X、γ射線個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)質(zhì)量特性設(shè)計與測試

李莉 倪寧 趙旭 高飛 陳義珍 寇寧寧 宋明哲 孫濤 滕忠斌 杭仲斌

中國原子能科學(xué)研究院 中核核工業(yè)計量與測試技術(shù)重點實驗室 北京 102413

X、γ射線個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)是電離輻射計量領(lǐng)域中低能X射線個人劑量當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵配套設(shè)備，用于復(fù)現(xiàn)個人劑量當(dāng)量、完成個人劑量當(dāng)量量值傳遞，是保障輻射防護領(lǐng)域個人劑量當(dāng)量量值準(zhǔn)確和人員輻射安全的重要設(shè)備。目前，國內(nèi)主要使用德國PTW公司生產(chǎn)的TW35045型個人劑量當(dāng)量電離室。中國原子能科學(xué)研究院開展了個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)的研制，為了提升該系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等通用質(zhì)量特性指標(biāo)，開展了相關(guān)設(shè)計優(yōu)化與試驗驗證工作。

1 X、γ 射線個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)

個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)（后簡稱為電離室系統(tǒng)）用于X射線、γ射線等強貫穿輻射個人劑量當(dāng)量Hp（10）的量值復(fù)現(xiàn)和量值傳遞，主要由電離室、低噪聲線纜和電學(xué)主機構(gòu)成。電離室基于個人劑量當(dāng)量定義、Bragg-Gary空腔理論設(shè)計、制作。低噪聲線纜用于電離室與電學(xué)主機間的信號傳輸。電學(xué)主機基于微弱電流的I-V變換測量原理設(shè)計、制作，用于測量電離室組件產(chǎn)生的微弱電離電流和微弱電離電荷。個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)中各個單元的工作原理和連接情況為：電離室經(jīng)低噪聲線纜連接至電學(xué)主機，由220VAC電源給電學(xué)主機供電。

2 質(zhì)量特性優(yōu)化設(shè)計

X、γ射線個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)主要于X射線、γ射線的量值復(fù)現(xiàn)與量值傳遞，除系統(tǒng)應(yīng)具備相關(guān)計量性能要求外，還需要滿足相關(guān)的通用質(zhì)量特性指標(biāo)要求，以滿足不同環(huán)境條件下開展量值傳遞工作，其通用質(zhì)量特性具體指標(biāo)要求為：1） 環(huán)境適應(yīng)性（溫度）：貯存溫度: -10～50℃；工作溫度: 10～40℃；2） 環(huán)境適應(yīng)性（濕度）：相對濕度: 25%～75%；3） 可靠性：MTBF ≥1000h。

2.1 可靠性設(shè)計與實現(xiàn)

2.1.1 基本假設(shè)

個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)（以下簡稱“電離室系統(tǒng)”）是可修復(fù)系統(tǒng)，其定量可靠性要求采用基本可靠性參數(shù)MTBF；采樣設(shè)備為簡單結(jié)構(gòu)，且為成熟產(chǎn)品，假設(shè)其平均故障間隔時間足夠大；除采樣設(shè)備外，單體上裝設(shè)備在工作中，故障的發(fā)生是隨機的，其壽命均服從指數(shù)分布，可靠度函數(shù)如下：

式中：λi=1/MTBFi

2.1.2 可靠性

可靠性模型是論證分析系統(tǒng)和設(shè)備可靠性指標(biāo)，以及對系統(tǒng)進行可靠性綜合評估的重要基礎(chǔ)。電離室系統(tǒng)的基本可靠性模型為全串聯(lián)模型，構(gòu)成設(shè)備的所有模塊均包含在模型內(nèi)，即：電離室—信號處理模塊—信號采集、顯示模塊。

