喬敏娟任 熠王建飛王 迪張 菁荊玥泓劉 蕓

1（山西中輻核儀器有限責(zé)任公司 太原 030006）

2（中國輻射防護(hù)研究院 太原 030006）

目前，國內(nèi)用于核電站出口處的小物品污染監(jiān)測設(shè)備多是由工作人員手動(dòng)將物品放入，測量完成后根據(jù)受污情況再手動(dòng)取出備用或者去污處理，整個(gè)操作時(shí)間比較長，而且步驟也比較繁瑣，無法實(shí)現(xiàn)快速測量。本次設(shè)計(jì)的傳送帶式小物品污染監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速測量：工作人員將物品放入設(shè)備的傳送帶上，物品隨著傳送帶進(jìn)入測量腔中，無污染時(shí)，物品隨著傳送帶繼續(xù)傳送到出口位置直接可以取走備用；有污染時(shí)，設(shè)備也可快速做出反應(yīng)，傳送帶反向傳送，將沾污物品傳送到入口位置并提示去污處理。這種半自動(dòng)化設(shè)計(jì)能有效縮短測量時(shí)間，節(jié)省人工操作步驟，防止污染擴(kuò)散，同時(shí)也為相關(guān)移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的研究提供了一定的參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳送帶式小物品γ污染監(jiān)測儀設(shè)備［1-2］主要由γ探測模塊、I/O控制板、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器［3］、電氣器件等組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1.1 探測模塊設(shè)計(jì)

探測模塊主要由探測器和探測電路（數(shù)字道盒）［2-4］構(gòu)成，數(shù)字道盒功能為：射線粒子通過塑閃探測器產(chǎn)生的光經(jīng)光電倍增管放大而產(chǎn)生脈沖信號，信號經(jīng)兩級放大電路后進(jìn)入甄別電路將噪聲過濾，過濾后的信號經(jīng)過整形電路輸出到單片機(jī)，這一過程完成了射線的探測測量。數(shù)學(xué)道盒選用負(fù)高壓供電，探測器電路組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 探測器電路模塊設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of detector circuit design

1.2 I/O控制板設(shè)計(jì)

控制板作為設(shè)備連接各組件與上位機(jī)樞紐，具有數(shù)據(jù)解析、信號控制［5-6］、向上位機(jī)發(fā)送狀態(tài)指令及各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)等功能，I/O控制板性能的確定可進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)框圖見圖3。

圖3 I/O控制板設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Block diagram of I/O control board design

控制板單片機(jī)選用高性能控制芯片，功耗低，可有效提高控制算法執(zhí)行速度，同時(shí)輸入輸出均采用標(biāo)準(zhǔn)模塊接線，輸入接口有紅外信號與應(yīng)急信號：輸出I/O信號為四路燈控信號與一路蜂鳴器輸出信號；通過RS485接口與上位機(jī)通訊，接收傳送一體機(jī)主程序指令；通過CAN總線與探測模塊實(shí)時(shí)通訊，接收探測信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；同時(shí)還有一路CAN［7］總線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行通訊來控制皮帶電機(jī)運(yùn)行［4,8-9］情況，包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停以及不同檔位調(diào)節(jié)。

2 性能測試及分析

2.1 物理測試

參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10-12］中關(guān)于大面積表污監(jiān)測設(shè)備以及移動(dòng)傳送設(shè)備等的測試要求進(jìn)行相關(guān)測試。

2.2 本底測試

設(shè)備開機(jī)后預(yù)熱30 min以上，設(shè)備表面無任何污染，周圍γ輻射處于本底水平。通過設(shè)備監(jiān)測界面監(jiān)測設(shè)備的本底讀數(shù)10次，計(jì)算本底平均計(jì)數(shù)率，測試結(jié)果見表1。

表1 本底測試數(shù)據(jù)Table 1 Background test data

2.3 設(shè)備隨源不同位置響應(yīng)變化

測試物品一般位于設(shè)備測量腔體中心進(jìn)行測試，在測量腔體中兩個(gè)探測器形成的探測靈敏區(qū)域內(nèi)，以幾何形狀正中心O點(diǎn)建立一個(gè)虛擬測試平面模擬探測面，該平面到兩個(gè)探測器的垂直距離相同，測試面與探測器探測場景模擬示意圖見圖4，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1155-2002中的測量要求采用60Co放射源對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)測試［13-15］。

圖4 測試用探測場景模擬圖Fig.4 Simulation diagram of the probe scenario for testing

2.3.1 靜態(tài)測試

設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)下，在建立的虛擬測試平面上，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別沿著測試面的X（+）、X（-）、Y（+）和Y（-）方向，間隔5 cm設(shè)置測量點(diǎn)，測量點(diǎn)示意圖見圖5。

圖5 靜止?fàn)顟B(tài)下測試平面測量點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of measuring points on the test plane at static state

將檢驗(yàn)源60Co點(diǎn)源（活度為4.21×104Bq）隨源架依次放置在虛擬測試平面的各個(gè)測量點(diǎn)上進(jìn)行測試，測試面測量點(diǎn)及凈計(jì)數(shù)三維圖如圖6所示。

