高靈敏度行人輻射監(jiān)測(cè)儀在核電廠出入控制口的應(yīng)用

摘 ? 要： 為了進(jìn)一步提高某核電廠出入控制口輻射監(jiān)測(cè)性能和效率，選用國(guó)內(nèi)新一代高靈敏度輻射監(jiān)測(cè)儀，并實(shí)施適應(yīng)性改進(jìn)。將原有門板型設(shè)計(jì)改造為多探測(cè)器前后布置的門框式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全身分區(qū)域測(cè)量和報(bào)警;對(duì)百分比報(bào)警、效率報(bào)警、最大靈敏度報(bào)警進(jìn)行測(cè)試，選擇效率報(bào)警作為優(yōu)選報(bào)警方式。改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)靈敏度和通行效率二者兼得：探測(cè)報(bào)警閾值從108 kBq降低至3 kBq，監(jiān)測(cè)更加精準(zhǔn);采用的通行式設(shè)計(jì)可使行人無障礙通過，通行能力約為144人/分鐘，兼顧了通行效率和安全檢測(cè)。

關(guān)鍵詞： 核電廠;探測(cè)靈敏度;效率報(bào)警;行人輻射監(jiān)測(cè)儀;門框式設(shè)計(jì);通行式設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TL813 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ?文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 04-006-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.002

引言

根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，核電廠出入控制口需要配置行人輻射監(jiān)測(cè)儀，對(duì)進(jìn)出廠區(qū)的人員進(jìn)行輻射監(jiān)測(cè)[1-3]。一旦測(cè)量的放射性水平超過設(shè)定的閾值，行人輻射監(jiān)測(cè)儀將發(fā)出警報(bào)，并鎖定廠區(qū)出入控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)門或三角閘，截住通行的人員，禁止放射性物質(zhì)離開廠區(qū)，避免造成放射源失控事故[4-5]。

某核電廠廠區(qū)邊界配置的行人輻射監(jiān)測(cè)儀為門板型監(jiān)測(cè)儀，報(bào)警閾值為108 kBq，多人并行通過時(shí)，報(bào)警閾值進(jìn)一步提高，達(dá)到266 kBq。另外，多人同時(shí)通過會(huì)致使行人輻射監(jiān)測(cè)儀發(fā)生報(bào)警后不能快速識(shí)別受污染人員。核電廠控制區(qū)輻射監(jiān)測(cè)儀雖然能滿足探測(cè)下限的要求，但其探測(cè)方式屬于攔截式[6]，人員進(jìn)入監(jiān)測(cè)儀等待一段時(shí)間后才能開門通行，如果核電廠主入控制口選擇此類型輻射監(jiān)測(cè)儀，又勢(shì)必會(huì)影響通行效率。核電廠主入控制口行人輻射監(jiān)測(cè)儀探測(cè)靈敏度和通行效率難以同時(shí)滿足，正所謂“魚和熊掌不可兼得”。

在保障通行效率的基礎(chǔ)上，為了提高行人輻射監(jiān)測(cè)儀探測(cè)靈敏度，某核電廠借助出入控制口行人輻射監(jiān)測(cè)儀停產(chǎn)、無備件、需要改進(jìn)的契機(jī)，經(jīng)過多方調(diào)研，購置到國(guó)內(nèi)研發(fā)的新一代高靈敏度行人輻射監(jiān)測(cè)儀，并進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了探測(cè)靈敏度和通行效率二者兼得。

本文首先對(duì)核電廠放射性核素特點(diǎn)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出總體改進(jìn)方案;其次以探測(cè)靈敏度和通行效率二者兼得為原則，對(duì)報(bào)警方式進(jìn)行研究與比選;最后對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估，并給出若干探測(cè)處置案例。

1 ?核電廠放射性核素特點(diǎn)分析

若要對(duì)核電廠出入控制口行人輻射監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行合理的配置設(shè)計(jì)，首先需對(duì)核電廠放射性核素特點(diǎn)，包括主要放射性核素種類，核素的β、γ衰變特點(diǎn)及各自的占比等進(jìn)行分析，然后確定輻射測(cè)量控制的特征核素和γ輻射報(bào)警閾值。

