李德紅 成建波,2 李興東 郭 彬

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.蘭州大學(xué)，蘭州 730000)

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輻射防護(hù)劑量監(jiān)測儀表校準(zhǔn)因子不確定度分析*

李德紅1成建波1,2李興東1郭 彬1

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.蘭州大學(xué)，蘭州 730000)

X、g 電離輻射防護(hù)劑量監(jiān)測儀表廣泛用于職業(yè)人員的輻射防護(hù)和環(huán)境輻射劑量監(jiān)測領(lǐng)域。為了對這類儀表進(jìn)行準(zhǔn)確校準(zhǔn)，根據(jù)常用校準(zhǔn)方法,分析校準(zhǔn)因子測量的不確定度來源，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對其各不確定度分量進(jìn)行評定，最終得到校準(zhǔn)因子的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。

電離輻射；劑量；校準(zhǔn)因子；空氣比釋動能；不確定度

0 引言

隨著核技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，電離輻射防護(hù)相關(guān)的劑量監(jiān)測不僅關(guān)系到相應(yīng)職業(yè)人員的身體健康和生命財(cái)產(chǎn)安全，還對核技術(shù)的安全利用具有重要支撐作用，因此，用于空氣比釋動能(率)以及其他輻射防護(hù)量監(jiān)測的劑量儀表作為強(qiáng)制檢定計(jì)量器具也受到各級管理部門重視。

根據(jù)近幾年來中國計(jì)量科學(xué)研究院對全國電離輻射相關(guān)的計(jì)量器具量傳數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于輻射防護(hù)的劑量儀表占全部送檢計(jì)量器具的30%以上，該數(shù)據(jù)基本上也可代表全國各級標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的量傳現(xiàn)狀。該類儀表的校準(zhǔn)/刻度因子的準(zhǔn)確測量及其不確定度分析受到各級實(shí)驗(yàn)室的廣泛重視。本文以顯示空氣比釋動能率的X、g 輻射防護(hù)劑量監(jiān)測儀表的校準(zhǔn)為例，開展校準(zhǔn)因子的測量及其不確定度分析。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置和測量方法

1.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置

標(biāo)準(zhǔn)裝置由以下幾個(gè)部分組成：

1)標(biāo)準(zhǔn)輻射場：提供一定劑量率范圍的標(biāo)準(zhǔn)參考輻射，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求須滿足ISO4037.1或者GB/T 12162.1等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

2)標(biāo)準(zhǔn)儀器：標(biāo)準(zhǔn)電離室與劑量計(jì)，用于對標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場進(jìn)行空氣比釋動能率定值。

3)輔助設(shè)備：溫度計(jì)、氣壓計(jì)和濕度計(jì)，在對標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場進(jìn)行定值過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫度和氣壓，以便進(jìn)行溫度和氣壓修正。

采用經(jīng)過溯源的標(biāo)準(zhǔn)電離室測量標(biāo)準(zhǔn)輻射場的空氣比釋動能率；對垂直于射線束的輻射野均勻性進(jìn)行測量，以確定作為標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場的輻射野幾何尺寸；對標(biāo)準(zhǔn)輻射場的平方反比符合特性進(jìn)行驗(yàn)證。此外，還需對進(jìn)行量值傳遞的輻射場散射線劑量貢獻(xiàn)進(jìn)行測量，以保證符合ISO4037.1或GB/T 12162.1等標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1.2 校準(zhǔn)方法

通常采用比較法和替代法對劑量儀進(jìn)行量值傳遞：比較法是將標(biāo)準(zhǔn)電離室劑量儀和待校劑量儀同時(shí)置于輻射野中輻照，通過比較兩者的讀數(shù)實(shí)現(xiàn)對待校劑量儀的校準(zhǔn)；替代法通過兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)對待檢劑量儀的校準(zhǔn)。

第一步：將標(biāo)準(zhǔn)電離室置于輻射場中某一位置處，使用該標(biāo)準(zhǔn)電離室劑量儀測量得到該位置處空氣比釋動能率值。

第二步：使用待校劑量儀替代標(biāo)準(zhǔn)電離室，在同一位置測量輻射場劑量率，將兩次測量結(jié)果等效到相同溫度和氣壓條件下進(jìn)行比較，最后實(shí)現(xiàn)對待校劑量儀的校準(zhǔn)。

在實(shí)際量傳工作中大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通常采用替代法進(jìn)行校準(zhǔn)[3-4]:標(biāo)準(zhǔn)電離室和待校劑量儀依次置于射線束上到源固定距離的位置處，注意控制各組獨(dú)立測量過程中劑量儀與源的距離偏差，待電離室內(nèi)外溫度達(dá)到平衡之后加偏壓進(jìn)行測量。持續(xù)輻照條件下，進(jìn)行多次測量。量傳過程中使用相同的溫度計(jì)和氣壓計(jì),以便對標(biāo)準(zhǔn)電離室和待校劑量儀的測量條件進(jìn)行修正,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的相對濕度控制在30%～70%范圍內(nèi)。

本文以顯示空氣比釋動能的劑量儀表的校準(zhǔn)因子的不確定度分析為例，介紹這類儀表量傳過程中的不確定度分析方法。文中相關(guān)數(shù)據(jù)僅用于舉例說明，實(shí)際量傳過程中應(yīng)當(dāng)采用實(shí)際數(shù)據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型與不確定度分析

2.1 參考輻射場空氣比釋動能率測量[5]

(1)