圖6 靜止?fàn)顟B(tài)下測試平面不同測量點(diǎn)計(jì)數(shù)三維圖Fig.6 Three-dimensional graph of countings at different measuring points on the test plane at static state

測試數(shù)據(jù)分析可知，設(shè)備探測面邊緣角處計(jì)數(shù)最小，中間位置計(jì)數(shù)最大，所有測量位置的凈計(jì)數(shù)平均值為10 497 s-1，凈計(jì)數(shù)最小值為8 564 s-1，最小讀數(shù)為平均值的81.6%。滿足標(biāo)準(zhǔn)中“最小讀數(shù)應(yīng)至少為該平均值的50%”要求。

2.3.2 動(dòng)態(tài)測試

在建立的虛擬測試平面上，以傳送帶運(yùn)行方向X軸為中心線，間隔5 cm設(shè)置條狀帶測量位置，動(dòng)態(tài)狀態(tài)測量示意圖見圖7。

圖7 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測量帶示意圖Fig.7 Schematic diagram of measuring band in motion state

將待測試檢驗(yàn)源置于源架上，依次放置在虛擬測試平面對應(yīng)的條狀帶上，隨著系統(tǒng)傳送帶以設(shè)定速度通過測量腔，記錄監(jiān)測系統(tǒng)讀數(shù)。隨著時(shí)間的變化（點(diǎn)源相對于探測器的位置變化）監(jiān)測系統(tǒng)的計(jì)數(shù)產(chǎn)生變化，根據(jù)測試結(jié)果畫出不同虛擬通道內(nèi)設(shè)備計(jì)數(shù)響應(yīng)與時(shí)間的變化關(guān)系曲線，見圖8。

圖8 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下設(shè)備計(jì)數(shù)響應(yīng)隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Change curve of equipment counting response with time in motion state

如圖8所示，物品移動(dòng)過程中，監(jiān)測系統(tǒng)的凈計(jì)數(shù)隨進(jìn)入測量腔時(shí)間變化先增高后減小，符合探測實(shí)際過程。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，監(jiān)測系統(tǒng)峰值讀數(shù)的平均值為11 207 s-1，最小峰值讀數(shù)為10 009 s-1，為平均值的89.3%。最高峰值讀數(shù)為12 074 s-1，平均值與最高峰值讀數(shù)的比值為92.8%，滿足標(biāo)準(zhǔn)中“最小峰值讀數(shù)應(yīng)至少為該平均值的75%”。

2.4 探測限（最低可探測活度）

設(shè)備系統(tǒng)采用自動(dòng)扣除本底的方式進(jìn)行工作，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的探測限，采用標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 1155-2002中的計(jì)算公式如下：

式中：MDA（Minimum Detectable Activity）為最低可探測活度；B為本底計(jì)數(shù)率，s-1；B0為用已啟動(dòng)對存儲的本底值進(jìn)行更新所要求的本底變化，此處B0取值10；P為標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)；t為本底更新時(shí)間；T為監(jiān)測時(shí)間；E為平均效率。

根據(jù)動(dòng)態(tài)狀態(tài)下所有條狀帶測試結(jié)果，按照以下動(dòng)態(tài)平均效率公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Nmax為兩個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)最大計(jì)數(shù)的平均值，s-1；為峰值讀數(shù)平均值，s-1；A為放射源活度，Bq；Rmax為峰值讀數(shù)最大值，s-1。

根據(jù)本底測量結(jié)果，本底平均值B為748 s-1。本底更新時(shí)間t選值為100 s，監(jiān)測時(shí)間T為12 s。通過計(jì)算可知，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，按照95%置信度計(jì)算，設(shè)備的探測限（最小可探測活度）為111 Bq，可達(dá)到國外同類產(chǎn)品的測量水平。

3 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的傳送帶式污染監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)，設(shè)計(jì)組裝后，按照參考標(biāo)準(zhǔn)要求對其靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)下不同位置進(jìn)行測試，靜態(tài)下測量腔體不同測量點(diǎn)測試數(shù)據(jù)最小計(jì)數(shù)為所有計(jì)數(shù)平均值的81.6%，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求；動(dòng)態(tài)下進(jìn)入測量腔的不同道的峰值數(shù)據(jù)平均值與最大值比值為92.8%，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)探測限計(jì)算公式測試，計(jì)算得知其整機(jī)探測限比較低。綜上所述，整個(gè)設(shè)備性能穩(wěn)定，響應(yīng)良好，較低的探測限更好地提升了設(shè)備可靠性，此次整個(gè)設(shè)備的完整設(shè)計(jì)實(shí)施實(shí)現(xiàn)了我國核電站輻射監(jiān)測系統(tǒng)國產(chǎn)化的既定目標(biāo)［6］。

作者貢獻(xiàn)聲明喬敏娟：設(shè)備調(diào)研，完成方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行儀器性能測試及數(shù)據(jù)分析，構(gòu)思并撰寫論文；任熠、王建飛：提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)行指導(dǎo)；王迪：參與實(shí)驗(yàn)具體測試及數(shù)據(jù)記錄；張菁、荊玥泓、劉蕓：資料收集及整理。