移動式γ射線探傷機輻射安全改進研究

袁國軍 劉 陽 郭廬陣 董信芳

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

γ射線探傷技術是工業(yè)生產中廣泛應用的無損檢測技術之一，主要目的是探測工件內部存在的缺陷，保證產品的質量。由于其具有檢測無損、便捷、快速的特點，已經成為許多工業(yè)生產行業(yè)，如機械制造、電力、石油、化工、航天等工業(yè)中必不可少的工具之一。γ射線探傷機的特點是擁有一個γ放射源，非工作狀態(tài)下，放射源儲存在探傷機內部，僅在工作狀態(tài)下?lián)u出。在探傷作業(yè)結束時，放射源被收回到探傷機內部，在這個過程中，放射源可能脫落，如果探傷人員沒有發(fā)現，可能造成輻射事故。

2004—2013年，我國共發(fā)生17起工業(yè)γ射線探傷事故，以放射源丟失、被盜事故為主，其中3起事故造成了人員受劑量照射。事故中94%為較大或重大事故，事故原因主要是人為因素導致的安全措施缺失。其中波及人員最多的事件發(fā)生在2005年7月，哈爾濱一居民樓兩家人相繼得怪病，被診斷為“骨髓造血受抑癥”，黑龍江省輻射站對其中一家住所進行監(jiān)測時，發(fā)現1枚丟失的III類銥-192放射源。事故造成6人住院，18戶居民117名人員受到輻射傷害，造成較大的社會影響。2014年5月在南京發(fā)生的工業(yè)探傷用放射源銥-192丟失事件，雖然未對人員產生嚴重的輻射傷害，但造成了當地居民的極大恐慌。

γ探傷技術利用行業(yè)輻射安全事故頻發(fā)的情況主要原因包括：從業(yè)人員輻射安全意識薄弱、探傷單位安全管理不到位、移動作業(yè)條件差、缺乏輻射監(jiān)測設備等。國家生態(tài)環(huán)境部等部門已經發(fā)布了多項相關的管理條例和標準，對移動γ射線探傷設備的監(jiān)督和管理已經較為完善，從業(yè)人員按規(guī)定定期進行培訓和演練，但有出現探傷設備和放射源丟失的風險。目前γ射線探傷行業(yè)相關的專用輻射事故預防設備僅有GPS定位系統(tǒng)，這些設備關注點在于事故發(fā)生后的尋找而非預防事故發(fā)生。該設備僅能提供探傷機所在的實時位置，如果探傷機被盜，可以通過該設備提供的位置信息進行查找。但如果出現放射源丟失的情況，該設備并不能有效地反映放射源的位置。針對γ射線探傷機的特點，可以通過輻射防護相關的技術方法為監(jiān)管部門和業(yè)主單位的管理提供必要的支持，從而能夠進一步降低事故發(fā)生的概率。

本文設計了一款輻射安全監(jiān)管設備，該設備能實時監(jiān)測探傷機的輻射劑量率，并將劑量率數據實時傳輸到監(jiān)管中心，在劑量率數據異常的情況下報警，提醒工作人員注意探傷設備及放射源的安全。該設備不僅可以實時反饋γ射線探傷機的位置信息，同時可以防止放射源丟失。γ射線探傷機從倉庫取出，過程運輸，然后到作業(yè)現場進行工作，作業(yè)結束后返回到倉庫中，全程跟蹤并記錄輻射劑量率和位置信息等，實現對γ射線探傷機的閉環(huán)管理，方便監(jiān)管部門和業(yè)主單位的管理，實現從被動防御轉變到主動控制事故地發(fā)生，使得事故出現的概率為零。

1 功能需求及邏輯分析

該設備的研制，應主要從兩個方面進行考慮，其一，為工作人員提供輻射劑量率、防盜、源丟失等報警，從而降低操作失誤引起的源丟失和人員誤照射；其二，監(jiān)控探傷機和放射源的狀態(tài)，為單位和監(jiān)管部門提供監(jiān)測信息，便于管理和查詢。通過實現這些功能，最終實現減少γ探傷行業(yè)輻射安全事故發(fā)生的概率。針對移動探傷設備的使用現狀，主要包括兩種事故情況。其一，在運輸過程中設備丟失；其二，在探傷作業(yè)過程中，設備被盜或放射源丟失。

