環境γ輻射連續監測系統項目簡單方案

北京東方圓通科技發展有限公司      香港中威儀器公司



設備配置
一、環境γ輻射連續監測儀
美國通用電器（GE）公司生產的RSS-131高壓電離室，是世界上*臺高壓電離室，該產品性能穩定、靈敏度高、可靠性優異、技術成熟等優點，在世界上享有很高的聲譽，EML 300號報告中也推薦使用該設備進行環境γ輻射劑量率測量。
GE RSS-131具有較寬的量程。從環境本底水平到10R/h或100R/h.
國產高壓電離室與其相比較，除了價格和地域優勢外。在產品性能、靈敏度、可靠性、技術性是*的。因為國內高壓電離室的焊封氣密性與RSS-131相比，除了制作工藝的差別外，主要是靜電計的靈敏度差異，這直接決定著整套設備的整體性能。RSS-131采用的是溫度系數極底的高阻，美國ＧＥ*技術。國內現在還無法獲得這種高性能的高阻。這也就決定了國產設備的整體性能。
其他國外電離室，在性能指標，用戶認可度，*，價格及服務方面與ＧＥ　RSS-131都存在著一定的差距．
GE RSS-131可以和雨量計、大氣壓力計、風速風向儀等氣象設備共同組成整套設備使用。設備內部已經內置了溫度傳感器。單機及網絡均可使用。
GE RSS-131 采用了模塊設計。主板（控制部分）、靜電計、高壓球、電源等等均可以由用戶自己完成更換。（靜電計更換需要特殊要求）而且，高壓球的保修期為１０年．
GE RSS-131靈敏度接近無方向性（近360度）、能迅速鑒別低水平輻射、可靠（許多單元壽命在20年以上）、可運行于惡劣環境中。詳細請參看下面技術分析。

二、網絡
根據用戶實際需要及要求，將RSS-131及附屬設備納入到網絡系統內，實現在線連續監測，進行數據信息處理。
網絡 可選用有線和無線傳輸，也可兩種功能都有。
可連接網絡視頻監視系統及其它擴展設備．根據實際情況而定。

三、其它
該工作站為基本配置方案，具體項目可根據用戶要求配置。氣象部分及附屬產品，可由用戶自己配置或選用GE配套設備。
專業控制軟件及開發，根據用戶實際需要，開發利用．

四、國家環?？偩终J可使用產品，中標服務單位。

五、專業服務隊伍，點對點服務，嚴格執行美國ＧＥ　服務系統及本公司“四個一”服務章程。






簡單站點網絡示意圖：











































系統簡單結構


































 



 






案例圖示：
中國香港輻射環境監測網絡（香港天文臺）
 
 






中國臺灣輻射環境連續監測網絡
 

韓國核安全連續監測網絡
 


江蘇省輻射環境管理站連云港核電廠外圍連續監測系統
 

  





網絡
 
 



























ＧＥ RSS-131輻射環境連續監測系統（高壓電離室）簡介
一、    RSS-131的組成
RSS-131高氣壓電離室輻射測量儀由微處理器、靜電計和高氣壓電離室三部份組成。
1、    高氣壓電離室
RSS-131高氣壓電離室由一個直徑10英吋（25.4cm）的不銹鋼球形外殼組成,球殼壁厚1/8英吋(約3.18mm)，球心有一個直徑2英吋（5.08cm）的球體，它通過一根支桿，與外殼間采用陶瓷密封并絕緣。球殼與*金屬小球之間充有25個大氣壓的氬氣。在工作時，外殼接-400V高壓，為探測器的陰極，*小球體接地，為探測器的陽極。
 
