防護水平γ參考輻射準直照射裝置的設計優化

（中廣核工程有限公司，廣東深圳,518124）

防護水平γ參考輻射準直照射裝置的設計優化

麻金娜,周 巍

（中廣核工程有限公司，廣東深圳,518124）

輻射計量實驗室是核電廠輻射防護儀表校準與刻度實驗室，為全廠絕大部分便攜式輻射防護監測儀表提供計量刻度功能，每個項目基地配備一套計量刻度設備。實驗室有兩個校準裝置：防護水平γ參考輻射準直照射裝置和α/β表面污染儀校準裝置。本文主要介紹γ準直照射裝置的設計及優化方案。

核電廠;照射裝置;校準

0 引言

防護水平γ參考輻射準直照射裝置是核電廠輻射計量實驗室的主要工藝設備，因輻射計量實驗室為全廠共用子項，每個核電廠需配置一套此裝置。該裝置的主要功能為為全廠大部分便攜式輻射防護監測儀表提供計量刻度功能，以完成常規檢驗。這些功能的實現由一系列的γ標準放射源、相應的標準儀表、配套的非標準機械裝置以及計算機控制系統綜合完成。本文通過項目執行經驗反饋對裝置提出了設計及優化方案，滿足核電廠輻射儀表的實際計量校準功能需求。

1 γ準直照射裝置的設計

1.1 概述

輻射計量實驗室是核電廠輻射防護儀表校準與刻度實驗室，為全廠絕大部分便攜式輻射防護監測儀表提供計量刻度功能。實驗室需配有兩個校準裝置：防護水平γ參考輻射準直照射裝置（以下簡稱γ準直照射裝置）和α/β表面污染儀校準裝置。本文主要介紹核電廠防護水平γ準直照射裝置的設計及優化方案。

1.2 設備組成

γ準直照射裝置主要由單源及多源裝置、照射臺架、控制顯示系統、標準儀器等設備組成，其工藝布置圖參見圖1。單源裝置、多源裝置用于產生參考輻射場，包括放射源、源（屏蔽）容器以及準直器。照射臺架用于固定支撐待刻度儀器，通過調整距離改變待檢點的輻射劑量率的大小。控制顯示系統包括專用控制器、監控設備、計算機系統等部分，具有控制換源、定時（或計時）照射、快門到位診斷、與安全系統連鎖、小車定位控制、數據獲取與處理等功能。標準儀器主要采用石墨球形電離室，作為量值傳遞的次級標準器具。

1.2.1 單源裝置

單源裝置的設計可以滿足現場換源。采用雙快門方式，其中主快門采用鉛-鎢合金氣動推拉式結構，同時單源裝置還需要設置有輔助快門。單源裝置配置圓錐形準直器，且設計為去散射光闌，光闌為鎢合金制成的多板去散射結構（符合ISO-4037 和GB/ T12162.1-2000 的要求）。單源裝置準直器張角為12°，距離放射源3m處輻射場直徑不小于600mm，能夠滿足大尺寸、高量程儀表的校準需要。單源裝置配置2個鉛衰減器，以實現標準場向低劑量率擴展，鉛衰減器的設計滿足防散射的要求。單源裝置具有安全聯鎖功能，可同計算機連接，由計算機來控制。

1.2.2 多源裝置

多源裝置的轉盤能裝 4 個不同活度γ源，另外還設計了1個空源位作為安全零位，當源裝置關閉時，轉盤的空源位對準出射孔。 多源裝置采用雙快門方式。多源裝置配置圓錐形準直器，且設計為去散射光闌，光闌為鎢合金制成的多板去散射結構（符合ISO-4037 和GB/T12162.1-2000 的要求）。多源裝置具有安全聯鎖功能，可同計算機連接，由計算機來控制。

1.2.3 刻度臺架

刻度臺架包括刻度小車和刻度平臺、軌道和定位系統等。刻度小車和平臺安裝在兩軌道上（縱向走車軌道及橫向移動軌道），可自動移動控制或手動移動控制。刻度小車和刻度平臺采用鋁材料，可以有效降低輻射場中的散射輻射。刻度臺架的設計便于各類型輻射儀表的固定，同時配置轉盤，轉盤能夠同時架設多臺劑量儀，提高檢定工作效率，且轉盤便于拆卸。

1.2.4 控制臺及功能軟件

控制臺系統主要包括西門子的PLC控制器、監控設備、計算機、量值傳遞次級標準器具、打印機和UPS等。功能軟件要求實現換源控制、小車控制、照射控制并在顯示屏上顯示相關信息，同時具有自動參數修正功能，檢定數據和證書管理功能，儀表校準管理功能以及采集和讀取溫濕度等參數功能。

圖1 輻射計量實驗室的工藝設備布置

圖2 系統自動化控制框圖

控制臺系統中的控制部分采用當今工業自動化儀表設備中常用的德國西門子公司S7-300系列可編程系列控制器系統(含電源、CPU、I/O控制模塊、步進、伺服電機定位模塊等)作為控制部分核心器件。系統自動化控制框圖參見圖2。

1.2.5 量級傳遞次級標準器具

量級傳遞次級標準器具用于輻照場劑量率的校準和測量，包括一臺綜合數據顯示儀和兩臺電離室配合使用，能夠校準傳遞、低端刻度校準和全量程測量。

1.2.6 安全連鎖系統

輻射計量實驗室工藝設備安全聯鎖系統的設計、配置及布置充分保證工作人員的安全。照射裝置從工藝設計上考慮斷電、卡源、源裝置快門意外開啟等設備失效故障時的安全措施，確保事故影響最小化。

