《水中137Cs放射性测量的不确定度评定》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

水中137Cs放射性测量的不确定度评定

范文

赵鑫孙伟中李莉

摘要：本文依据《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）以及《化学分析中不确定度的评估指南》（CNAS-GL 006—2019），采用放化分析法测量水中137Cs放射性活度浓度，根据测量模型，对整个过程中产生的不确定度分量进行了评定。结果表明，该样品中137Cs的放射性活度浓度为5.03×10-3? Bq/L，其扩展不确定度为13%（[k]=2）。水中137Cs放射性测量的不确定度主要来自样品净计数测量和探测效率，水样体积最小。

关键词：不确定度;137Cs;放射性活度浓度;测量模型

中图分类号：R123.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）05-0142-04

Abstract： According to "Assessment and Representation of Measurement Uncertainty" （JJF 1059.1—2012） and "Guidelines for the Evaluation of Uncertainty in Chemical Analysis" （CNAS-GL 006—2019）， this paper used radiochemical analysis to measure the 137Cs radioactivity concentration in water， and according to the measurement model， evaluated the uncertainty components generated in the whole process. The results showed that the radioactivity concentration of 137Cs in this sample was 5.03 × 10-3 Bq/L， and its expanded uncertainty was 13% （[k]=2）. The uncertainty of 137Cs radioactivity measurement in water mainly comes from the sample net count measurement and detection efficiency， and the water sample volume is the smallest.

Keywords： uncertainty;137Cs; radioactivity concentration; measurement model.

137Cs為放射性核素，半衰期为30.167 1年，主要来源于核武器试验、核反应堆的放射性废物、核燃料后处理厂的放射性废液以及核技术应用废物，广泛用于工业、医学、农业等领域。137Cs会对机体产生损伤，机体摄入较大量放射性铯时，可引起急性和慢性损伤;少量摄入时，可能会引起软组织肿瘤[1]。因此，137Cs放射性测量尤为重要，根据《辐射环境监测技术规范》（HJ/T 61—2001）[2]要求，人们需要对地表水等水样品中137Cs进行放射性分析测量。当前，对水中137Cs放射性进行准确测量具有重要意义。

不确定度是与测量结果相关的参数，它可以表征合理地赋予被测量之值的分散程度。不确定度表明测量结果的可信赖度，它是评价测量结果质量的重要指标[3]。不确定度越小，所述结果与被测量的真值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高;不确定度越大，测量结果的质量越低，其使用价值与越低。对测量不确定度进行评定时，人们可以评估检测方法的合理性和可靠性，可分析影响测量结果的主要因素，从而提高测量结果的质量。目前，关于水中137Cs放射性测量的不确定度评定研究相对较少。

本文依据《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）[4]以及《化学分析中不确定度的评估指南》（CNAS-GL 006—2019）[3]，以常规地表水样品为试验样品，用《水和生物样品灰中的铯-137的放射化学分析方法》（HJ 816—2016）[5]测量水中137Cs的含量，对测量结果进行不确定度评定，提高测量过程的准确度，为日常测量操作过程提供参考。

1 方法原理及测量模型

1.1 方法原理

水中137Cs测量的方法采用标准《水和生物样品灰中的铯-137的放射化学分析方法》（HJ 816—2016），水样中定量加入稳定铯载体，在硝酸介质中利用磷钼酸铵吸附分离铯，氢氧化钠溶液溶解磷钼酸铵，在柠檬酸和乙酸介质中以碘铋酸铯沉淀形式分离纯化铯，以低本底β射线测量仪对其进行计数并计算铯-137的放射性活度。

1.2 测量模型

根据标准方法《水和生物样品灰中的铯-137的放射化学分析方法》（HJ 816—2016），水中137Cs放射性活度浓度[A]（Bq/L）使用式（1）进行计算。

式中，[n0]为样品净计数率，次/min;[E]为探测效率;[Y]为化学回收率;[V]为测量水样量，L。

2 不确定度来源分析及评定

根据方法原理和测量模型，水中137Cs放射性测量的不确定度来源有以下4项：样品净计数[n0]的测量不确定度[u1rel];探测效率[E]的不确定度[u2rel];化学回收率[Y]的不确定度[u3rel];测量水样体积[V]的不确定度[u4rel]。

2.1 样品净计数测量不确定度[u1rel]

样品净计数[n0]的不确定度来源有2项：一是低本底[α]、[β]测量仪计数统计引入的不确定度[u11rel]，二是低本底[α]、[β]测量仪的稳定性引入的不确定度[u12rel]。

2.1.1 计数统计不确定度[u11rel]。设测量仪在[t]时间内记录了[N]个计数，计数误差为[N]，平均计数率[n=N/t]，计数率标准误差[σn=Nt=nt]。

