環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)量?jī)x器間比對(duì)評(píng)價(jià)與研究

張 鵬，鄭興國(guó)，趙幽竹，何澤勇

（山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和應(yīng)急保障中心，太原 030027）

為提升和檢驗(yàn)山西省各地市輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)人員的監(jiān)測(cè)能力和業(yè)務(wù)水平，全面了解各地市γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)儀器的性能狀況，提高測(cè)量結(jié)果的可比性，確保山西省輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，山西省核與輻射安全中心于2020年10月15日—16日在晉中市云竹湖組織了全省環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)量?jī)x器間比對(duì)。全省11個(gè)地級(jí)市生態(tài)環(huán)境局相關(guān)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)人員參加了此次比對(duì)。此次比對(duì)活動(dòng)不僅為參加的監(jiān)測(cè)人員提供了學(xué)習(xí)交流的機(jī)會(huì)，也為全省環(huán)境地表γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)能力提供了可靠性保障。

環(huán)境地表γ輻射劑量率是環(huán)境輻射水平測(cè)定的一種比較簡(jiǎn)單和直接的方法［1］，反映了環(huán)境天然γ輻射水平及核活動(dòng)引起的環(huán)境γ變化情況［2］。質(zhì)量控制是輻射監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確測(cè)量的重要組成部分，比對(duì)測(cè)量是檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差最有效的途徑［3］。

近年來(lái)，許多省份都已開(kāi)展環(huán)境γ輻射劑量率測(cè)量比對(duì)，并廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)化四分位距法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理［4-8］，這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化四分位距法是目前國(guó)內(nèi)能力驗(yàn)證機(jī)構(gòu)廣泛采用并得到CNAS［9］認(rèn)可的統(tǒng)計(jì)處理方法。此方法的應(yīng)用有一個(gè)重要前提，即處理的數(shù)據(jù)分布應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布或近似于正態(tài)分布［10］。實(shí)際工作中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布不一定滿(mǎn)足上述條件，如果此時(shí)直接套用計(jì)算公式，會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果不嚴(yán)謹(jǐn)，甚至出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)“取偽”錯(cuò)誤［11］。迭代法是ISO［12］標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［13］推薦的穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)方法，它對(duì)數(shù)據(jù)分布沒(méi)有任何假設(shè)，如果數(shù)據(jù)分布不是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，也能給出比較合理的結(jié)果。但對(duì)于顯著不對(duì)稱(chēng)分布、雙峰分布和存在大比例相同數(shù)值，迭代法也失去作用［10］。以上兩種穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)方法都不需要對(duì)“離群值”進(jìn)行人為干預(yù)。Grubbs準(zhǔn)則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計(jì)也適用于處理正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，但需要在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)前剔除離群值，然后再用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。

我們采用Grubbs準(zhǔn)則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)和迭代穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)3種不同統(tǒng)計(jì)方式的z比分?jǐn)?shù)法對(duì)環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)量?jī)x器間比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和研究。該研究可為γ輻射劑量率測(cè)量?jī)x器比對(duì)評(píng)價(jià)工作提供參考借鑒。

1 參比儀器

參加此次環(huán)境地表γ輻射劑量率比對(duì)的儀器共計(jì)14臺(tái)，分屬10種不同型號(hào)。所有參比儀器均在檢定有效期內(nèi)，都由中國(guó)輻射防護(hù)研究院進(jìn)行檢定，且刻度源均為銫-137。此次參比儀器的檢定證書(shū)中都沒(méi)有涉及能量響應(yīng)的檢定且刻度系數(shù)所對(duì)應(yīng)的劑量率水平至少比環(huán)境本底高一個(gè)數(shù)量級(jí)。L-02和L-08儀器量程下限不滿(mǎn)足GB/T 14583-1993標(biāo)準(zhǔn)［14］規(guī)定的低于10 nGy/h的要求，L-09儀器能量響應(yīng)上限不滿(mǎn)足GB/T 14583-1993標(biāo)準(zhǔn)［14］規(guī)定的不小于3 MeV的要求。儀器型號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儀器型號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Instrument models and main technical parameters

2 測(cè)量點(diǎn)位

本次儀器間比對(duì)選取2個(gè)測(cè)量點(diǎn)位，點(diǎn)位選擇及宇宙射線響應(yīng)值測(cè)量符合《環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)定規(guī)范》（GB/T 14583-93）［14］要求。測(cè)量點(diǎn)位基本信息見(jiàn)表2。測(cè)量點(diǎn)位圖和比對(duì)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)照見(jiàn)圖1-圖3。

