浙江省环境保护实验综合楼低本底实验室的设计

王欣刚 向元益 赵顺平 甄赐达 张艾明 马如维

摘要：为辐射环境监测设计一个低本底实验室，从位置、建材、宇宙射线、屏蔽、防氡、电气和施工各方面综合考虑，最终得到空气吸收剂量率27.2nGy/h，氡浓度降为10Bq/m3的满意结果。

关键词：环境监测;低本底实验室;设计

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：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

低本底实验室是用于环境样品和其他样品放射性测量的专用实验室，该实验室的主要功能有三个方面：（1）γ谱、α谱、总α、总β、低能β等分析测量;（2）参考物质的定值;（3）环境样品和其他样品分析工作的比对与质量保证。

1 概念设计[1]

为使低本底实验室内本底尽可能降低、高灵敏度仪器稳定性尽可能增加，对实验室做了以下几方面的设计考虑：（1）建议低本底实验室建于“综合楼配房”的地下一层，也可建于地上一层，建于地下一层对降低本底有利，但使用不如地上一层方便;（2）选用低水平物质作为建筑材料和装饰材料降低实验室内的γ空气吸收剂量率;（3）增加墙体厚度为1m以降低宇宙射线和实验室外环境物质对剂量率的贡献;（4）在低本底室内设置20cm厚低水平铁室和10cm厚低水平铅室（内衬镉和铜）进一步降低建材中天然核素和宇宙射线对剂量率的贡献[2];（5）低本底室内表面覆4mm厚低水平不锈钢复面，所有复面焊接在一块，保证整个低本底室的钢复面成为一个平整的气密容器以防止建筑物析出的氡进入室内;（6）低本底室配设一套良好的专用通风设备以达到恒温恒湿和降尘降氡的目的;（7）为保证整个低本底室面的气密性，两道门有钢复面，门与门框有气密封条;（8）通风管、强电管（电源）和弱电管（通讯、信号）进入室壁处应与钢复面焊接，室内管线铺设不能破坏钢复面;（9）良好的地线是保证高灵敏高稳定性仪器工作的必要条件，为此设置电阻小于1欧姆的专用地线供低本底室使用。

2 工程实现

低本底实验室的工程图纸由浙江省建筑设计院设计，由于受主体建筑结构和工程进度的限制，建于地上一层，室内地面为梯形，两底分别为7.7m和5.4m，宽为4.2m，房间高2.8m，墙厚度为1m。实验室墙体由特选的水泥、石英砂、石英石、减水剂和钢材等材料浇注而成，用徐州丰宝矿业有限公司的石英砂和石英碎石代替普通的黄砂和碎石，用浙江三狮达强建材有限公司的低水平放射性水泥代替工地水泥。室内表面均有4mm厚的304不锈钢复面，所有钢复面的焊接和通风管、强电管（电源）和弱电管（通讯、信号）进入室壁处与钢复面的焊接以及室内管线的安装由富有经验的杭州市设备安装有限公司完成，并经杭州联谊检测技术有限公司检测，保证了整个实验室内钢复面成为一个平整的气密容器。两道门也有钢复面，门与门框有气密封条。恒温恒湿设备采用海尔公司生产的可除湿空调系统，设备专用房间墙面、地面涂唯一由建设部认可的南华大学研制的瑞尔康FD-5型防氡效率为98%的涂料。实验室专用地线的接地电阻为0.4Ω，经杭州威尔利科技开发有限公司检测，该地线与钢复面、屏蔽室和低本底室的仪器设备的地线相接。通过选用以上低水平放射性建筑材料和屏蔽材料、降氡、良好的地线及恒温恒湿等技术措施，使低本底实验室内空气吸收剂量率实测值降到27.2nGy/h，氡浓度降为10Bq/m3，得到了满意的结果。

3 低本底实验室内空气吸收剂量率的估算及实测

3.1 低本底实验室内宇宙射线空气吸收剂量率的理论估算及实测

初级宇宙射线粒子与大气中的原子核相互作用产生大量次级宇宙射线，主要包括μ子、电子、光子和核子。在海平面μ子总量约为次级宇宙射线的70%，其余约30%[3]。μ子贯穿本领很大，1000g/cm2的混凝土仅能使它减弱约60%[4]。100g/cm2的混凝土能使核子成分衰减到1/400[4]。而15cm铅便能差不多完全吸收电子和光子成分[4]。有关资料表明，在5m水当量的地下，μ子强度减弱1.4倍，在60m水当量的地下，μ子强度减弱12倍，在500m水当量的地下，μ子强度减弱106倍[4]，由此数据可拟合出μ子强度随不同水当量的衰减曲线，见图1。在低空，设在微湿空气中电离功为33.7eV，则空气中的吸收剂量率为32nGy/h[5]。

