無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉佳瑞,劉蘊韜,倪 寧,陳義珍,侯金兵,王子琳,趙 旭,丁雨陽

(中國原子能科學研究院,中核核工業(yè)計量與測試技術(shù)重點實驗室,北京 102413)

在核設(shè)施發(fā)生重大核事故后,迅速獲取事故發(fā)生區(qū)域內(nèi)泄漏污染情況對于核與輻射事故應(yīng)急決策機構(gòu)了解事故的基本情況、正確判斷事故嚴重程度、進行應(yīng)急決策和指導(dǎo)制定事故早期的應(yīng)對措施具有至關(guān)重要的意義[1-3]。迅速獲取污染區(qū)域周邊地區(qū)的輻射劑量率分布情況,不僅對于采取正確應(yīng)對措施,保護公眾免受輻射危害有重要意義,還能夠為事故后期的污染區(qū)域恢復(fù),撤離居民的返遷等措施提供技術(shù)支持。自2005年5月國務(wù)院辦公廳頒布《國家核應(yīng)急預(yù)案》(第三版)以來,我國已經(jīng)初步建成了國家、核設(shè)施運營單位和所在省的核應(yīng)急指揮中心,基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)投入運行。地面應(yīng)急輻射監(jiān)測、核事故醫(yī)學應(yīng)急援救和核應(yīng)急決策支持等專業(yè)技術(shù)支持力量也取得了一定的進展。但是日本福島核電站事故后的應(yīng)對能力和應(yīng)急快速監(jiān)測技術(shù)的不足,提示我們急需提升應(yīng)急快速監(jiān)測能力[4-6]。尤其是當多重災(zāi)難疊加導(dǎo)致的核與輻射重大事故,可能造成嚴重的核泄漏及放射性污染,現(xiàn)場通道會遭到嚴重破壞,使探測設(shè)備無法快速通過地面通道進入現(xiàn)場對放射性泄漏和污染情況進行探查。此時通過低空近地表面測量是最可行方法。因此,本研究研制無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng),適用于應(yīng)急水平的輻射監(jiān)測,能夠在核事故發(fā)生后迅速從空中進入污染區(qū)域獲取實時輻射劑量率分布情況。

在切爾諾貝利事故后,航空核輻射測量技術(shù)及其裝備得到前所未有的發(fā)展,并大量應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和地質(zhì)勘測。芬蘭輻射與核安全局和芬蘭赫爾辛基大學共同研制的航空輻射測量系統(tǒng)[7]能夠測量放射性物質(zhì)的外照射劑量、識別核素和取樣放射性煙羽等。意大利的SNIFFER系統(tǒng)采用固定翼飛機搭載了環(huán)境輻射劑量測量和分析設(shè)備、氣溶膠采樣測量設(shè)備及通訊設(shè)備,實現(xiàn)了環(huán)境輻射測量功能。上世紀80年代,中國核工業(yè)航測遙感中心引進國外技術(shù),組建了我國第一套航空核輻射測量系統(tǒng),在上世紀90年代初對秦山和上海地區(qū)進行了天然放射性及相關(guān)環(huán)境要素的航空監(jiān)測,取得了很好的效果[8-10]。雖然核應(yīng)急輻射測量工作已經(jīng)在國內(nèi)外開展多年,機載輻射監(jiān)測設(shè)備也有了較長足的發(fā)展,但是上述工作主要是在高空大范圍內(nèi)開展的環(huán)境普查測量,并不適用于重大核事故背景下小范圍內(nèi)低空近地應(yīng)急測量。

因此,研制基于六旋翼無人機的核輻射監(jiān)測系統(tǒng),開展0～100 m(本研究將0～100 m定義為“低空”)的低空近地輻射測量很有必要。該系統(tǒng)由于距離地面較近,具有精度高、分辨力強和響應(yīng)迅速等優(yōu)點,對重大核事故下應(yīng)急響應(yīng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)主要由寬量程G-M計數(shù)管、溴化鈰閃爍體探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及六旋翼無人機組成,前三者搭載在六旋翼無人機上,由無人機對其進行供電。主要工作原理為:六旋翼無人機負責執(zhí)行0～100 m的低空飛行任務(wù),寬量程G-M計數(shù)管和溴化鈰閃爍體探測器負責測量低空環(huán)境的實時輻射劑量率和能譜數(shù)據(jù)。G-M計數(shù)管和溴化鈰譜儀每秒采集一次環(huán)境中的輻射劑量率和能譜,無人機的飛控數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、飛行高度等)同樣每秒更新一次。通過數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)收集以上兩個探測器的實時測量結(jié)果,并且隨無人機飛控數(shù)據(jù)一起實時傳輸至地面控制站進行保存,便于后續(xù)的分析。通過無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng),工作人員可在地面對指定區(qū)域的輻射情況進行實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)探測器設(shè)計

