無源效率刻度在建筑材料放射性測量中的應用研究

關世榮，王振超，梅雪松，滕立才，黃龍川，趙 琳，劉萌萌，張 慧

(黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150086)

無源效率刻度在建筑材料放射性測量中的應用研究

關世榮，王振超，梅雪松，滕立才，黃龍川，趙 琳，劉萌萌，張 慧

(黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150086)

利用蒙特卡羅方法對低本底NaI γ譜儀進行無源效率刻度，應用于建筑主體材料放射性測量中。根據國家標準對建筑材料的放射性進行評價，結果表明建筑主體材料226Ra、40K和232Th比活度范圍分別為7.15～23.86、285.11～822.76和13.58～49.51 Bq/kg，其所致居民年有效劑量當量小于國家標準規定1 mSv/a，利用蒙特卡羅模擬效率刻度可以方便快捷給出NaI全能譜探測效率值。

蒙特卡羅方法；NaI；效率刻度；建筑材料

放射性核素226Ra、232Th和40K是天然放射性核素，廣泛存在于建筑材料中，科研人員對建筑材料的放射性水平一直很關注[1-3]。對哈爾濱市的建筑工地進行樣品采集，分析226Ra、232Th和40K的比活度。根據國家標準《建筑材料放射性核素限量》(GB6566-2010)和歐盟放射衛生防護原則進行分析評價。

建材材料放射性測量一般采用γ能譜測量法，γ能譜測量常用的刻度方法有相對測量法和基于蒙卡計算的無源效率刻度法。無源效率刻度法不需要制備和待測體源樣品一致的標準刻度源，刻度過程簡單[4-6]。采用蒙卡方法對NaI探測器進行無源效率刻度，得到全能譜各能量點的效率值，進行放射性定量分析。

1 樣品制備

哈爾濱市常用主體建筑材料主要有紅磚、空心磚、砂子、水泥、碎石，這些主體建筑材料來源于該城市及周邊地區。隨機選擇哈爾濱市的5個建筑工地，依據來源的不同每種建筑材料樣品采集5～8個，共采集50個，每個樣品2.0 kg。根據國家標準，所有樣品經磨碎過80目篩子，在(100±5)℃烘干至恒溫，裝入聚乙烯盒中，稱重(精確至0.1 g)，密封放置4周，待測。

2 實驗儀器與方法

樣品中226Ra、232Th、40K天然放射性核素的比活度測定，采用低本底多道NaI γ能譜儀RMS4096(中國計量技術開發總公司生產)，儀器能量分辨率7.1%(137Cs 662 keV)。探頭放置在厚度為100 mm、高度為480 mm的鉛屏蔽室內，鉛室內徑為220 mm，探頭到鉛室上部高度為17 cm。參考標準物質由中國計量科學研究院提供，參考源基質中含：KCI，40K的比活度為1866.1 Bq/Kg(3.5%，k=2)；釷礦粉末，232Th的比活度為142.7 Bq/kg(3.5%，k=2)；鈾-鐳礦粉末，226Ra的比活度為306.1 Bq/kg(3.5%，k=2)，有效期至2018年9月16日。每個樣品測量時間為21 600 s，測量3次，取平均值。NaI γ譜儀效率刻度采用蒙卡程序MCNP 5模擬計算。

3 結果與討論

3.1 蒙卡模擬全能譜效率刻度曲線

根據實驗測量中所用的NaI探測器幾何結構與參數，建立蒙特卡羅物理模型，見圖1，對53.2～1 461 keV的能量進行模擬刻度。

圖1 NaI探測器物理模型Fig.1 Physical model of NaI detector

在蒙卡計算中，使用脈沖F8卡和能量E8卡進行計數，計算γ射線在NaI晶體中的脈沖計數能譜分布，計算得到模擬效率值，效率刻度曲線見圖2。

圖2 蒙特卡羅模擬NaI探測器效率刻度曲線Fig.2 Monte carlo simulation of NaI detector efficiency curve

3.2 建筑主體材料放射性核素含量

根據NaI探測器的不同能量點的效率值，結合實驗測量計數可以計算出建筑主體材料的比活度。哈爾濱市常用建筑主體材料中天然放射性核素比活度的測量結果如表1。

表1 建筑材料天然放射性核素比活度(Bq/kg)

