热释光法测量环境累积剂量不确定度分析

张德春，龚宇东，李乐

(福建宁德核电有限公司，福建 宁德，352100)

0 引言

环境辐射剂量率是辐射环境监测中的重要组成部分，剂量率监测方法主要有瞬时剂量率监测、累积剂量率监测和连续剂量率监测(自动站连续监测)[1]。由于热释光剂量计(TLD)能量响应好、灵敏度高、量程范围宽、测量精度高、布放时间长、可综合反映环境辐射场长期的实际情况等优点，目前在环境累积剂量测量中已广泛应用[2]。

本文采用热释光法测量环境地表累积剂量水平，对测量不确定度进行评定。在不确定度评定中，综合考虑了选片、剂量计布放、测量、宇宙射线响应及仪器等因素。

1 监测仪器和监测方法

1.1 累积剂量率监测

累积剂量率监测使用的是RGD-6型热释光剂量仪。该仪器一次可放置并测量60个TLD片，可灵活设置3阶段程序升温，升温速率为1 ℃/s～60 ℃/s。热释光剂量件采用GR-200 A型LiF(Mg,Cu,P)探测器，规格为φ4.5 mm×0.8 mm的圆片。此种元件具有较好的抗破损性，并有好的能量响应特性(30 keV～3 MeV)、低探测阈、线性范围宽(0.1 μGy～12 Gy)等特点。LiF(Mg,Cu,P)探测器的热释发光曲线有3个热释发光峰，其峰值温度分别为135 ℃、190 ℃、230 ℃，峰3为剂量测定峰。

每个累积剂量监测布样点位布放8个TLD片分置2个样品盒中，每个样品盒中各放4片并按菱形放置于距地面高约1.2 m处，监测频率为1 次/季度。环境累积剂量结果计算：首先测量出每个点位的8个TLD片值，按照Grubbs检验法逐个对数据进行检验，剔除异常值后再求平均值和标准偏差(伴随片也做相同方法处理)，并按照式(1)、式(2)计算出每个布样点位的累积剂量率：

(1)

(2)

1.2 瞬时剂量率监测

瞬时剂量率监测使用的是ThermoFISHER的FH40G-L型辐射监测仪器，其主要性能指标有：能量范围，30 kev～3 Mev；测量范围，10 nGy/h～100 mGy/h；角度依赖性，-75°～75°，仪器纵轴方向角度变化小于20%；相对固有误差<±15%；工作温度，-30 ℃～55 ℃。

测量前，仪器开机预热至稳定，且仪器经过剂量检定，数据获取时间间隔为10 s，每次测量读取10个数据，10个数据的平均值即为该点位瞬时γ剂量率测量值，计算公式如下：

(3)

2 测量不确定度来源分析

分析选片、布样、运输、采样、测量、数据处理以及仪器刻度等过程中可能对累积剂量测量结果有影响的因素，评估不确定度分量(A类不确定度和B类不确定度)[3]，根据分析绘制不确定度分析鱼骨图如图1。

3 环境累积剂量监测结果

根据TLD累积剂量测量方法，选择15个点进行测量，测量结果列于表1。

由表1可知，累积剂量率测量数据范围为86.8～161.7 nGy/h，瞬时剂量率测量数据范围为92.0～159.1 nGy/h，处本底涨落范围内。瞬时剂量率测量受当时气象、地质状况等影响，测量数据存在一定差异，但各测点测值相对偏差均小于14%，总体符合性较好。

表1 累积剂量与瞬时剂量率测量结果

4 不确定度分量评定

4.1 测量数据引起的不确定度(U1)

由于仪器受到实验室温度、湿度等因素的影响，会对样品剂量片读出值的重复性带来不确定度(统计涨落)，主要是测量计数的标准不确定度。表2列出了东程点位的测量结果。

表2 东程点位测量结果(μGy)

按照Grubbs检验法(95%置信度)逐个对表2中数据进行检验，剔除TLD片编号5的样品测量值，得样品和伴随片读出值引起的不确定度为：

(4)

(5)

由式(4)、(5)得测量数据的相对合成标准不确定度为：

(6)

