移动式γ射线探伤机辐射安全改进研究

袁国军 刘 阳 郭庐阵 董信芳

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

γ射线探伤技术是工业生产中广泛应用的无损检测技术之一，主要目的是探测工件内部存在的缺陷，保证产品的质量。由于其具有检测无损、便捷、快速的特点，已经成为许多工业生产行业，如机械制造、电力、石油、化工、航天等工业中必不可少的工具之一。γ射线探伤机的特点是拥有一个γ放射源，非工作状态下，放射源储存在探伤机内部，仅在工作状态下摇出。在探伤作业结束时，放射源被收回到探伤机内部，在这个过程中，放射源可能脱落，如果探伤人员没有发现，可能造成辐射事故。

2004—2013年，我国共发生17起工业γ射线探伤事故，以放射源丢失、被盗事故为主，其中3起事故造成了人员受剂量照射。事故中94%为较大或重大事故，事故原因主要是人为因素导致的安全措施缺失。其中波及人员最多的事件发生在2005年7月，哈尔滨一居民楼两家人相继得怪病，被诊断为“骨髓造血受抑症”，黑龙江省辐射站对其中一家住所进行监测时，发现1枚丢失的III类铱-192放射源。事故造成6人住院，18户居民117名人员受到辐射伤害，造成较大的社会影响。2014年5月在南京发生的工业探伤用放射源铱-192丢失事件，虽然未对人员产生严重的辐射伤害，但造成了当地居民的极大恐慌。

γ探伤技术利用行业辐射安全事故频发的情况主要原因包括：从业人员辐射安全意识薄弱、探伤单位安全管理不到位、移动作业条件差、缺乏辐射监测设备等。国家生态环境部等部门已经发布了多项相关的管理条例和标准，对移动γ射线探伤设备的监督和管理已经较为完善，从业人员按规定定期进行培训和演练，但有出现探伤设备和放射源丢失的风险。目前γ射线探伤行业相关的专用辐射事故预防设备仅有GPS定位系统，这些设备关注点在于事故发生后的寻找而非预防事故发生。该设备仅能提供探伤机所在的实时位置，如果探伤机被盗，可以通过该设备提供的位置信息进行查找。但如果出现放射源丢失的情况，该设备并不能有效地反映放射源的位置。针对γ射线探伤机的特点，可以通过辐射防护相关的技术方法为监管部门和业主单位的管理提供必要的支持，从而能够进一步降低事故发生的概率。

本文设计了一款辐射安全监管设备，该设备能实时监测探伤机的辐射剂量率，并将剂量率数据实时传输到监管中心，在剂量率数据异常的情况下报警，提醒工作人员注意探伤设备及放射源的安全。该设备不仅可以实时反馈γ射线探伤机的位置信息，同时可以防止放射源丢失。γ射线探伤机从仓库取出，过程运输，然后到作业现场进行工作，作业结束后返回到仓库中，全程跟踪并记录辐射剂量率和位置信息等，实现对γ射线探伤机的闭环管理，方便监管部门和业主单位的管理，实现从被动防御转变到主动控制事故地发生，使得事故出现的概率为零。

1 功能需求及逻辑分析

该设备的研制，应主要从两个方面进行考虑，其一，为工作人员提供辐射剂量率、防盗、源丢失等报警，从而降低操作失误引起的源丢失和人员误照射；其二，监控探伤机和放射源的状态，为单位和监管部门提供监测信息，便于管理和查询。通过实现这些功能，最终实现减少γ探伤行业辐射安全事故发生的概率。针对移动探伤设备的使用现状，主要包括两种事故情况。其一，在运输过程中设备丢失；其二，在探伤作业过程中，设备被盗或放射源丢失。

针对在运输过程中可能出现的事故，辐射安全监管设备给出响应的逻辑功能实现如图1所示。在放射源运输储存过程中丢失和整台设备丢失的情况下，实现对应的查找和报警的功能。在探伤机运输的过程中，放射源肯定是储存在探伤机内部，除非是在作业过程中丢失，否则在整个运输过程中，探伤机表面的辐射剂量率肯定是一个固定值。如果剂量率突然变大，那么就是放射源到达了探伤机外部，此时肯定是由于操作不规范导致的，辐射安全监管设备会发出声光报警，提醒工作人员可能出现放射源逃离探伤机的情况。在实际过程中，这种情况基本不会出现。如果探伤机出现丢失被盗的情况，作业单位的后台监管中心就会发现探伤机的位置偏离了既定的运输路线，可以立即和运输人员取得联系，确定探伤机的状态，并第一时间采取应对措施，降低产生后续事故的风险。

图1 移动探伤设备被盗的应对逻辑方式

针对探伤设备运行过程中设备的丢失或放射源丢失，辐射安全监管设备将给出如图2所示的逻辑应对策略。设定这一逻辑过程的主要依据为：执行任务时如果设备被盗，惯性传感器将被触发，监管设备发出声光报警，几次报警后将自动关闭，同时按一定的时间间隔上传位置信息；完成任务后，回收放射源的过程中，监管设备会通过设定的程序判断放射源是否回归，判断程序的依据包括回收过程中有没有剂量升高和降低、源容器表面剂量率是否大于设定的源丢失阈值，如果任何判断依据出现问题，将通过声音和光信号提示工作人员。在运行过程中出现放射源丢失，造成人员辐射照射的可能性很大，其造成的后果通常说来比其他事故产生的影响更为严重，一定要高度重视。

图2 执行任务过程中的逻辑状态

2 功能设计

移动式γ射线探伤机具有体积小、质量轻，不需要使用水、电，且不受温度、压力、磁场等外界条件影响，可以连续运行，特别适合于野外作业。基于移动式γ射线探伤机的特点和应用场景，辐射安全监管设备应具备辐射剂量率实时监测并上传、探伤机定位、安全报警等功能，其功能设计应从以下几个方面进行考虑。

