Αβεβαιότητα που εισάγεται στη μέτρηση ραδιενέργειας εδάφους από τα σφάλματα ορισμού δειγματοληψίας

Transcript

1 Αβεβαιότητα που εισάγεται στη μέτρηση ραδιενέργειας εδάφους από τα σφάλματα ορισμού δειγματοληψίας Γ.Ν. Παπαδάκος, Δ.Ι. Καράγγελος, Ν.Π. Πετρόπουλος, Μ.Ι. Αναγνωστάκης, Ε.Π. Χίνης, Σ.Ε. Σιμόπουλος Τομέας Πυρηνικής Τεχνολογίας ΕΜΠ ΜΕΤΡΟΛΟΓΙΑ o Τακτικό Εθνικό Συνέδριο Mετρολογίας Μαΐου 2016, Πολεμικό Μουσείο, Αθήνα

2 Σκοπός της εργασίας Διερεύνηση των δυνατοτήτων διεξαγωγής δειγματοληψίας βάθους για τη μέτρηση της ραδιενέργειας στο έδαφος, με: απλοποίηση της ακολουθούμενης διαδικασίας με συνέπεια την μείωση κόστους, αποδεκτή απόκλιση της διαδικασίας της μέτρησης σε σχέση με αυστηρότερα πρωτόκολλα που διασφαλίζουν τον ορισμό του μετρητέου με κύριο κριτήριο: την τήρηση στατιστικά σημαντικής συσχέτισης του αποτελέσματος της απλοποιημένης διαδικασίας, συγκρινόμενου με τιμές αναφοράς που προκύπτουν για τις ίδιες μετρήσεις μέσω λεπτομερέστερων διαδικασιών. 2

3 Αβεβαιότητα λόγω σφάλματος ορισμού (μετάφραση από ορισμό 2.27, JCGM 200: 2012) Αβεβαιότητα ορισμού (definitional uncertainty) Είναι η συνιστώσα της αβεβαιότητας μέτρησης που προκύπτει λόγω του πεπερασμένου πλήθους λεπτομερειών στον ορισμό ενός μετρητέου ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ 1. Η αβεβαιότητα ορισμού είναι, πρακτικά, η ελάχιστη αβεβαιότητα της μέτρησης που μπορεί να επιτευχθεί κατά τη μέτρηση ενός δεδομένου μετρητέου. 2. Όποια μεταβολή στην περιγραφική λεπτομέρεια οδηγεί και σε άλλη αβεβαιότητα ορισμού. 3. Στον Οδηγό ISO/IEC 98-3:2008, D.3.4, και στο IEC 60359, η έννοια "αβεβαιότητα ορισμού" ορίζεται ως "εγγενής αβεβαιότητα" ("intrinsic uncertainty"). 3

4 Είδη σφαλμάτων που εξετάστηκαν Αναγνωρίζονται τρεις κύριες κατηγορίες σφαλμάτων ορισμού δειγματοληψίας, τυχαίων ή/και συστηματικών: 1. σφάλμα ορισμού εξαιτίας της μορφής και της πυκνότητας των σημείων του σχήματος δειγματοληψίας, 2. σφάλμα ορισμού της αληθινής κατανομής της συγκέντρωσης, εξαιτίας μοναδικής δειγματοληψίας και 3. σφάλμα ορισμού της ιστορίας του εδάφους στο σημείο δειγματοληψίας. 4

5 Διαθέσιμα δεδομένα που εξετάσθηκαν 1. για Cs-137 : Σχετικά μακρόβιο προϊόν σχάσεως σε ραδιενεργό νέφος που εναποτίθεται στο έδαφος. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα: επιφανειακής αρχικής απόθεσης, και κατά βάθος παραμένουσας απόθεσης πολλά έτη μετά την επιφανειακή απόθεση. 2. για Ra-226 : Εξαιρετικά μακρόβιο φυσικό ραδιοϊσότοπο περιεχόμενο στο φλοιό της γης. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα επιφανειακής και κατά βάθος συγκέντρωσης. 5

6 Μορφή και πυκνότητα των σημείων του σχήματος δειγματοληψίας (1.1) Το σφάλμα αυτό δυνατόν να προκύπτει με τρεις κυρίως τρόπους: από την αποδοχή επιλογής σημείων, τα οποία διαθέτουν αποδεκτό ποσοστό των επιθυμητών χαρακτηριστικών για την εξαγωγή του αποτελέσματος της καταγραφής, από τον αποκλεισμό σημείων, όπου υλοποιήθηκε δειγματοληψία, τα οποία όμως δεν έχουν αποδεκτό ποσοστό τέτοιων χαρακτηριστικών και από την απώλεια δυνατότητας δειγματοληψίας σε επιθυμητά σημεία (όπως π.χ. αν τα σημεία ταυτίζονται με υδάτινες επιφάνειες ή δυσπρόσιτες περιοχές). Αν επιδιώκεται μέτρηση βραχύβιων ισοτόπων αυτή πρέπει να γίνεται εντός εύλογου χρονικού διαστήματος από την απόθεση, ώστε να μην αλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά του μετρητέου λόγω ραδιενεργού διάσπασης. 6

