環境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對評價與研究

張 鵬，鄭興國，趙幽竹，何澤勇

（山西省生態環境監測和應急保障中心，太原 030027）

為提升和檢驗山西省各地市輻射環境監測技術人員的監測能力和業務水平，全面了解各地市γ輻射劑量率監測儀器的性能狀況，提高測量結果的可比性，確保山西省輻射監測數據準確可靠，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個地級市生態環境局相關輻射環境監測人員參加了此次比對。此次比對活動不僅為參加的監測人員提供了學習交流的機會，也為全省環境地表γ輻射劑量率監測能力提供了可靠性保障。

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

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

我們采用Grubbs準則剔除離群值經典統計、標準化四分位距穩健統計和迭代穩健統計3種不同統計方式的z比分數法對環境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對數據進行評價和研究。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，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的檢定且刻度系數所對應的劑量率水平至少比環境本底高一個數量級。L-02和L-08儀器量程下限不滿足GB/T 14583-1993標準［14］規定的低于10 nGy/h的要求，L-09儀器能量響應上限不滿足GB/T 14583-1993標準［14］規定的不小于3 MeV的要求。儀器型號及主要技術參數見表1。

表1 儀器型號及主要技術參數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值測量符合《環境地表γ輻射劑量率測定規范》（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 環境地表測量現場照Fig.2 Site photos of environmental terrestrial measurement

圖3 宇宙射線響應值測量現場照Fig.3 Site photos of cosmic ray response measurement

3 測量及結果分析

比對測量均在晴朗、無風或微風條件下完成。測量結果，按式（1）統一進行計算，每臺監測儀器預熱15分鐘后分別在宇宙射線響應測量點位讀取100個數據，環境地表測量點位讀取10個數據，讀數間隔都為10 s。

式中：Dγ——測點環境地表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——測點儀器讀數均值，Gy/h；

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

儀器在測量點位的γ輻射劑量率測量結果如圖4所示。

由圖4可知，不同儀器對宇宙射線的響應值不同。在對環境地表的實際監測工作中，γ輻射劑量率儀測量的數據是包含宇宙射線響應值的，這便是導致圖4中環境地表γ輻射劑量率（未扣除宇宙射線響應值）差異較大的原因，因此為了使環境地表γ輻射劑量率具有可比性，需扣除宇宙射線響應值的影響。從圖4中可以明顯看出扣除宇宙射線響應值后不同儀器在同一測量點位的環境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應值）變化趨于平緩，數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）對宇宙射線響應值差別較大，相同型號儀器（L-10～L-14）對宇宙射線響應值差別較小。編號為L-01和L-02儀器宇宙射線響應值偏高，這主要與它們的能量響應范圍比較寬有關，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

本次儀器比對結果評價按照《能力驗證結果的統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計方法》（GB/T 28043-2019）［13］要求，分別采用Grubbs準則剔除離群值經典統計、標準化四分位距穩健統計和迭代穩健統計計算指定值和能力評定標準差，在此基礎上本文采用z比分數（z值）來對本次儀器比對結果進行評價。z比分數（z值）的計算公式為z=（x-X）/σ，其中x為參加者結果；X為指定值；σ為能力評定標準差。z比分數（z值）判定依據為：

|z|≤2表明測量結果“合格”；

|z|＞2表明測量結果“不合格”。

4.1 Grubbs準則剔除離群值經典統計

參比儀器在測量點位的環境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應值）數據采用Grubbs準則［15-16］剔除離群值后用經典統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果的z1值。經檢驗L-09測量數據為離群值，剔除后直接判定該儀器測量結果為“不合格”，不再進行z值計算。測量儀器的z比分數（z值）及結果評價見表3。

4.2 標準化四分位距穩健統計

參比儀器在測量點位的環境地表γ輻射劑量率（扣除宇宙射線響應值）數據采用標準化四分位距穩健統計［9］進行計算，統計參數包括：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Q3與25%分位數Q1間的差值，標準四分位間距NIQR=0.7413×（Q3-Q1）。本文采用穩健統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果的z2值。測量儀器的z比分數（z值）及結果評價見表3。

4.3 迭代穩健統計

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

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

測量儀器的z比分數（z值）統計結果見圖5。

圖5 測量儀器的z比分數（z值）統計結果Fig.5 Z-score and statistical results of measuring devices

由表3和圖5可知，本次采用Grubbs準則剔除離群值經典統計、標準化四分位距穩健統計、迭代穩健統計3種不同統計方式的z比分數法對環境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對數據進行評價，其結果具有較好的一致性。

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

5 結論及分析

此次測量比對重點關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果，除操作不規范可能引入的人為因素外，評判分析結果主要反映儀器自身的特點。

（1）本文采用Grubbs準則剔除離群值經典統計、標準化四分位距穩健統計、迭代穩健統計3種不同統計方式的z比分數法對環境地表γ輻射劑量率測量儀器間比對數據進行評價，其結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監測儀的比對結果為“不合格”，這可能與儀器自身能量響應范圍太窄有關，比對結果表明參加比對的γ輻射劑量率監測儀器整體性能良好。

（3）本文比對發現山西省存在測量環境本底未扣除或亂扣除宇宙射線響應值的現象，部分地市監測人員尚未認識到不同類型儀器測量的宇宙射線響應值存在較大差異，儀器直接扣除宇宙射線響應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，但刻度系數所對應的劑量率水平至少比環境本底高一個數量級，沒有更接近環境本底水平的刻度系數可供選擇，建議檢定單位開展環境本底水平的檢定研究。另外，能量響應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的相對響應誤差（相對銫-137參考源）。