可折疊式人員通道監(jiān)測儀的研制

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 放射性污染擴散、實現(xiàn)輻射防護最優(yōu)化有重要意義。本監(jiān)測儀設(shè)計為可折疊式，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，外殼設(shè)計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、防止污染擴散的現(xiàn)場應(yīng)用需求，也擴展了儀器的應(yīng)用范圍。本研究整合核電現(xiàn)場的應(yīng)用需求，主要對儀器進行設(shè)計和性能分析，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)計要求，性能穩(wěn)定可靠。

1 總體設(shè)計

可折疊式人員通道監(jiān)測儀設(shè)計原理如圖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)進行算法分析處理，報警信號會傳遞給報警處理單元，進行聲光提示、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行實時顯示。

圖1 設(shè)計原理框圖

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、聲光報警單元（報警燈、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，寫入核心運行軟件，通過通訊接口對4 個監(jiān)測道進行數(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、報警信息、故障信息。

3 軟件設(shè)計

監(jiān)測儀控制軟件可以對儀器自檢狀態(tài)和測量過程進行自動控制，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，儀器會自動進行自檢和本底測量操作，本底正常后進入本底更新狀態(tài)，當(dāng)入口雷達(dá)傳感器檢測到人員靠近時，進入測量模式，若無污染，儀器不報警，聲光報警器綠燈亮，若有污染，則判斷其報警等級，報警器紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出警報聲，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，進行本底更新，恢復(fù)正常后，進入等待測量模式。

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、探測閾值和誤報警率等物理性能進行測試分析[1-3]。為確保儀器在運行過程中對環(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)對儀器進行了高低溫運行環(huán)境試驗。

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上進行測量，重復(fù)讀數(shù)10 次取平均值，按照式（1）計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，各探測器的相對實驗標(biāo)準(zhǔn)差計算方法如式（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，分別對各探測器進行測量，按照式（4）計算其實驗標(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)值與本底計數(shù)率的試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，按式（5）計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 個探測器本底計數(shù)率的試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，s-1；Nibj為第i 個探測器的本底計數(shù)，s-1；Nib為第i 個探測器本底計數(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 誤報警率進行了測試。3600 次模擬中，監(jiān)測系統(tǒng)共產(chǎn)生0 次誤報警，滿足GB/T 24246-2010 要求。

4.2 環(huán)境適應(yīng)性試驗

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)性進行了試驗，實驗結(jié)果如表4 所示。

表4 環(huán)境適應(yīng)性試驗結(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、安裝維護方便和快速污染測量等特點，能夠有效防控污染擴散。