李 莉,高 飛,陳義珍,倪 寧,寇寧寧,趙 旭,王菲菲,王子琳,丁雨陽,劉佳瑞

(中國原子能科學(xué)研究院,計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中核核工業(yè)計(jì)量與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102413)

高氣壓電離室具有自身本底低、穩(wěn)定性好和精確度高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于環(huán)境水平X、γ輻射劑量率測量,涉及核電、環(huán)保、輻射防護(hù)、本底調(diào)查、科研和教學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。固定式高氣壓電離室是我國環(huán)境輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分,它在核電站安全運(yùn)行或核事故早期預(yù)警中發(fā)揮著不可替代的作用。目前我國環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大部分采用美國GE公司高氣壓電離室產(chǎn)品開展輻射劑量監(jiān)測。為盡快實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的國產(chǎn)化,本工作開展了高氣壓電離室產(chǎn)品化研究,在保證計(jì)量性能前提下,提升其環(huán)境適應(yīng)性和可靠性,通過對電離室探頭和外殼優(yōu)化設(shè)計(jì),提升其環(huán)境適應(yīng)能力;通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電子學(xué)系統(tǒng),降低電子學(xué)噪聲,提高電子學(xué)系統(tǒng)測量微弱電流的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,提升產(chǎn)品可靠性。通過計(jì)量性能測試和第三方通用質(zhì)量性能測試,以驗(yàn)證其計(jì)量性能指標(biāo)符合環(huán)境水平空氣比釋動能次級標(biāo)準(zhǔn)電離室使用要求,通用質(zhì)量性能滿足相關(guān)計(jì)量技術(shù)管理規(guī)定要求。

1 高氣壓電離室測量原理

高氣壓電離室由探測器系統(tǒng)和電學(xué)系統(tǒng)兩部分組成。電離室探頭和電離室外殼一起組成探測器系統(tǒng),主要用于X、γ射線輻射探測。核電子學(xué)系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)一起組成電學(xué)系統(tǒng),用于電離電流收集、處理和顯示。高氣壓電離室探頭由高壓極(陰極)、收集極(陽極)、絕緣端子等部分構(gòu)成。高氣壓電離室探頭原理示于圖1,當(dāng)X、γ射線作用到高氣壓電離室上時(shí),它們與充入的氬氣相互作用,致使氬氣原子電離產(chǎn)生電子,在電場的作用下電子被收集極收集形成電流,電流大小與入射粒子數(shù)量及能量成正比。后端核電子學(xué)系統(tǒng)通過三同軸絕緣端子收集微弱電流信號,并轉(zhuǎn)換成電壓信號,實(shí)現(xiàn)信號的采集、數(shù)據(jù)處理,并將電流信號轉(zhuǎn)換成劑量率信號,在上位機(jī)軟件上顯示測量結(jié)果。

圖1 高氣壓電離室探頭原理圖

2 通用質(zhì)量性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使研制的高氣壓電離室產(chǎn)品滿足作為環(huán)境水平空氣比釋動能次級標(biāo)準(zhǔn)電離室使用,亦可作為高準(zhǔn)確度工作計(jì)量器具使用,攜帶至現(xiàn)場開展量值傳遞和輻射劑量監(jiān)測,高氣壓電離室不僅要具有較好的計(jì)量性能,還需要滿足一定的通用質(zhì)量性能指標(biāo),如環(huán)境適應(yīng)性,包括高低溫以及抗振動沖擊能力。另外,還需具備一定的可靠性、電磁兼容性等。本工作從電離室外殼、探頭結(jié)構(gòu)和電子學(xué)系統(tǒng)等方面進(jìn)行優(yōu)化,提升環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性,提升高氣壓電離室的通用質(zhì)量性能。

