高氣壓電離室環境適應性、可靠性和計量特性的設計與測試

李 莉,高 飛,陳義珍,倪 寧,寇寧寧,趙 旭,王菲菲,王子琳,丁雨陽,劉佳瑞

(中國原子能科學研究院,計量與校準技術重點實驗室,中核核工業計量與測試技術重點實驗室,北京 102413)

高氣壓電離室具有自身本底低、穩定性好和精確度高等優點,被廣泛用于環境水平X、γ輻射劑量率測量,涉及核電、環保、輻射防護、本底調查、科研和教學等領域[1-2]。固定式高氣壓電離室是我國環境輻射監測網絡系統中的重要組成部分,它在核電站安全運行或核事故早期預警中發揮著不可替代的作用。目前我國環境監測網絡系統中大部分采用美國GE公司高氣壓電離室產品開展輻射劑量監測。為盡快實現該類產品的國產化,本工作開展了高氣壓電離室產品化研究,在保證計量性能前提下,提升其環境適應性和可靠性,通過對電離室探頭和外殼優化設計,提升其環境適應能力;通過優化設計電子學系統,降低電子學噪聲,提高電子學系統測量微弱電流的準確性和穩定性,提升產品可靠性。通過計量性能測試和第三方通用質量性能測試,以驗證其計量性能指標符合環境水平空氣比釋動能次級標準電離室使用要求,通用質量性能滿足相關計量技術管理規定要求。

1 高氣壓電離室測量原理

高氣壓電離室由探測器系統和電學系統兩部分組成。電離室探頭和電離室外殼一起組成探測器系統,主要用于X、γ射線輻射探測。核電子學系統、軟件控制系統一起組成電學系統,用于電離電流收集、處理和顯示。高氣壓電離室探頭由高壓極(陰極)、收集極(陽極)、絕緣端子等部分構成。高氣壓電離室探頭原理示于圖1,當X、γ射線作用到高氣壓電離室上時,它們與充入的氬氣相互作用,致使氬氣原子電離產生電子,在電場的作用下電子被收集極收集形成電流,電流大小與入射粒子數量及能量成正比。后端核電子學系統通過三同軸絕緣端子收集微弱電流信號,并轉換成電壓信號,實現信號的采集、數據處理,并將電流信號轉換成劑量率信號,在上位機軟件上顯示測量結果。

圖1 高氣壓電離室探頭原理圖

2 通用質量性能優化設計

為使研制的高氣壓電離室產品滿足作為環境水平空氣比釋動能次級標準電離室使用,亦可作為高準確度工作計量器具使用,攜帶至現場開展量值傳遞和輻射劑量監測,高氣壓電離室不僅要具有較好的計量性能,還需要滿足一定的通用質量性能指標,如環境適應性,包括高低溫以及抗振動沖擊能力。另外,還需具備一定的可靠性、電磁兼容性等。本工作從電離室外殼、探頭結構和電子學系統等方面進行優化,提升環境適應性和電磁兼容性,提升高氣壓電離室的通用質量性能。

2.1 環境適應性設計

環境適應性是高氣壓電離室在其壽命期限內預計可能遇到的各種環境條件下能實現其所有預定功能而不被破壞的能力,設計中高低溫設計、熱設計遵循電子學設備設計通則要求,針對高氣壓電離室,主要從抗振動、沖擊設計和防水防潮設計等方面采取相應的優化措施,以便提高能量補償型高氣壓電離室的環境適應能力,使其滿足貯存/工作-10 ℃～45 ℃;相對濕度25%～75%;振動位移幅度3.5 mm,頻率2 Hz(帶包裝);沖擊加速度峰值20 m/s2(帶包裝)的環境適應性要求。

