環(huán)境γ輻射劑量率比對(duì)及宇宙射線響應(yīng)測(cè)量結(jié)果與分析

張 華，陳志東，徐潤(rùn)龍，林煒偉，梁明浩

（廣東省環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)中心，廣州，510000）

環(huán)境γ輻射劑量率測(cè)量是全國(guó)輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)和輻射源環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目之一，目前該項(xiàng)目常用的探測(cè)器有電離室、閃爍體探測(cè)器、具有能量補(bǔ)償?shù)腉-M計(jì)數(shù)管等。不同類型探測(cè)器的宇宙射線響應(yīng)值差別較大，在監(jiān)測(cè)結(jié)果中應(yīng)予扣除［1］。

為驗(yàn)證“輻射測(cè)量?jī)x的宇宙射線響應(yīng)和校準(zhǔn)系數(shù)的陸地測(cè)算”方法［2］、加強(qiáng)區(qū)域間的學(xué)習(xí)交流、查找分析不同探測(cè)器測(cè)量結(jié)果的差異，2020年12月廣東省環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)中心（GERC）組織全國(guó)部分省級(jí)輻射監(jiān)測(cè)單位和臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司共10家單位進(jìn)行環(huán)境γ輻射劑量率測(cè)量比對(duì)及宇宙射線響應(yīng)測(cè)量。本文給出了該次比對(duì)的方法及結(jié)果。

1 測(cè)量?jī)x器及測(cè)量點(diǎn)位

參加本次比對(duì)的10家單位攜帶3種不同型號(hào)的儀器共16臺(tái)，所有儀器均在校準(zhǔn)有效期內(nèi)，為便于后續(xù)的比較分析，按照1～16對(duì)所有儀器進(jìn)行編號(hào)。

測(cè)量過(guò)程參照GB/T 14583-93《環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)定規(guī)范》［3］進(jìn)行。本次比對(duì)選取道路、草地各2個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，另外在廣東河源萬(wàn)綠湖進(jìn)行儀器的宇宙射線響應(yīng)測(cè)量，在GERC粵西分部“輻射檢驗(yàn)場(chǎng)”［4］進(jìn)行宇宙射線響應(yīng)及系數(shù)的間接測(cè)量。具體測(cè)量點(diǎn)位為：

（1）粵西分部院內(nèi)測(cè)量點(diǎn)17個(gè)，包括：輻射檢驗(yàn)場(chǎng)15個(gè)，草地1個(gè)，道路1個(gè)；

（2）河源萬(wàn)綠湖測(cè)量點(diǎn)3個(gè)，包括：水面1個(gè)，道路1個(gè)，草地1個(gè)。

其中，道路測(cè)量點(diǎn)均設(shè)置在道路中心線；草地、輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)均遠(yuǎn)離高大樹木和建筑物；萬(wàn)綠湖水面測(cè)量點(diǎn)水深大于3 m，離岸邊大于1 km，測(cè)量時(shí)儀器置于玻璃鋼船上，船體內(nèi)無(wú)壓艙石。

2 測(cè)量及計(jì)算方法

測(cè)量時(shí)氣象條件滿足GB/T 14583-93的要求，并同時(shí)記錄了地理位置和氣象條件等環(huán)境參數(shù)。

測(cè)量原始數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)Grubbs檢驗(yàn)［5］，標(biāo)記出歧離值，剔除離群值，然后求得對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的γ輻射劑量率。

2.1 宇宙射線響應(yīng)值修正方法

考慮到經(jīng)緯度和海拔高度的影響，根據(jù)HJ/T 61-2001《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［6］附錄B，以輻射測(cè)量?jī)x在廣東河源萬(wàn)綠湖實(shí)測(cè)得到的宇宙射線響應(yīng)值為基準(zhǔn)，修正得到該設(shè)備在本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所在地（GERC粵西分部）的宇宙射線響應(yīng)值。修正公式：

