基于物联网技术的信息化放射源容器的开发设计_唐斌.pdf

2023年04月|770 引言近年来，我国核技术迎来了快速发展。快速发展的核技术给国家、社会和人民带来了巨大的经济效益和社会效益，但也伴随着不容忽视的安全隐患，核技术利用不当会对人体健康产生有害的作用，放射性物质释放到环境中，会造成环境放射性污染。放射性检测仪表中使用的放射源(含容器)在出厂前要对容器周围进行严格的辐射剂量检测，以保证工作人员在周围活动时受到尽可能小的射线照射。但工业现场频繁的开、关操作及环境辐射剂量检测工作，依旧给工作人员带来了极大不便。同时，由于传统放射源容器无法实现其位置、环境温湿度和环境辐射剂量信息的实时监控，当放射源发生被盗、坠落、火灾或泄漏等异常状况时，无法及时预警，存在巨大的安全隐患1。1 放射源容器介绍放射性检测仪表由密封放射源和检测器两部分组成，在工业用放射性检测仪表中，放射源容器主要是将密封放射源封闭于其中心正确的几何位置，并提供足够厚度的屏蔽材料，源容器上设置可用于约束射线束角度和方向的源闸，以满足辐射防护要求及测量需求2。放射源容器一般由铸铁、不锈钢、铅、合金及贫铀等重金属材料组成，屏蔽层材料及厚度主要取决于其中心密封放射源的类别及活度。在工业上，放射源容器周围辐射剂量要求一般满足 GBZ 1252009含密封源仪表的放射卫生防护要求 中的一级或二级防护标准。放射源容器上设置有可将射线约束为一定方向和角度的源闸，根据不同的设备条件及测量需求，一般可分为闸板式、旋转式、抽拉式、水平开口、垂直开口和锥形开口等，源闸可将有用射线束在非测量状态时屏蔽于放射源容器内部；放射源容器具有锁定装置，在放射源关闭或开启的状态下均可上锁，避免无关人员的误操作。放射源容器上有清晰且牢固的铭牌，铭牌上标有放射性核素的类别、生产国家/厂家、出厂活度、出厂日期、放射源编码、放射源标号、放射源容器基本信息及符合 GB 14052-1993 规定的电离辐射标志、放射性检测仪表类别及安全性能等级等信息。基于物联网技术的 信息化放射源容器的开发设计唐斌，柳成成(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)摘要：文章阐述了工业放射性检测仪表用放射源容器的基本情况，分析总结了传统放射源容器的设计缺陷及使用弊端，有针对性地设计了一种基于物联网技术的信息化放射源容器，实现了放射源容器的远程操作与监控，极大促进了工业放射源的安全使用及监管。关键词：放射性检测仪表；放射源容器；物联网技术；远程操作；远程监控中图分类号：TP391.44 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)12-0077-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.12.021Development and Design of Informationized Radioactive Source Container based on Internet of Things TechnologyTANG Bin,LIU Cheng-cheng(Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation Co.,Ltd.,Lanzhou 730060,China)Abstract:This paper describes the basic situation of radioactive source containers for industrial radioactivity detection instruments,analyzes and summarizes the design defects and use drawbacks of traditional radioactive source containers,and specifically designs an information radioactive source container based on the internet of things technology,realizes the remote operation and monitoring of radioactive source containers,and greatly promotes the safe use and supervision of industrial radioactive sources.Keywords:radioactivity detection instrument;radioactive source container;Internet of things technology;remote operation;remote monitoring技术与信息78|2023年04月2 传统放射源容器的设计缺陷及使用弊病放射性检测仪表中使用的放射源一般有 Cs-137、Co-60 或 Na-22，放射性核素会自发地发生 或 衰变，伴随着产生 射线，源源不断地射向四周，射线具有一定的能量，它会破坏细胞，对人体组织产生伤害。当人体受到大剂量射线照射时，会产生食欲减退、头昏乏力、恶心、呕吐等症状，严重时会导致机体产生永久性损伤，甚至死亡。近年来，随着国家核工业、核技术的快速发展，国家对放射性同位素的监管日益严格，相继出台了多部法律法规及标准规范。根据 放射性同位素与射线装置安全和防护管理办法 规定：使用放射性同位素与射线装置的单位，应当按照国家环境监测规范，对相关场所进行辐射监测，并对监测数据的真实性、可靠性负责；对放射性同位素使用场所应当采取防火、防水、防盗、防丢失、防破坏、防射线泄漏的安全措施；放射源丢失、被盗、失控，或者引发急性死亡、急性重度放射病、局部器官残疾或人员辐照剂量超过年剂量限值的照射均称为辐射事故。