一種智能放射源探尋與處置機器人的製作方法

2023-06-01 16:58:56 4

本發明涉及放射源探測技術領域，特別是涉及一種智能放射源探尋與處置機器人以及應用在該機器人上的防輻射損傷算法。

背景技術：

美國、法國、德國和日本等發達國家早在上世紀40年代就已經展開了核環境下機器人技術的研究工作。隨著核工業和機器人技術的發展，該領域的機器人控制技術及功能得到進一步擴展，近年來，國內外的研究機構已經開始進行放射源搜尋方面的相關研究。

1983年日本啟動核探測機器人研究計劃，截至2000年累計投資近250億元，研製開發核電站救災的機器人，先後生產六臺機器人。其中比較知名的MoniRobo-A和MoniRobo-B兩臺機器人，經常被用於監測核事故周邊區域的輻射劑量。MoniRobo機器人配有用於移除障礙物和抓取放射物的機械臂，採用遙控方式進行遠程控制。同時具備輻射探測、拍照錄像、溫溼度檢測以及輻射區域樣品收集和檢測可燃氣體等功能。日本原子能機構(JAEA)研發了另外一組輻射檢測機器人RESQ。RESQ機器人能夠獲取環境輻射的詳細信息，如β、γ射線和中子劑量水平等數據。日本製造和科學技術中心(MSTC)的機器人MENHIR能夠在強輻射環境中工作，並且進行樣本採集，其抗輻射能力也得到大大加強。另一款由日本千葉工業大學研發的Quince機器人，是專為礦難、地震等災害的搜索和救援工作設計的經過重新設計、改裝和大量的測試後，Quince的所有電子元器件都經過防輻射加固處理，可在100mGy/h的輻射環境下工作100小時左右。

美國典型的輻射檢測機器人有iRobot公司的Warrior和PackBot機器人，QinetiQ公司的Talon和Dragon Runner機器人。其中PackBot是一款軍用機器人，由於其高耐福射性，用於檢測現場福射量，通過數百米長光纖傳回現場圖像和環境數據；Warrior機器人用於清理放射性碎石；Talon機器人利用搭載的全球定位系統繪製事故現場的放射線量分布圖；Dragon Runner機器人實施現場監視和勘測。2011年4月17日，在遭遇核洩漏事故的日本福島核電站搶險中，日本首次把Warrior和PackBot機器人送往強輻射區域進行監控和輻射水平檢測。

英國國防科技公司的TALON機器人在加裝了美國能源部愛達荷州核實驗室的繪製輻射劑量分布圖系統後被提供給了日本，參與了日本核電站的處理工作。用作輻射檢測機器人的TALON裝上了JAEA的機器人控制和動力平臺RC-1。RC-1平臺包括控制單元、防輻射操控箱、γ射線成像儀、網絡攝像頭、遙感器、雷射3D成像儀和紅外相機，操作人員可以得到平臺附近的環境三維圖像以及γ射線的二維圖像。

瑞典設計生產的布魯克(Brokk)遙控多功能拆除機器人，採用電液式驅動，具有多種可靈活替換的末端工具，有多種拆除和搬運作業方式，易於維護和抗輻射加固，目前己被應用在核反應堆堆芯區高輻射劑量的工作場合。2006年9月，由俄羅斯和瑞典聯合研製的移動機器人Bobik被用於Kola peninsula中的核輻射監測。

2005年，法國HYTEC公司設計生產的核監測機器人和管道檢測與維修機器人都具有較高的技術含量。該公司可提供核輻射監測儀器和成套核輻射監測系統以及多種適合於管道檢測與維修機器人。最近，法國INTRA集團(Robot iC InterventiOR on AccidentS)選用VxWorks平臺開發出新系列放射性物質清除機器人ERASE、ERELT及EBENNE。ERASE機器人配有攝影機和射線傳感器，可用放射性事故現場的清除作業。EBENNE機器人是配有攝影機、照射燈及伽瑪射線偵測器的傾卸車，可長時間地進行精確的遙控操作：ERELT機器人裝有伸縮天線以及中繼無線電，可以在ERASE、EBENNE與控制中心之間擔任中繼傳輸站的功能，確保控制中心與事故現場間，確保操控人員的安全。