2.1.3 計算模型

各單體設(shè)備的可靠度分別記為r1，r2，…，rn，系統(tǒng)可靠度為Rs，用Ss和Si表示系統(tǒng)和設(shè)備的正常工作狀態(tài)。依據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的定義，系統(tǒng)中正常事件邏輯上為“與”的關(guān)系，系統(tǒng)正常工作，要求全部設(shè)備均正常工作，故有Ss=S1∩S2∩S3∩…∩Sn。

系統(tǒng)正常工作的概率為各單體設(shè)備正常工作的概率之積，即

其中，λ為系統(tǒng)的等效故障率，MTBF為系統(tǒng)的平均故障間隔時間，λi為第i個設(shè)備的失效率。

2.1.4 可靠性分配

根據(jù)電離室系統(tǒng)的特點、使用和研制要求，確定采用平均故障間隔時間進行分配。按照產(chǎn)品要求進行可靠性分配并留有5%的余量，在后續(xù)進行局部優(yōu)化時，不必重新分配。分配時綜合考慮各單機設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)、復(fù)雜度、重要度、任務(wù)時間、環(huán)境條件等因素。分別有復(fù)雜水平、技術(shù)水平、工作時間環(huán)境要求和重要水平五個參數(shù)：

根據(jù)實際情況對電離室系統(tǒng)三個模塊分別進行評分，評分結(jié)果如表1所示。

表1 評分結(jié)果表

根據(jù)電離室系統(tǒng)評分結(jié)果和公式9、10，可以得出每個單元的評分系數(shù)

式中：Ci為第i個產(chǎn)品組成單元的評分系數(shù)；

ωi為第i個產(chǎn)品組成單元的評分?jǐn)?shù)；

ω為產(chǎn)品的總評分?jǐn)?shù)；

i為產(chǎn)品組成單元數(shù)。

記設(shè)備i的失效率分配結(jié)果為λ*i，MTBF分配結(jié)果為MTBF*i，由λ*i=Ciλ*，MTBF*i=1/λ*，計算每個設(shè)備的失效率及MTBF分配結(jié)果，并將結(jié)果圓整化，如表2所示。

表2 可靠性分配結(jié)果

電離室系統(tǒng)可靠性預(yù)計采用元器件應(yīng)力分析法對各組成模塊和單元的可靠性預(yù)計值進行計算。根據(jù)各組成單元的基本可靠性模型，計算預(yù)計失效率，得到預(yù)計可靠性值，并與規(guī)定的可靠性值相比較，必要時進行可靠性的再分配或改進原設(shè)計提高可靠性指標(biāo)。經(jīng)過預(yù)計和計算電離室系統(tǒng)的預(yù)計失效率為35.8858 （1E-6/h），對應(yīng)MTBF預(yù)計值為27866小時，預(yù)計值滿足MTBF≥1000h的設(shè)計要求。

2.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

由于本產(chǎn)品是計量設(shè)備，需要進行的環(huán)境試驗主要有：低溫試驗、高溫試驗、濕熱試驗，以滿足產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性要求[2-4]。根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性要求，本產(chǎn)品將針對以下方向進行產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計。

2.2.1 力學(xué)環(huán)境設(shè)計

力學(xué)環(huán)境設(shè)計是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。針對力學(xué)環(huán)境設(shè)計主要為：電離室系統(tǒng)對各模塊內(nèi)部進行結(jié)構(gòu)及PCB力學(xué)加固；系統(tǒng)用整塊鋁合金板制成加強圍框，與印制板相連，以增強電路板的剛性和強度，避免在振動低頻區(qū)域出現(xiàn)共振現(xiàn)象；對質(zhì)量較大或面積較大的元器件采取了加固措施，如繼電器、AD/DA等模塊。

2.2.2 氣候環(huán)境設(shè)計

溫度對電子產(chǎn)品可靠性影響極大。電離室系統(tǒng)對元器件進行散熱設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮發(fā)熱器件的安裝部位及機內(nèi)的通風(fēng)散熱，合理設(shè)計了機箱內(nèi)部各整件布局。

