环境γ辐射连续监测系统项目简单方案

环境γ辐射连续监测系统项目简单方案

北京东方圆通科技发展有限公司      香港中威仪器公司



设备配置
一、环境γ辐射连续监测仪
美国通用电器（GE）公司生产的RSS-131高压电离室，是世界上*台高压电离室，该产品性能稳定、灵敏度高、可靠性优异、技术成熟等优点，在世界上享有很高的声誉，EML 300号报告中也推荐使用该设备进行环境γ辐射剂量率测量。
GE RSS-131具有较宽的量程。从环境本底水平到10R/h或100R/h.
国产高压电离室与其相比较，除了价格和地域优势外。在产品性能、灵敏度、可靠性、技术性是*的。因为国内高压电离室的焊封气密性与RSS-131相比，除了制作工艺的差别外，主要是静电计的灵敏度差异，这直接决定着整套设备的整体性能。RSS-131采用的是温度系数极底的高阻，美国ＧＥ*技术。国内现在还无法获得这种高性能的高阻。这也就决定了国产设备的整体性能。
其他国外电离室，在性能指标，用户认可度，*，价格及服务方面与ＧＥ　RSS-131都存在着一定的差距．
GE RSS-131可以和雨量计、大气压力计、风速风向仪等气象设备共同组成整套设备使用。设备内部已经内置了温度传感器。单机及网络均可使用。
GE RSS-131 采用了模块设计。主板（控制部分）、静电计、高压球、电源等等均可以由用户自己完成更换。（静电计更换需要特殊要求）而且，高压球的保修期为１０年．
GE RSS-131灵敏度接近无方向性（近360度）、能迅速鉴别低水平辐射、可靠（许多单元寿命在20年以上）、可运行于恶劣环境中。详细请参看下面技术分析。

二、网络
根据用户实际需要及要求，将RSS-131及附属设备纳入到网络系统内，实现在线连续监测，进行数据信息处理。
网络 可选用有线和无线传输，也可两种功能都有。
可连接网络视频监视系统及其它扩展设备．根据实际情况而定。

三、其它
该工作站为基本配置方案，具体项目可根据用户要求配置。气象部分及附属产品，可由用户自己配置或选用GE配套设备。
专业控制软件及开发，根据用户实际需要，开发利用．

四、国家环保总局认可使用产品，中标服务单位。

五、专业服务队伍，点对点服务，严格执行美国ＧＥ　服务系统及本公司“四个一”服务章程。






简单站点网络示意图：











































系统简单结构


































 



 






案例图示：
中国香港辐射环境监测网络（香港天文台）
 
 






中国台湾辐射环境连续监测网络
 

韩国核安全连续监测网络
 


江苏省辐射环境管理站连云港核电厂外围连续监测系统
 

  





网络
 
 



























ＧＥ RSS-131辐射环境连续监测系统（高压电离室）简介
一、    RSS-131的组成
RSS-131高气压电离室辐射测量仪由微处理器、静电计和高气压电离室三部份组成。
1、    高气压电离室
RSS-131高气压电离室由一个直径10英吋（25.4cm）的不锈钢球形外壳组成,球壳壁厚1/8英吋(约3.18mm)，球心有一个直径2英吋（5.08cm）的球体，它通过一根支杆，与外壳间采用陶瓷密封并绝缘。球壳与*金属小球之间充有25个大气压的氩气。在工作时，外壳接-400V高压，为探测器的阴极，*小球体接地，为探测器的阳极。
 
