全国标准级测氡仪的统一校准及低浓度测量比对

孙昌昊, 杨志杰, 刘玫玲, 刘皓然, 张 健, 梁珺成

(中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

氡(222Rn)是由镭的同位素226Ra衰变而产生的一种放射性惰性气体,广泛存在于自然界中[1]。氡会被吸入肺部从而产生内照射,这使得氡成为人体所受天然放射性辐射最主要的来源,是继吸烟后的第二大肺癌诱因[2]。为了评估氡暴露危害,我国针对不同环境中的氡浓度(即氡体积活度,表示为单位体积内的氡活度)水平进行了全面调查[3～7]。调查中涉及了不同类型的氡测量装置,虽然其测量原理和技术都已经相对成熟,但很难在实践中保持合理和准确的质控标准,导致测量结果缺少统一的评价依据。因此,氡测量装置的量值溯源对于保障大规模氡筛查和辐射防护评价具有重要意义。

标准级测氡仪作为已建氡标准的主要标准器,是各类工作级测氡仪量值溯源的依据,其自身的量值溯源关系到全国氡浓度量值的准确和统一。为保障氡量值的准确可靠,世界各国持续发展氡计量基础设施。部分国家建立了基于小立体角方法的氡活度基准装置[8～11],并在此基础上研究了直接将氡浓度次级标准溯源至绝对测量氡活度的计量方法[12,13]。我国于2017年研制了氡活度基准装置,在0.4%的范围内取得国际等效,并在此基础上开展了测氡仪溯源至氡活度基准装置的可行性研究[14～16]。本次统一校准改进和优化了标准级测氡仪的校准方法,将其通过灵敏度更高的氡浓度量值传递装置集中溯源至氡活度基准装置,减少量传过程中的不确定度,提升了国内氡计量水平,对氡调查的区域间评价具有重要意义。

另一方面,流行病学调查显示室内的低浓度水平氡暴露是公众致肺癌的主要诱因[2],准确评价低浓度水平氡环境成为了辐射防护领域的发展趋势。文献[17,18]分别开展的低浓度环境中测氡仪的比对工作表明,各类测氡仪在氡浓度较低时的测量结果易受仪器本底和统计涨落的影响,相对偏差较大,这引发了国际上对于发展低水平浓度氡计量能力的呼吁[19]。开展国内标准级测氡仪的低浓度比对旨在有效检验和评估各建标实验室的标准级测氡仪对低浓度水平氡环境的检定/校准能力,促进国内氡计量领域的技术交流与合作。

为了将国内标准级测氡仪统一溯源至氡活度基准装置,并探讨其在低浓度测量时的性能差异,中国计量科学研究院(national institute of metrology,NIM)作为主导机构联合11家已建标实验室的标准级测氡仪开展了统一校准和低浓度测量比对,并对结果进行了细致的介绍与分析。

2 设备与条件

2.1 氡室条件

统一校准及低浓度比对在NIM的真空密封级氡室中进行,氡室的容积为1.5 m3,满足同时容纳11台标准级测氡仪的校准及比对需求。为有效清除氡室内的本底氡气体和杂质对测量结果的干扰,氡室配备抽真空系统,在实验前对腔室抽真空后再充入氮气恢复常压。氡室内的温度、湿度和压力由温、湿、压传感器实时监测,校准及比对期间温度变化范围在22～24 ℃之间,相对湿度稳定维持在10%以下。氡室内配备4台风扇,确保腔室内氡气体的均匀分布。

为了避免氡浓度调控带来的波动影响,根据预设的氡浓度量级,校准及比对均采用一次性充入定量氡气的方式营造氡浓度环境。氡气体由真空密封的226Ra标准源提供,经氡活度基准装置初步定值后转移至金属氡气体源罐内,再由氮气作为载气注入氡室内。氡室内的氡浓度只会因衰变、内壁吸附和泄露而损失,将各时刻的氡浓度进行半衰期与损失率修正用于分析评价。某一时刻的氡室内氡浓度为:

Ct=C0×e-(λd+λloss)·Δt

(1)

式中:Ct为t时刻的氡浓度,Bq/m3;C0为初始时刻氡浓度,Bq/m3;λd为氡的衰变常数,h-1;λloss为因吸附和泄露而造成的氡浓度损失系数,h-1;Δt为时间差,h。

2.2 设备条件

参与本次校准和比对的11台标准级测氡仪均为法国SAPHYMO公司生产的AlphaGUARD系列,仪器型号涵盖PQ2000、PQ2000Pro、DF2000、D50、P2000和P1000F[20],由编号A～K标识。AlphaGUARD系列测氡仪的测量范围为(2～2×106)Bq/m3,测量灵敏度为3 cph/(Bq·m-3)。测量模式依据各建标实验室的实际工作状态,仪器A～J设置为测量周期为60 min的扩散模式,仪器K设置为测量周期为10 min的流气模式。

