对大气放射性核素进行连续监测, 不仅可以用于观测核试验、核事故等人类核活动对环境的影响, 还可以通过监测特定的天然放射性核素来研究大气运动。一套简单的大气放射性核素监测系统由气溶胶采样装置加上γ能谱仪就可以构成并执行监测工作, 这类系统都无法记录采样过程中采样点的温度、湿度、气压、降水、风向、设备工作状态等样品中放射性核素浓度影响因素的变化情况, 也无法连续监控设备运行状态[1-2]。为解决此问题, 我中心建立了一套自动化程度较高的大气放射性核素连续监测系统, 利用控制软件对气溶胶采样器周围的气象信息、γ能谱分析实验室的环境情况、样品状态、人员操作流程等数据进行自动记录和故障监控、报警。现将该系统做一简要介绍。
1 系统总体设计大气放射性核素监测是一种低放射性水平的监测, 尤其是通过大气环流输送的核试验、核事故释放的人工放射性核素, 其浓度在10-5~10-3Bq/m3, 因此要求系统有较低的探测限。我中心建立的监测系统通过使用大流量采样器长时间采集以提高样品总体积, 待检样品静置衰变以降低氡子体核素干扰, 在保证监测结果时效性的前提下尽可能延长测量时间, 使用高效率γ探测器的方式降低系统的探测限。为保证监测的连续性和时效性, 样品采集、氡子体衰变、样品测量环节设定的工作流程时间长度均为24 h, 一个样品从开始采样到完成测量的时间共72 h。为避免混淆及便于自动化管理, 样品在流转过程中粘贴以特定规则编制、具有唯一性的条形码来标识。
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图 1 大气放射性核素连续流程示意图 |
大气放射性核素的连续监测过程中, 在采样、衰变、测量各阶段会有设备状态、环境温湿度、气象信息、样品测量、样品状态等大量数据产生, 这些数据对于监控系统运行状态、分析异常核素来源、研究天然核素浓度变化影响因素等工作有着非常重要的作用。这些数量巨大的数据是人工方式无法全面记录的。针对该问题, 本系统应用网络技术将采样器、气象监测设备、样品分析设备、流程控制设备、输入输出设备等硬件设施连接起来, 通过控制软件实现监测过程的全程自动化数据采集与存储、状态检测及报警, 极大地提高了数据采集效率、监测的质量控制能力以及结果的可溯源性。
整个监测系统划分为硬件和软件两部分, 硬件部分负责样品采集、信号采集、数据传输、样品检测, 软件部分负责数据采集、设备控制、状态监测、数据汇总保存等。
2 系统组成 2.1 硬件设备γ能谱测量分析系统, 相对探测效率为70%的ORTEC P型高纯锗(HPGe)γ能谱仪, 分析软件为GammaVision32。大流量气溶胶采样器, 采样速率> 500 m3/h, 24 h连续采样的总体积可以达到15000 m3(标准体积)以上。台式计算机、条形码扫描仪、状态监控开关、路由器、通讯协议转换器、环境状态监控设备、小型气象站等相关监控、通讯、输入输出设备。
2.2 系统控制软件为了达到大气放射性核素监测过程数据可溯源, 使监测过程具备可复现能力的要求, 需要尽可能完整地保存监测过程中的质量控制数据。为此, 系统控制软件在编制时就以监测过程中的时间顺序为逻辑链条, 把监测流程和质量控制的相关功能融入到程序中, 从而实现样品流程、操作过程的准确追踪、记录和管理, 相关数据和信息由软件自动采集、记录[3]。
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图 2 系统控制软件运行流程示意图 |
系统控制软件由主程序和多个功能独立的子程序构成, 整个程序界面直观简洁, 能够对系统故障在专门的报告栏中清晰提示。软件系统具有以下优点:某个子程序繁忙状态下系统不会中断用户操作响应; 系统子程序功能独立, 利用严格定义的数据格式进行通讯, 通过修改、增加子程序可以实现系统的升级、维护; 由于子程序之间相互独立, 通过开启、关闭特定的子程序就可以快速判定、排除故障。
系统控制软件的主要功能包括:气溶胶采样器控制、样品标识条形码打印、衰变控制、γ能谱仪控制、样品管理、告警信息管理、邮件管理、环境状态显示、电源管理、气象信息显示、数据自动记录与存档、向指定用户发送记录数据。部分控制软件界面图如下:
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图 3 系统控制软件主界面 |
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图 4 系统控制软件告警信息管理界面 |
由于采样点气象条件、电力供应以及实验室环境、耗材供应的限值, 本单位建立的监测系统采样和分析过程分别在两个地点完成。整个系统采用以太网为基础的实时性分布式监控系统, 将扫描装置, 状态开关, 气压、气温、风速、风向、降雨量感应传感器整合到系统中, 实现对采样点和实验室的各个监控点的实时监控及数据采集[4]。
