建筑材料放射性现场检测建筑建筑材料_建筑-建筑材料.pdf

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1、建筑材料放射性现场检测 项目完成人员：徐 锴 陆 逊 周绚乙 项目完成单位：上海市计量测试技术研究院【摘要】本文对影响建材表面 空气比释动能率测量的几个因素作了研究，提出了一种建材放射性现 场检测方法和剂量限制要求，并对实验和理论计算结果进行了讨论，二者之间有较好的一致性。【关键词】建筑材料；放射性测量 1 前言 一般情况下，建筑物的放射性大部分来自建筑材料中的天然放射性核素，这些放 射性物质对公众造成附加照射，一般表现为全身外照射及其衰变子体的内照射。对建筑 材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的，并以常见的放射性 核素226Ra 232Th 和40K 的比活度表征。国际

2、放射防护委员会（ICRP）对公众规定的五年内 平均年有效剂量限值为 1mSv 如果建造住房和工作用房的建筑材料中 226Ra 232Th 和40K 的比活度分别为 120、100和 1000Bq kg-1（这一放射性水平接近现行国际规定的极限），并假定公众在室内的居留因子为 0.8，则建材放射性对公众个体造成的年有效照射剂量 约为 1.1mSv,已经略为超过 ICRP确定的上述有效剂量限值。为保障公众及其后代的健康与安全，促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发 展，各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标 准及相应的检测方法，并授权或指定有关部门负责贯彻实施。

3、我国现行关于建筑材料放 射性主要有以下三部标准，分别是：1994 年国家建筑材料工业局颁布的 JC518-1993 天 然石材产品放射防 护分类控制 标准；2000 年国家质量 技术监督局修 订发布 的 GB6566-2000 建筑材料放射卫生防护标准；2000 年国家质量技术监督局修订发布的 GB6763-2000 建筑材料产品及建材用工业废渣放射性物质控制要求 2,3,4。上述标准中 所规定的测量条件和限制要求均不相同，而且对建筑物室内的 空气比释动能率没有作 出限值要求和指定检测方法。因此，迫切需要建立一种与现行标准有机联系、适合现场 快速检测、并具操作性的测量方法，以满足市场需求，这对

4、于保护上海城市环境和公众 健康，促进国际大都市的可持续发展具有重要意义。本文以目前市场上大量用于室内装饰的花岗石材料为研究对象，针对影响石材表 面 空气比释动能率测量结果的几个因素进行了实验研究，得出一种现场快速检测方 法，并尝试提出建筑物内部建材放射性的检测方法和限值要求。2实验 2.1 测量仪器和实验材料 本实验测量 空气比释动能率采用便携式-射线辐射仪，比活度测量选用美国 ORTE（公司高纯锗 谱仪，其对60Co1332keV能量峰分辨率为 1.87keV。实验材料选用 山东石岛红花岗石，切割成规格为 50 50 2cm 的正方形薄板。2.2 建材本身对放射性的吸收影响 当光子束穿过吸收

5、介质时，将通过光电效应、康普顿散射和产生电子对三种效应损 失能量,宽束 光子数目的衰减规律由下式表示：5 I Bloe x（1-1）式中，丨0为入射光子束强度,I 为经过厚度为 X 的吸收体后 光子束的强度，为吸收 体的线性减弱系数，B 称为积累因子，是 一个描述散射光子影响的物理量，它与射 线能量、介质种类和厚度等许多因素有关。由于光子的散射效应较为复杂，介质对射 线的吸收通常通过实验测得。考虑到天然石材的放射性水平较低，实验中我们按照地球天然本底 Ra Th、K 的成分比例制作了一块平板源：用60Co 溶 液源（E 平均=1.25MeV）代替4K（E=1.46MeV，Ra 选用 U-Ra

