传送带小物品污染监测仪设计及性能测试

乔敏娟任 熠王建飞王 迪张 菁荆玥泓刘 芸

1（山西中辐核仪器有限责任公司 太原 030006）

2（中国辐射防护研究院 太原 030006）

目前，国内用于核电站出口处的小物品污染监测设备多是由工作人员手动将物品放入，测量完成后根据受污情况再手动取出备用或者去污处理，整个操作时间比较长，而且步骤也比较繁琐，无法实现快速测量。本次设计的传送带式小物品污染监测系统可以实现快速测量：工作人员将物品放入设备的传送带上，物品随着传送带进入测量腔中，无污染时，物品随着传送带继续传送到出口位置直接可以取走备用；有污染时，设备也可快速做出反应，传送带反向传送，将沾污物品传送到入口位置并提示去污处理。这种半自动化设计能有效缩短测量时间，节省人工操作步骤，防止污染扩散，同时也为相关移动监测设备的研究提供了一定的参考。

1 系统设计

传送带式小物品γ污染监测仪设备［1-2］主要由γ探测模块、I/O控制板、电机及其驱动器［3］、电气器件等组成，系统设计框图如图1所示。

图1 硬件系统框图Fig.1 Block diagram of hardware system

1.1 探测模块设计

探测模块主要由探测器和探测电路（数字道盒）［2-4］构成，数字道盒功能为：射线粒子通过塑闪探测器产生的光经光电倍增管放大而产生脉冲信号，信号经两级放大电路后进入甄别电路将噪声过滤，过滤后的信号经过整形电路输出到单片机，这一过程完成了射线的探测测量。数学道盒选用负高压供电，探测器电路组成及结构设计框图如图2所示。

图2 探测器电路模块设计框图Fig.2 Block diagram of detector circuit design

1.2 I/O控制板设计

控制板作为设备连接各组件与上位机枢纽，具有数据解析、信号控制［5-6］、向上位机发送状态指令及各项数据参数等功能，I/O控制板性能的确定可进一步提高系统可靠性与稳定性，设计框图见图3。

图3 I/O控制板设计框图Fig.3 Block diagram of I/O control board design

控制板单片机选用高性能控制芯片，功耗低，可有效提高控制算法执行速度，同时输入输出均采用标准模块接线，输入接口有红外信号与应急信号：输出I/O信号为四路灯控信号与一路蜂鸣器输出信号；通过RS485接口与上位机通讯，接收传送一体机主程序指令；通过CAN总线与探测模块实时通讯，接收探测信号并进行数据处理；同时还有一路CAN［7］总线与电机驱动控制器进行通讯来控制皮带电机运行［4,8-9］情况，包括正转、反转、急停以及不同档位调节。

2 性能测试及分析

2.1 物理测试

参考相关行业标准［10-12］中关于大面积表污监测设备以及移动传送设备等的测试要求进行相关测试。

2.2 本底测试

设备开机后预热30 min以上，设备表面无任何污染，周围γ辐射处于本底水平。通过设备监测界面监测设备的本底读数10次，计算本底平均计数率，测试结果见表1。

表1 本底测试数据Table 1 Background test data

2.3 设备随源不同位置响应变化

测试物品一般位于设备测量腔体中心进行测试，在测量腔体中两个探测器形成的探测灵敏区域内，以几何形状正中心O点建立一个虚拟测试平面模拟探测面，该平面到两个探测器的垂直距离相同，测试面与探测器探测场景模拟示意图见图4，根据标准EJ/T 1155-2002中的测量要求采用60Co放射源对设备进行相应测试［13-15］。

图4 测试用探测场景模拟图Fig.4 Simulation diagram of the probe scenario for testing

2.3.1 静态测试

设备静止状态下，在建立的虚拟测试平面上，以O点为坐标原点，分别沿着测试面的X（+）、X（-）、Y（+）和Y（-）方向，间隔5 cm设置测量点，测量点示意图见图5。

图5 静止状态下测试平面测量点示意图Fig.5 Schematic diagram of measuring points on the test plane at static state

将检验源60Co点源（活度为4.21×104Bq）随源架依次放置在虚拟测试平面的各个测量点上进行测试，测试面测量点及净计数三维图如图6所示。

图6 静止状态下测试平面不同测量点计数三维图Fig.6 Three-dimensional graph of countings at different measuring points on the test plane at static state

测试数据分析可知，设备探测面边缘角处计数最小，中间位置计数最大，所有测量位置的净计数平均值为10 497 s-1，净计数最小值为8 564 s-1，最小读数为平均值的81.6%。满足标准中“最小读数应至少为该平均值的50%”要求。

2.3.2 动态测试

在建立的虚拟测试平面上，以传送带运行方向X轴为中心线，间隔5 cm设置条状带测量位置，动态状态测量示意图见图7。

图7 运动状态下测量带示意图Fig.7 Schematic diagram of measuring band in motion state

将待测试检验源置于源架上，依次放置在虚拟测试平面对应的条状带上，随着系统传送带以设定速度通过测量腔，记录监测系统读数。随着时间的变化（点源相对于探测器的位置变化）监测系统的计数产生变化，根据测试结果画出不同虚拟通道内设备计数响应与时间的变化关系曲线，见图8。

图8 运动状态下设备计数响应随时间变化曲线Fig.8 Change curve of equipment counting response with time in motion state

如图8所示，物品移动过程中，监测系统的净计数随进入测量腔时间变化先增高后减小，符合探测实际过程。经过数据分析处理，监测系统峰值读数的平均值为11 207 s-1，最小峰值读数为10 009 s-1，为平均值的89.3%。最高峰值读数为12 074 s-1，平均值与最高峰值读数的比值为92.8%，满足标准中“最小峰值读数应至少为该平均值的75%”。

2.4 探测限（最低可探测活度）

设备系统采用自动扣除本底的方式进行工作，根据测量数据计算运动状态下的探测限，采用标准EJ/T 1155-2002中的计算公式如下：

式中：MDA（Minimum Detectable Activity）为最低可探测活度；B为本底计数率，s-1；B0为用已启动对存储的本底值进行更新所要求的本底变化，此处B0取值10；P为标准偏差数；t为本底更新时间；T为监测时间；E为平均效率。

根据动态状态下所有条状带测试结果，按照以下动态平均效率公式进行计算：

式中：Nmax为两个计数周期内最大计数的平均值，s-1；为峰值读数平均值，s-1；A为放射源活度，Bq；Rmax为峰值读数最大值，s-1。

根据本底测量结果，本底平均值B为748 s-1。本底更新时间t选值为100 s，监测时间T为12 s。通过计算可知，运动状态下，按照95%置信度计算，设备的探测限（最小可探测活度）为111 Bq，可达到国外同类产品的测量水平。

3 结语

本次设计的传送带式污染监测设备系统，设计组装后，按照参考标准要求对其静态以及动态下不同位置进行测试，静态下测量腔体不同测量点测试数据最小计数为所有计数平均值的81.6%，优于标准要求；动态下进入测量腔的不同道的峰值数据平均值与最大值比值为92.8%，优于标准要求。根据标准探测限计算公式测试，计算得知其整机探测限比较低。综上所述，整个设备性能稳定，响应良好，较低的探测限更好地提升了设备可靠性，此次整个设备的完整设计实施实现了我国核电站辐射监测系统国产化的既定目标［6］。

作者贡献声明乔敏娟：设备调研，完成方案设计，进行仪器性能测试及数据分析，构思并撰写论文；任熠、王建飞：提供理论基础，进行指导；王迪：参与实验具体测试及数据记录；张菁、荆玥泓、刘芸：资料收集及整理。