我國在核領域機器人方面的研究開始於上個世紀90年代初，依託於中科院瀋陽自動化研究所、核工業第二研究設計院、哈爾濱工業大學、上海交通大學、上海科技大學和西安電子科技大學等多數科研院所和高校的技術實力。在此期間，我國機器人工業實現了從無到有，並進行了相關的應用開發國內對核應急機器人的研究。我國在核應急機器人方面相對國外同行起步略晚，當前輻射監測與事故的應急處置方面主要有人工作業、遙操作機械手和引進國外機器人作業等幾種方式。上海交通大學、中科院瀋陽自動化研究所及哈爾濱工業大學等在這方面的研究工作具有一定代表性。

截至2014年12月31日，全國從事生產、銷售、使用放射性同位素和射線裝置的單位共65,266家：生產、銷售、使用放射性同位素的單位15,210家，在用放射源118,968枚；只生產、銷售、使用射線裝置的單位50,056家，共有各類射線裝置125,881臺。各省、自治區、直轄市城市放射性廢物庫已收貯廢舊放射源30,525枚，已轉運或收貯至國家放射源集中暫存庫的廢舊放射源共104,890枚。據不完全統計，目前至少兩千枚廢舊放射源下落不明。

另一方面，全球核電正逐漸走出日本福島核事故的陰影，進入重啟階段。其中，中國引領了這一波的建設風潮。2015年全球新增10座反應堆併網發電，其中中國就有8座。中國目前已將核電站建設作為經濟領域的主要政策之一。中國核電建設正在加速。2015年，中國共有8臺核電機組獲批。截至2015年底，中國已建成並投入運營的核電站有以下11座，投入運行的核電機組共30臺，在建的為24臺。中國首艘海洋核動力平臺即將在中船重工集團旗下渤船重工進行總裝建造，而中船重工未來將批量建造近20座海洋核動力平臺。實現批量建造後，每年將形成上百億的核動力裝備製造產值，並帶動相關配套產業發展，用5年時間打造成國內最強的海洋核動力平臺產業集團。

隨著放射源的廣泛應用及核電事業的快速發展，對於核領域機器人的需求越來越迫，尤其是耐輻射可實現放射源尋蹤、定位、劑量探測及處置的智能型機器人。目前，在我國對高危強輻射環境及高放物資的監管和處置還是社會效益遠大於經濟效益的事情。我國輻射監測與應急處置機器人工程化水平不夠，多數尚停留在基礎研究和試驗階段，沒有形成專業的工程實施隊伍；研發力量針對核環境的監測與應急處置機器人相關產品基本處於空白階段，沒有形成產業化；輻射監測方式和應急策略沒有統一的標準，缺乏可操作性；另外，現有的核應急機器人其自身的耐輻射性也遇到了瓶頸，無法長時間在核輻射環境下工作，它對放射源探測、定位精度也存在著誤差較大的情況。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種智能放射源探尋與處置機器人，能提高自身的耐輻射性，使得能長時間在核輻射環境下工作。

為實現上述目的，本發明提供了如下的技術方案：

一種智能放射源探尋與處置機器人，包括有能移動的載體，在所述載體上設置有放射源方位探測探頭，用於探測輻射源，所述放射源方位探測探頭包括有輻射屏蔽裝置、探測準直窗和探測機構。

作為本發明的改進，所述放射源方位探測探頭為多蓋革管陣列式方位探測器，包括有16個蓋革計數管、輻射屏蔽裝置、第一探測準直窗和第一探測機構，所述輻射屏蔽裝置由不鏽鋼材質製成，所述第一探測機構包括有8個獨立的結構及構成相同的輻射探測區，每個輻射探測區內由兩個蓋革計數管間隔一定距離並排固定，同時每個輻射探測區外圍均有一個長方形的，長度略小於蓋革計數管的第一探測準直窗。

作為本發明的進一步改進，所述放射源方位探測探頭為雷達掃描式閃爍探測器，主要由可旋轉的輻射屏蔽罩、第二探測準直窗和第二探測機構組成，所述第二探測機構包括了帶碼盤的直流電機、閃爍晶體、光電倍增管及其數據採集電路，所述輻射屏蔽罩由不鏽鋼材料製成，所述第二探測準直窗採用蜂窩網狀結構，所述閃爍晶體選用NaI晶體。