6、平衡粉末，Th 选用 ThO2 粉末，活度分别为2.8 105Bq 2.27 104Bq 1.68 104Bq,均匀混合三种源,用 883万能胶水固定于两块 20cm 20cm 0.8cm的石材中。在距离石材表面 10cm 处分别 测量未加覆盖和覆盖 2cm-42cm 花岗石的剂量率（覆盖面积为 2m 2m），间隔厚度为 2cm,结果如图 2.1 所示。2.3 建材堆放面积对空气比 释动能率测量的影响 在堆放厚度一定，探头 距建材表面距离一定的条 件下，建材表面空气比释动 能率与面积大小明显相关，我们模拟了正方形堆放模 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 覆盖厚度（cm

7、）图 2.1 花岗石对放射性的自吸收影响 5 0 5 0 ooo O 5 0 5 边长（cm）5 cm-10cm 15cm 图 2.2 不同边长模型与空气比释动能率的关系 建材表面空气比释动能率测量的几个因素作了研究提出了一种建材放射性现场检测方法和剂量限制要求并对实验和理论计算结果进行了讨论二者之间有较好的一致性关键词建筑材料放射性测量前言一般情况下建筑物的放射性大部分射对建筑材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的并以常见的放射性核素和的比活度表征国际放射防护委员会对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为如果建造住房和工作用房的建筑材料中和的比活度分年有效照射剂量约为已经略

8、为超过确定的上述有效剂量限值为保障公众及其后代的健康与安全促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发展各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标准及相0 动能率的变化，其结果如图 2.4 3结果 图 2.4 模型厚度与空气比释动能率的关系 体不同边长对空气比释动能率的影响，实验中我们以 40cm 为递增长度，测量 了边长从 20cm到 400cm 的不同面积情 况下与之相对应的建材表面空气比释 动能率，模体厚度为 2cm,测量结果对 土壤本底和宇宙射线作了修正。考虑到 天然石材的放射性水平较低，在模体厚 度仅为 2cm 的条件下，测量统计误差过 大，我们仍旧利用另外

9、制作的较高放射 性水平的平板源作为实验材料。由于没 有足够经费，也不太可能做出一套边长从 20cm 直到 400cm 的平板源，实验中我们把 20cm 20cm 2cm的源放置在以测量点为中心，间隔为 20cm 的周围不同位置，分别测量 其空气比释动能率。最后不同边长模体的空气比释动能率由其相应位置的空气比释动能 率分量算术叠加而得。图 2.2 给出了探测器距建材表面中心高度分别为 5cm 10cm 15cm 时空气比释动能率随模体尺寸大小的变化规律。2.4 探测器距建材表面中心高度对空气比释动能率测量的影响 实验采用 2m 2m 0.5m的堆垛模型作为研究对象，分别测量了贴近材料表面直到距

10、材料表面中心 50cm 处的空气比释动能率，间隔距离为 5cm，测量值对土壤本底和宇 宙射线作了修正，结果如图 2.3所示。2.5 模体厚度对空气比释动能率测量的影 响 我们在模型尺寸 2m 2m 探测器距材料 表面中心 10cm 条件下，测量了堆放厚度从 2cm 到 50cm 厚度间隔为 2cm 的空气比释 3.1 空气比释动能率测量与比活度分析结果对比 实验用花岗石经比活度分析，226Ra 232Th 和40K 含量分别为 48.6、125.9、1120Bq/kg；2m 2m,厚度 0.5m 堆垛距表面中心 10cm 处测得的 空气比释动能率为 178nGy/h(含 本底)。根据 Beck

11、 公式可以计算出堆垛表面空气 吸收剂量率为 152nGy/h，由 1.2 的 实验可知，土壤本底完全被 0.5m 厚的石材所吸收，所以测量之中所含本底仅剩下宇宙 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 距离(cm)图 2.3 测量距离与空气比释动能率的关系 T T T T T 率能动释比气空 2 6 10 14 18 22 2 8 6 4 2 1a a a a 率量剂对相 建材表面空气比释动能率测量的几个因素作了研究提出了一种建材放射性现场检测方法和剂量限制要求并对实验和理论计算结果进行了讨论二者之间有较好的一致性关键词建筑材料放射性测量前言一般情况下建筑物的放射性大部分

