建筑材料中鐳-226放射性檢測技術(shù)研究

摘要
建筑材料中天然放射性核素的含量直接影響公眾輻射暴露水平，其中鐳-226作為鈾-238衰變系的重要成員，其衰變產(chǎn)生的氡氣是室內(nèi)氡污染的主要來源。因此，對建筑材料中鐳-226的活度濃度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測與評估，對保障公眾健康與環(huán)境安全具有重要意義。本文系統(tǒng)闡述了建筑材料中鐳-226的檢測方法、應(yīng)用范圍、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及儀器設(shè)備，旨在為行業(yè)提供全面的技術(shù)參考。

一、 檢測項(xiàng)目：方法與原理

建筑材料中鐳-226的檢測方法主要分為直接測量法和間接測量法。選擇何種方法取決于樣品狀態(tài)、儀器設(shè)備、檢測周期及精度要求。

1. γ能譜法

   • 原理：鐳-226本身γ射線發(fā)射概率很低，但其衰變子體核素（如鉛-214、鉍-214）在衰變時會發(fā)射出特征γ射線。通過測量這些子體核素特征γ射線的全能峰凈面積，并假定鐳-226與其衰變子體處于放射性平衡狀態(tài)，即可計算出鐳-226的活度濃度。常用的特征γ射線能量包括鉛-214的351.9 keV和鉍-214的609.3 keV、1120.3 keV、1764.5 keV。

   • 流程：樣品經(jīng)破碎、研磨、篩分后，在規(guī)定的幾何條件下（通常為Marinelli燒杯或圓柱形樣品盒）密封至少3周，以待氡氣及其短壽命子體達(dá)到放射性平衡。隨后使用高純鍺或碘化鈉γ能譜儀進(jìn)行測量，通過能譜分析軟件計算活度濃度。

   • 特點(diǎn)：此為無損檢測方法，樣品制備簡單，可同時測量鐳-226、釷-232、鉀-40等多種核素。缺點(diǎn)是達(dá)到放射性平衡所需時間較長。

2. 射氣法（氡析出法）

   • 原理：此方法通過直接測量鐳-226衰變產(chǎn)生的氡-222來確定其母體的活度。將粉碎后的建筑材料樣品密封于容器（如閃爍室）中，經(jīng)過一段時間的積累，鐳-226衰變產(chǎn)生的氡氣在容器內(nèi)增長并達(dá)到一定濃度。通過測量積累的氡-222的α放射性活度，反推計算出樣品中鐳-226的活度濃度。

   • 流程：樣品預(yù)處理后，立即放入密封容器并記錄密封起始時間。經(jīng)過一段已知的積累時間（通常為數(shù)天），使用α粒子靈敏的探測器（如閃爍室、半導(dǎo)體探測器）測量容器內(nèi)氡及其子體的α活度。通過解算氡的增長方程，得到鐳-226的活度。

   • 特點(diǎn)：該方法直接針對鐳-226的衰變產(chǎn)物，原理直接，是國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中廣泛采用的方法之一。需要對樣品密封時間進(jìn)行精確控制和計算。

3. 放化分析法

   • 原理：通過化學(xué)方法將鐳從復(fù)雜的建筑材料基質(zhì)中分離、純化，然后通過測量其α放射性或氡的積累來定量。常用的有硫酸鋇共沉淀載帶鐳、EDTA絡(luò)合滴定分離純化等步驟。

   • 流程：樣品經(jīng)高溫灼燒除去有機(jī)物，用強(qiáng)酸（如氫氟酸、硝酸、高氯酸）徹底消解。消解液中加入鋇載體，用硫酸鹽共沉淀載帶鐳，形成硫酸鋇（鐳）沉淀。沉淀經(jīng)純化后，可采取兩種方式測量：

     • α計數(shù)法：將純化的硫酸鋇（鐳）沉淀制成薄源，使用α譜儀或正比計數(shù)器測量其α活度。

     • 射氣法：將純化的沉淀溶于堿性EDTA溶液中，并立即轉(zhuǎn)入密封的射氣系統(tǒng)中，通過測量后續(xù)積累的氡氣來定鐳。

   • 特點(diǎn)：此為有損檢測，流程復(fù)雜、耗時，但準(zhǔn)確度高，常被用作仲裁方法或基體復(fù)雜樣品的分析。能夠有效消除基質(zhì)干擾。

二、 檢測范圍與應(yīng)用需求

建筑材料中鐳-226的檢測覆蓋了幾乎所有可能貢獻(xiàn)于室內(nèi)輻射暴露的原材料及成品。

1. 大宗建筑材料：

   • 水泥及水泥制品：水泥生產(chǎn)使用的石灰石、粘土、石膏等原料可能含有較高天然放射性。

   • 墻體材料：包括燒結(jié)磚、非燒結(jié)磚（如混凝土砌塊、蒸壓加氣混凝土板）、建筑砌塊等。這些材料用量大，其放射性水平對室內(nèi)環(huán)境影響顯著。