針對在運輸過程中可能出現的事故，輻射安全監(jiān)管設備給出響應的邏輯功能實現如圖1所示。在放射源運輸儲存過程中丟失和整臺設備丟失的情況下，實現對應的查找和報警的功能。在探傷機運輸的過程中，放射源肯定是儲存在探傷機內部，除非是在作業(yè)過程中丟失，否則在整個運輸過程中，探傷機表面的輻射劑量率肯定是一個固定值。如果劑量率突然變大，那么就是放射源到達了探傷機外部，此時肯定是由于操作不規(guī)范導致的，輻射安全監(jiān)管設備會發(fā)出聲光報警，提醒工作人員可能出現放射源逃離探傷機的情況。在實際過程中，這種情況基本不會出現。如果探傷機出現丟失被盜的情況，作業(yè)單位的后臺監(jiān)管中心就會發(fā)現探傷機的位置偏離了既定的運輸路線，可以立即和運輸人員取得聯(lián)系，確定探傷機的狀態(tài)，并第一時間采取應對措施，降低產生后續(xù)事故的風險。

圖1 移動探傷設備被盜的應對邏輯方式

針對探傷設備運行過程中設備的丟失或放射源丟失，輻射安全監(jiān)管設備將給出如圖2所示的邏輯應對策略。設定這一邏輯過程的主要依據為：執(zhí)行任務時如果設備被盜，慣性傳感器將被觸發(fā)，監(jiān)管設備發(fā)出聲光報警，幾次報警后將自動關閉，同時按一定的時間間隔上傳位置信息；完成任務后，回收放射源的過程中，監(jiān)管設備會通過設定的程序判斷放射源是否回歸，判斷程序的依據包括回收過程中有沒有劑量升高和降低、源容器表面劑量率是否大于設定的源丟失閾值，如果任何判斷依據出現問題，將通過聲音和光信號提示工作人員。在運行過程中出現放射源丟失，造成人員輻射照射的可能性很大，其造成的后果通常說來比其他事故產生的影響更為嚴重，一定要高度重視。

圖2 執(zhí)行任務過程中的邏輯狀態(tài)

2 功能設計

移動式γ射線探傷機具有體積小、質量輕，不需要使用水、電，且不受溫度、壓力、磁場等外界條件影響，可以連續(xù)運行，特別適合于野外作業(yè)?；谝苿邮溅蒙渚€探傷機的特點和應用場景，輻射安全監(jiān)管設備應具備輻射劑量率實時監(jiān)測并上傳、探傷機定位、安全報警等功能，其功能設計應從以下幾個方面進行考慮。

2.1 輻射探測器的環(huán)境可靠性設計

由于γ射線探傷機的體積小，輻射安全監(jiān)管設備的體積也必須小，輻射探測器的體積相應也得小。輻射探測器可以選擇體積小且成本低的蓋革（GM）計數管。GM計數管由于其性能穩(wěn)定、強抗干擾能力、環(huán)境適應性強、輻射劑量測量上限高等特點，能夠滿足重大事故特種條件下的應用。

推薦選擇英國CENTRONIC公司生產的GM計數管，其有帶能量補償的金屬外殼GM計數管，具有較高的穩(wěn)定性、一致性，并且其各型號能夠比較全面的覆蓋劑量率范圍。基于GM計數管和移動式γ探傷設備經常用于野外作業(yè)操作的環(huán)境特點，設計具有較強抗震、抗沖擊、防塵、防水能力的結構。

2.2 衛(wèi)星定位和無線數據傳輸設計

通過衛(wèi)星定位和數據傳輸可以實時遠程提供設備的輻射監(jiān)測信息和地理位置信息。在野外作業(yè)時，移動數據通信的信號覆蓋不全，需同時設計衛(wèi)星定位和無線移動數據通信。如果移動探傷設備被盜，其被轉移至室內，衛(wèi)星定位可能無法給出具體的位置信息。通過移動數據運營商的基站定位功能，在沒有衛(wèi)星定位信號時提供較為準確的位置信息作為補充。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有精度高、定位速度快等特點，建立一套基于北斗定位和4G無線數據傳輸芯片，開發(fā)衛(wèi)星定位和數據傳輸模塊，從而實現對探傷設備的衛(wèi)星定位，并通過4G無線數據傳輸模塊對探傷設備的位置信息的回傳。5G無線數據通信正在全國范圍內普及，可以根據覆蓋情況考慮設計5G的傳輸模塊或者是更新的通信模塊。