12、射对建筑材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的并以常见的放射性核素和的比活度表征国际放射防护委员会对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为如果建造住房和工作用房的建筑材料中和的比活度分年有效照射剂量约为已经略为超过确定的上述有效剂量限值为保障公众及其后代的健康与安全促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发展各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标准及相射线的贡献，根据全国环境天然贯穿辐射水平调查结果 7（1983-1990 年），上海地区的 宇宙射线水平为29nGy/h,从测量值178nGy/h 中扣除宇宙射线的空气比释动能率贡献 29nGy/

13、h，得到 149nGy/h，与 Beck 公式计算结果符合较好。3.2 影响 空气比释动能率测量结果的几个因素 通过模型实验我们可以看出，建材堆放面积大小、厚度不同、测量点的选取不同，对建材表面空气比释动能率的测量结果都有不同程度的影响。3.2.1 建材堆放面积大小对空气比释动能率的影响 由图 2.2 可以看出,对于测量距离 15cm 的曲线,即使模型尺寸达到 4m 4m,空气 比释动能率仍呈继续增大的趋势；对于测量距离 10cm,模型尺寸大于 3.2m 3.2m 时，空 气比释动能率趋于饱和；对于测量距离 5cm,当模型尺寸大于 2m 2m,空气比释动能率 就已经达到饱和。3.2.2 测量距

14、离对空气比释动能率的影响 由图 2.3 可以知道，探测器距模体表面距离远近对测量结果影响很大，距离越远,空 气比释动能率测量值越小，距离材料表面中心10cm 处与 50cm 处的空气比释动能率比值 达到 1.43。3.2.3 建材堆放厚度对空气比释动能率的影响 从图 2.4 容易看出，建材表面空气比释动能率随堆放厚度增加而增加，当厚度达到 30cm以上时，空气比释动能率趋于饱和，厚度 2cm 处的测量值相当于饱和值的 40 流右。3.3 建筑材料放射性现场检测方法 建材放射性现场检测，特别是建筑物室内环境测量条件差别很大，而国家标准所规 定的测量条件过分单一，与现场条件不相适应。针对这一情况，

15、提出一种与现行国家标 准有机联系起来，适合于现场检测,尤其是建筑物内部建材放射性检测的方法和限值要 求，正是本研究所要达到的主要目的。3.3.1 堆场条件的建材放射性检测 堆场条件的空气比释动能率测量比较容易解决，只要参考国家标准 GB6566-2000 中 规定的测量条件和剂量限值执行即可。而且,根据图 2.4 的结果,堆放厚度只要超过 30cm 就可以满足检测需求，不必一定要达到 50cm 的厚度，这样可以减少部分工作强度。对于堆放面积建材表面空气比释动能率测量的几个因素作了研究提出了一种建材放射性现场检测方法和剂量限制要求并对实验和理论计算结果进行了讨论二者之间有较好的一致性关键词建筑材

16、料放射性测量前言一般情况下建筑物的放射性大部分射对建筑材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的并以常见的放射性核素和的比活度表征国际放射防护委员会对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为如果建造住房和工作用房的建筑材料中和的比活度分年有效照射剂量约为已经略为超过确定的上述有效剂量限值为保障公众及其后代的健康与安全促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发展各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标准及相不能达到 2m 2m 要求的，可以根据图 2.2 和表 4.1 所列修正系数对空 气比释动能率限值进行修正。3.3.2 建筑物内部的建材放射性检测 首

