近年来, 抛光砖、釉面砖、耐磨砖等经过加工的石材和花岗石、大理石等天然石材被广泛用于建筑物的装饰中, 这些质地坚硬、光滑耐磨和自然美观的新兴建材确实美化了人们的生活环境, 这些建材同时又含有一定量的放射性物质, 如果放射性水平较高, 会危及久居其中人们的健康, 因而建材放射性引起了人们的普遍关注。建材放射性对人体的影响分内照射和外照射两部分, 内照射来自氡的体内衰变, 氡随呼吸进入人体后对人体形成近距离照射, 氡及子体衰变放出的α粒子轰击周边细胞, 特别是氡的子体是重金属粒子, 很容易被呼吸系统所截留, 并不断地累积, 因其半衰期短, 全部在原处衰变, 从而对人的呼吸系统造成辐射损伤^[1]。自然界中氡主要有三种同位素, 分别为²¹⁹Rn、²²⁰Rn、²²²Rn, 分别来自锕系、钍系和铀系。因²¹⁹Rn、²²⁰Rn的半衰期很低短(²¹⁹Rn的半衰期为3.96s, ²²⁰Rn的半衰期为55.6s)可以不予考虑。²²²Rn来自²²⁶Ra的衰变, 生成的氡经迁移、扩散和对流等作用, 最后散布到空气中, 吸入后对人体造成内照射损伤, 因此可以说内照射源于²²⁶Ra, 因而国标GB6566-2001给出了²²⁶Ra的限量值。陶瓷地砖是使用量较大的一类建筑装修材料, 研究引入建筑陶瓷后对人体产生的附加内照射具有明确的现实意义, 即:如果可以证明建筑陶瓷表面氡析出不会影响室内空气中氡浓度, 陶瓷产品的内照射指数可不作要求, 从而有助于提高生产厂家的产品合格率。笔者考察了建筑陶瓷中²²²Rn的析出率及²²²Rn析出与²²⁶Ra含量之间的关系。作为对比, 还考察了部分花岗岩的²²²Rn析出率, 由此也验证了本测量模型的可靠性。²²⁶Ra的含量采用γ-能谱法测量, 表面氡的析出采用局部静态法测量。

1 材料与方法 1.1 样品采集与准备

从市售的陶瓷地砖中采集了不同生产厂家、不同时间生产的样品共50个; 作为对比和方法确认, 同时选取市售花岗石板材10个。

为考察建筑陶瓷中镭活度同氡析出关系, 委托陶瓷生产厂制作了系列高镭含量陶瓷地砖样品:将镭含量为4.58 × 10⁶Bq /kg的沥青铀矿粉末按一定比例与陶瓷原料混匀, 底层铺普通原料, 上层铺混入镭粉原料, 压实后按照陶瓷砖的生产条件烧制成高镭含量陶瓷地砖样品一批。为防止放射性粉尘污染环境, 样品未经抛光处理。

1.2 氡收集器的制作与测量方法建立

收集器用不锈钢制作, 制成半径5.6 cm, 高5cm, 体积为0.5L的圆柱形。见图 1。

测量方法:将氡收集器直接倒扣于被测样品表面, 累积20d ^[2]。累积完成后, 沿收集瓶与样品表面接触处用塑料纸轻轻穿过, 再将收集瓶连同待测样品整体倒立, 移走样品, 盖上收集器盖, 抽去塑料纸, 拧紧密封螺丝。将已刻度好的闪烁瓶抽真空后, 进气孔直接与收集瓶抽气孔相连通, 将收集瓶中气体部分引入闪烁瓶。依据《空气中氡浓度的闪烁瓶测量方法》 (GB /T16147-1995)测量瓶中氡浓度, 进而求得被测表面的氡析出率。

测量高镭含量陶瓷表面氡析出率时, 因为样品制作时涉及到高放物质使用, 为尽可能减少使用量, 并受陶瓷样品制作器材所限, 制成的样品规格为10cm×5cm×0.5cm, 表面不足以被收集器覆盖, 故采用了直接封入收集器中测量的操作方式, 放置20 d后测量。镭活度同氡折出率关系见图 2。

1.3 表面氡析出率计算式

设R为氡收集瓶所覆盖表面S的氡析出率(单位:个/m²s), N₀为单位时间从被密封表面S析出氡原子数, 该值假设为一常数, 不随外界条件的变化而变化, N为某时刻收集瓶内氡原子数, A为某时刻收集瓶内氡活度, 若起始时收集瓶内氡原子数为零, 则收集瓶内氡按下列方程累积:

该方程的求解过程如下:

先解齐次方程

再解非齐次方程

用常数变异法, 设N=C(t)e^-λt, 则

带入非齐次方程有C′(t)=N₀e^-λt, 从而

从而

又因t =0时, N=0, 带入上述公式可得

因此从而有

因N₀ = SR故:

(1)

式中: R是以原子个数表示的氡析出率, 单位为“个/m² s ”, 若用J表示以Bq表示的氡析出率, 即单位为“ Bq /(m² s) ”则:

代入(1)式:

(2)

当t ≥5T_{1 /2}时, 收集瓶内氡接近平衡, 即析出的氡等于衰变掉的氡, 此时:

(3)