一種應用在如上述的機器人上的防輻射損傷算法，其具體算法如下：

當0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

當0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

當E0＜0.15MeV時，輻射射線的外照射可忽略；

其中D為屏蔽材料的厚度(cm)；E0為欲防護輻射射線的最大能量(MeV)；ρ為屏蔽材料的密度。

作為本發明的具體技術方案，所述屏蔽材料可以為不鏽鋼、鋁、有機玻璃和鉛等。

與現有技術相比，本發明的優點在於：通過設置該輻射監測與應急處置機器人，使得輻射監測與事故應急的處置能力提升，是我國放射源應用及核電產業安全可持續發展的有力保障。長期來看研製自主產權的核應急處置機器人及監測系統不僅能夠帶來巨大的社會經濟效益，並帶動相關產業的發展，還關係到核能行業的長期安全發展，對我國社會經濟的可持續發展具有一定意義。

附圖說明

圖1是本發明實施例中多蓋革管陣列式方位探測器的結構示意圖；

圖2為本發明另一實施例中雷達掃描式閃爍探測器的結構示意圖。

具體實施方式

參照圖1和圖2對本發明中智能放射源探尋與處置機器人的實施例做進一步說明。

如圖1所示，實施例一為一種智能放射源探尋與處置機器人，包括有能移動的載體，在所述載體上設置有放射源方位探測探頭1，所述放射源方位探測探頭為多蓋革管陣列式方位探測器，包括有16個蓋革計數管2、輻射屏蔽裝置3、第一探測準直窗4和第一探測機構5，所述輻射屏蔽裝置由不鏽鋼、鉛和有機材料等製成，所述第一探測機構包括有8個獨立的結構及構成相同的輻射探測區51，每個輻射探測區內由兩個蓋革計數管間隔一定距離並排固定，同時每個輻射探測區外圍均有一個長方形的，長度略小於蓋革計數管的第一探測準直窗4。射線經由準直窗口入射，當同時穿過同一探測區內的兩個蓋革管時，被認為是射線的入射方向，其他任何單管的脈衝輸出不計入方向脈衝，只作為總劑量脈衝對方向判別的參考。邏輯輸出電路由邏輯與和邏輯或兩種電路組成，輸出脈衝分別為方向脈衝和總劑量脈衝。在放射源方位判定時，需要對兩路輸出脈衝進行綜合分析比對。

實施例二為另外一種機器人的實施方式，其探測器為一種雷達掃描式閃爍探測器，主要由可旋轉的輻射屏蔽罩6、第二探測準直窗7和第二探測機構組成，所述第二探測機構包括了帶碼盤的直流電機8、閃爍晶體9、光電倍增管10及其數據採集電路，所述輻射屏蔽罩由不鏽鋼材料製成，所述第二探測準直窗採用蜂窩網狀結構，所述閃爍晶體選用NaI晶體。工作時，閃爍晶體和光電倍增管固定，輻射屏蔽罩6由直流電機8帶動按一定速率旋轉，當光電倍增管的輸出急劇變化時，探測準直窗所在的方向即被標記為放射源所在位置，屏蔽罩繼續隨著電機旋轉，進一步確認放射源的方向位置。其工作原理類似雷達在進行掃描工作。電機的轉動速率根據光電倍增管的輸出的變化程度自動調節，以適應準確、快速放射源方位的辨別需要。

一種應用在如上述的機器人上的防輻射損傷算法，其具體算法如下：

當0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

當0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

當E0＜0.15MeV時，輻射射線的外照射可忽略；

其中D為屏蔽材料的厚度(cm)；E0為欲防護輻射射線的最大能量(MeV)；ρ為屏蔽材料的密度。在實際工作中，根據輻射源種類，採用不同的屏蔽材料。例如，β輻射常採用低原子序數的鋁或有機玻璃；X、γ射線常採用高原子序數的鉛、鐵或經濟實用的混凝土等材料；中子則採用原子序數較低而含氫較多的物質，如石蠟等。

以上所述使本發明的優選實施方式，對於本領域的普通技術人員來說不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也應視為本發明的保護範圍。