CN112816813A - 一种电离辐照验证试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离辐照验证试验系统，包括：控制系统、辐照源单元、剂量测量单元和试验单元；所述控制系统用于接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸，计算出辐照源单元、剂量测量单元和试验单元的目标位置；所述辐照源单元用于，根据控制系统计算出的目标位置，进行辐照；所述剂量测量单元用于，根据控制系统计算出的目标位置，进行核素剂量测量；所述的试验单元用于根据控制系统计算出的目标位置，进行辐照试验。

Description

一种电离辐照验证试验系统

技术领域

本发明涉及一种电离辐照验证试验系统。

背景技术

电离辐射是能使受作用物质发生电离现象的辐射，由直接或间接电离粒子或二者混合形成辐射。电离辐射具有波长短、频率高、能量高等特点，因而，如果防护措施不当，当电子器件受照射的剂量超过一定限度，则能发生有害作用，例如，太阳出现耀斑时,会喷射出大量的快速粒子，其中的高能质子的能量可达1～100MeV。人造卫星和宇宙飞船等航天器在宇宙空间飞行时，不可避免地要受到各种宇宙射线的照射和高能粒子的轰击。例如，核爆炸时的瞬态辐射剂量率比空间辐射的剂量率大近十个数量级，但二者的累积总剂量比较接近。电离辐射使器件表面氧化层中的SiO₂价键断裂，产生电子-空穴对；使Si-SiO₂界面处的饱和悬挂键破裂，引入新的界面能级，使界面陷阱密度增加。在电离辐照下，器件管壳内部的气体也会发生电离，引起管芯表面可动离子的积累。因而，武器系统、空间系统、卫星系统在研制中需考虑电离辐射对电子器件进行照射试验，以验证其抗瞬态核辐射和抗累积空间辐射的能力，对保障各型装备产品的安全性。

目前，电离辐照试验的放射源以单核素为主，而且试验过程相对机械化的。一种电离辐照验证试验系统可以提高试验的效率和准确性，同时多核素的放射源可以给待测设备提供全面的试验环境，全程自动化的设计也保证了试验的安全性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种安全高效的、高稳定性的电离辐照验证试验系统。包括：控制系统、辐照源单元、剂量测量单元和试验单元；

所述控制系统用于接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸，计算出辐照源单元、剂量测量单元和试验单元的目标位置；

所述辐照源单元用于，根据控制系统计算出的目标位置，进行辐照；

所述剂量测量单元用于，根据控制系统计算出的目标位置，进行核素剂量测量；

所述的试验单元用于根据控制系统计算出的目标位置，进行辐照试验。

所述辐照源单元包括轴向运动平台、放射源和第一数据收发模块，放射源安装于轴向运动平台上，第一数据收发模块安装于放射源与运动平台之间；

所述剂量测量单元包括无人车A、探测剂量仪、第一激光雷达和第二数据收发模块，第二数据收发模块用于接收控制系统发送的目标位置信息和发送无人车A的位置信息与探测的剂量信息，第二数据收发模块安装于探测剂量仪与无人车A之间，无人车A搭载探测剂量仪和第一激光雷达，完成自主路线规划、避障、运动和核素剂量测量；

所述试验单元包括无人车B、待测设备、第二激光雷达和第三数据收发模块，第三数据收发模块用于接收控制系统发送的目标位置信息，第三数据收发模块安装于无人车B与待测设备之间，无人车B搭载第二激光雷达和待测设备，完成自主路线规划、避障、运动和辐照试验。

所述控制系统包括数据收发模块和计算单元；所述第一数据收发模块，用于接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸，还用于发送和接收辐照源单元、剂量测量单元和轴向运动平台的初始位置与目标位置数据；所述第二数据收发模块，用于发送和接收无人车A的初始位置、目标位置和探测的剂量数据；所述第三数据收发模块用于发送和接收无人车B的初始位置与目标位置数据；所述第一数据收发模块、第二数据收发模块、第三数据收发模块发送的数据供计算单元作进一步计算和判断。

