袁國軍 劉 陽 郭廬陣 董信芳

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

γ射線探傷技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的無損檢測技術(shù)之一，主要目的是探測工件內(nèi)部存在的缺陷，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。由于其具有檢測無損、便捷、快速的特點(diǎn)，已經(jīng)成為許多工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)，如機(jī)械制造、電力、石油、化工、航天等工業(yè)中必不可少的工具之一。γ射線探傷機(jī)的特點(diǎn)是擁有一個(gè)γ放射源，非工作狀態(tài)下，放射源儲存在探傷機(jī)內(nèi)部，僅在工作狀態(tài)下?lián)u出。在探傷作業(yè)結(jié)束時(shí)，放射源被收回到探傷機(jī)內(nèi)部，在這個(gè)過程中，放射源可能脫落，如果探傷人員沒有發(fā)現(xiàn)，可能造成輻射事故。

2004—2013年，我國共發(fā)生17起工業(yè)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(dǎo)致的安全措施缺失。其中波及人員最多的事件發(fā)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(jìn)行監(jiān)測時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(huì)影響。2014年5月在南京發(fā)生的工業(yè)探傷用放射源銥-192丟失事件，雖然未對人員產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射傷害，但造成了當(dāng)?shù)鼐用竦臉O大恐慌。

γ探傷技術(shù)利用行業(yè)輻射安全事故頻發(fā)的情況主要原因包括：從業(yè)人員輻射安全意識薄弱、探傷單位安全管理不到位、移動(dòng)作業(yè)條件差、缺乏輻射監(jiān)測設(shè)備等。國家生態(tài)環(huán)境部等部門已經(jīng)發(fā)布了多項(xiàng)相關(guān)的管理?xiàng)l例和標(biāo)準(zhǔn)，對移動(dòng)γ射線探傷設(shè)備的監(jiān)督和管理已經(jīng)較為完善，從業(yè)人員按規(guī)定定期進(jìn)行培訓(xùn)和演練，但有出現(xiàn)探傷設(shè)備和放射源丟失的風(fēng)險(xiǎn)。目前γ射線探傷行業(yè)相關(guān)的專用輻射事故預(yù)防設(shè)備僅有GPS定位系統(tǒng)，這些設(shè)備關(guān)注點(diǎn)在于事故發(fā)生后的尋找而非預(yù)防事故發(fā)生。該設(shè)備僅能提供探傷機(jī)所在的實(shí)時(shí)位置，如果探傷機(jī)被盜，可以通過該設(shè)備提供的位置信息進(jìn)行查找。但如果出現(xiàn)放射源丟失的情況，該設(shè)備并不能有效地反映放射源的位置。針對γ射線探傷機(jī)的特點(diǎn)，可以通過輻射防護(hù)相關(guān)的技術(shù)方法為監(jiān)管部門和業(yè)主單位的管理提供必要的支持，從而能夠進(jìn)一步降低事故發(fā)生的概率。

本文設(shè)計(jì)了一款輻射安全監(jiān)管設(shè)備，該設(shè)備能實(shí)時(shí)監(jiān)測探傷機(jī)的輻射劑量率，并將劑量率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)管中心，在劑量率數(shù)據(jù)異常的情況下報(bào)警，提醒工作人員注意探傷設(shè)備及放射源的安全。該設(shè)備不僅可以實(shí)時(shí)反饋γ射線探傷機(jī)的位置信息，同時(shí)可以防止放射源丟失。γ射線探傷機(jī)從倉庫取出，過程運(yùn)輸，然后到作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行工作，作業(yè)結(jié)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(shí)現(xiàn)對γ射線探傷機(jī)的閉環(huán)管理，方便監(jiān)管部門和業(yè)主單位的管理，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)防御轉(zhuǎn)變到主動(dòng)控制事故地發(fā)生，使得事故出現(xiàn)的概率為零。

1 功能需求及邏輯分析

該設(shè)備的研制，應(yīng)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，其一，為工作人員提供輻射劑量率、防盜、源丟失等報(bào)警，從而降低操作失誤引起的源丟失和人員誤照射；其二，監(jiān)控探傷機(jī)和放射源的狀態(tài)，為單位和監(jiān)管部門提供監(jiān)測信息，便于管理和查詢。通過實(shí)現(xiàn)這些功能，最終實(shí)現(xiàn)減少γ探傷行業(yè)輻射安全事故發(fā)生的概率。針對移動(dòng)探傷設(shè)備的使用現(xiàn)狀，主要包括兩種事故情況。其一，在運(yùn)輸過程中設(shè)備丟失；其二，在探傷作業(yè)過程中，設(shè)備被盜或放射源丟失。

