環境γ輻射劑量率比對及宇宙射線響應測量結果與分析

張 華，陳志東，徐潤龍，林煒偉，梁明浩

（廣東省環境輻射監測中心，廣州，510000）

環境γ輻射劑量率測量是全國輻射環境質量監測和輻射源環境監測的主要項目之一，目前該項目常用的探測器有電離室、閃爍體探測器、具有能量補償的G-M計數管等。不同類型探測器的宇宙射線響應值差別較大，在監測結果中應予扣除［1］。

為驗證“輻射測量儀的宇宙射線響應和校準系數的陸地測算”方法［2］、加強區域間的學習交流、查找分析不同探測器測量結果的差異，2020年12月廣東省環境輻射監測中心（GERC）組織全國部分省級輻射監測單位和臺山核電合營有限公司共10家單位進行環境γ輻射劑量率測量比對及宇宙射線響應測量。本文給出了該次比對的方法及結果。

1 測量儀器及測量點位

參加本次比對的10家單位攜帶3種不同型號的儀器共16臺，所有儀器均在校準有效期內，為便于后續的比較分析，按照1～16對所有儀器進行編號。

測量過程參照GB/T 14583-93《環境地表γ輻射劑量率測定規范》［3］進行。本次比對選取道路、草地各2個測量點進行測量，另外在廣東河源萬綠湖進行儀器的宇宙射線響應測量，在GERC粵西分部“輻射檢驗場”［4］進行宇宙射線響應及系數的間接測量。具體測量點位為：

（1）粵西分部院內測量點17個，包括：輻射檢驗場15個，草地1個，道路1個；

（2）河源萬綠湖測量點3個，包括：水面1個，道路1個，草地1個。

其中，道路測量點均設置在道路中心線；草地、輻射檢驗場測量點均遠離高大樹木和建筑物；萬綠湖水面測量點水深大于3 m，離岸邊大于1 km，測量時儀器置于玻璃鋼船上，船體內無壓艙石。

2 測量及計算方法

測量時氣象條件滿足GB/T 14583-93的要求，并同時記錄了地理位置和氣象條件等環境參數。

測量原始數據首先經過Grubbs檢驗［5］，標記出歧離值，剔除離群值，然后求得對應測點的γ輻射劑量率。

2.1 宇宙射線響應值修正方法

考慮到經緯度和海拔高度的影響，根據HJ/T 61-2001《輻射環境監測技術規范》［6］附錄B，以輻射測量儀在廣東河源萬綠湖實測得到的宇宙射線響應值為基準，修正得到該設備在本實驗場所在地（GERC粵西分部）的宇宙射線響應值。修正公式：

式中：

D′c0——輻射測量儀在萬綠湖水面上對宇宙射線的響應值；

Dc0——輻射測量儀在測點處對宇宙射線的響應值；

D宇、D′宇——測點處和萬綠湖水面處宇宙射線電離成分在低大氣層中產生的空氣吸收劑量率，單位為 nGy·h-1。

萬綠湖測量點海拔高度為110 m，輻射檢驗場測量點海拔高度為26 m；粵西分部測量點緯度為 21°53′12″，經度為 111°59′34″；萬綠湖測量點緯度為 23°47′38″，經度為 114°35′21″。根據HJ/T 61-2001《輻射環境監測技術規范 》附 錄 B，D宇、D′宇分 別 為 27.5 nGy·h-1、27.9 nGy·h-1，即式（1）為：

2.2 輻射檢驗場介紹

輻射檢驗場位于廣東省環境輻射監測中心粵西分部，長40 m、寬11 m。場地周圍30 m內無高大建筑物，輻射環境相對穩定，本底環境γ劑量率約110 nGy/h。

輻射檢驗場用放射性物質來源于某獨居石冶煉廠產生的固體廢渣，廢渣中含有較高放射性水平的238U、232Th及其子體。廢渣的核素238U、226Ra、232Th、40K 的比活度分別為 1.01×104Bq·kg-1、1.34×105Bq·kg-1、7.87×105Bq·kg-1、6.96×102Bq·kg-1。

