核工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中輻照加固技術(shù)研究

辛露 陳凱

【摘 要】核設(shè)施的在役檢查與維修，往往涉及強(qiáng)輻射性場所， 因此，需要對核工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行輻照加固技術(shù)研究，提高機(jī)器人在核工業(yè)高輻照環(huán)境下的可靠性，提升我國在核工業(yè)技術(shù)方面的技術(shù)能力。

【關(guān)鍵字】強(qiáng)輻射;輻照加固

中圖分類號： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0008-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.002

Research on Radiation Reinforcement Technology in Nuclear Industry Robot System

XIN Lu CHEN Kai

（CNPO，CHINA WUHAN，Wuhan Hubei 430000，China）

【Abstract】In-service inspection and maintenance of nuclear facilities often involve highly radioactive sites.Therefore，it is necessary to carry out research on radiation reinforcement technology of nuclear industry robot system to improve the reliability of robots in high radiation environment of nuclear industry and enhance China's technical capability in nuclear industry technology.

【Key words】Strong radiation;Irradiation reinforcement

0 引言

隨著我國核工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，伴隨而來的是核設(shè)施的老化、故障等問題，這些都需要大量的機(jī)器人進(jìn)行在役檢查和維修工作。其中，往往涉及強(qiáng)輻射性場所，有的甚至水下進(jìn)行，操作者難以接近，這些都會(huì)給檢查與維修工作帶來很大的困難。切爾諾貝利核電站、福島核電站等核事故的應(yīng)急處理中，投入了各種功能、型號的機(jī)器人，其中不少機(jī)器人就因?yàn)閺?qiáng)輻射環(huán)境對機(jī)器人系統(tǒng)損害而被迫退出或停留在事故現(xiàn)場。

因此，需要對核工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行輻照加固技術(shù)研究，提高機(jī)器人在核工業(yè)高輻照環(huán)境下的可靠性，提升我國在核工業(yè)技術(shù)方面的技術(shù)能力。同時(shí)，有助于打破國外技術(shù)壟斷、滿足國家核電和核科學(xué)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展要求，對提高核科技工業(yè)的自動(dòng)化水平、增強(qiáng)核安全和應(yīng)急處理能力、保護(hù)工作人員的健康和安全，以及構(gòu)建和諧社會(huì)主義社會(huì)都有積極和重大的社會(huì)意義[1]。

1 輻照加固技術(shù)系統(tǒng)總體介紹

核工業(yè)機(jī)器人中機(jī)電系統(tǒng)是最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，機(jī)電系統(tǒng)的輻射加固技術(shù)是保障機(jī)器人在核環(huán)境下順利完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)的技術(shù)關(guān)鍵，也是提升機(jī)器人在核環(huán)境下的技術(shù)基礎(chǔ)。針對強(qiáng)輻射環(huán)境下電子電氣設(shè)備容易受損的問題，重點(diǎn)開展機(jī)器人視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等的抗輻射加固技術(shù)研究。

研究多層次、多種途徑的抗輻射加固方法，實(shí)現(xiàn)不同層次之間合理分配抗輻射加固強(qiáng)度，應(yīng)用容錯(cuò)控制、路徑優(yōu)化的方法來降低對硬件加固的要求，減小機(jī)器人系統(tǒng)的尺寸和重量，解決單一材料屏蔽方式帶來的機(jī)器人笨重和環(huán)境適應(yīng)性差的問題。

輻射加固是一項(xiàng)綜合技術(shù)，并不是簡單的選擇抗輻射材料，更多的是通過合理規(guī)劃機(jī)器人各功能區(qū)的布局、分布設(shè)計(jì)電路并將傳感器加固等方式來實(shí)現(xiàn)的。針對強(qiáng)輻射環(huán)境下的電子元器件的工作特性，對所有處于強(qiáng)輻射環(huán)境下的電子設(shè)備進(jìn)行平衡、合理的抗輻射設(shè)計(jì)和處理，包括：抗輻射器件的選擇、抗輻射電路設(shè)計(jì)、屏蔽和輻射規(guī)避以及軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)抗輻射加固。模擬核應(yīng)急場所的輻射環(huán)境，測量輻射強(qiáng)度和目標(biāo)的受損參數(shù)，通過輻射環(huán)境設(shè)置（輻射源選取， 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）、設(shè)備受損參數(shù)測定以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析等輻射實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證加固措施[2]。

根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的耐輻射加固技術(shù)各研究點(diǎn)及其之間的耦合關(guān)系，制定以下技術(shù)研究方案，具體流程詳見圖1.