2.1 寬量程G-M計數(shù)管

無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)選取寬量程G-M計數(shù)管執(zhí)行低空輻射劑量率的測量任務(wù)。G-M計數(shù)管以氣體電離為基礎(chǔ),具有環(huán)境適應(yīng)性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好、重量輕和成本低等優(yōu)點,適用于多種核輻射場所的劑量率測量。寬量程G-M計數(shù)管型探測器主要由高-低雙量程G-M計數(shù)管、電壓比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電源組成,如圖1所示。寬量程G-M計數(shù)管型探測器測量范圍為0.1 μGy/h～1 Gy/h,可覆蓋環(huán)境水平至應(yīng)急水平的劑量率。

圖1 寬量程G-M計數(shù)管型探測器設(shè)計圖Fig.1 Wide range G-M counter tube detector design

G-M計數(shù)管由密封于玻璃管中的金屬圓管作為陰極,鎢絲作為陽極,內(nèi)充惰性氣體(氖、氦)和鹵族氣體,工作電壓為5 V。高-低雙量程G-M計數(shù)管由兩個不同量程的輻射劑量率探頭組成,如圖2所示,其中低量程部分的測量范圍為0.1 μGy/h～3 mGy/h,高量程部分的測量范圍為3 mGy/h～1 Gy/h。二者可通過繼電器實現(xiàn)探測器量程的自動切換,切換量程在3 mGy/h左右。

圖2 高-低雙量程G-M計數(shù)管Fig.2 High-low dual range G-M counter tubes

繼電器是一種電磁控制開關(guān),通常由線圈、鐵芯、觸點等部分組成。繼電器內(nèi)部的線圈能夠產(chǎn)生磁場,在受到控制信號時,吸引或釋放鐵芯,從而使觸點發(fā)生開閉動作,實現(xiàn)對電路的控制,發(fā)揮電源隔離的作用,達到切換量程的目的。

雙量程G-M計數(shù)管通過電壓比較器實現(xiàn)對探頭輸出信號的自動控制,其主要功能是將兩個電壓進行比較,并輸出相應(yīng)的比較結(jié)果,具體過程為將探頭輸出的連續(xù)可變的模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖幅度相同的方波信號。電壓轉(zhuǎn)換閾值被設(shè)置為0.7 V,能夠過濾掉大部分噪聲。當電壓比較器有信號輸出時,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會觸發(fā)計數(shù)器進行計數(shù)累加。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種能產(chǎn)生有限持續(xù)時間輸出脈沖的電子電路,具有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)輸入端接收到由電壓比較器輸出的觸發(fā)信號時,觸發(fā)器將從穩(wěn)定狀態(tài)切換到暫穩(wěn)狀態(tài),并在一段預(yù)定時間內(nèi)保持該狀態(tài),繼而自動返回到原始狀態(tài)。上述過程中,輸出端將會產(chǎn)生一個有限持續(xù)時間的脈沖,進而觸發(fā)計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)累加。

在國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站γ射線標準實驗室中對G-M計數(shù)管進行校準,在0.1 μGy/h～10 mGy/h范圍內(nèi),每個量級選取1個參考點進行測量。在參考輻射場中參考點空氣吸收劑量率D已知,根據(jù)公式(1)計算G-M計數(shù)管的校準因子N,校準結(jié)果列于表1。

表1 G-M計數(shù)管在參考場中的校準數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data of G-M counter in reference field

(1)

式中:N為參考輻射場中G-M計數(shù)管的校準因子,無量綱;D為參考輻射場中參考點處的空氣吸收劑量率約定真值,μGy/h;M為參考輻射場中G-M計數(shù)管的讀數(shù),μGy/h。