2、    靜電計
靜電計的模塊圖見手冊（中文P14，英文P 6）它提供與照射量率成正比的模擬輸出信號。RSS-131的靜電計已實現了模塊化，是該儀器技術的核心，它可直接安裝到電離室上，減小噪聲。它通過電纜與微處理器連接。一方面向高氣壓電離室供電，另一方面把輸出訊號傳送到微處理器的A/D模塊上。 
3、    微處理器
RSS-131的微處理器為一塊單獨的印刷電路板，去除所有的內部連接，提高了它的可靠性。它采用了美國達拉斯半導體公司的DS2251T模塊，其包含后備電池，保證程序和數據在斷電情況下，可保存10年以上。后備電池也支持實時時鐘，時間和日期只須設置一次即可。
它可以通過一根編程電纜由COM1口對配置程序進行更新，這樣用戶就可以在不將產品送回廠家情況下，將新的功能和程序下載到儀器的程序存儲器中。RSS-131通過RS-232接口輸出，由串行口讀取數據，配置系統和更新程序，共有三個標準串行口（COM1，COM2和COM4）可以用來同時訪問和通訊?？砂惭bCOM3，用于選購的內部安裝的Modem（調置解調器）。此外它還有接口用于選購的氣象傳感器。
微處理器中含有一個容量為20000個數據點的數據存儲器，每個數據點均包含有日期和時間的信息。數據采集器從七個模擬輸入和一個外部雨量計收集數據。這些輸入的數據儲存至一個循環隊列中，一旦存儲區存滿，則當的數據點加入時，zui老的數據點將被刪除。每一個數據點采樣間隔為1秒，但在隊列中寫入的數據則為根據在配置參數時指令的采樣時間內的平均值。例如設置為每5分鐘記錄一個照射量率值，則會讀取300個一秒鐘的值，取平均后寫入隊列數據。如果采樣周期設為零秒，則該傳感器被停止使用。
主板共支持存儲20000個數據點，單*個傳感器的數據點是可以配置的，但它們的總和不能超過20000，如果超過了，存儲區內的數據順序將被打亂，儀器出現異常，需重新下載程序。如果某些傳感器不用（如氣壓，雨量等傳感器），這個傳感器的數據可設為零。RSS-131的固件不允許某傳感器的數據個數小于100。若設置的數目為大于0而小于100時，系統將默認為100個點。RSS-131在出廠時的默認配置見下表。

表  默認的數據點數和讀數的時間間隔
傳感器    默認的讀數時間間隔(秒)    默認數據點個數
風速    60    1000
風向    60    1000
大氣壓力    60    1000
輻射量    60    10000
溫度    60    1000
電池    60    1000
高壓    60    1000
雨量    3600    1000
實際上由于數據點間的時間跨越和單元斷電等影響，存儲的數據點數目會小于配置的個數。如果系統重啟并且計數時鐘沒有受到影響，每個傳感器的數據點數和他們中的數據將保持不變。
當數據傳送至上位機后，在RSS-131的數據存儲器中將不會刪除這些數據，這將允許多臺設備向同一臺RSS-131讀取數據。
二、    性能指標
RSS-131 HPIC是根據靈敏度、能量響應、穩定性、量程、度和方向性等等性能指標上達到*平衡而設計出來的。由于這些指標相互之間的制約關系，因此沒有一項設計可以對每個指標均具有理想的特性。
1、    能量響應
一個好的劑量率儀表必須具有好的能量響應特性。能量響應為被測信號強度與γ光子能量的函數關系。理想的情況，它應與γ射線在空氣中所產生的電離成正比，響應應該是平的，它通常用一條歸一化的曲線來表示。由RSS-131的能量響應曲線可見，在待測的能量范圍內，響應并非平坦，特別在能量低于60kev時，響應明顯下降，因此與空氣當量標準相比，某些同位素會過響應，某些同位素響應不足。RSS-131給出不同同位素的能量響應因子“F”，對于已知同位素，可用“F”值進行校正。由于RSS-131是用鐳-226源刻度的，而環境輻射場與鐳源輻射場十分接近（約差6%左右），因此在應用中可以不予考慮，對于常用同位素的校正系數見表。該值由美國EML計算，并經由Victoreen公司實驗證實。
 
表   RSS-131對幾種同位素源的校正系數
同位素源    校正系數    同位素源    校正系數
Co-60    0.980    Kr-85    1.035
Cs-137    1.002    Kr-87    1.027
Ra-226    1.000    Kr-88    1.013

2、    飽和特性
由光電效應、康普頓效應和電子對效應產生的次級電子在氬氣中產生電離，正離子由負極收集（球殼），負離子（電子）由正極收集。在正負離子向正負極行經過程中，它們會復合導致照射量率非線性。該復合率與正負極之間的電壓值有關。可收集所有電離產生的正負離子不會導致其復合的電壓為飽和電壓，飽和電壓值是劑量率水平的函數。在1mR/h、10mR/h和100mR/h 時，其相應的飽和電壓值為 13V、49V和125V。對于100mR/h量程的HPIC，400V的高壓可保證它的量程線性，但對于擴展到10R/h，飽和電壓超過了400V。實驗證明：每個探測器的飽和曲線均相同，因此可由超過線性范圍的輻射劑量場中，得到探測器的響應值，并由此來對每一個探測器對高輻射水平輸出值的響應進行校正。由此來實現量程的擴展。（早期的RSS-131是采用二個球型電離室來實現量程的擴展的。）
 
