高气压电离室环境适应性、可靠性和计量特性的设计与测试

李 莉,高 飞,陈义珍,倪 宁,寇宁宁,赵 旭,王菲菲,王子琳,丁雨阳,刘佳瑞

(中国原子能科学研究院,计量与校准技术重点实验室,中核核工业计量与测试技术重点实验室,北京 102413)

高气压电离室具有自身本底低、稳定性好和精确度高等优点,被广泛用于环境水平X、γ辐射剂量率测量,涉及核电、环保、辐射防护、本底调查、科研和教学等领域[1-2]。固定式高气压电离室是我国环境辐射监测网络系统中的重要组成部分,它在核电站安全运行或核事故早期预警中发挥着不可替代的作用。目前我国环境监测网络系统中大部分采用美国GE公司高气压电离室产品开展辐射剂量监测。为尽快实现该类产品的国产化,本工作开展了高气压电离室产品化研究,在保证计量性能前提下,提升其环境适应性和可靠性,通过对电离室探头和外壳优化设计,提升其环境适应能力;通过优化设计电子学系统,降低电子学噪声,提高电子学系统测量微弱电流的准确性和稳定性,提升产品可靠性。通过计量性能测试和第三方通用质量性能测试,以验证其计量性能指标符合环境水平空气比释动能次级标准电离室使用要求,通用质量性能满足相关计量技术管理规定要求。

1 高气压电离室测量原理

高气压电离室由探测器系统和电学系统两部分组成。电离室探头和电离室外壳一起组成探测器系统,主要用于X、γ射线辐射探测。核电子学系统、软件控制系统一起组成电学系统,用于电离电流收集、处理和显示。高气压电离室探头由高压极(阴极)、收集极(阳极)、绝缘端子等部分构成。高气压电离室探头原理示于图1,当X、γ射线作用到高气压电离室上时,它们与充入的氩气相互作用,致使氩气原子电离产生电子,在电场的作用下电子被收集极收集形成电流,电流大小与入射粒子数量及能量成正比。后端核电子学系统通过三同轴绝缘端子收集微弱电流信号,并转换成电压信号,实现信号的采集、数据处理,并将电流信号转换成剂量率信号,在上位机软件上显示测量结果。

图1 高气压电离室探头原理图

2 通用质量性能优化设计

为使研制的高气压电离室产品满足作为环境水平空气比释动能次级标准电离室使用,亦可作为高准确度工作计量器具使用,携带至现场开展量值传递和辐射剂量监测,高气压电离室不仅要具有较好的计量性能,还需要满足一定的通用质量性能指标,如环境适应性,包括高低温以及抗振动冲击能力。另外,还需具备一定的可靠性、电磁兼容性等。本工作从电离室外壳、探头结构和电子学系统等方面进行优化,提升环境适应性和电磁兼容性,提升高气压电离室的通用质量性能。

2.1 环境适应性设计

环境适应性是高气压电离室在其寿命期限内预计可能遇到的各种环境条件下能实现其所有预定功能而不被破坏的能力,设计中高低温设计、热设计遵循电子学设备设计通则要求,针对高气压电离室,主要从抗振动、冲击设计和防水防潮设计等方面采取相应的优化措施,以便提高能量补偿型高气压电离室的环境适应能力,使其满足贮存/工作-10 ℃～45 ℃;相对湿度25%～75%;振动位移幅度3.5 mm,频率2 Hz(带包装);冲击加速度峰值20 m/s2(带包装)的环境适应性要求。

2.1.1抗振动、冲击设计 为满足运输过程中抗振动冲击要求,高气压电离室外壳采用一体化开模设计,同时为提升塑料外壳强度,通过增加壁厚和增加竖向加强筋加强整体结构,有效加强外壳结构的稳固性。外壳厚度从原有的5 mm改为现有的5.5 mm,并新增6条竖向加强筋,保证外壳结构的稳固。外壳内衬设计缓冲棉,采用乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)材料,用于保护探头,减轻振动影响。

高气压电离室探头收集极(阳极)采用球壳结构和导电性较好的不锈钢材料,球壳半径为60 mm、壁厚度0.3 mm,重量约130 g。振动冲击过程中,为保证探头工作正常性,需要加强探头收集极与高压极之间的稳固性,保证绝缘端子能够承受一定的力学冲击,避免焊接处断裂。优化设计中,提出三个方案改进探头结构。

