56 Носовский - Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на АЭС

• метрология нейтронного излучения — исследует и создает методы измерения характеристик нейтронного поля на ядерно-физических установках, методы нейтронноактивационныхизмерений, принципыиметодыпримененияобразцовыхисточниковнейтронов и т.д.

Метрология ионизирующих излучений тесно взаимосвязана с развитием ядерного приборостроения и имеет с ним общую теорию измерений.

Необходимо различать понятия метрологии, метрологического обеспечения и приборного обеспечения.

Метрология— научнаяосноваметрологическогообеспечения.

Метрологическоеобеспечение— совокупность научных, технических и организационных мер (норм, правил, средств), необходимых для достижения единства измерений.

Приборное обеспечение — совокупность мер по обеспечению какого-либо технологическогопроцессаизмерительнымисредствами.

Приборостроение — отрасль промьппленности, целью которой является приборное обеспечение других отраслей. Например, ядерное приборостроение обеспечивает атомную промышленность приборами измерения и контроля ионизирующего излучения.

Средством измерений называют техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. К средствам измерений относятся мерыиизмерительныеприборы.

Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, источник ионизирующего излучения из 60Co, аттестованный поактивности, естьмераактивностинуклида60Co.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В области радиационной защиты измерительными приборами являются дозиметрические приборы (дозиметры), радиометрические приборы (радиометры) и спектрометрыионизирующихизлучений.

Метрологические характеристики (MX) средств измерений — это характеристики средств измерений, которые оказывают влияние на результаты измерения.

Основные понятия, связанные с характеристикой преобразования средства измерения

следующие:

•чувствительность— отношениеизменениясигналанавыходесредстваизмеренияк вызывающемуегоизменениюизмеряемойвеличины, например, 0,5 В/МэВ;

•диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированыпогрешностисредстваизмерений;

•пределизмерений— наибольшееилинаименьшеезначениедиапазонаизмерения.

•ходсжесткостью— отклонениеноминальнойчувствительностисредстваизмерения

от действительной чувствительности, зависящее от энергии ионизирующего излучения. Все средства измерений по метрологической принадлежности подразделяют на рабочие

иобразцовые.

Образцовыми мерами и измерительными приборами называют меры и измерительные приборы, утвержденные в качестве образцовых и служащие для поверки по ним других средств измерений. Например, в области измерения ионизирующих излучений в качестве образцовых мер применяют образцовые α-, β-, γ- и нейтронные источники.

Для воспроизведения и хранения единицы измерения в общегосударственном или Международном масштабе служит средство измерений, называемое эталоном. Порядок передачи размера единицы от эталона образцовым и рабочим средствам измерений регламентируетсяспециальнымдокументом— поверочнойсхемой.

Рабочее средство измерений — средство измерений, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Рабочие средства измерений используют в практике ровседневныхизмерений.

Измерение называется прямым, если измеряемую величину непосредственно сравнивают

&меройэтойвеличиныилиеезначениеотсчитываютпопоказаниямприборов. Наблюдение — экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в

Итоге которой получают одно иззначений, подлежащихобработкедляполучения результатов !измерения. Различают измерения с однократными и многократными наблюдениями. При измерениисоднократнымнаблюдениемтермином"наблюдение" пользоватьсянеследует.

Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. На практике имеют дело лишь с приближенной оценкой погрешности измерения, которую получают путем применения метода и средств измерения.

Абсолютной называют погрешность, выраженную в единицах измеряемой величины, а относительной — погрешность, выраженную в долях или процентах истинного значения жзмеряемойвеличины.

Систематическая погрешность — составляющая погрешности измерения, которая при повторных измерениях одной и той же величины, выполняемых при неизменных условиях, остается постоянной или закономерно изменяется. Источником систематической погрешности могут быть: погрешность метода измерения, допущенные упрощения при проведении измерений, индивидуальныеособенностинаблюдателя.

Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Источником случайных погрешностей могут быть неконтролируемые изменения параметров внешней среды (температуры, влажности, давления), статистический характер измеряемой величины, психологическиеособенностичеловекаит.п.

Грубая погрешность измерения— погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемуюпогрешностьприданныхусловиях.

Промах — вид грубой погрешности, зависящий от наблюдателя и связанный с Неправильным обращением со средствами измерения, неверным отсчетом показаний, ошибкамипризаписирезультатовит.п.

Точность измерений — качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Чем меньше систематическая и случайная погрешности, темвышеточностьизмерений.

Результат измерения — среднее арифметическое результатов наблюдений, из которых исключенысистематическиепогрешности.