式中：

D′c0——輻射測(cè)量?jī)x在萬(wàn)綠湖水面上對(duì)宇宙射線的響應(yīng)值；

Dc0——輻射測(cè)量?jī)x在測(cè)點(diǎn)處對(duì)宇宙射線的響應(yīng)值；

D宇、D′宇——測(cè)點(diǎn)處和萬(wàn)綠湖水面處宇宙射線電離成分在低大氣層中產(chǎn)生的空氣吸收劑量率，單位為 nGy·h-1。

萬(wàn)綠湖測(cè)量點(diǎn)海拔高度為110 m，輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)海拔高度為26 m；粵西分部測(cè)量點(diǎn)緯度為 21°53′12″，經(jīng)度為 111°59′34″；萬(wàn)綠湖測(cè)量點(diǎn)緯度為 23°47′38″，經(jīng)度為 114°35′21″。根據(jù)HJ/T 61-2001《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 》附 錄 B，D宇、D′宇分 別 為 27.5 nGy·h-1、27.9 nGy·h-1，即式（1）為：

2.2 輻射檢驗(yàn)場(chǎng)介紹

輻射檢驗(yàn)場(chǎng)位于廣東省環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)中心粵西分部，長(zhǎng)40 m、寬11 m。場(chǎng)地周圍30 m內(nèi)無(wú)高大建筑物，輻射環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，本底環(huán)境γ劑量率約110 nGy/h。

輻射檢驗(yàn)場(chǎng)用放射性物質(zhì)來(lái)源于某獨(dú)居石冶煉廠產(chǎn)生的固體廢渣，廢渣中含有較高放射性水平的238U、232Th及其子體。廢渣的核素238U、226Ra、232Th、40K 的比活度分別為 1.01×104Bq·kg-1、1.34×105Bq·kg-1、7.87×105Bq·kg-1、6.96×102Bq·kg-1。

將固體廢渣裝入圓柱形不銹鋼樣品盒（直徑10 cm，高12.5 cm）作為輻射檢驗(yàn)場(chǎng)的放射源，裝有廢渣的不銹鋼樣品盒表面及1 m處的劑量率分別約 10 μGy/h 和 1 μGy/h。

圖1為輻射檢驗(yàn)場(chǎng)示意圖，放射源（編號(hào)1A、2A、…、15A 和 1B、2B、…、15B）對(duì)稱放置，測(cè)量點(diǎn)設(shè)在對(duì)稱軸上（如圖1所示D1、D2、…、D15）。

圖1 輻射檢驗(yàn)場(chǎng)示意圖Fig.1 schematic diagram of radiation inspection field

2.3 輻射檢驗(yàn)場(chǎng)理論基礎(chǔ)及計(jì)算方法

任意兩臺(tái)輻射測(cè)量?jī)x同點(diǎn)位測(cè)得的陸地γ輻射劑量率都應(yīng)該相等，即

式中：

Dt——測(cè)量點(diǎn)的陸地γ輻射空氣吸收劑量率；

D、Dc、k——某臺(tái)輻射測(cè)量?jī)x在環(huán)境中的測(cè)量讀數(shù)、對(duì)宇宙射線的響應(yīng)值和該測(cè)量?jī)x對(duì)某種放射源γ射線產(chǎn)生的空氣吸收劑量率的校準(zhǔn)因子；

D0、Dc0、k0——作為量值傳遞輻射測(cè)量?jī)x在環(huán)境中的測(cè)量讀數(shù)、對(duì)宇宙射線的響應(yīng)值和該測(cè)量?jī)x對(duì)某種放射源（與上述放射源類型相同）γ射線產(chǎn)生的空氣吸收劑量率的校準(zhǔn)因子。

由式（3）得：

對(duì)于任意一臺(tái)輻射測(cè)量?jī)x器儀表，校準(zhǔn)因子都為常數(shù)；測(cè)量?jī)x對(duì)宇宙射線的響應(yīng)值在海拔高度近似的情況下，也可近似看作常數(shù)。因此，在環(huán)境中進(jìn)行比對(duì)測(cè)量時(shí)，兩臺(tái)儀器的讀數(shù)將呈線性關(guān)系。