方案1。收集极由不锈钢球改换成塑料球以减轻收集极重量。球体表面均匀喷涂石墨以保证良好的导电性。喷涂石墨后的塑料球作为收集极,其重量为30.6 g,收集极重量明显降低。

方案2。在保证探头漏电水平前提下,改进收集极固定模式,将原有的单杆支撑改为同心连接固定方式,即在高压极和收集极顶部之间采用高绝缘材料的绝缘柱连接,将收集极固定在高压极中心位置。

方案3。改进绝缘端子结构,提升其力学性能,增加收集极支架与绝缘端子焊接处可伐合金及陶瓷厚度,使绝缘端子可以承受较大的收集极重量。

根据以上3个方案对探头进行加工并组装成高气压电离室,通过线性剂量率范围、量程范围内最大允许误差、灵敏度因子三个重要计量参数,以及振动冲击测试结果与原方案进行比较,结果列于表1。

表1 不同电离室探头测试结果

表1结果表明,方案1将电离室收集极更新为喷涂石墨的塑料探头后,剂量率线性范围较窄,一次线性剂量率范围为0.5～200 μGy/h,可探测的量程范围为0.5 μGy/h～1 Gy/h,该量程范围内最大允许误差超出±5%,且灵敏度因子减小到改进前探头灵敏度因子的近一半,不适合低剂量率的准确测量。方案2通过改进收集极固定模式,采用绝缘柱固定收集极,改进后的电离室振动冲击试验满足指标要求,但在0.5 μGy/h～1 Gy/h量程范围内有若干剂量率测量点允许误差超出±5%,而方案3通过改进绝缘端子结构,与原有样机性能相比,灵敏度因子略有增大,在0.5 μGy/h～1 Gy/h量程范围内最大允许误差在±5%以内,并且通过了振动冲击试验。

因此,本工作采用方案3设计的新绝缘端子研制高气压电离室。

2.1.2防水、防潮、防尘设计 高气压电离室结构上采取全密封设计,使其满足一定防水、防潮、防尘功能。

(1) 高气压电离室的外壳4个端口使用IP67防水接口,具备防潮功能;采用上下壳固定方式设计,上下壳体连接处交错咬合,槽缝中配备密封圈,提升外壳的密封性,确保内部系统干燥。

(2) 电子学系统置于高气压电离室机壳内,为便于测量,将电子学系统分为前置放大电路和主控电路两部分,其中前置放大电路即微弱电流测量电路,主控电路完成数据的整体测量、处理与上传功能。

为避免环境湿度对前置放大电路的影响,高气压电离室探头采用探测器-放大器一体化设计,项目组设计了铝制的屏蔽盒以及屏蔽盖,前置电路板固定于屏蔽盒内,屏蔽盒采用密封处理,具备防潮防尘功能,满足IP66防护等级要求,保证了信号输出的稳定性。

2.2 电磁兼容性设计

高气压电离室在设计时需要充分的考虑电磁兼容性设计要求,确保高气压电离室的电磁兼容性指标中静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度满足GB/T 17626.2—2018、GB/T 17626.3—2016的相关要求。

2.2.1电磁屏蔽设计 通过在高气压电离室塑料外壳内部喷涂导电漆,可以形成法拉第笼为机壳内部敏感电路提供电磁屏蔽环境。在外壳结合处全部设计有安装导电胶条的导电槽,并且接触面与导电槽内表面保持清洁,导电槽内放入导电胶条进行密封处理,保证导电良好。

高气压电离室探头采用探测器-放大器一体化设计,这是由于目前高气压电离室的前置电路和探测器输出是通过低噪声电缆连接,存在电缆震动对输出信号产生干扰,探测器信号输出端由于屏蔽不足而产生外界电磁噪声通路,探测器信号输出端与信号线连接的机械强度不够等问题。因此针对前置电路与探测器输出端的结构优化十分必要。基于此,项目组设计了铝制的屏蔽盒以及屏蔽盖,前置电路板固定于屏蔽盒内,这为电路提供等电磁屏蔽环境,避免外界电磁干扰,屏蔽盒与电离室之间通过屏蔽盒支架连接,屏蔽盒支架采用高绝缘材料,具备一定机械强度。探测器信号输出端通过插拔口与信号线连接,减少信号输入路径,减少干扰源的产生,也利于降低外界电磁辐射的干扰。电离室设计时,能密封处尽量密封,上壳、下壳之间都留有放置导电胶条的导电槽,接触面与导电槽内表面保持清洁,导电槽内放入导电胶条,保证导电良好。