經(jīng)分析，Co-60、Co-58、Cs-137等是核電站主要核素，在常規(guī)物品中，其總量占絕大部分;其中 Co-60占比最大，約50%以上，故將其作為γ輻射測(cè)量中的特征核素。由于γ輻射探測(cè)儀對(duì)Co-60衰變的探測(cè)有2條γ射線，對(duì)其他兩種核素的探測(cè)只有1條，即前者的探測(cè)效率基本比后者高一倍，所以在以Co-60作為特征核素進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將人員輻射監(jiān)測(cè)儀報(bào)警閾值確定為3 kBq，以滿足《電離輻射防護(hù)與放射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)（GB 18871-2002）》[1]的要求（參照人員體表污染控制限值0.4 Bq/cm2，身高160 cm的男性的體表面積大概為1.6 m2，對(duì)應(yīng)的放射性活度約為6 kBq，報(bào)警閾值取其一半）。

2 ?總體改進(jìn)方案

將原來主要出入通道的3套門板型行人輻射監(jiān)測(cè)儀升級(jí)為4套門框式行人輻射監(jiān)測(cè)儀。4套門框式行人輻射監(jiān)測(cè)儀之間設(shè)置安全柵欄，并確保行人不能穿過柵欄。

每套門框式行人輻射監(jiān)測(cè)儀各引出一根信號(hào)線纜，與核電廠的旋轉(zhuǎn)門連接，只要有一套監(jiān)測(cè)儀報(bào)警，所有的旋轉(zhuǎn)門均鎖定。旋轉(zhuǎn)門鎖定狀態(tài)是否解除由核電廠保衛(wèi)人員控制。行人輻射監(jiān)測(cè)儀故障報(bào)警時(shí)不閉鎖旋轉(zhuǎn)門，在維修人員排除設(shè)備故障前，行人從其他正常運(yùn)行的行人輻射監(jiān)測(cè)儀通行。系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。

探測(cè)器是行人輻射監(jiān)測(cè)儀的核心部件。每套行人輻射監(jiān)測(cè)儀配置13個(gè)探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器由耦合高靈敏光電倍增管模塊、高壓電路模塊、前置放大電路模塊和信號(hào)處理接收發(fā)送模塊等組成。探測(cè)器雙面“3+3”菱形排列的設(shè)計(jì)使得測(cè)量全覆蓋無盲點(diǎn)，又進(jìn)一步提高了通行速度。為了降低系統(tǒng)的本底噪聲，除探測(cè)面用低原子序數(shù)的鋁以外，其他面采用25 mm厚的低本底老鉛作為屏蔽。耦合高靈敏光電倍增管采用防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。探測(cè)器電子學(xué)部分具有故障反饋功能，使控制中心及上位機(jī)用戶清楚地知道探測(cè)器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全身分區(qū)域測(cè)量和報(bào)警。每套行人輻射監(jiān)測(cè)儀中探測(cè)器的排布方式和安裝完成后的行人輻射監(jiān)測(cè)儀分別如圖2a和圖2b所示。

3 ?報(bào)警方式研究與比選

行人輻射監(jiān)測(cè)儀的報(bào)警方式有三種：百分比報(bào)警、效率報(bào)警、最大靈敏度報(bào)警。

3.1 ?百分比報(bào)警

測(cè)量值與本底值之間的差值（即測(cè)量時(shí)凈增長(zhǎng)的計(jì)數(shù)）大于或等于本底值的a%時(shí)[7]，觸發(fā)報(bào)警，即

（1）

其中，為監(jiān)測(cè)儀的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)率，指的是監(jiān)測(cè)儀在觸發(fā)占位時(shí)13個(gè)探測(cè)器實(shí)時(shí)疊加的總cps值;為監(jiān)測(cè)儀本底更新后得到的計(jì)數(shù)率，指的是檢測(cè)儀在未觸發(fā)占位時(shí)13個(gè)探測(cè)器測(cè)得的總cps值;a為用戶自己設(shè)定的系數(shù)，在1～100之間，設(shè)定系數(shù)時(shí)應(yīng)避開探測(cè)器的正常的統(tǒng)計(jì)漲落，否則容易引起誤報(bào)。比如，若本底值為10 000 cps，探測(cè)器的正常統(tǒng)計(jì)漲落值（本底正常的波動(dòng)區(qū)間）為±200 cps，那么設(shè)定系數(shù)a為1就會(huì)觸發(fā)誤報(bào)（1%×10 000=100）。

