一套核設施周界γ輻射監測系統改造

歐陽紅平 劉善清

摘 要：本研究針對在原子能院周界γ輻射監測系統故障排查過程中發現的信號傳輸、數據采集、數據庫和展示軟件等問題進行技術改造。改造之后系統的結構更加簡化，功能可擴展性更好。五年多的運行實踐表明，本次改造后的系統性能穩定，能在野外惡劣的環境中長期運行，可為相關系統改造實踐提供參考。

關鍵詞：核設施;周界;輻射監測;改造

中圖分類號：TL811.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0047-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.010

Modification of a Nuclear Facility Perimeter Gamma Radiation

Monitoring System

OUYANG Hongping1? ? LIU Shanqing2

（1.China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China;2.CNNC LiXin（Beijing）Technology Co.，Ltd，Beijing 100048，China）

Abstract：In this study，the problems of signal transmission，data collection，database and display software found in the troubleshooting process of the perimeter gamma radiation monitoring system of the Institute of Atomic Energy are reformed.After the transformation，the structure of the system is more simplified and the function is more expansible.More than five years of operation practice proves that the system has stable performance and can withstand the test of long-term operation in wild harsh environment.This work can provide reference for relevant system transformation practice.

Keywords：nuclear facility;perimeter;radiation monitoring;reconstruction

0 引言

隨著我國核能產業的快速發展，對核電站等核設施周邊的γ輻射進行連續在線監測具有十分重要的意義。國內典型的核設施周界γ輻射監測系統有大亞灣KRS系統[1]、秦山核電環境γ輻射監測系統[2]、田灣核電監督性監測系統等。原子能院周界γ輻射監測系統是應相關核安全法規的要求，建立起的一套布設在廠區周界的連續γ輻射監測系統。該系統的主要作用包括：對原子能院周界γ輻射水平進行日常監督性監測;及時識別放射性煙羽的異常排放;在核事故情況下，實時獲取廠區周界的γ輻射水平，為應急輔助決策提供技術支持。

1 周界輻射監測系統概述

周界輻射監測系統共有有線傳輸型GM探測器28個，其中廠界固定式GM管監測單元有24個（1#～24#），分布在廠區邊界，約200 m布設一個監測點;監測站固定式GM管監測單元4個（25#～28#）分別布設在廠區內四個監測站樓頂。高氣壓電離室有4個，分別安裝在廠區內四個監測站樓頂。所有探測器的供電都是由4個監測站引出市電（220 V）提供的，各監測站內配電箱連接有UPS不間斷電源，確保在核事故應急情況下能維持系統運行12 h。各監測子站均安裝有數據采集器，負責采集并轉發該監測子站所有設備的監測數據。數據采集器將從前端探測器獲取的數據用光纖收發器轉換后，再通過光纖傳輸至應急指揮中心。系統結構示意圖如圖1所示。

2 存在的問題

周界γ輻射監測系統為原子能院自主設計的廠區外圍γ輻射監督性監測系統。該系統于2011年投入運行后，為原子能院提供了大量的監測數據。但由于該系統涉及的戶外電子設備和線纜較多，多處設施老化嚴重，導致系統出現故障的頻率逐漸增大，頻繁檢修導致該系統無法正常運行。從2016年開始，該系統多處出現故障，應急指揮中心已無法獲取任何數據，亟待進行改造。

運行人員通過排查檢修，發現系統故障主要有11種，分別是：GM管探測器故障、RS485通訊線纜故障、信號中繼器故障、220 V電纜故障、UPS故障、數據采集器故障、光纖收發器故障、光纖故障、服務器故障、數據庫運行查詢緩慢、展示軟件無法讀取數據。通過對系統架構進行仔細分析研究，結合運行實踐經驗，找出系統頻繁發生故障的關鍵是信號傳輸、數據采集、數據庫和展示軟件等過程存在問題。