为了开展大规模集中校准,将各标准级测氡仪通过灵敏度更高的氡浓度量值传递装置统一溯源至氡活度基准装置。将NIM自研的高灵敏度多丝脉冲电离室测氡装置与氡室连接,由编号L标识。多丝脉冲电离室采用双阿基米德螺旋电极结构,有效探测体积达10.3 L[21]。在外加电压下形成的电势、电场分布均匀一致,有利于电离室内离子的收集。多丝脉冲电离室可以作为氡浓度量值传递装置,其测量结果直接溯源至氡活度基准装置与国家容量基准,校准因子为2.2×10-2Bq·m-3/cph,不确定度为Urel=0.7%(k=2)。该装置的测量灵敏度可达到44.98 cph/(Bq·m-3),约为AlphaGUARD系列测氡仪的15倍。

开展校准与比对活动前,需要测量仪器A～L的本底。首先将氡室抽至真空,接着使用高纯氮气缓慢注入腔室至常压,仪器A～L的本底结果取稳定后连续20小时的测量平均值。各标准级测氡仪A～K的本底范围分布在(10.6～74.9)Bq/m3之间,相对扩展不确定度的范围为6.4%～17.7%(k=2)。其中,仪器A、B、C、D、H、K的本底氡浓度均超过20 Bq/m3,可能的原因是由于长时间使用的本底累积或曾暴露于高浓度氡环境中。多丝脉冲电离室测氡装置L的本底为7.9 Bq/m3,Urel=2.0%(k=2)。

3 参考值的确定

统一校准和低浓度比对的氡浓度参考值均由多丝脉冲电离室测氡装置定值,灵敏度更高的测量结果不仅为校准、比对提供氡浓度参考值,同时也可作为氡室内氡浓度的损失率修正判据。

标准级测氡仪的统一校准分别在氡浓度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种不同的环境下进行,氡浓度的预设值分别为小于800 Bq/m3、1 000～2 000 Bq/m3和大于3 000 Bq/m3三种量级。各标准级测氡仪经统一校准结果修正后,分别在氡浓度水平Ⅳ、Ⅴ两种不同氡浓度环境下进行低浓度比对,氡浓度的预设值分别为80～100 Bq/m3和300～500 Bq/m3两种量级。

在不同氡浓度环境连续25 h的测量结果经半衰期和损失率修正,可形成长时间稳定的氡浓度参考环境。氡浓度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的参考氡浓度分别为720.4 Bq/m3、1 954.7 Bq/m3和3 219.8 Bq/m3,对应的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)分别为0.63%、0.44%和0.34%。3种校准环境下氡浓度参考值的不确定度均为Urel=1.6%(k=2)。氡浓度水平Ⅳ的参考值为96.6 Bq/m3,RSD=3.3%,Urel=2.2%(k=2);氡浓度水平Ⅴ的参考值为411.4 Bq/m3,RSD=0.8%,Urel=1.6%(k=2)。

4 结果与讨论

4.1 统一校准结果

为了使氡浓度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ条件下的标准级测氡仪校准结果标准化,常采用3种氡浓度环境下体积活度响应的平均值来表征校准结果。体积活度响应是测氡仪的实测浓度与氡体积活度约定真值之比,被校准测氡仪的体积活度响应和不确定度评定公式如下:

(2)

(3)

标准级测氡仪在氡浓度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三种条件下连续测量25 h的氡浓度平均值和体积活度响应Rj的计算结果如图1所示。

图1 仪器A～K在氡浓度水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处的氡浓度及体积活度响应结果Fig.1 Radon concentration and volume activity response results of monitors A～K at concentration-Level Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ

图1中红色实线为参考结果,虚线为相应的扩展不确定度(k=2)。其中,仪器K在氡浓度水平Ⅲ处采样泵故障,无有效数据。除仪器K外,其余标准级测氡仪在3种校准环境下的氡浓度测量结果与参考值在不确定度范围内一致性较好,体积活度响应的范围分布在0.97～1.03之间。所有仪器的不确定度均满足JJG 825—2013对于氡浓度标准器Urel≤6.0%(k=2)的要求[22]。

相对固有误差可以反映不同氡浓度校准条件下体积活度响应的最大偏离程度。由各浓度点的体积活度响应,可计算相对固有误差Ej,取各浓度点中相对固有误差绝对值最大者作为被校准测氡仪的相对固有误差,按式(4)计算:

(4)

表1 统一校准结果Tab.1 The results of uniform calibration

4.2 低浓度比对测量结果

为保证各标准级测氡仪在低浓度比对中的一致性,仪器A～K在低浓度比对时的测量结果均使用集中校准所得的体积活度响应结果进行修正。各参比测氡仪在氡浓度水平Ⅳ、Ⅴ处连续测量25 h的氡浓度平均值和等效度计算结果如图2所示,图中红色实线为参考结果,虚线为相对应的扩展不确定度(k=2)。

图2 仪器A～K在氡浓度水平Ⅳ、Ⅴ处的氡浓度及等效度Fig.2 Radon concentration and equivalence of monitors A～K at radon concentration-level Ⅳ and Ⅴ