空氣比釋動能率測量不確定度的來源除了上述參數(shù)之外，還有其他來源需在不確定度評估中予以考慮:測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；標(biāo)準(zhǔn)電離室及測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨力等；此外還有溫度計(jì)和氣壓計(jì)的測量不確定度。

2.2 待檢劑量儀的校準(zhǔn)[6]

校準(zhǔn)過程中均勻的輻射野須能覆蓋標(biāo)準(zhǔn)電離室和待校設(shè)備，校準(zhǔn)系數(shù)按照以下公式獲得：

(2)

式中，Muser對各影響量進(jìn)行修正后待校準(zhǔn)儀器的讀數(shù)平均值。

待校準(zhǔn)劑量儀的校準(zhǔn)因子不確定度來源包括：輻射場測量不確定度；待校準(zhǔn)儀器參考點(diǎn)所處位置相對于參考點(diǎn)的偏離；待校準(zhǔn)儀器重復(fù)性以及分辨率，如果待校準(zhǔn)設(shè)備為空腔電離室，還需要考慮到溫度計(jì)和氣壓計(jì)的測量不確定度。

2.3 合成不確定度

依據(jù)不確定度傳播公式[7]，校準(zhǔn)因子的合成不確定度u(y)以式(3)表示：

(3)

在式(3)中，f為描述校準(zhǔn)因子的函數(shù)f(x1,x2,……)，xi及u(xi)分別是與校準(zhǔn)因子相關(guān)的獨(dú)立變量及其A類或B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。以符號U(y)表示校準(zhǔn)因子的擴(kuò)展不確定度：

U(y)=k×u(y)

(4)

式中，k為包含因子。

3 不確定度評定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定分為A、B兩類。其中，A類是對觀測列的統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行不確定度評定；B類是依據(jù)相關(guān)信息做出的不確定度評定。由于不確定度分析中所提到的不確定來源導(dǎo)致的相應(yīng)的不確定度評定在很多文獻(xiàn)資料中容易找到[8-9]，在此不進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。本文對影響校準(zhǔn)因子的不確定度分量分類進(jìn)行評定,具體如下:

3.1 空氣比釋動能率測量

3.1.1 校準(zhǔn)因子

標(biāo)準(zhǔn)電離室的校準(zhǔn)因子的不確定度可根據(jù)檢定證書得到，檢定證書給出的校準(zhǔn)因子NK的擴(kuò)展不確定度urel(NK)=2%(k=2)，由此得到:

(5)

3.1.2 穩(wěn)定性

(6)

3.1.3 射線質(zhì)差異

(7)

3.1.4 重復(fù)性

測量重復(fù)性可以通過連續(xù)測量得到，采用A類方法進(jìn)行評定。連續(xù)10次測量序列(單位：mGy)：15.72,15.76,15.81,15.76,15.91,15.7515.83,15.88,15.83,15.77，其平均值：

(8)

其平均值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(9)

3.1.5 溫度計(jì)

根據(jù)檢定證書，在通常測量環(huán)境下，溫度變化范圍內(nèi)溫度計(jì)的示值誤差為±0.15℃，示值誤差導(dǎo)致的不確定度為：

(9)

3.1.6 氣壓計(jì)

(10)

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按式(3)計(jì)算得到，如表1所示。

表1 參考輻射場空氣比釋動能測量不確定度分析

3.2 儀表的校準(zhǔn)

待檢儀表校準(zhǔn)因子的不確定度分析，主要是考慮儀表本身的測量重復(fù)性、分辨力以及相對于參考點(diǎn)位置的偏離(影響較小,在此忽略)，其具體計(jì)算過程與上述類似，最后待檢儀表的校準(zhǔn)因子不確定度按式(3)計(jì)算得到，如表2所示。

表2 待檢儀表校準(zhǔn)因子的不確定度分析

*注：若不涉及到溫度和氣壓修正，在此不必考慮溫度計(jì)、氣壓計(jì)導(dǎo)致的不確定度。

4 結(jié)論

通過本文所開展的劑量儀表校準(zhǔn)因子的不確定度分析可以發(fā)現(xiàn),儀表的重復(fù)性是校準(zhǔn)因子不確定度主要貢獻(xiàn)之一，而其他來源對結(jié)果不確定度貢獻(xiàn)相對較小。此外,校準(zhǔn)因子的不確定度分析應(yīng)該是針對每次校準(zhǔn)而言，因此對某一類儀表的校準(zhǔn)因子而言,不確定度應(yīng)該是一個(gè)范圍；采用不同校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)因子的不確定度的評價(jià)方法也會有所不同。

[1] ISO 4037-1-1996 X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy-Part 1: Radiation characteristics production methods[S]

[2] GB/T 12162.1—2000用于校準(zhǔn)劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和g 參考輻射[S]

[3] JJG 2043—2010(60～250)kVX射線空氣比釋動能計(jì)量器具[S]

[4] JJG 2044—2010g 射線空氣比釋動能計(jì)量器具[S]

[5] JJG 521—2006環(huán)境監(jiān)測用X、g 輻射空氣吸收劑量率儀[S]

[6] NTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Measurement Uncertainty: A Practical Guide for Secondary Standards Dosimetry Laboratories[R], IAEA-TECDOC-1585, Vienna (2008)

[7] JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示[S]

[8] 倪育才.實(shí)用測量不確定度評定[R].中國計(jì)量出版社,2009

[9] 付鳳嵐,胡斌祥.關(guān)于測量誤差和測量不確定度的分析比較[J].計(jì)量技術(shù),1999(5):45-48

*中國計(jì)量科學(xué)研究院課題項(xiàng)目：β射線組織等效材料吸收劑量測量方法研究(AKY1410)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.13