放射性气溶胶监测仪探测限检测方法研究

1、第35卷第6期2001年11月原子能科学技术AtomicEnergyScienceandTechnologyVol.35,No.6Nov.2001文章编号:100026931(2001)0620518207,保健物理与核安全研究所,山西太原030006)摘要:研究了放射性气溶胶监测仪的检测方法,即天然本底检测法和衰变检测法。两种方法不仅可检测监测仪的探测限,而且对各种监测仪探测限指标的物理意义能给以正确判断。介绍了检测方法,讨论了方法必须遵循的规范性要求。关键词:放射性气溶胶监测仪;探测限;天然本底;检测方法;规范中图分类号:X837文献标识码:A放射性气溶胶监测仪,无论是连续在线监测仪,还是

2、单次即时监测仪,都涉及到探测限的确定和检测。放射性气溶胶监测仪的探测限或灵敏度常常是、至少过去常常是一笼统概念,不具体指明其物理意义或定义(表示)方法,就难以正确理解和应用这种技术指标1,2(其他监测仪器也类似)。监测仪的研制者或生产厂家把这种探测限作为正式技术指标推荐给用户时,对用户来说,就存在一个这种指标是否可信及如何进行检测或检验的问题。为此,国内外都在试图制定这类检测标准3。这种检测标准首先要正确定义探测限的物理意义,其次要规范具体的刻度或检测方法。欲实现这种刻度或检测,有人认为需建立刻度系统,这种刻度系统包括标准气溶胶室和相应的配套装置。其中,标准气溶胶室应能产生相应放射性核素(如P

3、u,U)的、土子体的相关特性其放射性浓度及其粒度分布均可调节与控制的气溶胶,气溶胶室中天然氡气(例如子体浓度、平衡比、结合态份额等)也可调节和控制;相应的配套装置则包括一系列相关的测量仪器以及清洗、通风和排污设备等。建立这种理想的刻度检测系统,显然在技术条件和财力物力上都是不现实的,至少在目前是不现实的。因此,对放射性气溶胶监测仪必须研究较为实际可行的检测方法。本工作拟对这些检测方法进行研究,并给出初步研究结果。1天然本底检测法111方法简述放射性气溶胶监测仪监测的是各种核设施中可能存在的长寿命放射性核素引起的“人工”收稿日期:2000205221;修回日期:2000212229),男,四川简

4、阳人,研究员,核物理专业作者简介:卢正永(1941第6期卢正永等:放射性气溶胶监测仪探测限检测方法研究519放射性气溶胶。由于监测仪的放射性计数测量仪器本身有放射性本底计数,在气溶胶采样与土子体气溶胶(通测量中也可能会引起各种误差,更重要的是由于空气中有天然的短寿命氡气常简称天然本底)存在,任何监测仪的监测结果(通常以放射性浓度表示)都不可能是完全“真实”的结果,因此,都存在一个探测下限的问题。放射性气溶胶监测仪的探测限能否达到预期的水平,视其对天然本底的抑制或剔除能力而定。无论用何种剔除与甄别方法,监测仪在完全无人工放射性气溶胶污染的环境中运行,其监测结果都会或多或少地有除探测器的固有本底计

5、数以外的天然本底计数出现,处地清除造成的。土,将放射性气溶胶监测仪置于只有氡气0,实际上却围绕0。BAB2A型气溶胶连续监测仪4作了检测实验。该监测,其运行结果示于图1。由监测仪的监测结果(相当于对0污染的监测结果),按下式求其平均值和相应的标准偏差:C =C(i)n21/2(1)(2)0=C -C(i)n-13式中:C(i)为任一次(i)对气溶胶的监测结果(直接用Bq/m表示);n为监测次数;0为n次监测结果相对于平均值C 的标准偏差。图1BAB2A型气溶胶监测仪在天然本底条件下的监测结果Fig.1MonitoringresultsofaaerosolmonitorBAB2Amodelfor

6、naturalbackground由图1可见:该监测仪对无污染空气的各次监测结果并不如理想的那样为C(i)=0。实33际计算表明:各次监测结果以 =0111Bq/m0涨0=1416Bq/m的标准差围绕其平均值C落。监测仪的探测限正是根据这种涨落大小(即0的大小)确定的。根据0,监测仪的探测限如按下式Lc=K0(3)520原子能科学技术第35卷定义,则Lc通常称为最低判断限。式中:K为置信度因子,表示探测限的置信度。K值愈大,置信度愈高,判断空气中有污染的可信度愈高。例如,取K=11645,当监测结果C(i)Lc=116450时,则可以95%的可信度判断空气中有放射性气溶胶污染;若取K=2157