所述计算单元通过以下剂量-位置方程组将接收的数据转化为轴向运动平台和无人车位置信息：

其中D_n,x D_n,y D_n,z分别为目标试验位置与第n个放射源的三个轴向距离，n＝1,2,3,4，D_n,x＝|X_source,n-X_A,M|，D_n,y＝|Y_source,n-Y_A,M|，D_n,z＝|Z_source,n-Z_A,M|，A_n为第n个放射源的放射性活度，Γ_n为第n个放射性核素的照射量率常数，X_n为第n个放射源在空气中随机一个空间点处产生的照射量率；

计算单元求解出(X_A,M，Y_A,M，Z_A,M)并赋值于(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)，此时，(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)的解析解为第n个放射源的位置信息，(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)为待测设备试验位置。(X_A,M,Y_A,M,Z_A,M)为无人车A的目标位置坐标，(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)为无人车B的目标位置坐标，(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)为第n个放射源的目标位置坐标。

不同的放射源对应不同核素，最多4种核素同时照射。

所述轴向运动平台能够完成同一轴向的移动和高度20cm范围内的升降。

所述控制系统对输入的不同核素剂量率需求进行处理，计算出放射源位置信息，控制系统发出移动控制信息，轴向运动平台搭载放射源，依据移动控制信息进行移动；同时，无人车A接收控制系统发送的控制信息，依据待测设备试验位置信息进行自主路线规划和移动，在到达目标位置后，探测剂量仪探测电离放射源和环境的剂量率，并通过无线的方式实时传输至控制系统；控制系统对探测数据与上位机输入值进行判定，如果误差在允许范围内，则控制搭载待测设备的无人车B进场并试验；如果误差超出阈值(一般阈值为上位机输入值的±2％)，则根据探测到的空间环境中的电离辐射值进行位置修正，修正后重新探测，直至误差满足要求后并反馈至控制系统，然后控制无人车B进场并试验。

无人车A顶部平台安装了探测剂量仪，能够实现360度旋转和高度20cm范围内升降，用于完成核素剂量测量；

无人车B顶部平台能够搭载待测设备，能够实现360度旋转和高度20cm范围内升降，用于完成辐照试验；

只有当无人车A探测的电离辐射数据符合指标并离场时，无人车B在控制系统的指令下才能进场；

无人车A和无人车B均安装有数据收发单元，能够与所述的控制系统交互通讯，获取目标位置坐标；

2辆无人车均安装有激光雷达，不同于UWB室内定位系统，本发明所述无人车只需获得控制系统传输的目标位置信息，即采用SLAM算法完成室内自主路线规划、避障、运动。

系统执行如下步骤：

步骤1，控制系统接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸；

步骤2，计算出辐照源单元、剂量测量单元和试验单元的目标位置；

步骤3，控制系统发送目标位置指令给辐照源单元，其轴向运动平台根据指令完成运动，发射源上的电动阀门开启，核素开始辐照，在空间中产生放射性射线；

步骤4，控制系统发送目标位置指令给剂量测量单元，无人车A自主规划路径、避障、运动至目标位置。探测剂量仪探测该目标位置的空间辐照剂量，并通过车载第二数据收发单元与控制系统交互；

步骤5，控制系统对实测剂量率与给定值进行对比，当误差在允许范围内时，则进行步骤6。当误差超出阈值时(一般阈值为上位机输入值的±2％)，进行步骤7；

步骤6，无人车A离场，无人车B根据最终的目标位置进场，并完成自主路线规划、避障、运动和辐照试验。试验完成后进行步骤8；

步骤7，计算根据探测剂量仪反馈的空间环境中的测量值，辐照源单元与无人车A位置修正后，重新进行的步骤3～步骤5；

步骤8，发射源上的电动阀门关闭，无人车A在试验场地中自主运动，监测空间中最大辐照剂量，发送给控制系统；当剂量低于人体安全值时，人员能够进入试验场地；否则等待空间中核素衰减，直至安全。

有益效果：

1、本发明可根据核素种类、所需剂量率、待测设备尺寸，对放射源和待测试验设备进行自主定位。

2、本发明可对探测剂量仪对目标位置的剂量率进行校验，判断是否满足试验的要求。

3、本发明可自动控制无人车搭载待测设备移动至目标位置进行试验。

4、本发明可对试验环境的电离辐射最大值进行自主监控，剂量低于人体安全值时，人员方可进入试验场地。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本申请实施例涉及的一种电离辐照验证试验系统的组成框图。