2.1.1抗振動、沖擊設計 為滿足運輸過程中抗振動沖擊要求,高氣壓電離室外殼采用一體化開模設計,同時為提升塑料外殼強度,通過增加壁厚和增加豎向加強筋加強整體結構,有效加強外殼結構的穩固性。外殼厚度從原有的5 mm改為現有的5.5 mm,并新增6條豎向加強筋,保證外殼結構的穩固。外殼內襯設計緩沖棉,采用乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)材料,用于保護探頭,減輕振動影響。

高氣壓電離室探頭收集極(陽極)采用球殼結構和導電性較好的不銹鋼材料,球殼半徑為60 mm、壁厚度0.3 mm,重量約130 g。振動沖擊過程中,為保證探頭工作正常性,需要加強探頭收集極與高壓極之間的穩固性,保證絕緣端子能夠承受一定的力學沖擊,避免焊接處斷裂。優化設計中,提出三個方案改進探頭結構。

方案1。收集極由不銹鋼球改換成塑料球以減輕收集極重量。球體表面均勻噴涂石墨以保證良好的導電性。噴涂石墨后的塑料球作為收集極,其重量為30.6 g,收集極重量明顯降低。

方案2。在保證探頭漏電水平前提下,改進收集極固定模式,將原有的單桿支撐改為同心連接固定方式,即在高壓極和收集極頂部之間采用高絕緣材料的絕緣柱連接,將收集極固定在高壓極中心位置。

方案3。改進絕緣端子結構,提升其力學性能,增加收集極支架與絕緣端子焊接處可伐合金及陶瓷厚度,使絕緣端子可以承受較大的收集極重量。

根據以上3個方案對探頭進行加工并組裝成高氣壓電離室,通過線性劑量率范圍、量程范圍內最大允許誤差、靈敏度因子三個重要計量參數,以及振動沖擊測試結果與原方案進行比較,結果列于表1。

表1 不同電離室探頭測試結果

表1結果表明,方案1將電離室收集極更新為噴涂石墨的塑料探頭后,劑量率線性范圍較窄,一次線性劑量率范圍為0.5～200 μGy/h,可探測的量程范圍為0.5 μGy/h～1 Gy/h,該量程范圍內最大允許誤差超出±5%,且靈敏度因子減小到改進前探頭靈敏度因子的近一半,不適合低劑量率的準確測量。方案2通過改進收集極固定模式,采用絕緣柱固定收集極,改進后的電離室振動沖擊試驗滿足指標要求,但在0.5 μGy/h～1 Gy/h量程范圍內有若干劑量率測量點允許誤差超出±5%,而方案3通過改進絕緣端子結構,與原有樣機性能相比,靈敏度因子略有增大,在0.5 μGy/h～1 Gy/h量程范圍內最大允許誤差在±5%以內,并且通過了振動沖擊試驗。

因此,本工作采用方案3設計的新絕緣端子研制高氣壓電離室。

2.1.2防水、防潮、防塵設計 高氣壓電離室結構上采取全密封設計,使其滿足一定防水、防潮、防塵功能。

(1) 高氣壓電離室的外殼4個端口使用IP67防水接口,具備防潮功能;采用上下殼固定方式設計,上下殼體連接處交錯咬合,槽縫中配備密封圈,提升外殼的密封性,確保內部系統干燥。

(2) 電子學系統置于高氣壓電離室機殼內,為便于測量,將電子學系統分為前置放大電路和主控電路兩部分,其中前置放大電路即微弱電流測量電路,主控電路完成數據的整體測量、處理與上傳功能。

為避免環境濕度對前置放大電路的影響,高氣壓電離室探頭采用探測器-放大器一體化設計,項目組設計了鋁制的屏蔽盒以及屏蔽蓋,前置電路板固定于屏蔽盒內,屏蔽盒采用密封處理,具備防潮防塵功能,滿足IP66防護等級要求,保證了信號輸出的穩定性。

2.2 電磁兼容性設計

高氣壓電離室在設計時需要充分的考慮電磁兼容性設計要求,確保高氣壓電離室的電磁兼容性指標中靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度滿足GB/T 17626.2—2018、GB/T 17626.3—2016的相關要求。

