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可折疊式人員通道監(jiān)測儀的研制

2023-07-28 08:41:04孫琦皓王建飛毛嘉琦郭喜榮
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年19期
關(guān)鍵詞:放射源監(jiān)測儀活度

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)測儀可用于核電系統(tǒng)控制區(qū)、后處理設(shè)施場所、機(jī)場、各類車站、商超等場所的出入口安檢處,能夠快速檢測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)檢測到通過人員被污染時,儀器輸出聲光報(bào)警,并上傳至遠(yuǎn)程輻射監(jiān)測臺,對于防止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)測儀設(shè)計(jì)為可折疊式,相較于目前國內(nèi)核電市場所采用的固定式人員通道監(jiān)測儀而言,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)與公共場所用于檢測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、防止污染擴(kuò)散的現(xiàn)場應(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)場的應(yīng)用需求,主要對儀器進(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)測儀設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。監(jiān)測儀主要由4 個大面積塑料閃爍體探測器組成,測量方式為快速通過式測量,整個監(jiān)測過程完全自動化,可實(shí)時顯示和語音提示監(jiān)測結(jié)果。工作中,探測器產(chǎn)生的信號經(jīng)道盒放大、調(diào)整后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號,通過控制板對數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析處理,報(bào)警信號會傳遞給報(bào)警處理單元,進(jìn)行聲光提示、安全系統(tǒng)落鎖等操作,測量過程和結(jié)果會通過網(wǎng)線或無線通訊方式傳輸至顯示屏進(jìn)行實(shí)時顯示。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

2 硬件配置

監(jiān)測儀主要由電源單元、探測器組件、控制板、顯示屏、聲光報(bào)警單元(報(bào)警燈、蜂鳴器)和移動物體傳感器(微波雷達(dá))組成,控制板作為監(jiān)測儀的主體控制單元,寫入核心運(yùn)行軟件,通過通訊接口對4 個監(jiān)測道進(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)測儀實(shí)現(xiàn)高度自動化測量,并通過液晶顯示屏輸出控板當(dāng)前狀態(tài)、測量結(jié)果、報(bào)警信息、故障信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測儀控制軟件可以對儀器自檢狀態(tài)和測量過程進(jìn)行自動控制,具有數(shù)據(jù)通訊、狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲等功能。軟件測量整體流程如圖2 所示。軟件啟動后,儀器會自動進(jìn)行自檢和本底測量操作,本底正常后進(jìn)入本底更新狀態(tài),當(dāng)入口雷達(dá)傳感器檢測到人員靠近時,進(jìn)入測量模式,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,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)測儀。待被測人員退出后,入口雷達(dá)感器動作,儀器安全系統(tǒng)落鎖,進(jìn)行本底更新,恢復(fù)正常后,進(jìn)入等待測量模式。

圖2 控制軟件流程

4 主要性能測試與分析

監(jiān)測儀作為控制區(qū)出入口人員輻射監(jiān)測最主要的手段,監(jiān)測結(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對其活度響應(yīng)、重復(fù)性、探測閾值和誤報(bào)警率等物理性能進(jìn)行測試分析[1-3]。為確保儀器在運(yùn)行過程中對環(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 物理性能測試

4.1.1 活度響應(yīng)

系統(tǒng)對放射源的活度響應(yīng)表征著監(jiān)測儀對輻射的探測能力及靈敏程度,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)測儀相對立的兩個探測器幾何中心連線的中點(diǎn)上進(jìn)行測量,重復(fù)讀數(shù)10 次取平均值,按照式(1)計(jì)算各探測器對放射源的活度響應(yīng)Ri,對各探測器的活度響應(yīng)相加總和即為監(jiān)測儀系統(tǒng)對放射源的活度響應(yīng)R,計(jì)算方法如式(2)。測試結(jié)果如表1 所示。

表1 活度響應(yīng)測試結(jié)果

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

式中:n 為探測器個數(shù),監(jiān)測儀安裝有4 個探測器,這里n 值取4。

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

4.1.2 測量重復(fù)性

依據(jù)JJF 1266-2010,采用放射源137Cs,各探測器的相對實(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)測儀的重復(fù)性。重復(fù)性數(shù)值越小,儀器重復(fù)性越好。測試結(jié)果如表2 所示。

表2 測量重復(fù)性測試結(jié)果

式中:V 為重復(fù)性,%;Ni為監(jiān)測儀的讀數(shù),s-1;N 為監(jiān)測儀讀數(shù)的算數(shù)平均值,s-1;w 為重復(fù)測量次數(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 探測閾值

探測閾值直接反映了監(jiān)測儀的探測性能,根據(jù)JJF 1266-2010,分別對各探測器進(jìn)行測量,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)算得到每個探測器對放射源活度的探測限。整個檢測系統(tǒng)的探測閾值取探測器探測閾值的最大值。測試結(jié)果如表3 所示。

表3 探測閾值測試結(jié)果

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

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

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

4.1.4 誤報(bào)警率測試

為保證儀器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,依據(jù)JJF 1266-2010 對其γ 誤報(bào)警率進(jìn)行了測試。3600 次模擬中,監(jiān)測系統(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,對監(jiān)測儀在高低溫環(huán)境中的工作和存儲適應(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)測儀安裝有4 個塑料閃爍體探測器,實(shí)現(xiàn)了人員等移動目標(biāo)的快速輻射監(jiān)測,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,對監(jiān)測儀的輻射性能和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了測試與分析,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)方便和快速污染測量等特點(diǎn),能夠有效防控污染擴(kuò)散。

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