基于“嫦娥三號(hào)”放射性載荷的總裝防護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)施

張延磊，馮 偉，易旺民，田 帥，鄭圣余

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于“嫦娥三號(hào)”放射性載荷的總裝防護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)施

張延磊，馮 偉，易旺民，田 帥，鄭圣余

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器安裝有放射性載荷，因此需要在總裝過程中進(jìn)行有針對(duì)性的防護(hù)，以盡量降低操作人員可能受到的輻射危害。文章在分析各工作平臺(tái)輻射劑量率的基礎(chǔ)上，結(jié)合一般防護(hù)方法，提出了基于操作時(shí)間控制、操作距離限定以及屏蔽防護(hù)選擇3項(xiàng)基本控制要素的核輻射環(huán)境中的操作防護(hù)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)地面模擬演練的驗(yàn)證及塔架上最終實(shí)施結(jié)果比對(duì)，證明防護(hù)方案設(shè)計(jì)合理可行，操作人員受到的累積輻射劑量處于預(yù)期值范圍內(nèi)的較低水平。

嫦娥三號(hào)；航天器總裝；核輻射環(huán)境；輻射防護(hù)

0　引言

“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器（下文簡(jiǎn)稱探測(cè)器）在軟著陸階段需通過伽馬關(guān)機(jī)敏感器精確測(cè)定距離月面的高度，當(dāng)達(dá)到關(guān)機(jī)的高度要求時(shí)，向著陸器發(fā)出軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控推力器關(guān)機(jī)指令［1］。月夜休眠期間，由于無太陽輻照，月表溫度低至-180 ℃，探測(cè)器無法從外界獲取熱量以安全度過。為保證探測(cè)器上設(shè)備工作溫度要求，需采用同位素?zé)嵩垂幔?］。另外，為了探測(cè)和鑒別月壤的元素種類及其豐度，采用了粒子激發(fā) X射線譜儀［3］。上述設(shè)備均使用到放射源，故被稱為核儀器設(shè)備。探測(cè)器總裝期間，針對(duì)這些設(shè)備，須采取輻射防護(hù)技術(shù)措施，以降低對(duì)操作人員的輻射風(fēng)險(xiǎn)［4］。

1　“嫦娥三號(hào)”涉核輻射環(huán)境分析

探測(cè)器使用的放射源會(huì)發(fā)射出 γ射線和中子。因此，在探測(cè)器總裝階段，須分析放射源對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的輻射劑量率，以距離放射源0.5 m處和 1 m處的輻射劑量率檢測(cè)結(jié)果作為制定防護(hù)方案的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.1核儀器設(shè)備概況

“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器共有核儀器設(shè)備8臺(tái)［5］，包括3臺(tái)I類238Pu放射源、2臺(tái)II類238Pu放射源、1臺(tái)IV類137Cs放射源以及2臺(tái)V類放射源，參見表1。

表1　“嫦娥三號(hào)”核儀器設(shè)備信息Table 1　Information of nuclear radiation equipment on Chang'e-3

1.2操作環(huán)境輻射劑量分析

探測(cè)器放射源安裝之前置于屏蔽容器內(nèi)，放在有特殊標(biāo)識(shí)的位置，使用時(shí)有專門交通和工具對(duì)其搬運(yùn)，不會(huì)受到輻射影響或影響可忽略。而對(duì)總裝操作人員有影響的主要有2個(gè)階段：發(fā)射場(chǎng)技術(shù)區(qū)和發(fā)射塔架上安裝放射源后的總裝操作。

1）技術(shù)區(qū)放射源安裝后

粒子激發(fā) X射線譜儀探頭在發(fā)射場(chǎng)技術(shù)區(qū)完成安裝后，在距放射源0.5 m范圍內(nèi)需要完成包括巡視器吊具裝拆和吊點(diǎn)熱控多層恢復(fù) 2項(xiàng)操作，持續(xù)時(shí)間約需1 h；在距離放射源1 m以外還需要完成其他操作。

根據(jù)表1的放射源信息，0.5 m范圍內(nèi)的2項(xiàng)操作的累計(jì)輻射劑量較小，約為0.009 μSv。

2）發(fā)射塔架放射源安裝后

探測(cè)器核儀器設(shè)備在塔架平臺(tái)上的布局參見圖1。

圖1　“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器核儀器設(shè)備在塔架平臺(tái)上的布局Fig.1　Layout of radiation equipment of Chang'e-3 probe on launch tower

“嫦娥三號(hào)”的總裝過程中，總裝人員在發(fā)射塔架上開展工作的平臺(tái)有4層：49.7 m平臺(tái)，52.3 m平臺(tái)，54.5 m平臺(tái)和57.5 m平臺(tái)。