2.1 信號傳輸問題

RS485信號線布設在鍍鋅鋼管中，鍍鋅鋼管沿廠區圍墻布設在實體保衛內。信號線總長約5 500 m。在現場檢測過程中發現多處信號線存在短路問題。初步判斷原因為：白天鍍鋅鋼管受太陽曝曬導致內部高溫，夜晚由于氣溫下降，鋼管內壁有水珠凝結，信號線長期處于濕度較大的環境中，導致其老化速度加快;部分鍍鋅鋼管點位未做好防水工作，雨水通過鍍鋅鋼管連接處或管口滲入到鋼管內部，導致信號線浸泡在水中，從而被腐蝕;使用的RS485信號線纜為市面上普通的雙絞單屏蔽電纜，其不具備耐高溫和抗腐蝕性能;信號線纜使用年限較長，已嚴重老化。813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227

改造前，220 V市電供電電纜和RS485信號線（電壓一般為3.5～5 V）接在檢修盒的同一個線排上。系統在檢修時，需要在狹小的空間進行信號檢測、電壓檢測、螺絲緊固等工作，有觸電危險（見圖2、圖3）。

2.2 數據采集問題

數據采集器將各監測站的GM管和電離室的信號進行匯總后，通過光纖傳輸至終端服務器。改造前各監測站都安裝有兩臺數據采集器，一臺數據采集器用于接收電離室的數據，另一臺數據采集器則用于接收GM管的數據。兩臺數據采集器的功能較為簡單，僅作為數據轉發設備，無本地存儲功能。當多個數據采集器發生故障時，將導致系統無法正常運行（見圖4）。

2.3 數據庫和展示軟件問題

服務器端安裝配置了兩個數據庫，一個數據庫存儲前端GM管探測器上傳的原始計數信息，另一個數據庫則存儲解析后的劑量率數據（單位：nGy/h）。由于GM管發送的原始計數字符串在1 s內上傳至服務器，導致數據量大，容易出現“丟包”現象，造成最終取平均值得到的劑量率數據不準確。由于原始計數信息中的冗余信息量大，占用內存較多，且兩個數據庫之間存在接口，再加上服務器長時間運行后，數據不斷累積，導致上位機查詢數據庫數據的效率十分低，甚至經常發生“卡死”現象。

3 改造實施

改造項目不同于新建項目，需要充分考慮多方面因素，如哪些設備可以繼續使用，哪些設備需要改造或升級，還需要考慮設備的兼容性、成本等問題。實際上，改造項目有時候比新建項目的難度更大。下面對信號傳輸、數據采集、數據庫和展示軟件的改造進行闡述。

3.1 信號傳輸線路改造

3.1.1 更換信號線。由于GM管之間是通過RS485信號線進行信號傳輸的，因此RS485信號線的可靠性是關鍵。本次改造定制了一種雙絞雙屏蔽的信號線纜。相比原來的銅芯導體銅網屏蔽聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套的信號線纜，該線纜有以下優點：鍍錫銅導體鍍錫屏蔽相比銅芯導體銅網屏蔽的耐腐蝕、抗氧化性能更好;相比于聚氯乙烯絕緣材料，交聯聚乙烯絕緣材料的耐熱溫度從60 ℃提高到90～100 ℃;排流導線和鋁箔屏蔽使信號線的抗干擾能力更強。本次改造將原來的信號線全部更換為此種定制線纜，提高了信號線的耐腐蝕、耐高溫和抗干擾性能，使之更適合在戶外長期使用。

3.1.2 新增信號接線盒。為了解決檢修時的安全隱患，在每個GM管監測點位新增一個轉接盒，將市電和弱電分開。市電轉接盒內添加一個空氣開關，需要斷電時斷開空氣開關即可，從而避免拆卸電源線等煩瑣操作，杜絕安全隱患。