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图 5 系统控制软件气象信息显示界面 |
我们对大气放射性核素连续监测系统2009~2014年的工作情况进行了统计分析, 各年正常开展监测的天数分别为337、344、297、344、352和354 d, 合计监测天数比例为92.6%。由于设备保养维护时开展的是γ谱仪的能量、效率刻度和本底测量工作, 若有需要, 可以继续开展监测工作, 即系统维护期间其监测能力没有受到影响, 因此, 2009~2014年合计可监测天数比例为96.8%。以上数据显示该系统具备很高的稳定性。
3.2 放射性核素最低可探测浓度137Cs和131Ⅰ是核事故、核试验监测中重点关注的人工放射性核素, 通过对2011年3月至8月日本福岛核电站事故期间系统的监测数据分析显示, 监测系统对于137Cs和131Ⅰ的最低可探测浓度均达到μBq/m3水平; 其中137Cs的最低可探测浓度为2.2~5.8 μBq/m3, 131Ⅰ的最低可探测浓度为2.3~7.3 μBq/m3[5]。
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图 6 系统网络结构示意图 |
通过多年的连续运行, 在验证本系统具备良好的系统稳定性, 较低的放射性核素最低可探测浓度的同时, 我们也发现了一些系统设计、设备性能方面存在的问题。
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图 7 2009~2014年系统工作情况示意图 |
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图 8 137Cs最低可探测浓度 |
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图 9 131Ⅰ最低可探测浓度 |
由于气溶胶采样器没有流量稳定控制功能, 因此, 在兰州地区易出现浮尘、风沙、降雪、霜冻等恶劣气象条件的冬季和春季, 会因采样滤膜上迅速吸附大量的尘土或水汽凝结导致采样器堵塞, 使得采样流量大幅降低, 导致开机流量和关机流量相差很大。
4.2 系统控制软件自身故障提示方面有待提高控制软件子程序独立运行, 通过严格定义的数据格式相互进行通讯, 这种结构提升了子程序故障情况下的系统稳定性, 但是由于主程序缺少对于子程序运行状态的监控能力, 导致某个子程序因故障而停止或没有运行时, 主程序不能主动报警, 而被操作人员忽视。
4.3 系统控制软件功能存在很大的功能提升空间系统控制软件除了监测系统运行状态数据采集监控功能外, 还可以从监测数据质量控制、数据自动分析、结果判定方面进行提高, 增加测量系统本底测量、效率刻度定期执行, 质量控制指标偏离提示, 特定核素自动识别, 监测结果异常报警等功能。
本文介绍的大气放射性核素连续监测系统的设计思路同样适用于开发其他类似监测系统, 希望通过本文能够为其他系统的开发与应用提供一个思路, 提高自动化系统在各类监测工作中的应用, 提升工作效率与质量。
| [1] |
Medici F. The IMS radionuclide network of the CTBT[J]. Radiation Physics & Chemistry, 2001, 61(3-6): 689-690. |
| [2] |
Karhu P. Radionuclide Monitoring as Part of the Verification Regime for the Comprehensive Nuclear - Test - Ban Treaty[J]. Radiochemistry, 2001, 43(5): 455-457. DOI:10.1023/A:1013061005145 |
| [3] |
王尹, 邬家龙, 孙卫, 等. 大气气溶胶放射性检测质量控制软件研究[J]. 卫生职业教育, 2011, 29(6): 156-158. DOI:10.3969/j.issn.1671-1246.2011.06.089 |
| [4] |
王履程, 孙卫, 谭筠梅. 实时性分布式监控系统的设计与实现[J]. 兰州交通大学学报, 2005, 24(1): 40-42. DOI:10.3969/j.issn.1001-4373.2005.01.012 |
| [5] |
邬家龙, 孙卫, 王赟, 等. 兰州地区大气气溶胶中日本核电站泄漏核素监测结果分析[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2012, 32(2): 141-142. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2012.02.009 |