γ相機(jī)微型化設(shè)計(jì)探索

田 超 王 波 呂煥文 劉嘉嘉 夏明明

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

0 引言

放射性源項(xiàng)是輻射防護(hù)工作的源頭，輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)首先需要弄清放射性源項(xiàng)的位置分布及核素組成。放射性源項(xiàng)測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)于反映輻射屏蔽效能和人員輻射劑量方面具有重要意義。

γ相機(jī)作為一種常用γ射線成像設(shè)備，是一種能夠在遠(yuǎn)距離條件下，以最直觀可視的方式得到放射源的位置分布以及污染區(qū)劑量分布的顯像設(shè)備，目前被廣泛應(yīng)用于各種核設(shè)施的輻射防護(hù)、退役去污、核事故響應(yīng)、屏蔽評(píng)估、環(huán)境保護(hù)、核廢物分類(lèi)測(cè)量等領(lǐng)域。

γ相機(jī)成像可以反映監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)是否存在放射性以及放射性強(qiáng)度的空間分布，并準(zhǔn)確判斷放射性核素的種類(lèi)，達(dá)到對(duì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的放射性物質(zhì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位的目的。γ射線成像技術(shù)是一種更加符合ALARA原則的核輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 γ相機(jī)微型化、輕量化發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于一般工業(yè)產(chǎn)品，尤其是檢測(cè)儀器或相關(guān)測(cè)量產(chǎn)品，在滿(mǎn)足其功能的前提下，體積及質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)大多是微型化、輕量化，其中對(duì)部分產(chǎn)品的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)多為微型化或者輕量化。微型化、輕量一方面可能會(huì)帶來(lái)更好的體驗(yàn)感，比如頭戴類(lèi)設(shè)備，手持類(lèi)檢測(cè)儀器；另一方面，對(duì)于生產(chǎn)制造成本和運(yùn)輸成本會(huì)有一定的降低。應(yīng)急檢測(cè)儀器或設(shè)備，相比一般工業(yè)產(chǎn)品，更偏向于微型化和輕量化。因?yàn)槲⑿突⑤p量化意味著一旦發(fā)生緊急情況時(shí)，特別是快速反應(yīng)時(shí)間很短的突發(fā)情況，其能夠?qū)崿F(xiàn)快速布置，則具備更快的響應(yīng)速度，極有可能影響事件結(jié)果走向。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的眾多核事故資料顯示，由地震、火災(zāi)或機(jī)械故障等突發(fā)事件造成的安全事故居多。由于突發(fā)事件應(yīng)急行動(dòng)的急迫性，需要γ相機(jī)具備如下特點(diǎn)：靈敏度高、探測(cè)時(shí)間短、體積小、質(zhì)量輕[1]。同時(shí)，對(duì)于核應(yīng)急、核輻射監(jiān)測(cè)γ相機(jī)，其檢測(cè)對(duì)象為未知目標(biāo)環(huán)境，需要移動(dòng)其到目標(biāo)環(huán)境所在區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，因而微型化、輕量化是其發(fā)展趨勢(shì)之一。

近年發(fā)布的NuVISION產(chǎn)品，其體積和質(zhì)量相比于之前產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢(shì)。據(jù)了解，國(guó)外CEA LIST機(jī)構(gòu)正在研發(fā)的GAMPIXγ相機(jī)，其整體質(zhì)量不超過(guò)1 kg。目前，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研發(fā)的便攜式γ相機(jī)，其大致尺寸為352 mm×173 mm×229 mm，質(zhì)量為2.5 kg，可以作為一款手持式便攜設(shè)備使用。總體來(lái)看，現(xiàn)階段市面上γ相機(jī)產(chǎn)品已基本實(shí)現(xiàn)便攜性功能，部分國(guó)外產(chǎn)品亦能作為手持式便攜探測(cè)設(shè)備進(jìn)行使用。