17、先测量条件如何确定。考虑到与国家标准的联系，我们认为可以参考国家标准 GB6566-200Q 把探测器放在被测建材表面几何中心位置上方 10cm 处进行测量，理由如 下：根据实验 2.3 和图 2.2 的结果，如果探测距离小于5cm 探测器所测量到的有效范 围比较小，不能反映较大面积建材的放射性真实情况；而探测距离大于 15cm 测量值会 随探测距离增大而减小，由于建材所含放射性水平较低，则会带来很大的统计误差。综 合考虑，我们认为把测量距离定为 10c m 是合适的。对于建筑物室内装饰建材空气比释动能率限值，我们引入建材附加空气比释动能率 这一概念。建材附加空气比释动能率定义为建筑物内装饰材

18、料表面空气比释动能率与未 铺设装饰材料建筑物（如毛坯房）室内空气比释动能率之差值。GB6566-2000 规定 2m 2m 0.5m建材堆垛距离表面中心 10cm 处空气比释动能率限值为 200nGy/h（含本底），而50cm 厚的建材已几乎把土壤本底完全屏蔽，测量的空气比释动能率仅来自建材本身 放射性和宇宙射线的贡献，根据全国环境天然贯穿辐射水平调查结果（1983-1990 年），全国的宇宙射线水平加权平均为 30nGy/h 左右，也就是说 2m 2m 0.5m的建材堆垛引入 的附加表面空气比释动能率限值为 170 nGy/h。对建筑物室内装修，根据目前规定，地 面铺设石材只能选用 1.5

19、2cm 厚的材料薄板，由图 2.4 可知 2cm 厚的石材放射性相当于 50cm 厚石材的40%左右，那么对于 2m 2m 的条件，我们可以把建筑物室内装饰建材附加 空气比释动能率限值定为 70nGy/h，如果铺设面积不等于 4m，可以根据图 2.2 和表 3.1 所列修正系数对附加空气比释动能率限值再做修正。表 3.1 附加空气比释动能率限值对于不同面积的修正系数 面积/m2 0.04 0.16 0.64 1.44 2.56 4 5.76 7.84 10 修正系数 0.16 0.37 0.65 0.80 0.93 1.00 1.06 1.09 1.11 4讨论 4.1 实验与蒙特-卡洛（Mo

20、nte-Carlo）方法计算结果对比 北京防化研究院李湘葆先生，中国计量科学研究院万国庆先生等在他们最近的一项 研究工作中采用 Monte-Carlo 方法，针对建材放射性检测，对不同模型尺寸与不同测量 条件的建筑建材表面空气比释动能率测量的几个因素作了研究提出了一种建材放射性现场检测方法和剂量限制要求并对实验和理论计算结果进行了讨论二者之间有较好的一致性关键词建筑材料放射性测量前言一般情况下建筑物的放射性大部分射对建筑材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的并以常见的放射性核素和的比活度表征国际放射防护委员会对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为如果建造住房和工作用房的建筑

21、材料中和的比活度分年有效照射剂量约为已经略为超过确定的上述有效剂量限值为保障公众及其后代的健康与安全促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发展各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标准及相材料空气比释动能率进行了计算。凑巧我们的研究内容与其基本相同，可 以与之作一比较。对比理论计算与模型实验的结果，我们发现,无论是模型厚度，模型尺寸大小，还是 探测距离对建材表面空气比释动能率的影响，二者之间均呈现较好的一致性。仅对于探 测距离这一因素，当测量距离小于 5cm 时，理论计算与实验测量差异颇为明显，尤其是 当探测器贴近建材表面，即距离趋近于 0 时，二者之间甚至达到

22、一个数量级的差别。如 何解释这一现象呢？实际上，并非总有可能设计出完全理想条件下的仪器装置，象我们 通常采用的便携式辐射仪都存在有一定程度的角相应，当测量距离较近时，探测器将只 能探测到有限范围内所包含的射线，这也就是当探测距离较近时，实测值要小于理论计 算值的原因之所在。4.2 现场检测中的某些具体问题 在建筑材料放射性现场测量当中，有一部分建材形状不规则。由于研究经费和时间 所限，我们的实验仅讨论了正方形一种情况，如有条件可做进一步的工作。4.3 测量结果的不确定度 我们给出空气比释动能率测量结果的扩展不确定度为 23.5%（置信概率 95%），其中 仪器的能量响应贡献最大。实验中使用的便

