全國標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的統(tǒng)一校準(zhǔn)及低濃度測量比對

孫昌昊, 楊志杰, 劉玫玲, 劉皓然, 張 健, 梁珺成

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

氡(222Rn)是由鐳的同位素226Ra衰變而產(chǎn)生的一種放射性惰性氣體,廣泛存在于自然界中[1]。氡會被吸入肺部從而產(chǎn)生內(nèi)照射,這使得氡成為人體所受天然放射性輻射最主要的來源,是繼吸煙后的第二大肺癌誘因[2]。為了評估氡暴露危害,我國針對不同環(huán)境中的氡濃度(即氡體積活度,表示為單位體積內(nèi)的氡活度)水平進行了全面調(diào)查[3～7]。調(diào)查中涉及了不同類型的氡測量裝置,雖然其測量原理和技術(shù)都已經(jīng)相對成熟,但很難在實踐中保持合理和準(zhǔn)確的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致測量結(jié)果缺少統(tǒng)一的評價依據(jù)。因此,氡測量裝置的量值溯源對于保障大規(guī)模氡篩查和輻射防護評價具有重要意義。

標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀作為已建氡標(biāo)準(zhǔn)的主要標(biāo)準(zhǔn)器,是各類工作級測氡儀量值溯源的依據(jù),其自身的量值溯源關(guān)系到全國氡濃度量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一。為保障氡量值的準(zhǔn)確可靠,世界各國持續(xù)發(fā)展氡計量基礎(chǔ)設(shè)施。部分國家建立了基于小立體角方法的氡活度基準(zhǔn)裝置[8～11],并在此基礎(chǔ)上研究了直接將氡濃度次級標(biāo)準(zhǔn)溯源至絕對測量氡活度的計量方法[12,13]。我國于2017年研制了氡活度基準(zhǔn)裝置,在0.4%的范圍內(nèi)取得國際等效,并在此基礎(chǔ)上開展了測氡儀溯源至氡活度基準(zhǔn)裝置的可行性研究[14～16]。本次統(tǒng)一校準(zhǔn)改進和優(yōu)化了標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的校準(zhǔn)方法,將其通過靈敏度更高的氡濃度量值傳遞裝置集中溯源至氡活度基準(zhǔn)裝置,減少量傳過程中的不確定度,提升了國內(nèi)氡計量水平,對氡調(diào)查的區(qū)域間評價具有重要意義。

另一方面,流行病學(xué)調(diào)查顯示室內(nèi)的低濃度水平氡暴露是公眾致肺癌的主要誘因[2],準(zhǔn)確評價低濃度水平氡環(huán)境成為了輻射防護領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。文獻[17,18]分別開展的低濃度環(huán)境中測氡儀的比對工作表明,各類測氡儀在氡濃度較低時的測量結(jié)果易受儀器本底和統(tǒng)計漲落的影響,相對偏差較大,這引發(fā)了國際上對于發(fā)展低水平濃度氡計量能力的呼吁[19]。開展國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的低濃度比對旨在有效檢驗和評估各建標(biāo)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀對低濃度水平氡環(huán)境的檢定/校準(zhǔn)能力,促進國內(nèi)氡計量領(lǐng)域的技術(shù)交流與合作。

為了將國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀統(tǒng)一溯源至氡活度基準(zhǔn)裝置,并探討其在低濃度測量時的性能差異,中國計量科學(xué)研究院(national institute of metrology,NIM)作為主導(dǎo)機構(gòu)聯(lián)合11家已建標(biāo)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀開展了統(tǒng)一校準(zhǔn)和低濃度測量比對,并對結(jié)果進行了細致的介紹與分析。

2 設(shè)備與條件

2.1 氡室條件

統(tǒng)一校準(zhǔn)及低濃度比對在NIM的真空密封級氡室中進行,氡室的容積為1.5 m3,滿足同時容納11臺標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的校準(zhǔn)及比對需求。為有效清除氡室內(nèi)的本底氡氣體和雜質(zhì)對測量結(jié)果的干擾,氡室配備抽真空系統(tǒng),在實驗前對腔室抽真空后再充入氮氣恢復(fù)常壓。氡室內(nèi)的溫度、濕度和壓力由溫、濕、壓傳感器實時監(jiān)測,校準(zhǔn)及比對期間溫度變化范圍在22～24 ℃之間,相對濕度穩(wěn)定維持在10%以下。氡室內(nèi)配備4臺風(fēng)扇,確保腔室內(nèi)氡氣體的均勻分布。

