可折疊式人員通道監(jiān)測(cè)儀的研制

孫琦皓，張 菁,3*,王建飛，毛嘉琦，喬 敏,3，郭喜榮,3

（1.山西中輻核儀器有限責(zé)任公司，山西 太原；2.中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原；3.山西省智能輻射探測(cè)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，山西 太原）

可折疊式人員通道監(jiān)測(cè)儀可用于核電系統(tǒng)控制區(qū)、后處理設(shè)施場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、各類車站、商超等場(chǎng)所的出入口安檢處，能夠快速檢測(cè)通過人員身體表面所攜帶的微量放射性物質(zhì)及含量信息。當(dāng)檢測(cè)到通過人員被污染時(shí)，儀器輸出聲光報(bào)警，并上傳至遠(yuǎn)程輻射監(jiān)測(cè)臺(tái)，對(duì)于防止γ 放射性污染擴(kuò)散、實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)最優(yōu)化有重要意義。本監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)為可折疊式，相較于目前國內(nèi)核電市場(chǎng)所采用的固定式人員通道監(jiān)測(cè)儀而言，具備體積小、安裝維修方便和成本低的特點(diǎn)，外殼設(shè)計(jì)與公共場(chǎng)所用于檢測(cè)是否攜帶金屬等違禁物品安檢門相似，既能夠滿足快速污染監(jiān)測(cè)、防止污染擴(kuò)散的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，也擴(kuò)展了儀器的應(yīng)用范圍。本研究整合核電現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求，主要對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析，研究結(jié)果表明可折疊式人員通道監(jiān)測(cè)儀整體輻射性能和可靠性指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定可靠。

1 總體設(shè)計(jì)

可折疊式人員通道監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。監(jiān)測(cè)儀主要由4 個(gè)大面積塑料閃爍體探測(cè)器組成，測(cè)量方式為快速通過式測(cè)量，整個(gè)監(jiān)測(cè)過程完全自動(dòng)化，可實(shí)時(shí)顯示和語音提示監(jiān)測(cè)結(jié)果。工作中，探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)道盒放大、調(diào)整后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，通過控制板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析處理，報(bào)警信號(hào)會(huì)傳遞給報(bào)警處理單元，進(jìn)行聲光提示、安全系統(tǒng)落鎖等操作，測(cè)量過程和結(jié)果會(huì)通過網(wǎng)線或無線通訊方式傳輸至顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

2 硬件配置

監(jiān)測(cè)儀主要由電源單元、探測(cè)器組件、控制板、顯示屏、聲光報(bào)警單元（報(bào)警燈、蜂鳴器）和移動(dòng)物體傳感器（微波雷達(dá)）組成，控制板作為監(jiān)測(cè)儀的主體控制單元，寫入核心運(yùn)行軟件，通過通訊接口對(duì)4 個(gè)監(jiān)測(cè)道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行命令交互作業(yè)，接受并處理高壓信息，使得監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化測(cè)量，并通過液晶顯示屏輸出控板當(dāng)前狀態(tài)、測(cè)量結(jié)果、報(bào)警信息、故障信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀控制軟件可以對(duì)儀器自檢狀態(tài)和測(cè)量過程進(jìn)行自動(dòng)控制，具有數(shù)據(jù)通訊、狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。軟件測(cè)量整體流程如圖2 所示。軟件啟動(dòng)后，儀器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行自檢和本底測(cè)量操作，本底正常后進(jìn)入本底更新狀態(tài)，當(dāng)入口雷達(dá)傳感器檢測(cè)到人員靠近時(shí)，進(jìn)入測(cè)量模式，若無污染，儀器不報(bào)警，聲光報(bào)警器綠燈亮，若有污染，則判斷其報(bào)警等級(jí)，報(bào)警器紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，顯示屏顯示污染部位，人員退出監(jiān)測(cè)儀。待被測(cè)人員退出后，入口雷達(dá)感器動(dòng)作，儀器安全系統(tǒng)落鎖，進(jìn)行本底更新，恢復(fù)正常后，進(jìn)入等待測(cè)量模式。

圖2 控制軟件流程

4 主要性能測(cè)試與分析

監(jiān)測(cè)儀作為控制區(qū)出入口人員輻射監(jiān)測(cè)最主要的手段，監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性尤為重要，本研究依據(jù)JJF 1266-2010 和GB/T 24246-2009對(duì)其活度響應(yīng)、重復(fù)性、探測(cè)閾值和誤報(bào)警率等物理性能進(jìn)行測(cè)試分析[1-3]。為確保儀器在運(yùn)行過程中對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，根據(jù)GB/T 2423.1-2008 和GB/T 2423.2-2008 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行了高低溫運(yùn)行環(huán)境試驗(yàn)。

