一种耐高温耐辐照视频装置研究

辛露　李宜全

【摘 要】核电站在运行及换料大修期间，部分检查环境温度达到60°C以上，辐照剂量率高于1000Gy/h。为保证视频检查设备在高温、辐照环境下，不间断无故障运行，研制了一种耐高温耐辐照视频装置。本文阐述了此设备的结构、检验技术以及试验验证的结果。

【关键词】换料大修;高速高清;耐辐照;视频装置

中图分类号： TM21 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0027-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.012

Research on a High Temperature and Radiation Resistant Video Device

XIN Lu LI Yi-quan

（China national nuclear power corporation wuhan nuclear power operation technology co.，

LTD.，Wuhan Hubei 430000，China）

【Abstract】During the operation and refueling overhaul of the nuclear power plant， the partial inspection ambient temperature reached above 60°C， and the irradiation dose rate was higher than 1000 Gy / h.  In order to ensure uninterrupted and trouble-free operation of video inspection equipment under high temperature and irradiation environment， a high temperature and irradiation resistant video device was developed.  This paper describes the structure， inspection technology and test results of this equipment.

【Key words】Refueling overhaul; High speed HD; Radiation resistance; Video device

0 引言

核电站在运行及换料大修期间，部分检查环境温度达到55°C以上，辐照剂量率高于1000Gy/h。按照核电厂相关检查规范要求，对于此部分高温、强辐照环境下的设备进行视频检查，视频检查需要观察到被检表面上裂纹、腐蚀等开口缺陷，为此要求应用的视频设备在高温、强辐照环境中获得满足规范要求的图像。该设备还需要保证在高温、强辐照环境中不间断无故障运行，具备良好的稳定性和低功耗性能[1-2]。为保证视频检查设备在高温、强辐照环境下，能够获得满足核电厂检查规范要求的图像，保证不间断无故障运行，通过选用相应的耐辐照材料，设计相应的结构，开发出一种耐高温耐辐照视频设备十分必要。开发针对Co60产生的高辐照噪点的图像处理软件平台，针对核电燃料外观检查、燃料盘存、燃料变形外观测量、堆芯吊篮电视检查等高剂量区域CCTV检查以及在役检查其他需要进行CCTV检查设备的高速检查设备的开发和升级，并形成具有自主知识产权的耐辐照及去噪图像处理技术。

1 高速高清耐辐照水下视频检查系统介绍

高清高速耐辐照水下视频检查系统主要应用于水下高计量率辐射环境内，该系统主要由水下高速摄像机、水下高速摄像机用控制箱、数据存储及图像处理工作站、大容量数据存储器、水下电缆5个主要部件组成。

1.1 机械结构

水下高速摄像机整体为圆柱形，摄像机光轴轴心与被检件轴心平行布置，采用反射式光学设计，具有高耐辐照、高清分辨率、高帧率的特点，摄像头分辨率大于300万像素，其主体材料为不锈钢、铝合金。水下摄像头集成有水下照明用LED灯。水下高速摄像机用控制箱主要为水下高速摄像机和辐照照明提供电源及控制信号，数据存储及图像处理工作站通过专用的视频采集卡将图像存储在计算机的硬盘上。

核电厂换料水池高温区域的视频检查设备所在的水下区域温度高达55℃±3℃，而且摄像头的机芯在工作时会放热，以上两个原因造成水下摄像头内部工作温度过高，从而降低相机的信噪比和灵敏度，使图像的画质变差，严重的更会导致水下摄像头停机。为了降低水下摄像头内部的工作环境温度，因此需设计制冷装置。摄像头内部制冷采用半导体制冷晶片进行降温制冷，半导体制冷晶片发热面与摄像机外壳贴合，制冷面与摄像机机芯贴合，用于降低机芯温度。半导体制冷晶片详见图3。

半导体制冷晶片的优点如下：a）不需要任何制冷剂，可连续工作，无污染源;没有旋转部件，不会产生回转效应，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。b）半导体制冷晶片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。c）半导体制冷晶片热惯性小，制冷制热时间快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，半导体制冷晶片就能达到最大温差。d）半导体制冷晶片的温差范围大，從+90℃到-130℃都可以实现。

1.2 电气控制

电气控制系统以控制卡为核心控制单元，通过控制箱进行远程控制操作。

1.3 图像处理软件设计

由于该摄像头为水下拍摄，带来两个问题，一是采用人工光源以及观测平台的复杂运动特征，使得视频图像出现严重的光照不均问题;二是水下光线存在严重的衰减和散射效应，使得水下图像对比度下降且纹理细节呈模糊状态。为此，特地设计单帧处理的水下图像增强模块，该模块主要功能是对水下环境的散射和光照建立合适的数学模型，基于数学模型给出合适的增强算法，基于空域滤波提高图像清晰度。

