低本底实验室设计

焦保良 吕 军

(中国核电工程有限公司河北分公司 石家庄 050010)

低本底γ谱仪广泛应用于辐射防护、环境监测、科学研究(如暗物质探测、双β衰变研究)等领域，其本底水平是影响其探测下限的重要因素[1]。在 γ谱仪的应用中，降低自然本底是提高探测器灵敏度的有效措施，特别是分析微量与痕量样品时，尤为重要。低本底γ测量装置本身自带屏蔽体，由一定厚度的铅、镉、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[1]，对本底的贡献主要是宇宙射线中μ介子与空气中原子核的相互作用产生的放射性。为了进一步降低环境本底对测量结果的影响，需要设计低本底实验室，将室内环境的本底值控制在一定范围内。目前公开发表的关于低本底实验室设计的文献很少，本文对不同的本底影响因素进行计算和分析，以设计满足本底要求的低本底实验室。

1 本底构成及设计

本实验室本底控制目标值为30 nGy/h，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。

1.1 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。主要的初级宇宙射线(来自深太空与大气层撞击的粒子)成分在地球上均为稳定粒子，如质子、原子核或电子。来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原生宇宙线；这些原宇宙线会和星际物质作用产生衍生(二次)宇宙线。太阳在产生闪焰时，也会产生一些低能量的宇宙线。宇宙射线从空间进入地球大气层后，其中的高能粒子可与空气中的原子核发生反应生成宇生放射性核素外，还产生中子、质子、μ介子和k介子等一系列次级粒子。对本底的贡献主要是μ介子与空气中原子核相互作用产生的放射性，海平面上空气中宇宙射线所造成的空气吸收剂量率为32 nGy/h[2]。本工程拟建实验室室外宇宙射线造成的室内空气吸收剂量率为29 nGy/h[3]。

1.2 氡

室内空气中氡及其子体对本底的贡献不大，浓度为37 Bq/m3的氡子体的γ辐射仅占室内总辐射剂量的0.2%[4,5]，所以在设计时不考虑氡子体的贡献。

1.3 地球天然γ辐射

地球天然 γ辐射源主要来自地球环境中的K-40、Th-232和Ra-226，按全球人口加权平均，室外空气γ吸收剂量率约为57 nGy/h，成都地区室外空气γ吸收剂量率约为81 nGy/h。由于建筑物的屏蔽作用，根据文献[4,5]中相关数据，在建筑墙体厚度达到50 g/cm2后即可不考虑室外地球天然γ辐射对室内空气吸收剂量率的贡献。

1.4 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 K-40、Ra-226和Th-232，普通混凝土中K-40、Ra-226和Th-232含量典型值分别约为590、52、48 Bq/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190 nGy/h[6]。

采用蒙特卡罗方法计算不同材料、不同密度和不同厚度建筑物内γ剂量率，结果表明，由于建材的自屏蔽效应存在一个平衡厚度或饱和厚度，墙厚超过这一平衡厚度，室内剂量率不再增加。建筑物厚度在50 g/cm2左右时已接近饱和[4,5]，若采用密度为2.5 g/cm3混凝土墙，则墙体厚度约为20 cm时接近饱和。

1.5 设计

根据上述本底构成，本实验室拟采用低本底建筑材料，四周墙体和底板为50 cm厚的混凝土墙(密度2.5 g/cm3)，顶板为80 cm厚的混凝土墙(密度2.5 g/cm3)；并在实验室内六面均衬铅板，在铅板外覆0.4 cm厚不锈钢板。

根据文献[7]，每层楼(厚50 g/cm2)使宇宙射线强度减弱 7%。为尽量降低宇宙射线的影响，将实验室设置在底下一层，其上为6层地上建筑物，楼板为厚度12 cm的混凝土。

2 屏蔽计算

2.1 宇宙射线对室内空气吸收剂量的贡献

本工程室外宇宙射线造成的室外空气吸收剂量率为29 nGy/h[3]，低本底实验室的顶层楼板厚度为80 cm且内衬铅板，实验室拟建在地下室，实验室上方还有6层楼，楼板为12 cm厚的混凝土。由文献[7]知，每层楼(厚50 g/cm2)使宇宙射线强度减弱约 7%，则宇宙射线所致室内空气吸收剂量率约为29×(1−7%)7nGy/h =17.5 nGy/h。为了减少宇宙射线的影响，应尽量增加楼板的厚度及层数，但由于各方面的限制，本实验室只有6层楼，受到结构及经济性的影响，只能增加实验室顶层楼板厚度。

