放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀設(shè)計

李 強 曾國強 蔡 軍 陳明明 馬英豪 涂傳火 譚承君

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)重點實驗室 成都 610059）

2（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中國輻射防護研究院 太原 030006）

放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀設(shè)計

李 強1曾國強1蔡 軍2陳明明2馬英豪3涂傳火2譚承君1

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)重點實驗室 成都 610059）

2（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

3（中國輻射防護研究院 太原 030006）

本系統(tǒng)實現(xiàn)了放射性氣溶膠的連續(xù)在線監(jiān)測，并詳細(xì)論述了放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀的裝置結(jié)構(gòu)、硬件電路、執(zhí)行流程及異常處理等方面的設(shè)計。系統(tǒng)采用IPC+ARM的控制結(jié)構(gòu)，并嵌入數(shù)據(jù)庫SQLite存儲海量核數(shù)據(jù)等信息，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和執(zhí)行效率。將多道能量甄別獲得的數(shù)據(jù)用α/β比值法處理后，合理地嵌入ISO 11929-5推薦的多種方法，提高了濃度測量精度及響應(yīng)時間。該監(jiān)測儀已在核設(shè)施場所中長期穩(wěn)定地運行。關(guān)鍵詞 放射性氣溶膠，連續(xù)監(jiān)測，IPC+ARM，SQLite，ISO 11929-5

在地下洞庫、坑道、核電站等核設(shè)施的各類職業(yè)性工作場所中，由長壽命的α核素和β核素形成的放射性氣溶膠是造成工作人員吸入危害的主要來源。對人工放射性氣溶膠進行監(jiān)測，不僅對于保證工作人員健康，而且對于及時發(fā)現(xiàn)核設(shè)施的事故隱患以便采取相關(guān)措施具有實際意義[1]。

近年來，西方發(fā)達國家研制或生產(chǎn)了各種類型的氣溶膠監(jiān)測系統(tǒng)，但能夠提供商用氣溶膠監(jiān)測儀的僅有美國、法國和德國等國家。這類氣溶膠監(jiān)測儀，在環(huán)境氡水平10?20 Bq.m?3條件下的探測下限通常為0.1?1 Bq.m?3量級，取樣測量時間（即給出結(jié)果時間）為1?8 h，且不能分辨是何種核素的氣溶膠，主要用于環(huán)境氡水平較低的核設(shè)施工作場所（例如乏燃料后處理廠、核電站等）中長壽命氣溶膠濃度的連續(xù)監(jiān)測和報警[2]。

人工放射性氣溶膠的實際測量是將空氣中氡及其子體形成的天然放射性氣溶膠采集在濾紙樣品上，這將嚴(yán)重影響實際人工放射性的測量。目前用于消除天然放射性本底影響的主要方法有：α能量甄別修正法、α/β比值法、假（延時）符合法等[3]。本系統(tǒng)采用多道能量甄別和α/β比值法剝譜的方法進行人工放射性氣溶膠監(jiān)測。系統(tǒng)硬件采用微型工控機控制整個系統(tǒng)的運行，方便人機交互和譜線觀測。并嵌入零配置、易移植、開源免費等眾多優(yōu)點的輕型SQLite數(shù)據(jù)庫對核數(shù)據(jù)進行有效管理，并且在傳統(tǒng)的監(jiān)測方法上提出了一種改良的、實時快速監(jiān)測的測量方法，能迅速得出濃度值，便于儀器的連續(xù)監(jiān)測。

1 儀器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為儀器結(jié)構(gòu)，主要分為兩大部分[4]：(1) 機械運動及探測裝置；(2) 控制、信號采集與分析裝置。上位機定時控制監(jiān)測儀的整個流程，首先進入工作狀態(tài)后，氣溶膠采樣的上下兩支吸入管自動閉合，將濾紙夾緊，抽氣泵啟動，采樣開始。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)Fig.1 Instrument structure.

