CN106324652A - 一种智能放射源探寻与处置机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能放射源探寻与处置机器人，包括有能移动的载体，在所述载体上设置有放射源方位探测探头，用于探测辐射源，所述放射源方位探测探头包括有辐射屏蔽装置、探测准直窗和探测机构。通过设置该辐射监测与应急处置机器人，使得辐射监测与事故应急的处置能力得到提升，是我国放射源应用及核电产业安全可持续发展的有力保障。长期来看研制自主产权的核应急处置机器人及监测系统不仅能够带来巨大的社会经济效益，并带动相关产业的发展，还关系到核能行业的长期安全发展，对我国社会经济的可持续发展具有一定意义。

Description

一种智能放射源探寻与处置机器人

技术领域

本发明涉及放射源探测技术领域，特别是涉及一种智能放射源探寻与处置机器人以及应用在该机器人上的防辐射损伤算法。

背景技术

美国、法国、德国和日本等发达国家早在上世纪40年代就已经展开了核环境下机器人技术的研究工作。随着核工业和机器人技术的发展，该领域的机器人控制技术及功能得到进一步扩展，近年来，国内外的研究机构已经开始进行放射源搜寻方面的相关研究。

1983年日本启动核探测机器人研究计划，截至2000年累计投资近250亿元，研制开发核电站救灾的机器人，先后生产六台机器人。其中比较知名的MoniRobo-A和MoniRobo-B两台机器人，经常被用于监测核事故周边区域的辐射剂量。MoniRobo机器人配有用于移除障碍物和抓取放射物的机械臂，采用遥控方式进行远程控制。同时具备辐射探测、拍照录像、温湿度检测以及辐射区域样品收集和检测可燃气体等功能。日本原子能机构(JAEA)研发了另外一组辐射检测机器人RESQ。RESQ机器人能够获取环境辐射的详细信息，如β、γ射线和中子剂量水平等数据。日本制造和科学技术中心(MSTC)的机器人MENHIR能够在强辐射环境中工作，并且进行样本采集，其抗辐射能力也得到大大加强。另一款由日本千叶工业大学研发的Quince机器人，是专为矿难、地震等灾害的搜索和救援工作设计的经过重新设计、改装和大量的测试后，Quince的所有电子元器件都经过防辐射加固处理，可在100mGy/h的辐射环境下工作100小时左右。

美国典型的辐射检测机器人有iRobot公司的Warrior和PackBot机器人，QinetiQ公司的Talon和Dragon Runner机器人。其中PackBot是一款军用机器人，由于其高耐福射性，用于检测现场福射量，通过数百米长光纤传回现场图像和环境数据；Warrior机器人用于清理放射性碎石；Talon机器人利用搭载的全球定位系统绘制事故现场的放射线量分布图；Dragon Runner机器人实施现场监视和勘测。2011年4月17日，在遭遇核泄漏事故的日本福岛核电站抢险中，日本首次把Warrior和PackBot机器人送往强辐射区域进行监控和辐射水平检测。

英国国防科技公司的TALON机器人在加装了美国能源部爱达荷州核实验室的绘制辐射剂量分布图系统后被提供给了日本，参与了日本核电站的处理工作。用作辐射检测机器人的TALON装上了JAEA的机器人控制和动力平台RC-1。RC-1平台包括控制单元、防辐射操控箱、γ射线成像仪、网络摄像头、遥感器、激光3D成像仪和红外相机，操作人员可以得到平台附近的环境三维图像以及γ射线的二维图像。

瑞典设计生产的布鲁克(Brokk)遥控多功能拆除机器人，采用电液式驱动，具有多种可灵活替换的末端工具，有多种拆除和搬运作业方式，易于维护和抗辐射加固，目前己被应用在核反应堆堆芯区高辐射剂量的工作场合。2006年9月，由俄罗斯和瑞典联合研制的移动机器人Bobik被用于Kola peninsula中的核辐射监测。

2005年，法国HYTEC公司设计生产的核监测机器人和管道检测与维修机器人都具有较高的技术含量。该公司可提供核辐射监测仪器和成套核辐射监测系统以及多种适合于管道检测与维修机器人。最近，法国INTRA集团(Robot iC InterventiOR on AccidentS)选用VxWorks平台开发出新系列放射性物质清除机器人ERASE、ERELT及EBENNE。ERASE机器人配有摄影机和射线传感器，可用放射性事故现场的清除作业。EBENNE机器人是配有摄影机、照射灯及伽玛射线侦测器的倾卸车，可长时间地进行精确的遥控操作：ERELT机器人装有伸缩天线以及中继无线电，可以在ERASE、EBENNE与控制中心之间担任中继传输站的功能，确保控制中心与事故现场间，确保操控人员的安全。

