高灵敏度行人辐射监测仪在核电厂出入控制口的应用

摘   要： 为了进一步提高某核电厂出入控制口辐射监测性能和效率，选用国内新一代高灵敏度辐射监测仪，并实施适应性改进。将原有门板型设计改造为多探测器前后布置的门框式设计，实现全身分区域测量和报警;对百分比报警、效率报警、最大灵敏度报警进行测试，选择效率报警作为优选报警方式。改进后，实现了探测灵敏度和通行效率二者兼得：探测报警阈值从108 kBq降低至3 kBq，监测更加精准;采用的通行式设计可使行人无障碍通过，通行能力约为144人/分钟，兼顾了通行效率和安全检测。

关键词： 核电厂;探测灵敏度;效率报警;行人辐射监测仪;门框式设计;通行式设计

中图分类号：TL813    文献标识码：B    文章编号：2095-8412 （2020） 04-006-05

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.002

引言

根据相关国家标准和行业标准，核电厂出入控制口需要配置行人辐射监测仪，对进出厂区的人员进行辐射监测[1-3]。一旦测量的放射性水平超过设定的阈值，行人辐射监测仪将发出警报，并锁定厂区出入控制系统的旋转门或三角闸，截住通行的人员，禁止放射性物质离开厂区，避免造成放射源失控事故[4-5]。

某核电厂厂区边界配置的行人辐射监测仪为门板型监测仪，报警阈值为108 kBq，多人并行通过时，報警阈值进一步提高，达到266 kBq。另外，多人同时通过会致使行人辐射监测仪发生报警后不能快速识别受污染人员。核电厂控制区辐射监测仪虽然能满足探测下限的要求，但其探测方式属于拦截式[6]，人员进入监测仪等待一段时间后才能开门通行，如果核电厂主入控制口选择此类型辐射监测仪，又势必会影响通行效率。核电厂主入控制口行人辐射监测仪探测灵敏度和通行效率难以同时满足，正所谓“鱼和熊掌不可兼得”。

在保障通行效率的基础上，为了提高行人辐射监测仪探测灵敏度，某核电厂借助出入控制口行人辐射监测仪停产、无备件、需要改进的契机，经过多方调研，购置到国内研发的新一代高灵敏度行人辐射监测仪，并进行了适应性改进，最终实现了探测灵敏度和通行效率二者兼得。

本文首先对核电厂放射性核素特点进行分析，并在此基础上提出总体改进方案;其次以探测灵敏度和通行效率二者兼得为原则，对报警方式进行研究与比选;最后对应用效果进行评估，并给出若干探测处置案例。

1  核电厂放射性核素特点分析

若要对核电厂出入控制口行人辐射监测仪进行合理的配置设计，首先需对核电厂放射性核素特点，包括主要放射性核素种类，核素的β、γ衰变特点及各自的占比等进行分析，然后确定辐射测量控制的特征核素和γ辐射报警阈值。

经分析，Co-60、Co-58、Cs-137等是核电站主要核素，在常规物品中，其总量占绝大部分;其中 Co-60占比最大，约50%以上，故将其作为γ辐射测量中的特征核素。由于γ辐射探测仪对Co-60衰变的探测有2条γ射线，对其他两种核素的探测只有1条，即前者的探测效率基本比后者高一倍，所以在以Co-60作为特征核素进行测量时，将人员辐射监测仪报警阈值确定为3 kBq，以满足《电离辐射防护与放射源安全基本标准（GB 18871-2002）》[1]的要求（参照人员体表污染控制限值0.4 Bq/cm2，身高160 cm的男性的体表面积大概为1.6 m2，对应的放射性活度约为6 kBq，报警阈值取其一半）。

2  总体改进方案

将原来主要出入通道的3套门板型行人辐射监测仪升级为4套门框式行人辐射监测仪。4套门框式行人辐射监测仪之间设置安全栅栏，并确保行人不能穿过栅栏。

每套门框式行人辐射监测仪各引出一根信号线缆，与核电厂的旋转门连接，只要有一套监测仪报警，所有的旋转门均锁定。旋转门锁定状态是否解除由核电厂保卫人员控制。行人辐射监测仪故障报警时不闭锁旋转门，在维修人员排除设备故障前，行人从其他正常运行的行人辐射监测仪通行。系统构架设计如图1所示。

