢獻[2];（5）低本底室內表面覆4mm厚低水平不銹鋼復面，所有復面焊接在一塊，保證整個低本底室的鋼復面成為一個平整的氣密容器以防止建筑物析出的氡進入室內;（6）低本底室配設一套良好的專用通風設備以達到恒溫恒濕和降塵降氡的目的;（7）為保證整個低本底室面的氣密性，兩道門有鋼復面，門與門框有氣密封條;（8）通風管、強電管（電源）和弱電管（通訊、信號）進入室壁處應與鋼復面焊接，室內管線鋪設不能破壞鋼復面;（9）良好的地線是保證高靈敏高穩(wěn)定性儀器工作的必要條件，為此設置電阻小于1歐姆的專用地線供低本底室使用。

2 工程實現(xiàn)

低本底實驗室的工程圖紙由浙江省建筑設計院設計，由于受主體建筑結構和工程進度的限制，建于地上一層，室內地面為梯形，兩底分別為7.7m和5.4m，寬為4.2m，房間高2.8m，墻厚度為1m。實驗室墻體由特選的水泥、石英砂、石英石、減水劑和鋼材等材料澆注而成，用徐州豐寶礦業(yè)有限公司的石英砂和石英碎石代替普通的黃砂和碎石，用浙江三獅達強建材有限公司的低水平放射性水泥代替工地水泥。室內表面均有4mm厚的304不銹鋼復面，所有鋼復面的焊接和通風管、強電管（電源）和弱電管（通訊、信號）進入室壁處與鋼復面的焊接以及室內管線的安裝由富有經驗的杭州市設備安裝有限公司完成，并經杭州聯(lián)誼檢測技術有限公司檢測，保證了整個實驗室內鋼復面成為一個平整的氣密容器。兩道門也有鋼復面，門與門框有氣密封條。恒溫恒濕設備采用海爾公司生產的可除濕空調系統(tǒng)，設備專用房間墻面、地面涂唯一由建設部認可的南華大學研制的瑞爾康FD-5型防氡效率為98%的涂料。實驗室專用地線的接地電阻為0.4Ω，經杭州威爾利科技開發(fā)有限公司檢測，該地線與鋼復面、屏蔽室和低本底室的儀器設備的地線相接。通過選用以上低水平放射性建筑材料和屏蔽材料、降氡、良好的地線及恒溫恒濕等技術措施，使低本底實驗室內空氣吸收劑量率實測值降到27.2nGy/h，氡濃度降為10Bq/m3，得到了滿意的結果。

3 低本底實驗室內空氣吸收劑量率的估算及實測

3.1 低本底實驗室內宇宙射線空氣吸收劑量率的理論估算及實測

初級宇宙射線粒子與大氣中的原子核相互作用產生大量次級宇宙射線，主要包括μ子、電子、光子和核子。在海平面μ子總量約為次級宇宙射線的70%，其余約30%[3]。μ子貫穿本領很大，1000g/cm2的混凝土僅能使它減弱約60%[4]。100g/cm2的混凝土能使核子成分衰減到1/400[4]。而15cm鉛便能差不多完全吸收電子和光子成分[4]。有關資料表明，在5m水當量的地下，μ子強度減弱1.4倍，在60m水當量的地下，μ子強度減弱12倍，在500m水當量的地下，μ子強度減弱106倍[4]，由此數(shù)據可擬合出μ子強度隨不同水當量的衰減曲線，見圖1。在低空，設在微濕空氣中電離功為33.7eV，則空氣中的吸收劑量率為32nGy/h[5]。

低本底實驗室的墻為厚1m的低本底混凝土，密度約為2.61g/cm3，質量厚度約261g/cm2，該質量厚度足以差不多完全吸收核子、電子和光子成分，以及10%的μ子成分。由此，可推算出位于海平面附近的低本底實驗室內宇宙射線產生的空氣吸收劑量率為32×0.9×0.7=20.2nGy/h。

在低本底實驗室（已加4mm厚鋼復面）內反康譜儀的鉛室內用美國產RSS-131型高氣壓電離室測得的空氣吸收劑量率為16.3nGy/h，主要為宇宙射線硬成分的貢獻。考慮到譜儀鉛室及二層以上樓層對宇宙射線的進一步衰減、理論估算的誤差和高氣壓電離室在宇宙射線硬成分所致低劑量的測量中誤差，理論估算值和實測值符合的較好。