放射性氣溶膠粒子以一定的流量(16.7 L.h?1)被抽吸過濾在被夾合部分的濾紙上。在采樣的同時離子注入硅探測器(PIPS)也開始探測，并按固定的時間間隔獲取譜線。探測結(jié)束后(60 min)，氣泵停止抽氣，上下兩支吸入管松開，濾紙傳送機構(gòu)自動啟動，將干凈的濾紙傳送到吸入管下，吸入管再次閉合，開始下一輪探測。

多道能量甄別獲得的α、β譜線后，根據(jù)能量所劃定的區(qū)域讀取計數(shù)。由于處于能量較低部分的人工放射性氣溶膠混有部分天然放射性，所以獲得天然的α計數(shù)后，需根據(jù)α、β比值法分別求得人工α和β放射性氣溶膠的計數(shù)值，最后選擇ISO 11929-5-2005[5]推薦的人工α、β放射性活度計算方法求出人工α、β放射性的濃度，并顯示在工控機上。如此周而復(fù)始，監(jiān)測儀連續(xù)運行，直到需要重新更換濾膜。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主板設(shè)計

主板采用工業(yè)級Contex-M3處理器，該款處理器提供了優(yōu)越的外設(shè)資源和處理性能，方便了儀器的開發(fā)和升級。圖2為主板電路設(shè)計，主要包括：脈沖整形電路、DAC輸出推動電路、調(diào)理電路、緩沖電路、RS-232和485電路及防雷設(shè)計、聲光報警器電路及多路電源等。

圖2 主板設(shè)計Fig.2 Motherboard design.

氣溶膠監(jiān)測儀中流量的準(zhǔn)確控制非常重要，因為V=T×Q，V為氣體體積，T為抽氣時間，Q為流量。在采集樣品時，放射性氣溶膠監(jiān)測儀通過固定流量，從而設(shè)置不同的時間來設(shè)定樣品體積。顯然恒定的流量是保證樣品體積準(zhǔn)確性的前提條件。在設(shè)計中采用雙重反饋實現(xiàn)流量的準(zhǔn)確控制：(1) 在硬件中加入負(fù)反饋電路，既提高驅(qū)動能力又可以產(chǎn)生硬件反饋，抑制溫漂，保證硬件輸出的準(zhǔn)確性；(2) 將讀取準(zhǔn)確的流量傳感器的值與設(shè)定值相比較，采用PI調(diào)節(jié)方式，直到將流量調(diào)節(jié)到誤差允許范圍內(nèi)。采用雙重的閉環(huán)調(diào)節(jié)，最終保證流量穩(wěn)定輸出。

調(diào)理電路采用了靈活的設(shè)計，具有前端保護、緩沖、阻抗匹配、衰減、放大等功能。采用74HC245還擴展了I/O控制電壓范圍和驅(qū)動能力，且便于適應(yīng)大多數(shù)的控制電路。系統(tǒng)中主要有：步進電機、報警器、主板、調(diào)理電路、流量計、能譜、PIPS等多路電源，采用了相互隔離的LDO (Low dropout regulator)線性穩(wěn)壓電源，減小了系統(tǒng)噪聲。

2.2 數(shù)字多道能譜儀

系統(tǒng)采用成都理工大學(xué)研制的GFM-DMCAXR型單片F(xiàn)PGA芯片數(shù)字多道脈沖幅度分析器模塊，完成核脈沖信號幅度提取等任務(wù)。本系統(tǒng)給擬設(shè)計高速實時的數(shù)字化脈沖抗堆積算法，采用快慢雙通道成形算法互相匹配進而實現(xiàn)脈沖抗堆積。脈沖的抗堆積同時也包含了數(shù)字基線恢復(fù)、數(shù)字基線估計等功能。達到脈沖抗堆積、高計數(shù)通過率、高能量分辨率等指標(biāo)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 下位機控制

下位機主要根據(jù)上位機的指令執(zhí)行相應(yīng)的動作，將接收的數(shù)據(jù)保存在環(huán)形緩沖區(qū)中。數(shù)據(jù)接收器的設(shè)計思想是：中斷方式接收數(shù)據(jù)和掃描方式解析數(shù)據(jù)，兩者相互獨立，這樣保證了數(shù)據(jù)接收的實時性，便于數(shù)據(jù)的管理。解析完成后就執(zhí)行指令，直到將所有的指令解析并執(zhí)行完成，如果出現(xiàn)超時，則報告主機進行處理。上位機會不停地獲取和監(jiān)測整機和環(huán)境狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常則發(fā)送報警指令，由下位機執(zhí)行。圖3為下位機主板的執(zhí)行流程圖。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flowchart.