由于水下温度场的不均匀和剧烈变化，导致光线折射图像变形。这种热扰动导致的图像变形需要多帧的序列图像信息恢复，由于相机和物体的相对运动，必须实现帧间的运动估计。基于序列信息的图像恢复模块就能解决该问题，利用多帧相对运动信息和成像模型实现图像恢复。

1.4 耐辐照技术设计

普通商用摄像机的核心器件CCD会受到辐射而损伤，其辐射损伤效应主要表现为电离效应和位移损伤。大多数图像CCD器件对电离效应非常敏感。电离效应导致暗电流信号增大，从而影响CCD的图像采集效果。位移损伤主要由高能电子、质子、中子入射引起，辐射环境中CCD器件损伤主要为此类损伤。

为提高水下视频检查摄像头CCD的耐辐射性能，主要通过如下方案予以解决：a）使用机芯工作电压的下限值;b）提高水下视频检查摄像头的屏蔽措施，选用具有部分屏蔽功能的隔离窗口，降低γ射线直接辐照CCD靶面的能量;c）增加了铅屏蔽;d）增加了反光镜。

选用金属铅作为高速高清摄像头的屏蔽材料。屏蔽层采用两种材料叠加方式，考虑到铅的强度较低，铅屏蔽层位于摄像机的内层，钨-镍合金屏蔽材料位于铅屏蔽层与摄像机外壳之间。不同的屏蔽材料可以有效屏蔽不同能级的高能粒子。

高速高清水下摄像头在普通工业级视频设备的基础上，加装可见光反射装置、恒温装置及辐照屏蔽结构。通过可见光反射装置避免了放射性高能粒子直接照射相机的光学传感器上，通过自动控制的恒温装置能够保证相机在接近室温的恒定温度下工作，通过辐照屏蔽层对多种能级的高能粒子进行衰减，从而达到耐辐照的效果。

2 相关实验

a）高温水中散热测试实验

高清高速耐辐照水下摄像头主要是用于核电站的燃料组件检查，使用环境温度达到55°C以上，因此在模拟试验时，也需模拟该环境温度。

测试使用了塑料水箱、电加热器、EB-302多功能潜水泵和一个SIN-T6温度计，测试示意图如图5所示。

在一个长480cm、宽400cm、高350cm的塑料箱中装进大约250cm高的水，将高清高速耐辐照水下摄像头浸没在水箱内，用电加热器加热水箱内的水且控制水温在55℃±3℃，并在水箱内放置一个型号为EB-302的多功能潜水泵来模拟核电厂水下区域的水流环境，用SIN-T6温度计1和SIN-T6温度计2分别记录塑料箱内的水温和装置内的温度数据，每隔60秒记录一次，并绘制温度曲线图6。

由图7可知，在55℃±3℃水中，两次试验的温度曲线都是先上升后趋于平稳，只有制冷片不工作时的稳态温度为70℃，制冷片工作时的稳态温度约为54℃。

试验说明只有机芯工作时，其工作环境温度会上升到大约70℃，在该温度下机芯会严重损坏，不能完成视频检查工作;增加半导体制冷片后，机芯工作环境温度能有效控制在54℃左右，低于机芯的工作极限温度（60℃），能够保证机芯的正常工作。

使用字母测试卡测试水下摄像头的图像综合分辨率，使用的测试字母依据于表1中VT-1技术要求，使用打印機打印出并用游标卡尺加以校核。测试参数同样依据于表1中VT-1技术要求进行。

CMOS相机在无任何屏蔽的情况下，当γ射线的辐照剂量率达到117Gy/h时，其图像已无法满足视频检查要求。本次设计的耐辐照摄像头在剂量率达到117Gy/h时，降噪效果为41.4%，图像是满足视频检查要求的。

3 结束语

本文介绍了自主研发的高清高速耐辐照水下摄像头，并通过试验对其性能进行了验证。由于γ射线引起CMOS相机采集的图片出现噪点的原因较为复杂，包括光电效应、康普顿效应及电子对效应，为更精确反应各种屏蔽材料和结构对γ射线的屏蔽性能，还需要开展更直观、更有效的屏蔽性能测试实验。

【参考文献】

[1]GB/T 16702-1996 压水堆核电厂核岛机械设备设计规范[S].

[2]NB/T 20001-2013压水堆核电厂核岛机械设备制造规范[S].

[3]渗透检测 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材，编审委员会编，北京：机械工业出版社，2005.7.