2. 上海市计量测试技术研究院化学与电离辐射所,上海 201203
随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高, 天然石材因为具有耐用、美观豪华等优点正在被大量应用于高级办公楼以及居民住房等的装饰装修中[1-5]。天然石材中含有不同比活度的天然放射性核素, 这些核素会对人体产生一定的内照射和外照射[6, 7]。居民约有80%的时间是在室内, 若大量使用放射性核素含量较高的石材装饰装修房间, 其所受到天然辐射照射的附加剂量不容忽视[8]。因此, 掌握装饰装修所用石材的放射性水平, 并制定科学合理的石材放射性评价方法和限制标准, 对合理地开发和利用石材资源以及保护环境和保障公众健康都有十分重要的意义。本文对各国装饰装修用石材放射性核素限值标准的制定和执行等相关研究进行综述, 并就该研究领域存在的问题和未来方向进行一些探讨。
1 石材放射性限制标准目前, 许多国家都制定了建材放射性水平评价方法和核素含量限值标准, 这些方法和限值也适用于石材[9]。
Beretka和Mathew[10]提出了用镭当量活度Raeq (Bq·kg-1)来表征不同活度水平的226 Ra、232 Th、40 K所致的辐射危害, 并计算出若石材的Raeq不超过370 Bq·kg-1, 可保证居民受到的外照射剂量低于1.5 mSv·a-1。Raeq的计算见公式(1):
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式中:CRa、CTh、CK分别表示核素226Ra、232Th、40K的比活度(Bq·kg-1), 该公式假定10 Bq·kg-1的226Ra、7 Bq·kg-1的232Th和130 Bq·kg-1的40K产生的γ剂量率相同。
国际上大多数国家采用建材的外照射危害指数Hex和内照射危害指数Hin两项指标来规范建材的放射性核素限量[11, 12]。根据ICRP报告给出的建材所致剂量的上限值1.5 mSv·a-1[13], Krieger[14]按土壤墙体无限厚、无门窗的房间模型提出外照射危害指数Hex的计算公式:
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Hewamanna等[15]考虑到实际房间墙体厚度有限且有门窗, 对该计算公式进行了修正:
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当Hex≤1.0时, 由建材所致的辐射剂量将低于1.5 mSv·a-1。除了外照射, 氡及其子体还会对人体带来内照射, 可用内照射危害指数Hin对其进行量化, Krieger[14]将建材中Ra可接受的最大比活度减少一半得到Hin的计算公式为:
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为了安全, 用于居室的建筑材料应满足Hin≤1.0。
我国根据Beck的半无限大土壤源模型和公众年剂量限值1 mSv·a-1以及ICRP第39号报告推荐的室内平衡等效氡浓度的合理上限100 Bq·m-3, 提出了建材的外照射指数Iγ和内照射指数IRa计算方法, 并制定了现行的国家标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2010)[11], 规定建筑主体材料的放射性核素含量需同时满足Iγ≤1.0和IRa≤1.0。
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对于装饰装修石材, 规定A类(IRa ≤1.0、Iγ ≤ 1.3)装饰装修材料产销与使用范围不受限制; B类(不满足A类, 但IRa≤1.3、Iγ≤1.9)装饰装修材料不可用于I类民用建筑的内饰面, 但可用于Ⅱ类民用建筑物、工业建筑内饰面及其他一切建筑的外饰面; C类(不满足A、B类装修材料要求, 但满足Iγ≤2.8)装饰装修材料只可用于建筑物的外饰面及室外其他用途。
但是装饰材料的放射源模型和建筑主体材料所用的土壤源模型之间在材料尺寸、组成、密度上均存在较大差异, 而且IAEA[16]和ICRP[17]都已明确指出公众的年剂量限值1 mSv·a-1不适用于天然辐射源, ICRP第82号报告中还提到用于单一源的辐射防护最优化的年剂量约束应大于0.3 mSv·a-1[18], 因而, 我国目前的国家标准应用于石材的放射性评价显然还不够科学与合理。
2 石材所致外照射剂量估算模式Beck等[19]和Koblinger[20]的研究表明:建筑材料中放射性核素均匀分布时, 材料中某一核素在距其表面中心高1 m处产生的γ剂量率可以用对应条件下该核素的剂量转换系数和比活度相乘再求和后得到总γ剂量率:
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式中:KRa、KTh、KK和CRa、CTh、CK分别是226 Ra、232Th、40K的比活度-γ剂量率转换系数[nGy·h-1/ (Bq·kg-1)]和放射性比活度(Bq·kg-1)。
先后已有许多学者采用不同计算方法研究过剂量转换系数KRa、KTh、KK, 比如Beck等[19]、Saito等[21]和Markkanen[22]分别用Monte Carlo方法和数值积分算法对半无限大平面土壤源模型所致空气γ剂量率进行了计算, 结果如表 1所示。结果表明:在放射源模型等条件相同时, Monte Carlo方法和数值积分法得到的计算结果是一致的。
建筑材料所致空气γ剂量率不仅与材料中的核素含量有关, 而且还与材料的组成、密度、尺寸等关系很大, 因此可以肯定无限大的土壤源模型与有限大小而且组成、密度、尺寸各不相同的装饰材料源模型算出的剂量转换系数差别较大[23]。Mao等[23]建立了针对装饰材料的物理模型, 并用Monte Carlo方法计算了不同装饰材料源模型主要γ射线所致γ剂量率的剂量转换系数(表 1), 其226 Ra和232 Th的剂量转换系数比Beck和Saito给出的室外土壤源模型的剂量转换系数要小得多。但由于尚缺乏系统研究, 目前许多研究者仍选用表 1中Beck或Saito给出的剂量转换系数来计算。
3 石材放射性测量分析方法国内外诸多研究表明[3, 24]:不同种类石材的放射性核素含量千差万别, 不同产地的同类石材中的放射性核素含量也相差较大。因此, 要准确掌握石材中的放射性水平, 最好要开展实际测量。
采用低本底多道γ能谱仪测量石材中放射性核素的含量, 这是国际上大多数国家惯用的核素含量分析方法, 但对能谱解析过程中, 各目标核素选择哪个子体的特征峰进行分析并未做明确的规定。比如对226Ra的分析, 有的选择214 Bi (609.3 keV或1 764.5 keV), 有的选择214 Pb (295.1 keV或351.9 keV); 对于232Th的分析, 有的选择228 Ac (911.2 keV), 有的选择212Pb (238.6 keV), 还有的选择208 Tl (583.1 keV), 采用不同特征峰的分析方法将可能导致测量结果的差异。另外, 我国现行国家标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2010)[11]对放射性核素测量方法的要求未完全引用GB 11743-89[25]或GB 11713- 89[26]标准, 只提出在样品中天然放射性衰变链基本达到平衡后, 在与标准样品测量条件相同情况下, 采用低本底多道γ能谱仪对其进行226 Ra、232 Th、40 K比活度测量。但是在实际操作过程中, 各单位对"基本达到平衡"的判断没有形成一个统一的指标, 对未达到平衡状态的测量结果修正也缺乏足够的依据, 这些问题都会影响到测量结果的准确性和可比性。
4 展望大量使用石材进行室内外装饰装修, 已引起公众对其所致辐射危害或风险的广泛关注, 开展石材中放射性核素含量分析并估算装饰装修用石材所致辐射剂量的需求越来越多, 测量与评价的准确度要求越来越严格。
综上所述, 目前国内外还主要是利用土壤作为墙体主体材料模型来估算装饰装修用石材对居民所致的附加辐射剂量。但实际上装饰装修用石材的密度和各关键核素的比活度比值、铺设厚度与面积等与主体材料有较大的差异, 另外, 装饰装修石材对建筑主体材料也有屏蔽效果, 因此, 普通建材的剂量估算模型已不能满足对装饰装修用石材所致辐射剂量的准确评估要求。用低本底γ谱仪开展装饰装修用石材中的放射性水平分析虽是经典的方法, 但该方法样品和标准源的制备非常麻烦, 测量过程费力费时, 且需要昂贵的仪器设备, 难以满足现场快速对大量样品进行测量的需求。
为解决上述存在的问题, 有必要建立更为科学且实用的装饰装修用石材的放射性水平评价方法。对于石材放射性水平评价与核素含量限值标准的制定, 可用Monte Carlo模拟计算法或者数值积分算法计算不同类型的装饰装修石材所致γ辐射水平, 建立更加准确合理的辐射剂量估算模式, 再利用单一源的年剂量约束值推导各类石材对应的放射性核素限量标准。对于石材中放射性核素含量的测量, 可对低本底γ能谱仪核素分析方法进行合理明确的规定, 也可通过开展便携式γ谱仪能谱测量及其分析方法的研究, 建立快速测量分析装饰装修石材放射性核素含量的方法。
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