據(jù)表1的核儀器設(shè)備信息，除粒子激發(fā)X射線譜儀探頭外，其他核儀器設(shè)備分別在上述 4層平臺(tái)中的3層完成安裝，并分為3個(gè)階段：

階段A：在54.5 m平臺(tái)上安裝巡視器同位素?zé)嵩?、極紫外相機(jī)核源、粒子激發(fā) X 射線譜儀探頭及生存裝置、伽馬關(guān)機(jī)敏感器發(fā)射器；

階段B：在52.3 m平臺(tái)上安裝著陸器±y同位素?zé)嵩矗?/p>

階段C：在49.7 m平臺(tái)上摘除伽馬關(guān)機(jī)敏感器發(fā)射器保護(hù)罩。

塔架上放射源安裝后，其他各項(xiàng)總裝操作均在整流罩側(cè)壁附近，因此需重點(diǎn)關(guān)注該位置的輻射劑量率。由于輻射劑量率與距離平方成反比，因此結(jié)合表1中給出的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到各工作平臺(tái)上整流罩邊界處的輻射劑量率。不同安裝階段后，各平臺(tái)整流罩邊界處的最大輻射劑量率見表2。

表2　放射源階段安裝后各平臺(tái)輻射劑量率最大值Table 2　Maximal radiation dose on different platforms after radiation equipment being assembled mSv·h-1

2　核輻射環(huán)境防護(hù)原則

2.1職業(yè)人員和公眾劑量限值

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輻射工作人員定義為受聘用全日、兼職或臨時(shí)從事輻射工作并已了解與職業(yè)輻射防護(hù)有關(guān)的權(quán)利和義務(wù)的任何人員；公眾是指除職業(yè)受照人員和醫(yī)療受照人員以外的任何社會(huì)成員，但對(duì)于驗(yàn)證是否符合公眾照射的年劑量限值而言，則指有關(guān)關(guān)鍵人群組中有代表性的個(gè)人。

在“嫦娥三號(hào)”項(xiàng)目中，核輻射環(huán)境中的總裝操作人員屬臨時(shí)從事輻射工作的職業(yè)受照人員，按照國家標(biāo)準(zhǔn)其連續(xù) 5年的年平均有效劑量限定為20 mSv，并且任何一年不超過50 mSv；而非操作人員即公眾受照，關(guān)鍵人群組的成員所受到的平均劑量估計(jì)值年有效劑量限定為1 mSv［6］。

核輻射環(huán)境人員基本要求：工作人員必須通過輻射安全和防護(hù)專業(yè)知識(shí)及相關(guān)法律的培訓(xùn)與考核并持有有效《輻射工作人員培訓(xùn)合格證》；取得輻射安全培訓(xùn)合格證書的人員，應(yīng)每4年接受1次再培訓(xùn)，并需提供個(gè)人受照劑量監(jiān)測(cè)報(bào)告。

2.2輻射防護(hù)基本原則

輻射對(duì)人體的照射方式分內(nèi)、外2種，外照射是放射源在人體外部釋放出粒子、光子作用于人體的照射，而內(nèi)照射是放射性核素進(jìn)入人體內(nèi)，在體內(nèi)衰變釋放出粒子、光子作用于機(jī)體的照射。

針對(duì)這 2種照射方式，分別有不同的防護(hù)措施與方法。外照射防護(hù)是盡量縮短受照射的時(shí)間，增加與放射源之間的距離，在人與放射源之間設(shè)置屏蔽物（防護(hù)三要素）；內(nèi)照射防護(hù)包括包容、隔離、凈化和稀釋。

3　總裝過程中的核輻射防護(hù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于探測(cè)器核儀器設(shè)備安裝后的輻射劑量率分析以及核輻射防護(hù)的一般策略，對(duì)總裝過程中的核輻射防護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)施。

3.1基于三要素的核輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器總裝階段，操作人員不直接接觸放射源，面臨的輻射環(huán)境為外照射，應(yīng)通過控制操作時(shí)間，并結(jié)合距離和屏蔽防護(hù)來實(shí)現(xiàn)核輻射防護(hù)。

3.1.1時(shí)間防護(hù)及措施

首先，要求所有涉核操作要盡可能快速完成并減少人為失誤；其次，通過合理規(guī)劃、優(yōu)化操作流程，從程序上減少涉核操作累計(jì)時(shí)間。

以放射源安裝輔助踏板搭建與撤除為例，總裝操作中采取如下具體措施：

1）通過人機(jī)工效學(xué)分析［7-10］，計(jì)算機(jī)仿真確定平臺(tái)搭建的方向與位置，以保證核源安裝人員能在較舒適的狀態(tài)下完成操作；且搭建方案要在模擬塔架上進(jìn)行演練，并最終確定合理位置，參見圖2。

