一種適用于核電站使用的耐輻照彩色廣角攝像機的設計方案研究

曹迪 景弋 望超

摘 要：當前，基于CCD、CMOS攝像機的圖像質量已經可以很好地滿足現代核工業領域發展需求，對于核電站領域的發展來說有著非常重要的作用。本研發成果旨在深入研究基于核電站耐輻射電視監視系統在核電廠的應用，在調研總結國內相關技術的基礎上，研究和設計一款國產化彩色耐輻射電視攝像系統，可用于國內核設施以及大型先進壓水堆工程的耐輻射電視監視系統。

關鍵詞：核電站；耐輻照；彩色廣角攝像機；設計

中圖分類號：TB89 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0137-02

Abstract：At present， based on CCD， the image quality of CMOS camera can be very good to meet the requirements of the development of modern nuclear industry， the development of the nuclear power field plays a very important role. The further study of application of radiation resistant video surveillance system based on nuclear power plants in the nuclear power plant to the research results， summarizes the domestic and related technology research on the research and design of a domestic color TV camera system radiation resistance， can be used for domestic nuclear facilities and large-scale advanced PWR engineering anti radiation TV monitoring system.

Key Words：nuclear power plant； radiation resistance； color wide-angle camera； design

1耐輻照彩色廣角攝像機設計概況

1.1設計目的

近年來，我國現代核工業領域在發展過程中主要以攝像管作為電視攝像系統的圖像傳感設備。這種攝像機的優缺點非常明顯，其中的優點主要為：耐輻照性能較強，在實際使用過程中可以其的耐輻射可達到（TID=105～106Gy），對于現代的核工業領域的發展來說起到了非常重要的作用。然而，這種攝像機在實際應用過程中常常會因為多種原因導致其中存在著一定的不足，主要體現：使用壽命較短，攝像管的壽命通常只有數千小時，目前僅有的幾個供應商提供的攝像管在5000-10000小時間，無法滿足現代核工業設備的續運行要求。

1.2設計內容

以核電站現有的監視系統為基礎對核電站中輻照現狀、設備運行狀況等方面進行深入研究，并根據所得結果制定出一套科學、合理的設計方案，只有這樣才能從根本上提升攝像機的耐輻照能力，滿足現代核工業發展的需求。另外，通過對彩色廣角耐輻照攝像機的研究還可以將核電站中現有的電視監控系統進行全方面優化，并將其在一些大型的核電站工程中應用，只有這樣才能將彩色廣角耐輻照攝像機的真正功能價值體現出來。

通過對光電部件、光學鏡頭、屏蔽結構等方面的研究，設計并通過試驗驗證，設計的彩色耐輻射攝像機經測試至少應能夠達到3.5×104Gy =3.5 ×106rad[Co60]的累積輻射劑量。同時，圖像性能滿足“GB50115-2009工業電視系統工程設計規范”的要求，耐輻照性能達到或超過同行業進口同類產品的水平，能滿足多個堆型核電站耐輻照電視監控系統的技術要求。

2耐輻照彩色廣角攝像機設計實施方案

2.1電子部件核加固

普通CCD、CMOS攝像電路一般能承受輻照≈200Gy，通過對電子元器件進行大量篩選，采用耐輻照性能更好的元器件和電路，提升攝像機光電部件的本質耐輻照性能?，F代攝像系統通常由鏡頭（Lens）、圖像傳感器（CCD）、AFE/DSP（數字圖像處理器）等幾個核心單元輔以外圍電路元件構成，對CCD和AFE/DSP單元的篩選是本次電路優化設計的關鍵，在篩選過程中我們應堅持的原則是：電路越簡單越可靠、越是分立元件越可靠。經篩選并優化設計后，所選用的攝像機CCD光電部件經測試后的耐輻照性能達到了1000Gy時，已達到普通一體機芯耐輻照的5倍。

2.2屏蔽結構的優化

在輻射防護技術中，我們通常用“半價層”和“十分之一價層”的厚度來體現某種材料的防輻射能力。理論上講，雖然各種材料對射線的衰減系數不同，但只要具有足夠厚度，任何材料均能將輻射衰減到目標強度。但工程項目中需要綜合考慮體積、重量、均勻性、可靠性、可行性等問題。因此我們在選取屏蔽材料時，一般優先選擇更高半價層的鎢和鉛。其中相較于鎢，鉛更具價格優勢，因此最被廣泛應用；而與鉛比較起來，鎢的優勢是對高頻率γ射線的屏蔽效果更好、更堅固、穩定、清潔環保，因此被更多的應用于醫療、高端制造業。

