γ相機(jī)微型化設(shè)計探索

田 超 王 波 呂煥文 劉嘉嘉 夏明明

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610213）

0 引言

放射性源項是輻射防護(hù)工作的源頭，輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計首先需要弄清放射性源項的位置分布及核素組成。放射性源項測量的準(zhǔn)確性對于反映輻射屏蔽效能和人員輻射劑量方面具有重要意義。

γ相機(jī)作為一種常用γ射線成像設(shè)備，是一種能夠在遠(yuǎn)距離條件下，以最直觀可視的方式得到放射源的位置分布以及污染區(qū)劑量分布的顯像設(shè)備，目前被廣泛應(yīng)用于各種核設(shè)施的輻射防護(hù)、退役去污、核事故響應(yīng)、屏蔽評估、環(huán)境保護(hù)、核廢物分類測量等領(lǐng)域。

γ相機(jī)成像可以反映監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否存在放射性以及放射性強度的空間分布，并準(zhǔn)確判斷放射性核素的種類，達(dá)到對測量區(qū)域內(nèi)的放射性物質(zhì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位的目的。γ射線成像技術(shù)是一種更加符合ALARA原則的核輻射監(jiān)測技術(shù)。

1 γ相機(jī)微型化、輕量化發(fā)展趨勢

對于一般工業(yè)產(chǎn)品，尤其是檢測儀器或相關(guān)測量產(chǎn)品，在滿足其功能的前提下，體積及質(zhì)量的發(fā)展趨勢大多是微型化、輕量化，其中對部分產(chǎn)品的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計多為微型化或者輕量化。微型化、輕量一方面可能會帶來更好的體驗感，比如頭戴類設(shè)備，手持類檢測儀器；另一方面，對于生產(chǎn)制造成本和運輸成本會有一定的降低。應(yīng)急檢測儀器或設(shè)備，相比一般工業(yè)產(chǎn)品，更偏向于微型化和輕量化。因為微型化、輕量化意味著一旦發(fā)生緊急情況時，特別是快速反應(yīng)時間很短的突發(fā)情況，其能夠?qū)崿F(xiàn)快速布置，則具備更快的響應(yīng)速度，極有可能影響事件結(jié)果走向。

根據(jù)國內(nèi)外報道的眾多核事故資料顯示，由地震、火災(zāi)或機(jī)械故障等突發(fā)事件造成的安全事故居多。由于突發(fā)事件應(yīng)急行動的急迫性，需要γ相機(jī)具備如下特點：靈敏度高、探測時間短、體積小、質(zhì)量輕[1]。同時，對于核應(yīng)急、核輻射監(jiān)測γ相機(jī)，其檢測對象為未知目標(biāo)環(huán)境，需要移動其到目標(biāo)環(huán)境所在區(qū)域進(jìn)行檢測，因而微型化、輕量化是其發(fā)展趨勢之一。

近年發(fā)布的NuVISION產(chǎn)品，其體積和質(zhì)量相比于之前產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢。據(jù)了解，國外CEA LIST機(jī)構(gòu)正在研發(fā)的GAMPIXγ相機(jī)，其整體質(zhì)量不超過1 kg。目前，中國核動力研究設(shè)計院研發(fā)的便攜式γ相機(jī)，其大致尺寸為352 mm×173 mm×229 mm，質(zhì)量為2.5 kg，可以作為一款手持式便攜設(shè)備使用。總體來看，現(xiàn)階段市面上γ相機(jī)產(chǎn)品已基本實現(xiàn)便攜性功能，部分國外產(chǎn)品亦能作為手持式便攜探測設(shè)備進(jìn)行使用。