(1) 电线的选择。根据传输信号电平、信号波形、频带范围、电磁环境、阻抗特性、隔离可能性等条件综合选择。

(2) 电线的设计。必须考虑尽量减少耦合并利用现有的空间获得最佳的间距。

(3) 电线应根据其干扰和敏感特性予以分类,布线时注意小信号线缆与强电路分开布置。

(4) 屏蔽线应使用屏蔽接插件以保证防波套的搭接。禁止使用不能接地的接插件。电缆制作时要求防波套连续屏蔽和有合理的收头。

2.2.2布线设计 通过合理布线,采用隔离措施,降低线路空间耦合,减小相互干扰和辐射发射。

电路板采用8层设计,其中第二层、第五层、第七层为地平面,第四层为电源层,其他层主要为信号线。在进行布线设计时采用地平面作为电流回路,同时模拟地平面和数字地平面分开且尽量减小地平面的分割;退耦电容尽可能靠近芯片的电源针脚;高压电源输出高压信号走线与其他低压走线保持安全距离且保持合理安全裕量;敏感的模拟信号走线采用保护环布线,用等电位布线将敏感信号走线包裹降低电流泄露产生的测量误差。

2.3 可靠性设计

在满足规定功能要求的基础上,对高气压电离室的可靠性、维修性、体积、重量、费用等指标及研制进度进行综合权衡与优化设计,使系统故障少、维修快,并以最少费用和最快速度实现系统最佳效能。在保证高气压电离室性能的前提下,通过模块化设计和选用标准件,尽可能简化产品设计,降低产品的复杂程度,使其可靠性平均故障工作时间(mean time between failure,简称MTBF)不小于1 000 h。

在可靠性设计中,为保证设计方案能满足规定的可靠性定量要求,设计中采取以下措施。

1) 对高气压电离室进行模块化设计,分为高气压电离室探头、电离室外壳、前置放大电路、主控电路、电源模块、软件控制系统六个模块,各模块相对独立,模块之间的连接采用防错插的排线,避免焊线,方便拆卸与更换。

2) 最大限度的采用通用组件、零部件、元器件,并尽量减少其品种,尽可能不用或者少用非标准件;选用的元器件、材料等组件须具有可靠、稳定的供货渠道。

3) 根据元器件在产品中的重要性、使用环境、维修级别等,进行优选和可靠性筛选。元器件的质量等级应符合使用环境条件的要求;失效率要符合可靠性的要求;性能指标要满足功能的要求。

4) 降低温度的影响。通过元器件老化筛选、参数筛选与匹配、增加电路负反馈深度降低温度的影响。此外,高气压电离室整机功耗约0.5 W,无发热量较大器件,利用热传导、辐射原理进行热设计,同时增加电源组件与电路测量组件的间距,尽量减少电源产生热量对测量电路的影响。

5) 降低湿度影响。湿度对电阻值和电容值有较大影响,容易在电路板表面和空气间产生泄漏电流。采用等电位屏蔽方式降低湿度对高值电阻器、电容器的影响。同时,前置放大电路与高气压电离室探头集成采用一体化气密设计进一步降低环境湿度的影响。

6) 降低力学环境条件影响。设计新绝缘端子优化探头结构;在高气压电离室探头与外壳间采用缓震设计,通过开模设计专用缓震泡沫,降低振动和冲击等机械应力对高气压电离室内部组件的冲击和损伤。

根据优化设计,项目组加工了探头体积为8 L,充气压力为14 atm的高气压电离室,其外径最大尺寸为36.2 cm,高度为48.8 cm,并对其开展计量性能测试和通用质量特性测试。

3 高气压电离室计量性能测试

依据JJG 521-2006《环境监测用X、γ辐射空气比释动能(吸收剂量)率仪》计量检定规程[3],在国防科技工业电离辐射一级计量站γ射线空气比释动能(防护水平)标准装置以及X射线空气比释动能(诊断水平)标准装置上对高气压电离室样机剂量率范围及最大允许误差、能量响应、角响应等计量性能进行测试。

