合肥光源辐射监测动态发布系统的设计及应用

黄章玲 任广益 陈裕凯 许伦铭 李腾麟 李为民 李裕熊

1（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 合肥 230029）

2（清华大学 工程物理系 北京 100084）

合肥光源辐射监测动态发布系统的设计及应用

黄章玲1任广益1陈裕凯1许伦铭1李腾麟2李为民1李裕熊1

1（中国科学技术大学 国家同步辐射实验室 合肥 230029）

2（清华大学 工程物理系 北京 100084）

合肥光源(Hefei Light Source, HLS)是我国第一台专用同步辐射装置，它周围的辐射场是一个有方向性的瞬发混合场，辐射剂量水平随装置的不同运行状态而变化。针对改造后的光源，在原有单点监测系统的基础上，设计开发了一套基于Java动态页面(Java Server Page, JSP)技术的网络化辐射监测数据动态发布系统。系统用于监测HLS运行期间在工作场所和环境中产生的辐射剂量水平，并采用监测点分区化管理以及分区设定报警阈值。同时，该系统整合了加速器EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)系统中的流强数据，实现了加速器运行状态与辐射监测数据的比较分析。目前该系统运行状况良好，方便了管理人员和用户对合肥光源的辐射监测数据进行实时监测和历史查询，也为加速器等其他大型核装置的辐射监测数据对公众公布提供了经验。

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合肥光源(Hefei Light Source, HLS)的主体装置由电子直线加速器、输运线和电子储存环构成。电子在直线加速器加速后经过一段束流输运线，最后通过注入系统进入储存环中存储运行并给实验线站供光。为提升其供光性能，2009年底正式启动了“合肥光源重大维修改造项目”，辐射监测系统的升级是此次改造项目的一部分。

相对于其他核设施，同步辐射装置周围的辐射场有其特殊性，它是一个非稳恒的包括轫致辐射和中子辐射的强瞬发混合辐射场，为更好地了解该辐射场的特性，设计开发了一套多点网络化辐射监测数据动态发布系统。系统前端结合Java动态页面(Java Server Page, JSP)等技术，实现了辐射监测数据的动态发布，管理人员或用户只需通过浏览器便可远程查看辐射监测实时及历史数据。通过本系统，有望在国内大型科学装置中，实现环境监测数据对公众透明公开。

1 概述

要对一个辐射场进行监测，应该首先清楚地了解所面临测量对象的特点，才能正确选择监测位置以及对系统的设计提出合理化要求。和改造前的光源相比，合肥新光源的电子直线加速器加速的电子能量由200 MeV提高到800 MeV，各部分装置的屏蔽结构也做了一定改变。其中注入器屏蔽沿用原有隧道屏蔽，不作改造。储存环屏蔽由真空室束流平面外侧5 cm铅砖屏蔽、储存环钢制棚屋与混凝土锯齿墙组成。由于直线加速器建在隧道中，经厚屏蔽后，对环境没有可观测到的辐射影响[1]。并且新光源的直线加速器的能量提高了4倍，但其运行模式束流脉冲长度由原来的1 μs变成了1 ns，流强降低了3个量级，这样在正常运行时，直线加速器中产生的电离辐射量要低于改造前的。对于储存环注入及运行引起的电离辐射，主要以电子的轫致辐射为主并伴有衍生中子，是一个能谱很宽的混合辐射场，其辐射水平的变化依赖于机器的运行状况。要掌握关于辐射场的全面资料，只有对其进行连续的实时监测。

合肥光源原有辐射监测系统采用就地式微型数据采集器，可以采集单个测量点的数据，并进行存储和显示[2]，存在数据单一、难以直观比较等问题。针对改造后的合肥光源，参考原有辐射监测系统的硬件条件，设计开发了一套网络化实时监测系统，实现多设备、多监测站集成化管理。目前整个实验室共有15个电离辐射监测点，具体分布如图1所示。监测点根据本实验室加速器运行特点和预计的辐射场分布情况而设置，主要分为三大监测区域：

(1) 对公众辐射监测区：包括M1和M2环境监测站，M2站建在沿储存环注入正方向的实验室南边界，M1站设置在距离电子直线加速器较近的西边界。待合肥光源试运行调试结束，该区的监测结果要实现对公众公布。

图1 监测点分布图Fig.1 Distribution map of monitoring points.