2）輔助踏板未搭建之前，提前在發(fā)射塔架上標(biāo)識(shí)擺放固定位置，以減少現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)時(shí)間。

3）踏板撤離時(shí)，分別撤收并擺放在所在平臺(tái)，不必集中放置。

4）合整流罩前，平臺(tái)搭建原則為“3次搭建、1次拆除”；合整流罩后，平臺(tái)搭建原則為“2次搭建、1次拆除”。

圖2　放射源安裝輔助踏板布局仿真Fig.2　Simulation and layout of auxiliary pedal for nuclear equipments mounting

3.1.2距離防護(hù)及措施

要求所有的總裝操作與放射源間的距離均不得小于安全控制距離，并根據(jù)放射源的輻射方向選擇相對(duì)安全的操作方位。

伽馬關(guān)機(jī)敏感器發(fā)射器的伽馬源非工作狀態(tài)下（安裝時(shí)）帶有防護(hù)罩，工作狀態(tài)下無防護(hù)罩，伽馬源的輻射方向在發(fā)射窗下部116°范圍內(nèi)，參見圖3。以伽馬源的工藝件更換為正樣件為例，總裝操作中采取如下具體防護(hù)措施：

1）使用高度為250mm的操作輔助踏板，以增加操作便利性，并增大操作人員與輻射源間的距離。

2）總裝人員應(yīng)在設(shè)備側(cè)面進(jìn)行操作，盡量避開輻射源輻射方向。

3）扶持設(shè)備人員只允許接觸支架，不得接觸設(shè)備本體，并盡量靠近設(shè)備安裝面。

圖3　伽馬源示意圖Fig.3　Sketch map of gamma radiation equipment

3.1.3屏蔽防護(hù)措施

操作人員在操作過程中應(yīng)佩戴防護(hù)設(shè)備?！版隙鹑?hào)”核輻射環(huán)境中使用的防護(hù)設(shè)備見表3。

表3　安全防護(hù)設(shè)備清單Table 3　List of radiation protection facilities

總裝過程中須根據(jù)具體工況選擇不同的屏蔽防護(hù)措施：伽馬放射源換裝時(shí)，操作人員應(yīng)佩戴鉛背心、鉛手套、個(gè)人輻射劑量計(jì)，考慮到放射源的輻射方向及操作的便利性，不建議佩戴防護(hù)眼鏡。探測(cè)器發(fā)射前，伽馬源防護(hù)罩摘除時(shí)，輻射劑量率達(dá)到最大，操作人員須佩戴盡可能多的屏蔽防護(hù)設(shè)施。

3.2涉核操作的全流程防護(hù)實(shí)施

以減少時(shí)間、增大距離、增加屏蔽作為總裝過程中的核輻射防護(hù)的三要素，對(duì)“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器涉核操作全流程進(jìn)行防護(hù)實(shí)施，防護(hù)方案見圖4。

粒子激發(fā)射線譜儀探頭的放射源在技術(shù)區(qū)廠房?jī)?nèi)完成安裝，根據(jù)前文所述此階段輻射劑量率非常小，可通過嚴(yán)格控制操作時(shí)長及限定操作距離來控制照射劑量，同時(shí)操作人員佩戴個(gè)人輻射劑量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。塔架總裝階段，有 7臺(tái)核儀器設(shè)備需要陸續(xù)安裝，其中伽馬關(guān)機(jī)敏感器發(fā)射器、極紫外相機(jī)、粒子激發(fā) X射線譜儀生存裝置、巡視器同位素?zé)嵩吹仍诤险髡种把b器；著陸器±y向的同位素?zé)嵩丛诤险髡趾笱b器；發(fā)射前 1～3 h，摘除伽馬關(guān)機(jī)敏感器發(fā)射器防護(hù)罩。隨著核儀器設(shè)備逐一安裝到探測(cè)器上，總裝操作人員所采取防護(hù)措施的要求越來越高。

圖4　探測(cè)器總裝涉核操作的全流程防護(hù)方案Fig.4　Protection scheme on whole process involving nuclear radiation during probe assembly