2.1 辐射探测器的环境可靠性设计

由于γ射线探伤机的体积小，辐射安全监管设备的体积也必须小，辐射探测器的体积相应也得小。辐射探测器可以选择体积小且成本低的盖革（GM）计数管。GM计数管由于其性能稳定、强抗干扰能力、环境适应性强、辐射剂量测量上限高等特点，能够满足重大事故特种条件下的应用。

推荐选择英国CENTRONIC公司生产的GM计数管，其有带能量补偿的金属外壳GM计数管，具有较高的稳定性、一致性，并且其各型号能够比较全面的覆盖剂量率范围。基于GM计数管和移动式γ探伤设备经常用于野外作业操作的环境特点，设计具有较强抗震、抗冲击、防尘、防水能力的结构。

2.2 卫星定位和无线数据传输设计

通过卫星定位和数据传输可以实时远程提供设备的辐射监测信息和地理位置信息。在野外作业时，移动数据通信的信号覆盖不全，需同时设计卫星定位和无线移动数据通信。如果移动探伤设备被盗，其被转移至室内，卫星定位可能无法给出具体的位置信息。通过移动数据运营商的基站定位功能，在没有卫星定位信号时提供较为准确的位置信息作为补充。

北斗卫星定位系统是我国自主研发的卫星定位系统，具有精度高、定位速度快等特点，建立一套基于北斗定位和4G无线数据传输芯片，开发卫星定位和数据传输模块，从而实现对探伤设备的卫星定位，并通过4G无线数据传输模块对探伤设备的位置信息的回传。5G无线数据通信正在全国范围内普及，可以根据覆盖情况考虑设计5G的传输模块或者是更新的通信模块。

2.3 电源及低功耗设计

移动探伤作业通常在野外进行，故在设计电池容量时，应考虑3倍的冗余设计，至少满足3天的设备连续运行。可以采用高容量的聚合物锂电池，其具有塑形灵活、更高的质量比能量、电化学稳定窗口宽（可达5V）、安全可靠、更长循环寿命、体积利用率高等特点。从而在能够以较小的体积为设备的系统提供更高的电池电量。除了选择高比能量和高容量的电池为设备提供更多的电量之外，还要进行低功耗的设计，从两个方面实现整个系统的“开源和节流”。

低功耗设计的主要目的是尽量延长设备的使用时间，这是保证设备对探伤装置持续监控的重要指标。辐射安全监管设备功耗主要由三部分组成：其一，卫星定位和无线数据传输；其二，GM计数管高压电源；其三，电路各元器件功耗总和。其中，卫星定位和无线数据传输、高压电源为主要的功耗项。

针对对卫星定位和无线数据传输模块等耗电单元的工作时间进行智能控制。控制模式包括在定位模块定位后就自动关闭，能够通过指令或遇到特殊情况下控制或自动开启。数据传输模块的数据传输时间间隔拉长，可以将5分钟的数据打包，1小时开启数据传输模块发送1小时内的数据，或在正常情况下让其保持关闭状态，发现异常数据后传输模块开启，向固定的移动接收设备、数据中心传送数据。

GM计数的高压电源模块是将5V左右的低压转换为400V的高压，在转换过程中因为器件自身损耗和设计产品的不同需求，电源转换模块的功耗会非常高。针对GM计数管的特点设计低功耗高压电源，能够极大的提高电源的转换效率、减小高压电源模块的尺寸并降低探测器功耗。同时，可能考虑通过调节CPU输出的PWM波占空比来调节高压电源负载能力，适应不同辐射场情况下的工作情况从而降低高压电源的功耗。

2.4 防盗防丢失报警设计

研究触点报警或惯性测量传感器，监控探伤设备状态的方法。传感器组成的振动测量单元的输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境是否有震动，从而起到报警作用。通过振动灵敏度调节器件可以快速、方便的调节对振动的耐受程度，满足不同场地和环境的差异化需求。使探伤设备被移动时，传感器会根据状态的变化进行判断是否报警，从而实现探伤装置的防盗报警。

根据γ探伤设备的相关标准GB/T14058—2008《γ射线探伤机》以及GBZ132-2008《工业γ射线探伤卫生防护标准》，移动式γ探伤设备的表面辐射水平应在1mSv/h以下，以这一剂量水平作为参考，结合具体设备内装放射源活度的大小、半衰期、出厂时间等信息，设定报警阈值。根据可能出现的事故类型划分不同的事故等级，根据事故等级设定声音报警的大小，不同颜色的光电报警以及语音提示。

2.5 外观结构设计

结合不同种类、尺寸的移动式γ探伤设备特点，以及设备自身电路的结构和尺寸，设计一种方便、通用、结构简单、美观时尚的外观结构。由于移动式γ探伤设备经常在野外工作的特点，设计具有较强抗震、抗冲击、防尘、防水能力的结构尤为重要。

3 结语

本文通过对移动γ射线探伤机的特点及使用环境的分析，设计了一种专门的辐射安全监管设备，该设备能够有效防止移动式γ射线探伤机被盗和放射源的丢失。在后续研制样机和推广该设备时，应同时考虑到设备的成本问题。

本文设计了一款针对移动γ射线探伤机的辐射安全监管设备，但要想保证该设备的有效运作，需对其探测到的辐射剂量率数据和位置信息进行保存和管理，还需要开发一套相应的软件。该软件能实时保存设备上传的各项数据，并对这些数据进行实时地展示，方便监管中心的工作人员随时进行查看。目前，满足这些功能的软件有很多成熟的方案和案例，故没有在本文中进行介绍。