(2) 有工作人员区域监测区：由M3、M4、M5、M11、M12、M13、M14、M15监测站组成。其中M3、M4、M5位于直线速调管走廊内，该处的辐射场主要是由于大功率速调管的运行产生的X射线造成，且辐射水平和工作负荷因子都不太高，工作人员仅在设备检修等特殊情况才进入，因此不设置中子探测器。M11、M12、M13、M14、M15是储存环外的场所监测站，这几个点是工作人员可以随便出入的地方，都有工作人员较长时间的停留。

(3) 储存环大厅区域监测区：M6、M7、M8、M9、M10是位于储存环大厅内的场所监测站，沿环分布成一圈，各点离环中心距离和实验线站末端离环中心距离差不多。储存环注入阶段大厅内禁止人员进入，束流正常储存阶段时实验线站工作人员就在这些点附近工作。

对应于监测站的分区管理，为保证合肥新光源产生的辐射对环境的影响符合国家有关规定要求，以及保证各区域工作人员的人身安全，辐射监测系统的设计考虑了分区设定报警阈值，根据监测结果判断是否报警触发联锁系统，及时中止加速器运行。

2 系统的设计与实现

2.1 系统的组成

合肥光源辐射监测动态发布系统结构见图2。主要由数据采集子系统和数据发布子系统组成。包含两个环境监测站和13个区域监测站，每个监测站由数据采集器和辐射探测器构成。微型数据采集器现场采集和存储辐射剂量数据，通过实验室内网汇总到上位机进行本地实时显示，并在服务器中存储归档。实现整个系统的网络化数据采集、记录、显示、存储功能，并提供相应的报警功能，超阈值时触发辐射联锁系统作出快速反应。同时，上位机还提供了与EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)系统的通讯接口，可将加速器的流强等数据也实时显示、存储在上位机上，便于将辐射监测数据与加速器运行状态进行同步比较分析。加速器的其他系统也可在EPICS平台上调用辐射监测数据。

动态发布子系统采用典型的B/S (Browser/Server)结构，服务器端主要由Web服务器软件(Tomcat)和数据服务器组成，负责存储监测数据及响应来自客户端的请求。客户端是以浏览器为主的用户，可以直接通过浏览器访问Web服务器。当用户向服务器端发出HTTP (Hyper Text Transfer Protocol)请求后，Tomcat通过调用其JSP应用程序来完成请求—响应、查询数据、获取执行结果，最后把可视化结果返回给用户浏览器端。

2.2 数据采集子系统

数据采集子系统由上位机和多台下位机数据采集器组成。上位机软件采用LabVIEW编写，负责系统的控制、数据的实时显示以及存储。数据采集器是辐射监测网络的重要组成部分，本系统采用了与清华大学工程物理系合作研制的微型数据采集器(Mini-DDL)[2]，用以实现探测数据的连续、自动采集，并及时地向上位机发送数据。每台微型数据采集器能够处理4路探测器输入信号，同时提供以太网和RS232接口，进行数据传输和命令控制。为保证安全性，重要参数如数据采集器的以太网地址、探测器的定标系数等只能通过本地的RS232接口进行配置，数据采集器在辐射监测系统中是通过只读的以太网接口跟上位机通讯。数据采集器内部的程序是以6 s为单位，实时计算各通道的当前剂量率值，并通过局域网传送给上位机。同时，每5 min的脉冲计数会被存储写入其本身的Flash中，供上位机调取查询。这些数据采集器和探测器组成的子系统，既能通过以太网实现辐射剂量数据多点网络化集成管理，也能独立运行和保存数据。在系统中上位机或网络故障时，仍可保证数据不丢失，增强了整个系统的稳定性和可靠性。

图2 合肥光源辐射监测动态发布系统Fig.2 HLS radiation monitoring dynamic release system.

2.3 数据发布子系统

动态发布子系统的开发与部署均在Windows系统上进行，网站部署于Tomcat中。监测页面的设计采用现在流行的与操作平台无关的JSP技术，它是基于Java语言的一种网页编程技术，具有良好的交互界面和较高的实时性。利用基于Java语言的一个开源图表绘制包JFreeChart产生基于Web的图表。

动态发布系统的功能模块主要划分为数据管理、用户管理和测点信息，设计结构如图3所示。

图3 系统功能模块图Fig.3 System function module diagram.