2.1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

環(huán)境適應(yīng)性是高氣壓電離室在其壽命期限內(nèi)預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境條件下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能而不被破壞的能力,設(shè)計(jì)中高低溫設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)遵循電子學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)通則要求,針對高氣壓電離室,主要從抗振動、沖擊設(shè)計(jì)和防水防潮設(shè)計(jì)等方面采取相應(yīng)的優(yōu)化措施,以便提高能量補(bǔ)償型高氣壓電離室的環(huán)境適應(yīng)能力,使其滿足貯存/工作-10 ℃～45 ℃;相對濕度25%～75%;振動位移幅度3.5 mm,頻率2 Hz(帶包裝);沖擊加速度峰值20 m/s2(帶包裝)的環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.1.1抗振動、沖擊設(shè)計(jì) 為滿足運(yùn)輸過程中抗振動沖擊要求,高氣壓電離室外殼采用一體化開模設(shè)計(jì),同時(shí)為提升塑料外殼強(qiáng)度,通過增加壁厚和增加豎向加強(qiáng)筋加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu),有效加強(qiáng)外殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。外殼厚度從原有的5 mm改為現(xiàn)有的5.5 mm,并新增6條豎向加強(qiáng)筋,保證外殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。外殼內(nèi)襯設(shè)計(jì)緩沖棉,采用乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)材料,用于保護(hù)探頭,減輕振動影響。

高氣壓電離室探頭收集極(陽極)采用球殼結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性較好的不銹鋼材料,球殼半徑為60 mm、壁厚度0.3 mm,重量約130 g。振動沖擊過程中,為保證探頭工作正常性,需要加強(qiáng)探頭收集極與高壓極之間的穩(wěn)固性,保證絕緣端子能夠承受一定的力學(xué)沖擊,避免焊接處斷裂。優(yōu)化設(shè)計(jì)中,提出三個(gè)方案改進(jìn)探頭結(jié)構(gòu)。

方案1。收集極由不銹鋼球改換成塑料球以減輕收集極重量。球體表面均勻噴涂石墨以保證良好的導(dǎo)電性。噴涂石墨后的塑料球作為收集極,其重量為30.6 g,收集極重量明顯降低。

方案2。在保證探頭漏電水平前提下,改進(jìn)收集極固定模式,將原有的單桿支撐改為同心連接固定方式,即在高壓極和收集極頂部之間采用高絕緣材料的絕緣柱連接,將收集極固定在高壓極中心位置。

方案3。改進(jìn)絕緣端子結(jié)構(gòu),提升其力學(xué)性能,增加收集極支架與絕緣端子焊接處可伐合金及陶瓷厚度,使絕緣端子可以承受較大的收集極重量。

根據(jù)以上3個(gè)方案對探頭進(jìn)行加工并組裝成高氣壓電離室,通過線性劑量率范圍、量程范圍內(nèi)最大允許誤差、靈敏度因子三個(gè)重要計(jì)量參數(shù),以及振動沖擊測試結(jié)果與原方案進(jìn)行比較,結(jié)果列于表1。

表1 不同電離室探頭測試結(jié)果

表1結(jié)果表明,方案1將電離室收集極更新為噴涂石墨的塑料探頭后,劑量率線性范圍較窄,一次線性劑量率范圍為0.5～200 μGy/h,可探測的量程范圍為0.5 μGy/h～1 Gy/h,該量程范圍內(nèi)最大允許誤差超出±5%,且靈敏度因子減小到改進(jìn)前探頭靈敏度因子的近一半,不適合低劑量率的準(zhǔn)確測量。方案2通過改進(jìn)收集極固定模式,采用絕緣柱固定收集極,改進(jìn)后的電離室振動沖擊試驗(yàn)滿足指標(biāo)要求,但在0.5 μGy/h～1 Gy/h量程范圍內(nèi)有若干劑量率測量點(diǎn)允許誤差超出±5%,而方案3通過改進(jìn)絕緣端子結(jié)構(gòu),與原有樣機(jī)性能相比,靈敏度因子略有增大,在0.5 μGy/h～1 Gy/h量程范圍內(nèi)最大允許誤差在±5%以內(nèi),并且通過了振動沖擊試驗(yàn)。

因此,本工作采用方案3設(shè)計(jì)的新絕緣端子研制高氣壓電離室。

2.1.2防水、防潮、防塵設(shè)計(jì) 高氣壓電離室結(jié)構(gòu)上采取全密封設(shè)計(jì),使其滿足一定防水、防潮、防塵功能。

(1) 高氣壓電離室的外殼4個(gè)端口使用IP67防水接口,具備防潮功能;采用上下殼固定方式設(shè)計(jì),上下殼體連接處交錯(cuò)咬合,槽縫中配備密封圈,提升外殼的密封性,確保內(nèi)部系統(tǒng)干燥。