為了避免氡濃度調(diào)控帶來的波動影響,根據(jù)預(yù)設(shè)的氡濃度量級,校準(zhǔn)及比對均采用一次性充入定量氡氣的方式營造氡濃度環(huán)境。氡氣體由真空密封的226Ra標(biāo)準(zhǔn)源提供,經(jīng)氡活度基準(zhǔn)裝置初步定值后轉(zhuǎn)移至金屬氡氣體源罐內(nèi),再由氮氣作為載氣注入氡室內(nèi)。氡室內(nèi)的氡濃度只會因衰變、內(nèi)壁吸附和泄露而損失,將各時刻的氡濃度進行半衰期與損失率修正用于分析評價。某一時刻的氡室內(nèi)氡濃度為:

Ct=C0×e-(λd+λloss)·Δt

(1)

式中:Ct為t時刻的氡濃度,Bq/m3;C0為初始時刻氡濃度,Bq/m3;λd為氡的衰變常數(shù),h-1;λloss為因吸附和泄露而造成的氡濃度損失系數(shù),h-1;Δt為時間差,h。

2.2 設(shè)備條件

參與本次校準(zhǔn)和比對的11臺標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀均為法國SAPHYMO公司生產(chǎn)的AlphaGUARD系列,儀器型號涵蓋PQ2000、PQ2000Pro、DF2000、D50、P2000和P1000F[20],由編號A～K標(biāo)識。AlphaGUARD系列測氡儀的測量范圍為(2～2×106)Bq/m3,測量靈敏度為3 cph/(Bq·m-3)。測量模式依據(jù)各建標(biāo)實驗室的實際工作狀態(tài),儀器A～J設(shè)置為測量周期為60 min的擴散模式,儀器K設(shè)置為測量周期為10 min的流氣模式。

為了開展大規(guī)模集中校準(zhǔn),將各標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀通過靈敏度更高的氡濃度量值傳遞裝置統(tǒng)一溯源至氡活度基準(zhǔn)裝置。將NIM自研的高靈敏度多絲脈沖電離室測氡裝置與氡室連接,由編號L標(biāo)識。多絲脈沖電離室采用雙阿基米德螺旋電極結(jié)構(gòu),有效探測體積達10.3 L[21]。在外加電壓下形成的電勢、電場分布均勻一致,有利于電離室內(nèi)離子的收集。多絲脈沖電離室可以作為氡濃度量值傳遞裝置,其測量結(jié)果直接溯源至氡活度基準(zhǔn)裝置與國家容量基準(zhǔn),校準(zhǔn)因子為2.2×10-2Bq·m-3/cph,不確定度為Urel=0.7%(k=2)。該裝置的測量靈敏度可達到44.98 cph/(Bq·m-3),約為AlphaGUARD系列測氡儀的15倍。

開展校準(zhǔn)與比對活動前,需要測量儀器A～L的本底。首先將氡室抽至真空,接著使用高純氮氣緩慢注入腔室至常壓,儀器A～L的本底結(jié)果取穩(wěn)定后連續(xù)20小時的測量平均值。各標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀A～K的本底范圍分布在(10.6～74.9)Bq/m3之間,相對擴展不確定度的范圍為6.4%～17.7%(k=2)。其中,儀器A、B、C、D、H、K的本底氡濃度均超過20 Bq/m3,可能的原因是由于長時間使用的本底累積或曾暴露于高濃度氡環(huán)境中。多絲脈沖電離室測氡裝置L的本底為7.9 Bq/m3,Urel=2.0%(k=2)。

3 參考值的確定

統(tǒng)一校準(zhǔn)和低濃度比對的氡濃度參考值均由多絲脈沖電離室測氡裝置定值,靈敏度更高的測量結(jié)果不僅為校準(zhǔn)、比對提供氡濃度參考值,同時也可作為氡室內(nèi)氡濃度的損失率修正判據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的統(tǒng)一校準(zhǔn)分別在氡濃度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種不同的環(huán)境下進行,氡濃度的預(yù)設(shè)值分別為小于800 Bq/m3、1 000～2 000 Bq/m3和大于3 000 Bq/m3三種量級。各標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀經(jīng)統(tǒng)一校準(zhǔn)結(jié)果修正后,分別在氡濃度水平Ⅳ、Ⅴ兩種不同氡濃度環(huán)境下進行低濃度比對,氡濃度的預(yù)設(shè)值分別為80～100 Bq/m3和300～500 Bq/m3兩種量級。