7 Τα μεγέθη που χρησιμοποιήθηκαν (1.2) Εκτιμώμενη τιμή: Τιμή του μεγέθους, όπως προκύπτει από τη διαδικασία χαρτογράφησης που έχει αναπτύξει το ΕΠΤ ΕΜΠ. Για το σκοπό της παρούσας εργασίας επαναλήφθηκε αυτή η εκτίμηση στο σημείο κάθε δειγματοληψίας (μέτρησης), έχοντας παραλείψει την ίδια τη μέτρηση στο σημείο αυτό. Πραγματική μέτρηση: Η τιμή του αποτελέσματος της μέτρησης, η οποία, για κάθε σημείο δειγματοληψίας, παραλείφθηκε στο πλαίσιο του ως άνω υπολογισμού. 7

8 Απόκλιση εκτιμώμενης από μετρημένη (1.3) Tο ειδικό t-τεστ μέσης τιμής κατά ζεύγη (paired t-test) αποδεικνύει ότι: Σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95% το σύνολο των εκτιμώμενων τιμών δεν είναι στατιστικά διαφορετικό από το σύνολο των πραγματικών μετρήσεων. 8

9 Αληθινή κατανομή της συγκέντρωσης, από μοναδική δειγματοληψία (2.1) Για παράδειγμα: Αν σε μια απλοποιημένη διαδικασία δειγματοληψίας εδάφους κατά βάθος : το τελικό βάθος δεν είναι ικανό ώστε να περιέχει το σύνολο της κατά βάθος κατανομής της ραδιενέργειας, ειδικά στις περιπτώσεις αποθέσεων τεχνολογικής προέλευσης και η δειγματοληψία δεν είναι αρκετά λεπτομερής ώστε να παράγεται καμπύλη κατανομής σε συνάρτηση με το βάθος, απαιτείται η χρήση διαδικασίας αναγωγής, με αντίστοιχη επιβάρυνση της συνδυασμένης αβεβαιότητας του αποτελέσματος. 9

10 Απλοποιημένη μέτρηση και τιμή αναφοράς (2.2) Τιμή αναφοράς Αποτέλεσμα Απλοποιημένης μέτρησης 10

11 Εκτίμηση του σφάλματος ορισμού από απλοποιημένη δειγματοληψία (2.3) Έγινε υπολογισμός Συντελεστή Αναγωγής (ΣΑ): για την απόθεση του 137 Cs: για τη συγκέντρωση του 226 Ra: C x C d x / 1 exp p ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιείται κατά την απλοποιημένη διαδικασία μέτρησης σύμφωνα με τον τύπο: Διορθωμένη μέτρηση = απλοποιημένη μέτρηση / ΣΑ 11

12 Οι καμπύλες αναδρομής για τον ΣΑ(x) (2.4) 12

13 Ενδεικτικές τιμές του συντελεστή αναγωγής (2.5) Τελικό βάθος x δειγματοληψίας [cm] Συντελεστής αναγωγής ΣΑ(x), για την: απόθεση 137 Cs συγκέντρωση 226 Ra ± 0.04 (7%) 1.06 ± 0.03 (3%) ± 0.02 (2%) 1.04 ± 0.03 (3%) ± 0.02 (2%) 1.03 ± 0.02 (2%) ± 0.01 (1%) 1.02 ± 0.02 (2%) 13

14 Η αβεβαιότητα του αποτελέσματος της απλοποιημένης μέτρησης (2.5) H αβεβαιότητα λόγω της διαδικασίας αναγωγής, δηλαδή της διόρθωσης για την έλλειψη της λεπτομέρειας για το μετρητέο, πρέπει να προστίθεται κατά τον υπολογισμό της συνδυασμένης τυπικής αβεβαιότητας του αποτελέσματος: u = u + u διορθ. απλοπ. ΣΑ 14

15 Ιστορία του εδάφους στο σημείο δειγματοληψίας (3.1) Όταν το ζητούμενο είναι: η καταγραφή της συγκέντρωσης ραδιοϊσοτόπων στο έδαφος σε εντοπισμένη περιοχή χρησιμοποιώντας μοναδική και όσο το δυνατόν απλούστερη δειγματοληψία, αλλά δεν είναι δυνατόν να ελεγχθεί η ιστορία του σημείου δειγματοληψίας, εισάγεται στην μέτρηση επιπλέον σφάλμα ορισμού, του οποίου η αποτίμηση μπορεί να γίνεται καταρχήν μόνο ποιοτικά. Δίνονται για το σκοπό αυτό χαρακτηριστικά παραδείγματα. 15

16 Ποιοτική αποτίμηση σφάλματος ορισμού λόγω ιστορίας εδάφους (3.2) Αποτύπωση κατά το έτος 2007, δύο δεκαετίες μετά το Chernobyl 16