探测器是行人辐射监测仪的核心部件。每套行人辐射监测仪配置13个探测器，每个探测器由耦合高灵敏光电倍增管模块、高压电路模块、前置放大电路模块和信号处理接收发送模块等组成。探测器双面“3+3”菱形排列的设计使得测量全覆盖无盲点，又进一步提高了通行速度。为了降低系统的本底噪声，除探测面用低原子序数的铝以外，其他面采用25 mm厚的低本底老铅作为屏蔽。耦合高灵敏光电倍增管采用防震结构设计。探测器电子学部分具有故障反馈功能，使控制中心及上位机用户清楚地知道探测器的工作状态，实现全身分区域测量和报警。每套行人辐射监测仪中探测器的排布方式和安装完成后的行人辐射监测仪分别如图2a和图2b所示。

3  报警方式研究与比选

行人辐射监测仪的报警方式有三种：百分比报警、效率报警、最大灵敏度报警。

3.1  百分比报警

测量值与本底值之间的差值（即测量时净增长的计数）大于或等于本底值的a%时[7]，触发报警，即

（1）

其中，为监测仪的实时计数率，指的是监测仪在触发占位时13个探测器实时叠加的总cps值;为监测仪本底更新后得到的计数率，指的是检测仪在未触发占位时13个探测器测得的总cps值;a为用户自己设定的系数，在1～100之间，设定系数时应避开探测器的正常的统计涨落，否则容易引起误报。比如，若本底值为10 000 cps，探测器的正常统计涨落值（本底正常的波动区间）为±200 cps，那么设定系数a为1就会触发误报（1%×10 000=100）。

3.2  效率报警

使用一定活度的已知核素（如Co-60）作为放射源通过监测仪，当放射源活度大于预设的特定核素（如Co-60）活度报警阈值时，监测仪给出辐射报警提示[8]。用户可根据实际情况在核素库中选定特定核素。

报警触发条件：

（2）

其中：

（3）

为预设的特定核素活度报警阈值，本项目预设值为3 kBq;为一定活度的已知核素放射源通过监测仪时测得的该放射源的活度;ε为被测放射源的活度响应（单位：S-1/Bq），是将标准源放在门框几何中心刻度出来的效率值;和與前述百分比报警相同。

3.3  最大灵敏度报警

当监测仪测量值大于预设的最大灵敏度报警阈值时，监测仪给出辐射报警提示。最大灵敏度报警方式与百分比报警接近。

报警触发条件：

（4）

其中，和与前述百分比报警相同;为决定误报率的本底系数，与百分比报警中的a系数一样，设定时需要避开本底正常的统计涨落，防止触发误报;为测量时间（默认为1 s）;为本底更新时间（默认为60 s）。

经现场测试，效率报警既能确保探测灵敏度，又能实现长期运行稳定，最终核电厂选择了效率报警方式。

4  应用特点分析

为了提升探测灵敏度，对行人辐射监测仪进行了如下适应性改进：

（1）采用门框式设计，并缩短门框的间距，实现：

① 提高整个监测仪的探测效率，从而降低辐射探测下限，降低报警阈值;

② 限制只能一人通过，避免多人同时通行形成的屏蔽，提高探测可靠性。

（2）采用多探测器布置，增加探测器的总有效体积，实现：

① 提高总体探测效率，同时降低每个探测器的本底计数，降低报警阈值;

② 针对人体不同部位，采取分区统计和数据处理，实现人体分部位测量和污染报警，精确定位。

（3）多探测器前后布置（沿竖直方向分别并列设置）。按进出方向前后分区，通过前后分区出现计数峰值的不同时间，判断人员的进出方向。

（4）采用铅屏蔽设计，减小环境本底的影响，降低报警阈值。

（5）采用通行式设计，不设栏杆，提高人员通行效率。

（6）在门框的进出口分别设置红外线探测器，用于测量的启/停控制。

（7）安装摄像头，进行监控和视频抓拍，通过视频抓拍记录，快速定位触发报警的人员。

（8）优化辐射监测仪就地本底预置设置方法，将固定值更改为可变系数，使参与计算的本底数值高低随现场环境本底变化而改变，消除环境本底变化对测量结果的影响。

5  应用效果评估与处置案例

5.1  通行效率测算

出入控制口处记录得到最高峰通行人数为89人/分钟，4台行人辐射监测仪的通行能力约为144人/分钟，满足通行效率要求。即使1台行人辐射监测仪出现故障，另外3台行人辐射监测仪也能满足通行效率要求。