在不同氡濃度環(huán)境連續(xù)25 h的測量結(jié)果經(jīng)半衰期和損失率修正,可形成長時間穩(wěn)定的氡濃度參考環(huán)境。氡濃度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的參考氡濃度分別為720.4 Bq/m3、1 954.7 Bq/m3和3 219.8 Bq/m3,對應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation,RSD)分別為0.63%、0.44%和0.34%。3種校準(zhǔn)環(huán)境下氡濃度參考值的不確定度均為Urel=1.6%(k=2)。氡濃度水平Ⅳ的參考值為96.6 Bq/m3,RSD=3.3%,Urel=2.2%(k=2);氡濃度水平Ⅴ的參考值為411.4 Bq/m3,RSD=0.8%,Urel=1.6%(k=2)。

4 結(jié)果與討論

4.1 統(tǒng)一校準(zhǔn)結(jié)果

為了使氡濃度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ條件下的標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀校準(zhǔn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化,常采用3種氡濃度環(huán)境下體積活度響應(yīng)的平均值來表征校準(zhǔn)結(jié)果。體積活度響應(yīng)是測氡儀的實測濃度與氡體積活度約定真值之比,被校準(zhǔn)測氡儀的體積活度響應(yīng)和不確定度評定公式如下:

(2)

(3)

標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀在氡濃度水平Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種條件下連續(xù)測量25 h的氡濃度平均值和體積活度響應(yīng)Rj的計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 儀器A～K在氡濃度水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處的氡濃度及體積活度響應(yīng)結(jié)果Fig.1 Radon concentration and volume activity response results of monitors A～K at concentration-Level Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ

圖1中紅色實線為參考結(jié)果,虛線為相應(yīng)的擴展不確定度(k=2)。其中,儀器K在氡濃度水平Ⅲ處采樣泵故障,無有效數(shù)據(jù)。除儀器K外,其余標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀在3種校準(zhǔn)環(huán)境下的氡濃度測量結(jié)果與參考值在不確定度范圍內(nèi)一致性較好,體積活度響應(yīng)的范圍分布在0.97～1.03之間。所有儀器的不確定度均滿足JJG 825—2013對于氡濃度標(biāo)準(zhǔn)器Urel≤6.0%(k=2)的要求[22]。

相對固有誤差可以反映不同氡濃度校準(zhǔn)條件下體積活度響應(yīng)的最大偏離程度。由各濃度點的體積活度響應(yīng),可計算相對固有誤差Ej,取各濃度點中相對固有誤差絕對值最大者作為被校準(zhǔn)測氡儀的相對固有誤差,按式(4)計算:

(4)

表1 統(tǒng)一校準(zhǔn)結(jié)果Tab.1 The results of uniform calibration

4.2 低濃度比對測量結(jié)果

為保證各標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀在低濃度比對中的一致性,儀器A～K在低濃度比對時的測量結(jié)果均使用集中校準(zhǔn)所得的體積活度響應(yīng)結(jié)果進行修正。各參比測氡儀在氡濃度水平Ⅳ、Ⅴ處連續(xù)測量25 h的氡濃度平均值和等效度計算結(jié)果如圖2所示,圖中紅色實線為參考結(jié)果,虛線為相對應(yīng)的擴展不確定度(k=2)。

圖2 儀器A～K在氡濃度水平Ⅳ、Ⅴ處的氡濃度及等效度Fig.2 Radon concentration and equivalence of monitors A～K at radon concentration-level Ⅳ and Ⅴ

等效度表征儀器A～K的測量結(jié)果與參考值之間的一致程度,用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,其理論公式和不確定度評定公式見式(5)、式(6)。

di=yi-yref

(5)

(6)

式中:di為第i臺參比儀器的等效度,Bq/m3;yi為第i個參比儀器扣除本底后的測量平均值,Bq/m3;yref為比對實驗的氡濃度參考值,Bq/m3。

如圖2所示,在氡濃度水平Ⅳ處,大部分標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的測量結(jié)果的RSD分布在0.0%～8.4%的范圍內(nèi),但儀器K的測量結(jié)果經(jīng)修正后仍然偏離氡濃度參考值接近17%,潛在原因是由于10 min的測量周期會帶來較大的統(tǒng)計不確定度,同時儀器K的本底偏高,可能會造成測量結(jié)果偏低的現(xiàn)象。在氡濃度水平Ⅴ處,儀器A～K測量結(jié)果的RSD除K外(6.2%)均在4%以內(nèi)。從圖2中等效度的結(jié)果來看,在氡濃度水平Ⅳ和Ⅴ處,儀器A～J的測量結(jié)果均能與參考值在擴展因子k=2的不確定度范圍內(nèi)取得等效,儀器K在氡濃度水平Ⅳ、Ⅴ處的測量結(jié)果則不能取得等效。因此,標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀應(yīng)使用測量周期較長的測量模式,以提高測量準(zhǔn)確性。