(2) 電子學(xué)系統(tǒng)置于高氣壓電離室機(jī)殼內(nèi),為便于測量,將電子學(xué)系統(tǒng)分為前置放大電路和主控電路兩部分,其中前置放大電路即微弱電流測量電路,主控電路完成數(shù)據(jù)的整體測量、處理與上傳功能。

為避免環(huán)境濕度對前置放大電路的影響,高氣壓電離室探頭采用探測器-放大器一體化設(shè)計(jì),項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了鋁制的屏蔽盒以及屏蔽蓋,前置電路板固定于屏蔽盒內(nèi),屏蔽盒采用密封處理,具備防潮防塵功能,滿足IP66防護(hù)等級要求,保證了信號輸出的穩(wěn)定性。

2.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)

高氣壓電離室在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分的考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)要求,確保高氣壓電離室的電磁兼容性指標(biāo)中靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度滿足GB/T 17626.2—2018、GB/T 17626.3—2016的相關(guān)要求。

2.2.1電磁屏蔽設(shè)計(jì) 通過在高氣壓電離室塑料外殼內(nèi)部噴涂導(dǎo)電漆,可以形成法拉第籠為機(jī)殼內(nèi)部敏感電路提供電磁屏蔽環(huán)境。在外殼結(jié)合處全部設(shè)計(jì)有安裝導(dǎo)電膠條的導(dǎo)電槽,并且接觸面與導(dǎo)電槽內(nèi)表面保持清潔,導(dǎo)電槽內(nèi)放入導(dǎo)電膠條進(jìn)行密封處理,保證導(dǎo)電良好。

高氣壓電離室探頭采用探測器-放大器一體化設(shè)計(jì),這是由于目前高氣壓電離室的前置電路和探測器輸出是通過低噪聲電纜連接,存在電纜震動對輸出信號產(chǎn)生干擾,探測器信號輸出端由于屏蔽不足而產(chǎn)生外界電磁噪聲通路,探測器信號輸出端與信號線連接的機(jī)械強(qiáng)度不夠等問題。因此針對前置電路與探測器輸出端的結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分必要?；诖?項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了鋁制的屏蔽盒以及屏蔽蓋,前置電路板固定于屏蔽盒內(nèi),這為電路提供等電磁屏蔽環(huán)境,避免外界電磁干擾,屏蔽盒與電離室之間通過屏蔽盒支架連接,屏蔽盒支架采用高絕緣材料,具備一定機(jī)械強(qiáng)度。探測器信號輸出端通過插拔口與信號線連接,減少信號輸入路徑,減少干擾源的產(chǎn)生,也利于降低外界電磁輻射的干擾。電離室設(shè)計(jì)時(shí),能密封處盡量密封,上殼、下殼之間都留有放置導(dǎo)電膠條的導(dǎo)電槽,接觸面與導(dǎo)電槽內(nèi)表面保持清潔,導(dǎo)電槽內(nèi)放入導(dǎo)電膠條,保證導(dǎo)電良好。

(1) 電線的選擇。根據(jù)傳輸信號電平、信號波形、頻帶范圍、電磁環(huán)境、阻抗特性、隔離可能性等條件綜合選擇。

(2) 電線的設(shè)計(jì)。必須考慮盡量減少耦合并利用現(xiàn)有的空間獲得最佳的間距。

(3) 電線應(yīng)根據(jù)其干擾和敏感特性予以分類,布線時(shí)注意小信號線纜與強(qiáng)電路分開布置。

(4) 屏蔽線應(yīng)使用屏蔽接插件以保證防波套的搭接。禁止使用不能接地的接插件。電纜制作時(shí)要求防波套連續(xù)屏蔽和有合理的收頭。

2.2.2布線設(shè)計(jì) 通過合理布線,采用隔離措施,降低線路空間耦合,減小相互干擾和輻射發(fā)射。

電路板采用8層設(shè)計(jì),其中第二層、第五層、第七層為地平面,第四層為電源層,其他層主要為信號線。在進(jìn)行布線設(shè)計(jì)時(shí)采用地平面作為電流回路,同時(shí)模擬地平面和數(shù)字地平面分開且盡量減小地平面的分割;退耦電容盡可能靠近芯片的電源針腳;高壓電源輸出高壓信號走線與其他低壓走線保持安全距離且保持合理安全裕量;敏感的模擬信號走線采用保護(hù)環(huán)布線,用等電位布線將敏感信號走線包裹降低電流泄露產(chǎn)生的測量誤差。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)

