防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化

（中廣核工程有限公司，廣東深圳,518124）

防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化

麻金娜,周 巍

（中廣核工程有限公司，廣東深圳,518124）

輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室是核電廠輻射防護(hù)儀表校準(zhǔn)與刻度實(shí)驗(yàn)室，為全廠絕大部分便攜式輻射防護(hù)監(jiān)測儀表提供計(jì)量刻度功能，每個項(xiàng)目基地配備一套計(jì)量刻度設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室有兩個校準(zhǔn)裝置：防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置和α/β表面污染儀校準(zhǔn)裝置。本文主要介紹γ準(zhǔn)直照射裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。

核電廠;照射裝置;校準(zhǔn)

0 引言

防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置是核電廠輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的主要工藝設(shè)備，因輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室為全廠共用子項(xiàng)，每個核電廠需配置一套此裝置。該裝置的主要功能為為全廠大部分便攜式輻射防護(hù)監(jiān)測儀表提供計(jì)量刻度功能，以完成常規(guī)檢驗(yàn)。這些功能的實(shí)現(xiàn)由一系列的γ標(biāo)準(zhǔn)放射源、相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀表、配套的非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械裝置以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合完成。本文通過項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)反饋對裝置提出了設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案，滿足核電廠輻射儀表的實(shí)際計(jì)量校準(zhǔn)功能需求。

1 γ準(zhǔn)直照射裝置的設(shè)計(jì)

1.1 概述

輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室是核電廠輻射防護(hù)儀表校準(zhǔn)與刻度實(shí)驗(yàn)室，為全廠絕大部分便攜式輻射防護(hù)監(jiān)測儀表提供計(jì)量刻度功能。實(shí)驗(yàn)室需配有兩個校準(zhǔn)裝置：防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置（以下簡稱γ準(zhǔn)直照射裝置）和α/β表面污染儀校準(zhǔn)裝置。本文主要介紹核電廠防護(hù)水平γ準(zhǔn)直照射裝置的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。

1.2 設(shè)備組成

γ準(zhǔn)直照射裝置主要由單源及多源裝置、照射臺架、控制顯示系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)儀器等設(shè)備組成，其工藝布置圖參見圖1。單源裝置、多源裝置用于產(chǎn)生參考輻射場，包括放射源、源（屏蔽）容器以及準(zhǔn)直器。照射臺架用于固定支撐待刻度儀器，通過調(diào)整距離改變待檢點(diǎn)的輻射劑量率的大小?？刂骑@示系統(tǒng)包括專用控制器、監(jiān)控設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分，具有控制換源、定時（或計(jì)時）照射、快門到位診斷、與安全系統(tǒng)連鎖、小車定位控制、數(shù)據(jù)獲取與處理等功能。標(biāo)準(zhǔn)儀器主要采用石墨球形電離室，作為量值傳遞的次級標(biāo)準(zhǔn)器具。

1.2.1 單源裝置

單源裝置的設(shè)計(jì)可以滿足現(xiàn)場換源。采用雙快門方式，其中主快門采用鉛-鎢合金氣動推拉式結(jié)構(gòu)，同時單源裝置還需要設(shè)置有輔助快門。單源裝置配置圓錐形準(zhǔn)直器，且設(shè)計(jì)為去散射光闌，光闌為鎢合金制成的多板去散射結(jié)構(gòu)（符合ISO-4037 和GB/ T12162.1-2000 的要求）。單源裝置準(zhǔn)直器張角為12°，距離放射源3m處輻射場直徑不小于600mm，能夠滿足大尺寸、高量程儀表的校準(zhǔn)需要。單源裝置配置2個鉛衰減器，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)場向低劑量率擴(kuò)展，鉛衰減器的設(shè)計(jì)滿足防散射的要求。單源裝置具有安全聯(lián)鎖功能，可同計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)來控制。

1.2.2 多源裝置

多源裝置的轉(zhuǎn)盤能裝 4 個不同活度γ源，另外還設(shè)計(jì)了1個空源位作為安全零位，當(dāng)源裝置關(guān)閉時，轉(zhuǎn)盤的空源位對準(zhǔn)出射孔。 多源裝置采用雙快門方式。多源裝置配置圓錐形準(zhǔn)直器，且設(shè)計(jì)為去散射光闌，光闌為鎢合金制成的多板去散射結(jié)構(gòu)（符合ISO-4037 和GB/T12162.1-2000 的要求）。多源裝置具有安全聯(lián)鎖功能，可同計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)來控制。