2.2.1電磁屏蔽設計 通過在高氣壓電離室塑料外殼內部噴涂導電漆,可以形成法拉第籠為機殼內部敏感電路提供電磁屏蔽環境。在外殼結合處全部設計有安裝導電膠條的導電槽,并且接觸面與導電槽內表面保持清潔,導電槽內放入導電膠條進行密封處理,保證導電良好。

高氣壓電離室探頭采用探測器-放大器一體化設計,這是由于目前高氣壓電離室的前置電路和探測器輸出是通過低噪聲電纜連接,存在電纜震動對輸出信號產生干擾,探測器信號輸出端由于屏蔽不足而產生外界電磁噪聲通路,探測器信號輸出端與信號線連接的機械強度不夠等問題。因此針對前置電路與探測器輸出端的結構優化十分必要。基于此,項目組設計了鋁制的屏蔽盒以及屏蔽蓋,前置電路板固定于屏蔽盒內,這為電路提供等電磁屏蔽環境,避免外界電磁干擾,屏蔽盒與電離室之間通過屏蔽盒支架連接,屏蔽盒支架采用高絕緣材料,具備一定機械強度。探測器信號輸出端通過插拔口與信號線連接,減少信號輸入路徑,減少干擾源的產生,也利于降低外界電磁輻射的干擾。電離室設計時,能密封處盡量密封,上殼、下殼之間都留有放置導電膠條的導電槽,接觸面與導電槽內表面保持清潔,導電槽內放入導電膠條,保證導電良好。

(1) 電線的選擇。根據傳輸信號電平、信號波形、頻帶范圍、電磁環境、阻抗特性、隔離可能性等條件綜合選擇。

(2) 電線的設計。必須考慮盡量減少耦合并利用現有的空間獲得最佳的間距。

(3) 電線應根據其干擾和敏感特性予以分類,布線時注意小信號線纜與強電路分開布置。

(4) 屏蔽線應使用屏蔽接插件以保證防波套的搭接。禁止使用不能接地的接插件。電纜制作時要求防波套連續屏蔽和有合理的收頭。

2.2.2布線設計 通過合理布線,采用隔離措施,降低線路空間耦合,減小相互干擾和輻射發射。

電路板采用8層設計,其中第二層、第五層、第七層為地平面,第四層為電源層,其他層主要為信號線。在進行布線設計時采用地平面作為電流回路,同時模擬地平面和數字地平面分開且盡量減小地平面的分割;退耦電容盡可能靠近芯片的電源針腳;高壓電源輸出高壓信號走線與其他低壓走線保持安全距離且保持合理安全裕量;敏感的模擬信號走線采用保護環布線,用等電位布線將敏感信號走線包裹降低電流泄露產生的測量誤差。

2.3 可靠性設計

在滿足規定功能要求的基礎上,對高氣壓電離室的可靠性、維修性、體積、重量、費用等指標及研制進度進行綜合權衡與優化設計,使系統故障少、維修快,并以最少費用和最快速度實現系統最佳效能。在保證高氣壓電離室性能的前提下,通過模塊化設計和選用標準件,盡可能簡化產品設計,降低產品的復雜程度,使其可靠性平均故障工作時間(mean time between failure,簡稱MTBF)不小于1 000 h。

在可靠性設計中,為保證設計方案能滿足規定的可靠性定量要求,設計中采取以下措施。

1) 對高氣壓電離室進行模塊化設計,分為高氣壓電離室探頭、電離室外殼、前置放大電路、主控電路、電源模塊、軟件控制系統六個模塊,各模塊相對獨立,模塊之間的連接采用防錯插的排線,避免焊線,方便拆卸與更換。

