熱釋光法測量環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

環境輻射劑量率是輻射環境監測中的重要組成部分，劑量率監測方法主要有瞬時劑量率監測、累積劑量率監測和連續劑量率監測(自動站連續監測)[1]。由于熱釋光劑量計(TLD)能量響應好、靈敏度高、量程范圍寬、測量精度高、布放時間長、可綜合反映環境輻射場長期的實際情況等優點，目前在環境累積劑量測量中已廣泛應用[2]。

本文采用熱釋光法測量環境地表累積劑量水平，對測量不確定度進行評定。在不確定度評定中，綜合考慮了選片、劑量計布放、測量、宇宙射線響應及儀器等因素。

1 監測儀器和監測方法

1.1 累積劑量率監測

累積劑量率監測使用的是RGD-6型熱釋光劑量儀。該儀器一次可放置并測量60個TLD片，可靈活設置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，并有好的能量響應特性(30 keV～3 MeV)、低探測閾、線性范圍寬(0.1 μGy～12 Gy)等特點。LiF(Mg,Cu,P)探測器的熱釋發光曲線有3個熱釋發光峰，其峰值溫度分別為135 ℃、190 ℃、230 ℃，峰3為劑量測定峰。

每個累積劑量監測布樣點位布放8個TLD片分置2個樣品盒中，每個樣品盒中各放4片并按菱形放置于距地面高約1.2 m處，監測頻率為1 次/季度。環境累積劑量結果計算：首先測量出每個點位的8個TLD片值，按照Grubbs檢驗法逐個對數據進行檢驗，剔除異常值后再求平均值和標準偏差(伴隨片也做相同方法處理)，并按照式(1)、式(2)計算出每個布樣點位的累積劑量率：

(1)

(2)

1.2 瞬時劑量率監測

瞬時劑量率監測使用的是ThermoFISHER的FH40G-L型輻射監測儀器，其主要性能指標有：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，儀器開機預熱至穩定，且儀器經過劑量檢定，數據獲取時間間隔為10 s，每次測量讀取10個數據，10個數據的平均值即為該點位瞬時γ劑量率測量值，計算公式如下：

(3)

2 測量不確定度來源分析

分析選片、布樣、運輸、采樣、測量、數據處理以及儀器刻度等過程中可能對累積劑量測量結果有影響的因素，評估不確定度分量(A類不確定度和B類不確定度)[3]，根據分析繪制不確定度分析魚骨圖如圖1。

3 環境累積劑量監測結果

根據TLD累積劑量測量方法，選擇15個點進行測量，測量結果列于表1。

由表1可知，累積劑量率測量數據范圍為86.8～161.7 nGy/h，瞬時劑量率測量數據范圍為92.0～159.1 nGy/h，處本底漲落范圍內。瞬時劑量率測量受當時氣象、地質狀況等影響，測量數據存在一定差異，但各測點測值相對偏差均小于14%，總體符合性較好。

表1 累積劑量與瞬時劑量率測量結果

4 不確定度分量評定

4.1 測量數據引起的不確定度(U1)

由于儀器受到實驗室溫度、濕度等因素的影響，會對樣品劑量片讀出值的重復性帶來不確定度(統計漲落)，主要是測量計數的標準不確定度。表2列出了東程點位的測量結果。

表2 東程點位測量結果(μGy)

按照Grubbs檢驗法(95%置信度)逐個對表2中數據進行檢驗，剔除TLD片編號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)得測量數據的相對合成標準不確定度為：

(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量科學研究院檢定，采用B類不確定度進行評定，檢定證書給出的刻度因子不確定度為5.4%，擴展因子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片中隨機取出8片用點源進行輻照，輻照結束后進行測量，測量結果列于表3。

表3 TLD片輻照選片測量結果 (μGy)

按照Grubbs檢驗法(95%置信度)逐個對數據進行檢驗，無異常值。得TLD片分散性引起的不確定度為：

(8)

4.3.2TLD片運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24片，測量結果列于表4。

表4 TLD片運輸過程測量結果(μGy)

按照Grubbs檢驗法(95%的置信度)逐個對數據進行檢驗，無異常值。得TLD片運輸過程引起的不確定度為：

(9)

4.3.3相對合成標準不確定度

由式(8)、(9)得TLD片均勻性的相對合成標準不確定度為：

(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，對儀器空盤進行重復性測量，測量結果列于表5。

表5 儀器空盤本底測量結果

按照Grubbs檢驗法(95%的置信度)逐個對數據進行檢驗，無異常值。得儀器空盤本底引起的不確定度為：

(12)

4.3.3相對合成標準不確定度

由式(11)、(12)得測量儀器的相對合成標準不確定度為：

(13)

4.5 宇宙射線響應引起的不確定度(U5)

宇宙射線響應值測量須在水深大于3 m，距岸大于1 km的淡水上進行測量[4]。本次TLD片宇宙射線響應值監測點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。測量結果列于表6。

按照Grubbs檢驗法(95%的置信度)逐個對數據進行檢驗，無異常值。得宇宙射線響應引起的不確定度為：

(14)

表6 宇宙射線響應測量結果 (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 擴展不確定度U

k=2，測量的擴展不確定度為：

U=k×Uh=10.68%

(16)

4.8 不確定度分量統計

根據以上對TLD累積劑量整個選片、布樣、運輸、測量等過程的分析，各環節不確定分量統計如表7所示。

5 結論

(1) 環境輻射劑量率監測是輻射環境監測的重要手段，能直觀反應所在地的輻射水平。同時也為核設施或其它輻射裝置正常運行和事故情況下對公眾所致照射劑量的估算提供數據依據。

(2) 福建寧德地區大部分屬于低輻射本底，環境劑量率約為100 nGy/h。天然環境輻射水平較低，累積劑量測量所涉及的環節、影響因素較多，如何準確監測，需要監測人員在日常工作中，加強質量控制，參加同行比對，發現問題。

(3) 環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片運輸過程等。針對布放過程引起的不確定度，每次布樣應盡可能安排一致的路線[5]，將環境影響因素降到最低。

針對TLD片篩選和宇宙射線響應引起的不確定度，在具備條件情況下，TLD片輻照應盡可能使用點源進行均勻照射，TLD片應一批一批使用，定期進行更換，新片和老片盡可能不要混合使用；宇宙射線響應嚴格按照標準要求進行布樣和測量，以降低宇宙射線響應引起的不確定度。

表7 不確定度分量統計