針對在運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的事故，輻射安全監(jiān)管設(shè)備給出響應(yīng)的邏輯功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示。在放射源運(yùn)輸儲存過程中丟失和整臺設(shè)備丟失的情況下，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的查找和報(bào)警的功能。在探傷機(jī)運(yùn)輸?shù)倪^程中，放射源肯定是儲存在探傷機(jī)內(nèi)部，除非是在作業(yè)過程中丟失，否則在整個(gè)運(yùn)輸過程中，探傷機(jī)表面的輻射劑量率肯定是一個(gè)固定值。如果劑量率突然變大，那么就是放射源到達(dá)了探傷機(jī)外部，此時(shí)肯定是由于操作不規(guī)范導(dǎo)致的，輻射安全監(jiān)管設(shè)備會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒工作人員可能出現(xiàn)放射源逃離探傷機(jī)的情況。在實(shí)際過程中，這種情況基本不會(huì)出現(xiàn)。如果探傷機(jī)出現(xiàn)丟失被盜的情況，作業(yè)單位的后臺監(jiān)管中心就會(huì)發(fā)現(xiàn)探傷機(jī)的位置偏離了既定的運(yùn)輸路線，可以立即和運(yùn)輸人員取得聯(lián)系，確定探傷機(jī)的狀態(tài)，并第一時(shí)間采取應(yīng)對措施，降低產(chǎn)生后續(xù)事故的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 移動(dòng)探傷設(shè)備被盜的應(yīng)對邏輯方式

針對探傷設(shè)備運(yùn)行過程中設(shè)備的丟失或放射源丟失，輻射安全監(jiān)管設(shè)備將給出如圖2所示的邏輯應(yīng)對策略。設(shè)定這一邏輯過程的主要依據(jù)為：執(zhí)行任務(wù)時(shí)如果設(shè)備被盜，慣性傳感器將被觸發(fā)，監(jiān)管設(shè)備發(fā)出聲光報(bào)警，幾次報(bào)警后將自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)按一定的時(shí)間間隔上傳位置信息；完成任務(wù)后，回收放射源的過程中，監(jiān)管設(shè)備會(huì)通過設(shè)定的程序判斷放射源是否回歸，判斷程序的依據(jù)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(shè)定的源丟失閾值，如果任何判斷依據(jù)出現(xiàn)問題，將通過聲音和光信號提示工作人員。在運(yùn)行過程中出現(xiàn)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(chǎn)生的影響更為嚴(yán)重，一定要高度重視。

圖2 執(zhí)行任務(wù)過程中的邏輯狀態(tài)

2 功能設(shè)計(jì)

移動(dòng)式γ射線探傷機(jī)具有體積小、質(zhì)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(xù)運(yùn)行，特別適合于野外作業(yè)。基于移動(dòng)式γ射線探傷機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用場景，輻射安全監(jiān)管設(shè)備應(yīng)具備輻射劑量率實(shí)時(shí)監(jiān)測并上傳、探傷機(jī)定位、安全報(bào)警等功能，其功能設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

2.1 輻射探測器的環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)

由于γ射線探傷機(jī)的體積小，輻射安全監(jiān)管設(shè)備的體積也必須小，輻射探測器的體積相應(yīng)也得小。輻射探測器可以選擇體積小且成本低的蓋革（GM）計(jì)數(shù)管。GM計(jì)數(shù)管由于其性能穩(wěn)定、強(qiáng)抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、輻射劑量測量上限高等特點(diǎn)，能夠滿足重大事故特種條件下的應(yīng)用。

推薦選擇英國CENTRONIC公司生產(chǎn)的GM計(jì)數(shù)管，其有帶能量補(bǔ)償?shù)慕饘偻鈿M計(jì)數(shù)管，具有較高的穩(wěn)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(jì)數(shù)管和移動(dòng)式γ探傷設(shè)備經(jīng)常用于野外作業(yè)操作的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)抗震、抗沖擊、防塵、防水能力的結(jié)構(gòu)。

2.2 衛(wèi)星定位和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

通過衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)傳輸可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程提供設(shè)備的輻射監(jiān)測信息和地理位置信息。在野外作業(yè)時(shí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的信號覆蓋不全，需同時(shí)設(shè)計(jì)衛(wèi)星定位和無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信。如果移動(dòng)探傷設(shè)備被盜，其被轉(zhuǎn)移至室內(nèi)，衛(wèi)星定位可能無法給出具體的位置信息。通過移動(dòng)數(shù)據(jù)運(yùn)營商的基站定位功能，在沒有衛(wèi)星定位信號時(shí)提供較為準(zhǔn)確的位置信息作為補(bǔ)充。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有精度高、定位速度快等特點(diǎn)，建立一套基于北斗定位和4G無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，開發(fā)衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)傳輸模塊，從而實(shí)現(xiàn)對探傷設(shè)備的衛(wèi)星定位，并通過4G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊對探傷設(shè)備的位置信息的回傳。5G無線數(shù)據(jù)通信正在全國范圍內(nèi)普及，可以根據(jù)覆蓋情況考慮設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

移動(dòng)探傷作業(yè)通常在野外進(jìn)行，故在設(shè)計(jì)電池容量時(shí)，應(yīng)考慮3倍的冗余設(shè)計(jì)，至少滿足3天的設(shè)備連續(xù)運(yùn)行?？梢圆捎酶呷萘康木酆衔镤囯姵?，其具有塑形靈活、更高的質(zhì)量比能量、電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬（可達(dá)5V）、安全可靠、更長循環(huán)壽命、體積利用率高等特點(diǎn)。從而在能夠以較小的體積為設(shè)備的系統(tǒng)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(shè)備提供更多的電量之外，還要進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)，從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的“開源和節(jié)流”。