4.2 刻度因子引起的不确定度(U2)

刻度仪器时所使用的辐照源、TLD剂量片和伴随片等所引起的不确定度综合反映到刻度因子不确定度上。

本次测量使用的热释光剂量仪由中国计量科学研究院检定，采用B类不确定度进行评定，检定证书给出的刻度因子不确定度为5.4%，扩展因子k=2。得刻度因子的相对不确定度为：

(7)

4.3 TLD片均匀性引起的不确定度(U3)

4.3.1选片引起的不确定度(U31)

TLD片引入的不确定度分量即片子本身分散性所产生的，厂家提供的TLD片分散性小于5%。

将筛选好的同一组TLD片中随机取出8片用点源进行辐照，辐照结束后进行测量，测量结果列于表3。

表3 TLD片辐照选片测量结果 (μGy)

按照Grubbs检验法(95%置信度)逐个对数据进行检验，无异常值。得TLD片分散性引起的不确定度为：

(8)

4.3.2TLD片运输过程引起的不确定度(U32)

每次TLD布放分为3条路线，每条路线上均携带一组8片，共计24片，测量结果列于表4。

表4 TLD片运输过程测量结果(μGy)

按照Grubbs检验法(95%的置信度)逐个对数据进行检验，无异常值。得TLD片运输过程引起的不确定度为：

(9)

4.3.3相对合成标准不确定度

由式(8)、(9)得TLD片均匀性的相对合成标准不确定度为：

(10)

4.4 测量仪器引起的不确定度(U4)

4.4.1仪器光源引起的不确定度(U41)

(11)

4.4.2仪器本底引起的不确定度(U42)

在不放入TLD片的情况下，对仪器空盘进行重复性测量，测量结果列于表5。

表5 仪器空盘本底测量结果

按照Grubbs检验法(95%的置信度)逐个对数据进行检验，无异常值。得仪器空盘本底引起的不确定度为：

(12)

4.3.3相对合成标准不确定度

由式(11)、(12)得测量仪器的相对合成标准不确定度为：

(13)

4.5 宇宙射线响应引起的不确定度(U5)

宇宙射线响应值测量须在水深大于3 m，距岸大于1 km的淡水上进行测量[4]。本次TLD片宇宙射线响应值监测点位选取距离宁德核电厂约35 km、水深大于10 m的桑园水库水面。测量结果列于表6。

按照Grubbs检验法(95%的置信度)逐个对数据进行检验，无异常值。得宇宙射线响应引起的不确定度为：

(14)

表6 宇宙射线响应测量结果 (μGy)1)

4.6 合成不确定度(Uh)

测量方法合成不确定度Uh为：

(15)

4.7 扩展不确定度U

k=2，测量的扩展不确定度为：

U=k×Uh=10.68%

(16)

4.8 不确定度分量统计

根据以上对TLD累积剂量整个选片、布样、运输、测量等过程的分析，各环节不确定分量统计如表7所示。

5 结论

(1) 环境辐射剂量率监测是辐射环境监测的重要手段，能直观反应所在地的辐射水平。同时也为核设施或其它辐射装置正常运行和事故情况下对公众所致照射剂量的估算提供数据依据。

(2) 福建宁德地区大部分属于低辐射本底，环境剂量率约为100 nGy/h。天然环境辐射水平较低，累积剂量测量所涉及的环节、影响因素较多，如何准确监测，需要监测人员在日常工作中，加强质量控制，参加同行比对，发现问题。

(3) 环境热释光测量不确定度分析中，主要影响为伴随片的测量、刻度因子、TLD选片、TLD片运输过程等。针对布放过程引起的不确定度，每次布样应尽可能安排一致的路线[5]，将环境影响因素降到最低。

针对TLD片筛选和宇宙射线响应引起的不确定度，在具备条件情况下，TLD片辐照应尽可能使用点源进行均匀照射，TLD片应一批一批使用，定期进行更换，新片和老片尽可能不要混合使用；宇宙射线响应严格按照标准要求进行布样和测量，以降低宇宙射线响应引起的不确定度。

表7 不确定度分量统计