將固體廢渣裝入圓柱形不銹鋼樣品盒（直徑10 cm，高12.5 cm）作為輻射檢驗場的放射源，裝有廢渣的不銹鋼樣品盒表面及1 m處的劑量率分別約 10 μGy/h 和 1 μGy/h。

圖1為輻射檢驗場示意圖，放射源（編號1A、2A、…、15A 和 1B、2B、…、15B）對稱放置，測量點設在對稱軸上（如圖1所示D1、D2、…、D15）。

圖1 輻射檢驗場示意圖Fig.1 schematic diagram of radiation inspection field

2.3 輻射檢驗場理論基礎及計算方法

任意兩臺輻射測量儀同點位測得的陸地γ輻射劑量率都應該相等，即

式中：

Dt——測量點的陸地γ輻射空氣吸收劑量率；

D、Dc、k——某臺輻射測量儀在環境中的測量讀數、對宇宙射線的響應值和該測量儀對某種放射源γ射線產生的空氣吸收劑量率的校準因子；

D0、Dc0、k0——作為量值傳遞輻射測量儀在環境中的測量讀數、對宇宙射線的響應值和該測量儀對某種放射源（與上述放射源類型相同）γ射線產生的空氣吸收劑量率的校準因子。

由式（3）得：

對于任意一臺輻射測量儀器儀表，校準因子都為常數；測量儀對宇宙射線的響應值在海拔高度近似的情況下，也可近似看作常數。因此，在環境中進行比對測量時，兩臺儀器的讀數將呈線性關系。

在上述輻射檢驗場進行比對測量，將比對測量數據以D0為x軸、以D為y軸作圖進行最小二乘法線性擬合，得到擬合方程y=ax+b，則：

由式（5）、式（6）分別計算待測儀器的校準系數（實驗值）及宇宙射線響應值。

3 結果分析與評價

本次宇宙射線響應測量及γ輻射劑量率比對采用統一的記錄格式，每個點位記錄20組數據。

道路和草地環境γ輻射劑量率測量數據的評判，依據《利用實驗室間比對進行能力驗證的統計方法》［7］（GB/T 28043-2019）和《能力驗證結果的統計處理和能力評價指南》［8］（CNASGL02）推薦的方法；對于無指定值的比對結果，采用穩健Z 比分數法統計評價參加比對實驗室的測量結果。利用“輻射檢驗場”獲得的宇宙射線響應實驗值、校準系數實驗值結果評判，則采用絕對偏差或相對偏差評價。

穩健Z比分數法公式：

式中：

yc——參加比對實驗室的測量值；y中位值為中位值；

IQR——四分距IQR=Q3-Q1；

標準IQR為IQR×0.7413，表示標準化四分位距；

Q3——第三、四分位數，指1/4的結果數據高于該值；

Q1——第一、四分位數，指1/4的結果數據低于該值。

比對結果的評價方法：

｜Z｜≤2時，表明結果“滿意”；

2＜｜Z｜＜3時，表明結果為異常值，應查找偏差較大的原因；

｜Z｜≥3時，表明結果“不滿意”（結果為離群值）。

3.1 宇宙射線響應及校準系數與輻射檢驗場實驗值比較

本次比對共有3臺RSS-131型高壓電離室、11臺FH40G型便攜式γ輻射劑量率儀、2臺6150AD型便攜式γ輻射測量儀在萬綠湖進行宇宙射線響應測量。測量結果按照公式（2）進行修正，詳細結果見表1。

本次共14臺γ輻射測量儀參加了輻射檢驗場測量，首先以儀器代碼1、儀器代碼4為傳遞儀器，然后利用式（5）、式（6）分別獲得同類型儀器的宇宙射線響應實驗值和校準系的實驗值，最后以表1校準系數和輻射檢驗場宇宙射線響應值作為參考值。實驗值與參考值比較結果見表2。