3.2 ?效率報(bào)警

使用一定活度的已知核素（如Co-60）作為放射源通過監(jiān)測(cè)儀，當(dāng)放射源活度大于預(yù)設(shè)的特定核素（如Co-60）活度報(bào)警閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)儀給出輻射報(bào)警提示[8]。用戶可根據(jù)實(shí)際情況在核素庫中選定特定核素。

報(bào)警觸發(fā)條件：

（2）

其中：

（3）

為預(yù)設(shè)的特定核素活度報(bào)警閾值，本項(xiàng)目預(yù)設(shè)值為3 kBq;為一定活度的已知核素放射源通過監(jiān)測(cè)儀時(shí)測(cè)得的該放射源的活度;ε為被測(cè)放射源的活度響應(yīng)（單位：S-1/Bq），是將標(biāo)準(zhǔn)源放在門框幾何中心刻度出來的效率值;和與前述百分比報(bào)警相同。

3.3 ?最大靈敏度報(bào)警

當(dāng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)量值大于預(yù)設(shè)的最大靈敏度報(bào)警閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)儀給出輻射報(bào)警提示。最大靈敏度報(bào)警方式與百分比報(bào)警接近。

報(bào)警觸發(fā)條件：

（4）

其中，和與前述百分比報(bào)警相同;為決定誤報(bào)率的本底系數(shù)，與百分比報(bào)警中的a系數(shù)一樣，設(shè)定時(shí)需要避開本底正常的統(tǒng)計(jì)漲落，防止觸發(fā)誤報(bào);為測(cè)量時(shí)間（默認(rèn)為1 s）;為本底更新時(shí)間（默認(rèn)為60 s）。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，效率報(bào)警既能確保探測(cè)靈敏度，又能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，最終核電廠選擇了效率報(bào)警方式。

4 ?應(yīng)用特點(diǎn)分析

為了提升探測(cè)靈敏度，對(duì)行人輻射監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了如下適應(yīng)性改進(jìn)：

（1）采用門框式設(shè)計(jì)，并縮短門框的間距，實(shí)現(xiàn)：

① 提高整個(gè)監(jiān)測(cè)儀的探測(cè)效率，從而降低輻射探測(cè)下限，降低報(bào)警閾值;

② 限制只能一人通過，避免多人同時(shí)通行形成的屏蔽，提高探測(cè)可靠性。

（2）采用多探測(cè)器布置，增加探測(cè)器的總有效體積，實(shí)現(xiàn)：

① 提高總體探測(cè)效率，同時(shí)降低每個(gè)探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)，降低報(bào)警閾值;

② 針對(duì)人體不同部位，采取分區(qū)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)人體分部位測(cè)量和污染報(bào)警，精確定位。

（3）多探測(cè)器前后布置（沿豎直方向分別并列設(shè)置）。按進(jìn)出方向前后分區(qū)，通過前后分區(qū)出現(xiàn)計(jì)數(shù)峰值的不同時(shí)間，判斷人員的進(jìn)出方向。

（4）采用鉛屏蔽設(shè)計(jì)，減小環(huán)境本底的影響，降低報(bào)警閾值。

（5）采用通行式設(shè)計(jì)，不設(shè)欄桿，提高人員通行效率。

（6）在門框的進(jìn)出口分別設(shè)置紅外線探測(cè)器，用于測(cè)量的啟/?？刂啤?/p>

（7）安裝攝像頭，進(jìn)行監(jiān)控和視頻抓拍，通過視頻抓拍記錄，快速定位觸發(fā)報(bào)警的人員。

（8）優(yōu)化輻射監(jiān)測(cè)儀就地本底預(yù)置設(shè)置方法，將固定值更改為可變系數(shù)，使參與計(jì)算的本底數(shù)值高低隨現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境本底變化而改變，消除環(huán)境本底變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

