一種耐高溫耐輻照視頻裝置研究

辛露　李宜全

【摘 要】核電站在運(yùn)行及換料大修期間，部分檢查環(huán)境溫度達(dá)到60°C以上，輻照劑量率高于1000Gy/h。為保證視頻檢查設(shè)備在高溫、輻照環(huán)境下，不間斷無(wú)故障運(yùn)行，研制了一種耐高溫耐輻照視頻裝置。本文闡述了此設(shè)備的結(jié)構(gòu)、檢驗(yàn)技術(shù)以及試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】換料大修;高速高清;耐輻照;視頻裝置

中圖分類(lèi)號(hào)： TM21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0027-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.012

Research on a High Temperature and Radiation Resistant Video Device

XIN Lu LI Yi-quan

（China national nuclear power corporation wuhan nuclear power operation technology co.，

LTD.，Wuhan Hubei 430000，China）

【Abstract】During the operation and refueling overhaul of the nuclear power plant， the partial inspection ambient temperature reached above 60°C， and the irradiation dose rate was higher than 1000 Gy / h. ?In order to ensure uninterrupted and trouble-free operation of video inspection equipment under high temperature and irradiation environment， a high temperature and irradiation resistant video device was developed. ?This paper describes the structure， inspection technology and test results of this equipment.

【Key words】Refueling overhaul; High speed HD; Radiation resistance; Video device

0 引言

核電站在運(yùn)行及換料大修期間，部分檢查環(huán)境溫度達(dá)到55°C以上，輻照劑量率高于1000Gy/h。按照核電廠(chǎng)相關(guān)檢查規(guī)范要求，對(duì)于此部分高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境下的設(shè)備進(jìn)行視頻檢查，視頻檢查需要觀察到被檢表面上裂紋、腐蝕等開(kāi)口缺陷，為此要求應(yīng)用的視頻設(shè)備在高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境中獲得滿(mǎn)足規(guī)范要求的圖像。該設(shè)備還需要保證在高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境中不間斷無(wú)故障運(yùn)行，具備良好的穩(wěn)定性和低功耗性能[1-2]。為保證視頻檢查設(shè)備在高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境下，能夠獲得滿(mǎn)足核電廠(chǎng)檢查規(guī)范要求的圖像，保證不間斷無(wú)故障運(yùn)行，通過(guò)選用相應(yīng)的耐輻照材料，設(shè)計(jì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出一種耐高溫耐輻照視頻設(shè)備十分必要。開(kāi)發(fā)針對(duì)Co60產(chǎn)生的高輻照噪點(diǎn)的圖像處理軟件平臺(tái)，針對(duì)核電燃料外觀檢查、燃料盤(pán)存、燃料變形外觀測(cè)量、堆芯吊籃電視檢查等高劑量區(qū)域CCTV檢查以及在役檢查其他需要進(jìn)行CCTV檢查設(shè)備的高速檢查設(shè)備的開(kāi)發(fā)和升級(jí)，并形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的耐輻照及去噪圖像處理技術(shù)。

1 高速高清耐輻照水下視頻檢查系統(tǒng)介紹

高清高速耐輻照水下視頻檢查系統(tǒng)主要應(yīng)用于水下高計(jì)量率輻射環(huán)境內(nèi)，該系統(tǒng)主要由水下高速攝像機(jī)、水下高速攝像機(jī)用控制箱、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及圖像處理工作站、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、水下電纜5個(gè)主要部件組成。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

水下高速攝像機(jī)整體為圓柱形，攝像機(jī)光軸軸心與被檢件軸心平行布置，采用反射式光學(xué)設(shè)計(jì)，具有高耐輻照、高清分辨率、高幀率的特點(diǎn)，攝像頭分辨率大于300萬(wàn)像素，其主體材料為不銹鋼、鋁合金。水下攝像頭集成有水下照明用LED燈。水下高速攝像機(jī)用控制箱主要為水下高速攝像機(jī)和輻照照明提供電源及控制信號(hào)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及圖像處理工作站通過(guò)專(zhuān)用的視頻采集卡將圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)上。