7、6,当监测结果C(i)Lc=215760时,则可以9915%的可信度判断空气中有放射性气溶胶污染。由于这种检测方法是在天然本底条件下进行,确定的只能是0污染条件下的标准偏差属于最低判0,因而按式(3)确定的Lc,无论K值取大取小,都是判断空气中是否有污染的、断限性质的探测限指标。K值的大小只表明可信度的高低。BAB2A监侧仪的检测结果表明:当K=11645LcBq/m3=2410Bq/m3,与说明书中给出的25Bq/m342Ac16450确定的探测限():此种天然本底检测法,同时还能确定所给探测限指标的真正112(1)运行次数与周期土子体气溶胶是随时空气中的天然本底,即氡气间和地点变化的,检测

8、时运行次数愈多(式(1)或(2)中的n愈大),运行周期愈长,由此而得出的监测数据愈多,得出的检测结果就愈可信,根据这些监测数据推定的探测限值就愈有代表性和针对性。一般地说,多次监测数据的平均值必须趋近于0,其监测数据的分布应大致相对于0呈正态分布。图2示出对BAB2A监测仪进行检测的监测数据的分布情况。可以看出:其分布是比较理想的正态分布,平均值几乎为0,运行周期连续24h,由此得出的监测仪的探测限将有比较合理的代表性。图3为QLM21型连续监测仪5用于气溶胶监测的两次检测结果的对比。从第一次检测结果(图3a)可以看出:仪器报告的监测数据明显不对称,以负图2BAB2A监测仪在天然本底条件下的监

9、测数据分布Fig.2DistributionofmonitoringdataoftheaerosolmonitorBAB2Amodel值居多,说明监测仪的性能参数未调整好,有一明显的过补偿系统误差。经过重新设置性能参数(重新确定扣除天然本底的补偿系数),在天然本底条件下再运行的检测结果(图3b)的平均3)=01003Bq/m30,标准偏差值C (0=0115Bq/m。由此推算出的探测限(最低判断限)为:)=11645Lc(0=11645×0115Bq/m=0125Bq/m33可以看出:经过一个星期的连续运行,监测结果的数据分布呈正态分布,平均值趋于0,运行周期也足够长,由此而得出的监

10、测灵敏度将具有足够的代表性。图4为CAM21型/放射性气溶胶连续监测仪6在天然本底条件下的运行结果。由监测结果的数据分布可见:其数据涨落相对于0具有明显的对称性。数据处理结果表明:在天然)=010005Bq/m30,)=010091Bq/m3;本底条件下,对放射性气溶胶的监测,有C (0(第6期卢正永等:放射性气溶胶监测仪探测限检测方法研究521图3QLM21型/Fig.3Monitoringresultsofthe/aerosolmonitor1a第一次检测()=00,)=0189Bq/m3。由此可得出:仪对,(0()=01015Bq/m3;Lc10,对气溶胶的监测,其最低判断限Lc()=1

11、15Bq/m3。对气溶胶的监测,其最低判断限Lc(图4CAM21型气溶胶连续监测仪对天然本底的监测结果Fig.4OperationoftheaerosolmonitorCAM21modelatenvironmentbackgrounda对气溶胶的监测;b对气溶胶的监测(2)氡或氡子体的同时测定从严格意义上讲,检测监测仪的环境条件与使用监测仪的环境条件应一致或基本一致。但是,天然本底不仅随时间有所不同,而且随地点及场所环境条件也有差异,甚至差异很大。如果检测时的天然本底条件与监测仪使用时的天然本底条件存在过大的差异,所得出的探测限指标在实际使用场所未必适用。因此,在检测时应同时对氡和氡子体进行测

12、量,以便使检测结果对天然本底的适用范围作出正确评价。一般地说,给探测限指标应同时给出监测仪对天然本底的适用范围。若不具备测氡条件,可测天然本底的相对计数变化。只要气溶胶监测仪在检测过程中天然本底的计数变化范围在510倍以上,就有较好的代表性,这样给出的检测结果在一般场所中将是适用的。图5为对CAM21型/气溶胶连续监测仪进行检测时,天然本底计数的相对变化。可以看出:监测仪在天然本底情况下运行时,其氡子体引起的相对计数的变化范围约在10倍左右,这对于一般工作场所的天然本底是具有足够代表性的,因而,这样的检测结果对于一般工作场所应该是适用的。113探测限的正确定义在天然本底条件下检测放射性气溶胶监

