Метрологическое обеспечение радиационного контроля и обработка результатов измерений

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под измерением, в общем случае, понимают процедуру количественной или качественной оценки рассматриваемого свойства.

При обеспечении радиационной безопасности областью измерений являются ионизирующие излучения, а видами измерений – измерения дозиметрических характеристик ионизирующих излучений, спектральных характеристик ионизирующих излучений, активности радионуклидов, радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

Основной параметр, характеризующий качество измерений, – неопределенность измерений. Неопределенность – это параметр, определяющий интервал вокруг измеренного значения величины, внутри которого с заданной вероятностью находится истинное значение измеряемой величины.

Основными составляющими неопределенности при радиационном контроле являются

– погрешности средств измерений – основная и дополнительная;

– случайная статистическая неопределенность измерений;

– методическая погрешность обработки измерительной информации – погрешность методики выполнения измерения;

– погрешности, вызываемые возмущением при взаимодействии средства измерений с объектом измерений; сюда же можно включить погрешности пробоотбора и пробоподготовки;

– неопределенность перенесения результатов измерений в точках контроля на объект в целом или представительность контроля;

– неадекватность контролируемому объекту или эффекту измерительной модели, параметры которой принимаются в качестве измеряемых величин.

Рассмотрим более подробно эти составляющие и входящие в них термины.

1). Средство измерений – техническое средство (или комплекс средств, включая встроенные и сопряженные средства обработки информации), предназначенное для измерения конкретной физической величины и имеющее нормируемые метрологические характеристики, которые воспроизводят и хранят единицу измеряемой физической величины или шкалу физической величины. В радиационном контроле в качестве меры физической величины, воспроизводящей и хранящей значения физической величины, являются стандартные образцы – радионуклидные источники и поля излучения.

Погрешность средства измерения – разность между показанием средства измерения и действительным значением измеряемой величины. За такое действительное значение обычно принимают показания образцового средства измерений, которые, в свою очередь, получаются с помощью эталонов. Погрешности средств измерений различаются по характеру проявления – систематические и случайные; по способу выражения – абсолютные, относительные и приведенные (это относительные погрешности, отнесенные к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона, например, к последнему делению шкалы стрелочного прибора); по отношению к условиям применения – основные и дополнительные.

Систематическая погрешность – составляющая погрешности средства измерений, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины; случайная погрешность – составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же случайной величины. Систематические погрешности более или менее полно исключаются введением поправок или поправочных коэффициентов, но могут остаться не исключенные остатки или неучтенные источники систематических погрешностей, поэтому именно их имеют ввиду под термином «систематическая погрешность».

Основная погрешность – погрешность при проведении измерений в нормальных условиях, дополнительная – изменение значения погрешности из-за воздействия влияющих величин при отклонении условий проведения измерений от нормальных.

2). Если результат измерений получается из регистрации числа событий, например, числа событий, зарегистрированных в канале амплитудно-цифрового преобразователя, то появляется случайная статистическая неопределенность. Само число событий – случайная величина со своей функцией распределения, и статистические флуктуации ей присущи по определению случайной величины.

3). Погрешность методики выполнения измерений связана, в основном, с погрешностью обработки информации, полученной из наблюдений при измерении. Не следует путать понятие «результат наблюдения при измерении» с понятием «результат измерений». Из одного или некоторого множества результатов наблюдений по определенному алгоритму получают результат измерений. Сам алгоритм является некоторой моделью и, естественно, устанавливает соответствие с истинным процессом с некоторой погрешностью. Например, при g-спектрометрических измерениях, описанных в разделе 10.7.2, результатом измерений является площадь под пиком полного поглощения (рис. 10.15,б). Результатом наблюдений является гистограмма (рис. 10.15,в). Необходимо выделить под пиком фоновую подложку и вычесть ее площадь из полной площади участка спектра, содержащего пик. Простейший алгоритм состоит в проведении фоновой подложки в виде прямой линии. Для этого выбираем слева и справа от пиков по несколько каналов, вычисляем среднее значение и умножаем на число каналов, где расположен пик, тем самым получаем значение площади фоновой подложки. Затем суммируем числа отсчетов в каналах, где расположен пик, и из суммы вычитаем площадь фоновой подложки; получаем в результате площадь под пиком. Но можно рассмотреть и другой алгоритм. Предположим, что форму пика можно описать какой-либо функцией с параметрами, один из которых – его площадь; фоновая подложка также может быть описана какой-либо функцией с параметрами, например, линейной. Затем, используя один из методов математической статистики, например, метод наименьших квадратов, определить неизвестные параметры, в том числе и площадь под пиком. Очевидно, результат измерений при обработке по различным алгоритмам будет различным, и очень важно знать, сколь велики могут быть подобные методические погрешности.

4). Погрешность, связанная с возмущением при взаимодействии средств измерений с объектом измерений, также может играть значительную роль в формировании неопределенности. В системе радиационного контроля это, в основном, связано с экранировкой фонового излучения объектом измерений при измерениях небольших активностей радионуклидов или экранировкой поля излучения веществом детектора, особенно при больших размерах детектора. Сюда же включают погрешности, связанные с пробоотбором и подготовкой проб к измерениям. Флуктуации или незначительные изменения скорости пробоотбора из длинных пробоотборных линий могут привести к большой погрешности, особенно для измерений радионуклидов с небольшими периодами полураспада, сравнимыми с временем пробоотбора. Если в процессе подготовки проб к измерениям используются химические процессы разделения нуклидов, то и здесь возможны различные флуктуации.

Перечисленные четыре источника неопределенностей, связанные со средством измерений и методиками выполнения измерений, представляют собой независимые случайные величины; диапазоны величин погрешностей должны быть указаны в описаниях средств измерения и методик выполнения измерений. Погрешность результата измерений оценивается, как правило, при доверительной вероятности Р = 0.95, но если ошибка в измерении может привести к тяжелым последствиям, то значение Р должно быть увеличено.

Упомянутые выше пятая и шестая составляющие неопределенности в общем не входят в результат конкретного измерения при радиационном контроле. Они должны быть указаны в методиках выполнения расчетов при оценке той или иной величины, входящей в регламент радиационного контроля, где указан порядок проведения контроля и условия, при которых контроль проводится.