Wzorcowanie i kalibracja przyrządów dozymetrycznych

Temat wzorcowania, mylonego często z kalibracją, powraca regularnie, ilekroć naukowiec-amator przedstawia wyniki uzyskane za pomocą aparatury dozymetrycznej powszechnego użytku lub nawet i profesjonalnej, ale ze starszej produkcji. Brak aktualnego wzorcowania jest w oczach laików wystarczającym argumentem, by zanegować całkowicie wartość pomiaru. Czy słusznie?

Wyjaśnijmy najpierw pojęcia, gdyż terminy kalibracja i wzorcowanie są częstokroć mylnie używane jako synonimy.

Kalibracja jest to proces wyznaczania stosunku liczby zliczeń uzyskanych z detektora do wartości mierzonej mocy dawki, czyli tzw. współczynnika kalibracyjnego. Mówi on nam, ile impulsów na sekundę przypada na jedną jednostkę mocy dawki (µGy/h, mR/h).  

Jeśli nasz dozymetr oprócz mocy dawki wyświetla również "surowy" wynik w impulsach na sekundę (cps) lub na minutę (cpm), możemy łatwo obliczyć ten współczynnik, porównując obie wartości.

Kalibracja jest zwykle dokonywana na etapie prac projektowych danego przyrządu, a jej zmiana wymaga ingerencji w elektronikę dozymetru. W przypadku starszych przyrządów (RK-67, RK-10, DP-66) dokonuje się jej za pomocą potencjometrów, oddzielnie dla każdego zakresu.

Potencjometry kalibracyjne radiometru kieszonkowego RK-10 

W nowych przyrządach kalibracja wymaga manipulacji oprogramowaniem, albo nie jest wcale możliwa. 

Z kolei wzorcowanie porównuje wskazania dozymetru (M) z tzw. wartością umownie prawdziwą (H), czyli mocą dawki, którą (w teorii) powinien emitować wzorzec promieniowania. Dzieląc wartość umownie prawdziwą przez wskazania dozymetru uzyskuje się współczynnik wzorcowania (N). Jest on wpisywany do świadectwa kalibracji danego przyrządu, nie ma tutaj konieczności  manipulowania w elektronice miernika. Zatem każdy dozymetr można wzorcować, gdyż wzorcowanie nie ingeruje w przyrząd, natomiast aby go kalibrować, trzeba znać sposób zmiany współczynnika kalibracji.

Zarówno wzorcowania, jak i kalibracji, dokonuje się na tzw. ławach kalibracyjnych, umożliwiających zbliżanie i oddalanie miernika względem wzorcowego źródła promieniowania o znanej aktywności. Obu czynności można dokonać na ławie tego samego typu. Poniżej ława kalibracyjna w Laboratorium Pomiarów Dozymetrycznych NCBJ - z lewej dobrze nam znany monitor EKO-C, z prawej scyntylator:

http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/zal1/pz15/M-Andrzejewska.pdf

Do wzorcowania wykorzystuje się zwykle izotop cezu-137 o energii promieniowania 662 keV. Energia ta znajduje się w przybliżeniu pośrodku zakresu mierzonych energii (30 keV - 1,5 MeV) i stanowi punkt odniesienia charakterystyki energetycznej licznika G-M. Dla wyższych energii używa się kobaltu-60, emitującego kwanty o energii 1,17 i 1,33 MeV (przyjmuje się średnio 1,25 MeV), zaś dla niższych - ameryku-241 (59,5 keV). Jeżeli chodzi o promieniowanie beta, najczęściej używa się źródeł powierzchniowych ze strontem-90 lub węglem C-14 o znanej aktywności. Szerzej temat ujęto w tym artykule - LINK

https://www.ifj.edu.pl/badania/przeglady-naukowe/2009-2010/presentations/laboratoria/lwpd.pdf

Wzorcowania dokonuje się zwykle w kilku punktach zakresu pomiarowego z uwagi na różnice aparaturowego błędu pomiaru dla niskich i wysokich mocy dawek oraz nieliniowej charakterystyki czułości danego licznika GM.
Przykładem może być popularny białoruski dozymetr RKSB-104 z początku lat 90. Deklarowany przez producenta błąd pomiaru wynosi +/- 40 % w zakresie 0,01-1 µSv/h, natomiast powyżej 1 µSv/h "tylko" +/- 25 %, czyli prawie dwa razy mniej. Inne radiometry tej klasy (Sosna i Pripyat') mają deklarowany błąd pomiaru +/- 30 % na całym zakresie. W najtańszych kieszonkowych przyrządach, np. Master-1, wartość ta sięga aż +/- 50 %, co oznacza już znaczny rozrzut wyników.

