X、γ射線個人劑量當量次級標準電離室系統質量特性設計與測試

李莉 倪寧 趙旭 高飛 陳義珍 寇寧寧 宋明哲 孫濤 滕忠斌 杭仲斌

中國原子能科學研究院 中核核工業計量與測試技術重點實驗室 北京 102413

X、γ射線個人劑量當量次級標準電離室系統是電離輻射計量領域中低能X射線個人劑量當量標準中的關鍵配套設備，用于復現個人劑量當量、完成個人劑量當量量值傳遞，是保障輻射防護領域個人劑量當量量值準確和人員輻射安全的重要設備。目前，國內主要使用德國PTW公司生產的TW35045型個人劑量當量電離室。中國原子能科學研究院開展了個人劑量當量次級標準電離室系統的研制，為了提升該系統環境適應性、可靠性等通用質量特性指標，開展了相關設計優化與試驗驗證工作。

1 X、γ 射線個人劑量當量次級標準電離室系統

個人劑量當量次級標準電離室系統（后簡稱為電離室系統）用于X射線、γ射線等強貫穿輻射個人劑量當量Hp（10）的量值復現和量值傳遞，主要由電離室、低噪聲線纜和電學主機構成。電離室基于個人劑量當量定義、Bragg-Gary空腔理論設計、制作。低噪聲線纜用于電離室與電學主機間的信號傳輸。電學主機基于微弱電流的I-V變換測量原理設計、制作，用于測量電離室組件產生的微弱電離電流和微弱電離電荷。個人劑量當量次級標準電離室系統中各個單元的工作原理和連接情況為：電離室經低噪聲線纜連接至電學主機，由220VAC電源給電學主機供電。

2 質量特性優化設計

X、γ射線個人劑量當量次級標準電離室系統主要于X射線、γ射線的量值復現與量值傳遞，除系統應具備相關計量性能要求外，還需要滿足相關的通用質量特性指標要求，以滿足不同環境條件下開展量值傳遞工作，其通用質量特性具體指標要求為：1） 環境適應性（溫度）：貯存溫度: -10～50℃；工作溫度: 10～40℃；2） 環境適應性（濕度）：相對濕度: 25%～75%；3） 可靠性：MTBF ≥1000h。

2.1 可靠性設計與實現

2.1.1 基本假設

個人劑量當量次級標準電離室系統（以下簡稱“電離室系統”）是可修復系統，其定量可靠性要求采用基本可靠性參數MTBF；采樣設備為簡單結構，且為成熟產品，假設其平均故障間隔時間足夠大；除采樣設備外，單體上裝設備在工作中，故障的發生是隨機的，其壽命均服從指數分布，可靠度函數如下：

式中：λi=1/MTBFi

2.1.2 可靠性

可靠性模型是論證分析系統和設備可靠性指標，以及對系統進行可靠性綜合評估的重要基礎。電離室系統的基本可靠性模型為全串聯模型，構成設備的所有模塊均包含在模型內，即：電離室—信號處理模塊—信號采集、顯示模塊。

2.1.3 計算模型

各單體設備的可靠度分別記為r1，r2，…，rn，系統可靠度為Rs，用Ss和Si表示系統和設備的正常工作狀態。依據串聯系統的定義，系統中正常事件邏輯上為“與”的關系，系統正常工作，要求全部設備均正常工作，故有Ss=S1∩S2∩S3∩…∩Sn。

系統正常工作的概率為各單體設備正常工作的概率之積，即

其中，λ為系統的等效故障率，MTBF為系統的平均故障間隔時間，λi為第i個設備的失效率。

2.1.4 可靠性分配

根據電離室系統的特點、使用和研制要求，確定采用平均故障間隔時間進行分配。按照產品要求進行可靠性分配并留有5%的余量，在后續進行局部優化時，不必重新分配。分配時綜合考慮各單機設備的技術狀態、復雜度、重要度、任務時間、環境條件等因素。分別有復雜水平、技術水平、工作時間環境要求和重要水平五個參數：

根據實際情況對電離室系統三個模塊分別進行評分，評分結果如表1所示。

表1 評分結果表

根據電離室系統評分結果和公式9、10，可以得出每個單元的評分系數

式中：Ci為第i個產品組成單元的評分系數；

ωi為第i個產品組成單元的評分數；

ω為產品的總評分數；

i為產品組成單元數。

記設備i的失效率分配結果為λ*i，MTBF分配結果為MTBF*i，由λ*i=Ciλ*，MTBF*i=1/λ*，計算每個設備的失效率及MTBF分配結果，并將結果圓整化，如表2所示。

