碘化钠_能谱仪在建筑材料放射性检测过程中的不确定度的评定

收稿日期：2009-07-09 0 前 言 随着人们生活水平的不断提高和对自身健康的 日益关注， 大家越来越重视建筑材料的放射性 。 GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》检测 的出台，对建筑材料的放射性有了一个限量，从国内 目前放射性检测情况来看， 少量实验室使用的是价 格昂贵的高纯锗(HpGe)型 γ 能谱仪，而大部分使用 的是完全能满足检测要求的碘化钠[NaI(Tl)]型 γ 能 谱仪。放射性检测中涉及到检测过程的不确定度，现 根据我实验室使用碘化钠 γ 能谱仪的情况， 对检测 建筑材料放射性的不确定度进行评定。 当然在评定 中存在对有些不确定的问考虑不周全、不深入、不 正确的地方，在此希望能得到各位的指导。 1 试验 1.1 仪器 颚式破碎机、密封式研磨机、低本底多道 γ 能谱 仪。 1.2 测试过程 随机抽取样品两份，每份不少于 3 kg。 一份密封 保存，另一份作为检验样品。 将检验样品破碎，磨细 至粒径不大于 0.16 mm。将其放入与标准品几何形态 一致的样品盒中，称重（精确至 1 g）、密封、待测。 当 检验样品中天然放射性衰变链基本达到平衡后，在 与标准样品测量条件相同情况下， 采用低本底多道 γ能谱仪对其进行镭-226、钍-232 和钾-40 比活度测 量。 2 测量方法的数学模型 放射性检测结果的数学模型如下： IRa=CRa/200 Iγ=CRa ／ 370+CTh ／ 260+CK ／ 4200 其中：IRa———内照射指数； Iγ———外照射指数； CRa———建筑材料中天然放射性核素镭-226 的 比活度； CTh———建筑材料中天然放射性核素钍-232 的 比活度； CK———建筑材料中天然放射性核素钾-40 的比 活度。 3 不确定度来源分析 本步骤是确定各主要不确定度来源，NaIγ 能谱 法测量建筑材料放射性的测量不确定度可分为 A 类 不确定度———统计方法评定的分量和 B 类不确定 度———非统计方法评定的分量。 根据检测方法，测量不确定度主要包含：⑴样品 颗粒度、均匀度对测量结果的不确定度；⑵样品称量 过程、样品装填量对测量结果的不确定度；⑶样品盒 材质、大小、形状对测量结果的不确定度；⑷样品中 天然放射性衰变链基本达到平衡对测量结果的不确 定度； ⑸仪器检测场所温度和湿度变化对测量结果 的不确定度； ⑹测量时间的长短对测量结果的不确 定度； ⑺样品盒在探头的不同位置对测量结果的不 确定度； ⑻标定用标准放射源对测量结果的不确定 度； ⑼计算软件将样品谱图与本底和标准源谱图拟 合分析的偏差对测量结果的不确定度； ⑽NaIγ能谱 仪对测量结果的不确定度； ⑾仪器的长期稳定性对 测量结果的不确定度； ⑿不同测量人员操作的差异 碘化钠 γ能谱仪 在建筑材料放射性检测过程中的不确定度的评定 翁忠良，王瑞芬 （宜兴出入境检验检疫局，宜兴 214206） 摘 要 碘化钠 γ 能谱仪检测建筑材料放射性，对整个检测过程的测量不确定度来 源进行分析，并对测量不确定度的主要来源进行评定的基础上进行合成，最终形成 不确定度的报告。 关键词 碘化钠 γ 能谱仪；建筑材料；放射性；不确定度 江 苏 陶 瓷 Jiangsu Ceramics 第 42 卷第 5 期 2009 年 10 月 Vol.42,No.5 October,2009 27 对测量结果的不确定度； ⒀检测结果重复性引入的 不确定度。 4 不确定度各分量的确定 4.1 样品颗粒度、均匀度的相对标准不确定度 标准要求粒径不大于 0.16 mm， 样品颗粒度、均 匀度的不确定度为经验值， 取相对标准不确定度在 0.3%左右，即样品颗粒度、均匀度的相对标准不确定 度 u1=0.3%（B类不确定度）。 