張 鵬，鄭興國，趙幽竹，何澤勇

（山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和應(yīng)急保障中心，太原 030027）

為提升和檢驗山西省各地市輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)人員的監(jiān)測能力和業(yè)務(wù)水平，全面了解各地市γ輻射劑量率監(jiān)測儀器的性能狀況，提高測量結(jié)果的可比性，確保山西省輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)準確可靠，山西省核與輻射安全中心于2020年10月15日—16日在晉中市云竹湖組織了全省環(huán)境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對。全省11個地級市生態(tài)環(huán)境局相關(guān)輻射環(huán)境監(jiān)測人員參加了此次比對。此次比對活動不僅為參加的監(jiān)測人員提供了學習交流的機會，也為全省環(huán)境地表γ輻射劑量率監(jiān)測能力提供了可靠性保障。

環(huán)境地表γ輻射劑量率是環(huán)境輻射水平測定的一種比較簡單和直接的方法［1］，反映了環(huán)境天然γ輻射水平及核活動引起的環(huán)境γ變化情況［2］。質(zhì)量控制是輻射監(jiān)測準確測量的重要組成部分，比對測量是檢驗測量結(jié)果準確性，發(fā)現(xiàn)測量誤差最有效的途徑［3］。

近年來，許多省份都已開展環(huán)境γ輻射劑量率測量比對，并廣泛采用標準化四分位距法對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理［4-8］，這是因為標準化四分位距法是目前國內(nèi)能力驗證機構(gòu)廣泛采用并得到CNAS［9］認可的統(tǒng)計處理方法。此方法的應(yīng)用有一個重要前提，即處理的數(shù)據(jù)分布應(yīng)該是標準正態(tài)分布或近似于正態(tài)分布［10］。實際工作中，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布不一定滿足上述條件，如果此時直接套用計算公式，會導致統(tǒng)計結(jié)果不嚴謹，甚至出現(xiàn)統(tǒng)計學“取偽”錯誤［11］。迭代法是ISO［12］標準、國家標準［13］推薦的穩(wěn)健統(tǒng)計方法，它對數(shù)據(jù)分布沒有任何假設(shè)，如果數(shù)據(jù)分布不是標準正態(tài)分布，也能給出比較合理的結(jié)果。但對于顯著不對稱分布、雙峰分布和存在大比例相同數(shù)值，迭代法也失去作用［10］。以上兩種穩(wěn)健統(tǒng)計方法都不需要對“離群值”進行人為干預。Grubbs準則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計也適用于處理正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，但需要在統(tǒng)計數(shù)據(jù)前剔除離群值，然后再用經(jīng)典統(tǒng)計方法進行計算。

我們采用Grubbs準則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計、標準化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計和迭代穩(wěn)健統(tǒng)計3種不同統(tǒng)計方式的z比分數(shù)法對環(huán)境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對數(shù)據(jù)進行評價和研究。該研究可為γ輻射劑量率測量儀器比對評價工作提供參考借鑒。

1 參比儀器

參加此次環(huán)境地表γ輻射劑量率比對的儀器共計14臺，分屬10種不同型號。所有參比儀器均在檢定有效期內(nèi)，都由中國輻射防護研究院進行檢定，且刻度源均為銫-137。此次參比儀器的檢定證書中都沒有涉及能量響應(yīng)的檢定且刻度系數(shù)所對應(yīng)的劑量率水平至少比環(huán)境本底高一個數(shù)量級。L-02和L-08儀器量程下限不滿足GB/T 14583-1993標準［14］規(guī)定的低于10 nGy/h的要求，L-09儀器能量響應(yīng)上限不滿足GB/T 14583-1993標準［14］規(guī)定的不小于3 MeV的要求。儀器型號及主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 儀器型號及主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Instrument models and main technical parameters

2 測量點位

本次儀器間比對選取2個測量點位，點位選擇及宇宙射線響應(yīng)值測量符合《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范》（GB/T 14583-93）［14］要求。測量點位基本信息見表2。測量點位圖和比對測量現(xiàn)場照見圖1-圖3。