17 Σχόλια και συμπεράσματα (1) Η πυκνότητα των σημείων δειγματοληψίας που είναι αναγκαία για τον χαρακτηρισμό ευρύτερων περιοχών σε σχέση με απόθεση 137 Cs από πυρηνικό ατύχημα ή συγκεντρώσεις 226 Ra, πρέπει να είναι επαρκής με την έννοια της διαστασιακής και της χωρικής ευκρίνειας για να απεικονίζει τις διακυμάνσεις των τιμών του μετρούμενου μεγέθους εντός καταλλήλων κλάσεων, όπως έγινε από το ΕΠΤ-ΕΜΠ το έτος 1986, στην περίπτωση της χαρτογράφησης των μετρήσεων της εναπόθεσης Cs-137 στα ελληνικά εδάφη. 17

18 Σχόλια και συμπεράσματα (2) Η παράλειψη σημείου από ένα σχήμα δειγματοληψίας δεν εξασφαλίζει σχεδόν ποτέ ότι ο υπολογισμός στο υπόψη σημείο με βάση τα διαθέσιμα απεικονιστικά εργαλεία θα επιτύχει να αποδώσει την πραγματική τιμή του μετρητέου. Για το σχήμα δειγματοληψίας του 1986, εκτιμήθηκαν οι κατ ελάχιστο αντίστοιχες αποκλίσεις των υπολογισμών από τις μετρήσεις: Απόθεση 137 Cs: 25% Συγκέντρωση 226 Ra: 7% Παράλειψη σημείου από ένα σχήμα δειγματοληψίας που είναι πολύ πυκνό γύρω από το υπόψη σημείο δυνατόν να εξασφαλίζει την καλή απόδοση των χαρακτηριστικών του σημείου από τα απεικονιστικά εργαλεία, χωρίς μέτρηση. Φυσικά, κάθε πύκνωση της δειγματοληψίας έχει κόστος. 18

19 Σχόλια και συμπεράσματα (3) Η με τυχαίο τρόπο παράλειψη περιορισμένου αριθμού σημείων από ένα σχήμα δειγματοληψίας, δεν φαίνεται να επηρεάζει τον χαρακτηρισμό ευρύτερων περιοχών εντός καταλλήλων κλάσεων. Το ποσοστό των σημείων που μπορούν να παραλειφθούν από προγραμματισμένο σχήμα δειγματοληψίας μπορεί να αξιολογηθεί εκ των υστέρων με κριτήρια, όπως η διατήρηση του αριθμητικού μέσου και η ικανοποίηση του t - τεστ μέσης τιμής κατά ζεύγη. Η απεικόνιση των διακυμάνσεων εντός καταλλήλων κλάσεων εξαρτάται σημαντικά και από τον χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο. 19

20 Ενδιάμεσο συμπέρασμα (από 1 & 2 & 3) Σχήματα δειγματοληψίας παρόμοια με αυτό του ΕΠΤ-ΕΜΠ (1986) οδηγούν σε χαρτογραφικές απεικονίσεις: με "ορθότητα" (trueness) για την απόδοση των επιφανειακών κατανομών σε κλάσεις, αλλά με περιορισμένη "πιστότητα" (precision) σε ό,τι αφορά τον υπολογισμό τοπικών τιμών. Προϋπόθεση σε κάθε περίπτωση είναι η χρήση των κατάλληλων αλγορίθμων 20

21 Σχόλια και συμπεράσματα (4) Στην παρούσα φάση (2-3 δεκαετίες μετά το ατύχημα), η καταγραφή της παραμένουσας απόθεσης 137 Cs από το ατύχημα του Chernobyl σε σημεία του Ελληνικού ηπειρωτικού εδάφους είναι δυνατόν να γίνεται στη βάση (μοναδικών απλοποιημένων) δειγματοληψιών σε δείγματα βάθους περί τα 15cm. Στην περίπτωση αυτή η εγγενής αβεβαιότητα της δειγματοληψίας για 137 Cs ή για 226 Ra παραμένει η κυρίαρχη συνιστώσα αβεβαιότητας. Σε κάθε περίπτωση η επιπλέον αβεβαιότητα λόγω απλοποίησης δεν είναι τόσο σημαντική όσο η εγγενής. 21

22 Σχόλια και συμπεράσματα (5) Η τεχνική των μοναδικών απλοποιημένων δειγματοληψιών μπορεί να εφαρμοσθεί σε κατάλληλο σχήμα δειγματοληψίας βάθους με στόχο χαρτογράφηση της τρέχουσας κατάστασης για την παραμένουσα απόθεση του 137 Cs στην ηπειρωτική Ελλάδα. Δεν φαίνεται να απαιτείται νέα χαρτογράφηση για το 226 Ra, παρεκτός αν χρειάζονται περισσότερες πληροφορίες σε σημεία ειδικού τοπικού ενδιαφέροντος. 22

23 Σχόλια και συμπεράσματα (6) Η μηχανική διαταραχή του εδάφους καθώς και άλλες αιτίες αλλοίωσης της φυσικής αδιατάρακτης κατάστασής του σε σημείο δειγματοληψίας δεν είναι δυνατό να αξιολογηθεί πλήρως πριν από τη διεξαγωγή της δειγματοληψίας. Η εξακρίβωση του βαθμού διαταραχής του εδάφους απαιτεί λεπτομερή ανάλυση, εκτός και αν είναι προφανής. 23

24 Σας ευχαριστώ 24