在滿足規(guī)定功能要求的基礎(chǔ)上,對高氣壓電離室的可靠性、維修性、體積、重量、費(fèi)用等指標(biāo)及研制進(jìn)度進(jìn)行綜合權(quán)衡與優(yōu)化設(shè)計(jì),使系統(tǒng)故障少、維修快,并以最少費(fèi)用和最快速度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳效能。在保證高氣壓電離室性能的前提下,通過模塊化設(shè)計(jì)和選用標(biāo)準(zhǔn)件,盡可能簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì),降低產(chǎn)品的復(fù)雜程度,使其可靠性平均故障工作時(shí)間(mean time between failure,簡稱MTBF)不小于1 000 h。

在可靠性設(shè)計(jì)中,為保證設(shè)計(jì)方案能滿足規(guī)定的可靠性定量要求,設(shè)計(jì)中采取以下措施。

1) 對高氣壓電離室進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),分為高氣壓電離室探頭、電離室外殼、前置放大電路、主控電路、電源模塊、軟件控制系統(tǒng)六個(gè)模塊,各模塊相對獨(dú)立,模塊之間的連接采用防錯(cuò)插的排線,避免焊線,方便拆卸與更換。

2) 最大限度的采用通用組件、零部件、元器件,并盡量減少其品種,盡可能不用或者少用非標(biāo)準(zhǔn)件;選用的元器件、材料等組件須具有可靠、穩(wěn)定的供貨渠道。

3) 根據(jù)元器件在產(chǎn)品中的重要性、使用環(huán)境、維修級別等,進(jìn)行優(yōu)選和可靠性篩選。元器件的質(zhì)量等級應(yīng)符合使用環(huán)境條件的要求;失效率要符合可靠性的要求;性能指標(biāo)要滿足功能的要求。

4) 降低溫度的影響。通過元器件老化篩選、參數(shù)篩選與匹配、增加電路負(fù)反饋深度降低溫度的影響。此外,高氣壓電離室整機(jī)功耗約0.5 W,無發(fā)熱量較大器件,利用熱傳導(dǎo)、輻射原理進(jìn)行熱設(shè)計(jì),同時(shí)增加電源組件與電路測量組件的間距,盡量減少電源產(chǎn)生熱量對測量電路的影響。

5) 降低濕度影響。濕度對電阻值和電容值有較大影響,容易在電路板表面和空氣間產(chǎn)生泄漏電流。采用等電位屏蔽方式降低濕度對高值電阻器、電容器的影響。同時(shí),前置放大電路與高氣壓電離室探頭集成采用一體化氣密設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低環(huán)境濕度的影響。

6) 降低力學(xué)環(huán)境條件影響。設(shè)計(jì)新絕緣端子優(yōu)化探頭結(jié)構(gòu);在高氣壓電離室探頭與外殼間采用緩震設(shè)計(jì),通過開模設(shè)計(jì)專用緩震泡沫,降低振動和沖擊等機(jī)械應(yīng)力對高氣壓電離室內(nèi)部組件的沖擊和損傷。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì),項(xiàng)目組加工了探頭體積為8 L,充氣壓力為14 atm的高氣壓電離室,其外徑最大尺寸為36.2 cm,高度為48.8 cm,并對其開展計(jì)量性能測試和通用質(zhì)量特性測試。

3 高氣壓電離室計(jì)量性能測試

依據(jù)JJG 521-2006《環(huán)境監(jiān)測用X、γ輻射空氣比釋動能(吸收劑量)率儀》計(jì)量檢定規(guī)程[3],在國防科技工業(yè)電離輻射一級計(jì)量站γ射線空氣比釋動能(防護(hù)水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置以及X射線空氣比釋動能(診斷水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置上對高氣壓電離室樣機(jī)劑量率范圍及最大允許誤差、能量響應(yīng)、角響應(yīng)等計(jì)量性能進(jìn)行測試。