3 系统的应用

合肥光源辐射监测动态发布系统在2014年7月部署成功并投入应用。运用该系统对加速器在不同工况下的辐射剂量水平进行了实时连续监测。测量的数据很好地反应了加速器不同运行状态、不同监测点的辐射剂量率水平的差异及辐射场的特性。

3.1 与机器状态相关的区域监测

同步辐射装置周围辐射场是非稳恒场，随机器运行状态而变化。以储存环大厅M8监测站的数据为例，注入和运行期间辐射剂量率随束流流强的变化如图4所示。

图4 2014年12月8日M8监测站的历史数据图Fig.4 Historical data of M8 on December 8, 2014.

在储存环注入阶段，装置周围是一个占空因子极小而辐射水平很高的瞬发辐射场，注入结束后辐射水平急剧下降；运行期间则是一个慢变化场，剂量水平略高于本底值；束流的剔除或突然丢失会引起局部辐射水平的突然上升。另外，中子剂量率变化曲线与轫致辐射水平变化曲线趋势相似，但由于中子辐射水平较低，脉冲计数涨落较大，因而得到的中子剂量率变化曲线不如轫致辐射的平滑[3]。

图4中00:00−08:00时段对应的是准恒流top-off注入调试模式，可明显看出，随流强波动而产生的脉冲辐射；18:00−24:00是decay模式，轫致辐射水平变化缓慢，接近本底水平，中子剂量率随流强的衰减趋势同步降低。目前合肥光源还处于束流调试阶段，top-off调试模式下的流强及束流寿命等都有待提高，待调试结束后剂量水平还会有所下降。top-off调试模式相对于传统的每隔数小时注入一次的decay模式有一定的优点，第三代光源陆续投入top-off模式运行，而可靠的辐射监测及安全联锁系统是实现top-off模式注入运行的重要保障条件之一。

与机器状态相关的区域监测，不仅检验了辐射屏蔽设计的效果，也为机器调试和运行人员提供有参考价值的信息，充分发挥本部门的作用。随着储存环大厅内的机器设备和新装置的增加，以及束流质量的不断提高，我们还将继续对这里的辐射场进行监测研究。

3.2 辐射场的特点

系统运行以来积累了大量监测数据，长期观测结果显示，合肥同步辐射装置周围辐射场是非均匀的，且具有一定的方向性，尤其是注入阶段更为明显。图5截取了注入阶段对应的实时监测数据直方图（如前所述，M3、M4、M5位于速调管走廊，未设置中子探测器）。

图5 注入阶段实时监测数据图Fig.5 Real-time monitoring data of the injection phase.

由图5，合肥新光源调试期间，注入阶段除了储存环大厅内的M6、M7、M8、M9、M10监测站，其他站点的轫致辐射剂量率都在本底水平或略高于本底，但各站点的中子辐射水平较本底有明显升高。

轫致辐射剂量率的高低直接反应了束流损失的大小，注入电子束大部分损失在注入点附近，所产生的轫致辐射具有很强的前向分布。M8监测点位于注入方向的正下游，因而轫致辐射剂量明显高于其他位置。注入的反方向位置的轫致辐射剂量水平相对较低。中子辐射场是由轫致辐射光子中共振光子引起物质光核反应所产生，它所造成的辐射剂量一般要比轫致辐射水平低，且接近各向同性分布[3]。M9监测点离注入点最近，由图5可直观看出，其中子剂量水平在注入时是最高的。然而，环境站M2点的中子剂量在注入时明显高于距离注入点较近的M11和M14处，则可能是受到储存环大厅内中子的天空反散射的影响[4]。

3.3 环境辐射监测结果

图6为环境站在2014年12月8日记录下的国家同步辐射实验室环境γ和中子剂量率变化曲线。

图6 2014年12月8日环境站监测结果Fig.6 Monitoring results at environmental radiation monitoring stations on December 8, 2014.

