熱釋光法測量環(huán)境累積劑量不確定度分析

張德春，龔宇東，李樂

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德，352100)

0 引言

環(huán)境輻射劑量率是輻射環(huán)境監(jiān)測中的重要組成部分，劑量率監(jiān)測方法主要有瞬時(shí)劑量率監(jiān)測、累積劑量率監(jiān)測和連續(xù)劑量率監(jiān)測(自動(dòng)站連續(xù)監(jiān)測)[1]。由于熱釋光劑量計(jì)(TLD)能量響應(yīng)好、靈敏度高、量程范圍寬、測量精度高、布放時(shí)間長、可綜合反映環(huán)境輻射場長期的實(shí)際情況等優(yōu)點(diǎn)，目前在環(huán)境累積劑量測量中已廣泛應(yīng)用[2]。

本文采用熱釋光法測量環(huán)境地表累積劑量水平，對測量不確定度進(jìn)行評(píng)定。在不確定度評(píng)定中，綜合考慮了選片、劑量計(jì)布放、測量、宇宙射線響應(yīng)及儀器等因素。

1 監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法

1.1 累積劑量率監(jiān)測

累積劑量率監(jiān)測使用的是RGD-6型熱釋光劑量儀。該儀器一次可放置并測量60個(gè)TLD片，可靈活設(shè)置3階段程序升溫，升溫速率為1 ℃/s～60 ℃/s。熱釋光劑量件采用GR-200 A型LiF(Mg,Cu,P)探測器，規(guī)格為φ4.5 mm×0.8 mm的圓片。此種元件具有較好的抗破損性，并有好的能量響應(yīng)特性(30 keV～3 MeV)、低探測閾、線性范圍寬(0.1 μGy～12 Gy)等特點(diǎn)。LiF(Mg,Cu,P)探測器的熱釋發(fā)光曲線有3個(gè)熱釋發(fā)光峰，其峰值溫度分別為135 ℃、190 ℃、230 ℃，峰3為劑量測定峰。

每個(gè)累積劑量監(jiān)測布樣點(diǎn)位布放8個(gè)TLD片分置2個(gè)樣品盒中，每個(gè)樣品盒中各放4片并按菱形放置于距地面高約1.2 m處，監(jiān)測頻率為1 次/季度。環(huán)境累積劑量結(jié)果計(jì)算：首先測量出每個(gè)點(diǎn)位的8個(gè)TLD片值，按照Grubbs檢驗(yàn)法逐個(gè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除異常值后再求平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差(伴隨片也做相同方法處理)，并按照式(1)、式(2)計(jì)算出每個(gè)布樣點(diǎn)位的累積劑量率：

(1)

(2)

1.2 瞬時(shí)劑量率監(jiān)測

瞬時(shí)劑量率監(jiān)測使用的是ThermoFISHER的FH40G-L型輻射監(jiān)測儀器，其主要性能指標(biāo)有：能量范圍，30 kev～3 Mev；測量范圍，10 nGy/h～100 mGy/h；角度依賴性，-75°～75°，儀器縱軸方向角度變化小于20%；相對固有誤差<±15%；工作溫度，-30 ℃～55 ℃。

測量前，儀器開機(jī)預(yù)熱至穩(wěn)定，且儀器經(jīng)過劑量檢定，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔為10 s，每次測量讀取10個(gè)數(shù)據(jù)，10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值即為該點(diǎn)位瞬時(shí)γ劑量率測量值，計(jì)算公式如下：

(3)

2 測量不確定度來源分析

分析選片、布樣、運(yùn)輸、采樣、測量、數(shù)據(jù)處理以及儀器刻度等過程中可能對累積劑量測量結(jié)果有影響的因素，評(píng)估不確定度分量(A類不確定度和B類不確定度)[3]，根據(jù)分析繪制不確定度分析魚骨圖如圖1。

3 環(huán)境累積劑量監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)TLD累積劑量測量方法，選擇15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，測量結(jié)果列于表1。

由表1可知，累積劑量率測量數(shù)據(jù)范圍為86.8～161.7 nGy/h，瞬時(shí)劑量率測量數(shù)據(jù)范圍為92.0～159.1 nGy/h，處本底漲落范圍內(nèi)。瞬時(shí)劑量率測量受當(dāng)時(shí)氣象、地質(zhì)狀況等影響，測量數(shù)據(jù)存在一定差異，但各測點(diǎn)測值相對偏差均小于14%，總體符合性較好。

表1 累積劑量與瞬時(shí)劑量率測量結(jié)果

4 不確定度分量評(píng)定

4.1 測量數(shù)據(jù)引起的不確定度(U1)

由于儀器受到實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度等因素的影響，會(huì)對樣品劑量片讀出值的重復(fù)性帶來不確定度(統(tǒng)計(jì)漲落)，主要是測量計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。表2列出了東程點(diǎn)位的測量結(jié)果。

表2 東程點(diǎn)位測量結(jié)果(μGy)

按照Grubbs檢驗(yàn)法(95%置信度)逐個(gè)對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除TLD片編號(hào)5的樣品測量值，得樣品和伴隨片讀出值引起的不確定度為：