表2 測量點位基本信息Table 2 Basic information of measurement points

圖1 測量點位圖Fig.1 Map of measurement points

圖2 環(huán)境地表測量現(xiàn)場照Fig.2 Site photos of environmental terrestrial measurement

圖3 宇宙射線響應(yīng)值測量現(xiàn)場照Fig.3 Site photos of cosmic ray response measurement

3 測量及結(jié)果分析

比對測量均在晴朗、無風或微風條件下完成。測量結(jié)果，按式（1）統(tǒng)一進行計算，每臺監(jiān)測儀器預熱15分鐘后分別在宇宙射線響應(yīng)測量點位讀取100個數(shù)據(jù)，環(huán)境地表測量點位讀取10個數(shù)據(jù)，讀數(shù)間隔都為10 s。

式中：Dγ——測點環(huán)境地表γ輻射劑量率，Gy/h；

k1——儀器在點位上測量時所用量程校準因子；

k2——儀器測量量與γ輻射劑量率的轉(zhuǎn)換因子（測量量為周圍劑量當量率且刻度源為銫-137時，該因子取1/1.2 nGyh-1/nSvh-1；若測量量為空氣比釋動能率時，該因子取1）；

Rγ——測點儀器讀數(shù)均值，Gy/h；

Dc——宇宙射線電離成分空氣吸收劑量率響應(yīng)值（簡稱宇宙射線響應(yīng)值），Gy/h。

儀器在測量點位的γ輻射劑量率測量結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，不同儀器對宇宙射線的響應(yīng)值不同。在對環(huán)境地表的實際監(jiān)測工作中，γ輻射劑量率儀測量的數(shù)據(jù)是包含宇宙射線響應(yīng)值的，這便是導致圖4中環(huán)境地表γ輻射劑量率（未扣除宇宙射線響應(yīng)值）差異較大的原因，因此為了使環(huán)境地表γ輻射劑量率具有可比性，需扣除宇宙射線響應(yīng)值的影響。從圖4中可以明顯看出扣除宇宙射線響應(yīng)值后不同儀器在同一測量點位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）變化趨于平緩，數(shù)值基本處于同一水平。

通過表1和圖4綜合分析得出：不同型號儀器（L-01～L-10）對宇宙射線響應(yīng)值差別較大，相同型號儀器（L-10～L-14）對宇宙射線響應(yīng)值差別較小。編號為L-01和L-02儀器宇宙射線響應(yīng)值偏高，這主要與它們的能量響應(yīng)范圍比較寬有關(guān)，上限值都為10 MeV，明顯高于其他儀器。

圖4 儀器在測量點位的γ輻射劑量率測量結(jié)果Fig.4 Gamma radiation dose rate measurement results of the device at the measurement points

4 評價方法

本次儀器比對結(jié)果評價按照《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》（CNAS-GL002:2018）［9］和《利用實驗室間比對進行能力驗證的統(tǒng)計方法》（GB/T 28043-2019）［13］要求，分別采用Grubbs準則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計、標準化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計和迭代穩(wěn)健統(tǒng)計計算指定值和能力評定標準差，在此基礎(chǔ)上本文采用z比分數(shù)（z值）來對本次儀器比對結(jié)果進行評價。z比分數(shù)（z值）的計算公式為z=（x-X）/σ，其中x為參加者結(jié)果；X為指定值；σ為能力評定標準差。z比分數(shù)（z值）判定依據(jù)為：

|z|≤2表明測量結(jié)果“合格”；

|z|＞2表明測量結(jié)果“不合格”。

4.1 Grubbs準則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計

參比儀器在測量點位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）數(shù)據(jù)采用Grubbs準則［15-16］剔除離群值后用經(jīng)典統(tǒng)計法計算平均值和標準差，以平均值和標準差作為指定值和評定標準差計算各參比儀器測量結(jié)果的z1值。經(jīng)檢驗L-09測量數(shù)據(jù)為離群值，剔除后直接判定該儀器測量結(jié)果為“不合格”，不再進行z值計算。測量儀器的z比分數(shù)（z值）及結(jié)果評價見表3。