核電廠(chǎng)換料水池高溫區(qū)域的視頻檢查設(shè)備所在的水下區(qū)域溫度高達(dá)55℃±3℃，而且攝像頭的機(jī)芯在工作時(shí)會(huì)放熱，以上兩個(gè)原因造成水下攝像頭內(nèi)部工作溫度過(guò)高，從而降低相機(jī)的信噪比和靈敏度，使圖像的畫(huà)質(zhì)變差，嚴(yán)重的更會(huì)導(dǎo)致水下攝像頭停機(jī)。為了降低水下攝像頭內(nèi)部的工作環(huán)境溫度，因此需設(shè)計(jì)制冷裝置。攝像頭內(nèi)部制冷采用半導(dǎo)體制冷晶片進(jìn)行降溫制冷，半導(dǎo)體制冷晶片發(fā)熱面與攝像機(jī)外殼貼合，制冷面與攝像機(jī)機(jī)芯貼合，用于降低機(jī)芯溫度。半導(dǎo)體制冷晶片詳見(jiàn)圖3。

半導(dǎo)體制冷晶片的優(yōu)點(diǎn)如下：a）不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，無(wú)污染源;沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。b）半導(dǎo)體制冷晶片是電流換能型片件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。c）半導(dǎo)體制冷晶片熱慣性小，制冷制熱時(shí)間快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，半導(dǎo)體制冷晶片就能達(dá)到最大溫差。d）半導(dǎo)體制冷晶片的溫差范圍大，從+90℃到-130℃都可以實(shí)現(xiàn)。

1.2 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)以控制卡為核心控制單元，通過(guò)控制箱進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。

1.3 圖像處理軟件設(shè)計(jì)

由于該攝像頭為水下拍攝，帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一是采用人工光源以及觀測(cè)平臺(tái)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特征，使得視頻圖像出現(xiàn)嚴(yán)重的光照不均問(wèn)題;二是水下光線(xiàn)存在嚴(yán)重的衰減和散射效應(yīng)，使得水下圖像對(duì)比度下降且紋理細(xì)節(jié)呈模糊狀態(tài)。為此，特地設(shè)計(jì)單幀處理的水下圖像增強(qiáng)模塊，該模塊主要功能是對(duì)水下環(huán)境的散射和光照建立合適的數(shù)學(xué)模型，基于數(shù)學(xué)模型給出合適的增強(qiáng)算法，基于空域?yàn)V波提高圖像清晰度。

由于水下溫度場(chǎng)的不均勻和劇烈變化，導(dǎo)致光線(xiàn)折射圖像變形。這種熱擾動(dòng)導(dǎo)致的圖像變形需要多幀的序列圖像信息恢復(fù)，由于相機(jī)和物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須實(shí)現(xiàn)幀間的運(yùn)動(dòng)估計(jì)。基于序列信息的圖像恢復(fù)模塊就能解決該問(wèn)題，利用多幀相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息和成像模型實(shí)現(xiàn)圖像恢復(fù)。

1.4 耐輻照技術(shù)設(shè)計(jì)

普通商用攝像機(jī)的核心器件CCD會(huì)受到輻射而損傷，其輻射損傷效應(yīng)主要表現(xiàn)為電離效應(yīng)和位移損傷。大多數(shù)圖像CCD器件對(duì)電離效應(yīng)非常敏感。電離效應(yīng)導(dǎo)致暗電流信號(hào)增大，從而影響CCD的圖像采集效果。位移損傷主要由高能電子、質(zhì)子、中子入射引起，輻射環(huán)境中CCD器件損傷主要為此類(lèi)損傷。

為提高水下視頻檢查攝像頭CCD的耐輻射性能，主要通過(guò)如下方案予以解決：a）使用機(jī)芯工作電壓的下限值;b）提高水下視頻檢查攝像頭的屏蔽措施，選用具有部分屏蔽功能的隔離窗口，降低γ射線(xiàn)直接輻照CCD靶面的能量;c）增加了鉛屏蔽;d）增加了反光鏡。