由上式可知, 只要累积²²² Rn的7个半衰期以上, 即27d以上, 收集瓶内氡浓度即不再增加。闪烁瓶法测量收集瓶内的氡浓度, 即可求出被测表面的氡析出率。

1.4 方法探测下限

在收集器和闪烁瓶体积、累积时间和闪烁瓶发光效率一定的情况下, 本方法中影响氡析出率探测下限的因素只有测量时间和闪烁瓶的本底, 设t₁为计数时间, N_t为闪烁瓶在t₁时间内的总计数, 则闪烁瓶计数率的探测下限由下式给出:

据(2)式, 氡析出率的探测下限为:

式中: V₁、V₂分别为收集器和闪烁瓶体积, K为闪烁瓶的刻度系数, t₂为收集瓶中氡的累积时间。

1.5 仪器

FD-125氡钍分析仪; ORTEC高纯锗γ-谱仪(DSPECjr2.0)。

2 结果和讨论 2.1 普通陶瓷与花岗岩石材表面氡析出率

样品中镭含量测定按国标GB11743-89《土壤中放射性核素的γ能谱测量方法》进行, 析出率采用局部静态法测量, 共测量了50个陶瓷砖样品和10个花岗岩板材, 部分测量结果列于表 1。

采集的50个陶瓷地砖样品的氡析出率均小于0.003 m Bq. m^-2· s^-1, 花岗岩表面氡析出率结果与文献[1]报道值基本接近, 说明该实验模型结果是可靠的。陶瓷地砖中镭含量达到200Bq /kg时, 表面氡析出率仍检不出, 而花岗岩镭含量在20 Bq /kg时表面氡析出率已能明显检出, 说明两者的氡析出行为存在巨大差异。

2.2 高镭陶瓷表面氡析出率

根据放射平衡理论, 经7个半衰期后, 即27d, 才可认为²²⁶ Ra-²²²Rn基本平衡; 样品中最底层衰变生成的氡迁移到表面直至析出也需要一定时间, 但如果某个氡原子在7个半衰期后仍析不出, 表明它已完全在基体中衰变完, 即只有迁移时间小于27 d的原子可以从样品表面析出。结合以上两点, 高镭样品在制作完成后, 放置两个月测量, 此时认为样品表面的氡析出率不再变化(假设无外界因素干扰)。

从表 2可以看到, 陶瓷表层镭含量在数千Ba /kg以上时, 析出氡才得以检出; 陶瓷表层镭浓度逐渐增加时, 表面氡析出率也逐渐增加, 可见陶瓷地砖表面有氡析出。从表 3可以看到高镭含量层厚度在0.86mm以上时, 氡析出率不再随矿粉厚度的增加而增加, 说明氡在陶瓷中扩散距离至少小于0.86mm。

2.3 建筑陶瓷砖表面氡析出对室内氡氡度影响估算

根据GB50325建筑陶瓷表面氡析出率按0.003 mBq.m^-2· s^-1计, 房间高度按3m计, 则在门窗完全密闭的情况下, 现计算该房间可以累积到的最高氡度:不考虑外界条件的影响, 此时氡从陶瓷表面以均一速率析出, 析出的氡又以T_1/2 =3.832d=330 307s的半衰期衰变, 一段时间后, 析出氡与衰变氡建立长期平衡, 据(3)式有:

故:

式中: λ表示氡的衰变常数, 2.1 ×10^-6; C_Rn表示房间内氡浓度; h表示房间高度; J表示陶瓷表面氡析出率。

将各值代入上式计算得出的房间可以累积到的最高氡度为:

据大量实测数据及文献资料^{[3, 4]}, 室内氡浓度范围一般为20 ~ 100Bq /m³, 世界均值为40Bq /m³, 而建筑陶瓷铺设地面后所能引入的氡浓度增加量最大不超过1Bq /m³, 可见建筑陶瓷地砖的引入并没有影响室内氡浓度水平。

3 讨论 3.1 方法可靠性分析

利用本文建立的方法测量建材表面氡析出率, 误差一方面来自实验操作误差和放射性统计误差, 另一方面是实验模型本身的不完善。氡的析出与扩散受很多因素的影响, 比如, 温度和压力、反扩散与扩散泄漏等^{[5, 6]}, 但在本实验模型中均未考虑这些影响因素, 因此会引入一定的误差, 为说明实验数据的可靠程度, 有必要定性分析各影响因素对实验结果的影响程度。

实验操作误差和放射性统计误差可以控制在合理的水平, 实验模型本身不完善引入的误差是误差大小的决定因素。本实验在常温常压下进行, 符合建筑陶瓷的一般使用条件, 温度和压力的影响不是主要影响因素, 对于反扩散, 有人^[7]实验证明, 容器中的氡浓度增长曲线在150h内几乎不受反扩散的影响; 也有资料^[8]表明, 建材氡析出率与外界氡浓度有如下关系:E(T)=E₀-αC(t), 式中E₀是外部似氡浓度为零时的氡面析出率, α是与介质特性有关的参数。由上式可知, 对建筑陶瓷, 由于表面氡析出率极低, 因而反扩散的影响就极小。综上所述, 本实验方法得到的建筑陶瓷表面氡析出率的数据是可靠的, 花岗岩表面氡析出率数据会偏低。

3.2 建筑陶瓷砖与花岗岩板材的氡析出行为差异巨大

陶瓷地砖表面的氡析出率小于0.003 mBq.m^-2· s^-1, 远远低于花岗岩板材的氡析出率。陶瓷地砖引入室内后造成室内空气中氡浓度的增量小于1Bq/m³, 对人体产生的附加内照射可以忽略, 建筑陶瓷的内照射指数的要求^[9]可以适当放宽。