基于PLC的环境γ辐射计量校准装置设计

刘海鹏杨磊

摘要：环境γ辐射计量校准装置采用先进的PLC控制技术，实现了装置试验台架的多方向精确定位运行，增强了装置控制的灵活性和适用性。采用先进的激光传感器控制技术实现了对放射源升降精准定位操作。采用先进的视频监控系统，实现了对整个仪表计量校准过程的全程监控和视频记录。采用红外探测技术，准确的感应到刻度室中人员的状态信息，实时发出报警信号。采用硬件和软件上的双重联锁设计，保证装置使用过程中试验人员的自身安全。最终建立了标准环境γ辐射场，满足实际辐射监测仪表的定期校准要求。

关键词：PLC；环境γ辐射计量校准装置；标准辐射场

辐射计量校准装置是辐射监测仪表运行的计量校准设备，用于定期对辐射监测仪表的关键性能参数校准以满足实际运行使用要求。目前在国际上凡是开展了核能应用和研究的国家或地区都已建立或正在建立该类型装置。我国目前的辐射计量校准装置存在居多不足，对台车的控制方式单一，不灵活，导轨行程较短，不能很好的达到实际辐射的测量量程所能覆盖的范围，视频监控系统分散，需要来回切换多组画面，被监测仪表设备定位不准确，设备维修不便，总体可靠性较差。

该装置设计中提供符合要求的辐射场和保证量值的准确可靠，配置的设备无论是硬件还是软件都必须从这个目标量值定期从上一级机构进行量传，使辐射计量校准从服役开始一直到退役为止保持着量值的溯源性。设计的难点主要在于放射源辐射计量校准的安全可靠运行，放射源升降的可靠安全控制，标准辐射场的建立，辐射场的准确实时监测，人机环境的交互等方面。

1辐射计量校准装置组成与功能

1.1装置组成

辐射计量校准装置是一种可以控制人员进入的固定源室干法贮源装置，其放射源被放置在铅屏蔽罐里，在不使用时，源被充分屏蔽的，使用时源被提升到辐照空间，从而建立标准的辐射场供试验使用。该装置主要由以下几部分组成：

●贮存于铅罐的γ放射源；

●校准装置操作台，包括：配电、显示器、工控机、指示灯等；

●屏蔽罐铅门气动驱动机构；

●安全联锁系统以及报警信号与标志；

●导轨及放射源试验台车，完成仪表定位功能；

●视频监控系统；

●红外探测安全系统；

●温湿度监测系统；

●照明、通风以及水处理系统；

●剂量监测系统（包括刻度室的剂量监测、个人及产品的剂量监测）；

●后备电源系统，当事故停电后，对监测仪表和安全联锁装置的供电时间可以保证不低于30min，以确保安全。

1.2装置功能

1.2.1主要功能

●实现放射源的远程操作定位，放射源放置在铅室屏蔽体中，利用气动机构实现升降，在铅室上有气动快门，实现铅室的远程开关操作；

●实现辐射试验台车机构在水平，前后轨道等方向上手动或自动运行；

●实现辐射试验工作台的旋转定位，从而实现放射源辐射刻度产品的角度响应特性；

●实现门机联锁功能，辐照室门未关闭的情况下，放射源无法提起到工作位置；

●实现运动控制的就地和计算机远程控制；

●实现源及其驱动机构在操作台计算机软件中的控制；

●实现对刻度室剂量率的实时监控，超阈值时能报警指示；

●建立标准的γ辐射场。

1.2.2辅助功能

●通风控制功能，定期启动通风系统换气，保证辐照室内臭氧和氮氧化物在空气中的浓度低于国标的规定值；

●辐照室温湿度、大气压力监控、实时剂量测量功能，超阈值时能发出报警；

●辐照室实时视频监控，可以实现对辐照室中人和物的观察，实时对源的操作过程进行全程跟踪录像，以确保安全；

●刻度室人体红外感应，并能发出报警指示；

●刻度室辐射剂量率的实时监控显示。

2辐射计量校准装置设计

2.1总体结构原理

辐射计量校准装置主要包含：辐射试验操作台、源铅室及驱动机柜、导轨及试验台车、辐射场剂量率监测装置、PLC控制柜、就地控制箱等。

待检定仪表放置在台车平台上，台车能在水平，横移，旋转方向上及换源装置的运动以实现待检定仪表与放射源的距离、角度调节。各方向上的运动由步进电机系统控制，与放射源的运行距离、角度可以按需要设定。由于台车在一段轨道上运行，为防止台车驶出轨道，在轨道的尾部和首部各有一个机械软停和应急急停限位开关。当台车运行到软停位置时，发出一开关信号，控制器会让小车在此处停止，直到接收到返回运行信号。而小车碰到首尾两处硬停限位信号时，步进电机失去动力电源而停车，此时需要人为解锁后才能使台车重新运行。其它方向的控制形式与此类似。

