一种适用于核电站使用的耐辐照彩色广角摄像机的设计方案研究.docx

一种适用于核电站使用的耐辐照彩色广角摄像机的设计方案研究 摘 要：当前，基于CCD、CMOS摄像机的图像质量已经可以很好地满足现代核工业领域发展需求，对于核电站领域的发展来说有着非常重要的作用。本研发成果旨在深入研究基于核电站耐辐射电视监视系统在核电厂的应用，在调研总结国内相关技术的基础上，研究和设计一款国产化彩色耐辐射电视摄像系统，可用于国内核设施以及大型先进压水堆工程的耐辐射电视监视系统。 关键词：核电站；耐辐照；彩色广角摄像机；设计 中图分类号：TB89 文献标识码：A 文章编码：1672-7053（2017）07-0137-02 Abstract：At present， based on CCD， the image quality of CMOS camera can be very good to meet the requirements of the development of modern nuclear industry， the development of the nuclear power field plays a very important rt video surveillance system based on nuclear power plants in the nuclear power plant to the research results， summarizes the domestic and related technology research on the research and design of a domestic color TV camera system radiation resistance， can be used for domestic nuclear facilities and large-scale advanced PWR engineering anti radiation TV monitoring sysce； color wide-angle camera； design 1耐辐照彩色广角摄像机设计概况 1.1设计目的 近年来，我国现代核工业领域在发展过程中主要以摄像管作为电视摄像系统的图像传感设备。这种摄像机的优缺点非常明显，其中的优点主要为：耐辐照性能较强，在?际使用过程中可以其的耐辐射可达到（TID=105106Gy），对于现代的核工业领域的发展来说起到了非常重要的作用。然而，这种摄像机在实际应用过程中常常会因为多种原因导致其中存在着一定的不足，主要体现：使用寿命较短，摄像管的寿命通常只有数千小时，目前仅有的几个供应商提供的摄像管在5000-10000小时间，无法满足现代核工业设备的续运行要求。 1.2设计内容 以核电站现有的监视系统为基础对核电站中辐照现状、设备运行状况等方面进行深入研究，并根据所得结果制定出一套科学、合理的设计方案，只有这样才能从根本上提升摄像机的耐辐照能力，满足现代核工业发展的需求。另外，通过对彩色广角耐辐照摄像机的研究还可以将核电站中现有的电视监控系统进行全方面优化，并将其在一些大型的核电站工程中应用，只有这样才能将彩色广角耐辐照摄像机的真正功能价值体现出来。 通过对光电部件、光学镜头、屏蔽结构等方面的研究，设计并通过试验验证，设计的彩色耐辐射摄像机经测试至少应能够达到3.5104Gy =3.5 106radCo60的累积辐射剂量。同时，图像性能满足“GB50115-2009工业电视系统工程设计规范”的要求，耐辐照性能达到或超过同行业进口同类产品的水平，能满足多个堆型核电站耐辐照电视监控系统的技术要求。 2耐辐照彩色广角摄像机设计实施方案 2.1电子部件核加固 普通CCD、CMOS摄像电路一般能承受辐照200Gy，通过对电子元器件进行大量筛选，采用耐辐照性能更好的元器件和电路，提升摄像机光电部件的本质耐辐照性能。现代摄像系统通常由镜头（Lens）、图像传感器（CCD）、AFE/DSP（数字图像处理器）等几个核心单元辅以外围电路元件构成，对CCD和AFE/DSP单元的筛选是本次电路优化设计的关键，在筛选过程中我们应坚持的原则是：电路越简单越可靠、越是分立元件越可靠。