4.2 样品称量过程、 样品装填量的相对标准不确定 度 4.2.1样品称量过程的相对标准不确定度 样品的称量： (1)由于天平（PB3002-S/A）引起的不确定度，校 准证书提供（0~500 g）最大允许误差为±0.5 g，按平均 分布，考虑天平称量时分两次完成，一次是空盒，另 一次是盒和样品，因此其标准不确定度为： u21= 2x 0.5 3姨 姨 姨 2 姨 =0.76 该天平的最大量程为 500g。 其相对标准不确定 度为 u21=0.76/500=0.15% (2)读数盘引起的不确定度 天平为数显式，分辨率为 0.0l g，按均匀分布，由 分辨率产生的不确定度为： u22= 0.01 3姨 =0.005 8 样品要求为 250 g， 其相对标准不确定度为 u22= 0.005 8/250=0.002%。 由于分量彼此不相关， 则天平引起的相对标准 不确定度为： u2’= u212+u222姨 =0.15% 4.2.2样品装填量的相对标准不确定度 样品装填量的多少， 示样品在样品盒内的高 度变化，相同的样品盒，检测样品装填不同的高度， 分别测量其镭-226、钍-232 和钾-40 比活度，由于要 求样品和标准样品的几何形态一致， 称样量和标准 样品基本接近，导致样品装填高度几乎无变化，即样 品装填量的相对标准不确定度很小，取 u2"=0。 由于样品称量过程、样品装填量彼此不相关，故 样品称量过程、样品装填量的相对标准不确定度： u2= u2’2+u2"2姨 =0.15% 4.3 样品盒材质、大小、形状的相对标准不确定度 通常情况下， 实验室要求使用的样品盒与标准 源具有相同的材质、大小、形状，考虑到标准源由中 国计量科学研究院提供， 与检测用样品盒存在一定 差异，样品盒材质、大小、形状的相对标准不确定度 为经验值，取相对标准不确定度在 0.3%左右，即样 品盒材质、大小、形状相对标准不确定度 u3=0.3%。 4.4 样品中天然放射性衰变链基本达到平衡的相对 标准不确定度 在 GB6566-2001 中规定样品密封、平衡后再测 量样品，没有对其时间进行具体规定，比较灵活，需 要根据我们检测人员平时的积累进行判断。 在核素 的检测中，在测量镭和钍的时候，我们都是测量其某 个子体的 γ特征峰。 所以在理论上样品要密封 20天 才能达到镭和钍及子体基本平衡。 为了保证检测正 确，就需要密封 20 天待其基本平衡后再测量，因此 样品中天然放射性衰变链基本达到平衡的相对标准 不确定度很小，取 u4=0。 4.5 仪器检测场所温度和湿度变化的相对标准不确 定度 因碘化钠探测器中的光电倍增管有一定温度系 数，碘化钠 γ 能谱仪检测场所应装空调，来保证室温 变化范围≤±3℃，相对湿度≤75％，但由于环境的因 素影响较大， 对于仪器检测场所温度和湿度变化的 相对标准不确定度取 u5=1%。 4.6 测量时间的长短的相对标准不确定度 测量时间的长短：应根据 γ 能谱仪的本底、探测 效率和材料放射性的强弱合理确定测试时间的长 短。 本底高、探测效率低应适当延长测试时间；在本 底和探测效率一定的情况下，放射性强的样品，测试 时间短，放射性弱的样品，测试时间相对较长。 对于 建筑材料，测量时间从 3 h 到 6 h 试样的放射性核素 活度，其中最大的相对不确定度为 0.93%，即测量时 间的长短的相对标准不确定度 u6=0.93%。 4.7 样品盒在探头的不同位置的相对标准不确定度 样品盒在探测器上的放置位置影响着检测结 果，γ能谱仪要求样品盒在探测器上的放置位置应与 测试标准源时标准源的放置位置相同。 通过对样品 盒在不同位置的测试， 测得相对标准不确定度为 2%，即样品盒在探头的不同位置的相对标准不确定 度 u7=2%。 4.8 标定用标准放射源的相对标准不确定度 根据上海计量测试研究院出具的标准放射源检 定证书， 标定用标准放射源的不确定度为 5.0％(k= 江苏陶瓷 Jiangsu Ceramics 2009 年 10 月 第 42 卷第 5 期28 2)，即 u8=5.0％ ／ 2=2.5％。 4.9 计算软件将样品谱图与本底和标准源谱图拟合 分析的偏差的相对标准不确定度 碘化钠 γ 能谱仪检测根据本底谱和三个核素的 谱，对能谱仪进行能量刻度，并建立标准源谱图，选 用最小二乘拟合法分析样品谱数据， 在这过程中产 生的相对标准不确定度通常取 u9=3％。 