2) 最大限度的采用通用組件、零部件、元器件,并盡量減少其品種,盡可能不用或者少用非標準件;選用的元器件、材料等組件須具有可靠、穩定的供貨渠道。

3) 根據元器件在產品中的重要性、使用環境、維修級別等,進行優選和可靠性篩選。元器件的質量等級應符合使用環境條件的要求;失效率要符合可靠性的要求;性能指標要滿足功能的要求。

4) 降低溫度的影響。通過元器件老化篩選、參數篩選與匹配、增加電路負反饋深度降低溫度的影響。此外,高氣壓電離室整機功耗約0.5 W,無發熱量較大器件,利用熱傳導、輻射原理進行熱設計,同時增加電源組件與電路測量組件的間距,盡量減少電源產生熱量對測量電路的影響。

5) 降低濕度影響。濕度對電阻值和電容值有較大影響,容易在電路板表面和空氣間產生泄漏電流。采用等電位屏蔽方式降低濕度對高值電阻器、電容器的影響。同時,前置放大電路與高氣壓電離室探頭集成采用一體化氣密設計進一步降低環境濕度的影響。

6) 降低力學環境條件影響。設計新絕緣端子優化探頭結構;在高氣壓電離室探頭與外殼間采用緩震設計,通過開模設計專用緩震泡沫,降低振動和沖擊等機械應力對高氣壓電離室內部組件的沖擊和損傷。

根據優化設計,項目組加工了探頭體積為8 L,充氣壓力為14 atm的高氣壓電離室,其外徑最大尺寸為36.2 cm,高度為48.8 cm,并對其開展計量性能測試和通用質量特性測試。

3 高氣壓電離室計量性能測試

依據JJG 521-2006《環境監測用X、γ輻射空氣比釋動能(吸收劑量)率儀》計量檢定規程[3],在國防科技工業電離輻射一級計量站γ射線空氣比釋動能(防護水平)標準裝置以及X射線空氣比釋動能(診斷水平)標準裝置上對高氣壓電離室樣機劑量率范圍及最大允許誤差、能量響應、角響應等計量性能進行測試。

3.1 劑量率范圍及測量相對誤差

選擇137Cs和60Co γ輻射作為參考輻射,在0.5 μGy/h～1 Gy/h劑量率范圍內進行測試,每個量程上至少選取兩個點進行測試,測試結果列于表2。

表2 劑量率測試結果

表2結果表明,高氣壓電離室樣機可測劑量率為0.5 μGy/h～1 Gy/h,該范圍內每個測試點的相對誤差均在±5%以內。

3.2 能量響應

為了測試評價高氣壓電離室樣機的能量響應特性,依據JJG 521-2006《環境監測用X、γ輻射空氣比釋動能(吸收劑量)率儀》,參考輻射選用過濾束X輻射(87 keV、109 keV、149 keV、185 keV、211 keV 5個能量點),137Cs(662 keV)、60Co(1.25 MeV)γ輻射。能量響應測試結果列于表3。

表3 能響測試結果

表3中能量響應測量結果表明,高氣壓電離室樣機在87 keV～1.25 MeV能量范圍內,能量響應相對于137Cs響應相對誤差在±5%以內。

3.3 角響應

利用137Cs γ輻射場對角響應進行測試,將被測高氣壓電離室按其校準方向放置在已知空氣比釋動能率約定真值的測量點上,其校準方向為0°,通過轉動被測高氣壓電離室改變其入射方向,求取不同角度入射響應值相對于約定真值的相對誤差,在0°～ 360°角度范圍內考察被試設備的角響應指標,測試時每次改變60°,進行角響應指標測試。角響應測試結果列于表4。在0°～360°范圍內,高氣壓電離室角響應相對誤差均在±2%以內。

表4 角響應測試結果

3.4 重復性

在137Cs γ標準輻射場中對高氣壓電離室重復性進行測試,被試設備的采樣時間設置為5 s,在相同條件下連續測量20次。記錄被試設備測量得到的劑量率值,計算相對標準偏差(RSD)作為重復性結果,結果列于表5。