3.2 上位機控制

本系統(tǒng)選用基于INTEL低功耗凌動處理器的工業(yè)單板一體機，該工控機小巧、輕便，便于安裝。在該機上運行基于Windows XP系統(tǒng)的人機界面，故可以選擇較多的開發(fā)工具，如： QT、Visual C++6.0、Visual Studio.NET及其他第三方軟件，這使得譜線數(shù)據(jù)的處理軟件開發(fā)、移植較為容易。如圖4所示，放射性氣溶膠檢測儀的操作界面，用戶可以直觀、方便地查看譜線等數(shù)據(jù)。操作界面還為單獨測試提供了必要的走紙、氣泵、啟動計數(shù)測量、啟動能譜測量等功能，方便用戶進行儀器的單獨測試，并提供一鍵啟動測量功能，一鍵啟動測量后儀器便連續(xù)運行，直到關(guān)閉。該軟件提供了完善的顯示、設(shè)置、控制等功能。

3.3 數(shù)據(jù)存儲

氣溶膠檢測系統(tǒng)需要保存環(huán)境參數(shù)、譜線數(shù)據(jù)、計數(shù)、時間、計算所得數(shù)據(jù)等信息，為方便管理，加入了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite[6]。定義一個全局類，用來存儲公共的信息，這樣方便不同窗體之間的數(shù)據(jù)通信。AllAerosolDataDb含有三個表單。用于存放儀器信息的數(shù)據(jù)庫，主要存放了實測的溫濕度、氣壓、流量、PIPS能譜曲線等，計算結(jié)果信息如人工α比活度、β比活度、報警信息等；AllAerosolParamDb：包含9個表單。用來存放系統(tǒng)中所有的參數(shù)，如儀器設(shè)備參數(shù)、氣溶膠α/β比活度計算方法參數(shù)、刻度曲線、效率曲線建立等參數(shù)。參數(shù)和數(shù)據(jù)分開存儲，便于管理。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 人工α和β計數(shù)

由于天然的放射性氣溶膠會對人工放射性氣溶膠計數(shù)區(qū)域產(chǎn)生計數(shù)，α粒子在計數(shù)過程中會對β能譜區(qū)域產(chǎn)生計數(shù)，因此需要通過剝譜將以上因素盡量剔除，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對放射性氣溶膠的能譜使用多道能量甄別和α/β比值法相結(jié)合進行剝譜，以方便后續(xù)的使用分段計數(shù)方法對數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Data processing.

由圖5，根據(jù)獲取的α譜數(shù)據(jù)和比例系數(shù)Kα，獲得人工α，進而計算人工α放射性濃度。而β計數(shù)需要根據(jù)比例系數(shù)Kα/β算出天然β計數(shù)，然后從總β計數(shù)中扣除天然β計數(shù)，獲得人工β計數(shù)，最后便可算得人工β放射性濃度。

4.2 人工α和β濃度

由于放射性氣溶膠監(jiān)測儀式采樣和放射性計數(shù)同時進行，要想實時將任一個時間段空氣中的污染濃度區(qū)分出來，對測得的放射性計數(shù)進行正確的數(shù)據(jù)處理極為重要。這種累積式運行的監(jiān)測儀是依據(jù)ISO11929-5推薦的方法進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

方法1：若設(shè)計數(shù)讀取時間段為Δt，則當(dāng)前Δt內(nèi)的放射性氣溶膠污染濃度Ci(Bq.m?3)應(yīng)按式(1)計算：

式中，ts為采樣時間；tm為計數(shù)測量時間（也是讀取計數(shù)的時間段Δt）；Q為采樣流量；任何一個時間段Δt內(nèi)的采樣體積為V=Q×ts；ε為探測器的探測效率；Ni為當(dāng)前時間段Δti內(nèi)的總計數(shù)；Ni?1為緊鄰的前一個時間段Δti?1內(nèi)的總計數(shù)；ΔNi=Ni?Ni?1表示當(dāng)前時間段Δti內(nèi)采樣引起的計數(shù)增量，這種增量必然是由于當(dāng)前時間段內(nèi)的污染濃度所引起。

方法2：假定每個Δt相對應(yīng)的計數(shù)依次為N1，N2，…，Ni?1，Ni，Ni+1，…。在ts內(nèi)讀取計數(shù)的次數(shù)為ts/Δt=j（正整數(shù)）。若tm=Δt，由式(1)可得空氣中的放射性氣溶膠的污染濃度為：

式中，Ni是當(dāng)前最新一個Δti時間段內(nèi)的計數(shù)；Ni?j是前j個Δt時段內(nèi)的計數(shù)；Ci(2)表示的是當(dāng)前或最新的采樣時間ts內(nèi)的污染濃度。這種計算方法在任何一個采樣時間段ts內(nèi)的計數(shù)測量時間為Δt。在任何一個最新的采樣時間ts內(nèi)可以報告j次污染濃度的監(jiān)測結(jié)果，而且是每隔Δt報告一次。