23、携式-射线辐射仪探头采用碘化钠塑料闪 烁体材料，由于碘化钠探头不同于高压电离室，其对低能部分射线的能量响应不是很好，我们所使用仪器产品说明书中给出的能量响应是小于 20%（100keV 2MeV，而高压电离 室价格昂贵，且不方便携带，所以权衡之下，我们仍选用了塑料闪烁型-射线辐射仪。此外，建筑材料放射性水平很低，空气比释动能率测量值统计涨落很大，有时上下 幅度甚至可以达到 30%。针对这一情况，我们对每一测量点都重复测量 30 次，取其算术 平均值作为结果。单次测量的相对实验标准差为 5%10%。5 结论 本课题研究基本解决了目前建材放射性的现场检测问题。在国家室内建筑材料 空气 比释动能率限

24、制标准尚未制定之前，而作建材比活度测量成本又较高的情况下，我们认 为利用便携式辐射仪测量建材附加空气比释动能率是方便又可行的一个较好的解决办 法。致谢:课题得到了导师张利民与刘树林两位教授的精心指导，此外，项目研究过程 中，与唐方东、李燕飞、杨遂平等同志进行了有益的探讨，在此谨表示衷心感谢。参考文献 1 张利民,刘树林等.关于建材放射性监测的调研报告(内部).上海市计量测试技术研究建材表面空气比释动能率测量的几个因素作了研究提出了一种建材放射性现场检测方法和剂量限制要求并对实验和理论计算结果进行了讨论二者之间有较好的一致性关键词建筑材料放射性测量前言一般情况下建筑物的放射性大部分射对建筑材料放

25、射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的并以常见的放射性核素和的比活度表征国际放射防护委员会对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为如果建造住房和工作用房的建筑材料中和的比活度分年有效照射剂量约为已经略为超过确定的上述有效剂量限值为保障公众及其后代的健康与安全促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发展各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标准及相院,1999.5.2 中华人民共和国建材行业标准,天然石材产品放射防护分类控制标准(JC518-93).北京:中国标 准出版社,1994.3 中华人民共和国国家标准,建筑材料放射卫生防护标准(GB6566-20

26、00).北京:中国标准出版社,2000.4 中华人民共和国国家标准,建筑材料产品及建材用工业废渣放射性物质控制要求(GB6763-2000).北京:中国标准出版社,2000.5 郑成法,毛家骏,秦启宗主编.核化学及核技术应用.北京;原子能出版社,1990:123 6 Unscear report,Annex B,1977.7 全国环境天然贯穿辐射水平调查总结报告编写组.全国环境天然贯穿辐射水平调查研究.辐射防 护,1992,12(2):2 8 李湘葆,万国庆,王清芳等.全国首届室内环境质量研讨会论文集,昆明.2001:114-120 建材表面空气比释动能率测量的几个因素作了研究提出了一种建材放射性现场检测方法和剂量限制要求并对实验和理论计算结果进行了讨论二者之间有较好的一致性关键词建筑材料放射性测量前言一般情况下建筑物的放射性大部分射对建筑材料放射性物质含量的限值是基于辐射防护基本安全标准而确定的并以常见的放射性核素和的比活度表征国际放射防护委员会对公众规定的五年内平均年有效剂量限值为如果建造住房和工作用房的建筑材料中和的比活度分年有效照射剂量约为已经略为超过确定的上述有效剂量限值为保障公众及其后代的健康与安全促进建筑材料的合理利用和建材工业的合理发展各国相继根据本国的放射卫生防护法规和标准制定出建筑材料放射性物质的限制标准及相