4.1 物理性能測(cè)試

4.1.1 活度響應(yīng)

系統(tǒng)對(duì)放射源的活度響應(yīng)表征著監(jiān)測(cè)儀對(duì)輻射的探測(cè)能力及靈敏程度，是重要的物理性能指標(biāo)[6]。儀器上電預(yù)熱穩(wěn)定后，將放射源137Cs 依次放置于監(jiān)測(cè)儀相對(duì)立的兩個(gè)探測(cè)器幾何中心連線的中點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)讀數(shù)10 次取平均值，按照式（1）計(jì)算各探測(cè)器對(duì)放射源的活度響應(yīng)Ri，對(duì)各探測(cè)器的活度響應(yīng)相加總和即為監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)對(duì)放射源的活度響應(yīng)R，計(jì)算方法如式（2）。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 活度響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

式中：Ri為第i 個(gè)探測(cè)器的活度響應(yīng)，s-1·Bq-1；Ni為第i 個(gè)探測(cè)器的帶源計(jì)數(shù)平均值，s-1；Nib為第i 個(gè)探測(cè)器的本底平均值，s-1；A 為放射源的當(dāng)前活度，Bq。

式中：n 為探測(cè)器個(gè)數(shù)，監(jiān)測(cè)儀安裝有4 個(gè)探測(cè)器，這里n 值取4。

由表1 可知，監(jiān)測(cè)儀對(duì)137Cs 的活度響應(yīng)滿足GB/T 24246-2009 要求。

4.1.2 測(cè)量重復(fù)性

依據(jù)JJF 1266-2010，采用放射源137Cs，各探測(cè)器的相對(duì)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法如式（3），其中最大值即為監(jiān)測(cè)儀的重復(fù)性。重復(fù)性數(shù)值越小，儀器重復(fù)性越好。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 測(cè)量重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

式中：V 為重復(fù)性，%；Ni為監(jiān)測(cè)儀的讀數(shù)，s-1；N 為監(jiān)測(cè)儀讀數(shù)的算數(shù)平均值，s-1；w 為重復(fù)測(cè)量次數(shù)。

由表2 可知，系統(tǒng)保持了1.1%這一較好的重復(fù)性。

4.1.3 探測(cè)閾值

探測(cè)閾值直接反映了監(jiān)測(cè)儀的探測(cè)性能，根據(jù)JJF 1266-2010，分別對(duì)各探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，按照式（4）計(jì)算其實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，再由4.1.1 章節(jié)測(cè)試得到的活度響應(yīng)數(shù)值與本底計(jì)數(shù)率的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，按式（5）計(jì)算得到每個(gè)探測(cè)器對(duì)放射源活度的探測(cè)限。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)閾值取探測(cè)器探測(cè)閾值的最大值。測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 探測(cè)閾值測(cè)試結(jié)果

式中：σi為第i 個(gè)探測(cè)器本底計(jì)數(shù)率的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，s-1；Nibj為第i 個(gè)探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)，s-1；Nib為第i 個(gè)探測(cè)器本底計(jì)數(shù)的平均值，s-1；w 為重復(fù)測(cè)量次數(shù)。

式中：AiT(N) 為第i 個(gè)探測(cè)器對(duì)N 核素活度的探測(cè)限值，Bq；RiN為第i 個(gè)探測(cè)器對(duì)N 核素的活度響應(yīng)，s-1·Bq-1。

由表3 可知，儀器對(duì)137Cs 的探測(cè)閾值滿足GB/T 24246-2009 要求。

4.1.4 誤報(bào)警率測(cè)試

為保證儀器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，依據(jù)JJF 1266-2010 對(duì)其γ 誤報(bào)警率進(jìn)行了測(cè)試。3600 次模擬中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共產(chǎn)生0 次誤報(bào)警，滿足GB/T 24246-2010 要求。

4.2 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

本研究根據(jù)GB/T 2423.1-2008 和GB/T 2423.2-2008，對(duì)監(jiān)測(cè)儀在高低溫環(huán)境中的工作和存儲(chǔ)適應(yīng)性進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

可折疊式人員通道監(jiān)測(cè)儀安裝有4 個(gè)塑料閃爍體探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了人員等移動(dòng)目標(biāo)的快速輻射監(jiān)測(cè)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)監(jiān)測(cè)儀的輻射性能和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了測(cè)試與分析，各性能指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。儀器具有體積小、安裝維護(hù)方便和快速污染測(cè)量等特點(diǎn)，能夠有效防控污染擴(kuò)散。