等效度表征仪器A～K的测量结果与参考值之间的一致程度,用标准偏差表示,其理论公式和不确定度评定公式见式(5)、式(6)。

di=yi-yref

(5)

(6)

式中:di为第i台参比仪器的等效度,Bq/m3;yi为第i个参比仪器扣除本底后的测量平均值,Bq/m3;yref为比对实验的氡浓度参考值,Bq/m3。

如图2所示,在氡浓度水平Ⅳ处,大部分标准级测氡仪的测量结果的RSD分布在0.0%～8.4%的范围内,但仪器K的测量结果经修正后仍然偏离氡浓度参考值接近17%,潜在原因是由于10 min的测量周期会带来较大的统计不确定度,同时仪器K的本底偏高,可能会造成测量结果偏低的现象。在氡浓度水平Ⅴ处,仪器A～K测量结果的RSD除K外(6.2%)均在4%以内。从图2中等效度的结果来看,在氡浓度水平Ⅳ和Ⅴ处,仪器A～J的测量结果均能与参考值在扩展因子k=2的不确定度范围内取得等效,仪器K在氡浓度水平Ⅳ、Ⅴ处的测量结果则不能取得等效。因此,标准级测氡仪应使用测量周期较长的测量模式,以提高测量准确性。

为了参数化评价仪器A～K测量结果和参考值的等效度与其不确定度的关系,比对结果采用归一化偏差En评价方法作为判据[23]。En法的理论公式如下所示,其中覆盖因子k=2。

(7)

当|En|≤1时,参比仪器测量结果与参考值之差在合理预期内,结果评定为满意;当|En|>1时,结果则评定为不满意。根据En评价方法,对低浓度比对结果进行分析,评价结果如表2所示。依据En评价准则,仪器A～J的比对数据|En|值均小于1,说明各参比仪器在氡浓度水平Ⅳ、Ⅴ处的比对结果满意,具备准确测量低浓度水平氡的能力。仪器K的|En|值在氡浓度水平Ⅳ、Ⅴ处均大于1,说明仪器K的比对结果不满意,不具备准确测量低浓度水平氡的能力。仪器K可以通过调整测量模式以延长测量时间的方式来减少统计涨落造成的影响。

表2 仪器A～K的归一化偏差EnTab.2 Normalization deviation of monitors A～K

值得注意的是,标准级测氡仪A～K在氡浓度水平Ⅳ处测量结果的相对扩展不确定度在5.3%～19.5%之间分布,其中除仪器E、J外均超过6%。在氡浓度水平Ⅴ处测量结果的相对扩展不确定度在3.3%～5.9%之间分布,均小于6%。而标准级测氡仪作为各建标实验室的氡浓度标准器,在量值传递时应尽量满足氡浓度测量结果的不确定度Urel≤6%(k=2)[22]。因此,在氡室内氡浓度稳定性,标准仪器和被校准仪器的统计性均满足既定条件的情况下,各建标实验室的标准级测氡仪在400 Bq/m3氡浓度量级进行量值传递是可行的,但大部分实验室在100 Bq/m3氡浓度量级的量值传递能力仍需进一步提升。各建标实验室可以通过延长测量时间来减少统计涨落,以及尽可能地减少或修正氡室内氡浓度波动带来的影响。在氡标准后续提升方面,可以考虑使用灵敏度更高的成熟化测氡仪作为标准器,以此满足未来氡计量能力向低浓度水平扩展的需求。

5 结 论

本次国内标准级测氡仪的集中校准和低浓度比对共有11家建标实验室参加。通过集中校准,首次大规模地将国内的标准级测氡仪测量结果通过氡浓度量值传递装置溯源至氡活度基准装置,将氡浓度参考值的扩展不确定度由3%～5%[24]降低至1.6%(k=2)。使用经校准的标准级测氡仪,开展低浓度水平氡测量比对,验证了氡室内开展100～ 400 Bq/m3氡浓度测量及量传的能力。11家建标实验室的标准器均能满足在400 Bq/m3氡浓度量级开展量值传递的条件,但在100 Bq/m3或以下的氡浓度量级开展量值传递,其中9家建标实验室的标准器仍需进一步提升其测量能力。

本研究对于国内氡计量领域具有重要意义。首先,统一校准有利于在尽可能相同的条件下开展标准器校准试验,有效管控仪器计量溯源环节的不确定度,促进全国氡浓度量值统一;其次,低浓度比对主要针对当前对于低浓度水平氡的溯源需求,考察标准级测氡仪在该浓度范围内的测量与量传能力,为将氡浓度量传能力扩展至环境量级进行技术评估。经统一校准后的测氡仪在低浓度比对时,测量值与参考值之间依然存在较大的偏差,说明下一步开展低浓度水平氡计量技术的研究是有必要的;最后,开展标准级测氡仪的统一校准与测量比对有利于持续改进国内测氡仪的溯源方法,提升标准级测氡仪的量传质量。