1.2.3 刻度臺架

刻度臺架包括刻度小車和刻度平臺、軌道和定位系統(tǒng)等?？潭刃≤嚭推脚_安裝在兩軌道上（縱向走車軌道及橫向移動軌道），可自動移動控制或手動移動控制?？潭刃≤嚭涂潭绕脚_采用鋁材料，可以有效降低輻射場中的散射輻射?？潭扰_架的設(shè)計(jì)便于各類型輻射儀表的固定，同時配置轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤能夠同時架設(shè)多臺劑量儀，提高檢定工作效率，且轉(zhuǎn)盤便于拆卸。

1.2.4 控制臺及功能軟件

控制臺系統(tǒng)主要包括西門子的PLC控制器、監(jiān)控設(shè)備、計(jì)算機(jī)、量值傳遞次級標(biāo)準(zhǔn)器具、打印機(jī)和UPS等。功能軟件要求實(shí)現(xiàn)換源控制、小車控制、照射控制并在顯示屏上顯示相關(guān)信息，同時具有自動參數(shù)修正功能，檢定數(shù)據(jù)和證書管理功能，儀表校準(zhǔn)管理功能以及采集和讀取溫濕度等參數(shù)功能。

圖1 輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的工藝設(shè)備布置

圖2 系統(tǒng)自動化控制框圖

控制臺系統(tǒng)中的控制部分采用當(dāng)今工業(yè)自動化儀表設(shè)備中常用的德國西門子公司S7-300系列可編程系列控制器系統(tǒng)(含電源、CPU、I/O控制模塊、步進(jìn)、伺服電機(jī)定位模塊等)作為控制部分核心器件。系統(tǒng)自動化控制框圖參見圖2。

1.2.5 量級傳遞次級標(biāo)準(zhǔn)器具

量級傳遞次級標(biāo)準(zhǔn)器具用于輻照場劑量率的校準(zhǔn)和測量，包括一臺綜合數(shù)據(jù)顯示儀和兩臺電離室配合使用，能夠校準(zhǔn)傳遞、低端刻度校準(zhǔn)和全量程測量。

1.2.6 安全連鎖系統(tǒng)

輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)備安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、配置及布置充分保證工作人員的安全。照射裝置從工藝設(shè)計(jì)上考慮斷電、卡源、源裝置快門意外開啟等設(shè)備失效故障時的安全措施，確保事故影響最小化。

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由輻射屏蔽門、紅外人體報警裝置、源裝置快門、急停開關(guān)和固定式場所γ輻射監(jiān)測報警儀組成，并與控制系統(tǒng)連接。

在輻照室和控制室內(nèi)各安裝一臺聲光報警器和報警燈箱，在輻照室中安裝一臺輻射劑量監(jiān)測報警儀。當(dāng)源裝置開啟或輻照室中的輻射劑量超過設(shè)定的輻射劑量報警門限時，在輻照室和控制室中同時產(chǎn)生聲光報警提醒信號，且輻射屏蔽門上方的報警燈箱有警示，此時屏蔽門不能打開。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 概述

防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置，每個核電廠需配備一套，且要求滿足三級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)水平。根據(jù)項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)以及核電廠已有設(shè)備的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，該套設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)上仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 控制臺改進(jìn)

根據(jù)項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)反饋，控制臺內(nèi)部設(shè)備安裝板、UPS電源安裝位置在散熱、防電磁干擾、便于現(xiàn)場接線等方面存在改進(jìn)空間，使布置更加合理；同時在操作面板上增加快門診斷指示，使得功能更加完善。

控制臺體的設(shè)計(jì)，在美觀設(shè)計(jì)、操作合理方便方面仍有改進(jìn)空間，同時可將監(jiān)控計(jì)算機(jī)改為工控計(jì)算機(jī)，提高控制系統(tǒng)及裝置的整體性能及穩(wěn)定性。

2.2.2 單、多源裝置改進(jìn)