2 輻照加固技術(shù)方法

常用的輻照加固技術(shù)方法有物理屏蔽和元器件輻照加固技術(shù)。下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 物理屏蔽

核電廠停機(jī)后，主要的射線為γ射線。對于屏蔽γ粒子最有效的方式是使用原子序數(shù)高的重金屬材料。其中，最常見的材料是鉛，該方案會(huì)導(dǎo)致設(shè)備外形過大，重量太高。為減小設(shè)備外形、降低設(shè)備重量、提高屏蔽效率，通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵的輻照保護(hù)部位采用屏蔽復(fù)合層方式提高屏蔽效率，對支撐、傳動(dòng)部位采用簡化和極限設(shè)計(jì)降低設(shè)備外形和重量。

抗輻射屏蔽設(shè)計(jì)是根據(jù)各類射線與物質(zhì)相互作用的原理，采用合適的材料進(jìn)行物理屏蔽的方法，增強(qiáng)主要電子系統(tǒng)或功能模塊的抗輻射能力。其解決途徑如下：應(yīng)用計(jì)算和試驗(yàn)測量相結(jié)合的方法，針對不同類型的射線及其能量范圍，選用對初始射線阻擋能力強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生次級射線少的材料，或者多層復(fù)合材料，對重點(diǎn)器件或系統(tǒng)進(jìn)行物理屏蔽，減少進(jìn)入電子器件敏感區(qū)域的輻射能量沉積，從而提高系統(tǒng)的抗輻射能力。屏蔽設(shè)計(jì)要根據(jù)器件本身的抗輻射能力，通過輸運(yùn)計(jì)算和輻照試驗(yàn)，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的屏蔽材料和結(jié)構(gòu)的屏蔽效率，應(yīng)用最少的屏蔽材料，使系統(tǒng)達(dá)到要求的抗輻射水平。

重金屬由于具有較大的質(zhì)核比和核外多電子層的結(jié)構(gòu)，對放射線顯示了突出的吸收和消散性質(zhì)。傳統(tǒng)上較多用于防護(hù)放射線的金屬有Pb、Al、Ti、Mg、Cr、Ba、Fe等重金屬。表1是幾種在屏蔽射線方面具有突出性質(zhì)的金屬元素。由表1可以看出，Pb、Ba、Gd、Dy對γ-ray有較大的作用截面，因此具有較高的臨界吸收能，在γ-ray防護(hù)方面將起到主要作用。

根據(jù)圖中關(guān)系，隨著半價(jià)層數(shù)量的增加，劑量率減少越來越小。大約在5個(gè)半價(jià)層數(shù)量后，劑量率衰減越來越少，因此，單靠增加屏蔽層厚度無法完全解決輻射加固這一問題。

2.2 器件的抗輻射加固技術(shù)

電子元器件主要采用合理選型、抗輻射評估及篩選等措施保證抗輻射性能。對于器件和系統(tǒng)，研究屏蔽設(shè)計(jì)的抗輻射加固措施。

針對強(qiáng)輻射環(huán)境下電子元器件和電氣設(shè)備容易受損的問題，重點(diǎn)開展機(jī)器人視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等的抗輻射加固技術(shù)研究，建立輻射防護(hù)模擬仿真平臺(tái)和機(jī)器人耐輻射能力的預(yù)測評價(jià)模型，探究電子元器件的核輻射損傷機(jī)理，制定機(jī)器人不同組件部件加固方案，以及完成加固材料與工藝的實(shí)驗(yàn)檢測和驗(yàn)證等工作。