表5 劑量率重復性測試結果

表5中重復性測量結果表明,高氣壓電離室重復性均好于1%。

根據計量性能測試結果,高氣壓電離室計量性能好于JJG 2044-2019《γ射線空氣比釋動能計量器具》中規定的防護水平和環境水平工作電離室計量技術指標要求,可作為現場劑量監測用高準確度工作電離室。

4 通用質量性能測試

對于計量級產品,不僅對計量性能有嚴格要求,其通用質量性能也是客戶關注重點。項目中,依據相應規范,本工作選擇具備通用質量特性測試能力,且該能力通過CNAS認證或CMA認證的第三方測試機構對高氣壓電離室開展了環境適應性、可靠性、電磁兼容三項通用質量性能測試。

4.1 環境適應性測試

環境適應性試驗由第三方測試機構北京蘇試創博環境可靠性技術有限公司進行。

4.1.1高、低溫工作/貯存測試 分別按照GJB 150.3A-2009及GJB 150.4A-2009中規定的試驗方法在北京蘇試創博環境可靠性技術有限公司進行高低溫工作/貯存測試[5-6],高溫試驗溫度+45 ℃,低溫試驗溫度-10 ℃。

試驗在高、低溫濕熱試驗箱中開展,測試時,先開展高氣壓電離室貯存測試,然后開展工作測試,測試步驟如下:在試驗起始階段,被試設備開機預熱5 min后進行初始檢測,然后將溫度調節至測試溫度下,溫度穩定后保持4 h貯存時間,然后將溫度恢復到初始溫度條件并保持2 h,進行貯存后的通電測試。接下來進行被試設備工作測試,被試設備保持通電狀態下,待試驗箱溫度調節到試驗溫度并穩定4 h后直接測試。比較高/低溫試驗后被試設備本底劑量率測量值與試驗起始階段室溫下測量值的相對誤差。由于被試設備本底劑量率易受外界干擾,波動較大,測試中被試設備的采樣時間設置為1 s,取50組數據計算平均值,測試結果列于表6和表7。

表6 電離室高溫工作/貯存測試結果

表7 電離室低溫工作/貯存測試結果

根據北京蘇試創博環境可靠性技術有限公司第三方測試結果表明,高氣壓電離室樣機高/低溫工作/貯存條件下,被試設備環境本底的測量值與試驗起始階段測量示值的相對誤差不超過±5%。

4.1.2濕熱測試 濕熱試驗參考標準GB/T 8993—1998 附件D:恒定濕熱試驗方法開展恒定濕熱試驗[7]。

高氣壓電離室可作為次級標準裝置攜帶至現場開展校準工作,依據GB/T 8993—1998標準開展試驗,被試設備嚴酷等級為Ⅲc,試驗相對濕度為93%(40 ℃),測試時被試設備的采樣時間設置為1 s,取50組數據計算平均值,測試結果列于表8。

表8 電離室濕熱試驗測試結果

由表8結果可知,高氣壓電離室樣機恒定濕熱條件下,被試設備環境本底的測量值與常溫示值的相對誤差在±8%以內。

4.1.3運輸試驗(含振動、沖擊) 參照GB/T 8993—1998 附錄E振動試驗方法以及附錄F沖擊試驗方法,按運輸環境條件嚴酷等級2M1,電離室振動及沖擊試驗如圖2所示。

振動試驗條件:振動頻率2～200 Hz(帶包裝),位移幅度3.5 mm,加速度0.5 g,1 oct/min掃描速率,每向各2個掃頻循環;振動方向:橫向、縱向、垂向三個方向。