根據(jù)表1所示,在0.1 μGy/h～10 mGy/h范圍內(nèi),G-M計數(shù)管相對誤差小于5.2%,滿足測試需求。

2.2 溴化鈰閃爍體探測器

2.2.1設(shè)備選型 除測量低空輻射劑量率外,無人機載核輻射探測系統(tǒng)也可用于測量0～100 m低空能譜數(shù)據(jù),選取CeBr3閃爍體探測器實現(xiàn)低空能譜測量。CeBr3探測器有較高的密度、較高的阻止本領(lǐng)、較快的閃爍時間、較高的能量分辨率以及較穩(wěn)定的溫度特性,適用于低空近地范圍內(nèi)γ射線能譜的快速測量。無人機載核輻射探測器采用荷蘭SCIONIX公司制造的51B51型CeBr3閃爍體探測器,實物照片示于圖3,進行0～100 m低空γ射線能譜數(shù)據(jù)測量,其中CeBr3晶體的技術(shù)參數(shù)列于表2。

表2 51B51型CeBr3晶體技術(shù)參數(shù)Table 2 51B51 type of CeBr3 crystal technical parameters

圖3 51B51型CeBr3探測器Fig.3 51B51 type of CeBr3 detector

CeBr3閃爍體晶體、光電倍增管與電荷靈敏前置放大器共同構(gòu)成閃爍體探測器的探頭,CeBr3晶體輸出的光信號通過光電倍增管進行逐級放大。電阻自放型電荷靈敏放大器和復(fù)位型電荷靈敏放大器共同構(gòu)成電荷靈敏前置放大器,根據(jù)計數(shù)率自適應(yīng)選擇前置放大器電路,能夠優(yōu)化不同劑量率下的能譜測量結(jié)果。前置放大電路輸出信號通過微分電路和主放大器后進入數(shù)字多道脈沖幅度分析器,一體式數(shù)字化能譜儀示于圖4,實現(xiàn)2 000～8 000可調(diào)道數(shù)。

圖4 一體式數(shù)字化能譜儀Fig.4 All-in-one digital spectrometer

2.2.2能量校準 CeBr3探測器在執(zhí)行低空能譜的測量任務(wù)前應(yīng)進行能量校準和效率校準。校準實驗的布局示于圖5,使用網(wǎng)格狀實驗平臺進行標準放射源和探測器之間的距離定位。將不同核素的標準放射源放置在距探測器30 cm的同一位置進行能譜測量,實驗所用放射源信息列于表3。

表3 CeBr3探測器校準用標準放射源信息Table 3 CeBr3 detector calibration standard radioactive source data

圖5 CeBr3探測器校準實驗布局Fig.5 CeBr3 detector calibration experiment layout

CeBr3探測器分別對(241Am、137Cs、60Co)混合源、133Ba點源、152Eu點源等標準放射源進行了能譜測量,γ能譜示于圖6～圖8。

圖6 CeBr3探測器測得241Am、137Cs、60Co能譜圖Fig.6 Energy spectrum of 241Am, 137Cs,60Co measured by CeBr3 detector

圖7 CeBr3探測器測得133Ba能譜圖Fig.7 Energy spectrum of 133Ba measured by CeBr3 detector

圖8 CeBr3探測器測得的152Eu能譜圖Fig.8 Energy spectrum of 152Eu measured by CeBr3 detector

在能量區(qū)間內(nèi)確定多個校準點數(shù)據(jù),按公式(2)用最小二乘法擬合得到能量校準函數(shù):

(2)

式中:Ei為對應(yīng)道數(shù)Ci的能量,keV;a為描述道址之間能量增益的系數(shù),無量綱;n為道址的指數(shù),無量綱。

在進行能量校準時,可同時確定全能峰的半高寬FWHM,建立FWHM與γ射線能量或峰位置的關(guān)系。不同放射源的能量校準數(shù)據(jù)列于表4所示,校準結(jié)果顯示,由擬合函數(shù)計算得到的能量值與實際能量值的相對偏差≤±2.07%。

表4 CeBr3探測器能量校準數(shù)據(jù)Table4 CeBr3 detector energy calibration data

將CeBr3探測器的能量校準實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到的擬合曲線示于圖9,可以得出CeBr3探測器的能量校準曲線的線性較好。