低功耗設(shè)計(jì)的主要目的是盡量延長設(shè)備的使用時(shí)間，這是保證設(shè)備對探傷裝置持續(xù)監(jiān)控的重要指標(biāo)。輻射安全監(jiān)管設(shè)備功耗主要由三部分組成：其一，衛(wèi)星定位和無線數(shù)據(jù)傳輸；其二，GM計(jì)數(shù)管高壓電源；其三，電路各元器件功耗總和。其中，衛(wèi)星定位和無線數(shù)據(jù)傳輸、高壓電源為主要的功耗項(xiàng)。

針對對衛(wèi)星定位和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等耗電單元的工作時(shí)間進(jìn)行智能控制?？刂颇Ｊ桨ㄔ诙ㄎ荒K定位后就自動(dòng)關(guān)閉，能夠通過指令或遇到特殊情況下控制或自動(dòng)開啟。數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔拉長，可以將5分鐘的數(shù)據(jù)打包，1小時(shí)開啟數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送1小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)，或在正常情況下讓其保持關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后傳輸模塊開啟，向固定的移動(dòng)接收設(shè)備、數(shù)據(jù)中心傳送數(shù)據(jù)。

GM計(jì)數(shù)的高壓電源模塊是將5V左右的低壓轉(zhuǎn)換為400V的高壓，在轉(zhuǎn)換過程中因?yàn)槠骷陨頁p耗和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的不同需求，電源轉(zhuǎn)換模塊的功耗會(huì)非常高。針對GM計(jì)數(shù)管的特點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗高壓電源，能夠極大的提高電源的轉(zhuǎn)換效率、減小高壓電源模塊的尺寸并降低探測器功耗。同時(shí)，可能考慮通過調(diào)節(jié)CPU輸出的PWM波占空比來調(diào)節(jié)高壓電源負(fù)載能力，適應(yīng)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(bào)警設(shè)計(jì)

研究觸點(diǎn)報(bào)警或慣性測量傳感器，監(jiān)控探傷設(shè)備狀態(tài)的方法。傳感器組成的振動(dòng)測量單元的輸出端可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境是否有震動(dòng)，從而起到報(bào)警作用。通過振動(dòng)靈敏度調(diào)節(jié)器件可以快速、方便的調(diào)節(jié)對振動(dòng)的耐受程度，滿足不同場地和環(huán)境的差異化需求。使探傷設(shè)備被移動(dòng)時(shí)，傳感器會(huì)根據(jù)狀態(tài)的變化進(jìn)行判斷是否報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)探傷裝置的防盜報(bào)警。

根據(jù)γ探傷設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T14058—2008《γ射線探傷機(jī)》以及GBZ132-2008《工業(yè)γ射線探傷衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》，移動(dòng)式γ探傷設(shè)備的表面輻射水平應(yīng)在1mSv/h以下，以這一劑量水平作為參考，結(jié)合具體設(shè)備內(nèi)裝放射源活度的大小、半衰期、出廠時(shí)間等信息，設(shè)定報(bào)警閾值。根據(jù)可能出現(xiàn)的事故類型劃分不同的事故等級，根據(jù)事故等級設(shè)定聲音報(bào)警的大小，不同顏色的光電報(bào)警以及語音提示。

2.5 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合不同種類、尺寸的移動(dòng)式γ探傷設(shè)備特點(diǎn)，以及設(shè)備自身電路的結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計(jì)一種方便、通用、結(jié)構(gòu)簡單、美觀時(shí)尚的外觀結(jié)構(gòu)。由于移動(dòng)式γ探傷設(shè)備經(jīng)常在野外工作的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)抗震、抗沖擊、防塵、防水能力的結(jié)構(gòu)尤為重要。

3 結(jié)語

本文通過對移動(dòng)γ射線探傷機(jī)的特點(diǎn)及使用環(huán)境的分析，設(shè)計(jì)了一種專門的輻射安全監(jiān)管設(shè)備，該設(shè)備能夠有效防止移動(dòng)式γ射線探傷機(jī)被盜和放射源的丟失。在后續(xù)研制樣機(jī)和推廣該設(shè)備時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮到設(shè)備的成本問題。

本文設(shè)計(jì)了一款針對移動(dòng)γ射線探傷機(jī)的輻射安全監(jiān)管設(shè)備，但要想保證該設(shè)備的有效運(yùn)作，需對其探測到的輻射劑量率數(shù)據(jù)和位置信息進(jìn)行保存和管理，還需要開發(fā)一套相應(yīng)的軟件。該軟件能實(shí)時(shí)保存設(shè)備上傳的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地展示，方便監(jiān)管中心的工作人員隨時(shí)進(jìn)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(jìn)行介紹。