2 γ相機(jī)手持使用及其人機(jī)工程

人機(jī)工程學(xué)通過揭示人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，以達(dá)到確保人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化。在人機(jī)工程學(xué)中，對于人體特性的研究，主要目的是解決機(jī)械設(shè)備、工具、作業(yè)場所以及各種用具和用品的設(shè)計如何與人的生理、心理特點相適應(yīng)，從而為使用者創(chuàng)造安全、舒適、健康、高效的工作條件[2]。γ相機(jī)作用是對潛在輻射環(huán)境進(jìn)行探測，確認(rèn)環(huán)境中輻射源位置及其分布情況，使用環(huán)境存在輻射風(fēng)險，在有測量人員現(xiàn)場作業(yè)時，一般需穿戴相關(guān)防護(hù)服，同時作業(yè)環(huán)境會對測量人員產(chǎn)生一定的心理影響因素，因而從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，研究其微型化應(yīng)用及設(shè)計具有重要意義。γ相機(jī)具有以下一些使用方式：（1）作為便攜式設(shè)備，通過手持的方式，對目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行探測；（2）搭配固定支撐平臺，進(jìn)行探測；（3）搭配事故應(yīng)急機(jī)器人或無人機(jī)使用（能夠無線傳輸圖像）。

在進(jìn)行手持使用的時候，從人機(jī)工程學(xué)角度考慮，γ相機(jī)的物理尺寸、質(zhì)量及手持方式、顯控屏布置及其可操作性等是影響作業(yè)人員在使用γ相機(jī)時，操作便利性、舒適性的關(guān)鍵因素。本文以測量方向為參考基準(zhǔn)，研究了現(xiàn)有γ相機(jī)產(chǎn)品輪廓及手持握把、顯控屏布置方式，其結(jié)果主要分為如下幾類：

（1）垂直測量方向，握把布置于本體頂部，顯控屏垂直測量方向布置于本體后端或本體不含顯控屏，如圖1（a）所示，紅色線條方向為測量方向（下同），相關(guān)產(chǎn)品：柯雷RC510、Polaris-HTM Quad。該種結(jié)構(gòu)形式對于手持檢測來說是一種單手著力橫向抓握布置形式，測量時單手手指彎曲，與手掌形成夾握，拇指施力，力作用線與小臂垂直[2，3]。由于測量人員需對準(zhǔn)測量目標(biāo)，操作及觀察顯控屏界面，設(shè)備大概平于測量人員胸前位置，視線與屏幕存在一定夾角，未正對屏幕，手臂承受向下的拉拽力，在較長時間測量中，比較容易產(chǎn)生疲勞，且操作不便。

圖1 測量布置方式示意圖

（2）平行測量方向，握把布置于本體頂部，顯控屏布置于本體后端與測量方向垂直或成一定夾角以便正對測量人員視線，如圖1（b）所示，相關(guān)產(chǎn)品：NuVISION、RL1000-P、高能所HENT33-013A等。該種結(jié)構(gòu)形式對于手持檢測來說是一種單手著力豎向抓握布置形式，測量時單手手指彎曲，與手掌形成夾握，拇指施力，力作用線與小臂垂直。相比橫向抓握，該種布置方式能夠更好地控制由于設(shè)備重力產(chǎn)生的前后轉(zhuǎn)矩影響。

（3）平行測量方向，握把布置于本體側(cè)面中心位，顯控屏布置于頂端與測量方向成一定夾角，正對測量人員視線方向，如圖1（c）所示。該種結(jié)構(gòu)形式對于手持檢測來說是一種單手著力豎向抓握布置形式，測量時單手手指彎曲，與手掌形成夾握，拇指施力，力作用線與小臂垂直。同時該種布置方式在本體另一側(cè)的底部布置托舉區(qū)域，提供雙手協(xié)同抓握γ相機(jī)產(chǎn)品的握持方式，可有效緩解較長時間測量手臂的疲勞度，由于握把不在頂端，保持設(shè)備平于胸前時，手臂上抬高度相對較低，具有更好的操控性及舒適性。