安全聯鎖系統由輻射屏蔽門、紅外人體報警裝置、源裝置快門、急停開關和固定式場所γ輻射監測報警儀組成，并與控制系統連接。

在輻照室和控制室內各安裝一臺聲光報警器和報警燈箱，在輻照室中安裝一臺輻射劑量監測報警儀。當源裝置開啟或輻照室中的輻射劑量超過設定的輻射劑量報警門限時，在輻照室和控制室中同時產生聲光報警提醒信號，且輻射屏蔽門上方的報警燈箱有警示，此時屏蔽門不能打開。

2 優化設計

2.1 概述

防護水平γ參考輻射準直照射裝置，每個核電廠需配備一套，且要求滿足三級計量技術機構水平。根據項目執行經驗以及核電廠已有設備的運行經驗反饋，該套設備在結構和功能設計上仍需進一步優化。

2.2 優化設計

2.2.1 控制臺改進

根據項目施工經驗反饋，控制臺內部設備安裝板、UPS電源安裝位置在散熱、防電磁干擾、便于現場接線等方面存在改進空間，使布置更加合理；同時在操作面板上增加快門診斷指示，使得功能更加完善。

控制臺體的設計，在美觀設計、操作合理方便方面仍有改進空間，同時可將監控計算機改為工控計算機，提高控制系統及裝置的整體性能及穩定性。

2.2.2 單、多源裝置改進

單源裝置的改進需在保證運行安全、可靠的前提下，減少裝置的體積和重量。根據項目實施經驗反饋，可進一步優化步進電機和行星減速器的體積，同時對準直器的加工工藝進行改進，并對單源裝置內部控制結構進行設計優化，從而進一步減小裝置體積和重量，使得裝置總重量減少40%~50%。

此外，為完善設備功能，在原有主快門診斷的情況下，可考慮在輔助快門上增加二組磁感應到位開關，使輔助快門也具有快門到位診斷功能。

根據項目實施經驗反饋，Am-241外置源裝置因側面出現縫隙，其表面輻射劑量超標(約100μSv/h)。后通過增加一個屏蔽外罩，滿足了要求( ∠10μGy/h)。但美觀欠佳。故Am-241外置裝置存在較大的改進空間，可采用迷宮腔設計方式。源裝置未打開時，將一體化的Am-241準直器拉入迷宮內，設計的迷宮腔能夠滿足技術規格書的要求( ∠10μGy/h)。迷宮腔的門固定在可推－拉移動的Am-241源裝置的準直器上。

考慮到單源裝置和多源裝置的結構差異，可能存在裝置準直器口距源裝置安裝水泥臺面的高度不一致，在校準儀表時，需要通過調節刻度臺架的高度來滿足對單、多源裝置準直器的位置，為便于儀表校準時的定位，可對單源裝置的結構進行優化，使單源裝置和多源裝置離安裝水泥臺的高度保持一致，便于操作。

2.2.3 激光定位儀改進

激光定位儀有點定位和十字定位兩種方式，根據不同的設計需求可選擇相應品牌的設備。在本裝置儀表檢定過程中，點定位激光定位儀其定位精確度較差，故需選擇十字定位產品，實現精確定位。隨著產品的更新換代，定位精確度會越來越高。

2.2.4 小車及刻度臺架改進

小車和刻度臺架是本裝置不可缺少的部分，臺架的優化設計將直接影響測量精確度。優化小車和刻度臺架的布置，減小小車軌道的尺寸，增加橫向移動的平衡裝置，減小小車伺服電機的體積，既改善了美觀，同時提高了裝置性能。但美觀和輕便設計仍有待進一步改進，比如刻度臺架采用輕型鋁件型材進行框架式設計，刻度臺架中的刻度盤上、下移動，采用電動缸控制；刻度盤旋轉定位通過步進電機控制。為實現裝置的整體美觀和減少散射對產生的標準輻射場的影響，在刻度臺架的其它部分可采用低原子序數的樹脂材料檔板和鋁型材框架。

3 結束語

通過以上四項改進的防護水平γ參考輻射準直照射裝置其功能更加完善，提高了測量精確度和穩定性，但從長遠考慮，對裝置結構和功能設計還需進一步優化。且目前國家核電項目陸續開建，將會有極為廣闊的應用前景。

[1] 歐向明.防護水平γ輻照裝置的研制[J].中國輻射衛生，2006,15（3）：302-303.

[2] 郭智榮.γ輻射試驗裝置的設計[J].海軍工程大學學報，2003,15（1）：61-63.

Reference radiation protection levelγcollimated illumination device design optimization

Ma Jinna,Zhou Wei
(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.Guangdong Shenzhen,518124)

Radiation measuring laboratory is used for the calibration and scaling of the radiation protection instruments in nuclear power plant.One whole set of measuring/scaling equipment,used for most portable radiation protection instruments,is installed in every nuclear power plant in China.The lab includes two calibration facilities,Irradiation Facility of γ reference radiation fields with radiation protection level and α/β-ray surface contamination calibration Facility.This article chiefly addresses the design and optimization proposal for theγ- Ray Irradiation Facility.

Nuclear Power Plant;Irradiation Facility;Calibration