一種適用于核電站使用的耐輻照彩色廣角攝像機(jī)的設(shè)計(jì)方案研究

曹迪 景弋 望超

摘 要：當(dāng)前，基于CCD、CMOS攝像機(jī)的圖像質(zhì)量已經(jīng)可以很好地滿足現(xiàn)代核工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展需求，對于核電站領(lǐng)域的發(fā)展來說有著非常重要的作用。本研發(fā)成果旨在深入研究基于核電站耐輻射電視監(jiān)視系統(tǒng)在核電廠的應(yīng)用，在調(diào)研總結(jié)國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)一款國產(chǎn)化彩色耐輻射電視攝像系統(tǒng)，可用于國內(nèi)核設(shè)施以及大型先進(jìn)壓水堆工程的耐輻射電視監(jiān)視系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：核電站；耐輻照；彩色廣角攝像機(jī)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0137-02

Abstract：At present， based on CCD， the image quality of CMOS camera can be very good to meet the requirements of the development of modern nuclear industry， the development of the nuclear power field plays a very important role. The further study of application of radiation resistant video surveillance system based on nuclear power plants in the nuclear power plant to the research results， summarizes the domestic and related technology research on the research and design of a domestic color TV camera system radiation resistance， can be used for domestic nuclear facilities and large-scale advanced PWR engineering anti radiation TV monitoring system.

Key Words：nuclear power plant； radiation resistance； color wide-angle camera； design

1耐輻照彩色廣角攝像機(jī)設(shè)計(jì)概況

1.1設(shè)計(jì)目的

近年來，我國現(xiàn)代核工業(yè)領(lǐng)域在發(fā)展過程中主要以攝像管作為電視攝像系統(tǒng)的圖像傳感設(shè)備。這種攝像機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，其中的優(yōu)點(diǎn)主要為：耐輻照性能較強(qiáng)，在實(shí)際使用過程中可以其的耐輻射可達(dá)到（TID=105～106Gy），對于現(xiàn)代的核工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展來說起到了非常重要的作用。然而，這種攝像機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中常常會(huì)因?yàn)槎喾N原因?qū)е缕渲写嬖谥欢ǖ牟蛔?，主要體現(xiàn)：使用壽命較短，攝像管的壽命通常只有數(shù)千小時(shí)，目前僅有的幾個(gè)供應(yīng)商提供的攝像管在5000-10000小時(shí)間，無法滿足現(xiàn)代核工業(yè)設(shè)備的續(xù)運(yùn)行要求。

1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容

以核電站現(xiàn)有的監(jiān)視系統(tǒng)為基礎(chǔ)對核電站中輻照現(xiàn)狀、設(shè)備運(yùn)行狀況等方面進(jìn)行深入研究，并根據(jù)所得結(jié)果制定出一套科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案，只有這樣才能從根本上提升攝像機(jī)的耐輻照能力，滿足現(xiàn)代核工業(yè)發(fā)展的需求。另外，通過對彩色廣角耐輻照攝像機(jī)的研究還可以將核電站中現(xiàn)有的電視監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全方面優(yōu)化，并將其在一些大型的核電站工程中應(yīng)用，只有這樣才能將彩色廣角耐輻照攝像機(jī)的真正功能價(jià)值體現(xiàn)出來。

通過對光電部件、光學(xué)鏡頭、屏蔽結(jié)構(gòu)等方面的研究，設(shè)計(jì)并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的彩色耐輻射攝像機(jī)經(jīng)測試至少應(yīng)能夠達(dá)到3.5×104Gy =3.5 ×106rad[Co60]的累積輻射劑量。同時(shí)，圖像性能滿足“GB50115-2009工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范”的要求，耐輻照性能達(dá)到或超過同行業(yè)進(jìn)口同類產(chǎn)品的水平，能滿足多個(gè)堆型核電站耐輻照電視監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求。