3.1 剂量率范围及测量相对误差

选择137Cs和60Co γ辐射作为参考辐射,在0.5 μGy/h～1 Gy/h剂量率范围内进行测试,每个量程上至少选取两个点进行测试,测试结果列于表2。

表2 剂量率测试结果

表2结果表明,高气压电离室样机可测剂量率为0.5 μGy/h～1 Gy/h,该范围内每个测试点的相对误差均在±5%以内。

3.2 能量响应

为了测试评价高气压电离室样机的能量响应特性,依据JJG 521-2006《环境监测用X、γ辐射空气比释动能(吸收剂量)率仪》,参考辐射选用过滤束X辐射(87 keV、109 keV、149 keV、185 keV、211 keV 5个能量点),137Cs(662 keV)、60Co(1.25 MeV)γ辐射。能量响应测试结果列于表3。

表3 能响测试结果

表3中能量响应测量结果表明,高气压电离室样机在87 keV～1.25 MeV能量范围内,能量响应相对于137Cs响应相对误差在±5%以内。

3.3 角响应

利用137Cs γ辐射场对角响应进行测试,将被测高气压电离室按其校准方向放置在已知空气比释动能率约定真值的测量点上,其校准方向为0°,通过转动被测高气压电离室改变其入射方向,求取不同角度入射响应值相对于约定真值的相对误差,在0°～ 360°角度范围内考察被试设备的角响应指标,测试时每次改变60°,进行角响应指标测试。角响应测试结果列于表4。在0°～360°范围内,高气压电离室角响应相对误差均在±2%以内。

表4 角响应测试结果

3.4 重复性

在137Cs γ标准辐射场中对高气压电离室重复性进行测试,被试设备的采样时间设置为5 s,在相同条件下连续测量20次。记录被试设备测量得到的剂量率值,计算相对标准偏差(RSD)作为重复性结果,结果列于表5。

表5 剂量率重复性测试结果

表5中重复性测量结果表明,高气压电离室重复性均好于1%。

根据计量性能测试结果,高气压电离室计量性能好于JJG 2044-2019《γ射线空气比释动能计量器具》中规定的防护水平和环境水平工作电离室计量技术指标要求,可作为现场剂量监测用高准确度工作电离室。

4 通用质量性能测试

对于计量级产品,不仅对计量性能有严格要求,其通用质量性能也是客户关注重点。项目中,依据相应规范,本工作选择具备通用质量特性测试能力,且该能力通过CNAS认证或CMA认证的第三方测试机构对高气压电离室开展了环境适应性、可靠性、电磁兼容三项通用质量性能测试。

4.1 环境适应性测试

环境适应性试验由第三方测试机构北京苏试创博环境可靠性技术有限公司进行。

4.1.1高、低温工作/贮存测试 分别按照GJB 150.3A-2009及GJB 150.4A-2009中规定的试验方法在北京苏试创博环境可靠性技术有限公司进行高低温工作/贮存测试[5-6],高温试验温度+45 ℃,低温试验温度-10 ℃。

试验在高、低温湿热试验箱中开展,测试时,先开展高气压电离室贮存测试,然后开展工作测试,测试步骤如下:在试验起始阶段,被试设备开机预热5 min后进行初始检测,然后将温度调节至测试温度下,温度稳定后保持4 h贮存时间,然后将温度恢复到初始温度条件并保持2 h,进行贮存后的通电测试。接下来进行被试设备工作测试,被试设备保持通电状态下,待试验箱温度调节到试验温度并稳定4 h后直接测试。比较高/低温试验后被试设备本底剂量率测量值与试验起始阶段室温下测量值的相对误差。由于被试设备本底剂量率易受外界干扰,波动较大,测试中被试设备的采样时间设置为1 s,取50组数据计算平均值,测试结果列于表6和表7。

表6 电离室高温工作/贮存测试结果

表7 电离室低温工作/贮存测试结果

根据北京苏试创博环境可靠性技术有限公司第三方测试结果表明,高气压电离室样机高/低温工作/贮存条件下,被试设备环境本底的测量值与试验起始阶段测量示值的相对误差不超过±5%。

4.1.2湿热测试 湿热试验参考标准GB/T 8993—1998 附件D:恒定湿热试验方法开展恒定湿热试验[7]。

高气压电离室可作为次级标准装置携带至现场开展校准工作,依据GB/T 8993—1998标准开展试验,被试设备严酷等级为Ⅲc,试验相对湿度为93%(40 ℃),测试时被试设备的采样时间设置为1 s,取50组数据计算平均值,测试结果列于表8。

