移動式γ射線探傷機輻射安全改進研究

袁國軍 劉 陽 郭廬陣 董信芳

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

γ射線探傷技術是工業生產中廣泛應用的無損檢測技術之一，主要目的是探測工件內部存在的缺陷，保證產品的質量。由于其具有檢測無損、便捷、快速的特點，已經成為許多工業生產行業，如機械制造、電力、石油、化工、航天等工業中必不可少的工具之一。γ射線探傷機的特點是擁有一個γ放射源，非工作狀態下，放射源儲存在探傷機內部，僅在工作狀態下搖出。在探傷作業結束時，放射源被收回到探傷機內部，在這個過程中，放射源可能脫落，如果探傷人員沒有發現，可能造成輻射事故。

2004—2013年，我國共發生17起工業γ射線探傷事故，以放射源丟失、被盜事故為主，其中3起事故造成了人員受劑量照射。事故中94%為較大或重大事故，事故原因主要是人為因素導致的安全措施缺失。其中波及人員最多的事件發生在2005年7月，哈爾濱一居民樓兩家人相繼得怪病，被診斷為“骨髓造血受抑癥”，黑龍江省輻射站對其中一家住所進行監測時，發現1枚丟失的III類銥-192放射源。事故造成6人住院，18戶居民117名人員受到輻射傷害，造成較大的社會影響。2014年5月在南京發生的工業探傷用放射源銥-192丟失事件，雖然未對人員產生嚴重的輻射傷害，但造成了當地居民的極大恐慌。

γ探傷技術利用行業輻射安全事故頻發的情況主要原因包括：從業人員輻射安全意識薄弱、探傷單位安全管理不到位、移動作業條件差、缺乏輻射監測設備等。國家生態環境部等部門已經發布了多項相關的管理條例和標準，對移動γ射線探傷設備的監督和管理已經較為完善，從業人員按規定定期進行培訓和演練，但有出現探傷設備和放射源丟失的風險。目前γ射線探傷行業相關的專用輻射事故預防設備僅有GPS定位系統，這些設備關注點在于事故發生后的尋找而非預防事故發生。該設備僅能提供探傷機所在的實時位置，如果探傷機被盜，可以通過該設備提供的位置信息進行查找。但如果出現放射源丟失的情況，該設備并不能有效地反映放射源的位置。針對γ射線探傷機的特點，可以通過輻射防護相關的技術方法為監管部門和業主單位的管理提供必要的支持，從而能夠進一步降低事故發生的概率。

本文設計了一款輻射安全監管設備，該設備能實時監測探傷機的輻射劑量率，并將劑量率數據實時傳輸到監管中心，在劑量率數據異常的情況下報警，提醒工作人員注意探傷設備及放射源的安全。該設備不僅可以實時反饋γ射線探傷機的位置信息，同時可以防止放射源丟失。γ射線探傷機從倉庫取出，過程運輸，然后到作業現場進行工作，作業結束后返回到倉庫中，全程跟蹤并記錄輻射劑量率和位置信息等，實現對γ射線探傷機的閉環管理，方便監管部門和業主單位的管理，實現從被動防御轉變到主動控制事故地發生，使得事故出現的概率為零。

1 功能需求及邏輯分析

該設備的研制，應主要從兩個方面進行考慮，其一，為工作人員提供輻射劑量率、防盜、源丟失等報警，從而降低操作失誤引起的源丟失和人員誤照射；其二，監控探傷機和放射源的狀態，為單位和監管部門提供監測信息，便于管理和查詢。通過實現這些功能，最終實現減少γ探傷行業輻射安全事故發生的概率。針對移動探傷設備的使用現狀，主要包括兩種事故情況。其一，在運輸過程中設備丟失；其二，在探傷作業過程中，設備被盜或放射源丟失。