針對強(qiáng)輻射環(huán)境下的電子系統(tǒng)的工作特性，從抗輻射器件的選擇、抗輻射電路設(shè)計(jì)、易損器件集中布局設(shè)計(jì)和介質(zhì)防護(hù)、冗余器件和冗余系統(tǒng)幾個(gè)方面對所有處于強(qiáng)輻射環(huán)境下的機(jī)器人本體控制和通訊單元、搭載的監(jiān)測電子設(shè)備等進(jìn)行合理的抗輻射設(shè)計(jì)和處理，根據(jù)不同的部件的物理特性和工作特性，選取不同的加固方案。圖3和圖4是CCD和CMOS器件在輻照前和輻照后的圖像對比，從圖中可明顯看出對器件進(jìn)行輻照加固的必要性。

2.2.1 間歇技術(shù)

電子器件在非工作狀態(tài)時(shí)，輻射損傷較小。針對易損傷和可靠性要求較高的驅(qū)動(dòng)電路，在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用間歇工作控制技術(shù)，切斷不工作的電子模塊的電源或降低電壓。強(qiáng)輻射到來時(shí)，系統(tǒng)中的薄弱部分暫停工作，即“躲避”起來，待強(qiáng)輻射過去后再重新工作，從而起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。同時(shí)利用路徑優(yōu)化和多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)的方式減少核應(yīng)急機(jī)器人作業(yè)過程中受到的輻射劑量。

間歇控制系統(tǒng)組成框圖詳見圖5，機(jī)器人接受到作業(yè)指令，轉(zhuǎn)換為模塊工作指令，通過邏輯判斷得到不需要工作和必須工作的模塊。需要工作的模塊啟動(dòng)，任務(wù)完成后關(guān)?；蚪祲骸２恍枰ぷ鞯哪K保持關(guān)?；蚪祲?。關(guān)停或降壓狀態(tài)保持到下一個(gè)作業(yè)指令到來前。

2.2.2 回避控制技術(shù)

當(dāng)強(qiáng)核輻射被探測器感應(yīng)到超過一定輻照劑量率閾值后，形成的電信號即刻發(fā)出信息處理系統(tǒng)，啟動(dòng)將待回避系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息（如存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)）等送入被特殊加固的存儲(chǔ)系統(tǒng)暫存;并關(guān)斷待回避系統(tǒng)的電源，延遲一段時(shí)間后，待強(qiáng)輻射過去后，開關(guān)自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，信息處理系統(tǒng)將保存的數(shù)據(jù)等信息送回原系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)工作。同理，在強(qiáng)輻射狀況下，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的調(diào)速驅(qū)動(dòng)單元停止工作，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制由強(qiáng)輻射環(huán)境下可靠性極高的繼電器模塊暫執(zhí)行，以保證機(jī)器人系統(tǒng)的在強(qiáng)輻射環(huán)境下的可靠性和其它環(huán)境下運(yùn)動(dòng)控制的精準(zhǔn)性?；乇芸刂葡到y(tǒng)組成框圖詳見圖6。

2.2.3 冗余設(shè)計(jì)

機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，利用軟件數(shù)據(jù)冗余處理技術(shù)，根據(jù)“選舉機(jī)制”對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和分析決策，確保系統(tǒng)安全可靠。

冗余設(shè)計(jì)可同時(shí)通過軟件和硬件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。輻射缺陷抑制的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體器件輻射損傷的退火恢復(fù)效應(yīng)，即輻射作用于器件產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致器件性能退化或失效，但是缺陷在一定的溫度、偏壓及時(shí)間下會(huì)有所恢復(fù)。因此，器件與系統(tǒng)的輻射效應(yīng)退火研究對抗輻射具有重要的應(yīng)用價(jià)值。首先需要通過退火試驗(yàn)獲得器件輻射產(chǎn)生缺陷的退火規(guī)律與退火條件，并判斷器件退火對系統(tǒng)性能退化的減緩作用，然后采用系統(tǒng)服役間歇期間退火的方法，使輻射導(dǎo)致的系統(tǒng)性能退化有所減緩，延長系統(tǒng)的使用壽命。