單源裝置的改進(jìn)需在保證運(yùn)行安全、可靠的前提下，減少裝置的體積和重量。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)反饋，可進(jìn)一步優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)和行星減速器的體積，同時對準(zhǔn)直器的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，并對單源裝置內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而進(jìn)一步減小裝置體積和重量，使得裝置總重量減少40%~50%。

此外，為完善設(shè)備功能，在原有主快門診斷的情況下，可考慮在輔助快門上增加二組磁感應(yīng)到位開關(guān)，使輔助快門也具有快門到位診斷功能。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)反饋，Am-241外置源裝置因側(cè)面出現(xiàn)縫隙，其表面輻射劑量超標(biāo)(約100μSv/h)。后通過增加一個屏蔽外罩，滿足了要求( ∠10μGy/h)。但美觀欠佳。故Am-241外置裝置存在較大的改進(jìn)空間，可采用迷宮腔設(shè)計(jì)方式。源裝置未打開時，將一體化的Am-241準(zhǔn)直器拉入迷宮內(nèi)，設(shè)計(jì)的迷宮腔能夠滿足技術(shù)規(guī)格書的要求( ∠10μGy/h)。迷宮腔的門固定在可推－拉移動的Am-241源裝置的準(zhǔn)直器上。

考慮到單源裝置和多源裝置的結(jié)構(gòu)差異，可能存在裝置準(zhǔn)直器口距源裝置安裝水泥臺面的高度不一致，在校準(zhǔn)儀表時，需要通過調(diào)節(jié)刻度臺架的高度來滿足對單、多源裝置準(zhǔn)直器的位置，為便于儀表校準(zhǔn)時的定位，可對單源裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使單源裝置和多源裝置離安裝水泥臺的高度保持一致，便于操作。

2.2.3 激光定位儀改進(jìn)

激光定位儀有點(diǎn)定位和十字定位兩種方式，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求可選擇相應(yīng)品牌的設(shè)備。在本裝置儀表檢定過程中，點(diǎn)定位激光定位儀其定位精確度較差，故需選擇十字定位產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)精確定位。隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，定位精確度會越來越高。

2.2.4 小車及刻度臺架改進(jìn)

小車和刻度臺架是本裝置不可缺少的部分，臺架的優(yōu)化設(shè)計(jì)將直接影響測量精確度。優(yōu)化小車和刻度臺架的布置，減小小車軌道的尺寸，增加橫向移動的平衡裝置，減小小車伺服電機(jī)的體積，既改善了美觀，同時提高了裝置性能。但美觀和輕便設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步改進(jìn)，比如刻度臺架采用輕型鋁件型材進(jìn)行框架式設(shè)計(jì)，刻度臺架中的刻度盤上、下移動，采用電動缸控制；刻度盤旋轉(zhuǎn)定位通過步進(jìn)電機(jī)控制。為實(shí)現(xiàn)裝置的整體美觀和減少散射對產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)輻射場的影響，在刻度臺架的其它部分可采用低原子序數(shù)的樹脂材料檔板和鋁型材框架。

3 結(jié)束語

通過以上四項(xiàng)改進(jìn)的防護(hù)水平γ參考輻射準(zhǔn)直照射裝置其功能更加完善，提高了測量精確度和穩(wěn)定性，但從長遠(yuǎn)考慮，對裝置結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化。且目前國家核電項(xiàng)目陸續(xù)開建，將會有極為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 歐向明.防護(hù)水平γ輻照裝置的研制[J].中國輻射衛(wèi)生，2006,15（3）：302-303.

[2] 郭智榮.γ輻射試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003,15（1）：61-63.

Reference radiation protection levelγcollimated illumination device design optimization

Ma Jinna,Zhou Wei
(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.Guangdong Shenzhen,518124)

Radiation measuring laboratory is used for the calibration and scaling of the radiation protection instruments in nuclear power plant.One whole set of measuring/scaling equipment,used for most portable radiation protection instruments,is installed in every nuclear power plant in China.The lab includes two calibration facilities,Irradiation Facility of γ reference radiation fields with radiation protection level and α/β-ray surface contamination calibration Facility.This article chiefly addresses the design and optimization proposal for theγ- Ray Irradiation Facility.

Nuclear Power Plant;Irradiation Facility;Calibration