样品净计数率为：

样品总计数率[nc]和本底计数率[nb]的标准误差的分别为[nct]和[nbt]。按照B类不确定度评定方法，可得测量仪的计数统计引入的不确定度[u11rel]。

24h测得的本底计数率为2.00次/min，样品计数率为3.38次/min，代入式（3）可得[u11rel]=4.43%。

2.1.2 测量仪稳定性不确定度[u12rel]。利用低本底[α]、[β]测量仪测量137Cs平面源，重复测量次数[m]=30，测得计数率[ni]（[i=1，2，…，30]），137Cs平面源计数率测量结果（单位：次/min）如下：1 515、1 518、1 514、1 504、1 500、1 518、1 515、1 516、1 507、1 516、1 509、1 512、1 502、1 524、1 508、1 511、1 518、1 495、1 505、1 509、1 507、1 501、1 514、1 507、1 520、1 516、1 504、1 516、1 503、1 512。

按照A类不确定度评定方法，测量仪器稳定性引入的不确定度[u12rel]。

2.1.3 样品净计数不确定度[u1rel]的计算。根据式（5），计算样品净计数的不确定度[u1rel]。

2.2 探测效率[E]的不确定度[u2rel]

依据《水和生物样品灰中的铯-137的放射化学分析方法》（HJ 816—2016），仪器刻度是由1 mL已知活度浓度的137Cs标准溶液制成一组与样品源相同大小的标准源，将标准源所得计数率分别除以经过铯的化学回收率校正后137Cs的衰变率，即得探测效率E。

因此，探测效率[E]的不确定度应由137Cs标准溶液活度不确定度[u21rel]、137Cs标准溶液移液不确定度[u22rel]、标准源计数测量的不确定度[u23rel]、试验过程化学回收率不确定度[u24rel]和探测效率-质量厚度曲线的拟合不确定度[u25rel]等5部分构成。

2.2.1 标准溶液活度不确定度[u21rel]。仪器刻度试验所用137Cs标准溶液的不确定度[U]=2.5%（[k]=2），按照B类不确定度的评定方法，淬灭源不确定度为：

2.2.2 标准溶液移液体积不确定度[u22rel]。刻度试验用1 000 μL移液器的精度为10 μL，假设矩形分布，取包含因子[k=3]，按照B类不确定度评定方法，量取1.00 mL的不确定度[u22rel]为：

2.2.3 标准源计数测量的不确定度[u23rel]。仪器的本底计数率比源的计数率小得多，因此可以认为标准源的净计数率等于测量的总计数率。控制测量时间使得标准源的净计数率达到10 000，按照B类不确定度评定方法，计数统计的不确定度[u23rel]：

2.2.4 仪器刻度试验化学回收率的不確定度[u24rel]。仪器刻度试验化学回收率的不确定[u24rel]评定过程与[u3rel]一致，详见本文2.3部分。

2.2.5 探测效率-质量厚度曲线的拟合不确定度[u25rel]。探测效率-质量厚度曲线的不确定度是由于曲线拟合产生的，可按照A类不确定度评定。探测效率[E]-质量厚度[tm]曲线的拟合公式为：

根据《化学分析中不确定度的评估指南》（CNAS-GL 006—2019），按照A类不确定度评定方法，计算可得，曲线拟合的不确定度为：

2.2.6 探测效率不确定度的合成。经计算，探测效率不确定度的合成结果为：

2.3 化学回收率的不确定度[u3rel]

化学分析过程中的过滤、转移等过程会使得样品中的铯产生损失，通常是在样品分析前加入1 mL铯载体溶液（约20 mg/mL），然后称量制得样品盘的净质量[m2]，以此修正化学制样过程中的铯损失。化学回收率的计算公式为：

式中，[m1]为加入样品中的铯载体的质量，mg;[c]为铯载体溶液中的铯的浓度，mg/mL;[V]为移取铯载体溶液的体积，mL。

化学回收率的不确定度应由样品盘的净质量称量不确定度[u31rel]、载体浓度标定不确定度[u32rel]、移液体积不确定度[u33rel]评定。

2.3.1 样品盘的净质量称量不确定度[u31rel]。样品盘的净重是通过减量法得到的，电子天平称量精度[S]=0.000 4g，按矩形分布，取包含因子[k=3]，又根据一般样品质量（包括测量盘质量）为10.050 1g，空盘质量为9.976 5 g，净重[m]=0.073 6 g。按照B类不确定度评定方法，净质量称量不确定度为：

2.3.2 载体浓度标定不确定度[u32rel]。按照《水和生物样品灰中的铯-137的放射化学分析方法》（HJ 816—2016）的要求，分别移取4份5.00 mL铯载体溶液并放入锥形瓶中，加入1 mL硝酸和5 mL高氯酸。加热蒸发至冒出浓白烟，冷却至室温，加入15 mL乙醇，搅拌，置于冰水浴中冷却10 min。高氯酸铯沉淀抽滤，用10 mL乙醇洗涤沉淀，于105 ℃烘箱中干燥至恒重，计算载体溶液中铯的浓度[c]。

