低本底實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

焦保良 呂 軍

(中國核電工程有限公司河北分公司 石家莊 050010)

低本底γ譜儀廣泛應(yīng)用于輻射防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)研究(如暗物質(zhì)探測、雙β衰變研究)等領(lǐng)域，其本底水平是影響其探測下限的重要因素[1]。在 γ譜儀的應(yīng)用中，降低自然本底是提高探測器靈敏度的有效措施，特別是分析微量與痕量樣品時(shí)，尤為重要。低本底γ測量裝置本身自帶屏蔽體，由一定厚度的鉛、鎘、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子、質(zhì)子、低能光子等軟成份對本底的影響[1]，對本底的貢獻(xiàn)主要是宇宙射線中μ介子與空氣中原子核的相互作用產(chǎn)生的放射性。為了進(jìn)一步降低環(huán)境本底對測量結(jié)果的影響，需要設(shè)計(jì)低本底實(shí)驗(yàn)室，將室內(nèi)環(huán)境的本底值控制在一定范圍內(nèi)。目前公開發(fā)表的關(guān)于低本底實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很少，本文對不同的本底影響因素進(jìn)行計(jì)算和分析，以設(shè)計(jì)滿足本底要求的低本底實(shí)驗(yàn)室。

1 本底構(gòu)成及設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)室本底控制目標(biāo)值為30 nGy/h，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。

1.1 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(huì)產(chǎn)生二次粒子穿透地球的大氣層和表面。主要的初級宇宙射線(來自深太空與大氣層撞擊的粒子)成分在地球上均為穩(wěn)定粒子，如質(zhì)子、原子核或電子。來自太陽系外的天文物理產(chǎn)生的宇宙線是原生宇宙線；這些原宇宙線會(huì)和星際物質(zhì)作用產(chǎn)生衍生(二次)宇宙線。太陽在產(chǎn)生閃焰時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些低能量的宇宙線。宇宙射線從空間進(jìn)入地球大氣層后，其中的高能粒子可與空氣中的原子核發(fā)生反應(yīng)生成宇生放射性核素外，還產(chǎn)生中子、質(zhì)子、μ介子和k介子等一系列次級粒子。對本底的貢獻(xiàn)主要是μ介子與空氣中原子核相互作用產(chǎn)生的放射性，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]。本工程擬建實(shí)驗(yàn)室室外宇宙射線造成的室內(nèi)空氣吸收劑量率為29 nGy/h[3]。

1.2 氡

室內(nèi)空氣中氡及其子體對本底的貢獻(xiàn)不大，濃度為37 Bq/m3的氡子體的γ輻射僅占室內(nèi)總輻射劑量的0.2%[4,5]，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮氡子體的貢獻(xiàn)。

1.3 地球天然γ輻射

地球天然 γ輻射源主要來自地球環(huán)境中的K-40、Th-232和Ra-226，按全球人口加權(quán)平均，室外空氣γ吸收劑量率約為57 nGy/h，成都地區(qū)室外空氣γ吸收劑量率約為81 nGy/h。由于建筑物的屏蔽作用，根據(jù)文獻(xiàn)[4,5]中相關(guān)數(shù)據(jù)，在建筑墻體厚度達(dá)到50 g/cm2后即可不考慮室外地球天然γ輻射對室內(nèi)空氣吸收劑量率的貢獻(xiàn)。

1.4 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 K-40、Ra-226和Th-232，普通混凝土中K-40、Ra-226和Th-232含量典型值分別約為590、52、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[6]。

采用蒙特卡羅方法計(jì)算不同材料、不同密度和不同厚度建筑物內(nèi)γ劑量率，結(jié)果表明，由于建材的自屏蔽效應(yīng)存在一個(gè)平衡厚度或飽和厚度，墻厚超過這一平衡厚度，室內(nèi)劑量率不再增加。建筑物厚度在50 g/cm2左右時(shí)已接近飽和[4,5]，若采用密度為2.5 g/cm3混凝土墻，則墻體厚度約為20 cm時(shí)接近飽和。

1.5 設(shè)計(jì)

根據(jù)上述本底構(gòu)成，本實(shí)驗(yàn)室擬采用低本底建筑材料，四周墻體和底板為50 cm厚的混凝土墻(密度2.5 g/cm3)，頂板為80 cm厚的混凝土墻(密度2.5 g/cm3)；并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)六面均襯鉛板，在鉛板外覆0.4 cm厚不銹鋼板。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，每層樓(厚50 g/cm2)使宇宙射線強(qiáng)度減弱 7%。為盡量降低宇宙射線的影響，將實(shí)驗(yàn)室設(shè)置在底下一層，其上為6層地上建筑物，樓板為厚度12 cm的混凝土。

2 屏蔽計(jì)算

2.1 宇宙射線對室內(nèi)空氣吸收劑量的貢獻(xiàn)

本工程室外宇宙射線造成的室外空氣吸收劑量率為29 nGy/h[3]，低本底實(shí)驗(yàn)室的頂層樓板厚度為80 cm且內(nèi)襯鉛板，實(shí)驗(yàn)室擬建在地下室，實(shí)驗(yàn)室上方還有6層樓，樓板為12 cm厚的混凝土。由文獻(xiàn)[7]知，每層樓(厚50 g/cm2)使宇宙射線強(qiáng)度減弱約 7%，則宇宙射線所致室內(nèi)空氣吸收劑量率約為29×(1?7%)7nGy/h =17.5 nGy/h。為了減少宇宙射線的影響，應(yīng)盡量增加樓板的厚度及層數(shù)，但由于各方面的限制，本實(shí)驗(yàn)室只有6層樓，受到結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性的影響，只能增加實(shí)驗(yàn)室頂層樓板厚度。

2.2 建筑材料對室內(nèi)空氣吸收劑量的貢獻(xiàn)

所采用專用建材的放射性核素含量見表 1，計(jì)算采用的混凝土配比為：水泥∶石英砂∶鵝卵石=1:1.3:2.7。

K-40一次衰變釋放出的γ射線能量為1.46 MeV，強(qiáng)度約為11%。Ra-226屬于鈾系核素，其衰變一次釋放出一組鈾系核素，采用其γ射線譜中主要的能量進(jìn)行計(jì)算，如表2所示。

Th-232屬于釷系核素，其衰變一次釋放出一組釷系核素，采用其γ射線譜中主要的能量進(jìn)行計(jì)算，如表3所示。

表1 建材中的放射性核素含量Table 1 Radionuclide content in building materials.

