建筑材料放射性和室内氡浓度检测技术中国计量科学研究院李彦禄一、放射性衰变的基本知识1、 同位素和放射性衰变 一切物质都是由原子组成的原子又是由质子和中子构成的原子核、以及围绕原子核运 动的电子组成的质子的数量决定了原子的种类，质子数相同、中子数不同的原子在元素周 期表中处于同一位置，故称为同位素（isotopes）,它们具有相同的化学性质例如，凡质子 数为92的原子都是铀（U）元素，周期表中的序号为92,铀元素有三种天然同位素：铀-234 核素、铀-235核素和铀-238核素，这三种核素的原子核中分别含有142、143和146个中子自然界中存在的核素大多是稳定的，但是它们的一些同位素是不稳定的，会自发的蜕变 成其他的核素或改变其能态，并伴随a、B、Y辐射，这个过程称为放射性衰变（radioac tive decay）放射性衰变的发生是随机的，我们用单位时间内平均发生衰变的次数来衡量样品的 放射性衰变能力，称做放射性强度，或放射性活度（activity）它的单位是贝可［勒尔］（符 号为Bq）、或居里（Ci），1Bq=一次核衰变/秒，lCi=3.7XlOio次核衰变/秒随着衰变进行，样品中放射性核素逐渐减少，其放射性活度呈负指数规律下降 A（t）=A0e叫，入为核素的衰变常数。
放射性活度减弱一半所需的时间称为半衰期T1/2,可以推 出 T1/2=0.693/ 入a粒子是2个质子和2个中子构成的氦原子核，B辐射就是电子流，Y射线的本质是与 无线电波和可见光一样的电磁波，由于它的波长比可见光更短，更有强烈的粒子性表现，所 以我们也常称之为Y光子这些粒子所具有的能量用电子•伏特（electronvolt , eV）来 度量，1eV就是电子经过1伏特的电场加速所获得的能量更大的单位是千电子•伏特（kilo electron volt ， keV）和兆电子•伏特（MeV）， 1keV=1000Ev, 1MeV=1000keV2、 射线与物质的相互作用a、B是带电粒子，它们在人体组织中会与各种分子、原子发生碰撞，减慢速度，失去 能量，最后被吸收掉而被碰撞的分子、原子则被电离和激发，获得的能量最终转变为热（分 子、原子的振动）由于a和B粒子很快就失去了能量，所以它们很难穿过人体组织a粒 子在空气中的最大射程只有几厘米，B粒子在空气中的最大射程只有十几厘米，人只要离放 射性样品远一点或在放射性样品周围加一点屏蔽（铅铝等），a、B粒子就不可能接触人体 不能对人体组织产生伤害Y光子的本质为电磁波，它与物质作用的机理主要有以下三种：（1） 光电效应 Y光子与原子壳层电子相互作用，把能量全部转移给电子，使之成为自 由电子的过程。
Y光子在Y谱仪的探测器中发生光电效应,就形成Y谱中的全能峰（光电峰） 全能峰的峰位（计数最大道的道址或道数）对应Y光子的能量2） 康普顿散射 Y光子与原子最外壳层电子发生弹性碰撞，将部分能量交给电子，使 之脱离原子核的束缚，从原子中逸出，而光子运动方向改变，能量减少Y光子在Y谱仪的 探测器中发生康普顿散射，就形成Y谱中的康谱顿坪3） 电子对生成 能量大于1.02MeV的光子经过原子核场，转化成为一个正电子和一个负电子，Y光子消失3、 GB6566和GB50325中要测量的放射性核素226Ra天然放射性衰变系列铀系（初始核素铀-238）中的核素，半衰期1600年，Y谱仪 测镭-226测得的Y射线是镭-226的子体产生的Y射线（光子），用于计算226Ra活度的Y射 线（光子）主要有：2i4Pb产生的能量295.21keV的光子、能量351.92 keV的光子，2i4Bi产 生的能量609.32keV的光子、能量1120.28keV的光子和能量1764.52keV的光子232Th天然放射性衰变系列钍系的初始核素，半衰期1.40X1010年，Y谱仪测钍-232测 得的Y射线是钍-232的子体产生的Y射线，用于计算232Th活度的Y射线主要有：2】2Pb产生 的能量238. 63keV的光子，228Ac产生的能量338.4keV的光子、能量911.07keV的光子、能 量968. 9keV的光子，2。