3.1 劑量率范圍及測量相對誤差

選擇137Cs和60Co γ輻射作為參考輻射,在0.5 μGy/h～1 Gy/h劑量率范圍內(nèi)進(jìn)行測試,每個(gè)量程上至少選取兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試,測試結(jié)果列于表2。

表2 劑量率測試結(jié)果

表2結(jié)果表明,高氣壓電離室樣機(jī)可測劑量率為0.5 μGy/h～1 Gy/h,該范圍內(nèi)每個(gè)測試點(diǎn)的相對誤差均在±5%以內(nèi)。

3.2 能量響應(yīng)

為了測試評價(jià)高氣壓電離室樣機(jī)的能量響應(yīng)特性,依據(jù)JJG 521-2006《環(huán)境監(jiān)測用X、γ輻射空氣比釋動能(吸收劑量)率儀》,參考輻射選用過濾束X輻射(87 keV、109 keV、149 keV、185 keV、211 keV 5個(gè)能量點(diǎn)),137Cs(662 keV)、60Co(1.25 MeV)γ輻射。能量響應(yīng)測試結(jié)果列于表3。

表3 能響測試結(jié)果

表3中能量響應(yīng)測量結(jié)果表明,高氣壓電離室樣機(jī)在87 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi),能量響應(yīng)相對于137Cs響應(yīng)相對誤差在±5%以內(nèi)。

3.3 角響應(yīng)

利用137Cs γ輻射場對角響應(yīng)進(jìn)行測試,將被測高氣壓電離室按其校準(zhǔn)方向放置在已知空氣比釋動能率約定真值的測量點(diǎn)上,其校準(zhǔn)方向?yàn)?°,通過轉(zhuǎn)動被測高氣壓電離室改變其入射方向,求取不同角度入射響應(yīng)值相對于約定真值的相對誤差,在0°～ 360°角度范圍內(nèi)考察被試設(shè)備的角響應(yīng)指標(biāo),測試時(shí)每次改變60°,進(jìn)行角響應(yīng)指標(biāo)測試。角響應(yīng)測試結(jié)果列于表4。在0°～360°范圍內(nèi),高氣壓電離室角響應(yīng)相對誤差均在±2%以內(nèi)。

表4 角響應(yīng)測試結(jié)果

3.4 重復(fù)性

在137Cs γ標(biāo)準(zhǔn)輻射場中對高氣壓電離室重復(fù)性進(jìn)行測試,被試設(shè)備的采樣時(shí)間設(shè)置為5 s,在相同條件下連續(xù)測量20次。記錄被試設(shè)備測量得到的劑量率值,計(jì)算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)作為重復(fù)性結(jié)果,結(jié)果列于表5。

表5 劑量率重復(fù)性測試結(jié)果

表5中重復(fù)性測量結(jié)果表明,高氣壓電離室重復(fù)性均好于1%。

根據(jù)計(jì)量性能測試結(jié)果,高氣壓電離室計(jì)量性能好于JJG 2044-2019《γ射線空氣比釋動能計(jì)量器具》中規(guī)定的防護(hù)水平和環(huán)境水平工作電離室計(jì)量技術(shù)指標(biāo)要求,可作為現(xiàn)場劑量監(jiān)測用高準(zhǔn)確度工作電離室。

4 通用質(zhì)量性能測試

對于計(jì)量級產(chǎn)品,不僅對計(jì)量性能有嚴(yán)格要求,其通用質(zhì)量性能也是客戶關(guān)注重點(diǎn)。項(xiàng)目中,依據(jù)相應(yīng)規(guī)范,本工作選擇具備通用質(zhì)量特性測試能力,且該能力通過CNAS認(rèn)證或CMA認(rèn)證的第三方測試機(jī)構(gòu)對高氣壓電離室開展了環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、電磁兼容三項(xiàng)通用質(zhì)量性能測試。

4.1 環(huán)境適應(yīng)性測試

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)由第三方測試機(jī)構(gòu)北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司進(jìn)行。

4.1.1高、低溫工作/貯存測試 分別按照GJB 150.3A-2009及GJB 150.4A-2009中規(guī)定的試驗(yàn)方法在北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司進(jìn)行高低溫工作/貯存測試[5-6],高溫試驗(yàn)溫度+45 ℃,低溫試驗(yàn)溫度-10 ℃。