潮濕的空氣作用于電路板上附著的灰塵等物質(zhì)，形成具有導(dǎo)電特性的水膜，導(dǎo)致泄漏電流，給測量結(jié)果帶來誤差。減少影響的最有效的方法是采取等電位屏蔽措施和對核心模擬電路部分進行氣密密封與干燥處理。

3 質(zhì)量特性測試

3.1 可靠性測試

（1） 試驗方法[5]

參考GJB 899A-2009中方法開展。試驗環(huán)境條件產(chǎn)品最大工作溫度40℃，采用加速試驗方案。加速時溫度作為樣品加速壽命的加速應(yīng)力，選擇阿倫尼斯模型作為加速模型，產(chǎn)品激活能Ea=0.7eV，加速溫度最高不超過50℃。MTBF最低可接受值θ1≥1000h，無樣品失效時，總試驗臺時≥1.2θ1，因此最小總試驗時間tu=1.2×θ1=1.2×1000=1200h。

阿倫尼斯模型的加速系數(shù)AF的表達(dá)式如下：

式中k為波爾茲曼常量，8.6171×10-5eV/K，tu為正常工作條件（溫度為Tu）下的總試驗臺時，ts為應(yīng)力條件（溫度為Ts）下的總試驗臺時，Ea為產(chǎn)品激活能。

本方案中正常工作溫度取40℃，最大加速工作溫度取50℃時，加速系數(shù)AF=2.233，加速應(yīng)力下最小總試驗臺時為538小時。加速試驗全程樣品處于正常工作狀態(tài)。試驗前、后以及試驗過程中使用標(biāo)準(zhǔn)電流源選擇典型電流值（+100pA）監(jiān)測產(chǎn)品工作性能是否異常，并記錄檢測結(jié)果。

（2） 試驗結(jié)果

包括從實驗前測試至試驗后測試，共計十次測試，每次測試的平均值點如表3所示，測試結(jié)果表明設(shè)備可靠性指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

表3 可靠性試驗結(jié)果

3.2 環(huán)境適應(yīng)性

3.2.1 溫度試驗

參考GJB 150.3A-2009、GJB 150.4A—2009中方法開展。電離室系統(tǒng)的溫度試驗分為兩種、四項，貯存溫度實驗的-10℃低溫貯存與+50℃高溫貯存，工作溫度試驗的+10℃低溫工作與+40℃高溫工作。貯存實驗為試驗前后進行通電測試，工作溫度試驗為試驗中進行通電測試。

3.3.2 濕熱試驗

參考GJB 150.9A-2009中方法開展。設(shè)備開機預(yù)熱30min，進行3次循環(huán)濕熱循環(huán)每個循環(huán)24h，在試驗前后與第一周期、第三周期進行通電測試。

3.3.3 通電測試方法

使用標(biāo)準(zhǔn)電流源，輸出+100pA至被試樣品，被試樣品讀數(shù)穩(wěn)定后，讀取測量結(jié)果要求誤差不超過士（5%讀數(shù)+5fA）。

3.3.4 試驗結(jié)果

溫度試驗、濕熱試驗結(jié)果分別如表4、表5所示。試驗結(jié)果表明以上項目均符合設(shè)備指標(biāo)要求。

表4 溫度試驗結(jié)果

表5 濕熱試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對原子能院自研X、γ射線個人劑量當(dāng)量次級標(biāo)準(zhǔn)電離室系統(tǒng)的通用質(zhì)量特性中的可靠性、環(huán)境環(huán)境適應(yīng)性（溫度、濕度）進行了針對性設(shè)計、分析以及試驗測試。通過在專業(yè)測試機構(gòu)進行的通用質(zhì)量特性試驗結(jié)果表明：該產(chǎn)品的貯存溫度為-10～50℃，工作溫度為10～40℃，相對濕度為 25%～75%。可靠性MTBF ≥1000h。其可靠性、環(huán)境實用性符合計量級產(chǎn)品工作環(huán)境條件要求，可為保障放射性場所的工作人員職業(yè)健康和保證公眾安全提供計量保障。