表2 測(cè)量點(diǎn)位基本信息Table 2 Basic information of measurement points

圖1 測(cè)量點(diǎn)位圖Fig.1 Map of measurement points

圖2 環(huán)境地表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)照Fig.2 Site photos of environmental terrestrial measurement

圖3 宇宙射線響應(yīng)值測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)照Fig.3 Site photos of cosmic ray response measurement

3 測(cè)量及結(jié)果分析

比對(duì)測(cè)量均在晴朗、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)條件下完成。測(cè)量結(jié)果，按式（1）統(tǒng)一進(jìn)行計(jì)算，每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀器預(yù)熱15分鐘后分別在宇宙射線響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)位讀取100個(gè)數(shù)據(jù)，環(huán)境地表測(cè)量點(diǎn)位讀取10個(gè)數(shù)據(jù)，讀數(shù)間隔都為10 s。

式中：Dγ——測(cè)點(diǎn)環(huán)境地表γ輻射劑量率，Gy/h；

k1——儀器在點(diǎn)位上測(cè)量時(shí)所用量程校準(zhǔn)因子；

k2——儀器測(cè)量量與γ輻射劑量率的轉(zhuǎn)換因子（測(cè)量量為周?chē)鷦┝慨?dāng)量率且刻度源為銫-137時(shí)，該因子取1/1.2 nGyh-1/nSvh-1；若測(cè)量量為空氣比釋動(dòng)能率時(shí)，該因子取1）；

Rγ——測(cè)點(diǎn)儀器讀數(shù)均值，Gy/h；

Dc——宇宙射線電離成分空氣吸收劑量率響應(yīng)值（簡(jiǎn)稱(chēng)宇宙射線響應(yīng)值），Gy/h。

儀器在測(cè)量點(diǎn)位的γ輻射劑量率測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，不同儀器對(duì)宇宙射線的響應(yīng)值不同。在對(duì)環(huán)境地表的實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，γ輻射劑量率儀測(cè)量的數(shù)據(jù)是包含宇宙射線響應(yīng)值的，這便是導(dǎo)致圖4中環(huán)境地表γ輻射劑量率（未扣除宇宙射線響應(yīng)值）差異較大的原因，因此為了使環(huán)境地表γ輻射劑量率具有可比性，需扣除宇宙射線響應(yīng)值的影響。從圖4中可以明顯看出扣除宇宙射線響應(yīng)值后不同儀器在同一測(cè)量點(diǎn)位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）變化趨于平緩，數(shù)值基本處于同一水平。

通過(guò)表1和圖4綜合分析得出：不同型號(hào)儀器（L-01～L-10）對(duì)宇宙射線響應(yīng)值差別較大，相同型號(hào)儀器（L-10～L-14）對(duì)宇宙射線響應(yīng)值差別較小。編號(hào)為L(zhǎng)-01和L-02儀器宇宙射線響應(yīng)值偏高，這主要與它們的能量響應(yīng)范圍比較寬有關(guān)，上限值都為10 MeV，明顯高于其他儀器。

圖4 儀器在測(cè)量點(diǎn)位的γ輻射劑量率測(cè)量結(jié)果Fig.4 Gamma radiation dose rate measurement results of the device at the measurement points

4 評(píng)價(jià)方法

本次儀器比對(duì)結(jié)果評(píng)價(jià)按照《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》（CNAS-GL002:2018）［9］和《利用實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)進(jìn)行能力驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)方法》（GB/T 28043-2019）［13］要求，分別采用Grubbs準(zhǔn)則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)和迭代穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)計(jì)算指定值和能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差，在此基礎(chǔ)上本文采用z比分?jǐn)?shù)（z值）來(lái)對(duì)本次儀器比對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。z比分?jǐn)?shù)（z值）的計(jì)算公式為z=（x-X）/σ，其中x為參加者結(jié)果；X為指定值；σ為能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差。z比分?jǐn)?shù)（z值）判定依據(jù)為：

|z|≤2表明測(cè)量結(jié)果“合格”；

|z|＞2表明測(cè)量結(jié)果“不合格”。

4.1 Grubbs準(zhǔn)則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計(jì)

參比儀器在測(cè)量點(diǎn)位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）數(shù)據(jù)采用Grubbs準(zhǔn)則［15-16］剔除離群值后用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)法計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為指定值和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算各參比儀器測(cè)量結(jié)果的z1值。經(jīng)檢驗(yàn)L-09測(cè)量數(shù)據(jù)為離群值，剔除后直接判定該儀器測(cè)量結(jié)果為“不合格”，不再進(jìn)行z值計(jì)算。測(cè)量?jī)x器的z比分?jǐn)?shù)（z值）及結(jié)果評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)