表1 萬綠湖宇宙射線響應值及輻射檢驗場宇宙射線響應修正結果Table 1 Cosmic ray response measurement of Wanlu Lake and correction results of cosmic ray response of radiation inspection field

表2 宇宙射線響應及校準系數與輻射檢驗場實驗結果比較Table 2 Terrestrial measurement of cosmic ray response and calibration coefficient results

由表2可見，12臺儀器校準系數實驗值與參考值相對偏差范圍為-10.1%～21.0%，10%以內有11個，占比為92%，其中儀器代碼9相對偏差為21%；2臺高壓電離室的相對偏差最小，分別為-1.0%和0.0%。宇宙射線響應實驗結果絕對偏差范圍為 -5.2～5.5 nGy·h-1，均小于6 nGy·h-1，表明宇宙射線響應實驗結果絕對偏差較小，結果均可接受。

3.2 陸地γ輻射劑量率比對結果及分析

本次共有16臺γ輻射測量儀參加比對，得到監測數據64個。儀器在每個測量點的讀數均值扣除宇宙射線響應值、乘以校準系數后，監測結果匯總于表3。

表3 γ輻射劑量率監測結果（nGy·h-1）Table 3 The results of γ radiation dose rate（nGy·h-1）

采用穩健Z比分數法評價表3比對結果，評價結果見表4。

表4 Z比分數值結果匯總表Table 4 Z score numerical result summary table

由表4可見，64個監測數據中有60個數據取得滿意的比對結果，占總數的94%；4個監測數據為異常值，分別為儀器代碼9在道路1、道路2、草地2和儀器代碼7在道路2的監測結果。

由表3可知，儀器代碼7測量結果除草地2之外均為同點位最大值。其中草地2測量結果為223.1 nGy·h-1，該點位測量結果最大值為224.0 nGy·h-1；儀器代碼9測量結果均為同點位最小值。經核實，本次參與比對的儀器校準單位共有7家，其中儀器代碼7、儀器代碼9分別來自上海和湖南某檢定單位。由表2可知，儀器代碼9校準系數實驗值與參考值相對偏差為21%，因考慮是否因檢定引入系統誤差，故將儀器代碼7、儀器代碼9結果利用表2系數實驗值（分別為0.90、1.17）作為校準系數進行重新計算，監測結果見表5。

表5 γ輻射劑量率監測結果（nGy·h-1）Table 5 The results of γ radiation dose rate（nGy·h-1）

將表5中的數據進行穩健Z比分數法評價，評價結果見表6。

由表6可見，將儀器代碼7、儀器代碼9測量結果利用輻射檢驗場系數實驗值進行重新計算后，監測結果Z比分數值均＜2，即64個監測數據均取得滿意的比對結果，占比100%。

表6 Z比分數值結果匯總表Table 6 Z score numerical result summary table

續表

4 結論

本次共有3種型號，16臺γ輻射測量儀參加比對測量，其中14臺儀器參加輻射檢驗場測量。對輻射檢驗場測量計算結果采用絕對偏差、相對偏差法進行分析和評價；對γ輻射劑量率比對結果采用穩健Z比分數法進行分析和評價。

（1）利用GERC粵西分部輻射檢驗場進行“輻射測量儀的宇宙射線響應和校準系數的陸地測算”，能方便、快速地計算輻射測量儀的宇宙射線響應值，且測量結果絕對偏差較小。

（2）對于高壓電離室型較笨重、不便攜帶的儀器，通過輻射檢驗場測量計算宇宙射線響應值更為省時省力。

（3）16臺γ輻射測量儀64個直接測量結果的滿意占比為94%；利用輻射檢驗場傳遞間接獲得實驗系數后，64個測量結果的滿意占比為100%。不同儀器因檢定單位不同，校準系數可能帶來測量誤差，造成了可疑的比對結果。利用輻射檢驗場測量能查找及解決測量結果不可比的問題。