在上述輻射檢驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，將比對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)以D0為x軸、以D為y軸作圖進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到擬合方程y=ax+b，則：

由式（5）、式（6）分別計(jì)算待測(cè)儀器的校準(zhǔn)系數(shù)（實(shí)驗(yàn)值）及宇宙射線響應(yīng)值。

3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

本次宇宙射線響應(yīng)測(cè)量及γ輻射劑量率比對(duì)采用統(tǒng)一的記錄格式，每個(gè)點(diǎn)位記錄20組數(shù)據(jù)。

道路和草地環(huán)境γ輻射劑量率測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)判，依據(jù)《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》［7］（GB/T 28043-2019）和《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》［8］（CNASGL02）推薦的方法；對(duì)于無(wú)指定值的比對(duì)結(jié)果，采用穩(wěn)健Z 比分?jǐn)?shù)法統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)參加比對(duì)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果。利用“輻射檢驗(yàn)場(chǎng)”獲得的宇宙射線響應(yīng)實(shí)驗(yàn)值、校準(zhǔn)系數(shù)實(shí)驗(yàn)值結(jié)果評(píng)判，則采用絕對(duì)偏差或相對(duì)偏差評(píng)價(jià)。

穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)法公式：

式中：

yc——參加比對(duì)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量值；y中位值為中位值；

IQR——四分距IQR=Q3-Q1；

標(biāo)準(zhǔn)IQR為IQR×0.7413，表示標(biāo)準(zhǔn)化四分位距；

Q3——第三、四分位數(shù)，指1/4的結(jié)果數(shù)據(jù)高于該值；

Q1——第一、四分位數(shù)，指1/4的結(jié)果數(shù)據(jù)低于該值。

比對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法：

｜Z｜≤2時(shí)，表明結(jié)果“滿意”；

2＜｜Z｜＜3時(shí)，表明結(jié)果為異常值，應(yīng)查找偏差較大的原因；

｜Z｜≥3時(shí)，表明結(jié)果“不滿意”（結(jié)果為離群值）。

3.1 宇宙射線響應(yīng)及校準(zhǔn)系數(shù)與輻射檢驗(yàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)值比較

本次比對(duì)共有3臺(tái)RSS-131型高壓電離室、11臺(tái)FH40G型便攜式γ輻射劑量率儀、2臺(tái)6150AD型便攜式γ輻射測(cè)量?jī)x在萬(wàn)綠湖進(jìn)行宇宙射線響應(yīng)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果按照公式（2）進(jìn)行修正，詳細(xì)結(jié)果見表1。

本次共14臺(tái)γ輻射測(cè)量?jī)x參加了輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量，首先以儀器代碼1、儀器代碼4為傳遞儀器，然后利用式（5）、式（6）分別獲得同類型儀器的宇宙射線響應(yīng)實(shí)驗(yàn)值和校準(zhǔn)系的實(shí)驗(yàn)值，最后以表1校準(zhǔn)系數(shù)和輻射檢驗(yàn)場(chǎng)宇宙射線響應(yīng)值作為參考值。實(shí)驗(yàn)值與參考值比較結(jié)果見表2。

表1 萬(wàn)綠湖宇宙射線響應(yīng)值及輻射檢驗(yàn)場(chǎng)宇宙射線響應(yīng)修正結(jié)果Table 1 Cosmic ray response measurement of Wanlu Lake and correction results of cosmic ray response of radiation inspection field

表2 宇宙射線響應(yīng)及校準(zhǔn)系數(shù)與輻射檢驗(yàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Table 2 Terrestrial measurement of cosmic ray response and calibration coefficient results

由表2可見，12臺(tái)儀器校準(zhǔn)系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與參考值相對(duì)偏差范圍為-10.1%～21.0%，10%以內(nèi)有11個(gè)，占比為92%，其中儀器代碼9相對(duì)偏差為21%；2臺(tái)高壓電離室的相對(duì)偏差最小，分別為-1.0%和0.0%。宇宙射線響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)偏差范圍為 -5.2～5.5 nGy·h-1，均小于6 nGy·h-1，表明宇宙射線響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)偏差較小，結(jié)果均可接受。

