高靈敏度行人輻射監測儀在核電廠出入控制口的應用

摘 ? 要： 為了進一步提高某核電廠出入控制口輻射監測性能和效率，選用國內新一代高靈敏度輻射監測儀，并實施適應性改進。將原有門板型設計改造為多探測器前后布置的門框式設計，實現全身分區域測量和報警;對百分比報警、效率報警、最大靈敏度報警進行測試，選擇效率報警作為優選報警方式。改進后，實現了探測靈敏度和通行效率二者兼得：探測報警閾值從108 kBq降低至3 kBq，監測更加精準;采用的通行式設計可使行人無障礙通過，通行能力約為144人/分鐘，兼顧了通行效率和安全檢測。

關鍵詞： 核電廠;探測靈敏度;效率報警;行人輻射監測儀;門框式設計;通行式設計

中圖分類號：TL813 ? ?文獻標識碼：B ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-006-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.002

引言

根據相關國家標準和行業標準，核電廠出入控制口需要配置行人輻射監測儀，對進出廠區的人員進行輻射監測[1-3]。一旦測量的放射性水平超過設定的閾值，行人輻射監測儀將發出警報，并鎖定廠區出入控制系統的旋轉門或三角閘，截住通行的人員，禁止放射性物質離開廠區，避免造成放射源失控事故[4-5]。

某核電廠廠區邊界配置的行人輻射監測儀為門板型監測儀，報警閾值為108 kBq，多人并行通過時，報警閾值進一步提高，達到266 kBq。另外，多人同時通過會致使行人輻射監測儀發生報警后不能快速識別受污染人員。核電廠控制區輻射監測儀雖然能滿足探測下限的要求，但其探測方式屬于攔截式[6]，人員進入監測儀等待一段時間后才能開門通行，如果核電廠主入控制口選擇此類型輻射監測儀，又勢必會影響通行效率。核電廠主入控制口行人輻射監測儀探測靈敏度和通行效率難以同時滿足，正所謂“魚和熊掌不可兼得”。

在保障通行效率的基礎上，為了提高行人輻射監測儀探測靈敏度，某核電廠借助出入控制口行人輻射監測儀停產、無備件、需要改進的契機，經過多方調研，購置到國內研發的新一代高靈敏度行人輻射監測儀，并進行了適應性改進，最終實現了探測靈敏度和通行效率二者兼得。

本文首先對核電廠放射性核素特點進行分析，并在此基礎上提出總體改進方案;其次以探測靈敏度和通行效率二者兼得為原則，對報警方式進行研究與比選;最后對應用效果進行評估，并給出若干探測處置案例。

1 ?核電廠放射性核素特點分析

若要對核電廠出入控制口行人輻射監測儀進行合理的配置設計，首先需對核電廠放射性核素特點，包括主要放射性核素種類，核素的β、γ衰變特點及各自的占比等進行分析，然后確定輻射測量控制的特征核素和γ輻射報警閾值。

經分析，Co-60、Co-58、Cs-137等是核電站主要核素，在常規物品中，其總量占絕大部分;其中 Co-60占比最大，約50%以上，故將其作為γ輻射測量中的特征核素。由于γ輻射探測儀對Co-60衰變的探測有2條γ射線，對其他兩種核素的探測只有1條，即前者的探測效率基本比后者高一倍，所以在以Co-60作為特征核素進行測量時，將人員輻射監測儀報警閾值確定為3 kBq，以滿足《電離輻射防護與放射源安全基本標準（GB 18871-2002）》[1]的要求（參照人員體表污染控制限值0.4 Bq/cm2，身高160 cm的男性的體表面積大概為1.6 m2，對應的放射性活度約為6 kBq，報警閾值取其一半）。

2 ?總體改進方案

將原來主要出入通道的3套門板型行人輻射監測儀升級為4套門框式行人輻射監測儀。4套門框式行人輻射監測儀之間設置安全柵欄，并確保行人不能穿過柵欄。

每套門框式行人輻射監測儀各引出一根信號線纜，與核電廠的旋轉門連接，只要有一套監測儀報警，所有的旋轉門均鎖定。旋轉門鎖定狀態是否解除由核電廠保衛人員控制。行人輻射監測儀故障報警時不閉鎖旋轉門，在維修人員排除設備故障前，行人從其他正常運行的行人輻射監測儀通行。系統構架設計如圖1所示。