2、    静电计
静电计的模块图见手册（中文P14，英文P 6）它提供与照射量率成正比的模拟输出信号。RSS-131的静电计已实现了模块化，是该仪器技术的核心，它可直接安装到电离室上，减小噪声。它通过电缆与微处理器连接。一方面向高气压电离室供电，另一方面把输出讯号传送到微处理器的A/D模块上。 
3、    微处理器
RSS-131的微处理器为一块单独的印刷电路板，去除所有的内部连接，提高了它的可靠性。它采用了美国达拉斯半导体公司的DS2251T模块，其包含后备电池，保证程序和数据在断电情况下，可保存10年以上。后备电池也支持实时时钟，时间和日期只须设置一次即可。
它可以通过一根编程电缆由COM1口对配置程序进行更新，这样用户就可以在不将产品送回厂家情况下，将新的功能和程序下载到仪器的程序存储器中。RSS-131通过RS-232接口输出，由串行口读取数据，配置系统和更新程序，共有三个标准串行口（COM1，COM2和COM4）可以用来同时访问和通讯。可安装COM3，用于选购的内部安装的Modem（调置解调器）。此外它还有接口用于选购的气象传感器。
微处理器中含有一个容量为20000个数据点的数据存储器，每个数据点均包含有日期和时间的信息。数据采集器从七个模拟输入和一个外部雨量计收集数据。这些输入的数据储存至一个循环队列中，一旦存储区存满，则当的数据点加入时，zui老的数据点将被删除。每一个数据点采样间隔为1秒，但在队列中写入的数据则为根据在配置参数时指令的采样时间内的平均值。例如设置为每5分钟记录一个照射量率值，则会读取300个一秒钟的值，取平均后写入队列数据。如果采样周期设为零秒，则该传感器被停止使用。
主板共支持存储20000个数据点，单*个传感器的数据点是可以配置的，但它们的总和不能超过20000，如果超过了，存储区内的数据顺序将被打乱，仪器出现异常，需重新下载程序。如果某些传感器不用（如气压，雨量等传感器），这个传感器的数据可设为零。RSS-131的固件不允许某传感器的数据个数小于100。若设置的数目为大于0而小于100时，系统将默认为100个点。RSS-131在出厂时的默认配置见下表。

表  默认的数据点数和读数的时间间隔
传感器    默认的读数时间间隔(秒)    默认数据点个数
风速    60    1000
风向    60    1000
大气压力    60    1000
辐射量    60    10000
温度    60    1000
电池    60    1000
高压    60    1000
雨量    3600    1000
实际上由于数据点间的时间跨越和单元断电等影响，存储的数据点数目会小于配置的个数。如果系统重启并且计数时钟没有受到影响，每个传感器的数据点数和他们中的数据将保持不变。
当数据传送至上位机后，在RSS-131的数据存储器中将不会删除这些数据，这将允许多台设备向同一台RSS-131读取数据。
二、    性能指标
RSS-131 HPIC是根据灵敏度、能量响应、稳定性、量程、度和方向性等等性能指标上达到*平衡而设计出来的。由于这些指标相互之间的制约关系，因此没有一项设计可以对每个指标均具有理想的特性。
1、    能量响应
一个好的剂量率仪表必须具有好的能量响应特性。能量响应为被测信号强度与γ光子能量的函数关系。理想的情况，它应与γ射线在空气中所产生的电离成正比，响应应该是平的，它通常用一条归一化的曲线来表示。由RSS-131的能量响应曲线可见，在待测的能量范围内，响应并非平坦，特别在能量低于60kev时，响应明显下降，因此与空气当量标准相比，某些同位素会过响应，某些同位素响应不足。RSS-131给出不同同位素的能量响应因子“F”，对于已知同位素，可用“F”值进行校正。由于RSS-131是用镭-226源刻度的，而环境辐射场与镭源辐射场十分接近（约差6%左右），因此在应用中可以不予考虑，对于常用同位素的校正系数见表。该值由美国EML计算，并经由Victoreen公司实验证实。
 
表   RSS-131对几种同位素源的校正系数
同位素源    校正系数    同位素源    校正系数
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、    饱和特性
由光电效应、康普顿效应和电子对效应产生的次级电子在氩气中产生电离，正离子由负极收集（球壳），负离子（电子）由正极收集。在正负离子向正负极行经过程中，它们会复合导致照射量率非线性。该复合率与正负极之间的电压值有关。可收集所有电离产生的正负离子不会导致其复合的电压为饱和电压，饱和电压值是剂量率水平的函数。在1mR/h、10mR/h和100mR/h 时，其相应的饱和电压值为 13V、49V和125V。对于100mR/h量程的HPIC，400V的高压可保证它的量程线性，但对于扩展到10R/h，饱和电压超过了400V。实验证明：每个探测器的饱和曲线均相同，因此可由超过线性范围的辐射剂量场中，得到探测器的响应值，并由此来对每一个探测器对高辐射水平输出值的响应进行校正。由此来实现量程的扩展。（早期的RSS-131是采用二个球型电离室来实现量程的扩展的。）
 