W przypadku dozymetrów do użytku profesjonalnego aparaturowy błąd pomiaru jest mniejszy, a jeszcze większemu zredukowaniu ulega w radiometrach stacjonarnych. Przykładowe wartości dla przyrządów produkcji krajowej:

• RK-67 +/- 15 %
• RK-10 +/- 20 %
• RK-21C +/- 15 %
• RKP-1-2 i RKP-2 +/- 20 %
• EKO-D +/- 20 %
• EKO-C +/- 15 %
• RUST-3 +/- 10 %
• URL-1 +/- 3 %
• URS-3 +/- 1 %

Zerknijmy teraz na przepisy. Aparatura służąca do oceny narażenia na promieniowanie, która nie podlega przepisom ustawy o miarach (czyli każda*) powinna być wzorcowana raz na rok. Jeżeli przyrząd ma źródło kontrolne, wówczas wzorcować trzeba co dwa lata. Wzorcowania dokonują laboratoria mające akredytację, która uprawnia do wystawiania świadectw wzorcowania.

Ustawa Prawo Atomowe:

Art. 27. 1. Przyrządy dozymetryczne stosowane do kontroli i oceny narażenia, niepodlegające obowiązkowi kontroli metrologicznej określonej w przepisach o miarach, powinny posiadać świadectwo wzorcowania.

2. Świadectwo wzorcowania, o którym mowa w ust. 1, wydaje laboratorium pomiarowe posiadające akredytację

otrzymaną na podstawie odrębnych przepisów.

2032 Rozporządzenie RADY MINISTRÓW z dnia 23 grudnia 2002 r. w sprawie wymagań dotyczących sprzętu dozymetrycznego.
10. Wzorcowanie sprzętu dozymetrycznego przeprowadza się nie rzadziej niż: 1) w przypadku sprzętu dozymetrycznego nieposiadającego kontrolnego źródła promieniotwórczego — raz na 12 miesięcy; 2) w przypadku sprzętu dozymetrycznego posiadającego kontrolne źródło promieniotwórcze — raz na 24 miesiące.

Prawny wymóg częstego wzorcowania wynika z faktu, że od prawidłowego pomiaru dozymetrem zależy często ludzkie zdrowie i życie. Wynik pomiaru może też pociągać za sobą skutki prawne, tak jak od pomiaru prędkości fotoradarem zależy, czy dostaniemy mandat. Stąd konieczność regularnego potwierdzenia sprawności przyrządu i zgodności wskazań ze specyfikacją.

***

Tyle prawo i teoria. A jak sytuacja wygląda w praktyce? Konieczność wzorcowania podyktowana jest głównie zużywaniem się elementów elektronicznych dozymetru, szczególnie licznika G-M. W toku eksploatacji jego charakterystyka robi się coraz bardziej stroma - wzrasta nachylenie plateau, które powinno być jak najniższe. Oznacza to, że zmiany napięcia zasilającego wyeksploatowany licznik będą miały większy wpływ na wynik niż w przypadku nowego licznika. W liczniku zużywa się też czynnik gaszący, co powoduje dłuższy czas trwania wyładowań powstających pod wpływem promieniowania, przekładający się na większy czas martwy, zaniżający wskazania przy wyższych poziomach promieniowania. 

Zużyciu ulegają też elementy elektroniczne, głównie kondensatory i rezystory, które przestają trzymać parametry, a od nich zależą m.in. właściwe warunki pracy licznika G-M i zachowanie zaprogramowanego w fabryce współczynnika kalibracji.

***

Jak to wygląda w praktyce? Osobiście nie spotkałem się jeszcze  z dozymetrem, który wykazywałby większy uchyb wskazań niż przewidziany w specyfikacji.  Używałem kilkunastu przyrządów typu Polaron Pripyat i ANRI Sosna, kilku RKSB-104 i RK-67. Spośród nich tylko jeden RKSB-104 wydawał się zaniżać pomiar o ok. 30 %, jednak egzemplarz ten był mocno sfatygowany, zarówno elektronicznie, jak i wizualnie, zużyte miał nie tylko liczniki G-M, ale też wyświetlacz LCD. Pozostałe przyrządy, które miałem, pomimo upływu prawie 30 lat od ich wyprodukowania, zachowały dokładność wskazań w granicach fabrycznych tolerancji.

Przykładem może być ten filmik. Widzimy na nim 3 mierniki typu Pripyat, każdy wykonany w innej wytwórni (Radiopribor, Polaron, Arsenal). Ich wskazania są zbliżone, za wyjątkiem nieco zawyżającego egzemplarza z fabryki Polaron. Miernik ten jednak zamiast fabrycznych 2 liczników SBM-20 miał  zamontowany zestaw złożony z SBM-20 i BOI-33. Licznik ten, produkcji polskiej, choć teoretycznie jest odpowiednikiem SBM-20, ma jednak minimalnie cieńszą ściankę i większą czułość.  

Można zatem przyjąć, że nawet stare dozymetry podają wyniki w granicach zaprojektowanej dokładności, jeśli ich elektronika nie jest uszkodzona. Do stwierdzenia, czy dany obiekt wykazuje promieniowanie powyżej tła, taki przyrząd wystarczy w zupełności i brak aktualnego świadectwa wzorcowania nie ma tu nic do rzeczy.