图2为本申请实施例涉及的一种电离辐照验证试验系统的系统实物布置图。

图3为本申请实施例涉及的一种电离辐照验证试验系统的工作流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

图1为本申请实施例涉及的一种电离辐照验证试验系统的组成框图，包括：上位机输入100，控制系统110及其所属的计算单元111和数据收发模块112，辐照单元120及其所属的放射源121、轴向运动平台122和数据收发模块123，剂量测量单元130及其所属的无人车A131、探测剂量仪132、激光雷达133和数据收发模块134，试验单元140及其所属的无人车B141、待测设备142、激光雷达143和数据收发模块144.

图2为本申请实施例涉及的一种电离辐照验证试验系统的系统实物布置图，包括：放射源204、放射源206、放射源208、放射源210、轴向运动平台203、轴向运动平台205、轴向运动平台207、轴向运动平台209、探测剂量仪202、无人车A201、待测设备212、无人B211。

本实施例中，轴向运动平台的位置信息包括当前位置(X_source,0，Y_source,1，Z_source,0)和目标位置(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)，控制系统根据位置信息与逻辑关系发出控制指令。无人车A和B的位置信息包括无人车A当前位置(X_A,0,Y_A,0,Z_A,0)和目标位置(X_A,M,Y_A,M,Z_A,M)，无人车B的当前位置(X_B,0,Y_B,0,Z_B,0)和目标位置(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)，控制系统根据位置信息与逻辑关系发出控制指令。

本实施例中，作为一可选实施例，探测剂量仪包括但不限于：碘化钠晶体探测器、溴化镧晶体探测器、锗酸铋晶体传感器以及塑料闪烁体晶体探测器等。

本实施例中，作为一可选实施例，探测剂量仪测量结果可以由设定的温度气压值自动修正，可以测量10mGy/h-10Gy/s的稳态X、γ辐射环境。

本实施例中，放射源包括但不限于4000居里源和8000居里源，4000居里钴源为固定源室湿法贮源γ辐照装置，源规格为φ20mm×30mm棒状源。空间中辐照的剂量率可从0.5Gy/s到10mGy/s范围内调节，光斑最小直径16cm，辐射场均匀性小于5％，低能散射小于3％；8000居里源基于自屏蔽干法储源方式可提供剂量率0.1～1mGy/s的辐照试验，辐射场均匀性小于5％，低能散射小于3％，0.1mGy(Si)/s剂量率处的均匀辐射面积为50cm×50cm.

图3为本实施例的系统工作流程框图，具体工作流程如下：

步骤一301控制系统接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸。

步骤二302计算出辐照源单元、剂量测量单元和试验单元的目标位置。

步骤三303控制系统发送目标位置指令给辐照源单元，其轴向运动平台根据指令完成运动，发射源上的电动阀门开启，核素开始辐照，在空间中产生放射性射线。

步骤四304控制系统发送目标位置指令给剂量测量单元，无人车A自主规划路径、避障、运动至目标位置。探测剂量仪探测该目标位置的空间辐照剂量，并通过车载数据收发单元与控制系统交互。

步骤五305控制系统对实测剂量率与给定值进行对比，当误差在允许范围内时，则进行步骤六306。当误差超出阈值时，进行步骤七307。

步骤六306，无人车A离场，无人车B根据最终的目标位置进场，并完成自主路线规划、避障、运动和辐照试验。试验完成后进行步骤八308。

步骤七307，计算根据探测剂量仪反馈的空间环境中的测量值，,辐照源单元与无人车A位置修正，重新进行的步骤三303、步骤四304、步骤五305。。

步骤八308，发射源上的电动阀门关闭，无人车A在试验场地中自主运动，监测空间中最大辐照剂量，发送给控制系统。当剂量低于人体安全值时，人员可以进入试验场地；否则等待空间中核素衰减，直至安全。