3、    准确性
准确性与测量值的统计特性无关，它是在足够长的采样时间内（统计误差不显著情况下），测量值与真实值的接近程度。准确性主要与刻度有关。影响刻度的准确性主要有三个因素：放射源准确度、辐射场的稳定性和刻度中测量误差。
RSS-131的刻度源采用美国国家标准技术研究院（NIST）的137Cs源，准确度为±3%；辐射场的稳定性主要由采用阴影屏蔽法扣除本底和散射成份保障；减少刻度中测量误差是采用多次平均和多距离重复刻度来实现。
4、    温度漂移的补偿
改善测量值的准确性的另一个要素为减少环境温度变化引起的长期漂移。在RSS-131中采取了二条措施，一是在静电计中采用了差分场效应管（FET）以减小温度引起的漂移，二是采用一组代表静电计特性的常数来补偿温度引起的漂移。这需要对每个静电计单独进行测试来确定这一组常数，它将在后面章节中加以叙述。
5、    统计响应
测量值的统计特性是由γ衰变的随机性所决定的。是任何辐射测量都存在的。对于一个10μR/h的典型的本底辐射场，用RSS-131测量约需30秒钟，可得到一个精度为95%的测量结果。（而对于GM管该结果大约需要1个小时）
 

6、    角响应
由于采用各向同性的球体作为探测器。角响应好于2%，在下端装法兰地方，讯号会有2%的衰减。（园柱型一般为20%左右）。
7、    其他特性
①    避雷措施
采用±15KV，人体型，±8KV IEC 100-4-2接触放电型和
 
±15KV IEC 100-4-2 空气隙放电的避雷措施，有一定抵御雷击能力。
②    防潮措施
采用全密封的静电计，机箱内置干燥剂，可抗潮湿空气影响。
③    低功耗
携带式RSS-131，内置铅电池，充满电后，在加MODEM情况下可连续使用15小时，不加MODEM，可用25小时。充电时间约需20小时。
④    报警功能
当探测器记录到一个高于（上限报警）或低于（下限报警）它所配置的阈值时，会产生报警。如果它们都设置为0，则报警无效。
报警必须配置调置解调器，并设置有。
报警的单位应以单位输入，而不是RSS-131显示的单位，如100μR/h，报警值应输入1e-4（0.0001R/h）。
⑤    基本配置
辐射探测器    μR/h， Gy/h ，Sv/h；
温度传感器    显示传感器所在位置的环境温度；
电池电压显示；
高压显示。
⑥    选购配置
大气压力传感器    600—1100mBar
无线电台          至COM2串行口
调置解调器        至COM3串行口
串行口显示器
三、    温度补偿
RSS-131传感器由高气压电离室（HPIC）、静电计和A/D（模/数）转换器三个子装配件组成。HPIC的关键特性是γ灵敏度，它与所注的气体种类、容量、室壁材料和室壁厚度有关。由于这些因素在RSS-131运行温度范围内基本上是不变的， 所以温度对HPIC的γ灵敏度无重要影响，因此HPIC用一个与温度无关的参数RAC来描述。其典型值为2.5×10-8amps/R/h。受温度影响的主要是静电计，本节的温度补偿是针对静电计讨论的。
如前所述，静电计有三个不同的反馈电阻，提供三个运行量程，使测量值可分布在一个较宽的动态范围。这里仅讨论一个量程，其余二个量程可以类推。
静电计使用一个运算放大器，在该线路中，温度诱发的误差源为：输入偏置电流，输入补偿电流和反馈电阻阻值随温度的变化。综合这些影响，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
这里：A(t)为静电计的反馈电阻，它是温度的函数。
      B(t)为静电计的补偿电压，也是温度的函数。
t为温度（℃）。
静电计的反馈电阻与温度的关系由下图所示：
 
图中直线为实验数据的zui小二乘法拟合结果，该直线的方程式为   y=-5.25E+08x+5.14E+11
     经温度坐标变换后为:
     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
静电计的零点与温度关系如下图所示 
该数据由不同温度下测得的零点值得到，经zui小二乘法拟合后得到该直线和方程式  y=0.0000x+0.0336
可由上述类似方法得到：
B1=0.00     B2=0.0336
实际上对于三个量程,每个量程均有此4个参数(A1、A2、B1、B2)这些参数均在仪器出厂前在工厂测试并用#P命令输入系统。为了防止参数的丢失，随仪器除提供它们的打印表格外，还提供一个光盘文件，便于在发生数据丢失时，可以方便地把它们下载到您的RSS-131中。这些参数的命名见下表。
    参  数  名
    增  益    零  点
量程    A1    A2    B1    B2
低    RLV    RLN    ZLD    ZLN
中    RMV    RMN    ZMD    ZMN
高    RHV    RHN    ZHD    ZHN