Внешние факторы, влияющие на погрешность средств измерения, определяют нормальныеирабочиеусловияприменения средств измерения.

Нормальные условия применения средств измерения — условия, при которых все влияющиенапоказаниясредстваизмерениявеличинывнешнихфакторовнаходятсявпределах значений, установленных НТД на данное средство измерения и принятых в качестве нормальных. Для нормальных условий применения нормируются основные погрешности средствизмерения.

Рабочие условия применения средств измерения — условия, при которых значения величин внешних факторов, влияющих на погрешность средства измерения, превышают пределы нормальной области значений. Для рабочих условий нормируются дополнительные погрешности средств измерения.

Поверка средств измерений — это определение погрешности данного средства измерения

сцелью установления его пригодности к применению в соответствии с требованиями НТД нанего.

Воснову всех методов поверки положен принцип, который заключается в том, что находят разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины, т.е. определяют погрешность прибора. Истинное значение измеряемой величины определяют

спомощью образцовых средств измерения.

Для приборов, измеряющих γ- и нейтронное излучение, применяют cледующие методы поверки:

•метод замещения;

•метод одновременных измерений;

•метод образцового источника.

Метод замещения основан на измерении поглощенной дозы или мощности поглощенной дозы в одной и той же точке поля излучения последовательно образцовым и поверяемым приборами. При замещении образцового и поверяемого приборов необходимо обеспечить фиксацию центров чувствительных объемов их детекторов с погрешностью, не превышающей установленную нормативно-техническим документом на поверку.

Метод одновременных измерений заключается в том, что детекторы образцового и поверяемого приборов помещают одновременно в одно и то же сечение однородного поля.

Метод образцового источника (расчетный метод) заключается в том, что для определения (расчета) параметров поля, создаваемого образцовым источником излучения используют закон обратных квадратов:

где: I0 — параметр поля, создаваемого образцовым источником на расстоянии R0;

I — расчетный параметр поля в любой точке от образцового источника на расстоянии R. Для расчета I используют данные, указанные в свидетельстве на образцовый источник. Прибор считается выдержавшим поверку, если полученное значение погрешности не превышает значения, указанного в технических условиях на прибор (значения погрешности,

приводимого в паспорте завода-изготовителя).

Метрологическая деятельность предприятия должна регламентироваться комплексом взаимоувязанных правил, требований и норм, определяющих методику проведения работ по оценке и обеспечению точности измерения. Эти правила и нормы устанавливаются НТД, входящими в. государственную систему стандартов Украины (ДСТУ). К наиболее важным объектам стандартизации в области метрологического обеспечения средств измерения относятся:

•единицы физических величин и их обозначение — ГОСТ 8.417-81 и ДСТУ РД50-454-84;

•метрологические характеристики средств измерения — ГОСТ 8.009-84;

•государственные эталоны — ДСТУ 3231-95;

•поверочные схемы — ГОСТ 8.061-80;

•образцовые средства измерений — МИ 1318-86;

•стандартные образцы — ДСТУ 3231-95;

•метрологическаяэкспертизатехническихзаданийнаразработкусредствизмерений— МИ 1314-86;

•метрологическая аттестация средств измерений — ДСТУ 3215-95;

•поверка средств измерений — ГОСТ 8.042-83;

•метрологическая аттестация методик выполнения измерений — ГОСТ 8.467-82;

•государственный и ведомственный метрологический надзор — ГОСТ 8.002-86;

•государственные испытания средств измерений — ДСТУ 3400-96;

•поверка средств измерений — ГОСТ 8.513-84, ГОСТ 8.375-80;

•обеспечение качества средств измерения—ДСТУ ISO 10012-1.

Обработка результатов измерений

Методы обработки результатов, например, прямых измерений с многократными наблюдениями, регламентированы ГОСТ 8.207-76. В соответствии с этим стандартом при статистической обработке группы результатов наблюдений следует выполнить следующие операции:

•исправить результаты, исключить известные систематические погрешности из результатовнаблюдений;

•вычислитьсреднееарифметическоеисправленныхрезультатовнаблюдений, принимаемое за результат измерения;

•вычислить оценку среднего квадратического отклонения результата наблюдения;

•проверить гипотезу о том, что результаты наблюдений принадлежат нормальному распределению;

•вычислить доверительные границы случайной погрешности (случайной составляющей погрешности) результатаизмерений;

• вычислитьдоверительныеграницыпогрешностирезультатаизмерения. Рассмотримнекоторыеэтапыстатистическойобработки.

