我国是放射性同位素生产和使用大国, 放射源已经广泛应用于工业、农业、医学、资源、环境、军事、科学研究等领域。以四川省为例, 使用放射性同位素与射线装置的单位达4 500家, 在用放射源3 700余枚。放射源在给我们带来巨大技术进步与经济效益的同时, 其辐射安全与放射性污染等问题也越来越突出。近年来, 放射源丢失、被盗等事故时有发生。2009年10月7日, 攀枝花市丢失了一枚放射源, 2010年9月, 河南某单位丢失两枚放射性源, 一枚至今未找到, 此外, 一些用源单位不按国家规定, 违规超标使用或私自转移放射源, 造成较大的安全隐患。特别是日本福岛核电事故发生后, 更为我们敲响了辐射安全的警钟。放射源的安全使用和科学监管已成为当前环保工作的难点和重点。

1 放射源在线监控系统设计依据与基本要求

放射源的使用包括固定与移动两种主要方式。如用于工业自动化控制的料位计、液位计、核子秤以及用于辐照加工、肿瘤治疗、仪表刻度等的属于固定式; 用于工业探伤、放射性测井、放射性找矿等的属于移动式。

放射源的安全措施包括放射源的辐射安全与辐作者单位:四川同佳环保科技有限公司, 四川德阳61800作者简介:刘献(1955~), 男, 四川安县人, 工程师, 高级咨询师, 从事环保技术研发及产业营运工作。射防护措施和放射源的实体保卫措施两个重要方面。其中, 放射源的辐射安全与防护措施主要包括放射源屏蔽容器、操作场所屏蔽设施与安全联锁系统、辐射剂量报警系统、操作人员个人防护装备、辐射环境监测仪器、辐射事故应急处置装备等; 放射源的实体保卫措施主要包括放射源的防盗、防抢、防火、防洪、防破坏设施设备等。放射源的辐射安全与辐射防护措施和实体保卫措施是放射源安全监管重点关注的统一整体。

建立放射源在线监控系统, 就是要依托现有的环保信息化监管平台, 建设具备单个放射源的实时位置监控、剂量监控、状态监控以及数据信息传输、事故报警、应急处置等功能的信息管理系统, 使辐射工作单位自身的放射源管理自动化、信息化; 环保监管部门则可以通过放射源在线监控系统对辐射工作单位的管理情况进行实时的在线监管, 使环保部门的辐射安全安全监管工作更加及时、更加有效、更加科学。对放射源在线监控系统的基本要求是:

(1) 建立和运行放射源在线监控系统, 有利于明确用源单位的主体责任, 有利于各级环境保护行政主管部门对辐射工作单位的放射源监控工作实施监管。

(2) 放射源在线监控系统是放射源安保的措施之一, 应当能够与其他安保措施如视频监控、红外线监控等联合使用。

(3) 监控系统设备、仪器等硬件设施应该具备耐高温、耐腐蚀、耐冲击等特性, 并且应与放射源屏蔽体牢固附着在一起, 不得脱落。

(4) 监控系统平台的数据软件应与省环境保护厅现有的放射源数据库、GIS系统平台等相兼容, 并要为后续的开发利用留足接口。

(5) 监控系统实时采集的信息除包括放射源位置信息、状态信息、剂量信息、事故报警、应急处置、决策支持等数据外, 还应当包括:辐射工作单位基本信息、辐射安全许可范围与种类、放射源编码、放射源出厂活度、半衰期、毒性指标、危险程度(含放射源分类)等信息。(6)监控系统的建设及运行、维护费用应在企业能够承担的范围。

2 放射源在线监控系统技术方案设计

在放射源使用过程中, 我们最为关注的是两件事情:其一, 放射源必须在环评批准的特定区域内安全使用和贮放, 未经管理部门批准, 不能离开设定区域; 其二, 放射源在使用时出现异常情况, 如脱落、丢失、辐射剂量超标等, 管理部门必须在第一时间获得报警信息, 采取应急预案。为此, 我们在在线监测系统中, 围绕放射源位置参数和辐射剂量参数两项基本指标, 进行实时监测、实时传输、实时显示与报警。省市环保主管部门可以通过监控系统随时掌握本区域在用放射源的使用和贮放状况。

根据以上要求, 我们设计的放射源在线连续自动监控系统由四部份组成:放射源在线监测仪(前端)、信号传输系统、企业管理平台和省厅(环保厅)监管平台(终端)见图 1、参考文献[1]。

2.1 放射源在线监测仪

放射源在线监测仪是系统的关键部分, 其主要功能是对监控的放射源辐射剂量和地理位置信息实时监测, 并发出监测信号。

该监测仪主要由辐射剂量监测模块、GPS模块和GPRS DTU模块、内置高能锂电池等组成(见图 2)。辐射剂量监测模块采用盖革管作为电离探测器, 能量响应范围50 keV~1.5 MeV, 剂量测量范围0.1~ 9 999 μSv/h, 测量响应时间≤ 5 s, 使用寿命3年以上。地理位置监测采用GPS卫星定位系统, 重获取时间: ≤ 1 s; 冷启动时间:≤ 60 s; 精度:10~20 m。

2.2 信息传输

采用SIMCOM SIM900A模块, 利用GPRS网络平台搭建数据传输通道(参考文献[2]), 将辐射剂量率和经纬度位置数据发送至企业管理平台服务器。传输速率为15至56 kbps; 发送信息为放射源状态信息、经纬度数据、报警信息、检测仪状态信息、实时剂量数据; 发送频率4h。