低本底实验室的墙为厚1m的低本底混凝土，密度约为2.61g/cm3，质量厚度约261g/cm2，该质量厚度足以差不多完全吸收核子、电子和光子成分，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实验室内宇宙射线产生的空气吸收剂量率为32×0.9×0.7=20.2nGy/h。

在低本底实验室（已加4mm厚钢复面）内反康谱仪的铅室内用美国产RSS-131型高气压电离室测得的空气吸收剂量率为16.3nGy/h，主要为宇宙射线硬成分的贡献。考虑到谱仪铅室及二层以上楼层对宇宙射线的进一步衰减、理论估算的误差和高气压電离室在宇宙射线硬成分所致低剂量的测量中误差，理论估算值和实测值符合的较好。

3.2 低本底实验室内γ射线空气吸收剂量率的理论估算

1m厚的混凝土可使陆地γ辐射所致剂量降低2-3个量级以上，因此周围环境的γ辐射对实验室内部的贡献可以忽略不计。但建筑材料本身含有天然放射性物质，因此室内的γ射线空气吸收剂量率大小主要取决于建材中的天然放射性核素的含量、墙壁厚度、房间的几何形状、门窗尺寸等因素。在放射性分布均匀、226Ra及其子体和232Th及其子体平衡的情况下，无限厚介质内，空气空腔的γ剂量率可作为室内γ剂量率的上限值，这个值只取决于建材中天然放射性核素的含量，其计算公式为[6-7]：

式中：为γ空气吸收剂量率，10-8Gy/h;Ck、CRa和CTh分别为建材中40K、226Ra和232Th的含量，Bq/kg。

根据文献资料，由密度为2.32g/cm3的主要为SiO2材料建成的房间，当墙厚超过30cm时房间内的由建材产生的γ空气吸收剂量率不再随墙体厚度的增加而增大，而且不同大小的房间和房间内的不同位置的变化很不显著[8]。因此，采用公式（1）计算能很好地估计低本底实验室内的γ空气吸收剂量率。最后选定的水泥、石英砂、石英石、减水剂、钢材和水的放射性含量见表1，其中水泥、石英砂、石英石、减水剂和钢材由国家环境保护部辐射监测技术中心测量提供，水中放射性含量取自《中国环境天然放射性水平》浙江省关于钱塘江杭州湾段水中天然放射性测量结果。另外还特别注意测量了钢材中的60Co和137Cs，未见异常。

*该值按水中总Th全部为232Th换算得出，-该值分别按40K、226Ra和232Th的探测限1Bq/kg、1Bq/kg和5Bq/kg计算。

由此，根据公式（1）可计算出该实验室内由建材产生的空气吸收剂量率为14.9nGy/h。由于采用的建材均为低本底材料，室内氡浓度由国家环境保护部辐射监测技术中心连续监测24h为10Bq/m3，房间内空气中的氡及其子体产生的剂量率小于0.5nGy/h[9]可忽略。因此，该实验室内总空气吸收剂量率估算介于16.3+14.9=31.2nGy/h和20.2+14.9=35.1nGy/h之间。

由辐射环境监测技术中心用RSS-131型高气压电离室每5min读一个数据，共测量300min，实测结果平均为30.6nGy/h。考虑到理论模式、取样代表性、低水平建材测量和宇宙射线硬成分所致低剂量率测量的误差以及对部分数据的偏保守估计，理论估算值和实测值符合的较好。

实验室内安装4mm厚的不锈钢板后，用RSS-131型高气压电离室在四个墙角和地面中心测量，室内总空气吸收剂量率平均值为27.2nGy/h，小于安装钢复面之前，主要是由于钢板的屏蔽和室内氡的进一步降低。

4 选材的选取

本次建材的选取工作从2002年7月29日开始至8月28日结束。在此期间对各厂家的技术力量、供货能力、价格、产品质量等进行了大量的实地调研和实验室测量工作，所有建材都经严格测量筛选，选取放射性含量低但又兼顾经费和厂家供货能力的建材。其中，水泥共调研北京、山东、山西、辽宁、安徽及浙江等地的水泥厂21个，采集17个厂家的水泥样品;砂子共调研江苏、浙江、福建等地石英砂厂5个，采集样品5个，一般建筑用黄砂样品1个;碎石共调研江苏、北京、河北、浙江等地的鹅卵石、板石、石灰石、石英石、重晶石和铁矿石等厂家9个，采集石灰石样品3个、石英石样品3个、鹅卵石样品2个和板石1个共9个;钢材（包括钢复面、钢门）共采集淮钢、马钢、杭钢等厂家钢材样品4个;减水剂样品1个;防氡涂料共调研北京和衡阳厂家2个。所采集的样品经辐射环境监测技术中心用γ谱仪测量，主要考虑样品中天然放射性核素的含量，同时监测是否有60Co、137Cs等其他放射性杂质，未见异常。部分建材样品监测结果见表2。