參比儀器在測(cè)量點(diǎn)位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)［9］進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括：中位值（M）、四分位間距（IQR）、標(biāo)準(zhǔn)四分位間距（NIQR）。其中四分位間距（IQR）為75%分位數(shù)Q3與25%分位數(shù)Q1間的差值，標(biāo)準(zhǔn)四分位間距NIQR=0.7413×（Q3-Q1）。本文采用穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)的中位值作為指定值，標(biāo)準(zhǔn)化四分位距（NIQR）作為能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算各參比儀器測(cè)量結(jié)果的z2值。測(cè)量?jī)x器的z比分?jǐn)?shù)（z值）及結(jié)果評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。

4.3 迭代穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)

參比儀器在測(cè)量點(diǎn)位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）數(shù)據(jù)采用迭代穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)［13］進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用此算法得到參比儀器測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)健平均值和穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)差，將穩(wěn)健平均值作為指定值，穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)差作為能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算各參比儀器測(cè)量結(jié)果的z3值。測(cè)量?jī)x器的z比分?jǐn)?shù)（z值）及結(jié)果評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量?jī)x器的z比分?jǐn)?shù)（z值）及結(jié)果評(píng)價(jià)Table 3 Z-score and result evaluation of measuring devices

測(cè)量?jī)x器的z比分?jǐn)?shù)（z值）統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)量?jī)x器的z比分?jǐn)?shù)（z值）統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Z-score and statistical results of measuring devices

由表3和圖5可知，本次采用Grubbs準(zhǔn)則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)、迭代穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)3種不同統(tǒng)計(jì)方式的z比分?jǐn)?shù)法對(duì)環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)量?jī)x器間比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果具有較好的一致性。

14臺(tái)參比儀器中僅有1臺(tái)MPR200監(jiān)測(cè)儀的比對(duì)結(jié)果為“不合格”，這可能與儀器自身能量響應(yīng)范圍太窄有關(guān)。由表1可知，MPR200監(jiān)測(cè)儀的能量響應(yīng)范圍為60 keV～1.3 MeV，不滿(mǎn)足GB/T 14583-93標(biāo)準(zhǔn)［14］中要求的能量響應(yīng)范圍50 keV～3 MeV。比對(duì)結(jié)果表明參加比對(duì)的γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)儀器整體性能良好。

5 結(jié)論及分析

此次測(cè)量比對(duì)重點(diǎn)關(guān)注儀器自身的性能狀況，所有的評(píng)判分析都是基于組織方核算的測(cè)量結(jié)果，除操作不規(guī)范可能引入的人為因素外，評(píng)判分析結(jié)果主要反映儀器自身的特點(diǎn)。

（1）本文采用Grubbs準(zhǔn)則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)、迭代穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)3種不同統(tǒng)計(jì)方式的z比分?jǐn)?shù)法對(duì)環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)量?jī)x器間比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果具有較好的一致性。

（2）本文綜合評(píng)估14臺(tái)參比儀器，僅有1臺(tái)MPR200監(jiān)測(cè)儀的比對(duì)結(jié)果為“不合格”，這可能與儀器自身能量響應(yīng)范圍太窄有關(guān)，比對(duì)結(jié)果表明參加比對(duì)的γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)儀器整體性能良好。

（3）本文比對(duì)發(fā)現(xiàn)山西省存在測(cè)量環(huán)境本底未扣除或亂扣除宇宙射線響應(yīng)值的現(xiàn)象，部分地市監(jiān)測(cè)人員尚未認(rèn)識(shí)到不同類(lèi)型儀器測(cè)量的宇宙射線響應(yīng)值存在較大差異，儀器直接扣除宇宙射線響應(yīng)值時(shí)未考慮海拔和地磁緯度的影響。

（4）雖然本次比對(duì)的所有儀器檢定單位和刻度源一致，但刻度系數(shù)所對(duì)應(yīng)的劑量率水平至少比環(huán)境本底高一個(gè)數(shù)量級(jí)，沒(méi)有更接近環(huán)境本底水平的刻度系數(shù)可供選擇，建議檢定單位開(kāi)展環(huán)境本底水平的檢定研究。另外，能量響應(yīng)作為儀器主要性能指標(biāo)之一，本文建議檢定儀器時(shí)提供能量響應(yīng)的相對(duì)響應(yīng)誤差（相對(duì)銫-137參考源）。