在硬件方面，通過表決電路、冷熱備份等方式對系統(tǒng)硬件中的抗輻射薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，從而提高硬件的可靠性。對于光源與視覺系統(tǒng)的抗輻射設(shè)計(jì)，可采用定期標(biāo)定、校準(zhǔn)的方法來弱化輻射導(dǎo)致的影響。對于光源，可通過標(biāo)定測試，調(diào)節(jié)光源的亮度，使其保持在正常工作范圍內(nèi)。對于視覺系統(tǒng)，研究采用去除暗電流本底、增益調(diào)節(jié)、曝光調(diào)節(jié)的方法，使其在性能退化的情況下，仍然能保持一定的視覺效果。

在軟件方面，對系統(tǒng)的關(guān)鍵指令、重要數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余變量、冗余存儲(chǔ)和軟件表決器設(shè)計(jì)，從而提高軟件的可靠性。對于視覺系統(tǒng)，還需要研究基于圖像處理的抗輻射措施，針對輻射導(dǎo)致的瞬時(shí)噪點(diǎn)，采用頻域運(yùn)輸?shù)姆绞?，在不影響圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)臈l件下去除大部分瞬時(shí)噪點(diǎn)，弱化噪點(diǎn)對視覺測量和監(jiān)控的影響。對于長期輻射劑量累積導(dǎo)致的圖像對比度下降、分辨力下降等問題，研究對比度拉伸、圖像銳化、反卷積等圖像處理方法，使視覺系統(tǒng)的性能保持在一定水平。

調(diào)整參數(shù)裕量是在充分預(yù)計(jì)系統(tǒng)各指標(biāo)正常工作范圍的前提下，設(shè)計(jì)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)整體的抗輻射能力。

漂移補(bǔ)償是在掌握輻射作用下系統(tǒng)關(guān)鍵元器件、關(guān)鍵模塊特性參數(shù)漂移的前提下，通過特殊的主動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)，使相關(guān)特性參數(shù)在輻射作用下的漂移減小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗輻射加固。

2.2.4 輻射加固技術(shù)驗(yàn)證

輻射加固風(fēng)險(xiǎn)主要為，選取器件不合理，造成系統(tǒng)因輻射原因癱瘓;被動(dòng)抗輻射屏蔽體計(jì)算、選材不合理造成系統(tǒng)癱瘓;電路設(shè)計(jì)不合理造成系統(tǒng)不能很好的回避輻射。

具體解決途徑為，對電子元器件的抗輻射機(jī)理進(jìn)行研究，掌握、理解電子元器件輻射損傷原理。結(jié)合理論，在市場上精選抗輻射性能良好的器件，并進(jìn)行抗輻射實(shí)驗(yàn)對器件篩選。制定合理的屏蔽實(shí)驗(yàn)方案，對系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。設(shè)計(jì)合理的回避電路，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，驗(yàn)證回避電路的抗輻射性能。

采用強(qiáng)輻射伽瑪放射源對加固材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過正交實(shí)驗(yàn)方法，對機(jī)器人系統(tǒng)的抗輻射加固材料和加固方法進(jìn)行測試驗(yàn)證，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行再次改進(jìn)直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以確保加固后的機(jī)器人系統(tǒng)耐輻照性能和可靠性。驗(yàn)證方案詳見圖7。

3 相關(guān)實(shí)驗(yàn)

本文中介紹的輻照加固技術(shù)方法有物理屏蔽和元器件輻照加固技術(shù)，現(xiàn)通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證兩種方法的輻照效果。

3.1 屏蔽材料輻照實(shí)驗(yàn)

用多種屏蔽材料對CMOS相機(jī)進(jìn)行屏蔽，在五種源強(qiáng)情況下對相機(jī)進(jìn)行測試。統(tǒng)計(jì)二值圖中的斑點(diǎn)，可以獲得源圖片中閃光點(diǎn)的數(shù)量信息。考慮到CCD可能存在壞點(diǎn)等情況，無任何輻照條件下相機(jī)暗場圖像中統(tǒng)計(jì)到的閃光點(diǎn)被用來作為參考值。各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信息匯總于表2中。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)以及實(shí)際檢查的工作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為圖像總像素的20%為噪點(diǎn)時(shí)圖像是失效的。通過該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表2中的數(shù)據(jù)及計(jì)算表明：