3.2 陸地γ輻射劑量率比對(duì)結(jié)果及分析

本次共有16臺(tái)γ輻射測(cè)量?jī)x參加比對(duì)，得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)64個(gè)。儀器在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的讀數(shù)均值扣除宇宙射線響應(yīng)值、乘以校準(zhǔn)系數(shù)后，監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總于表3。

表3 γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果（nGy·h-1）Table 3 The results of γ radiation dose rate（nGy·h-1）

采用穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)法評(píng)價(jià)表3比對(duì)結(jié)果，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 Z比分?jǐn)?shù)值結(jié)果匯總表Table 4 Z score numerical result summary table

由表4可見，64個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中有60個(gè)數(shù)據(jù)取得滿意的比對(duì)結(jié)果，占總數(shù)的94%；4個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為異常值，分別為儀器代碼9在道路1、道路2、草地2和儀器代碼7在道路2的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

由表3可知，儀器代碼7測(cè)量結(jié)果除草地2之外均為同點(diǎn)位最大值。其中草地2測(cè)量結(jié)果為223.1 nGy·h-1，該點(diǎn)位測(cè)量結(jié)果最大值為224.0 nGy·h-1；儀器代碼9測(cè)量結(jié)果均為同點(diǎn)位最小值。經(jīng)核實(shí)，本次參與比對(duì)的儀器校準(zhǔn)單位共有7家，其中儀器代碼7、儀器代碼9分別來(lái)自上海和湖南某檢定單位。由表2可知，儀器代碼9校準(zhǔn)系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與參考值相對(duì)偏差為21%，因考慮是否因檢定引入系統(tǒng)誤差，故將儀器代碼7、儀器代碼9結(jié)果利用表2系數(shù)實(shí)驗(yàn)值（分別為0.90、1.17）作為校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表5。

表5 γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果（nGy·h-1）Table 5 The results of γ radiation dose rate（nGy·h-1）

將表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)法評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

由表6可見，將儀器代碼7、儀器代碼9測(cè)量結(jié)果利用輻射檢驗(yàn)場(chǎng)系數(shù)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行重新計(jì)算后，監(jiān)測(cè)結(jié)果Z比分?jǐn)?shù)值均＜2，即64個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均取得滿意的比對(duì)結(jié)果，占比100%。

表6 Z比分?jǐn)?shù)值結(jié)果匯總表Table 6 Z score numerical result summary table

續(xù)表

4 結(jié)論

本次共有3種型號(hào)，16臺(tái)γ輻射測(cè)量?jī)x參加比對(duì)測(cè)量，其中14臺(tái)儀器參加輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量。對(duì)輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算結(jié)果采用絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差法進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；對(duì)γ輻射劑量率比對(duì)結(jié)果采用穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)法進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

（1）利用GERC粵西分部輻射檢驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行“輻射測(cè)量?jī)x的宇宙射線響應(yīng)和校準(zhǔn)系數(shù)的陸地測(cè)算”，能方便、快速地計(jì)算輻射測(cè)量?jī)x的宇宙射線響應(yīng)值，且測(cè)量結(jié)果絕對(duì)偏差較小。

（2）對(duì)于高壓電離室型較笨重、不便攜帶的儀器，通過(guò)輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算宇宙射線響應(yīng)值更為省時(shí)省力。

（3）16臺(tái)γ輻射測(cè)量?jī)x64個(gè)直接測(cè)量結(jié)果的滿意占比為94%；利用輻射檢驗(yàn)場(chǎng)傳遞間接獲得實(shí)驗(yàn)系數(shù)后，64個(gè)測(cè)量結(jié)果的滿意占比為100%。不同儀器因檢定單位不同，校準(zhǔn)系數(shù)可能帶來(lái)測(cè)量誤差，造成了可疑的比對(duì)結(jié)果。利用輻射檢驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量能查找及解決測(cè)量結(jié)果不可比的問(wèn)題。