5.2  处置案例

4台行人辐射监测仪在2019年3月投入运行后，曾出现2起微弱的放射性物资进出保卫边界的偏差：

（1）2019年4月4日，某厂家维保人员在通过行人辐射监测仪时发生报警。检查发现为维保人员随身携带的源机维保工具中的一个假源鞭和一个导管转接头所致，其中导管转接头的接触剂量率为1.9 μSv/h，没有发现松散的表面沾污。注：射线探伤用的都是密封的放射源（Ir-192、Co-60等），导管转接头本身是没有放射性的金属材料。导致报警的原因是导管转接头在使用过程中受到轻微放射性沾污。

（2）2019年4月9日，电厂工具库采购的钍钨电极由人员携带进厂时，触发行人辐射监测仪报警。钍钨电极单盒接触剂量率为0.43 μSv/h，距离0.1 m处为0.18 μSv/h。注：钍钨电极含有氧化钍（ThO2）用于焊接起弧，电厂按工具采购，焊工按需领用。Th-232是带有α射线的放射性核素，是导致行人辐射监测仪报警的主要因素。报警发生后，电厂立即采购没有放射性的铈钨电极替代钍钨电极。

6  结束语

本文引入国内新一代高灵敏度行人辐射监测仪，并推动其在核电厂落地应用，在解决通行效率的同时，提升了探测灵敏度，进一步提高了厂区出入口辐射监测性能和水平，也为后续其他核电厂的监测设施改进提供了蓝本。

参考文献

[1] 电离辐射防护与放射源安全基本标准： GB 18871-2002[S].

[2] 放射性物质和特殊核材料监测系统： GB/T 24246-2009[S].

[3] 行人与行李放射性监测装置校准规范： JJF 1266-2010[S].

[4] 马宇箭. 辐射监测系统国产化方向研究[J]. 核电子学与探测技术， 2009， 29（5）： 1235-1240.

[5] 肖波， 覃国秀， 陈辛， 等. 辐射监测仪表在深圳大运会上的应用[J]. 核电子学与探测技术， 2012， 32（8）： 956-959.

[6] 徐长河， 蓝永辉. Modbus TCP/IP工业通信协议在阳江核电的应用[J]. 工业技术创新， 2015， 2（2）： 183-190.

[7] 王璨辉， 陈峰. 小型智能化区域γ监测仪的研制[J]. 核电子学与探测技术， 2008， 28（4）： 680-682.

[8] 宋江学， 沈杨， 邓长明， 等. 手脚αβ污染监测仪的软件设计[J]. 核电子学与探测技术， 2011， 31（11）： 1228-1230.

作者简介：

林国强（1983—），通信作者，男，广东人，全日制本科，工程师，于大亚湾核电运营管理有限责任公司从事核电厂仪控系统改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

林国强（1983—），通信作者，男，廣东人，全日制本科，工程师，于大亚湾核电运营管理有限责任公司从事核电厂仪控系统改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

林国强（1983—），通信作者，男，广东人，全日制本科，工程师，于大亚湾核电运营管理有限责任公司从事核电厂仪控系统改造研究。

E-mail： linguoqiang@cgnpc.com.cn

（收稿日期：2020-06-04）

Abstract： In order to further improve the radiation monitoring performance and efficiency of the access control in a nuclear power plant， a new generation of high sensitivity pedestrian radiation monitor in China is selected and the adaptive improvement is implemented. The original door panel design is transformed into a door frame design with multiple detectors arranged in front and back to realize the whole body measurement and alarm in different areas; the percentage alarm， efficiency alarm and maximum sensitivity alarm are tested， and the efficiency alarm is selected as the optimum alarm mode. After improvement， both detection sensitivity and efficiency are achieved： the detection alarm threshold value is reduced from 108 kBq to 3 kBq， and the monitoring is more accurate; the adopted passway design can make pedestrians pass through without obstacles， with a capacity of about 144/min， balancing the efficiency and the safety.

Key words： Nuclear Power Plant; Detection Sensitivity; Efficiency Alarm; Pedestrian Radiation Monitor; Door Frame Design; Passway Design