由于传感器的输出讯号是经微处理器产生的，因此模拟线路的误差能得到*补偿。这是RSS-131具有较好的温度特性的重要原因。
四、    维护与故障排除
RSS-131故障排除流程图见用户手册P130页（中文版）。
一般用户维修主要解决无讯号的问题，在无输出讯号时，应检查：
1、    电源是否正常；
2、    On/Off开关有无打开；
3、    串行口电缆联结是否正常（接COM2）；
4、    程序电缆有无断开（必须断开）；
5、    PC机波特率等设置是否正确，波特率9600，无极性。
通讯中断会自动恢复，若长距离传输发生通讯故障，应采用笔记本电脑就地检查。
在未接风向计时，风向数据框中出现的数据为无意义数据。请不用顾它。




　ＧＥ　RSS-131/ER  高气压电离室技术指标
     γ测量
●        0-10 R/h（0-100mSv/h）可扩展到０－１００Ｒ/h（０－１Sv/h）
●        精度：±5%（在10μR/h）
●        温度飘移（在-25℃—+55℃）可根据实际情况定制
●        零点飘移＜0.5μR/h
●        增益飘移＜读数的1%
●        角相应＜2%（所有角度）
●    　　钢球内冲２５个大气压的氩气
     辅助测量
●        传感器温度
●        2.0-5V模拟输入
     数据贮存
●        20000数据点
●        存贮时间间隔：1秒-9小时
     采样速率
●        每样1秒-1小时
     实时钟
●        ＜1分钟（每月飘移）
     电源
●        内置电池（选购件）
●        等待电流＜70mA
●        外接电池充电器或太阳能电源
     温度范围
●        -25℃—+50℃（标准）
     串行口通讯
●        2个RS232口（标准）可转接ＵＳＢ口
●        拨号调制解调器（选购件）
    串行口通讯选购件
●        拨号调制解调器（内置）
●        UHF/VHF无线电通讯（外置）
●        宽频无线电通讯（外置）
     机械特性
●        全机12″×12″×14″（31cm×31cm×36cm）
●        25磅（11kg）
●        机箱：带2部分催化剂聚脂涂层铝板
●        锁紧装置与硬件：不锈钢

     其它选配件
●        手持式终端/显示
●        雨量计
●        大气压力计
●    　　风速风向仪

GE Reuter-Stokes公司RSS 131高气压电离室
主要用户

一，美国本土
共有三里岛核电站等多个核设施外环境，内华达地下核试验场，国家*，Batle西北实验室等研究机构，以及新泽西、伊利诺、加利福尼亚、阿拉巴马、达拉华和伊达荷等州约三十个监测系统，此外还有约100台便携式高气压电离室及连续监测系统分布于全美各地。

二，世界其他各地
德国、挪威、丹麦、希腊、西班牙和瑞士等国国家监测系统，韩国和马来西亚5个核设施外围监测系统，此外还有约８0余台便携式高气压电离室分布于欧亚各地。

三，中国
中国台湾：三个核电厂外围环境监测系统以及AEC、SRRC二个监测系统。
中国香港：香港天文台和香港环保署二个系统。
中国大陆：秦山核电站外围环境监测系统（国家环保总局辐射环境监测技术中心）11台
          秦山核电站外围环境监测系统（厂方）6台
          江苏田湾核电站外围环境监测系统（地方政府）9台
    　　　RSS 131高气压电离室主要用户为：
          环保部门：河北省辐射环境管理站 连续监测
 山西省放射环境管理站  连续监测
包头市辐射环境管理处  连续监测
吉林省放射环境监督管理站  （2台）连续监测
黑龙江省辐射环境监督监理　　站连续监测
                    福建省环境放射性监理站  （2台）连续监测
青岛市辐射环境管理站　　连续监测
云南省辐射环境监督站  （2台）连续监测
国家环保总局辐射环境监测技术中心（浙江）（2台）连续监测
江西省辐射环境监督管理站  
广东省环境辐射研究监测中心   
四川省辐射环境管理监测中心
青海省辐射监理站
上海辐射环境监督站　连续监测
江苏田湾核电站环境实验室　　标定标准设备
辽宁省辐射环境管理站  连续监测系统（在建）
          卫生部门：中国预防医学中心
                    广东省职业病防治院