X、γ射线个人剂量当量次级标准电离室系统质量特性设计与测试

李莉 倪宁 赵旭 高飞 陈义珍 寇宁宁 宋明哲 孙涛 滕忠斌 杭仲斌

中国原子能科学研究院 中核核工业计量与测试技术重点实验室 北京 102413

X、γ射线个人剂量当量次级标准电离室系统是电离辐射计量领域中低能X射线个人剂量当量标准中的关键配套设备，用于复现个人剂量当量、完成个人剂量当量量值传递，是保障辐射防护领域个人剂量当量量值准确和人员辐射安全的重要设备。目前，国内主要使用德国PTW公司生产的TW35045型个人剂量当量电离室。中国原子能科学研究院开展了个人剂量当量次级标准电离室系统的研制，为了提升该系统环境适应性、可靠性等通用质量特性指标，开展了相关设计优化与试验验证工作。

1 X、γ 射线个人剂量当量次级标准电离室系统

个人剂量当量次级标准电离室系统（后简称为电离室系统）用于X射线、γ射线等强贯穿辐射个人剂量当量Hp（10）的量值复现和量值传递，主要由电离室、低噪声线缆和电学主机构成。电离室基于个人剂量当量定义、Bragg-Gary空腔理论设计、制作。低噪声线缆用于电离室与电学主机间的信号传输。电学主机基于微弱电流的I-V变换测量原理设计、制作，用于测量电离室组件产生的微弱电离电流和微弱电离电荷。个人剂量当量次级标准电离室系统中各个单元的工作原理和连接情况为：电离室经低噪声线缆连接至电学主机，由220VAC电源给电学主机供电。

2 质量特性优化设计

X、γ射线个人剂量当量次级标准电离室系统主要于X射线、γ射线的量值复现与量值传递，除系统应具备相关计量性能要求外，还需要满足相关的通用质量特性指标要求，以满足不同环境条件下开展量值传递工作，其通用质量特性具体指标要求为：1） 环境适应性（温度）：贮存温度: -10～50℃；工作温度: 10～40℃；2） 环境适应性（湿度）：相对湿度: 25%～75%；3） 可靠性：MTBF ≥1000h。

2.1 可靠性设计与实现

2.1.1 基本假设

个人剂量当量次级标准电离室系统（以下简称“电离室系统”）是可修复系统，其定量可靠性要求采用基本可靠性参数MTBF；采样设备为简单结构，且为成熟产品，假设其平均故障间隔时间足够大；除采样设备外，单体上装设备在工作中，故障的发生是随机的，其寿命均服从指数分布，可靠度函数如下：

式中：λi=1/MTBFi

2.1.2 可靠性

可靠性模型是论证分析系统和设备可靠性指标，以及对系统进行可靠性综合评估的重要基础。电离室系统的基本可靠性模型为全串联模型，构成设备的所有模块均包含在模型内，即：电离室—信号处理模块—信号采集、显示模块。

2.1.3 计算模型

各单体设备的可靠度分别记为r1，r2，…，rn，系统可靠度为Rs，用Ss和Si表示系统和设备的正常工作状态。依据串联系统的定义，系统中正常事件逻辑上为“与”的关系，系统正常工作，要求全部设备均正常工作，故有Ss=S1∩S2∩S3∩…∩Sn。

系统正常工作的概率为各单体设备正常工作的概率之积，即

其中，λ为系统的等效故障率，MTBF为系统的平均故障间隔时间，λi为第i个设备的失效率。

2.1.4 可靠性分配

根据电离室系统的特点、使用和研制要求，确定采用平均故障间隔时间进行分配。按照产品要求进行可靠性分配并留有5%的余量，在后续进行局部优化时，不必重新分配。分配时综合考虑各单机设备的技术状态、复杂度、重要度、任务时间、环境条件等因素。分别有复杂水平、技术水平、工作时间环境要求和重要水平五个参数：

根据实际情况对电离室系统三个模块分别进行评分，评分结果如表1所示。

表1 评分结果表

根据电离室系统评分结果和公式9、10，可以得出每个单元的评分系数

式中：Ci为第i个产品组成单元的评分系数；

ωi为第i个产品组成单元的评分数；

ω为产品的总评分数；

i为产品组成单元数。

记设备i的失效率分配结果为λ*i，MTBF分配结果为MTBF*i，由λ*i=Ciλ*，MTBF*i=1/λ*，计算每个设备的失效率及MTBF分配结果，并将结果圆整化，如表2所示。