根據公式：

I/I0=Be-μR

其中，比值I/I0稱為γ射線衰減倍數；B為累積因子，由γ射線的能量、介質種類及狀態等條件決定的；R為吸收體厚度；μ為衰減系數，單位為cm-1。公式中所需的μ和B可以通過查表獲得。經計算得到屏蔽材料厚度與設備尺寸及重量的關系請參見表1。

通過上表的計算結果進行對比及綜合分析，在合適的體積和重量下，采用4cm左右的鎢作為屏蔽外殼是綜合性能最佳的方案。

2.3非褐化廣角潛望鏡頭設計

鏡頭設計的核心是采用耐輻照性能更好的光學材料研制鏡頭，通過光學設計彌補輻射屏蔽的結構缺陷，提升整機耐輻照性能，使得鏡頭在很高的輻射劑量下也不會發生褐變。如圖1所示，通過耐輻射光學鏡片、成熟的光學工業設計，得出一種L形90度折彎，具有潛望成像結構的耐輻照鏡頭，將鏡頭取景口前移至攝像機取景窗，因此攝像機的視角可被設計為15度至180度，不受屏蔽殼的限制和遮擋。

3耐輻射照彩色廣角攝像機的技術特點

3.1 90°廣角鏡頭

有些場合沒有足夠空間安裝云臺變焦攝像機，90°廣角鏡頭解決了在狹小空間全景監視的需要；配置90°廣角鏡頭的攝像機，不必再配置云臺和變焦鏡頭，省卻了很多傳動部件和機電設備，結構更簡單，可靠性更高，可以有效的保證核工業的使用安全。

核電站、核設施里有很多需要視頻監視的狹小隔間，90°廣角監視可以為用戶提供盡可能完整的場景圖像，也有利于記錄更多的圖像信息便于在日后追溯。

3.2耐輻照能力達3.5×104Gy

通過測試，本次研發的攝像機耐輻照性能非常優異。對比進口同類型產品，在更小體積、更輕重量的條件下，實現耐輻照性能提升一倍多，耐輻照累積劑量達到3.5×104Gy。

基于本次設計的耐輻照鏡頭口徑遠小于同類型產品，攝像機在屏蔽外殼上的視窗開孔很小，因此輻射屏蔽缺陷區相對其他同類型產品小很多。

3.3可擴展性

本次設計中，耐輻照攝像機機芯較其它進口品牌同類型產品體積更小，因此屏蔽厚度較其它產品增加了10-20mm，這使得攝像機有更厚的屏蔽層用于提升攝像機的輻照防護能力，因此使其在實際應用中的適用性更加廣泛，并取得了良好的成績。

本次設計的耐輻照攝像機是在采用工業級光電元件的基礎上實現了設計目標，如換用軍工級和航天級光電元件后性能將進一步提升，因此其在后續仍有很大的提升空間。

4國內外耐輻射照攝像機技術對比

目前采用同類技術的主流國外制造商包括：美國Mirion （原IST-Rees） 、 俄羅斯Diakont、 瑞典Ahlberg，以下是關鍵技術差異對比表參見表2。

本次設計成果較幾個國際主流品牌在耐輻照性能上具有較大優勢，且在攝像機鏡頭上也具有獨特性，填補了相關產品的空白。在國內同類型產品的橫向比較中，本次成果的優勢也非常明顯。

5設計成果作用意義與推廣應用前景

國際原子能機構預測，到2030年全球的核電發電量將實現翻倍；國務院常務會議2012年10月24日討論通過的《核電安全規劃（2011-2020年》與《核電中長期發展規劃（2011-2020年）》，明確中國未來核電站建設采用全球最高的安全標準，同時規劃到2020年中國核電運行容量和在建規模容量共計8800萬千瓦。

截至2016年底，我國在建和在運行核電機組已達55臺。按照單機組投用耐輻照攝像機8臺估算，我國全部核電站在投入運行后須有近400余臺耐輻照攝像機同時在線運行。假設國產耐輻照攝像機較同類進口產品的平均采購成本低10萬元人名幣，如果按照每1-2個換料周期更換一次耐輻照攝像機計算，僅投用國產耐輻照攝像機每年將節省采購開支就達2000萬元人名幣。

6結語

本文對適合核電站使用的耐輻照彩色廣角攝像機的設計進行了簡單的研究，并提出了一套完整的設計思路和設計方案，通過試驗驗證了其可行性，試驗結果與目前主流的同類產品有很大及技術優勢，而且還有一定的提升空間。隨著新材料和新技術的發展，現在存在的一些技術瓶頸正在被迅速突破，相信在不久的將來一些技術成熟、使用壽命長的耐輻射攝像機會內大量運用在核電項目中去。

參考文獻

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