沖擊試驗條件:加速度峰值:20 m/s2(帶包裝),脈沖寬度22 ms;沖擊次數:三軸六向各共計沖擊3次,共18次。

試驗中樣品處于包裝完整狀態。試驗結束后,對受試設備通電預熱5 min進行檢測,并記錄檢測結果。

高氣壓電離室振動、沖擊試驗后樣機外觀、結構完好,無變形、無斷裂、無松動,試驗后被試設備開機功能正常。

4.2 可靠性試驗

可靠性試驗由工業和信息化部電子第五研究所進行。

試驗按GJB 899A-2009中方案21在高低溫試驗箱中進行8]:試驗環境條件以產品最大工作溫度45 ℃,濕度75%RH下進行,受試品處于正常工作狀態,試驗602 h;實際摸底測試時為縮短測試時間,將測試溫度提升到50 ℃,試驗時間為240 h,試驗過程中觀察產品工作性能是否異常,每隔一段時間測試一次產品的本底劑量率,測試結果列于表9。

表9 高氣壓電離室可靠性測試結果

表9結果表明,在溫度50 ℃,濕度75%RH條件下,試驗240 h內高氣壓電離室功能正常,未出現故障,測量的本底劑量率值與常溫下測量值結果的相對誤差在±1%以內。

4.3 電磁兼容試驗

電磁兼容測試摸底試驗在第三方北京東方計量測試研究所進行,靜電放電抗擾度試驗按GB/T 17626.2—2018中規定的試驗方法進行[9],射頻電磁場輻射抗擾度試驗按GB/T 17626.3—2016中規定的試驗方法進行[10],如圖3所示。

圖3 電離室電磁兼容試驗

靜電放電抗擾度試驗條件:試驗等級3級,6 kV接觸放電,8 kV空氣放電。射頻電磁場輻射抗擾度試驗條件:試驗等級2級,場強3 V/m,頻率范圍80～1 000 MHz,1 kHz正弦波80%調幅度。

高氣壓電離室在試驗過程中屏幕顯示無死機、花屏、重啟等現象,表10結果表明,試驗前后高氣壓電離室本底劑量率測量值相對誤差在±1%范圍內,滿足指標要求。靜電放電抗擾度滿足GB/T 17626.2—2018的相關要求,射頻場感應的傳導騷擾抗擾度滿足GB/T 17626.3—2016的相關要求。

表10 高氣壓電離室電磁兼容測試結果

4.4 通用質量特性試驗前后的關鍵技術指標核驗

為了驗證高氣壓電離室完成通用質量特性試驗后計量性能是否可靠,試驗前后高氣壓電離室在國防科技工業電離輻射一級計量站γ射線空氣比釋動能(防護水平)標準裝置137Cs γ射線標準輻射場中,選擇一固定的空氣比釋動能率測量點開展相對誤差關鍵技術指標核驗,以判定被試設備經通用質量性能測試后工作正常性,試驗結果列于表11。

表11 通用質量特性試驗前后核驗結果

根據核驗結果,通用質量特性測試前后,高氣壓電離室在137Cs γ射線標準輻射場約定真值63.0 μGy/h測量點下,其測量值與約定真值相對誤差在±2%以內。

綜合以上環境適應性、可靠性、電磁兼容等通用質量性能第三方測試結果和通用質量特性試驗前后關鍵指標核驗結果,優化后的高氣壓電離室通用質量性能滿足相關計量技術管理規定要求。

5 結論

1) 經測試,高氣壓電離室能量響應、角響應、重復性等各項計量性能指標滿足國家計量檢定規程JJG521-2006《環境監測用X、γ空氣比釋動能(吸收劑量)率儀》要求。

2) 第三方測試機構通用質量性能測試結果表明:該產品工作及貯存溫度范圍:-10 ℃～45 ℃;濕度范圍≤93%RH;具備一定抗振動沖擊能力,滿足GB/T 8993—1998中運輸環境條件嚴酷等級2M1要求;電磁兼容性中靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度滿足GB/T 17626.2—2018、GB/T 17626.3—2016的相關要求;可靠性滿足MTBF≥1 000 h的要求,該產品的環境適應性、電磁兼容性、可靠性符合計量級產品需要,可作為便攜式輻射劑量儀用于無氣候防護場所。