核工业机器人系统中辐照加固技术研究
【摘 要】核设施的在役检查与维修，往往涉及强辐射性场所， 因此，需要对核工业机器人系统进行辐照加固技术研究，提高机器人在核工业高辐照环境下的可靠性，提升我国在核工业技术方面的技术能力。
【关键字】强辐射;辐照加固
中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0008-005
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.002
Research on Radiation Reinforcement Technology in Nuclear Industry Robot System
XIN Lu CHEN Kai
（CNPO，CHINA WUHAN，Wuhan Hubei 430000，China）
【Abstract】In-service inspection and maintenance of nuclear facilities often involve highly radioactive sites.Therefore，it is necessary to carry out research on radiation reinforcement technology of nuclear industry robot system to improve the reliability of robots in high radiation environment of nuclear industry and enhance China"s technical capability in nuclear industry technology.
【Key words】Strong radiation;Irradiation reinforcement
0 引言
隨着我国核工业化进程的不断发展，伴随而来的是核设施的老化、故障等问题，这些都需要大量的机器人进行在役检查和维修工作。其中，往往涉及强辐射性场所，有的甚至水下进行，操作者难以接近，这些都会给检查与维修工作带来很大的困难。切尔诺贝利核电站、福岛核电站等核事故的应急处理中，投入了各种功能、型号的机器人，其中不少机器人就因为强辐射环境对机器人系统损害而被迫退出或停留在事故现场。
因此，需要对核工业机器人系统进行辐照加固技术研究，提高机器人在核工业高辐照环境下的可靠性，提升我国在核工业技术方面的技术能力。同时，有助于打破国外技术垄断、满足国家核电和核科学技术可持续发展要求，对提高核科技工业的自动化水平、增强核安全和应急处理能力、保护工作人员的健康和安全，以及构建和谐社会主义社会都有积极和重大的社会意义[1]。
1 辐照加固技术系统总体介绍
核工业机器人中机电系统是最薄弱的环节，因此，机电系统的辐射加固技术是保障机器人在核环境下顺利完成各项作业任务的技术关键，也是提升机器人在核环境下的技术基础。针对强辐射环境下电子电气设备容易受损的问题，重点开展机器人视觉系统、控制系统和通信系统等的抗辐射加固技术研究。
研究多层次、多种途径的抗辐射加固方法，实现不同层次之间合理分配抗辐射加固强度，应用容错控制、路径优化的方法来降低对硬件加固的要求，减小机器人系统的尺寸和重量，解决单一材料屏蔽方式带来的机器人笨重和环境适应性差的问题。
辐射加固是一项综合技术，并不是简单的选择抗辐射材料，更多的是通过合理规划机器人各功能区的布局、分布设计电路并将传感器加固等方式来实现的。针对强辐射环境下的电子元器件的工作特性，对所有处于强辐射环境下的电子设备进行平衡、合理的抗辐射设计和处理，包括：抗辐射器件的选择、抗辐射电路设计、屏蔽和辐射规避以及软硬件结合的系统抗辐射加固。模拟核应急场所的辐射环境，测量辐射强度和目标的受损参数，通过辐射环境设置（辐射源选取， 试验标准）、设备受损参数测定以及后续数据分析等辐射实验，验证加固措施[2]。
根据机电系统的耐辐射加固技术各研究点及其之间的耦合关系，制定以下技术研究方案，具体流程详见图1.
2 辐照加固技术方法
常用的辐照加固技术方法有物理屏蔽和元器件辐照加固技术。下面分别进行介绍。
2.1 物理屏蔽
核电厂停机后，主要的射线为γ射线。对于屏蔽γ粒子最有效的方式是使用原子序数高的重金属材料。其中，最常见的材料是铅，该方案会导致设备外形过大，重量太高。为减小设备外形、降低设备重量、提高屏蔽效率，通过优化的结构设计，对关键的辐照保护部位采用屏蔽复合层方式提高屏蔽效率，对支撑、传动部位采用简化和极限设计降低设备外形和重量。