3、    準確性
準確性與測量值的統計特性無關，它是在足夠長的采樣時間內（統計誤差不顯著情況下），測量值與真實值的接近程度。準確性主要與刻度有關。影響刻度的準確性主要有三個因素：放射源準確度、輻射場的穩定性和刻度中測量誤差。
RSS-131的刻度源采用美國國家標準技術研究院（NIST）的137Cs源，準確度為±3%；輻射場的穩定性主要由采用陰影屏蔽法扣除本底和散射成份保障；減少刻度中測量誤差是采用多次平均和多距離重復刻度來實現。
4、    溫度漂移的補償
改善測量值的準確性的另一個要素為減少環境溫度變化引起的長期漂移。在RSS-131中采取了二條措施，一是在靜電計中采用了差分場效應管（FET）以減小溫度引起的漂移，二是采用一組代表靜電計特性的常數來補償溫度引起的漂移。這需要對每個靜電計單獨進行測試來確定這一組常數，它將在后面章節中加以敘述。
5、    統計響應
測量值的統計特性是由γ衰變的隨機性所決定的。是任何輻射測量都存在的。對于一個10μR/h的典型的本底輻射場，用RSS-131測量約需30秒鐘，可得到一個精度為95%的測量結果。（而對于GM管該結果大約需要1個小時）
 

6、    角響應
由于采用各向同性的球體作為探測器。角響應好于2%，在下端裝法蘭地方，訊號會有2%的衰減。（園柱型一般為20%左右）。
7、    其他特性
①    避雷措施
采用±15KV，人體型，±8KV IEC 100-4-2接觸放電型和
 
±15KV IEC 100-4-2 空氣隙放電的避雷措施，有一定抵御雷擊能力。
②    防潮措施
采用全密封的靜電計，機箱內置干燥劑，可抗潮濕空氣影響。
③    低功耗
攜帶式RSS-131，內置鉛電池，充滿電后，在加MODEM情況下可連續使用15小時，不加MODEM，可用25小時。充電時間約需20小時。
④    報警功能
當探測器記錄到一個高于（上限報警）或低于（下限報警）它所配置的閾值時，會產生報警。如果它們都設置為0，則報警無效。
報警必須配置調置解調器，并設置有。
報警的單位應以單位輸入，而不是RSS-131顯示的單位，如100μR/h，報警值應輸入1e-4（0.0001R/h）。
⑤    基本配置
輻射探測器    μR/h， Gy/h ，Sv/h；
溫度傳感器    顯示傳感器所在位置的環境溫度；
電池電壓顯示；
高壓顯示。
⑥    選購配置
大氣壓力傳感器    600—1100mBar
無線電臺          至COM2串行口
調置解調器        至COM3串行口
串行口顯示器
三、    溫度補償
RSS-131傳感器由高氣壓電離室（HPIC）、靜電計和A/D（模/數）轉換器三個子裝配件組成。HPIC的關鍵特性是γ靈敏度，它與所注的氣體種類、容量、室壁材料和室壁厚度有關。由于這些因素在RSS-131運行溫度范圍內基本上是不變的， 所以溫度對HPIC的γ靈敏度無重要影響，因此HPIC用一個與溫度無關的參數RAC來描述。其典型值為2.5×10-8amps/R/h。受溫度影響的主要是靜電計，本節的溫度補償是針對靜電計討論的。
如前所述，靜電計有三個不同的反饋電阻，提供三個運行量程，使測量值可分布在一個較寬的動態范圍。這里僅討論一個量程，其余二個量程可以類推。
靜電計使用一個運算放大器，在該線路中，溫度誘發的誤差源為：輸入偏置電流，輸入補償電流和反饋電阻阻值隨溫度的變化。綜合這些影響，可以用下列方程表示：
   VOUT=A(t)×Iin+B(t)
式中: A(t)=A1×t+A2
B(t)=B1×t+B2
t=X-25
這里：A(t)為靜電計的反饋電阻，它是溫度的函數。
      B(t)為靜電計的補償電壓，也是溫度的函數。
t為溫度（℃）。
靜電計的反饋電阻與溫度的關系由下圖所示：
 
圖中直線為實驗數據的zui小二乘法擬合結果，該直線的方程式為   y=-5.25E+08x+5.14E+11
     經溫度坐標變換后為:
     y=-5.25E+08(t+25)+5.14E+11
      =-5.25E+8t+5.008E+11
因此   A1=5.25E+8
       A2=5.008E+11
靜電計的零點與溫度關系如下圖所示 
該數據由不同溫度下測得的零點值得到，經zui小二乘法擬合后得到該直線和方程式  y=0.0000x+0.0336
可由上述類似方法得到：
B1=0.00     B2=0.0336
實際上對于三個量程,每個量程均有此4個參數(A1、A2、B1、B2)這些參數均在儀器出廠前在工廠測試并用#P命令輸入系統。為了防止參數的丟失，隨儀器除提供它們的打印表格外，還提供一個光盤文件，便于在發生數據丟失時，可以方便地把它們下載到您的RSS-131中。這些參數的命名見下表。
    參  數  名
    增  益    零  點
量程    A1    A2    B1    B2
低    RLV    RLN    ZLD    ZLN
中    RMV    RMN    ZMD    ZMN
高    RHV    RHN    ZHD    ZHN