4　操作驗(yàn)證

在地面搭建模擬塔架，作為操作人員操作演練和工裝規(guī)劃的工作平臺(tái)，以模擬真實(shí)塔架的狀態(tài)和環(huán)境，對(duì)防護(hù)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案進(jìn)行綜合演練及驗(yàn)證。演練階段使用模擬件替代真實(shí)放射源，記錄每次操作的耗費(fèi)時(shí)間，并通過耗時(shí)計(jì)算得出總裝操作過程中人員受到的輻射劑量。將總裝過程中的全部涉核操作項(xiàng)目（伽馬源更換為正樣件、探測(cè)器與運(yùn)載火箭對(duì)接、合罩前搭建輔助踏板、合罩前撤除輔助踏板、合罩后搭建輔助踏板、合罩后撤除輔助踏板、發(fā)射前搭建輔助踏板、星表操作、伽馬源摘保護(hù)罩、發(fā)射前搭建撤離）分別標(biāo)記為A～J。

操作人員受到的累計(jì)輻射劑量為

式中：t0為進(jìn)入輻射環(huán)境的時(shí)刻；τ為進(jìn)入輻射環(huán)境后經(jīng)歷的時(shí)間（操作時(shí)長）；（ t）為t時(shí)刻的輻射劑量率?！版隙鹑?hào)”項(xiàng)目中所使用的放射源，半衰期最短的為18 a，因此可認(rèn)為，在涉核操作的短時(shí)間內(nèi)在設(shè)定距離處的輻射劑量率為定值 D，那么，操作人員受到的累計(jì)輻射劑量為

根據(jù)各項(xiàng)操作的時(shí)長及表2給出的輻射劑量率，可以得出操作人員在各項(xiàng)操作中受到的累計(jì)輻射劑量，結(jié)果見表4。

表4　模擬演練結(jié)果Table 4　Results of simulation operation

從表4數(shù)據(jù)可以看出，按照現(xiàn)有防護(hù)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案執(zhí)行，“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器總裝過程中全部涉核總裝操作中人員（職業(yè)照射）受到的最大累計(jì)輻射劑量為2.13 mSv。對(duì)非操作人員（公眾照射）須嚴(yán)格控制其進(jìn)入?yún)^(qū)域，將其限定在安全控制距離之外，則其受到輻射的劑量可以忽略不計(jì)。

在“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器發(fā)射場(chǎng)總裝涉核操作人員佩戴的個(gè)人輻射劑量計(jì)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)中，最大輻射劑量為2.05 mSv?？梢?，“嫦娥三號(hào)”總裝過程中的涉核操作順利完成的同時(shí)，操作人員所受的累計(jì)輻射劑量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，驗(yàn)證了本文所述的核輻射防護(hù)方案設(shè)計(jì)的合理性。

5　結(jié)束語

本文對(duì)“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器總裝過程中涉核操作的全流程防護(hù)開展了研究。首先對(duì)塔架上各工作平臺(tái)輻射劑量率進(jìn)行了分析，然后通過選擇防護(hù)措施、減少人員在核輻射環(huán)境中的操作時(shí)間、限定人員與放射源的距離等手段，針對(duì)不同總裝工況制定了詳細(xì)的防護(hù)方案。同時(shí)在地面搭建模擬塔架開展防護(hù)方案的演練，經(jīng)地面模擬演練的驗(yàn)證及塔架上最終實(shí)施結(jié)果比對(duì)，防護(hù)方案設(shè)計(jì)確保了操作人員受到的輻射劑量處于預(yù)期值范圍內(nèi)的較低水平。本文核輻射防護(hù)方案的設(shè)計(jì)可為后續(xù)型號(hào)中涉核操作的安全防護(hù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施提供參考。

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（編輯：張艷艷）

Ground assembly protection scheme against nuclear radiation payload of Chang'e-3 probe

Zhang Yanlei， Feng Wei， Yi Wangmin， Tian Shuai， Zheng Shengyu
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China）

In view of the nuclear radiation payload on the Chang'e-3 probe， the targeted protection should be taken during the assembly process to reduce the radiation hazard on personnel.In this paper， by analyzing the effects of the radiation dose rate on different working platforms， combined with the general protection method， a radiation protection design scheme is proposed，based on the time control， the operating distance limit and the shielding choice involved in the nuclear assembly.Through the simulation-based verification and the final implementation results， it can be confirmed that the protection design scheme is reasonable and feasible， the cumulative radiation dose on personnel falls within the expected value and in the range of a low level.

Chang'e-3； spacecraft assembly； nuclear radiation environment； radiation protection

V465； TL7

A

1673-1379（2015）06-0674-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.021

張延磊（1982—），男，碩士學(xué)位，主要從事深空探測(cè)器航天器總裝工藝設(shè)計(jì)研究。E-mail： yan_hust@163.com。

2014-12-10；

2015-09-20

國家重大科技專項(xiàng)工程