我国在核领域机器人方面的研究开始于上个世纪90年代初，依托于中科院沈阳自动化研究所、核工业第二研究设计院、哈尔滨工业大学、上海交通大学、上海科技大学和西安电子科技大学等多数科研院所和高校的技术实力。在此期间，我国机器人工业实现了从无到有，并进行了相关的应用开发国内对核应急机器人的研究。我国在核应急机器人方面相对国外同行起步略晚，当前辐射监测与事故的应急处置方面主要有人工作业、遥操作机械手和引进国外机器人作业等几种方式。上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所及哈尔滨工业大学等在这方面的研究工作具有一定代表性。

截至2014年12月31日，全国从事生产、销售、使用放射性同位素和射线装置的单位共65,266家：生产、销售、使用放射性同位素的单位15,210家，在用放射源118,968枚；只生产、销售、使用射线装置的单位50,056家，共有各类射线装置125,881台。各省、自治区、直辖市城市放射性废物库已收贮废旧放射源30,525枚，已转运或收贮至国家放射源集中暂存库的废旧放射源共104,890枚。据不完全统计，目前至少两千枚废旧放射源下落不明。

另一方面，全球核电正逐渐走出日本福岛核事故的阴影，进入重启阶段。其中，中国引领了这一波的建设风潮。2015年全球新增10座反应堆并网发电，其中中国就有8座。中国目前已将核电站建设作为经济领域的主要政策之一。中国核电建设正在加速。2015年，中国共有8台核电机组获批。截至2015年底，中国已建成并投入运营的核电站有以下11座，投入运行的核电机组共30台，在建的为24台。中国首艘海洋核动力平台即将在中船重工集团旗下渤船重工进行总装建造，而中船重工未来将批量建造近20座海洋核动力平台。实现批量建造后，每年将形成上百亿的核动力装备制造产值，并带动相关配套产业发展，用5年时间打造成国内最强的海洋核动力平台产业集团。

随着放射源的广泛应用及核电事业的快速发展，对于核领域机器人的需求越来越迫，尤其是耐辐射可实现放射源寻踪、定位、剂量探测及处置的智能型机器人。目前，在我国对高危强辐射环境及高放物资的监管和处置还是社会效益远大于经济效益的事情。我国辐射监测与应急处置机器人工程化水平不够，多数尚停留在基础研究和试验阶段，没有形成专业的工程实施队伍；研发力量针对核环境的监测与应急处置机器人相关产品基本处于空白阶段，没有形成产业化；辐射监测方式和应急策略没有统一的标准，缺乏可操作性；另外，现有的核应急机器人其自身的耐辐射性也遇到了瓶颈，无法长时间在核辐射环境下工作，它对放射源探测、定位精度也存在着误差较大的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种智能放射源探寻与处置机器人，能提高自身的耐辐射性，使得能长时间在核辐射环境下工作。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种智能放射源探寻与处置机器人，包括有能移动的载体，在所述载体上设置有放射源方位探测探头，用于探测辐射源，所述放射源方位探测探头包括有辐射屏蔽装置、探测准直窗和探测机构。

作为本发明的改进，所述放射源方位探测探头为多盖革管阵列式方位探测器，包括有16个盖革计数管、辐射屏蔽装置、第一探测准直窗和第一探测机构，所述辐射屏蔽装置由不锈钢材质制成，所述第一探测机构包括有8个独立的结构及构成相同的辐射探测区，每个辐射探测区内由两个盖革计数管间隔一定距离并排固定，同时每个辐射探测区外围均有一个长方形的，长度略小于盖革计数管的第一探测准直窗。

作为本发明的进一步改进，所述放射源方位探测探头为雷达扫描式闪烁探测器，主要由可旋转的辐射屏蔽罩、第二探测准直窗和第二探测机构组成，所述第二探测机构包括了带码盘的直流电机、闪烁晶体、光电倍增管及其数据采集电路，所述辐射屏蔽罩由不锈钢材料制成，所述第二探测准直窗采用蜂窝网状结构，所述闪烁晶体选用NaI晶体。

一种应用在如上述的机器人上的防辐射损伤算法，其具体算法如下：

当0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

当0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

当E0＜0.15MeV时，辐射射线的外照射可忽略；

其中D为屏蔽材料的厚度(cm)；E0为欲防护辐射射线的最大能量(MeV)；ρ为屏蔽材料的密度。

作为本发明的具体技术方案，所述屏蔽材料可以为不锈钢、铝、有机玻璃和铅等。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置该辐射监测与应急处置机器人，使得辐射监测与事故应急的处置能力提升，是我国放射源应用及核电产业安全可持续发展的有力保障。长期来看研制自主产权的核应急处置机器人及监测系统不仅能够带来巨大的社会经济效益，并带动相关产业的发展，还关系到核能行业的长期安全发展，对我国社会经济的可持续发展具有一定意义。