表2 可靠性分配结果

电离室系统可靠性预计采用元器件应力分析法对各组成模块和单元的可靠性预计值进行计算。根据各组成单元的基本可靠性模型，计算预计失效率，得到预计可靠性值，并与规定的可靠性值相比较，必要时进行可靠性的再分配或改进原设计提高可靠性指标。经过预计和计算电离室系统的预计失效率为35.8858 （1E-6/h），对应MTBF预计值为27866小时，预计值满足MTBF≥1000h的设计要求。

2.2 环境适应性设计

由于本产品是计量设备，需要进行的环境试验主要有：低温试验、高温试验、湿热试验，以满足产品的环境适应性要求[2-4]。根据环境适应性要求，本产品将针对以下方向进行产品环境适应性设计。

2.2.1 力学环境设计

力学环境设计是保证系统正常工作的基础。针对力学环境设计主要为：电离室系统对各模块内部进行结构及PCB力学加固；系统用整块铝合金板制成加强围框，与印制板相连，以增强电路板的刚性和强度，避免在振动低频区域出现共振现象；对质量较大或面积较大的元器件采取了加固措施，如继电器、AD/DA等模块。

2.2.2 气候环境设计

温度对电子产品可靠性影响极大。电离室系统对元器件进行散热设计，在结构设计时，充分考虑发热器件的安装部位及机内的通风散热，合理设计了机箱内部各整件布局。

潮湿的空气作用于电路板上附着的灰尘等物质，形成具有导电特性的水膜，导致泄漏电流，给测量结果带来误差。减少影响的最有效的方法是采取等电位屏蔽措施和对核心模拟电路部分进行气密密封与干燥处理。

3 质量特性测试

3.1 可靠性测试

（1） 试验方法[5]

参考GJB 899A-2009中方法开展。试验环境条件产品最大工作温度40℃，采用加速试验方案。加速时温度作为样品加速寿命的加速应力，选择阿伦尼斯模型作为加速模型，产品激活能Ea=0.7eV，加速温度最高不超过50℃。MTBF最低可接受值θ1≥1000h，无样品失效时，总试验台时≥1.2θ1，因此最小总试验时间tu=1.2×θ1=1.2×1000=1200h。

阿伦尼斯模型的加速系数AF的表达式如下：

式中k为波尔兹曼常量，8.6171×10-5eV/K，tu为正常工作条件（温度为Tu）下的总试验台时，ts为应力条件（温度为Ts）下的总试验台时，Ea为产品激活能。

本方案中正常工作温度取40℃，最大加速工作温度取50℃时，加速系数AF=2.233，加速应力下最小总试验台时为538小时。加速试验全程样品处于正常工作状态。试验前、后以及试验过程中使用标准电流源选择典型电流值（+100pA）监测产品工作性能是否异常，并记录检测结果。

（2） 试验结果

包括从实验前测试至试验后测试，共计十次测试，每次测试的平均值点如表3所示，测试结果表明设备可靠性指标满足设计要求。

表3 可靠性试验结果

3.2 环境适应性

3.2.1 温度试验

参考GJB 150.3A-2009、GJB 150.4A—2009中方法开展。电离室系统的温度试验分为两种、四项，贮存温度实验的-10℃低温贮存与+50℃高温贮存，工作温度试验的+10℃低温工作与+40℃高温工作。贮存实验为试验前后进行通电测试，工作温度试验为试验中进行通电测试。

3.3.2 湿热试验

参考GJB 150.9A-2009中方法开展。设备开机预热30min，进行3次循环湿热循环每个循环24h，在试验前后与第一周期、第三周期进行通电测试。

3.3.3 通电测试方法

使用标准电流源，输出+100pA至被试样品，被试样品读数稳定后，读取测量结果要求误差不超过士（5%读数+5fA）。

3.3.4 试验结果

温度试验、湿热试验结果分别如表4、表5所示。试验结果表明以上项目均符合设备指标要求。

表4 温度试验结果

表5 湿热试验结果

4 结束语

本文针对原子能院自研X、γ射线个人剂量当量次级标准电离室系统的通用质量特性中的可靠性、环境环境适应性（温度、湿度）进行了针对性设计、分析以及试验测试。通过在专业测试机构进行的通用质量特性试验结果表明：该产品的贮存温度为-10～50℃，工作温度为10～40℃，相对湿度为 25%～75%。可靠性MTBF ≥1000h。其可靠性、环境实用性符合计量级产品工作环境条件要求，可为保障放射性场所的工作人员职业健康和保证公众安全提供计量保障。