選用金屬鉛作為高速高清攝像頭的屏蔽材料。屏蔽層采用兩種材料疊加方式，考慮到鉛的強(qiáng)度較低，鉛屏蔽層位于攝像機(jī)的內(nèi)層，鎢-鎳合金屏蔽材料位于鉛屏蔽層與攝像機(jī)外殼之間。不同的屏蔽材料可以有效屏蔽不同能級(jí)的高能粒子。

高速高清水下攝像頭在普通工業(yè)級(jí)視頻設(shè)備的基礎(chǔ)上，加裝可見(jiàn)光反射裝置、恒溫裝置及輻照屏蔽結(jié)構(gòu)。通過(guò)可見(jiàn)光反射裝置避免了放射性高能粒子直接照射相機(jī)的光學(xué)傳感器上，通過(guò)自動(dòng)控制的恒溫裝置能夠保證相機(jī)在接近室溫的恒定溫度下工作，通過(guò)輻照屏蔽層對(duì)多種能級(jí)的高能粒子進(jìn)行衰減，從而達(dá)到耐輻照的效果。

2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)

a）高溫水中散熱測(cè)試實(shí)驗(yàn)

高清高速耐輻照水下攝像頭主要是用于核電站的燃料組件檢查，使用環(huán)境溫度達(dá)到55°C以上，因此在模擬試驗(yàn)時(shí)，也需模擬該環(huán)境溫度。

測(cè)試使用了塑料水箱、電加熱器、EB-302多功能潛水泵和一個(gè)SIN-T6溫度計(jì)，測(cè)試示意圖如圖5所示。

在一個(gè)長(zhǎng)480cm、寬400cm、高350cm的塑料箱中裝進(jìn)大約250cm高的水，將高清高速耐輻照水下攝像頭浸沒(méi)在水箱內(nèi)，用電加熱器加熱水箱內(nèi)的水且控制水溫在55℃±3℃，并在水箱內(nèi)放置一個(gè)型號(hào)為EB-302的多功能潛水泵來(lái)模擬核電廠(chǎng)水下區(qū)域的水流環(huán)境，用SIN-T6溫度計(jì)1和SIN-T6溫度計(jì)2分別記錄塑料箱內(nèi)的水溫和裝置內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，每隔60秒記錄一次，并繪制溫度曲線(xiàn)圖6。

由圖7可知，在55℃±3℃水中，兩次試驗(yàn)的溫度曲線(xiàn)都是先上升后趨于平穩(wěn)，只有制冷片不工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度為70℃，制冷片工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度約為54℃。

試驗(yàn)說(shuō)明只有機(jī)芯工作時(shí)，其工作環(huán)境溫度會(huì)上升到大約70℃，在該溫度下機(jī)芯會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞，不能完成視頻檢查工作;增加半導(dǎo)體制冷片后，機(jī)芯工作環(huán)境溫度能有效控制在54℃左右，低于機(jī)芯的工作極限溫度（60℃），能夠保證機(jī)芯的正常工作。

使用字母測(cè)試卡測(cè)試水下攝像頭的圖像綜合分辨率，使用的測(cè)試字母依據(jù)于表1中VT-1技術(shù)要求，使用打印機(jī)打印出并用游標(biāo)卡尺加以校核。測(cè)試參數(shù)同樣依據(jù)于表1中VT-1技術(shù)要求進(jìn)行。

CMOS相機(jī)在無(wú)任何屏蔽的情況下，當(dāng)γ射線(xiàn)的輻照劑量率達(dá)到117Gy/h時(shí)，其圖像已無(wú)法滿(mǎn)足視頻檢查要求。本次設(shè)計(jì)的耐輻照攝像頭在劑量率達(dá)到117Gy/h時(shí)，降噪效果為41.4%，圖像是滿(mǎn)足視頻檢查要求的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了自主研發(fā)的高清高速耐輻照水下攝像頭，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。由于γ射線(xiàn)引起CMOS相機(jī)采集的圖片出現(xiàn)噪點(diǎn)的原因較為復(fù)雜，包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對(duì)效應(yīng)，為更精確反應(yīng)各種屏蔽材料和結(jié)構(gòu)對(duì)γ射線(xiàn)的屏蔽性能，還需要開(kāi)展更直觀、更有效的屏蔽性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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