2 γ相機(jī)手持使用及其人機(jī)工程

人機(jī)工程學(xué)通過(guò)揭示人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，以達(dá)到確保人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化。在人機(jī)工程學(xué)中，對(duì)于人體特性的研究，主要目的是解決機(jī)械設(shè)備、工具、作業(yè)場(chǎng)所以及各種用具和用品的設(shè)計(jì)如何與人的生理、心理特點(diǎn)相適應(yīng)，從而為使用者創(chuàng)造安全、舒適、健康、高效的工作條件[2]。γ相機(jī)作用是對(duì)潛在輻射環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，確認(rèn)環(huán)境中輻射源位置及其分布情況，使用環(huán)境存在輻射風(fēng)險(xiǎn)，在有測(cè)量人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，一般需穿戴相關(guān)防護(hù)服，同時(shí)作業(yè)環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)量人員產(chǎn)生一定的心理影響因素，因而從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，研究其微型化應(yīng)用及設(shè)計(jì)具有重要意義。γ相機(jī)具有以下一些使用方式：（1）作為便攜式設(shè)備，通過(guò)手持的方式，對(duì)目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)；（2）搭配固定支撐平臺(tái)，進(jìn)行探測(cè)；（3）搭配事故應(yīng)急機(jī)器人或無(wú)人機(jī)使用（能夠無(wú)線傳輸圖像）。

在進(jìn)行手持使用的時(shí)候，從人機(jī)工程學(xué)角度考慮，γ相機(jī)的物理尺寸、質(zhì)量及手持方式、顯控屏布置及其可操作性等是影響作業(yè)人員在使用γ相機(jī)時(shí)，操作便利性、舒適性的關(guān)鍵因素。本文以測(cè)量方向?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn)，研究了現(xiàn)有γ相機(jī)產(chǎn)品輪廓及手持握把、顯控屏布置方式，其結(jié)果主要分為如下幾類(lèi)：

（1）垂直測(cè)量方向，握把布置于本體頂部，顯控屏垂直測(cè)量方向布置于本體后端或本體不含顯控屏，如圖1（a）所示，紅色線條方向?yàn)闇y(cè)量方向（下同），相關(guān)產(chǎn)品：柯雷R(shí)C510、Polaris-HTM Quad。該種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于手持檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一種單手著力橫向抓握布置形式，測(cè)量時(shí)單手手指彎曲，與手掌形成夾握，拇指施力，力作用線與小臂垂直[2，3]。由于測(cè)量人員需對(duì)準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)，操作及觀察顯控屏界面，設(shè)備大概平于測(cè)量人員胸前位置，視線與屏幕存在一定夾角，未正對(duì)屏幕，手臂承受向下的拉拽力，在較長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中，比較容易產(chǎn)生疲勞，且操作不便。

圖1 測(cè)量布置方式示意圖

（2）平行測(cè)量方向，握把布置于本體頂部，顯控屏布置于本體后端與測(cè)量方向垂直或成一定夾角以便正對(duì)測(cè)量人員視線，如圖1（b）所示，相關(guān)產(chǎn)品：NuVISION、RL1000-P、高能所HENT33-013A等。該種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于手持檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一種單手著力豎向抓握布置形式，測(cè)量時(shí)單手手指彎曲，與手掌形成夾握，拇指施力，力作用線與小臂垂直。相比橫向抓握，該種布置方式能夠更好地控制由于設(shè)備重力產(chǎn)生的前后轉(zhuǎn)矩影響。

（3）平行測(cè)量方向，握把布置于本體側(cè)面中心位，顯控屏布置于頂端與測(cè)量方向成一定夾角，正對(duì)測(cè)量人員視線方向，如圖1（c）所示。該種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于手持檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一種單手著力豎向抓握布置形式，測(cè)量時(shí)單手手指彎曲，與手掌形成夾握，拇指施力，力作用線與小臂垂直。同時(shí)該種布置方式在本體另一側(cè)的底部布置托舉區(qū)域，提供雙手協(xié)同抓握γ相機(jī)產(chǎn)品的握持方式，可有效緩解較長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量手臂的疲勞度，由于握把不在頂端，保持設(shè)備平于胸前時(shí)，手臂上抬高度相對(duì)較低，具有更好的操控性及舒適性。