2.3 電源及低功耗設計

移動探傷作業(yè)通常在野外進行，故在設計電池容量時，應考慮3倍的冗余設計，至少滿足3天的設備連續(xù)運行?？梢圆捎酶呷萘康木酆衔镤囯姵?，其具有塑形靈活、更高的質量比能量、電化學穩(wěn)定窗口寬（可達5V）、安全可靠、更長循環(huán)壽命、體積利用率高等特點。從而在能夠以較小的體積為設備的系統(tǒng)提供更高的電池電量。除了選擇高比能量和高容量的電池為設備提供更多的電量之外，還要進行低功耗的設計，從兩個方面實現整個系統(tǒng)的“開源和節(jié)流”。

低功耗設計的主要目的是盡量延長設備的使用時間，這是保證設備對探傷裝置持續(xù)監(jiān)控的重要指標。輻射安全監(jiān)管設備功耗主要由三部分組成：其一，衛(wèi)星定位和無線數據傳輸；其二，GM計數管高壓電源；其三，電路各元器件功耗總和。其中，衛(wèi)星定位和無線數據傳輸、高壓電源為主要的功耗項。

針對對衛(wèi)星定位和無線數據傳輸模塊等耗電單元的工作時間進行智能控制?？刂颇Ｊ桨ㄔ诙ㄎ荒K定位后就自動關閉，能夠通過指令或遇到特殊情況下控制或自動開啟。數據傳輸模塊的數據傳輸時間間隔拉長，可以將5分鐘的數據打包，1小時開啟數據傳輸模塊發(fā)送1小時內的數據，或在正常情況下讓其保持關閉狀態(tài)，發(fā)現異常數據后傳輸模塊開啟，向固定的移動接收設備、數據中心傳送數據。

GM計數的高壓電源模塊是將5V左右的低壓轉換為400V的高壓，在轉換過程中因為器件自身損耗和設計產品的不同需求，電源轉換模塊的功耗會非常高。針對GM計數管的特點設計低功耗高壓電源，能夠極大的提高電源的轉換效率、減小高壓電源模塊的尺寸并降低探測器功耗。同時，可能考慮通過調節(jié)CPU輸出的PWM波占空比來調節(jié)高壓電源負載能力，適應不同輻射場情況下的工作情況從而降低高壓電源的功耗。

2.4 防盜防丟失報警設計

研究觸點報警或慣性測量傳感器，監(jiān)控探傷設備狀態(tài)的方法。傳感器組成的振動測量單元的輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境是否有震動，從而起到報警作用。通過振動靈敏度調節(jié)器件可以快速、方便的調節(jié)對振動的耐受程度，滿足不同場地和環(huán)境的差異化需求。使探傷設備被移動時，傳感器會根據狀態(tài)的變化進行判斷是否報警，從而實現探傷裝置的防盜報警。

根據γ探傷設備的相關標準GB/T14058—2008《γ射線探傷機》以及GBZ132-2008《工業(yè)γ射線探傷衛(wèi)生防護標準》，移動式γ探傷設備的表面輻射水平應在1mSv/h以下，以這一劑量水平作為參考，結合具體設備內裝放射源活度的大小、半衰期、出廠時間等信息，設定報警閾值。根據可能出現的事故類型劃分不同的事故等級，根據事故等級設定聲音報警的大小，不同顏色的光電報警以及語音提示。

2.5 外觀結構設計

結合不同種類、尺寸的移動式γ探傷設備特點，以及設備自身電路的結構和尺寸，設計一種方便、通用、結構簡單、美觀時尚的外觀結構。由于移動式γ探傷設備經常在野外工作的特點，設計具有較強抗震、抗沖擊、防塵、防水能力的結構尤為重要。

3 結語

本文通過對移動γ射線探傷機的特點及使用環(huán)境的分析，設計了一種專門的輻射安全監(jiān)管設備，該設備能夠有效防止移動式γ射線探傷機被盜和放射源的丟失。在后續(xù)研制樣機和推廣該設備時，應同時考慮到設備的成本問題。

本文設計了一款針對移動γ射線探傷機的輻射安全監(jiān)管設備，但要想保證該設備的有效運作，需對其探測到的輻射劑量率數據和位置信息進行保存和管理，還需要開發(fā)一套相應的軟件。該軟件能實時保存設備上傳的各項數據，并對這些數據進行實時地展示，方便監(jiān)管中心的工作人員隨時進行查看。目前，滿足這些功能的軟件有很多成熟的方案和案例，故沒有在本文中進行介紹。