探測器是行人輻射監測儀的核心部件。每套行人輻射監測儀配置13個探測器，每個探測器由耦合高靈敏光電倍增管模塊、高壓電路模塊、前置放大電路模塊和信號處理接收發送模塊等組成。探測器雙面“3+3”菱形排列的設計使得測量全覆蓋無盲點，又進一步提高了通行速度。為了降低系統的本底噪聲，除探測面用低原子序數的鋁以外，其他面采用25 mm厚的低本底老鉛作為屏蔽。耦合高靈敏光電倍增管采用防震結構設計。探測器電子學部分具有故障反饋功能，使控制中心及上位機用戶清楚地知道探測器的工作狀態，實現全身分區域測量和報警。每套行人輻射監測儀中探測器的排布方式和安裝完成后的行人輻射監測儀分別如圖2a和圖2b所示。

3 ?報警方式研究與比選

行人輻射監測儀的報警方式有三種：百分比報警、效率報警、最大靈敏度報警。

3.1 ?百分比報警

測量值與本底值之間的差值（即測量時凈增長的計數）大于或等于本底值的a%時[7]，觸發報警，即

（1）

其中，為監測儀的實時計數率，指的是監測儀在觸發占位時13個探測器實時疊加的總cps值;為監測儀本底更新后得到的計數率，指的是檢測儀在未觸發占位時13個探測器測得的總cps值;a為用戶自己設定的系數，在1～100之間，設定系數時應避開探測器的正常的統計漲落，否則容易引起誤報。比如，若本底值為10 000 cps，探測器的正常統計漲落值（本底正常的波動區間）為±200 cps，那么設定系數a為1就會觸發誤報（1%×10 000=100）。

3.2 ?效率報警

使用一定活度的已知核素（如Co-60）作為放射源通過監測儀，當放射源活度大于預設的特定核素（如Co-60）活度報警閾值時，監測儀給出輻射報警提示[8]。用戶可根據實際情況在核素庫中選定特定核素。

報警觸發條件：

（2）

其中：

（3）

為預設的特定核素活度報警閾值，本項目預設值為3 kBq;為一定活度的已知核素放射源通過監測儀時測得的該放射源的活度;ε為被測放射源的活度響應（單位：S-1/Bq），是將標準源放在門框幾何中心刻度出來的效率值;和與前述百分比報警相同。

3.3 ?最大靈敏度報警

當監測儀測量值大于預設的最大靈敏度報警閾值時，監測儀給出輻射報警提示。最大靈敏度報警方式與百分比報警接近。

報警觸發條件：

（4）

其中，和與前述百分比報警相同;為決定誤報率的本底系數，與百分比報警中的a系數一樣，設定時需要避開本底正常的統計漲落，防止觸發誤報;為測量時間（默認為1 s）;為本底更新時間（默認為60 s）。

經現場測試，效率報警既能確保探測靈敏度，又能實現長期運行穩定，最終核電廠選擇了效率報警方式。

4 ?應用特點分析

為了提升探測靈敏度，對行人輻射監測儀進行了如下適應性改進：

（1）采用門框式設計，并縮短門框的間距，實現：

① 提高整個監測儀的探測效率，從而降低輻射探測下限，降低報警閾值;

② 限制只能一人通過，避免多人同時通行形成的屏蔽，提高探測可靠性。

（2）采用多探測器布置，增加探測器的總有效體積，實現：

① 提高總體探測效率，同時降低每個探測器的本底計數，降低報警閾值;

② 針對人體不同部位，采取分區統計和數據處理，實現人體分部位測量和污染報警，精確定位。

（3）多探測器前后布置（沿豎直方向分別并列設置）。按進出方向前后分區，通過前后分區出現計數峰值的不同時間，判斷人員的進出方向。

（4）采用鉛屏蔽設計，減小環境本底的影響，降低報警閾值。

（5）采用通行式設計，不設欄桿，提高人員通行效率。

（6）在門框的進出口分別設置紅外線探測器，用于測量的啟/停控制。

（7）安裝攝像頭，進行監控和視頻抓拍，通過視頻抓拍記錄，快速定位觸發報警的人員。

（8）優化輻射監測儀就地本底預置設置方法，將固定值更改為可變系數，使參與計算的本底數值高低隨現場環境本底變化而改變，消除環境本底變化對測量結果的影響。

5 ?應用效果評估與處置案例

5.1 ?通行效率測算

出入控制口處記錄得到最高峰通行人數為89人/分鐘，4臺行人輻射監測儀的通行能力約為144人/分鐘，滿足通行效率要求。即使1臺行人輻射監測儀出現故障，另外3臺行人輻射監測儀也能滿足通行效率要求。