图6 中上面两条剂量曲线对应γ剂量率，下面两条对应中子。可以看出，储存环的注入和束流运行对两个环境站的γ剂量水平影响很小，可见屏蔽改进效果较好。但在注入时中子的剂量水平短时间内会明显高于天然本底一个量级，注入结束后恢复本底水平。中子辐射水平变化基本是各向同性，两站中子水平的差异是因为这两个站到注入点的距离不同所致。

通过长期观察发现，降雨、降雪会引起天然本底中的γ剂量水平升高，且峰高与雨雪量有关。但同步辐射装置注入对环境中的γ和中子水平都有影响。因此，可用中子剂量作为判断标准来计算储存环注入时附加给环境的剂量。这也提示了我们可以在环境站的监测中对系统做一点改进，安装相关的气象采集传感器，包括温度、湿度、感雨器（确定降雨雪情况）等，并与监测数据同步传输给上位机。

4 结语

本文详细介绍了合肥光源辐射监测动态发布系统设计、实现及应用实例，目前系统运行状况良好，监测界面操作简单，具有较高的实时性及可靠性。通过该系统，管理人员或用户可以方便地在Web浏览器上查看辐射监测实时及历史数据。在合肥新光源的调试阶段，辐射场的监测不仅有助于监测人员大体掌握合肥同步辐射装置周围辐射场的分布状况，为辐射防护的评估工作提供一定依据，也可为机器调试和运行人员提供有参考价值的信息。该系统在合肥光源试运行阶段积累了一定的数据和经验，待调试完后可将环境站监测数据对公众公布，为我国辐射监测网络的建设提供有价值的经验。

1 李裕熊, 李珏忻, 许炳, 等. 国家同步辐射实验室环境杂散辐射场及其监测系统[J]. 辐射防护, 1999, 19(3): 221−225

LI Yuxiong, LI Juexin, XU Bing, et al. Environmental stray radiation field and monitoring system at NSRL[J]. Radiation Protection, 1999, 19(3): 221−225

2 李珏忻, 李裕熊, 曾鸣, 等. 微型数据采集器及其在加速器周围辐射场实时监测中的应用[J]. 中国物理C, 2008, 32(s1): 151−153

LI Juexin, LI Yuxiong, ZENG ming, et al. Mini-DDL and its applications in the radiation field measurement around accelerators[J]. Chinese Physics C, 2008, 32(s1): 151−153

3 李裕熊, 李珏忻, 吴璨, 等. 国家同步辐射实验室储存环大厅内的瞬发辐射场[J]. 辐射防护, 1995, 15(3): 168−175

LI Yuxiong, LI Juexin, WU can, et al. Measurement of the prompt radiation field in the NSRL storage ring hall[J]. Radiation Protection, 1995, 15(3): 168−175

4 National Council on Radiation Protection and Measurements. Structural shielding design and evaluation for megavoltage X- and gamma-ray radiotherapy facilities[R]. NCRP Report No.151, Washington: Pregamon Press, 2005: 84−88

CLC TL751

Design and application of HLS radiation monitoring dynamic release system

HUANG Zhangling1REN Guangyi1CHEN Yukai1XU Lunming1LI Tenglin2LI Weimin1LI Yuxiong1

1(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)
2(Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Background: The upgrade project of Hefei Light Source (HLS) was started in 2009. Improving radiationmonitoring system is an important part of the upgrade project. Purpose: This study aims to design and implement aweb-based dynamic release system for a real-time and remote multipoint radiation monitoring of HLSII. Methods:Data acquisition and storage section were implemented by using LabVIEW, moreover, the system was integrated intoEPICS database with the interface designed by CA Lab. Java combining with Java Server Page (JSP) technique wasadopted to complete the design and implementation of the data query system based on Brower/Server. Results: Thissystem is easy to operate and has run stably for several months, meeting the designing requirement. Conclusion: Withthis system, real-time monitoring and historical data query can be more efficient and convenient for administrators andusers. It also provides a good reference for other nuclear devices in the aspect of radiation monitoring data opening tothe public.

Radiation monitoring, HLS, JSP, Dynamic release

TL751

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.050104

黄章玲，女，1990年出生，2012年毕业于南华大学，现为硕士研究生，辐射防护与环境保护专业

李裕熊，E-mail: lyx@ustc.edu.cn

2015-01-22，

2015-02-10