2.3 企业管理平台

平台配置:CPU Intel I7-760处理器, 内存4 G, DDR Ⅲ/1333, 硬盘2T。操作系统: Windows Server 2008, 数据库系统:MicroSoft SQL Server 2008。平台功能:①贮存用源单位基本信息。包括企业基本情况, 放射源数量、类别、编号以及辐射事故应急预案等; ②实时接收、显示并保存放射源监测仪上传数据, 数据保存时间1年; ③报警功能:实时处理上传信息, 若出现异常, 则发出连续报警信号。

2.4 省厅监管平台

平台配置:机架式服务器, CPU:四核英特尔至强处理; 内存:2GB R-ECC DDR3 1333;硬盘:146G热插拔SAS 3.5寸硬盘(15000转); 支持标准机柜上架; 高:87.5 mm, 宽:448 mm, 深:700 mm; 电源:750 W单电源。操作系统:Windows Server 2008, 数据库系统:MicroSoft SQL Server 2008。平台功能:①贮存全省在用放射源基本情况。包括涉源单位基本情况及在用放射源基本情况; ②监管在用放射源。随时调阅用源单位放射源的实时数据和历史数据, 实时接收、显示并保存全省各企业平台的上传数据。数据保存时间1年; ③报警功能:实时处理上传信息, 若出现异常, 则发出连续报警信号; ④辐射事故应急决策支持功能, 完成辐射事故预警级别认定、应急处理措施选定及事故善后处置工作; ⑤放射源追踪:若放射源丢失, 可通过电子地图显示放射源监测仪移动轨迹, 追踪丢失放射源。

3 放射源在线监控系统应实现的主要功能 3.1 大幅提升用源单位的科学管理水平

用源单位可通过自动监控系统, 实时、准确了解本单位放射源使用、存放、运行状态。若发生丢失、被盗、脱落等情况, 能够在第一时间获得信息, 快速处置, 以避免事故的扩大和延伸。从技术上降低了用源单位发生重大辐射安全事故的风险。

3.2 增强主管部门监管的科学性、有效性

省厅等主管部门通过自动监控系统, 不但能及时、准确、高效的了解全省在用放射源的使用状态, 安全状况。还可以对企业的管理平台使用情况进行监督管理, 对用源单位辐射安全状况进行科学评估。特别是避免了少数企业不按规定私自转移放射源, 或放射源丢失后隐瞒不报的情况。

3.3 定位功能

系统整合GPS定位网和GPRS通信网络资源, 通过两个网络协同工作最终实现室内准确定位, 克服了传统GPS定位不能同时满足室内定位的要求(见图 3、图 4), 该定位方式具有较高的准确性, 定位精度为10~20 m。

3.4 报警功能

设置特定的监控程序, 若放射源离开设定的工作区域异常移动(如离开设定工作场所50 m或偏离于先前设定的运行线路)企业平台和省厅监控平台同时显示报警信号(声、光)。用于检测、测量、医用等场所的放射源若在工作时脱落, 辐射剂量率出现异值, 系统也会发出报警信号(声、光)。

3.5 追踪功能

若放射源被盗或丢失, 放射源在线监控仪内置锂电池可支撑系统连续工作24 h, 可通过电子地图显示放射源监测仪移动轨迹, 追踪丢失放射源。

4 放射源在线监控系统的初步应用

从2010年10月起, 四川同佳环保科技有限公司和中国核动力院第三研究所按照上述设计方案, 研发试制了ST系列放射源在线监控系统。系统在部份企业、医院应用测试, 达到了设计效果。ST-Ⅰ型放射源自动监测仪(见图 5)2011年10月21日经中国测试技术研究院对照《[1992]国量标测证字第168号》标准检验, 所有指标均合格。

2011年10月11日, 四川省科学技术信息研究所科技查新结论为:国内未见研制放射源自动监测系统, 由ARM微处理器、全球GPS高精度定位模块、GSM/GPRS无线传输模块、内置高精度辐射剂量探头、高效能锂电池共同组成。该系统具有以下特点: ①能监测两项重要指标:放射源剂量率和经纬度坐标。在国内首次将x/γ辐射剂量率转化为数字信号和电信号, 并实现远程无线传输。②电子产品在强幅射的照射下容易损坏。本项目监控仪采用特殊的防辐射材料和技术, 使ST系列信号自动监测传输仪在100居里的幅射强度下至少工作三年以上。③信号传输:要达到防辐射要求, 一般探伤室墙壁厚度在600 -1000毫米, 放射源放在探伤室内, GPS发出的无线电传输信号被屏蔽, 本项目采用增大发射功率并将发射信号有线传输至墙外, 解决了信号屏幕的技术难题。④防拆卸技术:ST信号自动监测传输仪必须要与放射源铅罐置于一体, 并且要防止人为拆除。本设备用铆接+电子标签(参考文献^[3])的技术方法, 避免了人为拆除和自然脱落。

5 结语

由于现代科学技术的进步, 特别是卫星定位技术和网络传输技术的发展, 为我们设计建立放射源在线监控系统提供了可能。我们的突破和创新在于实现了放射源剂量的信号转换和实时传输; 设计了信号自动捕集、记录、传输、报警、应急预案指示等多项复杂的应用程序; 解决了电子产品在高强辐射下的使用寿命等技术难题; 特别是在系统可靠性、稳定性方面, 针对不同的应用环境, 自主研发了ST系列三种型号放射源自动监测仪, 采取铆接+电子标签的方法, 确保监测仪与贮源箱的稳固连接, 解决了放射源工作及贮存信号的准确、实时捕集, 利用GPRS实现信号的稳定传输。我们相信, 在不远的将来, 放射源在线监控系统一定会广泛应用, 在核辐射安全管理中发挥重要的作用。