5.2 ?處置案例

4臺行人輻射監測儀在2019年3月投入運行后，曾出現2起微弱的放射性物資進出保衛邊界的偏差：

（1）2019年4月4日，某廠家維保人員在通過行人輻射監測儀時發生報警。檢查發現為維保人員隨身攜帶的源機維保工具中的一個假源鞭和一個導管轉接頭所致，其中導管轉接頭的接觸劑量率為1.9 μSv/h，沒有發現松散的表面沾污。注：射線探傷用的都是密封的放射源（Ir-192、Co-60等），導管轉接頭本身是沒有放射性的金屬材料。導致報警的原因是導管轉接頭在使用過程中受到輕微放射性沾污。

（2）2019年4月9日，電廠工具庫采購的釷鎢電極由人員攜帶進廠時，觸發行人輻射監測儀報警。釷鎢電極單盒接觸劑量率為0.43 μSv/h，距離0.1 m處為0.18 μSv/h。注：釷鎢電極含有氧化釷（ThO2）用于焊接起弧，電廠按工具采購，焊工按需領用。Th-232是帶有α射線的放射性核素，是導致行人輻射監測儀報警的主要因素。報警發生后，電廠立即采購沒有放射性的鈰鎢電極替代釷鎢電極。

6 ?結束語

本文引入國內新一代高靈敏度行人輻射監測儀，并推動其在核電廠落地應用，在解決通行效率的同時，提升了探測靈敏度，進一步提高了廠區出入口輻射監測性能和水平，也為后續其他核電廠的監測設施改進提供了藍本。

參考文獻

[1] 電離輻射防護與放射源安全基本標準： GB 18871-2002[S].

[2] 放射性物質和特殊核材料監測系統： GB/T 24246-2009[S].

[3] 行人與行李放射性監測裝置校準規范： JJF 1266-2010[S].

[4] 馬宇箭. 輻射監測系統國產化方向研究[J]. 核電子學與探測技術， 2009， 29（5）： 1235-1240.

[5] 肖波， 覃國秀， 陳辛， 等. 輻射監測儀表在深圳大運會上的應用[J]. 核電子學與探測技術， 2012， 32（8）： 956-959.

[6] 徐長河， 藍永輝. Modbus TCP/IP工業通信協議在陽江核電的應用[J]. 工業技術創新， 2015， 2（2）： 183-190.

[7] 王璨輝， 陳峰. 小型智能化區域γ監測儀的研制[J]. 核電子學與探測技術， 2008， 28（4）： 680-682.

[8] 宋江學， 沈楊， 鄧長明， 等. 手腳αβ污染監測儀的軟件設計[J]. 核電子學與探測技術， 2011， 31（11）： 1228-1230.

作者簡介：

林國強（1983—），通信作者，男，廣東人，全日制本科，工程師，于大亞灣核電運營管理有限責任公司從事核電廠儀控系統改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

林國強（1983—），通信作者，男，廣東人，全日制本科，工程師，于大亞灣核電運營管理有限責任公司從事核電廠儀控系統改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

林國強（1983—），通信作者，男，廣東人，全日制本科，工程師，于大亞灣核電運營管理有限責任公司從事核電廠儀控系統改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

Abstract： In order to further improve the radiation monitoring performance and efficiency of the access control in a nuclear power plant， a new generation of high sensitivity pedestrian radiation monitor in China is selected and the adaptive improvement is implemented. The original door panel design is transformed into a door frame design with multiple detectors arranged in front and back to realize the whole body measurement and alarm in different areas; the percentage alarm， efficiency alarm and maximum sensitivity alarm are tested， and the efficiency alarm is selected as the optimum alarm mode. After improvement， both detection sensitivity and efficiency are achieved： the detection alarm threshold value is reduced from 108 kBq to 3 kBq， and the monitoring is more accurate; the adopted passway design can make pedestrians pass through without obstacles， with a capacity of about 144/min， balancing the efficiency and the safety.

Key words： Nuclear Power Plant; Detection Sensitivity; Efficiency Alarm; Pedestrian Radiation Monitor; Door Frame Design; Passway Design