本实施例中，γ点源放射性活度与空间点产生的照射量率关系表达式为：

X＝AΓ/r²

当剂量率输入确定时，则放射源与待测设备的距离为：

其中A为图2中第n个γ放射性点源的放射性活度，Γ_n为第n个γ放射性核素的照射率常数，X_n为第n个γ放射性点源在空间点产生的照射量率。

设定(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)为第n个放射源的目标位置信息，(X_A,M，Y_A,M，Z_A,M)为目标探测位置信息，则目标探测位置与第n个放射源的三个轴向距离(以试验场地的中心为原点)D_n,x、D_n,y、D_n,z(n＝1,2,3,4)分别为：

D_n,x＝|X_source,n-X_A,M|

D_n,y＝|Y_source,n-Y_A,M|

D_n,z＝|Z_source,n-Z_A,M|

根据放射源剂量率的需求和距离计算公式

放射源与待测设备之间的距离得出“剂量-位置方程组”所述的数学换算关系：

计算单元求解出(X_A,M，Y_A,M，Z_A,M)并赋值于(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)。此时，(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)的解析解为第n个放射源的位置信息，(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)为待测设备试验位置。

本实施例中，试验场地的尺寸为8m*8m，以场地中心为坐标原点，四个放射源均为γ放射性源，其中放射源204为²²Na，放射源206为⁶⁰Co，放射源208为¹³4Cs，放射源210为¹³⁷Cs，放射源的放射性活度均为10⁶Bq，²²Na、⁶⁰Co、¹³⁴Cs、¹³⁷Cs照射量率常数分为为2.32，2.557，1.69，0.639，当放射源²²Na、⁶⁰Co、¹³⁴Cs、¹³⁷Cs的剂量率需求为1.29*10⁵C(kg*s)^-1，2.84*10⁵C(kg*s)^-1，0.83*10⁵C(kg*s)^-1，0.22*10⁵C(kg*s)^-1，计算出放射源与待测设备试验位置的距离为4.24m，3m，4.5m，5.39m，放射源的位置分别为(2m，-4m，1m)，(4m，0m，0m)，(-1m，4m，0.5m)，(-4m，-2m，0.2m)，待测设备试验位置为(1m，0m，0m)。

本发明中的目标位置计算求解公式适用于γ放射性源的距离计算但不仅限于γ放射性源。

本实施例中，电离辐射探测是整个过程都进行的，并对运动过程中的电离辐射数据进行存储的。而且，当电离辐射探测器到达目标位置后，探测到的电离辐射数据与理论计算值的差值超过阈值时，控制系统根据电离辐射探测器在运动轨迹上探测到的电离数据进行与理论计算值进行判别和筛选，选出与需求最接近的值，并标记位置，发出移动指令。

本发明提供了一种电离辐照验证试验系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种电离辐照验证试验系统，其特征在于，包括：控制系统、辐照源单元、剂量测量单元和试验单元；

所述控制系统用于接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸，计算出辐照源单元、剂量测量单元和试验单元的目标位置；

所述辐照源单元用于，根据控制系统计算出的目标位置，进行辐照；

所述剂量测量单元用于，根据控制系统计算出的目标位置，进行核素剂量测量；

所述的试验单元用于根据控制系统计算出的目标位置，进行辐照试验。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述辐照源单元包括轴向运动平台、放射源和第一数据收发模块，放射源安装于轴向运动平台上，第一数据收发模块安装于运动平台与放射源之间；

所述剂量测量单元包括无人车A、探测剂量仪、第一激光雷达和第二数据收发模块，第二数据收发模块用于接收控制系统发送的目标位置信息和发送无人车A的位置信息与探测的剂量信息，第二数据收发模块安装于探测剂量仪与无人车A之间，无人车A搭载探测剂量仪和第一激光雷达，完成自主路线规划、避障、运动和核素剂量测量；