Для вычисления результата измерения следует из каждого результата наблюдения ui исключитьсистематическуюпогрешностьλi.

Витогеполучимисправленныйрезультатi-ro наблюдения:

Затемвычисляютсреднееарифметическоеисправленныхрезультатовнаблюдений:

(8.3)

где n—число наблюдений.

Среднее квадратическое отклонение группы наблюдений является характеристикой рассеивания результатов наблюдений, вызванного наличием случайных погрешностей при проведении измерений с многократными наблюдениями. Оно выражается в тех же единицах, что и сами результаты наблюдений. Ограниченное число наблюдений позволяет получить лишь оценку этой характеристики.

Оценку среднего квадратического отклонения S группы наблюдений вычисляют по формуле.

(8.4)

При 4 — 10 наблюдениях их рассеивание можно также характеризовать размахом:

Rn = xмакс- xмин (8.5)

гдес хмакс, хмин— соответственномаксимальноеиминимальноезначениеизгруппынаблюдений.

Среднее квадратическое отклонение результата измерения является характеристикой рассеяния результата измерения, вычисленного как среднее арифметическое данных наблюдения. Ограниченное число наблюдений позволяет получить лишь оценку этой характеристики S(Xn). (Такое обозначение означает, что S относится к среднему арифметическому переменной Xn, определенной изn наблюдений.)

Оценку среднего квадратического отклонения среднего арифметического вычисляют по формуле

(8.6)

Все числовые значения характеристик и параметров, которые определяются при статистической обработке результатов измерений, имеют вероятностный характер. Доверительная вероятность — это величина, которая определяет степень надежности полученных результатов. Доверительная вероятность P выражается числом от О до 1 (или от О до 100 процентов) и показывает вероятность того, что действительное значение исследуемой переменной будет лежать в принятом (указанном) диапазоне.

Так, например^ в интервал отХ+S до Х—S должно входить около 67% всех наблюдений, где X — среднее арифметическое группы наблюдений, распределенных по нормальному закону, a S — оценка среднего квадратического отклонения группы наблюдений, определенная по формуле (8.4).

Величиной, связанной с доверительной вероятностью, является уровень значимости отклонений (выхода) за принятые границы значений Xn (q = 1 - P).

Доверительная вероятность или уровень значимости отклонений должны задаваться лицом, выполняющим статистическую обработку результатов измерений, в соответствии с требуемым уровнем надежности результатов. Для технических и аналитических измерений

обычно принимают P = 0,95. Доверительные границы погрешности в долях S(X) при этом равны ±1,65. Для ответственных измерений или измерений, которые нельзя повторить, принимают P = 0,99 с доверительными границами ±2,6 в долях S(X). Чем более ответственны результаты, тем более высокую доверительную вероятность необходимо принимать.

Методика математической обработки результатов измерений зависит от их распределения. Наиболее полно математические методы разработаны применительно к нормальному распределению. Законом нормального распределения (законом Гаусса) можно удовлетворительно аппроксимировать распределения наблюдений в большинстве случаев практических измерений.

Среднее арифметическое результатов наблюдений является эффективной оценкой измеряемой величины именно при нормальном распределении результатов наблюдений. Если распределение результатов наблюдений описывается другими законами и имеет несимметричную форму, то использование среднего арифметического может привести к неправильным заключениям. При некоторых других распределениях для этой цели известны более эффективные оценки: наиболее вероятное значение (мода), медиана и др. В связи с этим, в последовательность статистической обработки результатов наблюдений включается этап проверки гипотезы о том, что результаты наблюдений принадлежат к нормальному распределению.

Проверка того, описываются ли полученные результаты наблюдений нормальным законом, может не проводиться, если есть достаточные теоретические основания полагать, что этот закон справедлив, или если такая проверка уже выполнялась ранее для аналогичных наблюдений. В остальных случаях проверка нормальности распределения необходима.

Доверительные границы случайной погрешности результата измерения в соответствии с ГОСТ 8.207-76 устанавливаются для результатов наблюдений, принадлежащих нормальному распределению.

Если это условие не выполняется, методы вычисления доверительных границ случайной погрешности должны быть указаны в методике выполнения конкретных измерений.

Доверительные границы случайной погрешности результата измерения — это тот интервал,

в который с заданной (принятой исследователем) вероятностью P должно попасть среднее арифметическое значение при бесконечном (теоретически) увеличении количества единичных наблюдений. Вероятность того, что это истинное значение все же будет находиться за пределами вычисленных доверительных границ, определяется значимостью этих отклонений q = 1 - P. Такая вероятность есть всегда, поскольку теоретически могут иметь место любые отклонения (колоколообразная кривая нормального распределения не имеет границ).