3 γ相機(jī)模塊化設(shè)計

在搭配固定支撐平臺或者是應(yīng)急機(jī)器人、無人機(jī)等使用時，γ相機(jī)的物理尺寸、質(zhì)量、快速裝配等是影響其使用的重要考慮因素，同時在某些情況下，可能要求具備圖像無線傳輸?shù)墓δ?。如果按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法，將γ相機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)籌到一體，進(jìn)行整體式的設(shè)計制造，一方面可能犧牲部分使用功能，比如由于質(zhì)量過重，無法搭載小型應(yīng)急機(jī)器人或無人機(jī)等；另一方面，不能更好地實現(xiàn)部分功能需求，比如快速裝配性較差，整體尺寸偏大等。

模塊化通常意義是指解決一個復(fù)雜問題時自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程，有多種屬性，分別反映其內(nèi)部特性。產(chǎn)品設(shè)計中的模塊化是對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，以滿足不同的產(chǎn)品需求。基于γ相機(jī)的不同使用方式，以中國核動力研究設(shè)計院在研的一款γ相機(jī)產(chǎn)品為例，進(jìn)行模塊化設(shè)計探索。

圖2為中國核動力研究設(shè)計院在研的一款γ相機(jī)產(chǎn)品原理結(jié)構(gòu)示意圖。該相機(jī)采用準(zhǔn)直孔成像原理，同時搭配光學(xué)相機(jī)實時采集目標(biāo)環(huán)境圖像情況，并以合成圖像的方式進(jìn)行結(jié)果顯示。根據(jù)γ相機(jī)使用方式及其對應(yīng)的功能需求和硬件組成，對其進(jìn)行模塊化設(shè)計，可分為以下幾部分。

圖2 原理結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 探測端頭模塊

包含編碼板、光學(xué)相機(jī)、探測晶體陣列、交換機(jī)、SIPM模塊、無線元件等；其功能是實現(xiàn)入射γ射線信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時通過光學(xué)相機(jī)采集被測目標(biāo)環(huán)境信息。

3.2 顯控器模塊

包含上位機(jī)電子系統(tǒng)及其顯示屏、操作面板等；其作用是處理探測端頭傳輸?shù)男盘枺M(jìn)行圖像解碼重建，結(jié)合光學(xué)圖像進(jìn)行輸出顯示。同時提供作業(yè)人員操作面板。

3.3 電池模塊

獨立蓄電池，供電系統(tǒng)，可外接電源充電。

3.4 輔助裝配模塊

包含快裝快拆結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其功能是實現(xiàn)各個模塊之間的快速組合及組合后的整體與附件模塊之間的快速組合，該模塊可獨立成物理單元也可分散設(shè)計與其他模塊之上。

3.5 附件模塊

附件模塊不包含在γ相機(jī)產(chǎn)品中，但考慮到與其使用方式密切相關(guān)，因而將其劃分為單獨模塊，該模塊包含使用過程中可能搭配的應(yīng)急機(jī)器人、無人機(jī)、固定平臺（例如便攜式三角支撐架）等。

根據(jù)γ相機(jī)使用情況，各部分模塊組合如圖3所示，其中搭配固定平臺使用時，可根據(jù)實際情況，考慮是否使用顯控器模塊及電池模塊。根據(jù)實際使用情況靈活組成也是模塊化設(shè)計的一大優(yōu)勢。

圖3 模塊劃分及組合示意圖

4 結(jié)語

γ相機(jī)微型化、輕量化是符合ALARA原則的發(fā)展趨勢，由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，結(jié)合人機(jī)工程及其具體使用方式對其進(jìn)行設(shè)計考慮，具有重要意義。在作為便攜式探測設(shè)備進(jìn)行手持使用時，應(yīng)重點考慮其輪廓尺寸、質(zhì)量、握持方式等對操控便利性的影響；在考慮搭配應(yīng)急機(jī)器人、無人機(jī)等附件進(jìn)行使用時，通過模塊化設(shè)計，使整個系統(tǒng)具備更高的靈活性，可以針對不同的場景情況及使用方式，通過不同模塊的快速組合和快速安裝，匹配最適合當(dāng)前探測環(huán)境及探測方式的γ相機(jī)軟硬件系統(tǒng)。