(4)

(5)

由式(4)、(5)得測量數(shù)據(jù)的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(6)

4.2 刻度因子引起的不確定度(U2)

刻度儀器時(shí)所使用的輻照源、TLD劑量片和伴隨片等所引起的不確定度綜合反映到刻度因子不確定度上。

本次測量使用的熱釋光劑量儀由中國計(jì)量科學(xué)研究院檢定，采用B類不確定度進(jìn)行評(píng)定，檢定證書給出的刻度因子不確定度為5.4%，擴(kuò)展因子k=2。得刻度因子的相對不確定度為：

(7)

4.3 TLD片均勻性引起的不確定度(U3)

4.3.1選片引起的不確定度(U31)

TLD片引入的不確定度分量即片子本身分散性所產(chǎn)生的，廠家提供的TLD片分散性小于5%。

將篩選好的同一組TLD片中隨機(jī)取出8片用點(diǎn)源進(jìn)行輻照，輻照結(jié)束后進(jìn)行測量，測量結(jié)果列于表3。

表3 TLD片輻照選片測量結(jié)果 (μGy)

按照Grubbs檢驗(yàn)法(95%置信度)逐個(gè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，無異常值。得TLD片分散性引起的不確定度為：

(8)

4.3.2TLD片運(yùn)輸過程引起的不確定度(U32)

每次TLD布放分為3條路線，每條路線上均攜帶一組8片，共計(jì)24片，測量結(jié)果列于表4。

表4 TLD片運(yùn)輸過程測量結(jié)果(μGy)

按照Grubbs檢驗(yàn)法(95%的置信度)逐個(gè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，無異常值。得TLD片運(yùn)輸過程引起的不確定度為：

(9)

4.3.3相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由式(8)、(9)得TLD片均勻性的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(10)

4.4 測量儀器引起的不確定度(U4)

4.4.1儀器光源引起的不確定度(U41)

(11)

4.4.2儀器本底引起的不確定度(U42)

在不放入TLD片的情況下，對儀器空盤進(jìn)行重復(fù)性測量，測量結(jié)果列于表5。

表5 儀器空盤本底測量結(jié)果

按照Grubbs檢驗(yàn)法(95%的置信度)逐個(gè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，無異常值。得儀器空盤本底引起的不確定度為：

(12)

4.3.3相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由式(11)、(12)得測量儀器的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(13)

4.5 宇宙射線響應(yīng)引起的不確定度(U5)

宇宙射線響應(yīng)值測量須在水深大于3 m，距岸大于1 km的淡水上進(jìn)行測量[4]。本次TLD片宇宙射線響應(yīng)值監(jiān)測點(diǎn)位選取距離寧德核電廠約35 km、水深大于10 m的桑園水庫水面。測量結(jié)果列于表6。

按照Grubbs檢驗(yàn)法(95%的置信度)逐個(gè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，無異常值。得宇宙射線響應(yīng)引起的不確定度為：

(14)

表6 宇宙射線響應(yīng)測量結(jié)果 (μGy)1)

4.6 合成不確定度(Uh)

測量方法合成不確定度Uh為：

(15)

4.7 擴(kuò)展不確定度U

k=2，測量的擴(kuò)展不確定度為：

U=k×Uh=10.68%

(16)

4.8 不確定度分量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)以上對TLD累積劑量整個(gè)選片、布樣、運(yùn)輸、測量等過程的分析，各環(huán)節(jié)不確定分量統(tǒng)計(jì)如表7所示。

5 結(jié)論

(1) 環(huán)境輻射劑量率監(jiān)測是輻射環(huán)境監(jiān)測的重要手段，能直觀反應(yīng)所在地的輻射水平。同時(shí)也為核設(shè)施或其它輻射裝置正常運(yùn)行和事故情況下對公眾所致照射劑量的估算提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

(2) 福建寧德地區(qū)大部分屬于低輻射本底，環(huán)境劑量率約為100 nGy/h。天然環(huán)境輻射水平較低，累積劑量測量所涉及的環(huán)節(jié)、影響因素較多，如何準(zhǔn)確監(jiān)測，需要監(jiān)測人員在日常工作中，加強(qiáng)質(zhì)量控制，參加同行比對，發(fā)現(xiàn)問題。

(3) 環(huán)境熱釋光測量不確定度分析中，主要影響為伴隨片的測量、刻度因子、TLD選片、TLD片運(yùn)輸過程等。針對布放過程引起的不確定度，每次布樣應(yīng)盡可能安排一致的路線[5]，將環(huán)境影響因素降到最低。

針對TLD片篩選和宇宙射線響應(yīng)引起的不確定度，在具備條件情況下，TLD片輻照應(yīng)盡可能使用點(diǎn)源進(jìn)行均勻照射，TLD片應(yīng)一批一批使用，定期進(jìn)行更換，新片和老片盡可能不要混合使用；宇宙射線響應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行布樣和測量，以降低宇宙射線響應(yīng)引起的不確定度。

表7 不確定度分量統(tǒng)計(jì)