Ширина интервала доверительных границ для результата измерения определяется степенью разброса значений, измеряемого средним квадратическим отклонением, и степенью значимости допустимого выхода за эти пределы, которые устанавливает исследователь.

Доверительные границы случайной погрешности результата измерения находят по формулам:

где t — коэффициент Стьюдента, который, в зависимости от доверительной вероятности

P

и числа результатов наблюдений, находят по таблице 8.6.

Таблща 8.6

Значения коэффициента t для случайной величины X, имеющейраспределениеСтьюдентасп-1 степенямисвободы

В случаях, когда систематические погрешности исключить из результата измерения нельзя, но точно известно, что они имеются, погрешность результата должна включать не исключенные систематические погрешности. При суммировании не исключенных систематических погрешностей они рассматриваются как случайные величины с равномерным распределением (если данных о виде распределения нет). Учет не исключенной систематической погрешности осуществляется в следующей последовательности:

•Оцениваются абсолютные величины неисключенных систематических погрешностей. Погрешности постоянных величин, входящих в формулы, равны половине единицы последнего разряда.

•Проводится сложение всех неисключенных систематических погрешностей и определение суммарнойнеисключеннойсистематической погрешности. Еслинеисключенные систематические погрешности определяются погрешностями величин, входящих в формулу

ввиде сомножителей, то суммарная неисключенная погрешность определяется по формуле

(8.9)

Если источниками ошибок являются слагаемые, то суммирование проводят по формуле

(8.10)

В этих формунах Θ — суммарная неисключенная погрешность; Θ1 Θ2,···,Θm — неисключенные систематические погрешностиизмеренийW1,W2,. . . ,Win.

•ЕслиΘ/S(Xn) < 0,8, тонеисключенныесистематическиепогрешностиможнонеучитывать, Т.е. в этом случае суммарная погрешность результата измерения определяется случайной погрешностью.

Если Θ/S( Xn) > 8, то суммарная погрешность результата измерения целиком определяется неисключенными систематическими погрешностями и случайные погрешности можно не учитывать.

Если Θ/S( Xn) лежит в диапазоне от 0,8 до 8, то при определении суммарной погрешности результата измерения необходимо учитывать как неисключенные систематические, так и случайные погрешности. Для этого производят следующие вычисления.

•Вычисляют суммарное среднее квадратическое отклонение результата измерения:

(8.11)

где: Θ1 Θ2,···,Θm — систематические погрешности разных видов;

S( Xn) — среднее квадратическое отклонение результата измерения.

• Вычисляют коэффициент К:

(8.12)

где: ε — случайная погрешность результата измерения.

• Вычисляют суммарную погрешность результата измерения ∆:

Результат измерений записывают в виде a = X + ∆ (P = ···). Запись означает, что истинное значение измеряемой величины с вероятностью не менее P лежит в пределах от X + ∆ доХ — ∆.

ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ' ГАЗОВ

Газо-аэрозольные выбросы в атмосферу нормально работающей АЭС разделяют на технологические выбросы и выбросы, связанные с вентиляцией помещений АЭС. Первые — это газовые сдувки из деаэраторов первого контура, эжекторные газы турбин, газовая продувка активной зоны и металлоконструкций реактора РБМК. сдувки из систем спецгазоочистки (например, после угольного адсорбера) и из некоторого технологического оборудования, например из баков с загрязненным теплоносителем первого контура, бассейнов выдержки отработавшего топлива, сдувки системы спецводоочистки. Вторые обусловлены незначительным поступлением этих газов и аэрозолей из необслуживаемых технологических помещений в периодически обслуживаемые и обслуживаемые помещения АЭС, а также

выделением газов и аэрозолей в воздух при пробоотборе теплоносителя (для регулярного анализа его удельной активности и радионуклидного состава).

Основными нуклидами, определяющими активность газов и аэрозолей, подлежащих удалению с АЭС, являются инертные радиоактивные газы, ИРГ (41Ar, 85-87Kr, 133-135Хе),

радионуклиды йода (главным образом 131I), продукты коррозии и деления урана (58,60Со,

54Mn, 59Fe, 137Cs).

Формы существования 131I и других изотопов йода различны и часто меняются по пути движения к вентиляционной трубе АЭС. Выброс 131I в атмосферу идет в основном в летучей (паровой) форме в виде молекулярного йода I2 и органических соединений (главным образом метилйодида CH3I). В аэрозольной форме йод удаляется в количестве, не превышающем 10% его общего выброса.