2耐輻照彩色廣角攝像機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)施方案

2.1電子部件核加固

普通CCD、CMOS攝像電路一般能承受輻照≈200Gy，通過對電子元器件進(jìn)行大量篩選，采用耐輻照性能更好的元器件和電路，提升攝像機(jī)光電部件的本質(zhì)耐輻照性能。現(xiàn)代攝像系統(tǒng)通常由鏡頭（Lens）、圖像傳感器（CCD）、AFE/DSP（數(shù)字圖像處理器）等幾個(gè)核心單元輔以外圍電路元件構(gòu)成，對CCD和AFE/DSP單元的篩選是本次電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在篩選過程中我們應(yīng)堅(jiān)持的原則是：電路越簡單越可靠、越是分立元件越可靠。經(jīng)篩選并優(yōu)化設(shè)計(jì)后，所選用的攝像機(jī)CCD光電部件經(jīng)測試后的耐輻照性能達(dá)到了1000Gy時(shí)，已達(dá)到普通一體機(jī)芯耐輻照的5倍。

2.2屏蔽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在輻射防護(hù)技術(shù)中，我們通常用“半價(jià)層”和“十分之一價(jià)層”的厚度來體現(xiàn)某種材料的防輻射能力。理論上講，雖然各種材料對射線的衰減系數(shù)不同，但只要具有足夠厚度，任何材料均能將輻射衰減到目標(biāo)強(qiáng)度。但工程項(xiàng)目中需要綜合考慮體積、重量、均勻性、可靠性、可行性等問題。因此我們在選取屏蔽材料時(shí)，一般優(yōu)先選擇更高半價(jià)層的鎢和鉛。其中相較于鎢，鉛更具價(jià)格優(yōu)勢，因此最被廣泛應(yīng)用；而與鉛比較起來，鎢的優(yōu)勢是對高頻率γ射線的屏蔽效果更好、更堅(jiān)固、穩(wěn)定、清潔環(huán)保，因此被更多的應(yīng)用于醫(yī)療、高端制造業(yè)。

根據(jù)公式：

I/I0=Be-μR

其中，比值I/I0稱為γ射線衰減倍數(shù)；B為累積因子，由γ射線的能量、介質(zhì)種類及狀態(tài)等條件決定的；R為吸收體厚度；μ為衰減系數(shù)，單位為cm-1。公式中所需的μ和B可以通過查表獲得。經(jīng)計(jì)算得到屏蔽材料厚度與設(shè)備尺寸及重量的關(guān)系請參見表1。

通過上表的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比及綜合分析，在合適的體積和重量下，采用4cm左右的鎢作為屏蔽外殼是綜合性能最佳的方案。

2.3非褐化廣角潛望鏡頭設(shè)計(jì)

鏡頭設(shè)計(jì)的核心是采用耐輻照性能更好的光學(xué)材料研制鏡頭，通過光學(xué)設(shè)計(jì)彌補(bǔ)輻射屏蔽的結(jié)構(gòu)缺陷，提升整機(jī)耐輻照性能，使得鏡頭在很高的輻射劑量下也不會(huì)發(fā)生褐變。如圖1所示，通過耐輻射光學(xué)鏡片、成熟的光學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)，得出一種L形90度折彎，具有潛望成像結(jié)構(gòu)的耐輻照鏡頭，將鏡頭取景口前移至攝像機(jī)取景窗，因此攝像機(jī)的視角可被設(shè)計(jì)為15度至180度，不受屏蔽殼的限制和遮擋。

3耐輻射照彩色廣角攝像機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

3.1 90°廣角鏡頭

有些場合沒有足夠空間安裝云臺(tái)變焦攝像機(jī)，90°廣角鏡頭解決了在狹小空間全景監(jiān)視的需要；配置90°廣角鏡頭的攝像機(jī)，不必再配置云臺(tái)和變焦鏡頭，省卻了很多傳動(dòng)部件和機(jī)電設(shè)備，結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高，可以有效的保證核工業(yè)的使用安全。

核電站、核設(shè)施里有很多需要視頻監(jiān)視的狹小隔間，90°廣角監(jiān)視可以為用戶提供盡可能完整的場景圖像，也有利于記錄更多的圖像信息便于在日后追溯。