表8 电离室湿热试验测试结果

由表8结果可知,高气压电离室样机恒定湿热条件下,被试设备环境本底的测量值与常温示值的相对误差在±8%以内。

4.1.3运输试验(含振动、冲击) 参照GB/T 8993—1998 附录E振动试验方法以及附录F冲击试验方法,按运输环境条件严酷等级2M1,电离室振动及冲击试验如图2所示。

振动试验条件:振动频率2～200 Hz(带包装),位移幅度3.5 mm,加速度0.5 g,1 oct/min扫描速率,每向各2个扫频循环;振动方向:横向、纵向、垂向三个方向。

冲击试验条件:加速度峰值:20 m/s2(带包装),脉冲宽度22 ms;冲击次数:三轴六向各共计冲击3次,共18次。

试验中样品处于包装完整状态。试验结束后,对受试设备通电预热5 min进行检测,并记录检测结果。

高气压电离室振动、冲击试验后样机外观、结构完好,无变形、无断裂、无松动,试验后被试设备开机功能正常。

4.2 可靠性试验

可靠性试验由工业和信息化部电子第五研究所进行。

试验按GJB 899A-2009中方案21在高低温试验箱中进行8]:试验环境条件以产品最大工作温度45 ℃,湿度75%RH下进行,受试品处于正常工作状态,试验602 h;实际摸底测试时为缩短测试时间,将测试温度提升到50 ℃,试验时间为240 h,试验过程中观察产品工作性能是否异常,每隔一段时间测试一次产品的本底剂量率,测试结果列于表9。

表9 高气压电离室可靠性测试结果

表9结果表明,在温度50 ℃,湿度75%RH条件下,试验240 h内高气压电离室功能正常,未出现故障,测量的本底剂量率值与常温下测量值结果的相对误差在±1%以内。

4.3 电磁兼容试验

电磁兼容测试摸底试验在第三方北京东方计量测试研究所进行,静电放电抗扰度试验按GB/T 17626.2—2018中规定的试验方法进行[9],射频电磁场辐射抗扰度试验按GB/T 17626.3—2016中规定的试验方法进行[10],如图3所示。

图3 电离室电磁兼容试验

静电放电抗扰度试验条件:试验等级3级,6 kV接触放电,8 kV空气放电。射频电磁场辐射抗扰度试验条件:试验等级2级,场强3 V/m,频率范围80～1 000 MHz,1 kHz正弦波80%调幅度。

高气压电离室在试验过程中屏幕显示无死机、花屏、重启等现象,表10结果表明,试验前后高气压电离室本底剂量率测量值相对误差在±1%范围内,满足指标要求。静电放电抗扰度满足GB/T 17626.2—2018的相关要求,射频场感应的传导骚扰抗扰度满足GB/T 17626.3—2016的相关要求。

表10 高气压电离室电磁兼容测试结果

4.4 通用质量特性试验前后的关键技术指标核验

为了验证高气压电离室完成通用质量特性试验后计量性能是否可靠,试验前后高气压电离室在国防科技工业电离辐射一级计量站γ射线空气比释动能(防护水平)标准装置137Cs γ射线标准辐射场中,选择一固定的空气比释动能率测量点开展相对误差关键技术指标核验,以判定被试设备经通用质量性能测试后工作正常性,试验结果列于表11。

表11 通用质量特性试验前后核验结果

根据核验结果,通用质量特性测试前后,高气压电离室在137Cs γ射线标准辐射场约定真值63.0 μGy/h测量点下,其测量值与约定真值相对误差在±2%以内。

综合以上环境适应性、可靠性、电磁兼容等通用质量性能第三方测试结果和通用质量特性试验前后关键指标核验结果,优化后的高气压电离室通用质量性能满足相关计量技术管理规定要求。

5 结论

1) 经测试,高气压电离室能量响应、角响应、重复性等各项计量性能指标满足国家计量检定规程JJG521-2006《环境监测用X、γ空气比释动能(吸收剂量)率仪》要求。

2) 第三方测试机构通用质量性能测试结果表明:该产品工作及贮存温度范围:-10 ℃～45 ℃;湿度范围≤93%RH;具备一定抗振动冲击能力,满足GB/T 8993—1998中运输环境条件严酷等级2M1要求;电磁兼容性中静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度满足GB/T 17626.2—2018、GB/T 17626.3—2016的相关要求;可靠性满足MTBF≥1 000 h的要求,该产品的环境适应性、电磁兼容性、可靠性符合计量级产品需要,可作为便携式辐射剂量仪用于无气候防护场所。