环境地表γ辐射剂量率测量仪器间比对评价与研究

2021-07-08郑兴国赵幽竹何泽勇

核安全 2021年3期

张鹏，郑兴国，赵幽竹，何泽勇

（山西省生态环境监测和应急保障中心，太原 030027）

为提升和检验山西省各地市辐射环境监测技术人员的监测能力和业务水平，全面了解各地市γ辐射剂量率监测仪器的性能状况，提高测量结果的可比性，确保山西省辐射监测数据准确可靠，山西省核与辐射安全中心于2020年10月15日—16日在晋中市云竹湖组织了全省环境地表γ辐射剂量率测量仪器间比对。全省11个地级市生态环境局相关辐射环境监测人员参加了此次比对。此次比对活动不仅为参加的监测人员提供了学习交流的机会，也为全省环境地表γ辐射剂量率监测能力提供了可靠性保障。

环境地表γ辐射剂量率是环境辐射水平测定的一种比较简单和直接的方法［1］，反映了环境天然γ辐射水平及核活动引起的环境γ变化情况［2］。质量控制是辐射监测准确测量的重要组成部分，比对测量是检验测量结果准确性，发现测量误差最有效的途径［3］。

近年来，许多省份都已开展环境γ辐射剂量率测量比对，并广泛采用标准化四分位距法对数据进行统计处理［4-8］，这是因为标准化四分位距法是目前国内能力验证机构广泛采用并得到CNAS［9］认可的统计处理方法。此方法的应用有一个重要前提，即处理的数据分布应该是标准正态分布或近似于正态分布［10］。实际工作中，监测数据的分布不一定满足上述条件，如果此时直接套用计算公式，会导致统计结果不严谨，甚至出现统计学“取伪”错误［11］。迭代法是ISO［12］标准、国家标准［13］推荐的稳健统计方法，它对数据分布没有任何假设，如果数据分布不是标准正态分布，也能给出比较合理的结果。但对于显著不对称分布、双峰分布和存在大比例相同数值，迭代法也失去作用［10］。以上两种稳健统计方法都不需要对“离群值”进行人为干预。Grubbs准则剔除离群值经典统计也适用于处理正态分布的数据，但需要在统计数据前剔除离群值，然后再用经典统计方法进行计算。

我们采用Grubbs准则剔除离群值经典统计、标准化四分位距稳健统计和迭代稳健统计3种不同统计方式的z比分数法对环境地表γ辐射剂量率测量仪器间比对数据进行评价和研究。该研究可为γ辐射剂量率测量仪器比对评价工作提供参考借鉴。

1 参比仪器

参加此次环境地表γ辐射剂量率比对的仪器共计14台，分属10种不同型号。所有参比仪器均在检定有效期内，都由中国辐射防护研究院进行检定，且刻度源均为铯-137。此次参比仪器的检定证书中都没有涉及能量响应的检定且刻度系数所对应的剂量率水平至少比环境本底高一个数量级。L-02和L-08仪器量程下限不满足GB/T 14583-1993标准［14］规定的低于10 nGy/h的要求，L-09仪器能量响应上限不满足GB/T 14583-1993标准［14］规定的不小于3 MeV的要求。仪器型号及主要技术参数见表1。

表1 仪器型号及主要技术参数Table 1 Instrument models and main technical parameters

2 测量点位

本次仪器间比对选取2个测量点位，点位选择及宇宙射线响应值测量符合《环境地表γ辐射剂量率测定规范》（GB/T 14583-93）［14］要求。测量点位基本信息见表2。测量点位图和比对测量现场照见图1-图3。

表2 测量点位基本信息Table 2 Basic information of measurement points

图1 测量点位图Fig.1 Map of measurement points

图2 环境地表测量现场照Fig.2 Site photos of environmental terrestrial measurement

图3 宇宙射线响应值测量现场照Fig.3 Site photos of cosmic ray response measurement

3 测量及结果分析

比对测量均在晴朗、无风或微风条件下完成。测量结果，按式（1）统一进行计算，每台监测仪器预热15分钟后分别在宇宙射线响应测量点位读取100个数据，环境地表测量点位读取10个数据，读数间隔都为10 s。

式中：Dγ——测点环境地表γ辐射剂量率，Gy/h；

k1——仪器在点位上测量时所用量程校准因子；

k2——仪器测量量与γ辐射剂量率的转换因子（测量量为周围剂量当量率且刻度源为铯-137时，该因子取1/1.2 nGyh-1/nSvh-1；若测量量为空气比释动能率时，该因子取1）；