经筛选并优化设计后，所选用的摄像机CCD光电部件经测试后的耐辐照性能达到了1000Gy时，已达到普通一体机芯耐辐照的5倍。 2.2屏蔽结构的优化 在辐射防护技术中，我们通常用“半价层”和“十分之一价层”的厚度来体现某种材料的防辐射能力。理论上讲，虽然各种材料对射线的衰减系数不同，但只要具有足够厚度，任何材料均能将辐射衰减到目标强度。但工程项目中需要综合考虑体积、重量、均匀性、可靠性、可行性等问题。因此我们在选取屏蔽材料时，一般优先选择更高半价层的钨和铅。其中相较于钨，铅更具价格优势，因此最被广泛应用；而与铅比较起来，钨的优势是对高频率射线的屏蔽效果更好、更坚固、稳定、清洁环保，因此被更多的应用于医疗、高端制造业。 根据公式： I/I0=Be-R 其中，比值I/I0称为射线衰减倍数；B为累积因子，由射线的能量、介质种类及状态等条件决定的；R为吸收体厚度；为衰减系数，单位为cm-1。公式中所需的和B可以通过查表获得。经计算得到屏蔽材料厚度与设备尺寸及重量的关系请参见表1。 通过上表的计算结果进行对比及综合分析，在合适的体积和重量下，采用4cm左右的钨作为屏蔽外壳是综合性能最佳的方案。 2.3非褐化广角潜望镜头设计 镜头设计的核心是采用耐辐照性能更好的光学材料研制镜头，通过光学设计弥补辐射屏蔽的结构缺陷，提升整机耐辐照性能，使得镜头在很高的辐射剂量下也不会发生褐变。如图1所示，通过耐辐射光学镜片、成熟的光学工业设计，得出一种L形90度折弯，具有潜望成像结构的耐辐照镜头，将镜头取景口前移至摄像机取景窗，因此摄像机的视角可被设计为15度至180度，不受屏蔽壳的限制和遮挡。 3耐?射照彩色广角摄像机的技术特点 3.1 90广角镜头 有些场合没有足够空间安装云台变焦摄像机，90广角镜头解决了在狭小空间全景监视的需要；配置90广角镜头的摄像机，不必再配置云台和变焦镜头，省却了很多传动部件和机电设备，结构更简单，可靠性更高，可以有效的保证核工业的使用安全。 核电站、核设施里有很多需要视频监视的狭小隔间，90广角监视可以为用户提供尽可能完整的场景图像，也有利于记录更多的图像信息便于在日后追溯。 3.2耐辐照能力达3.5104Gy 通过测试，本次研发的摄像机耐辐照性能非常优异。对比进口同类型产品，在更小体积、更轻重量的条件下，实现耐辐照性能提升一倍多，耐辐照累积剂量达到3.5104Gy。 基于本次设计的耐辐照镜头口径远小于同类型产品，摄像机在屏蔽外壳上的视窗开孔很小，因此辐射屏蔽缺陷区相对其他同类型产品小很多。 3.3可扩展性 本次设计中，耐辐照摄像机机芯较其它进口品牌同类型产品体积更小，因此屏蔽厚度较其它产品增加了10-20mm，这使得摄像机有更厚的屏蔽层用于提升摄像机的辐照防护能力，因此使其在实际应用中的适用性更加广泛，并取得了良好的成绩。 本次设计的耐辐照摄像机是在采用工业级光电元件的基础上实现了设计目标，如换用军工级和航天级光电元件后性能将进一步提升，因此其在后续仍有很大的提升空间。 4国内外耐辐射照摄像机技术对比 目前采用同类技术的主流国外制造商包括：美国Mirion （原IST-Rees） 、 俄罗斯Diakont、 瑞典Ahlberg，以下是关键技术差异对比表参见表2。 本次设计成果较几个国际主流品牌在耐辐照性能上具有较大优势，且在摄像机镜头上也具有独特性，填补了相关产品的空白。在国内同类型产品的横向比较中，本次成果的优势也非常明显。 5设计成果作用意义与推广应用前景 国际原子能机构预测，到2030年全球的核电发电量将实现翻倍；国务院常务会议2012年10月24日讨论通过的核电安全规划（2011-2020年与核电中长期发展规划（2011-2020年），明确中国未来核电站建设采用全球最高的安全标准，同时规划到2020年中国核电运行容量和在建规模容量共计8800万千瓦。 截至2016年底，我国在建和在运行核电机组已达55台。按照单机组投用耐辐照摄像机8台估算，我国全部核电站在投入运行后须有近400余台耐辐照摄像机同时在线运行。假设国产耐辐照摄像机较同类进口产品的平均采购成本低10万元人名币，如果按照每1-2个换料周期更换一次耐辐照摄像机计算，仅投用国产耐辐照摄像机每年将节省采购开支就达2000万元人名币。 6结语 本文对适合核电站使用的耐辐照彩色广角摄像机的设计进行了简单的研究，并提出了一套完整的设计思路和设计方案，通过试验验