防护水平γ参考辐射准直照射装置的设计优化

（中广核工程有限公司，广东深圳,518124）

防护水平γ参考辐射准直照射装置的设计优化

麻金娜,周 巍

（中广核工程有限公司，广东深圳,518124）

辐射计量实验室是核电厂辐射防护仪表校准与刻度实验室，为全厂绝大部分便携式辐射防护监测仪表提供计量刻度功能，每个项目基地配备一套计量刻度设备。实验室有两个校准装置：防护水平γ参考辐射准直照射装置和α/β表面污染仪校准装置。本文主要介绍γ准直照射装置的设计及优化方案。

核电厂;照射装置;校准

0 引言

防护水平γ参考辐射准直照射装置是核电厂辐射计量实验室的主要工艺设备，因辐射计量实验室为全厂共用子项，每个核电厂需配置一套此装置。该装置的主要功能为为全厂大部分便携式辐射防护监测仪表提供计量刻度功能，以完成常规检验。这些功能的实现由一系列的γ标准放射源、相应的标准仪表、配套的非标准机械装置以及计算机控制系统综合完成。本文通过项目执行经验反馈对装置提出了设计及优化方案，满足核电厂辐射仪表的实际计量校准功能需求。

1 γ准直照射装置的设计

1.1 概述

辐射计量实验室是核电厂辐射防护仪表校准与刻度实验室，为全厂绝大部分便携式辐射防护监测仪表提供计量刻度功能。实验室需配有两个校准装置：防护水平γ参考辐射准直照射装置（以下简称γ准直照射装置）和α/β表面污染仪校准装置。本文主要介绍核电厂防护水平γ准直照射装置的设计及优化方案。

1.2 设备组成

γ准直照射装置主要由单源及多源装置、照射台架、控制显示系统、标准仪器等设备组成，其工艺布置图参见图1。单源装置、多源装置用于产生参考辐射场，包括放射源、源（屏蔽）容器以及准直器。照射台架用于固定支撑待刻度仪器，通过调整距离改变待检点的辐射剂量率的大小。控制显示系统包括专用控制器、监控设备、计算机系统等部分，具有控制换源、定时（或计时）照射、快门到位诊断、与安全系统连锁、小车定位控制、数据获取与处理等功能。标准仪器主要采用石墨球形电离室，作为量值传递的次级标准器具。

1.2.1 单源装置

单源装置的设计可以满足现场换源。采用双快门方式，其中主快门采用铅-钨合金气动推拉式结构，同时单源装置还需要设置有辅助快门。单源装置配置圆锥形准直器，且设计为去散射光阑，光阑为钨合金制成的多板去散射结构（符合ISO-4037 和GB/ T12162.1-2000 的要求）。单源装置准直器张角为12°，距离放射源3m处辐射场直径不小于600mm，能够满足大尺寸、高量程仪表的校准需要。单源装置配置2个铅衰减器，以实现标准场向低剂量率扩展，铅衰减器的设计满足防散射的要求。单源装置具有安全联锁功能，可同计算机连接，由计算机来控制。

1.2.2 多源装置

多源装置的转盘能装 4 个不同活度γ源，另外还设计了1个空源位作为安全零位，当源装置关闭时，转盘的空源位对准出射孔。 多源装置采用双快门方式。多源装置配置圆锥形准直器，且设计为去散射光阑，光阑为钨合金制成的多板去散射结构（符合ISO-4037 和GB/T12162.1-2000 的要求）。多源装置具有安全联锁功能，可同计算机连接，由计算机来控制。

1.2.3 刻度台架

刻度台架包括刻度小车和刻度平台、轨道和定位系统等。刻度小车和平台安装在两轨道上（纵向走车轨道及横向移动轨道），可自动移动控制或手动移动控制。刻度小车和刻度平台采用铝材料，可以有效降低辐射场中的散射辐射。刻度台架的设计便于各类型辐射仪表的固定，同时配置转盘，转盘能够同时架设多台剂量仪，提高检定工作效率，且转盘便于拆卸。

1.2.4 控制台及功能软件

控制台系统主要包括西门子的PLC控制器、监控设备、计算机、量值传递次级标准器具、打印机和UPS等。功能软件要求实现换源控制、小车控制、照射控制并在显示屏上显示相关信息，同时具有自动参数修正功能，检定数据和证书管理功能，仪表校准管理功能以及采集和读取温湿度等参数功能。

图1 辐射计量实验室的工艺设备布置

图2 系统自动化控制框图

控制台系统中的控制部分采用当今工业自动化仪表设备中常用的德国西门子公司S7-300系列可编程系列控制器系统(含电源、CPU、I/O控制模块、步进、伺服电机定位模块等)作为控制部分核心器件。系统自动化控制框图参见图2。