4.2 標準化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計

參比儀器在測量點位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）數(shù)據(jù)采用標準化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計［9］進行計算，統(tǒng)計參數(shù)包括：中位值（M）、四分位間距（IQR）、標準四分位間距（NIQR）。其中四分位間距（IQR）為75%分位數(shù)Q3與25%分位數(shù)Q1間的差值，標準四分位間距NIQR=0.7413×（Q3-Q1）。本文采用穩(wěn)健統(tǒng)計的中位值作為指定值，標準化四分位距（NIQR）作為能力評定標準差計算各參比儀器測量結(jié)果的z2值。測量儀器的z比分數(shù)（z值）及結(jié)果評價見表3。

4.3 迭代穩(wěn)健統(tǒng)計

參比儀器在測量點位的環(huán)境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應(yīng)值）數(shù)據(jù)采用迭代穩(wěn)健統(tǒng)計［13］進行計算，應(yīng)用此算法得到參比儀器測量結(jié)果的穩(wěn)健平均值和穩(wěn)健標準差，將穩(wěn)健平均值作為指定值，穩(wěn)健標準差作為能力評定標準差計算各參比儀器測量結(jié)果的z3值。測量儀器的z比分數(shù)（z值）及結(jié)果評價見表3。

表3 測量儀器的z比分數(shù)（z值）及結(jié)果評價Table 3 Z-score and result evaluation of measuring devices

測量儀器的z比分數(shù)（z值）統(tǒng)計結(jié)果見圖5。

圖5 測量儀器的z比分數(shù)（z值）統(tǒng)計結(jié)果Fig.5 Z-score and statistical results of measuring devices

由表3和圖5可知，本次采用Grubbs準則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計、標準化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計、迭代穩(wěn)健統(tǒng)計3種不同統(tǒng)計方式的z比分數(shù)法對環(huán)境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對數(shù)據(jù)進行評價，其結(jié)果具有較好的一致性。

14臺參比儀器中僅有1臺MPR200監(jiān)測儀的比對結(jié)果為“不合格”，這可能與儀器自身能量響應(yīng)范圍太窄有關(guān)。由表1可知，MPR200監(jiān)測儀的能量響應(yīng)范圍為60 keV～1.3 MeV，不滿足GB/T 14583-93標準［14］中要求的能量響應(yīng)范圍50 keV～3 MeV。比對結(jié)果表明參加比對的γ輻射劑量率監(jiān)測儀器整體性能良好。

5 結(jié)論及分析

此次測量比對重點關(guān)注儀器自身的性能狀況，所有的評判分析都是基于組織方核算的測量結(jié)果，除操作不規(guī)范可能引入的人為因素外，評判分析結(jié)果主要反映儀器自身的特點。

（1）本文采用Grubbs準則剔除離群值經(jīng)典統(tǒng)計、標準化四分位距穩(wěn)健統(tǒng)計、迭代穩(wěn)健統(tǒng)計3種不同統(tǒng)計方式的z比分數(shù)法對環(huán)境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對數(shù)據(jù)進行評價，其結(jié)果具有較好的一致性。

（2）本文綜合評估14臺參比儀器，僅有1臺MPR200監(jiān)測儀的比對結(jié)果為“不合格”，這可能與儀器自身能量響應(yīng)范圍太窄有關(guān)，比對結(jié)果表明參加比對的γ輻射劑量率監(jiān)測儀器整體性能良好。

（3）本文比對發(fā)現(xiàn)山西省存在測量環(huán)境本底未扣除或亂扣除宇宙射線響應(yīng)值的現(xiàn)象，部分地市監(jiān)測人員尚未認識到不同類型儀器測量的宇宙射線響應(yīng)值存在較大差異，儀器直接扣除宇宙射線響應(yīng)值時未考慮海拔和地磁緯度的影響。

（4）雖然本次比對的所有儀器檢定單位和刻度源一致，但刻度系數(shù)所對應(yīng)的劑量率水平至少比環(huán)境本底高一個數(shù)量級，沒有更接近環(huán)境本底水平的刻度系數(shù)可供選擇，建議檢定單位開展環(huán)境本底水平的檢定研究。另外，能量響應(yīng)作為儀器主要性能指標之一，本文建議檢定儀器時提供能量響應(yīng)的相對響應(yīng)誤差（相對銫-137參考源）。