附图说明

图1是本发明实施例中多盖革管阵列式方位探测器的结构示意图；

图2为本发明另一实施例中雷达扫描式闪烁探测器的结构示意图。

具体实施方式

参照图1和图2对本发明中智能放射源探寻与处置机器人的实施例做进一步说明。

如图1所示，实施例一为一种智能放射源探寻与处置机器人，包括有能移动的载体，在所述载体上设置有放射源方位探测探头1，所述放射源方位探测探头为多盖革管阵列式方位探测器，包括有16个盖革计数管2、辐射屏蔽装置3、第一探测准直窗4和第一探测机构5，所述辐射屏蔽装置由不锈钢、铅和有机材料等制成，所述第一探测机构包括有8个独立的结构及构成相同的辐射探测区51，每个辐射探测区内由两个盖革计数管间隔一定距离并排固定，同时每个辐射探测区外围均有一个长方形的，长度略小于盖革计数管的第一探测准直窗4。射线经由准直窗口入射，当同时穿过同一探测区内的两个盖革管时，被认为是射线的入射方向，其他任何单管的脉冲输出不计入方向脉冲，只作为总剂量脉冲对方向判别的参考。逻辑输出电路由逻辑与和逻辑或两种电路组成，输出脉冲分别为方向脉冲和总剂量脉冲。在放射源方位判定时，需要对两路输出脉冲进行综合分析比对。

实施例二为另外一种机器人的实施方式，其探测器为一种雷达扫描式闪烁探测器，主要由可旋转的辐射屏蔽罩6、第二探测准直窗7和第二探测机构组成，所述第二探测机构包括了带码盘的直流电机8、闪烁晶体9、光电倍增管10及其数据采集电路，所述辐射屏蔽罩由不锈钢材料制成，所述第二探测准直窗采用蜂窝网状结构，所述闪烁晶体选用NaI晶体。工作时，闪烁晶体和光电倍增管固定，辐射屏蔽罩6由直流电机8带动按一定速率旋转，当光电倍增管的输出急剧变化时，探测准直窗所在的方向即被标记为放射源所在位置，屏蔽罩继续随着电机旋转，进一步确认放射源的方向位置。其工作原理类似雷达在进行扫描工作。电机的转动速率根据光电倍增管的输出的变化程度自动调节，以适应准确、快速放射源方位的辨别需要。

一种应用在如上述的机器人上的防辐射损伤算法，其具体算法如下：

当0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

当0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

当E0＜0.15MeV时，辐射射线的外照射可忽略；

其中D为屏蔽材料的厚度(cm)；E0为欲防护辐射射线的最大能量(MeV)；ρ为屏蔽材料的密度。在实际工作中，根据辐射源种类，采用不同的屏蔽材料。例如，β辐射常采用低原子序数的铝或有机玻璃；X、γ射线常采用高原子序数的铅、铁或经济实用的混凝土等材料；中子则采用原子序数较低而含氢较多的物质，如石蜡等。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能放射源探寻与处置机器人，包括有能移动的载体，其特征在于：在所述载体上设置有放射源方位探测探头，用于探测辐射源，所述放射源方位探测探头包括有辐射屏蔽装置、探测准直窗和探测机构。

2.根据权利要求1所述的智能放射源探寻与处置机器人，其特征在于：所述放射源方位探测探头为多盖革管阵列式方位探测器，包括有16个盖革计数管、辐射屏蔽装置、第一探测准直窗和第一探测机构，所述辐射屏蔽装置由不锈钢、铅及有机材质制成，所述第一探测机构包括有8个独立的结构及构成相同的辐射探测区，每个辐射探测区内由两个盖革计数管间隔一定距离并排固定，同时每个辐射探测区外围均有一个长方形的，长度略小于盖革计数管的第一探测准直窗。

3.根据权利要求1所述的智能放射源探寻与处置机器人，其特征在于：所述放射源方位探测探头为雷达扫描式闪烁探测器，主要由可旋转的辐射屏蔽罩、第二探测准直窗和第二探测机构组成，所述第二探测机构包括了带码盘的直流电机、闪烁晶体、光电倍增管及其数据采集电路，所述辐射屏蔽罩由不锈钢材料制成，所述第二探测准直窗采用蜂窝网状结构，所述闪烁晶体选用NaI晶体。

4.一种应用在如权利要求1所述的机器人上的防辐射损伤算法，其特征在于：

当0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

当0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

当E0＜0.15MeV时，辐射射线的外照射可忽略；

其中D为屏蔽材料的厚度(cm)；E0为欲防护辐射射线的最大能量(MeV)；ρ为屏蔽材料的密度。

5.根据权利要求4所述的防辐射损伤算法，其特征在于：所述屏蔽材料可以为不锈钢、铝、有机玻璃和铅。