4.10 NaIγ能谱仪的相对标准不确定度 根据上海计量测试研究院出具的仪器检定证 书，能谱仪系统的不确定度为 5.0％(k=2)，则其相对 标准不确定度为 u10=5.0％ ／ 2=2.5％。 4.11 仪器的长期稳定性的相对标准不确定度 保持测量条件不变， 在长时间内定期或不定期 用检验样重复测量，测得放射性核素的比活度，进行 数据统计分析， 得到仪器的长期稳定性的相对标准 不确定度 u11=0.5％。 4.12 不同测量人员操作差异的相对标准不确定度 实验室对放射性检测比较重视， 测量人员都经 过后上岗，掌握了一定的放射性知识，在实际操 作中积累了经验。 因此人为因素引起的不确定度相 对其它的不确定度很小，取 u12=0。 4.13 检测结果的重复性引入的不确定度 用低本底多道 γ能谱仪对同一样品独立进行 12 次测量，每次测量时间为 7 200秒。 仪器测出镭-226 的比活度 CRa、钍-232 的比活度 CTh、钾-40 的比活度 CK，再根据标准 GB6566-2001 计算出内照射指数 IRa 及外照射指数 Iγ，结果见下表 1。 对 CRa标准不确定度: uA= 1n(n-1) 12 i = 1 Σ(di-d)2姨 = 118.98312×11姨 =0.95 Bq/kg 相对标准不确定度 uARa=0.95/332.60=0.29% 对 CTh标准不确定度: uA= 1n(n-1) 12 i = 1 Σ(di-d)2姨 = 17.621112×11姨 =0.37 Bq/kg 测量序号 测量结果 CRa(Bq ／ kg) CTh(Bq ／ kg) CK(Bq ／ kg) 内照射指数 IRa 外照射指数 Iγ 1 330.97 206.00 229.09 1.655 1.741 2 332.24 203.96 221.46 1.661 1.733 3 335.21 204.39 210.33 1.676 1.742 4 333.30 204.97 199.01 1.666 1.737 5 336.54 203.06 202.78 1.683 1.739 6 335.03 204.89 201.75 1.675 1.742 7 336.47 204.36 211.08 1.682 1.746 8 330.88 203.81 245.24 1.654 1.737 9 329.91 204.14 232.25 1.650 1.732 10 325.32 207.04 200.51 1.627 1.723 11 334.82 202.15 213.37 1.674 1.733 12 330.51 204.71 207.24 1.653 1.730 平均值 332.60 204.46 213.68 1.653 1.736 序号 不确定度的来源 相对标准不确定度（%） A类分量 B类分量 1 样品颗粒度、均匀度 0.3 2 样品称量过程、样品装填量 0.15 3 样品盒材质、大小、形状 0.3 4 样品中天然放射性衰变链基本达到平衡 0 5 仪器检测场所温度和湿度变化 1.0 6 测量时间的长短 0.93 7 样品盒在探头的不同位置 2.0 8 标定用标准放射源 2.5 9 计算软件将样品谱图与本底和标准源谱图拟合分析的偏差 3.0 10 NaIγ 能谱仪 2.5 11 仪器的长期稳定性 0.5 12 不同测量人员操作的差异 0 13 Ra测量结果的重复性 0.29 Th测量结果的重复性 0.18 K测量结果的重复性 1.95 表 1 各系列比活度及内外照射指数 表 2 不确定度的分析结果 翁忠良等：碘化钠 γ 能谱仪在建筑材料放射性检测过程中的不确定度的评定 科技简报 29 相对标准不确定度 uATh=0.37/204.46=0.18% 对 CK标准不确定度: uA= 1n(n-1) 12 i = 1 Σ(di-d)2姨 = 2292.6212×11姨 =4.17 Bq/kg 相对标准不确定度 uAK=4.17/213.68=1.95% 上述各不确定度分量概括在前页表 2，按照评定 方法分成 A 类不确定度和 B类不确定度。 