試驗(yàn)在高、低溫濕熱試驗(yàn)箱中開展,測試時(shí),先開展高氣壓電離室貯存測試,然后開展工作測試,測試步驟如下:在試驗(yàn)起始階段,被試設(shè)備開機(jī)預(yù)熱5 min后進(jìn)行初始檢測,然后將溫度調(diào)節(jié)至測試溫度下,溫度穩(wěn)定后保持4 h貯存時(shí)間,然后將溫度恢復(fù)到初始溫度條件并保持2 h,進(jìn)行貯存后的通電測試。接下來進(jìn)行被試設(shè)備工作測試,被試設(shè)備保持通電狀態(tài)下,待試驗(yàn)箱溫度調(diào)節(jié)到試驗(yàn)溫度并穩(wěn)定4 h后直接測試。比較高/低溫試驗(yàn)后被試設(shè)備本底劑量率測量值與試驗(yàn)起始階段室溫下測量值的相對誤差。由于被試設(shè)備本底劑量率易受外界干擾,波動較大,測試中被試設(shè)備的采樣時(shí)間設(shè)置為1 s,取50組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值,測試結(jié)果列于表6和表7。

表6 電離室高溫工作/貯存測試結(jié)果

表7 電離室低溫工作/貯存測試結(jié)果

根據(jù)北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司第三方測試結(jié)果表明,高氣壓電離室樣機(jī)高/低溫工作/貯存條件下,被試設(shè)備環(huán)境本底的測量值與試驗(yàn)起始階段測量示值的相對誤差不超過±5%。

4.1.2濕熱測試 濕熱試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8993—1998 附件D:恒定濕熱試驗(yàn)方法開展恒定濕熱試驗(yàn)[7]。

高氣壓電離室可作為次級標(biāo)準(zhǔn)裝置攜帶至現(xiàn)場開展校準(zhǔn)工作,依據(jù)GB/T 8993—1998標(biāo)準(zhǔn)開展試驗(yàn),被試設(shè)備嚴(yán)酷等級為Ⅲc,試驗(yàn)相對濕度為93%(40 ℃),測試時(shí)被試設(shè)備的采樣時(shí)間設(shè)置為1 s,取50組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值,測試結(jié)果列于表8。

表8 電離室濕熱試驗(yàn)測試結(jié)果

由表8結(jié)果可知,高氣壓電離室樣機(jī)恒定濕熱條件下,被試設(shè)備環(huán)境本底的測量值與常溫示值的相對誤差在±8%以內(nèi)。

4.1.3運(yùn)輸試驗(yàn)(含振動、沖擊) 參照GB/T 8993—1998 附錄E振動試驗(yàn)方法以及附錄F沖擊試驗(yàn)方法,按運(yùn)輸環(huán)境條件嚴(yán)酷等級2M1,電離室振動及沖擊試驗(yàn)如圖2所示。

振動試驗(yàn)條件:振動頻率2～200 Hz(帶包裝),位移幅度3.5 mm,加速度0.5 g,1 oct/min掃描速率,每向各2個(gè)掃頻循環(huán);振動方向:橫向、縱向、垂向三個(gè)方向。

沖擊試驗(yàn)條件:加速度峰值:20 m/s2(帶包裝),脈沖寬度22 ms;沖擊次數(shù):三軸六向各共計(jì)沖擊3次,共18次。

試驗(yàn)中樣品處于包裝完整狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后,對受試設(shè)備通電預(yù)熱5 min進(jìn)行檢測,并記錄檢測結(jié)果。

高氣壓電離室振動、沖擊試驗(yàn)后樣機(jī)外觀、結(jié)構(gòu)完好,無變形、無斷裂、無松動,試驗(yàn)后被試設(shè)備開機(jī)功能正常。

4.2 可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)由工業(yè)和信息化部電子第五研究所進(jìn)行。

試驗(yàn)按GJB 899A-2009中方案21在高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行8]:試驗(yàn)環(huán)境條件以產(chǎn)品最大工作溫度45 ℃,濕度75%RH下進(jìn)行,受試品處于正常工作狀態(tài),試驗(yàn)602 h;實(shí)際摸底測試時(shí)為縮短測試時(shí)間,將測試溫度提升到50 ℃,試驗(yàn)時(shí)間為240 h,試驗(yàn)過程中觀察產(chǎn)品工作性能是否異常,每隔一段時(shí)間測試一次產(chǎn)品的本底劑量率,測試結(jié)果列于表9。