式中，[m铯]为4份样制得的沉淀质量的平均值，mg;57.21%为高氯酸铯中铯的百分含量;[V]为载体取样体积，mL。

计算得铯载体的浓度分别为19.3 mg/mL，20.4 mg/mL，20.5 mg/ mL和20.6 mg/mL。根据A类不确定度评定方法，确定载体标定不确定度[u32rel]。

2.3.3 移液体积不确定度[u33rel]。移取体积不确定度由移液器不确定度[u331rel]、温度校正不确定度[u332rel]和水样移取重复性的不确定度[u333rel]等三部分构成。

2.3.3.1 移液器不确定度[u331rel]。由检定证书或产品说明书可知，5 000 μL的移液器的精度为50 μL，假设矩形分布，取包含因子[k=3]，按照B类不确定度评定方法，量取4.00 mL的不确定度[u331rel]为：

2.3.3.2 温度校正不确定度[u332rel]。实验室的温度在±5℃变化，受膨胀系数作用影响，可引起液体体积变化，水的体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，假定温度变化分布为矩形分布，按照B类不确定度评定方法，温度校准的不确定度为：

2.3.3.3 移取重复性不确定度[u333rel]。样品移取量为5.00 mL，用5 000 μL移液器吸取5.00 mL水样，用天平称量，次数[n]=20，试验确定其取样体积所引入的偏差。5 000 μL移液器吸取5.00 mL水样的质量（单位：g）分别为：5.076 5、5.021 3、5.003 6、5.060 0、5.078 8、5.002 0、5.055 0、5.062 4、5.999 6、5.984 9、5.072 3、5.080 9、5.013 9、5.044 9、5.045 2、5.046 2、5.044 4、5.052 5、5.014 5、5.055 2。

根据A类不确定度评定方法，水样移取重复性不确定度为：

2.3.3.4 移取载体体积的不确定度合成。移取载体体积的不确定度为：

2.3.4 仪器刻度试验化学回收率的不确定度的合成[u243rel]。仪器刻度试验化学回收率的不确定度为：

2.4 测量水样体积[V]的不确定度[u4rel]

移取水样体积不确定度由量筒不确定度[u41rel]、温度校正不确定度[u42rel]等两部分构成。

2.4.1 量筒测量精度不确定度[u41rel]。1L的量筒的精度为5mL，假设矩形分布，取包含因子[k=3]，按照B类不确定度评定方法，量取4.00 mL的不确定度[u41rel]为：

2.4.2 温度校正不确定度[u42rel]。实验室的温度在±5 ℃变化，受膨胀系数作用影响，可引起液体体积变化，水的体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，假定温度变化分布为矩形分布，按照B类不确定度评定方法，温度校准的不確定度为：

2.4.3 测量水样体积不确定度的合成。经计算，测量水样体积不确定度的合成结果为：

3 合成不确定度的评定

3.1 输入量的不确定度分量

输入量的不确定度分量汇总结果如表1所示。

3.2 合成不确定度计算

以上输入量是用不同测量设备、不同时间独立测量的结果，[u1rel]、[u2rel]、[u3rel]、[u4rel]相互独立、不相关，合成不确定度可按式（24）计算。

3.3 扩展不确定度计算

取置信区间95%，包含因子[k]=2，则扩展不确定度为：

3.4 测量结果

该样品中137Cs的放射性活度浓度[C]为5.03×10-3Bq/L，[Ur（A）=13%]，[k]=2。

4 结论

本文采用放化分析法测量水中137Cs放射性活度浓度，根据测量模型，对整个过程中产生的不确定度分量进行了评定。结果表明，该样品中137Cs的放射性活度浓度为5.03×10-3 Bq/L，其扩展不确定度为13%（[k]=2）。水中137Cs放射性测量的不确定度主要来自样品净计数测量和探测效率，水样体积最小。在今后的检测工作中，应严格并全面控制样品计数和探测效率确定环节，从而提高结果的准确性。

参考文献：

[1]潘自强.辐射安全手册[M].北京：科学出版社，2011.

[2]国家环境保护总局.辐射环境监测技术规范：HJ/T 61—2001[S].北京：中国标准出版社，2001.

[3]中国合格评定国家认可委员会.化学分析中不确定度的评估指南：CNAS-CL 006—2019[S].北京：中国标准出版社，2019.

[4]国家质量监督检验检疫总局.测量不确定度评定与表示：JJF 1059.1—2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[5]环境保护部.水和生物样品灰中的铯-137的放射化学分析方法：HJ 816—2016[S].北京：中国标准出版社，2016.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。