5 合成标准不确定度的分析 由于上述的原因所构成的不确定度是彼此独立 不相关的，所以： uRa= uARa2+u12+u22+u32+u42+u52+u62+u72+u82+u92+u102+u112+u122姨 = 0.292+0.32+0.152+0.32+0+1+0.932+22+2.52+32+2.52+0.52+0姨 =5.3% uγ= uARa2+uATh2+uAK2+u12+u22+u32+u42+u52+u62+u72+u82+u92+u102+u112+u122姨 = 0.292+0.182+1.952+0.32+0.152+0.32+0+1+0.932+22+2.52+0.52+0姨 =5.7% 6 扩展不确定度的分析 IRa的扩展不确定度： k=l，则相对扩展不确定度为 uRa,δ=1×5.3％=5.3％ Iγ的扩展不确定度： k=l，则相对扩展不确定度为 uγ,δ=1×5.7％=5.7％ 7 不确定度报告 由于根据标准 GB 6566-2001《建筑材料放射性 核数限量》中规定，放射性强度检测结果，取 k=1，IRa 相对扩展不确定度为 uRa,δ=5.3％， 是由相对标准不确 定度 5.3％和包含因子 k=l 的乘积得到的。 Iγ相对扩 展不确定度为 uγ,δ=5.7％， 是由相对标准不确定度 5.7％和包含因子 k=l的乘积得到的。 8 结 语 通过以上不确定度的评定和计算， 同时评定结 果满足 GB6566-2001标准的要求， 因此可以作为日 常检测报告的不确定度提供给客户。 参 考 文 献 [1] GB 6566-2001,建筑材料放射性核素限量[S]. [2] GB/T16145-1995,生物样品中放射性核素的 γ 能谱分析方法[S]. [3] 全国法制计量技术委员会.JJF 1059-1999,测量不确定度评定与表 示. 北京：中国计量出版社，1999. [4] GB/T 11713-1989,用半导体 γ 谱仪分析低比活度 γ 放射性样品 的标准方法[S]. Uncertainty Evaluation in Detection of Radioactivity in Building Materials by Sodium Iodide γ Spectrometry Wong Zhongliang, Wang Ruifen (Yixing Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Yixing 214206） Abstract Sodium iodide γ spectrometry was used in detecting radioactive materials, detect uncertainty origin of the entire testing process were analysed. And then, major source of measurement uncertainty evaluated were synthesized and gained the uncertainty report. Key words sodium iodide γ spectrometry, buliding material, radioactivity, uncertainty 了学生的视野，提高了学生综合应用设计的能力。 作为为社会培养人才的地方高校的陶艺实践教 学， 重要的是通过课程的特色教学和科研实践提高 学生的实践动手能力，提高他们的艺术综合素质，体 现地方文化教学特色。 唯有如此，我们高校的陶艺实 践教学才能在纷繁变化的现状中找到最适合自身特 点和学生需求的平衡点，满足不断发展的社会需求。 （上接第 26页） 江苏陶瓷 Jiangsu Ceramics 2009 年 10 月 第 42 卷第 5 期30