Rγ——测点仪器读数均值，Gy/h；

Dc——宇宙射线电离成分空气吸收剂量率响应值（简称宇宙射线响应值），Gy/h。

仪器在测量点位的γ辐射剂量率测量结果如图4所示。

由图4可知，不同仪器对宇宙射线的响应值不同。在对环境地表的实际监测工作中，γ辐射剂量率仪测量的数据是包含宇宙射线响应值的，这便是导致图4中环境地表γ辐射剂量率（未扣除宇宙射线响应值）差异较大的原因，因此为了使环境地表γ辐射剂量率具有可比性，需扣除宇宙射线响应值的影响。从图4中可以明显看出扣除宇宙射线响应值后不同仪器在同一测量点位的环境地表γ辐射剂量率（扣除宇宙射线响应值）变化趋于平缓，数值基本处于同一水平。

通过表1和图4综合分析得出：不同型号仪器（L-01～L-10）对宇宙射线响应值差别较大，相同型号仪器（L-10～L-14）对宇宙射线响应值差别较小。编号为L-01和L-02仪器宇宙射线响应值偏高，这主要与它们的能量响应范围比较宽有关，上限值都为10 MeV，明显高于其他仪器。

图4 仪器在测量点位的γ辐射剂量率测量结果Fig.4 Gamma radiation dose rate measurement results of the device at the measurement points

4 评价方法

本次仪器比对结果评价按照《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》（CNAS-GL002:2018）［9］和《利用实验室间比对进行能力验证的统计方法》（GB/T 28043-2019）［13］要求，分别采用Grubbs准则剔除离群值经典统计、标准化四分位距稳健统计和迭代稳健统计计算指定值和能力评定标准差，在此基础上本文采用z比分数（z值）来对本次仪器比对结果进行评价。z比分数（z值）的计算公式为z=（x-X）/σ，其中x为参加者结果；X为指定值；σ为能力评定标准差。z比分数（z值）判定依据为：

|z|≤2表明测量结果“合格”；

|z|＞2表明测量结果“不合格”。

4.1 Grubbs准则剔除离群值经典统计

参比仪器在测量点位的环境地表γ辐射剂量率（扣除宇宙射线响应值）数据采用Grubbs准则［15-16］剔除离群值后用经典统计法计算平均值和标准差，以平均值和标准差作为指定值和评定标准差计算各参比仪器测量结果的z1值。经检验L-09测量数据为离群值，剔除后直接判定该仪器测量结果为“不合格”，不再进行z值计算。测量仪器的z比分数（z值）及结果评价见表3。

4.2 标准化四分位距稳健统计

参比仪器在测量点位的环境地表γ辐射剂量率（扣除宇宙射线响应值）数据采用标准化四分位距稳健统计［9］进行计算，统计参数包括：中位值（M）、四分位间距（IQR）、标准四分位间距（NIQR）。其中四分位间距（IQR）为75%分位数Q3与25%分位数Q1间的差值，标准四分位间距NIQR=0.7413×（Q3-Q1）。本文采用稳健统计的中位值作为指定值，标准化四分位距（NIQR）作为能力评定标准差计算各参比仪器测量结果的z2值。测量仪器的z比分数（z值）及结果评价见表3。

4.3 迭代稳健统计

参比仪器在测量点位的环境地表γ辐射剂量率（扣除宇宙射线响应值）数据采用迭代稳健统计［13］进行计算，应用此算法得到参比仪器测量结果的稳健平均值和稳健标准差，将稳健平均值作为指定值，稳健标准差作为能力评定标准差计算各参比仪器测量结果的z3值。测量仪器的z比分数（z值）及结果评价见表3。

表3 测量仪器的z比分数（z值）及结果评价Table 3 Z-score and result evaluation of measuring devices

测量仪器的z比分数（z值）统计结果见图5。

图5 测量仪器的z比分数（z值）统计结果Fig.5 Z-score and statistical results of measuring devices

由表3和图5可知，本次采用Grubbs准则剔除离群值经典统计、标准化四分位距稳健统计、迭代稳健统计3种不同统计方式的z比分数法对环境地表γ辐射剂量率测量仪器间比对数据进行评价，其结果具有较好的一致性。

14台参比仪器中仅有1台MPR200监测仪的比对结果为“不合格”，这可能与仪器自身能量响应范围太窄有关。由表1可知，MPR200监测仪的能量响应范围为60 keV～1.3 MeV，不满足GB/T 14583-93标准［14］中要求的能量响应范围50 keV～3 MeV。比对结果表明参加比对的γ辐射剂量率监测仪器整体性能良好。