根据测量结果和综合考虑厂家的技术力量、供货能力、价格、产品质量等各方面因素，最后选定徐州丰宝矿业有限公司的石英砂和石英石、浙江三狮达强建材有限公司的水泥和唯一由建设部认可的南华大学研制的瑞尔康FD-5型防氡涂料。

5 监理的实施

监理内容主要包括：选定材料的运输、存储;混凝土搅拌、运输和浇注;各种材料安装前的放射性检测;地线及供电预埋件;恒温恒湿系统的安装;不锈钢复面的安装及气密性检测等。监理方式主要包括：设计停工待检点（H点）和见证点（W点）等，监理框图见图2。

6 质量保证

为保证高质量地完成低本底实验室的建造，对各个环节采取了严格的质量控制措施，主要包括：

（1）所有材料一经选定后专库专人看管;（2）水泥运输船、运输车及暂存设备在使用前清扫;（3）混凝土搅拌设备和运输车使用前用水清洗;（4）所有用于低本底实验室的材料，包括水泥、石英砂石、减水剂、钢材、管件等，需经放射性检测后才能使用;（5）地线接地电阻及钢复面的气密性经第三方专业公司检验;（6）所有检测仪器设备都在检定的使用期内，包括γ谱仪、高气压电离室、超声波探伤仪等;（7）所有样品有详细的采样记录、传递记录和数据记录;（8）施工中出现的问题采用会议讨论和工作联系单的方式及时通知到各方保证解决;（9）施工中出现的不符合项及时纠正。

7 结论

环境保护部辐射环境监测技术中心低本底实验室完工后，中心对实验室内空气吸收剂量率和氡浓度进行了检测，同时委托杭州威尔利科技开发有限公司和杭州联谊检测技术有限公司分别对地线电阻和钢复面焊缝进行检测。检测结果为：室内空气吸收剂量率27.2nGy/h，设计值65nGy/h;室内氡浓度24小时平均值10Bq/m3，设计值大约相当于室外空气氡浓度8.4Bq/m3;地线接地电阻0.4Ω，设计值1Ω;钢复面焊缝未发现气孔、裂纹等缺陷。从检测结果可以看出，除室内氡浓度外，其余指标均好于设计值，尤其是衡量低本底实验室的重要指标空气吸收剂量率达到了27.2nGy/h的很低水平，远低于中国辐射防护研究院低本底地下实验室内铁室外的水平，但稍高于铁室内的值22.2nGy/h，如不考虑铁室等的进一步屏蔽，该实验室代表了我国同类实验室的最高水平。但与国外低本底实验室相比还有较大差距，比如，奥地利在地面建立了极低水平实验室，降低本底的措施包括：30cm厚混凝土墙、空调系统、氮气降氡、大铁室、低本底铅室、反符合塑料闪烁体探测器等，在小于7d的测量时间内对140Ba的探测限为5μBq;德国利用盐矿在地下925m建立了PTB地下实验室，室内γ空气比释动能率小于0.7nGy/h;日本金泽大学利用废铜矿在地下125m建立地下實验室，结合超低本底γ谱仪可测量由环境中子活化产生的198Au等多种核素。

8 建议

鉴于技术和工程进度的条件，该实验室未考虑进一步降氡的措施和铁室的设计，但在设计实验室时为其做了预留，建议在适当的时候进一步提高该实验室的水平。由于工程进度的限制，本次水泥的调研和购买较仓促，如果时间允许的话，水泥中天然放射性核素226Ra和232Th的含量可降到十几Bq/kg，但代价会有所增加。

参考文献

[1]马如维，张艾明.浙江省环境保护实验综合楼低本底实验室的概念设计[M].内部资料，2002.

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[9]S.Neumaier，D.Arnold，et al，The PTB Underground Laboratory for Dosimetry and Spectrometry，Applied Radiation and Isotopes， Vol.53，P173，2000.

收稿日期：2019-04-10

作者簡介：王欣刚（1983-），男，环境监测与评价专业专科毕业，助理工程师，研究方向为辐射环境监测与防护。