表9 高氣壓電離室可靠性測試結(jié)果

表9結(jié)果表明,在溫度50 ℃,濕度75%RH條件下,試驗(yàn)240 h內(nèi)高氣壓電離室功能正常,未出現(xiàn)故障,測量的本底劑量率值與常溫下測量值結(jié)果的相對誤差在±1%以內(nèi)。

4.3 電磁兼容試驗(yàn)

電磁兼容測試摸底試驗(yàn)在第三方北京東方計(jì)量測試研究所進(jìn)行,靜電放電抗擾度試驗(yàn)按GB/T 17626.2—2018中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行[9],射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)按GB/T 17626.3—2016中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行[10],如圖3所示。

圖3 電離室電磁兼容試驗(yàn)

靜電放電抗擾度試驗(yàn)條件:試驗(yàn)等級3級,6 kV接觸放電,8 kV空氣放電。射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)條件:試驗(yàn)等級2級,場強(qiáng)3 V/m,頻率范圍80～1 000 MHz,1 kHz正弦波80%調(diào)幅度。

高氣壓電離室在試驗(yàn)過程中屏幕顯示無死機(jī)、花屏、重啟等現(xiàn)象,表10結(jié)果表明,試驗(yàn)前后高氣壓電離室本底劑量率測量值相對誤差在±1%范圍內(nèi),滿足指標(biāo)要求。靜電放電抗擾度滿足GB/T 17626.2—2018的相關(guān)要求,射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度滿足GB/T 17626.3—2016的相關(guān)要求。

表10 高氣壓電離室電磁兼容測試結(jié)果

4.4 通用質(zhì)量特性試驗(yàn)前后的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)核驗(yàn)

為了驗(yàn)證高氣壓電離室完成通用質(zhì)量特性試驗(yàn)后計(jì)量性能是否可靠,試驗(yàn)前后高氣壓電離室在國防科技工業(yè)電離輻射一級計(jì)量站γ射線空氣比釋動能(防護(hù)水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置137Cs γ射線標(biāo)準(zhǔn)輻射場中,選擇一固定的空氣比釋動能率測量點(diǎn)開展相對誤差關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)核驗(yàn),以判定被試設(shè)備經(jīng)通用質(zhì)量性能測試后工作正常性,試驗(yàn)結(jié)果列于表11。

表11 通用質(zhì)量特性試驗(yàn)前后核驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)核驗(yàn)結(jié)果,通用質(zhì)量特性測試前后,高氣壓電離室在137Cs γ射線標(biāo)準(zhǔn)輻射場約定真值63.0 μGy/h測量點(diǎn)下,其測量值與約定真值相對誤差在±2%以內(nèi)。

綜合以上環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、電磁兼容等通用質(zhì)量性能第三方測試結(jié)果和通用質(zhì)量特性試驗(yàn)前后關(guān)鍵指標(biāo)核驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)化后的高氣壓電離室通用質(zhì)量性能滿足相關(guān)計(jì)量技術(shù)管理規(guī)定要求。

5 結(jié)論

1) 經(jīng)測試,高氣壓電離室能量響應(yīng)、角響應(yīng)、重復(fù)性等各項(xiàng)計(jì)量性能指標(biāo)滿足國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG521-2006《環(huán)境監(jiān)測用X、γ空氣比釋動能(吸收劑量)率儀》要求。

2) 第三方測試機(jī)構(gòu)通用質(zhì)量性能測試結(jié)果表明:該產(chǎn)品工作及貯存溫度范圍:-10 ℃～45 ℃;濕度范圍≤93%RH;具備一定抗振動沖擊能力,滿足GB/T 8993—1998中運(yùn)輸環(huán)境條件嚴(yán)酷等級2M1要求;電磁兼容性中靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度滿足GB/T 17626.2—2018、GB/T 17626.3—2016的相關(guān)要求;可靠性滿足MTBF≥1 000 h的要求,該產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、可靠性符合計(jì)量級產(chǎn)品需要,可作為便攜式輻射劑量儀用于無氣候防護(hù)場所。