1.2.5 量级传递次级标准器具

量级传递次级标准器具用于辐照场剂量率的校准和测量，包括一台综合数据显示仪和两台电离室配合使用，能够校准传递、低端刻度校准和全量程测量。

1.2.6 安全连锁系统

辐射计量实验室工艺设备安全联锁系统的设计、配置及布置充分保证工作人员的安全。照射装置从工艺设计上考虑断电、卡源、源装置快门意外开启等设备失效故障时的安全措施，确保事故影响最小化。

安全联锁系统由辐射屏蔽门、红外人体报警装置、源装置快门、急停开关和固定式场所γ辐射监测报警仪组成，并与控制系统连接。

在辐照室和控制室内各安装一台声光报警器和报警灯箱，在辐照室中安装一台辐射剂量监测报警仪。当源装置开启或辐照室中的辐射剂量超过设定的辐射剂量报警门限时，在辐照室和控制室中同时产生声光报警提醒信号，且辐射屏蔽门上方的报警灯箱有警示，此时屏蔽门不能打开。

2 优化设计

2.1 概述

防护水平γ参考辐射准直照射装置，每个核电厂需配备一套，且要求满足三级计量技术机构水平。根据项目执行经验以及核电厂已有设备的运行经验反馈，该套设备在结构和功能设计上仍需进一步优化。

2.2 优化设计

2.2.1 控制台改进

根据项目施工经验反馈，控制台内部设备安装板、UPS电源安装位置在散热、防电磁干扰、便于现场接线等方面存在改进空间，使布置更加合理；同时在操作面板上增加快门诊断指示，使得功能更加完善。

控制台体的设计，在美观设计、操作合理方便方面仍有改进空间，同时可将监控计算机改为工控计算机，提高控制系统及装置的整体性能及稳定性。

2.2.2 单、多源装置改进

单源装置的改进需在保证运行安全、可靠的前提下，减少装置的体积和重量。根据项目实施经验反馈，可进一步优化步进电机和行星减速器的体积，同时对准直器的加工工艺进行改进，并对单源装置内部控制结构进行设计优化，从而进一步减小装置体积和重量，使得装置总重量减少40%~50%。

此外，为完善设备功能，在原有主快门诊断的情况下，可考虑在辅助快门上增加二组磁感应到位开关，使辅助快门也具有快门到位诊断功能。

根据项目实施经验反馈，Am-241外置源装置因侧面出现缝隙，其表面辐射剂量超标(约100μSv/h)。后通过增加一个屏蔽外罩，满足了要求( ∠10μGy/h)。但美观欠佳。故Am-241外置装置存在较大的改进空间，可采用迷宫腔设计方式。源装置未打开时，将一体化的Am-241准直器拉入迷宫内，设计的迷宫腔能够满足技术规格书的要求( ∠10μGy/h)。迷宫腔的门固定在可推－拉移动的Am-241源装置的准直器上。

考虑到单源装置和多源装置的结构差异，可能存在装置准直器口距源装置安装水泥台面的高度不一致，在校准仪表时，需要通过调节刻度台架的高度来满足对单、多源装置准直器的位置，为便于仪表校准时的定位，可对单源装置的结构进行优化，使单源装置和多源装置离安装水泥台的高度保持一致，便于操作。

2.2.3 激光定位仪改进

激光定位仪有点定位和十字定位两种方式，根据不同的设计需求可选择相应品牌的设备。在本装置仪表检定过程中，点定位激光定位仪其定位精确度较差，故需选择十字定位产品，实现精确定位。随着产品的更新换代，定位精确度会越来越高。

2.2.4 小车及刻度台架改进

小车和刻度台架是本装置不可缺少的部分，台架的优化设计将直接影响测量精确度。优化小车和刻度台架的布置，减小小车轨道的尺寸，增加横向移动的平衡装置，减小小车伺服电机的体积，既改善了美观，同时提高了装置性能。但美观和轻便设计仍有待进一步改进，比如刻度台架采用轻型铝件型材进行框架式设计，刻度台架中的刻度盘上、下移动，采用电动缸控制；刻度盘旋转定位通过步进电机控制。为实现装置的整体美观和减少散射对产生的标准辐射场的影响，在刻度台架的其它部分可采用低原子序数的树脂材料档板和铝型材框架。

3 结束语

通过以上四项改进的防护水平γ参考辐射准直照射装置其功能更加完善，提高了测量精确度和稳定性，但从长远考虑，对装置结构和功能设计还需进一步优化。且目前国家核电项目陆续开建，将会有极为广阔的应用前景。

[1] 欧向明.防护水平γ辐照装置的研制[J].中国辐射卫生，2006,15（3）：302-303.

[2] 郭智荣.γ辐射试验装置的设计[J].海军工程大学学报，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