放射源放置在铅罐中，工作时将所需的放射源转至源快门后方，随即打开源快门。源快门的控制由一气动机构和电磁阀组成，并在供电回路上与屏蔽门联锁，即只有当屏蔽门关闭时才能给快门的电磁阀供电，这时才能操作快门。源快门在气体压力的作用下自右向左移动即可打开源快门，此操作只能在操作台上执行。系统断电时，如源快门在开启的状态，由于电磁阀失电，在气动装置的作用下，源快门也必将自左向右移动，从而关闭源快门。

所有这些过程在控制室中的操作台上均有状态指示，同时利用软件显示在计算机软件程序画面中。整个装置的控制过程采用的是先进的计算机控制技术和PLC（可编程控制器）技术。

装置在运行时的各种状态在辐射计量校准装置操作台上均有指示，同时也能实时视频监控放射源的操作过程。

图1辐射计量校准装置源铅室与导轨结构示意图

2.2关键控制技术

2.2.1PLC技术

整个装置的核心控制部分为PLC（可编程控制器），装置中PLC采用的是西门子S7-200系列，主模块为CPU224XP，8路数字量扩展模块EM231，运动控制模块为EM253。PLC是现场各种设备状态，电机控制，门机联锁控制信号与装置操作台之间的桥梁，本装置控制电气原理框图如下图2所示。主要由西门子PLC模块、电源滤波器、步进电机驱动器、熔断器、指示灯和端子排等组成。PLC完成的主要功能如下：

●采集台架上电机的限位开关位置信号以配合其运行的安全控制；

●控制步进电机的以多种运行模式运行；

●采集源升降、屏蔽门、红外信号的开关位置状态信号，以实现软件的门机联锁和远程操作功能；

●实现与装置控制室操作台间的MODBUSRTU双向通讯；

●根据装置操作台中的计算机软件命令实现对刻度室步进电机的远程控制以及相关设备状态的实时监控。

图2辐射计量校准装置电气原理框图

3γ源标准辐射场测量测试

γ校准装置建在长、宽、高分别为12米、6米和6米的屏蔽室内，屏蔽室层顶和四壁由60cm的混凝土浇筑而成。源室铅罐内装有不同活度的放射源。换源装置的钨合金光阑张角为12°距放射源1.2米处的有效照射野直径约为24cm。现以放射源核素137Cs为例，半衰期为30.1年，其出厂日期为2013年7月12日，标称活度为1.02×109Bq。

3.1标准γ辐射场测量仪表

测量系统选用德国PTWFreiburg公司的32002型和32003型自由空气石墨电离室与配套的PTWUNIDOS静电计及低噪声电缆。电离室直径分别为140mm、270mm。电离室测量参考点为电离室的几何中心。该套设备于2012年9月经国防科技工业电离辐射一级计量站检定并获得证书。在测试辐射场前后，测量系统处于受控状态。

3.2γ辐射场测试结果

表1γ辐射场空气比释动能率测量结果

由表2可看出，整个辐射场在±2%范围内，空气比释动能率与距离遵守严格的反平方关系。即满足散射辐射对各检定点空气比释动能率的贡献小于该点空气比释动能率5%的要求。

3.2.1测量不确定度

国防科技工业电离辐射一级计量站出具的检定证书：PTWUNIDOS与32002或32003构成的测量系统不确定度均为2.8%（K=2）。它是测量不确定度的一部分。辐射场测量结果显示其组内标准偏差：1%（K=2）。

3.2.2辐射场重复性检验

将32002型电离室安放在距离源中心150cm处，分别从‘源屏蔽位’、‘2号源位’、‘3号源位’状态下至‘1号源位’测量100s累积剂量，测量数据及计算结果见表3。

表3辐射场重复性测量

由表3可知重复性为0.02%，满足γ辐射场重复性小于1%的要求。

3.2.3辐射场均匀性检验

采用胶片曝光的方法对γ辐射场均匀性进行检验，取柯达MX125型X光胶片（尺寸35cm×43cm），放置于距放射源120cm位置上，在1号源照射15小时，胶片冲洗后，用灰度分析仪进行处理，测量结果表明：离源120cm处均匀性在5%以内的直径大于28cm，满足直径24cm射野范围内均匀性好于5%的要求。

4结论

通过对所建参考辐射场的实验，结果表明本套γ标准辐射计量校准装置严格遵守反平方律线性误差小于2%，周围环境散射对射线的贡献小于5%，重复性小于1%，γ辐射本底小于0.25uGy/h，由准直器得到的有效射野均匀性小于5%。满足国家标准《JJG393-2003辐射防护用X、γ辐射剂量当量（率）仪和监测仪检定规程》。该辐射计量校准装置可用于辐射防护仪器仪表的校准工作。

参考文献

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