（1）CMOS相機(jī)在無任何屏蔽的情況下，當(dāng)γ射線的輻照劑量率達(dá)到117Gy/h時(shí)，其圖像已無法滿足視頻檢查要求。

（2）規(guī)格為108mm的鉛屏蔽結(jié)構(gòu)比規(guī)格為60mm的鉛屏蔽結(jié)構(gòu)，隨著劑量率的提高其降噪效果分別為14.8%、15.2%、6.9%、32.2%、39.2%。

（3）8% TiB2/2024（擠壓態(tài)）復(fù)合材料在1Gy/h到117Gy/h的表現(xiàn)，其降噪效果跟同等厚度的鉛具有相當(dāng)?shù)目杀刃浴?/p>

（4）8% TiB2/2024（擠壓態(tài)）在540Gy/h時(shí)，復(fù)合材料的降噪效果驟降為1.3 %，可以判定為失效。值得注意的是，同等厚度的鉛在540Gy/h的降噪效果也僅為14.9 %。

（5）8% TiB2/7075（擠壓態(tài)）在540Gy/h時(shí)，復(fù)合材料的降噪效果驟降為0.9 %，可以判定為失效。說明不同含量的鋁合金材料其屏蔽性能存在較大差異。

3.2 器件輻照實(shí)驗(yàn)

為滿足高輻照環(huán)境檢驗(yàn)設(shè)備研制的需要，對常用機(jī)械、電氣原料及元器件同步實(shí)施輻照實(shí)驗(yàn)。采用60Co作為輻射源，環(huán)境溫度為室溫，輻照劑量率為以下5種情況：1Gy/h、8Gy/h、14Gy/h、117Gy/h、540Gy/h。在以上5種劑量率環(huán)境下分別對機(jī)電設(shè)備、連接器、零散件、直流電機(jī)及磁碼盤編碼器、電機(jī)插頭、氣缸等進(jìn)行輻照測試，輻照時(shí)間到達(dá)后，目測各檢測設(shè)備是否發(fā)生明顯變化，如有，并拍照與標(biāo)識;設(shè)備狀態(tài)的檢查，沒有發(fā)生故障，直接進(jìn)行下次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)共有5個(gè)測試點(diǎn)，具體的測試點(diǎn)分布如下表3所示。

采用輪式小車將機(jī)電設(shè)備運(yùn)到輻照室內(nèi)，將采集、控制平臺(tái)布置在輻照源控制室內(nèi)。連接電纜與機(jī)電設(shè)備后，通過迷道及輻照室屏蔽門上部電纜貫穿件連接至外部采集、控制平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)機(jī)電設(shè)備布局詳見圖8。

每次調(diào)整機(jī)電設(shè)備在輻照室內(nèi)位置后，依據(jù)輻照環(huán)境劑量的不同，機(jī)電設(shè)備及零散件吸收劑量及狀態(tài)變化結(jié)論見表4。

通過本次器件輻照實(shí)驗(yàn)，經(jīng)分析，得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)備研制目前常用POM零件、PEEK零件、PU電纜、網(wǎng)線、渦流檢驗(yàn)探頭、傳熱管渦流檢驗(yàn)探頭、AB膠、O型圈、航插接頭等在環(huán)境劑量1181Gy/h的γ射線輻照下可正常工作，整體累計(jì)劑量可達(dá)5074Gy;

（2）光電編碼器、磁碼盤編碼器在環(huán)境劑量168Gy/h下正常工作20分鐘，在γ射線輻照總劑量達(dá)到165Gy（168×0.33+109×1=165）出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)失控，但在離開輻照環(huán)境后，可恢復(fù)正常功能。

4 結(jié)束語

機(jī)器人在核工業(yè)的有著很大的應(yīng)用，輻照加固技術(shù)對機(jī)器人系統(tǒng)起著非常的作用。本文通過輻照加固技術(shù)的理論分析，提出了兩種輻照加固技術(shù)：物理屏蔽和元器件加固，并通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論證的輻照加固技術(shù)的效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賴祖武，《抗輻射電子學(xué)—輻射效應(yīng)及加固原理》，國防工業(yè)出版社，1998.

[2]王希濤，一種輻射加固優(yōu)化的核探測機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中國輻射防護(hù)研究院，2012.