8门产生的能量583.19keV的光子和能量2614.7keV的光子40K钾的放射性同位素，半衰期1.40X1010年，Y谱仪测钾-40测得的Y射线是钾-40衰 变产生的Y射线，钾-40衰变只产生一种能量的Y光子，即能量为1460.75 keV的光子222Rn然放射性衰变系列铀系（初始核素铀_238）中的核素，半衰期3.82天，镭-226经 过一次a衰变产生氡-222氡共有27种同位素，从220Rn到226Rn最重要的是三个天然放射 性衰变系（铀系、钍系和锕系）中镭的子体222Rn （Radon）、22°Rn （Thoron）和2i9Rn （Actinium emanation）2】9Rn半衰期不到4秒钟，从它产生的地点到人类呼吸带之前就衰变完了220Rn 的半衰期为55.6秒，在特殊环境下才研究它对人体的影响通常所说的氡仅指222RnY谱仪测活性炭吸附的氡-222测得的Y射线是氡-222的子体产生的Y射线，用于计算 222Rn活度浓度的Y光子主要有：214Pb产生的能量295.21keV的光子、能量351.92 keV的光 子，4Bi产生的能量609.32keV的光子、能量1120.28keV的光子和能量1764.52keV的光子。
214Pb的半衰期为26.8分钟，214Bi的半衰期为19.8分钟，理论上可以推出经过5倍子体半 衰期的时间后母体与子体基本上处于放射性平衡状态活性炭采样结束后一般放3个小时以 后，才用Y谱仪测活性炭盒假如哪一时刻炭盒中处于放射性平衡状态的222Rn与214Pb的活度 为20Bq，意思就是指那一时刻222Rn原子核每秒钟衰变20次产生20个新的214Pb原子核，同 时214Pb原子核每秒钟衰变20次死掉20个214Pb原子核，这样下一时刻222Rn原子核每秒钟衰 变次数与214Pb原子核每秒钟衰变次数仍然相同氡-222衰变产生能量为5.49MeV的a射线，氡-222的子体衰变产生不同能量的a射线、 B射线和Y射线，大部分测氡仪器通过测量a射线来测氡浓度二、Y谱仪与建筑材料放射性比活度检测技术高纯锗Y谱仪价格昂贵，需液氮维护，探测效率低，英文Y谱分析软件很复杂需专业人 员操作，一般执行GB6566和GB50325的检测实验室不必购买高纯锗Y谱仪，用合格的碘化 钠Y谱仪就能完成检测任务碘化钠Nal （Tl）Y谱仪由探测器、数据采集系统（包括数据采集软件）及Y谱分析软 件组成探测器由碘化钠晶体、光电倍增管、前置放大器及铝壳组成；数据采集系统由高低 压电源、放大器、多道分析器组成；多道分析器由模拟数字变换器ADC）、多道数据采集卡 和多道仿真软件组成。
1、选用合格的低本底多道碘化钠Y谱仪现在国内涉及到碘化钠Y谱仪使用的相关标准有2个，即GB 11743-89《土壤中放射性 核素的Y能谱分析方法》和GB/T 16143-1995《建筑物表面氡析出率的活性炭测量方法》， 标准中规定碘化纳晶体尺寸不小于7.5cmX7.5cm,屏蔽室的等效铅当量不小于10cm个别 厂家生产的碘化纳晶体尺寸5.05cmX5.0cm,铅室厚度小于8cm的建材放射性检测仪是不合 格产品这是因为Y谱仪要测量的镭_226、钍-232、钾-40核素在地球上任何一个地方都存 在，实验室的地面、天花板、四面墙壁都会产生镭-226、钍-232、钾-40等核素的Y光子， 这些Y光子能穿透铅室进入碘化纳探测器，铅室厚度不够，Y谱仪本底会很高；碘化纳晶体 尺寸小，Y谱仪探测效率低，Y谱仪测样品时的计数接近Y谱仪测本底时的计数，Y谱仪测 得样品净计数得统计误差大，根据样品净计数算出的样品比活度分散性很大，测量结果达不 到GB6566和GB50325的要求同理，不用铅室的所谓现场测量，测样品时的Y光子计数与没有样品测环境本底时的Y 光子计数几乎一样,也就是分不出测得的Y光子计数是样品的Y光子计数或是周围环境本底 的Y光子计数，这样的测量结果肯定不正确。