在實際中，ISO11929-5中推薦的方法都采用差值方式計算氣溶膠濃度，這樣可以避免氣溶膠顆粒衰減帶來的影響。方法1中，直接將相鄰兩次的計數(shù)帶入計算，誤差較大，而方法2具有平均作用，且可以屏蔽隨機誤差。本系統(tǒng)采用方法2計算氣溶膠濃度。系統(tǒng)設(shè)計的放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀性能指標(biāo)為：濾紙收集效率：大于99%；探測效率：Am-241為20%，Sr-90為15%；不穩(wěn)定度：＜5%；放射性氣溶膠測量范圍：α：8×10?2?3.7×106Bq.m?3，β：1?3.7×106Bq.m?3。

軟件運行界面如圖4所示，配置好參數(shù)，儀器自檢完成后，便可點擊進入連續(xù)測量狀態(tài)，儀器每10 s獲取譜線并更新溫濕度等狀態(tài)。經(jīng)過長時間運行后普通天然本底測量數(shù)據(jù)如表1，這組數(shù)據(jù)為室內(nèi)測量結(jié)果，所以含量都較低。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的連續(xù)監(jiān)測儀實現(xiàn)了放射性氣溶膠的連續(xù)、實時、在線監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)儀器在連續(xù)性方面的不足，如儀器的監(jiān)測時間主要受放入濾膜長度等因素決定。在儀器中嵌入SQLite數(shù)據(jù)庫，能夠高效、可靠地管理譜線等各種數(shù)據(jù)，便于后期查詢、處理。系統(tǒng)合理調(diào)整采樣時間、流量等因素，達到監(jiān)測靈敏度和響應(yīng)時間的最優(yōu)化，實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的實時監(jiān)測。儀器經(jīng)幾個月實際運行測試，證明了其穩(wěn)定可靠性。

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JIN Yan, WANG Shanqiang, ZOU Shiya. Development of α/β radioactive aerosol prompt real-time monitoring techniques[J]. New Technology & New Process, 2009, (1): 61?64

2 胡玉新, 王新赤, 朱文凱. 高氡背景下人工核素氣溶膠快速監(jiān)測裝置[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2007, 27(2): 271?275

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6 李蔚, 陳亞峰. 嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite及其應(yīng)用研究[J].沿海企業(yè)與科技, 2010, 10(125): 45?47

LI Wei, CHEN Yafeng. Embedded database SQLite and its application[J]. Coastal Enterprises and Science & Technology, 2010, 10(125): 45?47

CLC TL817

Instrument design for continuous monitoring of radioactive aerosol

LI Qiang1ZENG Guoqiang1CAI Jun2CHEN Mingming2MA Yinghao3TU Chuanhuo2TAN Chengjun1

1(College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
2(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
3(China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China)

Background: In the process of nuclear related production or processing, nuclear fuel and other radioactive substances will produce radioactive aerosols which is harmful to the environment and human health. The commercial available monitor of radioactive material is either poor in continuity or limited in measuring radioactive aerosols. Purpose: This study aims to design a radioactive aerosol monitor for continuous concentration surveillance of radioactive aerosol in real time. Method: This instrument's stability and efficiency has been improved with the IPC+ARM architecture and the SQLite database which can store massive amounts of nuclear data and other information. After operating the spectral data which gathered by multi-channel pulse height analysis with α/β ratio method, we embedded some algorithms that recommended on ISO 11929-5 to calculate the concentration. Results: We have achieved a high precision and the instrument has been run steadily for a long time. Conclusion: This paper described the design for continuous monitoring of radioactive aerosol, and enhances the stability and efficiency of the system in hardware and software. Finally, in the processing of spectral data collected by multi-channel pulse amplitude analyzer, we have achieved a high precision with ISO11929-5 algorithms and verified the feasibility of the system.

Radioactive aerosol, Continuous monitoring device, IPC+ARM, SQLite, ISO 11929-5

TL817

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030401

No.41474159)、地學(xué)核技術(shù)四川省重點實驗室開放基金(No.gnzds2014006)資助

李強，男，1989年出生，2013年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事電子儀器與測量技術(shù)方面的研究

曾國強，E-mail: zgq@cdut.edu.cn

2014-10-30，

2014-12-10