3.2 低本底實驗室內γ射線空氣吸收劑量率的理論估算

1m厚的混凝土可使陸地γ輻射所致劑量降低2-3個量級以上，因此周圍環(huán)境的γ輻射對實驗室內部的貢獻可以忽略不計。但建筑材料本身含有天然放射性物質，因此室內的γ射線空氣吸收劑量率大小主要取決于建材中的天然放射性核素的含量、墻壁厚度、房間的幾何形狀、門窗尺寸等因素。在放射性分布均勻、226Ra及其子體和232Th及其子體平衡的情況下，無限厚介質內，空氣空腔的γ劑量率可作為室內γ劑量率的上限值，這個值只取決于建材中天然放射性核素的含量，其計算公式為[6-7]：

式中：為γ空氣吸收劑量率，10-8Gy/h;Ck、CRa和CTh分別為建材中40K、226Ra和232Th的含量，Bq/kg。

根據文獻資料，由密度為2.32g/cm3的主要為SiO2材料建成的房間，當墻厚超過30cm時房間內的由建材產生的γ空氣吸收劑量率不再隨墻體厚度的增加而增大，而且不同大小的房間和房間內的不同位置的變化很不顯著[8]。因此，采用公式（1）計算能很好地估計低本底實驗室內的γ空氣吸收劑量率。最后選定的水泥、石英砂、石英石、減水劑、鋼材和水的放射性含量見表1，其中水泥、石英砂、石英石、減水劑和鋼材由國家環(huán)境保護部輻射監(jiān)測技術中心測量提供，水中放射性含量取自《中國環(huán)境天然放射性水平》浙江省關于錢塘江杭州灣段水中天然放射性測量結果。另外還特別注意測量了鋼材中的60Co和137Cs，未見異常。

*該值按水中總Th全部為232Th換算得出，-該值分別按40K、226Ra和232Th的探測限1Bq/kg、1Bq/kg和5Bq/kg計算。

由此，根據公式（1）可計算出該實驗室內由建材產生的空氣吸收劑量率為14.9nGy/h。由于采用的建材均為低本底材料，室內氡濃度由國家環(huán)境保護部輻射監(jiān)測技術中心連續(xù)監(jiān)測24h為10Bq/m3，房間內空氣中的氡及其子體產生的劑量率小于0.5nGy/h[9]可忽略。因此，該實驗室內總空氣吸收劑量率估算介于16.3+14.9=31.2nGy/h和20.2+14.9=35.1nGy/h之間。

由輻射環(huán)境監(jiān)測技術中心用RSS-131型高氣壓電離室每5min讀一個數(shù)據，共測量300min，實測結果平均為30.6nGy/h。考慮到理論模式、取樣代表性、低水平建材測量和宇宙射線硬成分所致低劑量率測量的誤差以及對部分數(shù)據的偏保守估計，理論估算值和實測值符合的較好。

實驗室內安裝4mm厚的不銹鋼板后，用RSS-131型高氣壓電離室在四個墻角和地面中心測量，室內總空氣吸收劑量率平均值為27.2nGy/h，小于安裝鋼復面之前，主要是由于鋼板的屏蔽和室內氡的進一步降低。

4 選材的選取

本次建材的選取工作從2002年7月29日開始至8月28日結束。在此期間對各廠家的技術力量、供貨能力、價格、產品質量等進行了大量的實地調研和實驗室測量工作，所有建材都經嚴格測量篩選，選取放射性含量低但又兼顧經費和廠家供貨能力的建材。其中，水泥共調研北京、山東、山西、遼寧、安徽及浙江等地的水泥廠21個，采集17個廠家的水泥樣品;砂子共調研江蘇、浙江、福建等地石英砂廠5個，采集樣品5個，一般建筑用黃砂樣品1個;碎石共調研江蘇、北京、河北、浙江等地的鵝卵石、板石、石灰石、石英石、重晶石和鐵礦石等廠家9個，采集石灰石樣品3個、石英石樣品3個、鵝卵石樣品2個和板石1個共9個;鋼材（包括鋼復面、鋼門）共采集淮鋼、馬鋼、杭鋼等廠家鋼材樣品4個;減水劑樣品1個;防氡涂料共調研北京和衡陽廠家2個。所采集的樣品經輻射環(huán)境監(jiān)測技術中心用γ譜儀測量，主要考慮樣品中天然放射性核素的含量，同時監(jiān)測是否有60Co、137Cs等其他放射性雜質，未見異常。部分建材樣品監(jiān)測結果見表2。

