华龙一号机组MPR200M便携式辐射测量系统的研制

任熠 郭喜荣 郭强

摘   要：本文介绍为适应华龙一号机组的辐射测量需求而研制MPR200M型测量系统的整机结构、软件流程和试验情况。MPR200M是全新一代的多探头辐射测量系统（综合型、多用途的保健物理测量仪），主机内置GM计数管，外接探头种类多达23种，支持热插拔和智能识别。同时，还可扩展外置条码扫描器和GPS模块实现地理位置的获取。

关键词：便携式辐射测量系统  探头智能识别  條码扫描  GPS数据

中图分类号：TH89                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0072-04

Abstract： This paper mainly introducesMPR200MMulti-probe radiation measuring instrument for HUALONG No1， including the system structure， software process and physical test. MPR200M is the new generation of multi-probe radiation measuring instrument system （comprehensive， multi-purpose care physical measurement instrument）. MPR200M has built-in GM detectors and can choose external 23 kinds of probe， supporting hot plug and intelligenting  recognition. Additionally， MPR200M can expand the outer barcode scanner and access to position infromation from GPS.

Key Words：Portable radiation measurement system; Intelligent identification of probe; Barcode scanning; GPS data

MPR200M多探头辐射测量仪是由山西中辐核仪器有限责任公司自主研发的一款便携式放射性探测仪，内置GM管探头，可测量γ周围剂量当量率。也可外接ZnS晶体、塑料闪烁体、双闪烁体、双GM管、五GM管、NaI晶体等多种类型、不同面积（尺寸）的探头。通过主机和不同探头组合（见图1），可对各种放射性场合的α、β、γ辐射进行测量，且配套计算机管理软件，可对主机和探头的参数进行设置，对主机存储的测量数据进行导出处理。广泛适用于核电站、其他核设施、环境保护、工业探伤、辐照加工等领域。

1  主机设计

1.1 主机结构框图

如图2所示为MPR200M的结构框图，主要由电源电路、探测器信号处理电路、显示电路、按键电路以及蜂鸣器、时钟和存储电路等，最主要的是电源电路和探测器信号处理电路。

1.2 电源管理设计

作为一款便携式仪表，电源性能的好坏，直接影响仪表的适用性及通用性，MPR200M在电源设计上采用凌华公司LTC3455系列电源管理器，电路图如图3所示。

绝大多数的电池供电的手持便携设备通常可以用一个AC适配器，一个通用串行总线（USB），或者一块锂/聚合物电池来供电，但是，如何实现这些电源间的电源通道控制与切换却是一个很大的技术挑战。

LTC3455无缝地管理交流适配器，USB和锂电池之间的功率流，带有一个全功能的锂离子/聚合物电池充电器[1]，且具有双通道DC / DC转换器，功能强大，为MPR200M的产品性能提供有力保证。

1.3 探测器电路设计

MPR200M主机为适应不同场所的应用需求，特采用双探测器的设计理念，既满足低剂量水平的快速响应，同时也满足高剂量水平下的测量范围。

MPR200M探测器选用美国LND， INC.带周围剂量当量率能响补偿的GM管，采用内置双GM计数管探测器组合的测量模式，在剂量率较低的情况下，由低量程GM管作为主探测器，测量得出的剂量率作为显示值;当剂量率较高时，就由高量程GM管作为主探测器，同时关断低量程探测器的高压。待剂量率降回到较低时，又重新开启电源。高低量程切换的过程，如图4所示。

图中标出n1，n2，n3，n4为高低量程切换的判断阈值，设高量程的计数率为n，切换条件见表1所示。

从表1中可看出，高低量程切换点与低量程电压切换点不是同一点，原因是避免高压开启瞬间低量程探测器计数不稳定，进一步造成剂量率测量的不稳定，所以需要提前开启低量程高压，有效降低测量误差。

从表1中还可看出，同一条件n1

2  探头设计

MPR200M多探测辐射测量仪可外接探头种类可扩展多达23种，外接探头按探头类型分类如表2所示。

2.1 探头结构框图

如图5所示。

2.2 探头存储芯片

探头部分内置存储芯片，可存储探头编号、探头类型、测量模式、数据存储模式、刻度因子、报警阈值等多种参数信息，主机自动读取参数，转换测量界面。

存储芯片选择单总线存储芯片，既节约引脚资源，同时也能满足存储要求。

2.3 探头高压

为了满足探头热插拔，特在探头处添加高压模块，在仪器使用上更加安全可靠。由于不同的探测器的对高压的需求也不同，所以在安装不同设备时，需调节不同的高压。

2.4 探头信号处理

由于探测器的种类不同，因此在探测器信号的采集和处理也不相同，GM计数管的信号采集与处理电路[3]相对简单，只需选择合适的配置电路工作参数即可满足要求，而对于闪烁体探测器的信号处理电路则采用带极零相消[4]的前置放大电路，可有效的减少输出脉冲的堆积，在高计数率的情况下，也有较高的幅度辨识。

3  性能指标

依据《JJG 393-2018便携式X、γ辐射周围剂量当量（率）仪和监测仪检定规程》[4]要求对MPR200M进行实验测试，测试项目如下。

3.1 相对固有误差

如表3所示。

3.2 能量响应

主机的高低量程管的能响如图6、图7所示。

低量程管在60keV至1.3MeV的能量范围内，相对于137Cs的归一响应，不超过±25%，高量程管不超过±30%，符合要求。

3.3 角响应

主机的高低量程管的角响如图8，图9所示。

对于137Cs（662 keV）的γ参考辐射源，当入射角在0°至±45°内变化时，低量程计数管的角响应相对于校准方向的响应，不超过±25%，高量程計数管的角响应相对于校准方向的响应，不超过±15%，符合规程要求。

4  机械特性和环境特性

4.1 机械特性

依据GB/T8993-1998《核仪器环境条件和实验方法》[5]，MPR200多探头测试仪主机和探头分别通过了振动试验、冲击试验、跌落试验和IP65等级试验，并取得了证书。

4.2 环境特性

依据GJB151A-97、GJB152A-97和产品试验要求[6]，MPR200多探头测试仪主机和探头在10kHz～40GHz频率段范围内，响应都满足其要求。

5  结语

MPR200M多探头辐射测量仪系统的设计注重核电使用需求，其具有丰富的测量模式，可满足核电现场不同的测量场所需求。同时，具有强大的数据存储功能和很好的数据关联性，提升了用户对辐射测量状况的掌控能力和测量的执行效率。经过一系列的试验验证，表明设备符合华龙一号机组的技术规格和设计。

参考文献

[1] LTC3455 Dual DC/DC Converter with USB Power Manager and Li-Ion Battery Charger Datasheet[R].2005.

[2] 中华人民共和国国标.GBT 4835.1-2012便携式工作场所和环境监测仪表辐射防护仪器β、X和γ射线用环境和或定向剂量当量（率）表和或监控器 第1部分[S].2012.

[3] 杨团伟，邵晖，樊海军，等.GM计数管的信号采集与处理[J].核电子学与探测技术，2014（6）：720-723.

[4] 中华人民共和国国家计量检定规程JJG 393-2003辐射防护用X、γ辐射剂量当量（率）仪和监测仪检定规程[S].

[5] 刘少真，顾煜栋，曹学蕾.极-零相消电路的理论分析与实验验证[J].核电子学与探测技术，2014，34（12）：1446-1449.

[6] 中华人民共和国国标.GB/T8993-1998核仪器环境条件和实验方法[S].1998.

[7] 中华人民共和国国家军用标准.GJB151A-97、GJB152A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测试[S].1997.