13、测仪,不仅可以正确确定监测仪的探测限,而且可522原子能科学技术第35卷图5Fig.5Relativevariationof;。一般地,仪器的探测限或灵敏度不指明具体的物理意义,可能,使其对监测结果作出不正确的解释。因此,检测中必须对探测限给予正确定义。一般地说,只要仪器的探测限是按本底数据导出的,它就只能是一种最低判断限(Lc)。例如,对BAB2A型监测仪在天然本底条件下的检测结果表明,不仅检测的探测限的数值与说明书一致,而且还判定这是一种最低判断限。一般来说,各类采样后进行即时计数测量的放射性气溶胶监测仪或监测装置,所给出的有关探测限的技术指标都是一种最低判断限(不论其叫法如何),因而也都

14、可用上述天然本底检测法进行检测或检验。需要注意的是:最低判断限Lc只是一种定性判断监测结果的指标,必须给予正确理解1,2。当监测结果大于Lc时,说明空气中有放射性气溶胶污染,却不能定量说明有多大污染;当监测结果小于Lc时,并不说明一定没有放射性气溶胶污染,只是污染浓度尚不致于引起监测结果大于Lc。探测限还可按最低探测限(Ld)、甚至按可定量确定监测结果的最低测定限(Lq)定义,但这通常都要在具有确定的真正污染水平条件下运行,进一步得出相应的标准偏差d或q才能推算出来(当然,也可用一些近似的方法直接用0来估算Ld或Lq),有关Ld和Lq的物理意义及具体确定方法可参见有关文献1,2。2衰变检测法土

15、子体都是短寿命子体,放射性气溶胶监测仪中被采样在过滤纸上的天然本底经过氡与气一定时间的衰变,其放射性活度会减少到可以忽略的程度,此时留在滤纸样品上的就是要监测的长寿命核素的放射性活度,因而可以相当准确地得出测量结果。图6为实现衰变法检测的最为方便的结构。前一个探测器对所采的气溶胶样品进行即时测量(以便尽快给出监测结果),第二个探测器进行延时测量(以便较准确地得出测量结果)。第二个探测器所作的延时或衰变测量是对第一个即时测量结果的检验或验证。延时测量所需要的衰变时间(也称为等待时间)可以参见图7决定。图7为采样结束后累积在取样介质上的气土子体的衰变情况。氡、可以看出:经过68h的衰变,所有氡子体

16、的活度值将衰变为初始值的10-410-3,这对于一般场所监测而言,其影响已完全可以忽略。所以,用衰变法检测连续监测仪所报告的监测结果是否正确,只要采用图7所示的结构方式,将第一次测量的样品衰变第6期卢正永等:放射性气溶胶监测仪探测限检测方法研究52368h再进行一次测量即可达到检测的目的。Fig.formonitoringresultsofradioactiveaerosolbydecaymethod土子体的衰变情况。气土子体活度的衰变要慢得多,经过68h的衰变,图7中还示出了气土子体浓度要比氡子体浓度低约2个其剩余活度与其初始活度相比显然不能忽略。但空气中气土数量级,且可用能量甄别等方法予以

17、进一步扣除,所以,对工作场所的放射性气溶胶监测,气子体的影响一般可不予考虑。3结束语放射性气溶胶监测仪探测限的两种检测方法,侧重点不完全相同,但都切实可行。特别是天然本底检测法尤为简单,只需有一个无人工放射性气溶胶污染的场所即可施行,所得出的检测结果符合放射性气溶胶监测仪探测限定义的本来的物理意义,因而特别适用于对厂家所给指标的检测和检验,也适于用户对仪器作定期检测。对于一般的气溶胶监测仪,只要针对厂家所给出的有关探测限(通常都称为灵敏度)的具体指标,按本文所述的天然本底检测方法进行检测,即可对这种指标给予正确评价。研图7采样结束后氡气土子体的衰变Fig.7Relativedecayofrad

18、onandthorondaughtersaftersampling土子体氡子体;气究结果表明:文中所阐述的检测方法及必须遵守的一些规范具有普遍意义。参考文献:1卢正永1气溶胶科学引论M1北京:原子能出版社,2000117918512AltsshnerB,PasternackB.StatisticalMeasureoftheLowerLimitofDetectionCounterJ.HealthyPhysics,1963,9(3):293298.3AmmaerishM,CharuauJ,ChemtobM,etal.MeasurementoftheResponseoftheMonitorRelat

19、ivetoand(or)DefinedRadioactiveAerosolsZ.France:IPNS/DPT,1992.4IEC1172(1993),RadiationProtectionInstrumentationMonitoringEquipmentRadioactiveAerosolsin524theEnvironmentS.原子能科学技术第35卷5李爱武,张志龙,傅翠明,等1QLM21型放射性气溶胶连续监测仪的研制J1核电子学与探测技术,1998,18(3):21622016李爱武,张志龙,卢正永,等1CAM21型放射性气溶胶连续监测仪R1太原:中国辐射防护研究院,19991Stud