尽管传统放射源容器已经按照相关法律法规、国家标准及行业标准，将放射源容器周围的辐射剂量率值降至了最低。但在仪表调试、设备检修等过程中，仍需要频繁地打开或关闭放射源容器，频繁地往返现场给现场工作人员带来了极大困扰。长时间的工作，也使得现场工作人员的累积外照射受照剂量大幅增加，给现场工作人员的身心健康带来巨大的伤害。同时，目前大多数工业现场的放射源监管只能依靠工作人员的定期巡检及辐射剂量检测工作完成，无法实现在线监控，一旦放射源及容器发生被盗、坠落、火灾、泄漏等特殊状况，无法实时预警，存在很大的安全隐患。3 放射源容器远程操作系统设计放射源容器远程操作系统主要用于实现放射源容器的远程开、关，其主体结构由放射源容器、气缸、电磁换向阀、限位开关和锁定装置 5 部分组成。如图 1 所示，放射源容器顶部设有与内部阀芯(源闸)连接的传动轴，该传动轴与放射源容器上部气缸的旋转杆轴连接，气缸的顶部设有限位开关，一侧设有电磁换向阀，电磁换向阀上设有电源接口。图1 含远程操作系统的放射源容器气缸用于放射源容器的打开或关闭，其工作压力为 57 kg，在电磁换向阀断电的情况下气动执行机构自动复位将放射源关闭，电磁换向阀通电放射源打开；限位开关用于放射源开、关信号的输出，可通过观察限位开关的指示判断放射源容器的开、关状态，也可以提供远传信号用于放射源容器的开和关的到位状态指示；电磁换向阀主要是利用电磁线圈产生的电磁力，推动阀芯切换，从而实现气流的换向；锁定装置用于放射源容器在运输或长时间不做状态改变时的锁定，放射源容器在锁定时远程操作系统无法工作3。放射源容器远程操作系统具体实施方式为：当放射源容器需要打开时，工作人员在 DCS 系统远程发送指令，电磁换向阀通电，利用电磁线圈产生的电磁力，推动阀芯切换，产生气源，气源压力从进气口进入气缸中腔，促使两活塞分离向气缸两端移动，两端气腔的空气从出气口排出，使两活塞齿条同步带动输出轴(齿轮)向逆时针方向旋转，气缸的旋转杆轴带动放射源容器传动轴以及限位行程开关，产生 90 逆时针旋转，放射源容器打开，射线束按照源容器源闸约束的方向射向检测器，此时限位开关指示放射源容器为“开”的状态，并且远传信号用于指示放射源容器打开的到位状态。当放射源容器需要关闭时，工作人员在DCS 系统远程发送指令，电磁换向阀断电，阀芯切换，气源压力从进气口进入气缸两端气腔，促使两活塞向气缸中间移动，气腔的空气从出气口排出，使两活塞2023年04月|79齿条同步带动输出轴(齿轮)顺时针方向旋转，气缸的旋转杆轴带动放射源容器的传动轴以及限位开关，发生 90 顺时针旋转，放射源容器关闭，此时，限位开关指示放射源容器为“关”的状态，并且远传信号用于指示放射源容器关闭的到位状态。4 放射源容器远程监控系统设计放射源容器远程监控系统由放射源监控单元和远程监控中心两部分组成，如图 2 所示。放射源监控单元主要包括放射源容器位置监测系统、放射源容器环境辐射剂量监测系统、放射源容器温湿度监测系统。远程监控中心主要用于监测数据的存储管理、统计分析及可视化显示等。工作人员可以在监控中心对放射源基本信息、经纬度信息、辐射剂量信息及温湿度信息进行实时查询，当放射源出现位置偏离、辐射剂量异常或环境温湿度异常时，监控系统会及时报警，防止放射源丢失、故障或周围环境异常等造成的辐射安全事故。图2 放射源监控单元与远程监控中心设计图如图 3 所示，放射源监控单元永久的固定在放射源容器表面的防爆盒内，含单片机模块、数据通讯模块、电源模块、辐射剂量传感器、北斗定位芯片、温湿度传感器、GPRS 无线通信模块、外置天线等。单片机模块采用 STM32 作为核心处理器，运用C 语言开发设计程序，主要用于实现放射源容器经纬度信息、辐射剂量信息、环境温湿度信息等数据的处理、数据协议的转换、外设管理、数据的发送以及上位机指令的编解码，最大发射功率约为 1.2 W。数据通讯模块内设有高精度的北斗定位模块，体积小、灵敏度高、功耗低、采用混合定位模式，精度高、定位快。利用外置天线完成放射源容器的实时经纬度位置信息的采集，通过串口发送给单片机进行处理。数据通讯模块主要用于数据的发送与接收、数据通信协议的编解码，数据整理、示、保存以及通信终端设备状态的监控等功能4。辐射剂量传感器采用770 mm 的盖革-米勒图3 含远程操作及监控系统的放射源容器技术与信息80|2023年04月计数管，主要用于完成放射源容器周围环境辐射剂量率的采集，当 射线进入盖革-米勒计数管，管内气体产生电离，管内负离子在电场的作用下加速向阳极运动，在运动过程中碰撞气体分子产生次级电子，次级电子再次碰撞气体分子，产生新的次级电子。这导致次级电子急剧倍增，发生“雪崩”，使得阳极放电，电信号发送至单片机模块，通过数据处理生成辐射剂量率信息。温湿度传感器采用高精度、低漂移的一体式探头作为测温元件，主要用于完成放射源容器周围环境温湿度的采集，温度测量范围：-40200，测量精度 1；湿度测量范围：0%100%RH，测量精度 10%。电源模块将外接 24 V/0.5A 直流电源或电池组电源变换为 3.8 V 和 3.3 V 为单片机和数据供电，电源功率约为 10 W。同时配备 3.7 V 锂电池作为备用。在断电的情况下作为备用电源可工作 1520 h。远程监控中心主要用于完成放射源监控单元的网络数据收发，其主要由网络设备、服务器和显示器等组成。监控中心软件通过不断的文本刷新即时显示放射源容器经纬度位置信息、环境辐射剂量率以及温湿度信息5，如图 4 所示。图4 放射源远程监控中心总体软件功能模块放射源及容器远程监控系统在具体操作时，单片机通过串口和北斗定位模块接收上位机 AT 指令，控制联网，回传 GPS 定位信息给单片机，同时单片机对盖革-米勒计数管工作模块进行脉冲计数，计算出计数率并乘以相应标定系数转换成为标准的辐射剂量当量率信息。温度传感器将检测到的温湿度信息发送给单片机，单片机以软件设定格式对经纬度信息、温湿度信息、环境辐射剂量信息进行打包，并通过串口发送给通信芯片，进而通过 GPRS 网络发送至监控中心服务器，通过监控系统，可以实时查询放射源容器的在线状态