В табл. 8.7 приведены некоторые физические параметры и ДКА радиоактивных газов.

Для ИРГ относительно большие допустимые концентрации ДКА 10-9 — 10-8 Ки/л (3,7 .104 - 3,7 .105 Бк/м3) обусловлены тем, что эти β- и γ-излучатели не концентрируются в организме человека. Следовательно, сравнивая объем газа в легких и окружающем человека пространстве, легко прийти к выводу, что ИРГ опасны как внешние β-и γ-излучатели.

Свойствами равномерного распределения по телу человека (без концентрирования в определенных органах) отличаются также радиоактивные изотопы водорода 3H и углерода 14C, которые могут встречаться соответственно в форме паров воды и углекислого газа.

В отличие от изотопов инертных газов осколочного происхождения, 3H и 14C являются излучателями только низкоэнергетических β-частиц, их переход в стабильное состояние не сопровождается испусканием γ-квантов. Следовательно, эти изотопы в газообразной форме облучают только ткани, примыкающие непосредственно к органам дыхания или к местам

фиксирования радиоактивных атомов, поскольку пробег низкоэнергетических β-частиц в тканях незначителен (доли миллиметра). Значения ДКА этих радионуклидов сравнимы с ДКА для ИРГ только в силу больших периодов полураспада и, следовательно, большего Бремени облучения прилегающих тканей.

Из перечисленных выше радионуклидов по ДКА — 4,2 . 10-12 Ки/л (1,55 . 102 Бк/м3) резко выделяется 131I. Как уже отмечалось, это связано с тем, что этот радионуклид эффективно концентрируется в малой по массе щитовидной железе и выделяет почти всю энергию распада в этом жизненно важном органе.

Измерение концентрации ИРГ основано на счете отдельных β-частиц или γ-квантов и на измерении ионизационного тока, создаваемого этими частицами (квантами).

Для практического использования при отборе проб и радиометрии β-активных газов удобны переносные цилиндрические камеры с торцовым счетчиком и складывающимися стенками из тонкого полиэтилена. Размеры камеры (радиус 15 см и высота 30 см) были выбраны оптимальными, ибо при дальнейшем увеличении размеров чувствительность растет очень слабо. Масса камеры не превышает 1 кг. Исследуемый воздух засасывается в камеру через отверстие в дне, закрытое аэрозольным фильтром, при ее раскладывании (действует подобно мехам).

Концентрация К газа в такой камере с торцовым счетчиком определяется по формуле

где е — коэффициент, зависящий от выбранных единиц измерения; nβ— скорость счета β -частиц;

h—коэффициент, зависящий от граничной энергии β—частиц, толщины окна торцового счетчика и размеров камеры с газом;

S —рабочая площадь входного окна счетчика, V — объем камеры.

Минимальная регистрируемая этой камерой концентрация зависит от граничной энергии

β-частиц газообразного радионуклида и находится в пределах [(0,8 - 1).10-9 Ки/л (3 - 3,7) · 104 Бк/м3] для41Ar, 85mKr, 88Kr, 135Xe.

Для 133Xe, имеющего более низкую граничную энергию частиц (Eβ = 0,346 МэВ), минимальная регистрируемая концентрация составляет 3.10-9 Ки/л (10,7 . 104 Бк/м3). Эта камера непригодна для измерения концентрации таких газов, как 14C, 3H, имеющих еще более низкую граничную энергию β-частиц (менее 0,3 МэВ).

Для контроля таких газов применяют проточные ионизационные камеры или жидкие сцинтилляторы, в которые вводят отобранные из воздуха различными способами пробы, содержащие 14CO2 или 3HHO. Для измерения концентрации ИРГ используют метод улавливания на активированных углях с последующей γ-спектрометрией нуклидов и установлением радионуклидного состава смеси ИРГ. Накопление криптона и ксенона в активированном угле дает возможность контролировать ИРГ при довольно низкой концентрации в воздухе [около 1 . 10-12 Ки/л (37 Бк/м3)].

Исключительно низкая допустимая концентрация 131I вызывает большие осложнения при его измерении с необходимой чувствительностью и скоростью. Один из методов, отличающийсявысокойчувствительностью, ноисущественнымизатратамивремени, состоит в прокачке контролируемого воздуха последовательно через два слоя тонковолокнистой противоаэрозольной фильтрующей ткани типа ФП. Первый слой улавливает все