表2 可靠性分配結果

電離室系統可靠性預計采用元器件應力分析法對各組成模塊和單元的可靠性預計值進行計算。根據各組成單元的基本可靠性模型，計算預計失效率，得到預計可靠性值，并與規定的可靠性值相比較，必要時進行可靠性的再分配或改進原設計提高可靠性指標。經過預計和計算電離室系統的預計失效率為35.8858 （1E-6/h），對應MTBF預計值為27866小時，預計值滿足MTBF≥1000h的設計要求。

2.2 環境適應性設計

由于本產品是計量設備，需要進行的環境試驗主要有：低溫試驗、高溫試驗、濕熱試驗，以滿足產品的環境適應性要求[2-4]。根據環境適應性要求，本產品將針對以下方向進行產品環境適應性設計。

2.2.1 力學環境設計

力學環境設計是保證系統正常工作的基礎。針對力學環境設計主要為：電離室系統對各模塊內部進行結構及PCB力學加固；系統用整塊鋁合金板制成加強圍框，與印制板相連，以增強電路板的剛性和強度，避免在振動低頻區域出現共振現象；對質量較大或面積較大的元器件采取了加固措施，如繼電器、AD/DA等模塊。

2.2.2 氣候環境設計

溫度對電子產品可靠性影響極大。電離室系統對元器件進行散熱設計，在結構設計時，充分考慮發熱器件的安裝部位及機內的通風散熱，合理設計了機箱內部各整件布局。

潮濕的空氣作用于電路板上附著的灰塵等物質，形成具有導電特性的水膜，導致泄漏電流，給測量結果帶來誤差。減少影響的最有效的方法是采取等電位屏蔽措施和對核心模擬電路部分進行氣密密封與干燥處理。

3 質量特性測試

3.1 可靠性測試

（1） 試驗方法[5]

參考GJB 899A-2009中方法開展。試驗環境條件產品最大工作溫度40℃，采用加速試驗方案。加速時溫度作為樣品加速壽命的加速應力，選擇阿倫尼斯模型作為加速模型，產品激活能Ea=0.7eV，加速溫度最高不超過50℃。MTBF最低可接受值θ1≥1000h，無樣品失效時，總試驗臺時≥1.2θ1，因此最小總試驗時間tu=1.2×θ1=1.2×1000=1200h。

阿倫尼斯模型的加速系數AF的表達式如下：

式中k為波爾茲曼常量，8.6171×10-5eV/K，tu為正常工作條件（溫度為Tu）下的總試驗臺時，ts為應力條件（溫度為Ts）下的總試驗臺時，Ea為產品激活能。

本方案中正常工作溫度取40℃，最大加速工作溫度取50℃時，加速系數AF=2.233，加速應力下最小總試驗臺時為538小時。加速試驗全程樣品處于正常工作狀態。試驗前、后以及試驗過程中使用標準電流源選擇典型電流值（+100pA）監測產品工作性能是否異常，并記錄檢測結果。

（2） 試驗結果

包括從實驗前測試至試驗后測試，共計十次測試，每次測試的平均值點如表3所示，測試結果表明設備可靠性指標滿足設計要求。

表3 可靠性試驗結果

3.2 環境適應性

3.2.1 溫度試驗

參考GJB 150.3A-2009、GJB 150.4A—2009中方法開展。電離室系統的溫度試驗分為兩種、四項，貯存溫度實驗的-10℃低溫貯存與+50℃高溫貯存，工作溫度試驗的+10℃低溫工作與+40℃高溫工作。貯存實驗為試驗前后進行通電測試，工作溫度試驗為試驗中進行通電測試。

3.3.2 濕熱試驗

參考GJB 150.9A-2009中方法開展。設備開機預熱30min，進行3次循環濕熱循環每個循環24h，在試驗前后與第一周期、第三周期進行通電測試。

3.3.3 通電測試方法

使用標準電流源，輸出+100pA至被試樣品，被試樣品讀數穩定后，讀取測量結果要求誤差不超過士（5%讀數+5fA）。

3.3.4 試驗結果

溫度試驗、濕熱試驗結果分別如表4、表5所示。試驗結果表明以上項目均符合設備指標要求。

表4 溫度試驗結果

表5 濕熱試驗結果

4 結束語

本文針對原子能院自研X、γ射線個人劑量當量次級標準電離室系統的通用質量特性中的可靠性、環境環境適應性（溫度、濕度）進行了針對性設計、分析以及試驗測試。通過在專業測試機構進行的通用質量特性試驗結果表明：該產品的貯存溫度為-10～50℃，工作溫度為10～40℃，相對濕度為 25%～75%。可靠性MTBF ≥1000h。其可靠性、環境實用性符合計量級產品工作環境條件要求，可為保障放射性場所的工作人員職業健康和保證公眾安全提供計量保障。