   • 混凝土及其骨料：砂、石、碎石等骨料是混凝土中天然放射性的主要來源，需進(jìn)行源頭控制。

2. 功能性及裝飾性材料：

   • 陶瓷磚、衛(wèi)生潔具：其釉料和坯體可能使用放射性水平較高的鋯英砂、特定粘土。

   • 天然與人造石材：花崗巖等天然石材可能含有較高濃度的鈾、鐳；人造石使用的廢渣原料也需關(guān)注。

   • 石膏制品：特別是采用磷石膏、脫硫石膏等工業(yè)副產(chǎn)石膏的產(chǎn)品，其鐳-226含量可能顯著高于天然石膏。

3. 工業(yè)廢渣綜合利用產(chǎn)品：

   • 粉煤灰磚、礦渣水泥：燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰、冶金工業(yè)產(chǎn)生的礦渣等，因其形成過程對天然核素有富集作用，放射性水平普遍較高，其建材資源化利用必須經(jīng)過嚴(yán)格檢測。

4. 土壤與地基材料：

   • 建筑物地下部分直接接觸的土壤及回填材料，是地下室內(nèi)氡氣的重要來源，需進(jìn)行評估。

三、 檢測標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

國內(nèi)外已建立一系列標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范建筑材料中放射性核素的檢測與限值。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 18589-3:2015 《環(huán)境放射性測量 土壤 第3部分：γ發(fā)射核素的測量方法》提供了使用γ能譜法測量土壤和類似基質(zhì)中放射性核素的通用指南，可借鑒于建筑材料。

   • ASTM C1001-19 《通過α粒子閃爍法測定鈾礦石和土壤中鐳-226的標(biāo)準(zhǔn)測試方法》是射氣法的代表性標(biāo)準(zhǔn)。

2. 中國標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB 6566-2010 《建筑材料放射性核素限量》是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了建筑主體材料和裝飾材料中鐳-226、釷-232、鉀-40的活度濃度限值及其檢測方法。該標(biāo)準(zhǔn)推薦使用γ能譜法作為檢測方法。

   • GB/T 11743-2013 《土壤中放射性核素的γ能譜分析方法》詳細(xì)規(guī)定了使用高純鍺γ能譜儀測量土壤、巖石等樣品中放射性核素（包括鐳-226）的技術(shù)要求，常被用于建筑原材料（如粘土、砂石）的檢測。

   • GB/T 16146-2015 《室內(nèi)氡及其子體控制要求》從室內(nèi)氡濃度控制的角度，間接對建筑材料的鐳-226含量提出要求。

   • EJ/T 1117-2000 《巖石、土壤中鐳-226的分析方法》詳細(xì)規(guī)定了放化分析-射氣法測定鐳-226的步驟，是放化分析的重要依據(jù)。

四、 檢測儀器與設(shè)備

1. 高純鍺γ能譜儀

   • 核心部件：高純鍺探測器，需在液氮環(huán)境下工作以獲得極佳的能量分辨率。

   • 輔助系統(tǒng)：鉛、銅復(fù)合結(jié)構(gòu)屏蔽室，用于降低本底；前置放大器、主放大器、多道分析器及譜分析軟件。

   • 功能：實(shí)現(xiàn)對樣品γ能譜的高精度采集和分析，通過識別特征峰能量和面積，定量分析鐳-226及其他核素。是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室主流的檢測設(shè)備。

2. 低本底α/β測量系統(tǒng)

   • 核心部件：流氣式正比計數(shù)器或塑料閃爍體探測器。

   • 功能：在放化分析中，用于測量制備好的鐳源薄片的α活度。系統(tǒng)具有極低的天然本底，確保對弱放射性樣品測量的準(zhǔn)確性。

3. 氡釷分析儀（閃爍室法）

   • 核心部件：內(nèi)部涂有硫化鋅閃爍體的密封室、光電倍增管及計數(shù)器。

   • 功能：專門用于射氣法測量。樣品在閃爍室內(nèi)積累的氡及其子體衰變產(chǎn)生的α粒子轟擊閃爍體產(chǎn)生熒光，被光電倍增管探測并計數(shù)，從而計算鐳-226含量。

4. α能譜儀

   • 核心部件：金硅面壘型探測器或離子注入型硅探測器，置于真空室中。

   • 功能：在放化分析中，可對分離純化后的鐳源進(jìn)行α能譜測量，通過分析α粒子的能量特征，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的核素識別和定量，并可能區(qū)分鐳-224的干擾。

5. 樣品前處理設(shè)備

   • 包括：顎式破碎機(jī)、圓盤粉碎機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)篩、烘箱、馬弗爐（用于灼燒）、控溫電熱板、微波消解儀（用于化學(xué)消解）等。這些設(shè)備保證了樣品能夠滿足不同檢測方法對粒度、均勻性及化學(xué)處理的要求。

結(jié)論

對建筑材料中鐳-226進(jìn)行準(zhǔn)確檢測是評估其放射性安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。γ能譜法、射氣法和放化分析法構(gòu)成了完整的技術(shù)體系，各有優(yōu)勢，適用于不同場景。隨著建筑材料種類的日益豐富和工業(yè)副產(chǎn)物利用的推廣，檢測技術(shù)需不斷向更高精度、更率方向發(fā)展。嚴(yán)格執(zhí)行與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用可靠的儀器設(shè)備，是確保檢測結(jié)果有效性、推動建筑行業(yè)綠色健康發(fā)展的重要保障。