由于傳感器的輸出訊號是經微處理器產生的，因此模擬線路的誤差能得到*補償。這是RSS-131具有較好的溫度特性的重要原因。
四、    維護與故障排除
RSS-131故障排除流程圖見用戶手冊P130頁（中文版）。
一般用戶維修主要解決無訊號的問題，在無輸出訊號時，應檢查：
1、    電源是否正常；
2、    On/Off開關有無打開；
3、    串行口電纜聯結是否正常（接COM2）；
4、    程序電纜有無斷開（必須斷開）；
5、    PC機波特率等設置是否正確，波特率9600，無極性。
通訊中斷會自動恢復，若長距離傳輸發生通訊故障，應采用筆記本電腦就地檢查。
在未接風向計時，風向數據框中出現的數據為無意義數據。請不用顧它。




　ＧＥ　RSS-131/ER  高氣壓電離室技術指標
     γ測量
●        0-10 R/h（0-100mSv/h）可擴展到０－１００Ｒ/h（０－１Sv/h）
●        精度：±5%（在10μR/h）
●        溫度飄移（在-25℃—+55℃）可根據實際情況定制
●        零點飄移＜0.5μR/h
●        增益飄移＜讀數的1%
●        角相應＜2%（所有角度）
●    　　鋼球內沖２５個大氣壓的氬氣
     輔助測量
●        傳感器溫度
●        2.0-5V模擬輸入
     數據貯存
●        20000數據點
●        存貯時間間隔：1秒-9小時
     采樣速率
●        每樣1秒-1小時
     實時鐘
●        ＜1分鐘（每月飄移）
     電源
●        內置電池（選購件）
●        等待電流＜70mA
●        外接電池充電器或太陽能電源
     溫度范圍
●        -25℃—+50℃（標準）
     串行口通訊
●        2個RS232口（標準）可轉接ＵＳＢ口
●        撥號調制解調器（選購件）
    串行口通訊選購件
●        撥號調制解調器（內置）
●        UHF/VHF無線電通訊（外置）
●        寬頻無線電通訊（外置）
     機械特性
●        全機12″×12″×14″（31cm×31cm×36cm）
●        25磅（11kg）
●        機箱：帶2部分催化劑聚脂涂層鋁板
●        鎖緊裝置與硬件：不銹鋼

     其它選配件
●        手持式終端/顯示
●        雨量計
●        大氣壓力計
●    　　風速風向儀

GE Reuter-Stokes公司RSS 131高氣壓電離室
主要用戶

一，美國本土
共有三里島核電站等多個核設施外環境，內華達地下核試驗場，國家*，Batle西北實驗室等研究機構，以及新澤西、伊利諾、加利福尼亞、阿拉巴馬、達拉華和伊達荷等州約三十個監測系統，此外還有約100臺便攜式高氣壓電離室及連續監測系統分布于全美各地。

二，世界其他各地
德國、挪威、丹麥、希臘、西班牙和瑞士等國國家監測系統，韓國和馬來西亞5個核設施外圍監測系統，此外還有約８0余臺便攜式高氣壓電離室分布于歐亞各地。

三，中國
中國臺灣：三個核電廠外圍環境監測系統以及AEC、SRRC二個監測系統。
中國香港：香港天文臺和香港環保署二個系統。
中國大陸：秦山核電站外圍環境監測系統（國家環?？偩州椛洵h境監測技術中心）11臺
          秦山核電站外圍環境監測系統（廠方）6臺
          江蘇田灣核電站外圍環境監測系統（地方政府）9臺
    　　　RSS 131高氣壓電離室主要用戶為：
          環保部門：河北省輻射環境管理站 連續監測
 山西省放射環境管理站  連續監測
包頭市輻射環境管理處  連續監測
吉林省放射環境監督管理站  （2臺）連續監測
黑龍江省輻射環境監督監理　　站連續監測
                    福建省環境放射性監理站  （2臺）連續監測
青島市輻射環境管理站　　連續監測
云南省輻射環境監督站  （2臺）連續監測
國家環保總局輻射環境監測技術中心（浙江）（2臺）連續監測
江西省輻射環境監督管理站  
廣東省環境輻射研究監測中心   
四川省輻射環境管理監測中心
青海省輻射監理站
上海輻射環境監督站　連續監測
江蘇田灣核電站環境實驗室　　標定標準設備
遼寧省輻射環境管理站  連續監測系統（在建）
          衛生部門：中國預防醫學中心
                    廣東省職業病防治院