哈爾濱市常用建筑材料的天然放射性核素226Ra、40K和232Th比活度范圍分別為7.15～23.86、285.11～822.76和13.58～49.51 Bq/kg。其中紅磚和水泥天然放射性核素226Ra、232Th和40K的比活度較高，砂子和碎石的較低。40K在紅磚中最高，平均值為721.11 Bq/kg。在水泥中最低平均值為285.11 Bq/kg；232Th的比活度在紅磚中最高，平均值為49.51 Bq/kg；在砂子中最低，平均值為13.58 Bq/kg。

3.3 建筑主體材料內外照射指數與劑量估算

依據國家最新頒布的《建筑材料放射核素限量》(GB6566-2010)標準，IRa=CRa/200，Ir=CRa/370+CTh/260+Ck/4200，其中CRa、CTh和Ck分布為226Ra、232Th和40K的放射性比活度，單位是Bq/kg。哈爾濱市常用建筑材料的內照射指數IRa為0.036～0.249，外照射指數Iγ為0.257～0.414，內照射指數均小于1，見圖3，我們采集和測定的產品天然放射性水平符合國家標準，可以銷售和使用。

圖3 建筑材料內外照射指數Fig.3 Internal and external exposure factor of building materials from Harbin, China

根據公式ECRa=CRa+1.26CTh+0.086Ck(Bq/kg)對Ra當量濃度進行計算，根據公式HE=3.14×10-3CRa+4.23×10-3CTh+0.275×10-3Ck(mSv/a)對年有效劑量計算估算，哈爾濱市主體建筑材料的天然放射性給人體造成的外照射有效年劑量當量為306.15～467.74 μSv/a。按照我國傳統住宅樓用料比例紅磚46.5%、水泥8.3%、砂34.8%、碎石10.4%計算，估算哈爾濱市傳統住宅樓室內γ輻射所致居民年劑量當量為399.2 μSv/a。

4 結論

常用建筑主體材料所致居民年有效劑量當量小于國家標準規定1 mSv/a，水泥和磚的天然放射性比活度明顯大于其他種類建筑材料，可能是在磚和水泥生產過程中添加了放射性核素比活度較大的工業廢渣造成的。利用蒙特卡羅模擬效率刻度可以方便快捷給出NaI全能譜探測效率值，避免過多標準體源的使用。

[1] 趙彩鳳，盧新衛，李楠，等. 包頭市建筑主體材料天然放射性水平[J].核技術，2012，35(08)：611-614.

[2] 周春林，李天柁，馬文彥，等.γ能譜法測量飾面瓷磚中的放射性[J].輻射研究與輻射工藝學報，2004，22(01)：23-26.

[3] 盧新衛，張斌.西安常用建筑材料天然放射性核素水平[J].中華放射醫學與防護雜志， 2004，24(05)：461-462.

[4] 付杰，徐翠華.無源效率刻度技術研究進展及應用概況[J].核電子學與探測技術，2007，27(04)：799-804.

[5] 李奇，王世聯，樊元慶，等.無源效率刻度在活度測量中的應用研究[J].核電子學與探測技術，2013，33(05)：568-571.

[6] 張明，王仁仲.蒙特卡羅方法模擬放射源位置對井型NaI(Tl)晶體探測器效率的影響[J].核電子學與探測技術，2012，32(01)：50-53.

Application of source-less efficiency calibration in radioactive measurement of building materials

GUAN Shi-rong, WANG Zhen-chao, MEI Xue-song, TENG Li-cai, HUANG Long-chuan, ZHAO Lin, LIU Meng-memg, ZHANG Hui

(Technical Physics Institute of Heilongjiang Academy of Science, Harbin 150086, China)

Source-less efficiency calibration is applied of NaI γ spectrometer efficiency using Monte Carlo method in this paper, which can measure radioactive of building materials. According to the national standard, the radioactivity of building materials was evaluated. The results showed that the specific activity ranges of226Ra,40K and232Th were 7.15～23.86 , 285.11～822.76 and 13.58～49.51 Bq/kg, respectively. The effective dose equivalent national standard provides 1mSv/a, in addition, Monte Carlo simulation efficiency calibration can be quickly and easily give NaI all-round spectrum detection efficiency value.

Monte Carlo; NaI; Efficiency calculation; Building materials

2017-05-20

關世榮(1983-)，女，碩士研究生，助理研究員。

張慧(1982-)，男，博士研究生，副研究員。

O571.33

A

1674-8646(2017)14-0009-03