质量好的低本底多道碘化钠Y能谱仪，探测效 率高同时本底低，这种Y谱仪能把样品的镭~226、钍-232、钾-40核素产生的Y光子与Y谱 仪周围环境中镭-226、钍-232、钾-40核素产生的Y光子明显区分开，测量结果准确探测器：一般用©7.6cmX©7.6cm碘化钠晶体，分辨率应小于9%分辨率是指137s的 661.66ke V峰的半高宽（FWHM）除以661.66ke V峰的峰位一般进口探测器的分辨率小于7.5%, 实际测量7%左右国产探测器的分辨率7%--10%建议用户购买进口探测器铅室：屏蔽层铅厚度应不小于10cm内腔大的因散射小，屏蔽效果好，内腔直径©220mm 的铅室比较适宜本底计数率应不大于5cps （每秒计数），测本底计数率用3〃X3〃 （7.6cm X7.6cm）碘化钠探测器，关闭铅室本底计数率等于1到1024道全谱计数之和（每道计数 相加）除以测量活时间质量好的本底计数率小于3.3cps （每秒计数）多道分析器：多道道数应为512道或1024道多道仿真软件应有测量预置（设置实时 间、活时间）、设置感兴趣区R0I、能量刻度、寻峰、核素识别等功能Y谱仪稳定性：24小时峰位漂移小于1%。
好的谱仪峰位漂移小于0.7%，长期稳定性一 个月峰位漂移小于1%°Y谱仪稳定性非常重要，丫谱仪要测建材样品放射性比活度必须先 做刻度，测本底谱，分别测镭-226、钍-232、钾-40三个标准源，做一次刻度一般需要1-3 天时间，做完刻度后再测样品分析样品谱时是将镭-226、钍-232、钾-40三个感兴趣区的 每一个区间总计数分别分解成该区间的镭-226的计数、钍-232的计数、钾-40的计数，这 就要求Y谱仪必须有很好的稳定性,保证仪器测样品时的感兴趣区与测标准源时的感兴趣区 相同计算样品放射性比活度的Y谱分析软件：现在只有两种碘化钠Y谱分析方法，逐道最小 二乘法拟合和逆矩阵法，逐道最小二乘法拟合因计算用的道数多，统计误差小，计算结果比 逆矩阵法准确；逆矩阵法用三个感兴趣区计算结果中国原子能科学研究院王理玉教授和清 华大学宋征博士的碘化钠Y谱分析软件用逐道最小二乘法拟合，国内其它的碘化钠Y谱分析 软件全部用逆矩阵法；王理玉教授的软件最好不同软件要求样品的测量时间各不相同，王 理玉教授的软件测样品需2.5小时以上，宋征博士的软件测样品需3小时以上，其他逆矩阵 法软件测样品需4小时以上，才能保证大部分样品的比活度测量结果的不确定度不大于20%。
生产碘化钠Y谱仪的主要厂家有美国PRINCETON GAMMA-TECH公司、CANBERRA公司、 ORTEC公司、北京核仪器厂等，PRINCETON GAMMA-TECH公司的MCA2100R碘化钠Y谱仪采 用美国专利QCC二次压缩变换技术，大大提高了碘化钠Y谱仪的性能（实际分辨率优于其它 厂家），Y谱图中从低能到高能的Y射线峰清晰漂亮（重叠部分很少），能量刻度比其它碘化 钠Y谱仪都准确购买低本底多道碘化钠Y能谱仪要选3〃X3〃（7.6cmX7.6cm）碘化钠探测器、本底 低、数据采集系统质量好的Y谱仪，选质量好的计算样品放射性比活度的Y谱分析软件（王 理玉教授的软件），选用有计量证书的标准源，有这些好的硬件才能保证测量结果准确可靠2、 用有计量证书的标准源标准源应满足以下三个基本要求： 均匀性：基质和标准放射性物质在源盒内的分布是均匀的，制作时应进行均匀性检验 稳定性：在贮存和使用期内，不生成异物或霉变活度值准确：应用锗Y谱仪活度测量标准装置测量定值，不确定度＜10%（k=3）o因碘化钠探测器有温度效应。