所述试验单元包括无人车B、待测设备、第二激光雷达和第三数据收发模块，第三数据收发模块用于接收控制系统发送的目标位置信息，第三数据收发模块安装于无人车B与待测设备之间，无人车B搭载第二激光雷达和待测设备，完成自主路线规划、避障、运动和辐照试验。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制系统包括数据收发模块和计算单元；所述第一数据收发模块，用于接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸，还用于发送和接收辐照源单元、剂量测量单元和轴向运动平台的初始位置与目标位置数据；所述第二数据收发模块，用于发送和接收无人车A的初始位置、目标位置和探测的剂量数据；所述第三数据收发模块用于发送和接收无人车B的初始位置与目标位置数据；所述第一数据收发模块、第二数据收发模块、第三数据收发模块发送的数据供计算单元作进一步计算和判断。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述计算单元通过以下剂量-位置方程组将接收的数据转化为轴向运动平台和无人车位置信息：

其中D_n,x D_n,y D_n,z分别为目标试验位置与第n个放射源的三个轴向距离，n＝1,2,3,4，D_n,x＝|X_source,n-X_A,M|，D_n,y＝|Y_source,n-Y_A,M|，D_n,z＝|Z_source,n-Z_A,M|，A_n为第n个放射源的放射性活度，Γ_n为第n个放射性核素的照射量率常数，X_n为第n个放射源在空气中一个空间点处产生的照射量率；

计算单元求解出(X_A,M，Y_A,M，Z_A,M)并赋值于(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)，此时，(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)的解析解为第n个放射源的位置信息，(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)为待测设备试验位置；(X_A,M,Y_A,M,Z_A,M)为无人车A的目标位置坐标，(X_B,T,Y_B,T,Z_B,T)为无人车B的目标位置坐标，(X_source,n，Y_source,n，Z_source,n)为第n个放射源的目标位置坐标。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，不同的放射源对应不同核素，最多4种核素同时照射。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述轴向运动平台能够完成同一轴向的移动和高度20cm范围内的升降。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制系统对输入的不同核素剂量率需求进行处理，计算出放射源位置信息，控制系统发出移动控制信息，轴向运动平台搭载放射源，依据移动控制信息进行移动；同时，无人车A接收控制系统发送的控制信息，依据待测设备试验位置信息进行自主路线规划和移动，在到达目标位置后，探测剂量仪探测电离放射源和环境的剂量率，并实时传输至控制系统；控制系统对探测数据与上位机输入值进行判定，如果误差在允许范围内，则控制搭载待测设备的无人车B进场并试验；如果误差超出阈值，则根据探测到的空间环境中的电离辐射值进行位置修正，修正后重新探测，直至误差满足要求后并反馈至控制系统，然后控制无人车B进场并试验。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，

无人车A顶部平台安装了探测剂量仪，能够实现360度旋转和高度20cm范围内升降，用于完成核素剂量测量；

无人车B顶部平台能够搭载待测设备，能够实现360度旋转和高度20cm范围内升降，用于完成辐照试验；

只有当无人车A探测的电离辐射数据符合指标并离场时，无人车B在控制系统的指令下才能进场；

无人车A和无人车B均安装有数据收发单元，能够与所述的控制系统交互通讯，获取目标位置坐标。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，系统执行如下步骤：

步骤1，控制系统接收上位机给定的核素种类、剂量率、总剂量和待测设备尺寸；

步骤2，计算出辐照源单元、剂量测量单元和试验单元的目标位置；

步骤3，控制系统发送目标位置指令给辐照源单元，其轴向运动平台根据指令完成运动，发射源上的电动阀门开启，核素开始辐照，在空间中产生放射性射线；

步骤4，控制系统发送目标位置指令给剂量测量单元，无人车A自主规划路径、避障、运动至目标位置；探测剂量仪探测该目标位置的空间辐照剂量，并通过车载第二数据收发单元与控制系统交互；

步骤5，控制系统对实测剂量率与给定值进行对比，当误差在允许范围内时，则进行步骤6；当误差超出阈值时，进行步骤7；

步骤6，无人车A离场，无人车B根据最终的目标位置进场，并完成自主路线规划、避障、运动和辐照试验；试验完成后进行步骤8；

步骤7，计算根据探测剂量仪反馈的空间环境中的测量值，辐照源单元与无人车A位置修正后，重新进行的步骤3～步骤5；

步骤8，发射源上的电动阀门关闭，无人车A在试验场地中自主运动，监测空间中最大辐照剂量，发送给控制系统；当剂量低于人体安全值时，人员能够进入试验场地；否则等待空间中核素衰减，直至安全。

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