圖9 CeBr3探測器能量校準擬合曲線Fig.9 CeBr3 detector energy calibration fitting curve

3 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)研制

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)用于將無人機控制數(shù)據(jù)(飛行高度、經(jīng)緯度信息等)和無人機載核輻射探測器的測量結(jié)果(輻射劑量率和能譜數(shù)據(jù))采集并傳輸至無人機地面控制站,在地面控制上連接終端即可對數(shù)據(jù)進行保存和后續(xù)解析處理。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)通過傳輸端和接收端進行實時數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。無人機的數(shù)據(jù)通信鏈路包括機載端與地面端兩個部分,采用2.4 GHz頻段的射頻方式進行通信,傳輸距離最高可達10 km。機載端為輻射監(jiān)測系統(tǒng)提供串行通信接口(以下簡稱“串口”),通信數(shù)據(jù)流從無人機載核輻射探測器按照指定格式幀的要求傳輸至該串口。同時,機載端負責將測量數(shù)據(jù)整合到數(shù)據(jù)通信鏈路中進行傳輸。地面端提供數(shù)據(jù)獲取接口協(xié)議,連接地面控制站的終端可以根據(jù)協(xié)議獲取實時的數(shù)據(jù)流完成通信。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)通過4個串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的采集與傳輸功能,分別為G-M計數(shù)管串口、CeBr3探測器串口、通訊串口以及電源串口,如圖10所示。通過變壓器將無人機鋰電池的電壓降至5 V,用于為數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、CeBr3探測器和G-M計數(shù)管供電。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)通過G-M計數(shù)管串口和CeBr3探測器串口采集無人機載核輻射探測器的測量結(jié)果,繼而由通訊串口將其傳輸至無人機的飛控系統(tǒng)中。最后通過無人機的數(shù)據(jù)通信鏈路,將測量結(jié)果和飛控數(shù)據(jù)以射頻方式從機載端傳輸至地面控制站進行保存和分析。

圖10 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)Fig.10 Data acquisition and transmission system

4 飛行平臺設(shè)計

4.1 六旋翼無人機

本系統(tǒng)采用電動六旋翼無人機作為飛行平臺,執(zhí)行0～100 m的飛行任務(wù),并為無人機載核輻射探測器、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)提供電力服務(wù)。該型號六旋翼無人機經(jīng)過在河南安陽的現(xiàn)場測試,可達技術(shù)指標。探測范圍與檢測時間:10 000 m2/40 min;載重不低于5 kg,續(xù)航時間不低于40 min。六旋翼無人機的其他技術(shù)指標列于表5。

4.2 搭載設(shè)備

無人機搭載設(shè)備有408萬像素的30倍雙光跟蹤吊艙、雷達高度計以及無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙,通過地面控制站實現(xiàn)設(shè)備的實時通信。30倍雙光跟蹤吊艙負責獲取實時圖像,雷達高度計負責獲取飛行高度,測量精度為0.1 m。

無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙內(nèi)部照片示于圖11。CeBr3探測器、G-M計數(shù)管及數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)需統(tǒng)一固定在無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙內(nèi)部。無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙照片示于圖12。無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙由鋁材料組成,能夠減少γ射線的衰減。無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)照片示于圖13。無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙可以固定在六旋翼無人機上,與六旋翼無人機共同構(gòu)成無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng),能夠執(zhí)行0～100 m的低空輻射劑量率和能譜的測量任務(wù)。無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙也可從無人機上取下,進行無人機載核輻射探測器的校準與維護。

圖11 無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙內(nèi)部Fig.11 Inside the Drone-borne nuclear radiation monitoring system pod

圖12 無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)吊艙Fig.12 Drone-borne nuclear radiation monitoring system pod

圖13 無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)Fig.13 Drone-borne nuclear radiation monitoring system

5 小結(jié)

本研究研制的無人機載核輻射監(jiān)測系統(tǒng)以六旋翼無人機作為飛行平臺,執(zhí)行0～100 m的低空輻射測量任務(wù)。無人機載核輻射探測器由寬量程G-M計數(shù)管和CeBr3閃爍體型探測器組成,負責測量低空輻射劑量率和能譜數(shù)據(jù)。本研究對寬量程G-M計數(shù)管進行了校準,結(jié)果表明,在0.1 μGy/h～10 mGy/h的測量范圍內(nèi),相對誤差小于5.2%。對CeBr3探測器進行了能量校準和效率校準,確認其可進行低空γ射線的能譜測量。研制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)將無人機載核輻射探測器的實時測量結(jié)果進行采集,并同飛行控制數(shù)據(jù)一起傳輸至地面控制站進行保存,為后續(xù)對低空輻射測量結(jié)果的解析與反演提供技術(shù)支持。