可折叠式人员通道监测仪的研制

孙琦皓，张 菁,3*,王建飞，毛嘉琦，乔 敏,3，郭喜荣,3

（1.山西中辐核仪器有限责任公司，山西 太原；2.中国辐射防护研究院，山西 太原；3.山西省智能辐射探测装备技术创新中心，山西 太原）

可折叠式人员通道监测仪可用于核电系统控制区、后处理设施场所、机场、各类车站、商超等场所的出入口安检处，能够快速检测通过人员身体表面所携带的微量放射性物质及含量信息。当检测到通过人员被污染时，仪器输出声光报警，并上传至远程辐射监测台，对于防止γ 放射性污染扩散、实现辐射防护最优化有重要意义。本监测仪设计为可折叠式，相较于目前国内核电市场所采用的固定式人员通道监测仪而言，具备体积小、安装维修方便和成本低的特点，外壳设计与公共场所用于检测是否携带金属等违禁物品安检门相似，既能够满足快速污染监测、防止污染扩散的现场应用需求，也扩展了仪器的应用范围。本研究整合核电现场的应用需求，主要对仪器进行设计和性能分析，研究结果表明可折叠式人员通道监测仪整体辐射性能和可靠性指标满足标准和设计要求，性能稳定可靠。

1 总体设计

可折叠式人员通道监测仪设计原理如图1 所示。监测仪主要由4 个大面积塑料闪烁体探测器组成，测量方式为快速通过式测量，整个监测过程完全自动化，可实时显示和语音提示监测结果。工作中，探测器产生的信号经道盒放大、调整后转为数字信号，通过控制板对数据进行算法分析处理，报警信号会传递给报警处理单元，进行声光提示、安全系统落锁等操作，测量过程和结果会通过网线或无线通讯方式传输至显示屏进行实时显示。

图1 设计原理框图

2 硬件配置

监测仪主要由电源单元、探测器组件、控制板、显示屏、声光报警单元（报警灯、蜂鸣器）和移动物体传感器（微波雷达）组成，控制板作为监测仪的主体控制单元，写入核心运行软件，通过通讯接口对4 个监测道进行数据采集和执行命令交互作业，接受并处理高压信息，使得监测仪实现高度自动化测量，并通过液晶显示屏输出控板当前状态、测量结果、报警信息、故障信息。

3 软件设计

监测仪控制软件可以对仪器自检状态和测量过程进行自动控制，具有数据通讯、状态查询、参数设置、数据存储等功能。软件测量整体流程如图2 所示。软件启动后，仪器会自动进行自检和本底测量操作，本底正常后进入本底更新状态，当入口雷达传感器检测到人员靠近时，进入测量模式，若无污染，仪器不报警，声光报警器绿灯亮，若有污染，则判断其报警等级，报警器红灯亮，蜂鸣器发出警报声，显示屏显示污染部位，人员退出监测仪。待被测人员退出后，入口雷达感器动作，仪器安全系统落锁，进行本底更新，恢复正常后，进入等待测量模式。

图2 控制软件流程

4 主要性能测试与分析

监测仪作为控制区出入口人员辐射监测最主要的手段，监测结果的准确性、可靠性和稳定性尤为重要，本研究依据JJF 1266-2010 和GB/T 24246-2009对其活度响应、重复性、探测阈值和误报警率等物理性能进行测试分析[1-3]。为确保仪器在运行过程中对环境的适应性，根据GB/T 2423.1-2008 和GB/T 2423.2-2008 等标准对仪器进行了高低温运行环境试验。

4.1 物理性能测试

4.1.1 活度响应

系统对放射源的活度响应表征着监测仪对辐射的探测能力及灵敏程度，是重要的物理性能指标[6]。仪器上电预热稳定后，将放射源137Cs 依次放置于监测仪相对立的两个探测器几何中心连线的中点上进行测量，重复读数10 次取平均值，按照式（1）计算各探测器对放射源的活度响应Ri，对各探测器的活度响应相加总和即为监测仪系统对放射源的活度响应R，计算方法如式（2）。测试结果如表1 所示。

表1 活度响应测试结果

式中：Ri为第i 个探测器的活度响应，s-1·Bq-1；Ni为第i 个探测器的带源计数平均值，s-1；Nib为第i 个探测器的本底平均值，s-1；A 为放射源的当前活度，Bq。

式中：n 为探测器个数，监测仪安装有4 个探测器，这里n 值取4。

由表1 可知，监测仪对137Cs 的活度响应满足GB/T 24246-2009 要求。

4.1.2 测量重复性

依据JJF 1266-2010，采用放射源137Cs，各探测器的相对实验标准差计算方法如式（3），其中最大值即为监测仪的重复性。重复性数值越小，仪器重复性越好。测试结果如表2 所示。

表2 测量重复性测试结果

式中：V 为重复性，%；Ni为监测仪的读数，s-1；N 为监测仪读数的算数平均值，s-1；w 为重复测量次数。

由表2 可知，系统保持了1.1%这一较好的重复性。

4.1.3 探测阈值

探测阈值直接反映了监测仪的探测性能，根据JJF 1266-2010，分别对各探测器进行测量，按照式（4）计算其实验标准偏差，再由4.1.1 章节测试得到的活度响应数值与本底计数率的试验标准偏差，按式（5）计算得到每个探测器对放射源活度的探测限。整个检测系统的探测阈值取探测器探测阈值的最大值。测试结果如表3 所示。

表3 探测阈值测试结果

式中：σi为第i 个探测器本底计数率的试验标准偏差，s-1；Nibj为第i 个探测器的本底计数，s-1；Nib为第i 个探测器本底计数的平均值，s-1；w 为重复测量次数。

式中：AiT(N) 为第i 个探测器对N 核素活度的探测限值，Bq；RiN为第i 个探测器对N 核素的活度响应，s-1·Bq-1。

由表3 可知，仪器对137Cs 的探测阈值满足GB/T 24246-2009 要求。

4.1.4 误报警率测试

为保证仪器测量结果的准确性，依据JJF 1266-2010 对其γ 误报警率进行了测试。3600 次模拟中，监测系统共产生0 次误报警，满足GB/T 24246-2010 要求。

4.2 环境适应性试验

本研究根据GB/T 2423.1-2008 和GB/T 2423.2-2008，对监测仪在高低温环境中的工作和存储适应性进行了试验，实验结果如表4 所示。

表4 环境适应性试验结果

5 结论

可折叠式人员通道监测仪安装有4 个塑料闪烁体探测器，实现了人员等移动目标的快速辐射监测，根据相关标准要求，对监测仪的辐射性能和环境适应性进行了测试与分析，各性能指标均优于标准要求。仪器具有体积小、安装维护方便和快速污染测量等特点，能够有效防控污染扩散。