3.2耐輻照能力達(dá)3.5×104Gy

通過測試，本次研發(fā)的攝像機(jī)耐輻照性能非常優(yōu)異。對比進(jìn)口同類型產(chǎn)品，在更小體積、更輕重量的條件下，實(shí)現(xiàn)耐輻照性能提升一倍多，耐輻照累積劑量達(dá)到3.5×104Gy。

基于本次設(shè)計(jì)的耐輻照鏡頭口徑遠(yuǎn)小于同類型產(chǎn)品，攝像機(jī)在屏蔽外殼上的視窗開孔很小，因此輻射屏蔽缺陷區(qū)相對其他同類型產(chǎn)品小很多。

3.3可擴(kuò)展性

本次設(shè)計(jì)中，耐輻照攝像機(jī)機(jī)芯較其它進(jìn)口品牌同類型產(chǎn)品體積更小，因此屏蔽厚度較其它產(chǎn)品增加了10-20mm，這使得攝像機(jī)有更厚的屏蔽層用于提升攝像機(jī)的輻照防護(hù)能力，因此使其在實(shí)際應(yīng)用中的適用性更加廣泛，并取得了良好的成績。

本次設(shè)計(jì)的耐輻照攝像機(jī)是在采用工業(yè)級光電元件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，如換用軍工級和航天級光電元件后性能將進(jìn)一步提升，因此其在后續(xù)仍有很大的提升空間。

4國內(nèi)外耐輻射照攝像機(jī)技術(shù)對比

目前采用同類技術(shù)的主流國外制造商包括：美國Mirion （原IST-Rees） 、 俄羅斯Diakont、 瑞典Ahlberg，以下是關(guān)鍵技術(shù)差異對比表參見表2。

本次設(shè)計(jì)成果較幾個(gè)國際主流品牌在耐輻照性能上具有較大優(yōu)勢，且在攝像機(jī)鏡頭上也具有獨(dú)特性，填補(bǔ)了相關(guān)產(chǎn)品的空白。在國內(nèi)同類型產(chǎn)品的橫向比較中，本次成果的優(yōu)勢也非常明顯。

5設(shè)計(jì)成果作用意義與推廣應(yīng)用前景

國際原子能機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年全球的核電發(fā)電量將實(shí)現(xiàn)翻倍；國務(wù)院常務(wù)會(huì)議2012年10月24日討論通過的《核電安全規(guī)劃（2011-2020年》與《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，明確中國未來核電站建設(shè)采用全球最高的安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)規(guī)劃到2020年中國核電運(yùn)行容量和在建規(guī)模容量共計(jì)8800萬千瓦。

截至2016年底，我國在建和在運(yùn)行核電機(jī)組已達(dá)55臺(tái)。按照單機(jī)組投用耐輻照攝像機(jī)8臺(tái)估算，我國全部核電站在投入運(yùn)行后須有近400余臺(tái)耐輻照攝像機(jī)同時(shí)在線運(yùn)行。假設(shè)國產(chǎn)耐輻照攝像機(jī)較同類進(jìn)口產(chǎn)品的平均采購成本低10萬元人名幣，如果按照每1-2個(gè)換料周期更換一次耐輻照攝像機(jī)計(jì)算，僅投用國產(chǎn)耐輻照攝像機(jī)每年將節(jié)省采購開支就達(dá)2000萬元人名幣。

6結(jié)語

本文對適合核電站使用的耐輻照彩色廣角攝像機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單的研究，并提出了一套完整的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，試驗(yàn)結(jié)果與目前主流的同類產(chǎn)品有很大及技術(shù)優(yōu)勢，而且還有一定的提升空間。隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在存在的一些技術(shù)瓶頸正在被迅速突破，相信在不久的將來一些技術(shù)成熟、使用壽命長的耐輻射攝像機(jī)會(huì)內(nèi)大量運(yùn)用在核電項(xiàng)目中去。

參考文獻(xiàn)

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