2.2 建筑材料对室内空气吸收剂量的贡献

所采用专用建材的放射性核素含量见表 1，计算采用的混凝土配比为：水泥∶石英砂∶鹅卵石=1:1.3:2.7。

K-40一次衰变释放出的γ射线能量为1.46 MeV，强度约为11%。Ra-226属于铀系核素，其衰变一次释放出一组铀系核素，采用其γ射线谱中主要的能量进行计算，如表2所示。

Th-232属于钍系核素，其衰变一次释放出一组钍系核素，采用其γ射线谱中主要的能量进行计算，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 铀系核素主要的γ射线谱Table 2 Main γ-ray spectrum of Uranium series nuclides.

表3 钍系核素主要的γ射线谱Table 3 Main γ-ray spectrum of Thorium series nuclides.

2.3 计算模型和结果

本工程拟采用蒙特卡罗软件(MCNP 4C)进行计算，根据拟建低本底实验室的大小建立简化模型如图1所示，室内净空为790 cm×760 cm×400 cm，四周隔墙混凝土厚为50 cm，楼板混凝土厚度为80 cm。

图1 实验室模型平面图(a)和剖面图(b)Fig.1 Plane(a) and section(b) of laboratory model.

计算室内正中心位置的 γ射线空气吸收剂量率结果见表 4，由表 4可知，即使不考虑宇宙射线，仅建筑材料自身所致空气吸收剂量率即达到24.21 nGy/h。可见建筑材料本身所含的放射性核素对本底的影响十分重要，若要降低实验室的本底值，应尽量选用本底值低的建筑材料。采用铅屏蔽后，室内空气吸收剂量率明显降低(未考虑铅材料本身放射性核素的影响)。

表4 MCNP计算结果Table 4 The results of MCNP.

本工程低本底实验室四周隔墙采用50 cm厚的混凝土墙，楼板采用80 cm厚的混凝土墙，内衬为不同的铅板厚度(混凝土、混凝土+0.5 cm铅、混凝土+1 cm铅、混凝土+1.5 cm铅)，其室内总空气吸收剂量率分别为41.71 nGy、32.92 nGy、25.7 nGy、21.27 nGy。

可见采用不同的方案，室内总空气吸收剂量率均不相同，随着内衬铅板厚度的增加而降低，采用内衬1 cm铅板的室内总空气吸收剂量率约为25.7 nGy，足以达到本底控制目标。

3 结语

室内低本底主要由宇宙射线、氡、地球天然 γ辐射和建筑材料中核素产生的辐射组成，其中氡的影响因素可忽略不计，对本底贡献最大的为宇宙射线和建筑材料。通过分析计算，实验室采用低本底建筑材料，四周墙体和底板为50 cm厚的混凝土墙(密度2.5 g/cm3)，顶板为80 cm厚的混凝土墙(密度2.5 g/cm3)，并在实验室内六面均衬1 cm厚铅板，在铅板外覆0.4 cm厚不锈钢板。此实验室内各本底值如下：

(1) 氡和地球天然 γ辐射对室内本底的影响可忽略不计。

(2) 宇宙射线所致室内空气吸收剂量率约为17.5 nGy/h。

(3) 建筑材料本身造成的室内空气吸收剂量率约为8.2 nGy/h。

(4) 室内总空气吸收剂量率约为25.7 nGy/h，满足本实验室需求。

1 刁立军, 侯铁栋, 李玮, 等. 用反符合和热中子屏蔽降低γ谱仪本底[J]. 核技术, 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 吴成祥. 环境放射学[M]. 北京: 中国环境科学出版社,1991 WU Chengxiang. Environmental radiology[M]. Beijing:China Environmental Science Press, 1991

3 卫生部工业卫生实验所. 中国环境电离辐射水平及居民受照剂量[M]. 北京: 中华人民共和国卫生部, 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. 环境辐射测量与评价[M]. 北京: 原子能出版社, 2005 REN Tianshan. Environmental radiation measurement and evaluation[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2005