3.2 數據采集改造

本次改造對系統結構進行了優化。僅用一個數據采集器對數據進行接收，該數據采集器的RS232串口用于接收電離室的數據，RS485串口用于接收GM管的數據（見圖4）。該數據采集器有以下特點：采集器將采集到的GM管探測器、電離室原始計數信號轉換為劑量率數據后再發送至服務器，從而大大減少了數據轉發量，可有效避免數據“丟包”現象的發生;其內置的大容量SD卡對劑量率數據進行備份，一旦數據采集器到終端服務器的傳輸鏈路中斷，可以將采集器的本地數據導出;其程序可實現遠程升級，無需到現場對程序進行更新，從而減少了日常維護的工作量;其核心部件為嵌入式Linux主板，內置硬件看門狗，當系統出現故障時，能自主恢復。該數據采集器提供8個硬件輸入輸出接口，理論上只要有通信協議，就可以進行設備添加。該設計有利于系統的功能擴展。由于γ空氣吸收劑量率受大氣中氡濃度和降雨等因素的影響[3-4]，為準確分析γ輻射的測量數據，建議添加氣象觀測儀（觀測要素包括風速風向、溫濕度、雨量、大氣壓）和大氣氡濃度監測儀。

3.3 數據庫和展示軟件改造

本次改造項目建立了一個SQL server數據庫，用于存儲前端數據采集器上傳的劑量率數據。設置電離室數據頻率為每1 min一條數據，GM管的數據上傳頻率為每5 min一條數據。按照年份創建數據庫表，每一年份使用單獨的表，這樣可以提高數據存儲和檢索的速度。本次改造重新開發了展示軟件。展示軟件用于展示廠區各監測點的劑量率數據，具有數據查詢、歷史數據導出、參數設置、報警提示等功能。通過GIS地圖將各個點的數據直觀地展示到地圖上。各個站點上傳的劑量率信息可以通過表格的方式展現出來，方便瀏覽短時間內的歷史信息;通過實時劑量率趨勢圖，方便對某個站點的劑量率走勢圖進行直觀判斷。另外，可以在客戶端遠程查看各站點設備的工作狀態。

4 系統改造后的效果

在本次改造后，系統恢復了正常運行，且運行更加穩定，故障率大大降低。在環境輻射狀況相對穩定的情況下（如無降雨、核設施排放的氣載放射性可忽略等），γ劑量率監測數據相對穩定。

氡釷子體為環境γ輻射劑量率的主要來源之一。由于降雨期間，氡釷子體或空氣中的放射性煙塵隨著雨水的沉降被沖刷到地表，會引起地表γ輻射水平的瞬時上升。圖5為北京市2021年7月12日一次降雨期間位于氣象站屋頂的第28號監測點γ劑量率的變化曲線。

從圖5可以看出，降雨使劑量率增加了約20%～30%，雨停之后地表γ輻射劑量率水平逐步恢復正常，這與鄭國棟等[5]在試驗中觀察到的現象是一致的。

5 結語

本研究對周界γ輻射監測系統進行改造，增加了系統功能的可擴展性，同時簡化系統架構，使得系統更加穩定。信號線纜的改造使得系統能夠經受戶外嚴峻環境的長期考驗，總體上來說本研究的改造取得了良好的效果。但該系統仍然存在著GM管待升級、單一通信方式可靠性不高等問題，有待后續進一步升級?？傊?，不斷總結經驗并對系統進行完善，對原子能院的環境監督性監測具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1] 熊建平，周文平.一種新型的γ輻射監測系統[J].核電子學與探測技術，1998（3）：49-52.

[2] 劉建，楊斌.秦山核電基地外圍環境γ輻射連續監測系統[J].輻射防護，2005（5）：296-304.

[3] 殷蔭，王南萍，付宸，等.空氣伽馬吸收劑量率影響因素研究[J].東華理工大學學報（自然科學版），2012（1）：61-65，74.

[4] 賴力明.環境輻射γ空氣吸收劑量率連續監測數據非核事故因素的特征分析[J].環境，2011（S2）：68-69.

[5] 鄭國棟，宋建鋒，楊維耿.環境γ輻射連續監測系統數據分析及探討[J].中國輻射衛生，2013（1）：85-87.813337F0-9E6D-4BBB-9065-425BE1940227