Jeśli jednak chcemy dokonać wzorcowania, musimy się z tym zwrócić do odpowiedniego laboratorium, gdzie usługa zostanie wykonana odpłatnie, a uzyskane świadectwo będzie ważne przez rok. W warunkach domowych mamy dosyć ograniczone możliwości wzorowania miernika, aczkolwiek nie jesteśmy bezradni.

1. Pierwszym sposobem może być pomiar tła naturalnego. W Polsce wynosi ono między 0,1 a 0,3 µSv/h, przy czym zwykle dla samego promieniowania gamma wartość ta jest bliższa 0,1 µSv/h. Włączamy zatem dozymetr i przez kilka minut mierzymy moc dawki w powietrzu na wysokości 1 m nad gruntem. Warto posiłkować się innym miernikiem, którego dokładności jesteśmy pewni, choć mogą tu być różnice wynikające z rodzaju zastosowanego detektora, geometrii układu pomiarowego, grubości filtra odcinającego promieniowanie beta i wyrównującego charakterystykę energetyczną itp.
2. Druga metoda zakłada zgromadzenie w tym samym miejscu większej liczby dozymetrów danego typu (min. 3 szt.) i pomiar tła naturalnego w warunkach jak powyżej. Jeśli wszystkie 3 egzemplarze wskazują tło na poziomie np. 0,10 µSv/h z dokładnością +/- 30 %, czyli 0,07-0,13 µSv/h, wówczas możemy uznać, że ich wskazania są poprawne. Poniżej przykład z użyciem dozymetru Pripyat', dwóch egzemplarzy ANRI Sosna, ekotestera Soeks Ecovisor F4 i dawkomierza PM-1203. Wszystkie przyrządy wykorzystują licznik SBM-20:

Dodatkowym wyznacznikiem może być pomiar znanego źródła, np. zegarka ze starą farbą świecącą, kompasu Adrianowa, siatki żarowej, tylko pamiętajmy o zachowaniu tej samej geometrii układu pomiarowego. Czyli w przypadku zegarka i kompasu położenia wskazówek względem osi detektora, w przypadku siatki żarowej względem jej środka. Można też użyć ceramiki z polewą uranową albo szkła uranowego.

Unikajmy jednak prób ustalania wiarygodności wskazań dozymetru przez porównanie pomiaru tego samego źródła z wynikami miernika o innej konstrukcji. Mogą się tu pojawić poważniejsze rozbieżności wynikające z różnic konstrukcji miernika: rozmiaru detektora i grubości jego ścianki, geometrii układu pomiarowego itp. Nie będzie to jednak miało nic wspólnego z kwestią wzorcowania. Poniżej przykład - moc dawki gamma oraz beta+gamma od soczewki zawierającej tor-232

• Polaron Pripyat - 5,5/33 µSv/h
• ANRI 01-02 Sosna - 3/27 µSv/h (wersja z 2 licznikami blisko siebie)
• ANRI 01-02 Sosna - 2,2/10 µSv/h (wersja z 2 licznikami daleko od siebie)
• RK-67 - 4/25 µSv/h
• RK-21C - 4/8 µSv/h
• DP-5WB - 4/19 µSv/h

Łączny pomiar beta+gamma dozymetrami z częściowo odsłoniętym licznikiem G-M:

• Soeks Ecovisor 11 µSv/h
• LR-4011 - 11,5 µSv/h
• Rodnik 3 - 13 µSv/h

Czy na tej podstawie można stwierdzić, że któryś przyrząd nie wskazuje dokładnie? Nie, po prostu wykorzystują inne detektory promieniowania, które dodatkowo są albo całkowicie odsłonięte, albo przesłonięte kratkami o różnych gęstościach oczek.

***

Podsumowując, dozymetr sprawny, ale bez ważnego świadectwa wzorcowania tak samo wskaże nam, czy zielone szkło jest szkłem uranowym, a  zegarek zawiera farbę radową. Jego wskazania często będą zbliżone do miernika tego samego typu, mającego świadectwo wzorcowania.  Nie będą jedynie mogły być użyte np. jako dowód w sądzie albo podstawa do orzekania o narażeniu na promieniowanie. Czyli ustalimy tym miernikiem, że odpromiennik sam promieniuje zamiast chronić przed promieniowaniem, ale informacja ta będzie służyła wyłącznie nam.  Możemy na tej podstawie ostrzec rodzinę czy znajomych przed pewnymi wyrobami, do podjęcia kroków prawnych niezbędne będzie jednak potwierdzenie pomiaru miernikiem wzorcowanym.

I na koniec najważniejsze - lepszy dozymetr niewzorcowany niż żaden, szczególnie jeśli mamy podejrzenie wystąpienia incydentu radiacyjnego.

* dozymetry jako takie nie podlegają kontroli metrologicznej, gdyż nie są przyrządami metrologicznymi, przepisom o miarach podlegają przyrządy do pomiaru objętości, masy, przepływu itp. Zapis ten jest nieco mylący, gdyż sugeruje, jakoby istniały dwie równorzędne grupy przyrządów: polegające kontroli metrologicznej i podlegające wzorcowaniu. Tymczasem jedynie nieliczne dozymetry, tzw. definiujące, mogą podlegać przepisom o miarach.