表2 鈾系核素主要的γ射線譜Table 2 Main γ-ray spectrum of Uranium series nuclides.

表3 釷系核素主要的γ射線譜Table 3 Main γ-ray spectrum of Thorium series nuclides.

2.3 計(jì)算模型和結(jié)果

本工程擬采用蒙特卡羅軟件(MCNP 4C)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)擬建低本底實(shí)驗(yàn)室的大小建立簡化模型如圖1所示，室內(nèi)凈空為790 cm×760 cm×400 cm，四周隔墻混凝土厚為50 cm，樓板混凝土厚度為80 cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)室模型平面圖(a)和剖面圖(b)Fig.1 Plane(a) and section(b) of laboratory model.

計(jì)算室內(nèi)正中心位置的 γ射線空氣吸收劑量率結(jié)果見表 4，由表 4可知，即使不考慮宇宙射線，僅建筑材料自身所致空氣吸收劑量率即達(dá)到24.21 nGy/h?？梢娊ㄖ牧媳旧硭姆派湫院怂貙Ρ镜椎挠绊懯种匾?，若要降低實(shí)驗(yàn)室的本底值，應(yīng)盡量選用本底值低的建筑材料。采用鉛屏蔽后，室內(nèi)空氣吸收劑量率明顯降低(未考慮鉛材料本身放射性核素的影響)。

表4 MCNP計(jì)算結(jié)果Table 4 The results of MCNP.

本工程低本底實(shí)驗(yàn)室四周隔墻采用50 cm厚的混凝土墻，樓板采用80 cm厚的混凝土墻，內(nèi)襯為不同的鉛板厚度(混凝土、混凝土+0.5 cm鉛、混凝土+1 cm鉛、混凝土+1.5 cm鉛)，其室內(nèi)總空氣吸收劑量率分別為41.71 nGy、32.92 nGy、25.7 nGy、21.27 nGy。

可見采用不同的方案，室內(nèi)總空氣吸收劑量率均不相同，隨著內(nèi)襯鉛板厚度的增加而降低，采用內(nèi)襯1 cm鉛板的室內(nèi)總空氣吸收劑量率約為25.7 nGy，足以達(dá)到本底控制目標(biāo)。

3 結(jié)語

室內(nèi)低本底主要由宇宙射線、氡、地球天然 γ輻射和建筑材料中核素產(chǎn)生的輻射組成，其中氡的影響因素可忽略不計(jì)，對本底貢獻(xiàn)最大的為宇宙射線和建筑材料。通過分析計(jì)算，實(shí)驗(yàn)室采用低本底建筑材料，四周墻體和底板為50 cm厚的混凝土墻(密度2.5 g/cm3)，頂板為80 cm厚的混凝土墻(密度2.5 g/cm3)，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)六面均襯1 cm厚鉛板，在鉛板外覆0.4 cm厚不銹鋼板。此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各本底值如下：

(1) 氡和地球天然 γ輻射對室內(nèi)本底的影響可忽略不計(jì)。

(2) 宇宙射線所致室內(nèi)空氣吸收劑量率約為17.5 nGy/h。

(3) 建筑材料本身造成的室內(nèi)空氣吸收劑量率約為8.2 nGy/h。

(4) 室內(nèi)總空氣吸收劑量率約為25.7 nGy/h，滿足本實(shí)驗(yàn)室需求。

1 刁立軍, 侯鐵棟, 李瑋, 等. 用反符合和熱中子屏蔽降低γ譜儀本底[J]. 核技術(shù), 2010, 33(7): 501–505 DIAO Lijun, HOU Tiedong, LI Wei, et al. Experimental study on background reduction of γ-ray spectrometer using anticoincidence and thermal neutron shielding methods[J]. Nuclear Techniques, 2010, 33(7): 501–505

2 吳成祥. 環(huán)境放射學(xué)[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社,1991 WU Chengxiang. Environmental radiology[M]. Beijing:China Environmental Science Press, 1991

3 衛(wèi)生部工業(yè)衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)所. 中國環(huán)境電離輻射水平及居民受照劑量[M]. 北京: 中華人民共和國衛(wèi)生部, 1986 Industrial Hygiene Laboratory of the Ministry of Health.China ionizing radiation levels and dose of residents[M].Beijing: Ministry of Health of the People's Republic of China, 1986

4 Krisiuk Z M. Study and standardization of the radioac tivity of building materials[M]. US ERDA-tr-250, 1974

5 Pensko J. Dosimetry of environmental gamma radiation in poland by mean of gamma ray spectra in field[M].Nucleonika, 1967, 965

6 Garzon L. Radioactivity of building materials and absorbed doses in natural radiation environment (abstract)[C]. Second Special Symposium, Bnmbay, 1982, 120–124

7 任天山. 環(huán)境輻射測量與評價(jià)[M]. 北京: 原子能出版社, 2005 REN Tianshan. Environmental radiation measurement and evaluation[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2005