為了參數(shù)化評價儀器A～K測量結(jié)果和參考值的等效度與其不確定度的關(guān)系,比對結(jié)果采用歸一化偏差En評價方法作為判據(jù)[23]。En法的理論公式如下所示,其中覆蓋因子k=2。

(7)

當(dāng)|En|≤1時,參比儀器測量結(jié)果與參考值之差在合理預(yù)期內(nèi),結(jié)果評定為滿意;當(dāng)|En|>1時,結(jié)果則評定為不滿意。根據(jù)En評價方法,對低濃度比對結(jié)果進行分析,評價結(jié)果如表2所示。依據(jù)En評價準(zhǔn)則,儀器A～J的比對數(shù)據(jù)|En|值均小于1,說明各參比儀器在氡濃度水平Ⅳ、Ⅴ處的比對結(jié)果滿意,具備準(zhǔn)確測量低濃度水平氡的能力。儀器K的|En|值在氡濃度水平Ⅳ、Ⅴ處均大于1,說明儀器K的比對結(jié)果不滿意,不具備準(zhǔn)確測量低濃度水平氡的能力。儀器K可以通過調(diào)整測量模式以延長測量時間的方式來減少統(tǒng)計漲落造成的影響。

表2 儀器A～K的歸一化偏差EnTab.2 Normalization deviation of monitors A～K

值得注意的是,標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀A～K在氡濃度水平Ⅳ處測量結(jié)果的相對擴展不確定度在5.3%～19.5%之間分布,其中除儀器E、J外均超過6%。在氡濃度水平Ⅴ處測量結(jié)果的相對擴展不確定度在3.3%～5.9%之間分布,均小于6%。而標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀作為各建標(biāo)實驗室的氡濃度標(biāo)準(zhǔn)器,在量值傳遞時應(yīng)盡量滿足氡濃度測量結(jié)果的不確定度Urel≤6%(k=2)[22]。因此,在氡室內(nèi)氡濃度穩(wěn)定性,標(biāo)準(zhǔn)儀器和被校準(zhǔn)儀器的統(tǒng)計性均滿足既定條件的情況下,各建標(biāo)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀在400 Bq/m3氡濃度量級進行量值傳遞是可行的,但大部分實驗室在100 Bq/m3氡濃度量級的量值傳遞能力仍需進一步提升。各建標(biāo)實驗室可以通過延長測量時間來減少統(tǒng)計漲落,以及盡可能地減少或修正氡室內(nèi)氡濃度波動帶來的影響。在氡標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)提升方面,可以考慮使用靈敏度更高的成熟化測氡儀作為標(biāo)準(zhǔn)器,以此滿足未來氡計量能力向低濃度水平擴展的需求。

5 結(jié) 論

本次國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的集中校準(zhǔn)和低濃度比對共有11家建標(biāo)實驗室參加。通過集中校準(zhǔn),首次大規(guī)模地將國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀測量結(jié)果通過氡濃度量值傳遞裝置溯源至氡活度基準(zhǔn)裝置,將氡濃度參考值的擴展不確定度由3%～5%[24]降低至1.6%(k=2)。使用經(jīng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀,開展低濃度水平氡測量比對,驗證了氡室內(nèi)開展100～ 400 Bq/m3氡濃度測量及量傳的能力。11家建標(biāo)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)器均能滿足在400 Bq/m3氡濃度量級開展量值傳遞的條件,但在100 Bq/m3或以下的氡濃度量級開展量值傳遞,其中9家建標(biāo)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)器仍需進一步提升其測量能力。

本研究對于國內(nèi)氡計量領(lǐng)域具有重要意義。首先,統(tǒng)一校準(zhǔn)有利于在盡可能相同的條件下開展標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)試驗,有效管控儀器計量溯源環(huán)節(jié)的不確定度,促進全國氡濃度量值統(tǒng)一;其次,低濃度比對主要針對當(dāng)前對于低濃度水平氡的溯源需求,考察標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀在該濃度范圍內(nèi)的測量與量傳能力,為將氡濃度量傳能力擴展至環(huán)境量級進行技術(shù)評估。經(jīng)統(tǒng)一校準(zhǔn)后的測氡儀在低濃度比對時,測量值與參考值之間依然存在較大的偏差,說明下一步開展低濃度水平氡計量技術(shù)的研究是有必要的;最后,開展標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的統(tǒng)一校準(zhǔn)與測量比對有利于持續(xù)改進國內(nèi)測氡儀的溯源方法,提升標(biāo)準(zhǔn)級測氡儀的量傳質(zhì)量。