根據測量結果和綜合考慮廠家的技術力量、供貨能力、價格、產品質量等各方面因素，最后選定徐州豐寶礦業(yè)有限公司的石英砂和石英石、浙江三獅達強建材有限公司的水泥和唯一由建設部認可的南華大學研制的瑞爾康FD-5型防氡涂料。

5 監(jiān)理的實施

監(jiān)理內容主要包括：選定材料的運輸、存儲;混凝土攪拌、運輸和澆注;各種材料安裝前的放射性檢測;地線及供電預埋件;恒溫恒濕系統(tǒng)的安裝;不銹鋼復面的安裝及氣密性檢測等。監(jiān)理方式主要包括：設計停工待檢點（H點）和見證點（W點）等，監(jiān)理框圖見圖2。

6 質量保證

為保證高質量地完成低本底實驗室的建造，對各個環(huán)節(jié)采取了嚴格的質量控制措施，主要包括：

（1）所有材料一經選定后專庫專人看管;（2）水泥運輸船、運輸車及暫存設備在使用前清掃;（3）混凝土攪拌設備和運輸車使用前用水清洗;（4）所有用于低本底實驗室的材料，包括水泥、石英砂石、減水劑、鋼材、管件等，需經放射性檢測后才能使用;（5）地線接地電阻及鋼復面的氣密性經第三方專業(yè)公司檢驗;（6）所有檢測儀器設備都在檢定的使用期內，包括γ譜儀、高氣壓電離室、超聲波探傷儀等;（7）所有樣品有詳細的采樣記錄、傳遞記錄和數(shù)據記錄;（8）施工中出現(xiàn)的問題采用會議討論和工作聯(lián)系單的方式及時通知到各方保證解決;（9）施工中出現(xiàn)的不符合項及時糾正。

7 結論

環(huán)境保護部輻射環(huán)境監(jiān)測技術中心低本底實驗室完工后，中心對實驗室內空氣吸收劑量率和氡濃度進行了檢測，同時委托杭州威爾利科技開發(fā)有限公司和杭州聯(lián)誼檢測技術有限公司分別對地線電阻和鋼復面焊縫進行檢測。檢測結果為：室內空氣吸收劑量率27.2nGy/h，設計值65nGy/h;室內氡濃度24小時平均值10Bq/m3，設計值大約相當于室外空氣氡濃度8.4Bq/m3;地線接地電阻0.4Ω，設計值1Ω;鋼復面焊縫未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。從檢測結果可以看出，除室內氡濃度外，其余指標均好于設計值，尤其是衡量低本底實驗室的重要指標空氣吸收劑量率達到了27.2nGy/h的很低水平，遠低于中國輻射防護研究院低本底地下實驗室內鐵室外的水平，但稍高于鐵室內的值22.2nGy/h，如不考慮鐵室等的進一步屏蔽，該實驗室代表了我國同類實驗室的最高水平。但與國外低本底實驗室相比還有較大差距，比如，奧地利在地面建立了極低水平實驗室，降低本底的措施包括：30cm厚混凝土墻、空調系統(tǒng)、氮氣降氡、大鐵室、低本底鉛室、反符合塑料閃爍體探測器等，在小于7d的測量時間內對140Ba的探測限為5μBq;德國利用鹽礦在地下925m建立了PTB地下實驗室，室內γ空氣比釋動能率小于0.7nGy/h;日本金澤大學利用廢銅礦在地下125m建立地下實驗室，結合超低本底γ譜儀可測量由環(huán)境中子活化產生的198Au等多種核素。

8 建議

鑒于技術和工程進度的條件，該實驗室未考慮進一步降氡的措施和鐵室的設計，但在設計實驗室時為其做了預留，建議在適當?shù)臅r候進一步提高該實驗室的水平。由于工程進度的限制，本次水泥的調研和購買較倉促，如果時間允許的話，水泥中天然放射性核素226Ra和232Th的含量可降到十幾Bq/kg，但代價會有所增加。

參考文獻

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收稿日期：2019-04-10

作者簡介：王欣剛（1983-），男，環(huán)境監(jiān)測與評價專業(yè)專科畢業(yè)，助理工程師，研究方向為輻射環(huán)境監(jiān)測與防護。