抗辐射屏蔽设计是根据各类射线与物质相互作用的原理，采用合适的材料进行物理屏蔽的方法，增强主要电子系统或功能模块的抗辐射能力。其解决途径如下：应用计算和试验测量相结合的方法，针对不同类型的射线及其能量范围，选用对初始射线阻挡能力强，同时产生次级射线少的材料，或者多层复合材料，对重点器件或系统进行物理屏蔽，减少进入电子器件敏感区域的辐射能量沉积，从而提高系统的抗辐射能力。屏蔽设计要根据器件本身的抗辐射能力，通过输运计算和辐照试验，提高优化设计的屏蔽材料和结构的屏蔽效率，应用最少的屏蔽材料，使系统达到要求的抗辐射水平。
重金属由于具有较大的质核比和核外多电子层的结构，对放射线显示了突出的吸收和消散性质。传统上较多用于防护放射线的金属有Pb、Al、Ti、Mg、Cr、Ba、Fe等重金属。表1是几种在屏蔽射线方面具有突出性质的金属元素。由表1可以看出，Pb、Ba、Gd、Dy对γ-ray有较大的作用截面，因此具有较高的临界吸收能，在γ-ray防护方面将起到主要作用。
根据图中关系，随着半价层数量的增加，剂量率减少越来越小。大约在5个半价层数量后，剂量率衰减越来越少，因此，单靠增加屏蔽层厚度无法完全解决辐射加固这一问题。
2.2 器件的抗辐射加固技术
电子元器件主要采用合理选型、抗辐射评估及筛选等措施保证抗辐射性能。对于器件和系统，研究屏蔽设计的抗辐射加固措施。
针对强辐射环境下电子元器件和电气设备容易受损的问题，重点开展机器人视觉系统、控制系统和通信系统等的抗辐射加固技术研究，建立辐射防护模拟仿真平台和机器人耐辐射能力的预测评价模型，探究电子元器件的核辐射损伤机理，制定机器人不同组件部件加固方案，以及完成加固材料与工艺的实验检测和验证等工作。
针对强辐射环境下的电子系统的工作特性，从抗辐射器件的选择、抗辐射电路设计、易损器件集中布局设计和介质防护、冗余器件和冗余系统几个方面对所有处于强辐射环境下的机器人本体控制和通讯单元、搭载的监测电子设备等进行合理的抗辐射设计和处理，根据不同的部件的物理特性和工作特性，选取不同的加固方案。图3和图4是CCD和CMOS器件在辐照前和辐照后的图像对比，从图中可明显看出对器件进行辐照加固的必要性。
2.2.1 间歇技术
电子器件在非工作状态时，辐射损伤较小。针对易损伤和可靠性要求较高的驱动电路，在电子系统设计中采用间歇工作控制技术，切断不工作的电子模块的电源或降低电压。强辐射到来时，系统中的薄弱部分暂停工作，即“躲避”起来，待强辐射过去后再重新工作，从而起到保护系统的作用。同时利用路徑优化和多机器人协调作业的方式减少核应急机器人作业过程中受到的辐射剂量。
间歇控制系统组成框图详见图5，机器人接受到作业指令，转换为模块工作指令，通过逻辑判断得到不需要工作和必须工作的模块。需要工作的模块启动，任务完成后关停或降压。不需要工作的模块保持关停或降压。关停或降压状态保持到下一个作业指令到来前。
2.2.2 回避控制技术
当强核辐射被探测器感应到超过一定辐照剂量率阈值后，形成的电信号即刻发出信息处理系统，启动将待回避系统的当前状态信息（如存储器中的数据）等送入被特殊加固的存储系统暂存;并关断待回避系统的电源，延迟一段时间后，待强辐射过去后，开关自动恢复到初始状态，信息处理系统将保存的数据等信息送回原系统，使整个系统恢复工作。同理，在强辐射状况下，机器人的运动控制的调速驱动单元停止工作，机器人的运动控制由强辐射环境下可靠性极高的继电器模块暂执行，以保证机器人系统的在强辐射环境下的可靠性和其它环境下运动控制的精准性。回避控制系统组成框图详见图6。
2.2.3 冗余设计
机器人硬件控制系统进行冗余设计，利用软件数据冗余处理技术，根据“选举机制”对数据进行融合处理和分析决策，确保系统安全可靠。
冗余设计可同时通过软件和硬件的设计来实现。辐射缺陷抑制的理论基础是半导体器件辐射损伤的退火恢复效应，即辐射作用于器件产生缺陷，导致器件性能退化或失效，但是缺陷在一定的温度、偏压及时间下会有所恢复。因此，器件与系统的辐射效应退火研究对抗辐射具有重要的应用价值。首先需要通过退火试验获得器件辐射产生缺陷的退火规律与退火条件，并判断器件退火对系统性能退化的减缓作用，然后采用系统服役间歇期间退火的方法，使辐射导致的系统性能退化有所减缓，延长系统的使用寿命。
在硬件方面，通过表决电路、冷热备份等方式对系统硬件中的抗辐射薄弱环节进行冗余设计，从而提高硬件的可靠性。对于光源与视觉系统的抗辐射设计，可采用定期标定、校准的方法来弱化辐射导致的影响。对于光源，可通过标定测试，调节光源的亮度，使其保持在正常工作范围内。对于视觉系统，研究采用去除暗电流本底、增益调节、曝光调节的方法，使其在性能退化的情况下，仍然能保持一定的视觉效果。
在软件方面，对系统的关键指令、重要数据进行冗余变量、冗余存储和软件表决器设计，从而提高软件的可靠性。对于视觉系统，还需要研究基于图像处理的抗辐射措施，针对辐射导致的瞬时噪点，采用频域运输的方式，在不影响图像实时传输的条件下去除大部分瞬时噪点，弱化噪点对视觉测量和监控的影响。对于长期辐射剂量累积导致的图像对比度下降、分辨力下降等问题，研究对比度拉伸、图像锐化、反卷积等图像处理方法，使视觉系统的性能保持在一定水平。