針對在運輸過程中可能出現的事故，輻射安全監管設備給出響應的邏輯功能實現如圖1所示。在放射源運輸儲存過程中丟失和整臺設備丟失的情況下，實現對應的查找和報警的功能。在探傷機運輸的過程中，放射源肯定是儲存在探傷機內部，除非是在作業過程中丟失，否則在整個運輸過程中，探傷機表面的輻射劑量率肯定是一個固定值。如果劑量率突然變大，那么就是放射源到達了探傷機外部，此時肯定是由于操作不規范導致的，輻射安全監管設備會發出聲光報警，提醒工作人員可能出現放射源逃離探傷機的情況。在實際過程中，這種情況基本不會出現。如果探傷機出現丟失被盜的情況，作業單位的后臺監管中心就會發現探傷機的位置偏離了既定的運輸路線，可以立即和運輸人員取得聯系，確定探傷機的狀態，并第一時間采取應對措施，降低產生后續事故的風險。

圖1 移動探傷設備被盜的應對邏輯方式

針對探傷設備運行過程中設備的丟失或放射源丟失，輻射安全監管設備將給出如圖2所示的邏輯應對策略。設定這一邏輯過程的主要依據為：執行任務時如果設備被盜，慣性傳感器將被觸發，監管設備發出聲光報警，幾次報警后將自動關閉，同時按一定的時間間隔上傳位置信息；完成任務后，回收放射源的過程中，監管設備會通過設定的程序判斷放射源是否回歸，判斷程序的依據包括回收過程中有沒有劑量升高和降低、源容器表面劑量率是否大于設定的源丟失閾值，如果任何判斷依據出現問題，將通過聲音和光信號提示工作人員。在運行過程中出現放射源丟失，造成人員輻射照射的可能性很大，其造成的后果通常說來比其他事故產生的影響更為嚴重，一定要高度重視。

圖2 執行任務過程中的邏輯狀態

2 功能設計

移動式γ射線探傷機具有體積小、質量輕，不需要使用水、電，且不受溫度、壓力、磁場等外界條件影響，可以連續運行，特別適合于野外作業。基于移動式γ射線探傷機的特點和應用場景，輻射安全監管設備應具備輻射劑量率實時監測并上傳、探傷機定位、安全報警等功能，其功能設計應從以下幾個方面進行考慮。

2.1 輻射探測器的環境可靠性設計

由于γ射線探傷機的體積小，輻射安全監管設備的體積也必須小，輻射探測器的體積相應也得小。輻射探測器可以選擇體積小且成本低的蓋革（GM）計數管。GM計數管由于其性能穩定、強抗干擾能力、環境適應性強、輻射劑量測量上限高等特點，能夠滿足重大事故特種條件下的應用。

推薦選擇英國CENTRONIC公司生產的GM計數管，其有帶能量補償的金屬外殼GM計數管，具有較高的穩定性、一致性，并且其各型號能夠比較全面的覆蓋劑量率范圍。基于GM計數管和移動式γ探傷設備經常用于野外作業操作的環境特點，設計具有較強抗震、抗沖擊、防塵、防水能力的結構。

2.2 衛星定位和無線數據傳輸設計

通過衛星定位和數據傳輸可以實時遠程提供設備的輻射監測信息和地理位置信息。在野外作業時，移動數據通信的信號覆蓋不全，需同時設計衛星定位和無線移動數據通信。如果移動探傷設備被盜，其被轉移至室內，衛星定位可能無法給出具體的位置信息。通過移動數據運營商的基站定位功能，在沒有衛星定位信號時提供較為準確的位置信息作為補充。

北斗衛星定位系統是我國自主研發的衛星定位系統，具有精度高、定位速度快等特點，建立一套基于北斗定位和4G無線數據傳輸芯片，開發衛星定位和數據傳輸模塊，從而實現對探傷設備的衛星定位，并通過4G無線數據傳輸模塊對探傷設備的位置信息的回傳。5G無線數據通信正在全國范圍內普及，可以根據覆蓋情況考慮設計5G的傳輸模塊或者是更新的通信模塊。