5 ?應(yīng)用效果評(píng)估與處置案例

5.1 ?通行效率測(cè)算

出入控制口處記錄得到最高峰通行人數(shù)為89人/分鐘，4臺(tái)行人輻射監(jiān)測(cè)儀的通行能力約為144人/分鐘，滿足通行效率要求。即使1臺(tái)行人輻射監(jiān)測(cè)儀出現(xiàn)故障，另外3臺(tái)行人輻射監(jiān)測(cè)儀也能滿足通行效率要求。

5.2 ?處置案例

4臺(tái)行人輻射監(jiān)測(cè)儀在2019年3月投入運(yùn)行后，曾出現(xiàn)2起微弱的放射性物資進(jìn)出保衛(wèi)邊界的偏差：

（1）2019年4月4日，某廠家維保人員在通過行人輻射監(jiān)測(cè)儀時(shí)發(fā)生報(bào)警。檢查發(fā)現(xiàn)為維保人員隨身攜帶的源機(jī)維保工具中的一個(gè)假源鞭和一個(gè)導(dǎo)管轉(zhuǎn)接頭所致，其中導(dǎo)管轉(zhuǎn)接頭的接觸劑量率為1.9 μSv/h，沒有發(fā)現(xiàn)松散的表面沾污。注：射線探傷用的都是密封的放射源（Ir-192、Co-60等），導(dǎo)管轉(zhuǎn)接頭本身是沒有放射性的金屬材料。導(dǎo)致報(bào)警的原因是導(dǎo)管轉(zhuǎn)接頭在使用過程中受到輕微放射性沾污。

（2）2019年4月9日，電廠工具庫采購的釷鎢電極由人員攜帶進(jìn)廠時(shí)，觸發(fā)行人輻射監(jiān)測(cè)儀報(bào)警。釷鎢電極單盒接觸劑量率為0.43 μSv/h，距離0.1 m處為0.18 μSv/h。注：釷鎢電極含有氧化釷（ThO2）用于焊接起弧，電廠按工具采購，焊工按需領(lǐng)用。Th-232是帶有α射線的放射性核素，是導(dǎo)致行人輻射監(jiān)測(cè)儀報(bào)警的主要因素。報(bào)警發(fā)生后，電廠立即采購沒有放射性的鈰鎢電極替代釷鎢電極。

6 ?結(jié)束語

本文引入國(guó)內(nèi)新一代高靈敏度行人輻射監(jiān)測(cè)儀，并推動(dòng)其在核電廠落地應(yīng)用，在解決通行效率的同時(shí)，提升了探測(cè)靈敏度，進(jìn)一步提高了廠區(qū)出入口輻射監(jiān)測(cè)性能和水平，也為后續(xù)其他核電廠的監(jiān)測(cè)設(shè)施改進(jìn)提供了藍(lán)本。

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作者簡(jiǎn)介：

林國(guó)強(qiáng)（1983—），通信作者，男，廣東人，全日制本科，工程師，于大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司從事核電廠儀控系統(tǒng)改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

林國(guó)強(qiáng)（1983—），通信作者，男，廣東人，全日制本科，工程師，于大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司從事核電廠儀控系統(tǒng)改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

林國(guó)強(qiáng)（1983—），通信作者，男，廣東人，全日制本科，工程師，于大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司從事核電廠儀控系統(tǒng)改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

Abstract： In order to further improve the radiation monitoring performance and efficiency of the access control in a nuclear power plant， a new generation of high sensitivity pedestrian radiation monitor in China is selected and the adaptive improvement is implemented. The original door panel design is transformed into a door frame design with multiple detectors arranged in front and back to realize the whole body measurement and alarm in different areas; the percentage alarm， efficiency alarm and maximum sensitivity alarm are tested， and the efficiency alarm is selected as the optimum alarm mode. After improvement， both detection sensitivity and efficiency are achieved： the detection alarm threshold value is reduced from 108 kBq to 3 kBq， and the monitoring is more accurate; the adopted passway design can make pedestrians pass through without obstacles， with a capacity of about 144/min， balancing the efficiency and the safety.

Key words： Nuclear Power Plant; Detection Sensitivity; Efficiency Alarm; Pedestrian Radiation Monitor; Door Frame Design; Passway Design