3 γ相機(jī)模塊化設(shè)計(jì)

在搭配固定支撐平臺(tái)或者是應(yīng)急機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等使用時(shí)，γ相機(jī)的物理尺寸、質(zhì)量、快速裝配等是影響其使用的重要考慮因素，同時(shí)在某些情況下，可能要求具備圖像無(wú)線傳輸?shù)墓δ堋Ｈ绻凑諅鹘y(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，將γ相機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)籌到一體，進(jìn)行整體式的設(shè)計(jì)制造，一方面可能犧牲部分使用功能，比如由于質(zhì)量過(guò)重，無(wú)法搭載小型應(yīng)急機(jī)器人或無(wú)人機(jī)等；另一方面，不能更好地實(shí)現(xiàn)部分功能需求，比如快速裝配性較差，整體尺寸偏大等。

模塊化通常意義是指解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過(guò)程，有多種屬性，分別反映其內(nèi)部特性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的模塊化是對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，以滿(mǎn)足不同的產(chǎn)品需求。基于γ相機(jī)的不同使用方式，以中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院在研的一款γ相機(jī)產(chǎn)品為例，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)探索。

圖2為中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院在研的一款γ相機(jī)產(chǎn)品原理結(jié)構(gòu)示意圖。該相機(jī)采用準(zhǔn)直孔成像原理，同時(shí)搭配光學(xué)相機(jī)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)環(huán)境圖像情況，并以合成圖像的方式進(jìn)行結(jié)果顯示。根據(jù)γ相機(jī)使用方式及其對(duì)應(yīng)的功能需求和硬件組成，對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，可分為以下幾部分。

圖2 原理結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 探測(cè)端頭模塊

包含編碼板、光學(xué)相機(jī)、探測(cè)晶體陣列、交換機(jī)、SIPM模塊、無(wú)線元件等；其功能是實(shí)現(xiàn)入射γ射線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)通過(guò)光學(xué)相機(jī)采集被測(cè)目標(biāo)環(huán)境信息。

3.2 顯控器模塊

包含上位機(jī)電子系統(tǒng)及其顯示屏、操作面板等；其作用是處理探測(cè)端頭傳輸?shù)男盘?hào)，進(jìn)行圖像解碼重建，結(jié)合光學(xué)圖像進(jìn)行輸出顯示。同時(shí)提供作業(yè)人員操作面板。

3.3 電池模塊

獨(dú)立蓄電池，供電系統(tǒng)，可外接電源充電。

3.4 輔助裝配模塊

包含快裝快拆結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其功能是實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的快速組合及組合后的整體與附件模塊之間的快速組合，該模塊可獨(dú)立成物理單元也可分散設(shè)計(jì)與其他模塊之上。

3.5 附件模塊

附件模塊不包含在γ相機(jī)產(chǎn)品中，但考慮到與其使用方式密切相關(guān)，因而將其劃分為單獨(dú)模塊，該模塊包含使用過(guò)程中可能搭配的應(yīng)急機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、固定平臺(tái)（例如便攜式三角支撐架）等。

根據(jù)γ相機(jī)使用情況，各部分模塊組合如圖3所示，其中搭配固定平臺(tái)使用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，考慮是否使用顯控器模塊及電池模塊。根據(jù)實(shí)際使用情況靈活組成也是模塊化設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)。

圖3 模塊劃分及組合示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

γ相機(jī)微型化、輕量化是符合ALARA原則的發(fā)展趨勢(shì)，由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，結(jié)合人機(jī)工程及其具體使用方式對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮，具有重要意義。在作為便攜式探測(cè)設(shè)備進(jìn)行手持使用時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其輪廓尺寸、質(zhì)量、握持方式等對(duì)操控便利性的影響；在考慮搭配應(yīng)急機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等附件進(jìn)行使用時(shí)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)具備更高的靈活性，可以針對(duì)不同的場(chǎng)景情況及使用方式，通過(guò)不同模塊的快速組合和快速安裝，匹配最適合當(dāng)前探測(cè)環(huán)境及探測(cè)方式的γ相機(jī)軟硬件系統(tǒng)。