2.3 電源及低功耗設計

移動探傷作業通常在野外進行，故在設計電池容量時，應考慮3倍的冗余設計，至少滿足3天的設備連續運行。可以采用高容量的聚合物鋰電池，其具有塑形靈活、更高的質量比能量、電化學穩定窗口寬（可達5V）、安全可靠、更長循環壽命、體積利用率高等特點。從而在能夠以較小的體積為設備的系統提供更高的電池電量。除了選擇高比能量和高容量的電池為設備提供更多的電量之外，還要進行低功耗的設計，從兩個方面實現整個系統的“開源和節流”。

低功耗設計的主要目的是盡量延長設備的使用時間，這是保證設備對探傷裝置持續監控的重要指標。輻射安全監管設備功耗主要由三部分組成：其一，衛星定位和無線數據傳輸；其二，GM計數管高壓電源；其三，電路各元器件功耗總和。其中，衛星定位和無線數據傳輸、高壓電源為主要的功耗項。

針對對衛星定位和無線數據傳輸模塊等耗電單元的工作時間進行智能控制。控制模式包括在定位模塊定位后就自動關閉，能夠通過指令或遇到特殊情況下控制或自動開啟。數據傳輸模塊的數據傳輸時間間隔拉長，可以將5分鐘的數據打包，1小時開啟數據傳輸模塊發送1小時內的數據，或在正常情況下讓其保持關閉狀態，發現異常數據后傳輸模塊開啟，向固定的移動接收設備、數據中心傳送數據。

GM計數的高壓電源模塊是將5V左右的低壓轉換為400V的高壓，在轉換過程中因為器件自身損耗和設計產品的不同需求，電源轉換模塊的功耗會非常高。針對GM計數管的特點設計低功耗高壓電源，能夠極大的提高電源的轉換效率、減小高壓電源模塊的尺寸并降低探測器功耗。同時，可能考慮通過調節CPU輸出的PWM波占空比來調節高壓電源負載能力，適應不同輻射場情況下的工作情況從而降低高壓電源的功耗。

2.4 防盜防丟失報警設計

研究觸點報警或慣性測量傳感器，監控探傷設備狀態的方法。傳感器組成的振動測量單元的輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環境是否有震動，從而起到報警作用。通過振動靈敏度調節器件可以快速、方便的調節對振動的耐受程度，滿足不同場地和環境的差異化需求。使探傷設備被移動時，傳感器會根據狀態的變化進行判斷是否報警，從而實現探傷裝置的防盜報警。

根據γ探傷設備的相關標準GB/T14058—2008《γ射線探傷機》以及GBZ132-2008《工業γ射線探傷衛生防護標準》，移動式γ探傷設備的表面輻射水平應在1mSv/h以下，以這一劑量水平作為參考，結合具體設備內裝放射源活度的大小、半衰期、出廠時間等信息，設定報警閾值。根據可能出現的事故類型劃分不同的事故等級，根據事故等級設定聲音報警的大小，不同顏色的光電報警以及語音提示。

2.5 外觀結構設計

結合不同種類、尺寸的移動式γ探傷設備特點，以及設備自身電路的結構和尺寸，設計一種方便、通用、結構簡單、美觀時尚的外觀結構。由于移動式γ探傷設備經常在野外工作的特點，設計具有較強抗震、抗沖擊、防塵、防水能力的結構尤為重要。

3 結語

本文通過對移動γ射線探傷機的特點及使用環境的分析，設計了一種專門的輻射安全監管設備，該設備能夠有效防止移動式γ射線探傷機被盜和放射源的丟失。在后續研制樣機和推廣該設備時，應同時考慮到設備的成本問題。

本文設計了一款針對移動γ射線探傷機的輻射安全監管設備，但要想保證該設備的有效運作，需對其探測到的輻射劑量率數據和位置信息進行保存和管理，還需要開發一套相應的軟件。該軟件能實時保存設備上傳的各項數據，并對這些數據進行實時地展示，方便監管中心的工作人員隨時進行查看。目前，滿足這些功能的軟件有很多成熟的方案和案例，故沒有在本文中進行介紹。