调整参数裕量是在充分预计系统各指标正常工作范围的前提下，设计稳压、稳流及负反馈结构，以提高系统整体的抗辐射能力。
漂移补偿是在掌握辐射作用下系统关键元器件、关键模块特性参数漂移的前提下，通过特殊的主动补偿设计，使相关特性参数在辐射作用下的漂移减小，实现系统的抗辐射加固。
2.2.4 辐射加固技术验证
辐射加固风险主要为，选取器件不合理，造成系统因辐射原因瘫痪;被动抗辐射屏蔽体计算、选材不合理造成系统瘫痪;电路设计不合理造成系统不能很好的回避辐射。
具体解决途径为，对电子元器件的抗辐射机理进行研究，掌握、理解电子元器件辐射损伤原理。结合理论，在市场上精选抗辐射性能良好的器件，并进行抗辐射实验对器件筛选。制定合理的屏蔽实验方案，对系统进行防护。设计合理的回避电路，并进行统计试验，验证回避电路的抗辐射性能。
采用强辐射伽玛放射源对加固材料进行实验验证。通过正交实验方法，对机器人系统的抗辐射加固材料和加固方法进行测试验证，根据测试结果进行再次改进直至达到设计要求，可以确保加固后的机器人系统耐辐照性能和可靠性。验证方案详见图7。
3 相关实验
本文中介绍的辐照加固技术方法有物理屏蔽和元器件辐照加固技术，现通过相关实验来验证两种方法的辐照效果。
3.1 屏蔽材料辐照实验
用多种屏蔽材料对CMOS相机进行屏蔽，在五种源强情况下对相机进行测试。统计二值图中的斑点，可以获得源图片中闪光点的数量信息。考虑到CCD可能存在坏点等情况，无任何辐照条件下相机暗场图像中统计到的闪光点被用来作为参考值。各组实验结果的信息汇总于表2中。
根据实验获得数据以及实际检查的工作经验，认为图像总像素的20%为噪点时图像是失效的。通过该实验结果表2中的数据及计算表明：
（1）CMOS相机在无任何屏蔽的情况下，当γ射线的辐照剂量率达到117Gy/h时，其图像已无法满足视频检查要求。
（2）规格为108mm的铅屏蔽结构比规格为60mm的铅屏蔽结构，随着剂量率的提高其降噪效果分别为14.8%、15.2%、6.9%、32.2%、39.2%。
（3）8% TiB2/2024（挤压态）复合材料在1Gy/h到117Gy/h的表现，其降噪效果跟同等厚度的铅具有相当的可比性。
（4）8% TiB2/2024（挤压态）在540Gy/h时，复合材料的降噪效果骤降为1.3 %，可以判定为失效。值得注意的是，同等厚度的铅在540Gy/h的降噪效果也仅为14.9 %。
（5）8% TiB2/7075（挤压态）在540Gy/h时，复合材料的降噪效果骤降为0.9 %，可以判定为失效。说明不同含量的铝合金材料其屏蔽性能存在较大差异。
3.2 器件辐照实验
为满足高辐照环境检验设备研制的需要，对常用机械、电气原料及元器件同步实施辐照实验。采用60Co作为辐射源，环境温度为室温，辐照剂量率为以下5种情况：1Gy/h、8Gy/h、14Gy/h、117Gy/h、540Gy/h。在以上5种剂量率环境下分别对机电设备、连接器、零散件、直流电机及磁码盘编码器、电机插头、气缸等进行辐照测试，辐照时间到达后，目测各检测设备是否发生明显变化，如有，并拍照与标识;设备状态的检查，没有发生故障，直接进行下次实验。实验过程中，实验共有5个测试点，具体的测试点分布如下表3所示。
采用轮式小车将机电设备运到辐照室内，将采集、控制平台布置在辐照源控制室内。连接电缆与机电设备后，通过迷道及辐照室屏蔽门上部电缆贯穿件连接至外部采集、控制平台。实验机电设备布局详见图8。
每次调整机电设备在辐照室内位置后，依据辐照环境剂量的不同，机电设备及零散件吸收剂量及状态变化结论见表4。
通过本次器件辐照实验，经分析，得出以下结论：
（1）设备研制目前常用POM零件、PEEK零件、PU电缆、网线、涡流检验探头、传热管涡流检验探头、AB胶、O型圈、航插接头等在环境剂量1181Gy/h的γ射线辐照下可正常工作，整体累计剂量可达5074Gy;
（2）光电编码器、磁码盘编码器在环境剂量168Gy/h下正常工作20分钟，在γ射线辐照总剂量达到165Gy（168×0.33+109×1=165）出现运动失控，但在离开辐照环境后，可恢复正常功能。
4 结束语
机器人在核工业的有着很大的应用，辐照加固技术对机器人系统起着非常的作用。本文通过辐照加固技术的理论分析，提出了两种辐照加固技术：物理屏蔽和元器件加固，并通过相關的实验论证的辐照加固技术的效果。
【参考文献】
[1]赖祖武，《抗辐射电子学—辐射效应及加固原理》，国防工业出版社，1998.
[2]王希涛，一种辐射加固优化的核探测机器人控制系统设计，中国辐射防护研究院，2012.
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