“吸盘3”号挖泥船核子密度计改进设计万滔(长江航道局，武汉)摘　要:针对挖泥船核子密度计普遍存在精度偏低，易受环境辐射影响，辐射防护标准陆地化的问题，在分析挖泥船具体施工条件的基础上，依据测量精度、环境辐射屏蔽、辐射防护标准对挖泥船核子密度计进行改进设计。改进后在“吸盘3”号挖泥船上应用表明，测量精度达到设计要求，消除了环境辐射对测量结果的影响，辐射防护效果优异。关键词:挖泥船核子密度计;测量精度与稳定性;环境辐射;辐射防护中图分类号:　文献标志码: A　文章编号:1671-7953(2015)04-0155-03DOI:10.3963/收稿日期:2015－06－02修回日期:2015－06－12第一作者简介:万　滔(1967－)，男，硕士，高级工程师研究方向:挖泥船建造及管理E-mail:@ qq.com采用水力输送的挖泥船，挖泥的基本流程是:通过水下机具松动水下土层，在泥泵产生的真空吸力作用下，松动土层与水混合由水下吸口进入输送管系，由输送管系出口排出，输送过程全程不可视。在一定的施工能力及工况条件下，合理的混合物密度(浓度)是挖泥船高效施工的重要因素，这一参数的实时测量就显得尤为重要，核子密度计以其独特的测量原理是目前条件下测量此参数的最佳设备。但是，目前用于挖泥船的核子密度计直接由陆用环境移植到挖泥船上，没有充分考虑挖泥船的实际工况及环境条件，普遍存在下述三方面的问题。1)测量精度标准的评判问题。目前应用于挖泥船的核子密度计测量精度仍没有统一的评判标准，核素及其活度的选择具有很大的随意性，文献［1］提出根据清水计数率结合排泥管内径数据来评判挖泥船核子密度计测量精度的方法。根据此方法，对部分挖泥船核子密度计测量精度进行抽样评判，结果表明85%以上的设备无法达到其标称精度。2)环境辐射的影响问题。环境γ射线是一个客观存在的现实现象，随时空环境而发生变化，其对测量结果的影响(稳定性)［2］，相对于陆用固定环境而言，在频繁移动的挖泥船上影响会更大。而目前应用于挖泥船的核子密度计基本上没有考虑此因素的影响，经常出现零位波动，造成测量结果稳定性及精度变差。3)辐射防护标准问题。目前挖泥船核子密度计辐射防护标准基本上与陆用设备一样［3-4］，其防护标准还主要是针对射线输出器，而射线接收端则没有考虑，因而非工作状态下需要关闭放射源才能满足防护标准。但对于挖泥船而言，存在不同于陆地使用环境的情况，即船上空间狭小，人员活动密集，同时由于船舶施工过程不可避免地频繁间断，实现放射源的停工即关是不现实的。因此其防护准则及范围应大大高于陆用设备。综合考虑上述因素，对“吸盘3”挖泥船核子密度计进行改进设计，以达到消除环境辐射影响，提高射线防护能力，确保设备测量精度与稳定性的目的。1　核辐射密度测量及辐射防护1.1核辐射密度测量应用于挖泥船排泥管混合物密度测量的射线为γ射线，核素基本上是Co60和Cs137两种，γ射线虽属电磁范畴，但具有优异的粒子特性，在所测介质中基本上只沿直线传播，高能γ粒子具有很强的穿透能力。其衰减程度与所测介质(含种类，密度)、介质尺寸相关，当被测介质尺寸及性质一定时，则只与被测介质密度相关［5-6］，通用表达式为式中:目前应用于挖泥船的核子密度计，结构见图1。图1核子密度计结构γ射线到达探测器后，通过相关的技术手段转换为电信号送至信号处理系统换算成对应的密度值，信号越强，则密度值越小。由图1可见，射线探测器接收的γ射线成为两部分，一部分为射线出射装置发出的经由测量路径到达探测器的γ射线，这部分γ射线具有很强的方向性，在出射方向上形成以放射源为顶点的锥形形状。另一部分为自然环境中存在的γ射线，其方向是杂乱的，此部分γ射线可视为干扰信号，亦称本底。在空间环境相对固定的陆用场所，环境γ射线统计值近似为常数。陆用条件下是以本底计数这一概念将其对测量结果的影响尽量降到最低。但船用时，由于挖泥船施工区域频繁大范围移动，各地本底辐射存在差异，则采用此方法需要适时不断调整本底参数。而受限于船舶环境及人员条件，此要求往往难以满足。解决问题的理想方式是结合辐射防护，彻底阻隔环境γ射线到达射探测器，消除其对密度测量的影响辐射防护相对于陆用设备，挖泥船用核子密度计的辐射防护应有更高的标准，其理由为:1)空间限制。挖泥船为人员密集场所，活动空间有限，涉源设备的安装位置无法避开船上人员日常工作区域。2)人员配置。陆用单位通常配置涉源设备专门管理岗位，其管理的系统性与连续性强于挖泥船。针对挖泥船核子密度计的辐射防护，主要包括射线出射装置、密度测量管、射线接收端三部分，建议防护准则是:(1)无论射线出射通道开启或关闭，无论是否施工，射线出射器、密度测量管、射线接收端可达表面5 cm处，其辐射剂量均低于5 μSv/h。(2)射线接收端后的防护应起到双重防护作用，即对由射线出射器发出经由出射通道到射线接收端的γ射线的防护，同时阻隔环境γ射线到达射线接收器，降低其对测量结果的影响。2　“吸盘3　”核子密度计改进设计2.1基本结构及技术指标“吸盘3”核子密度计结构示意于图2。图2“吸盘3”核子密度计结构密度测量管内径850 mm，壁厚50 mm，内衬为陶瓷复合结构，密度测量范围为1.0～1.6 t/m2，射线探测器选用NaI高效探测器，有效辐照范围要求为Ф70，射线强度与计数率关系为1 μSv/h对应1 000 Hz。“吸盘3”核子密度计的改进设计，主要是通过合理选择核素的种类和活度、优化射线出射器的出射角、设置接收端防护装置，达到满足测量精度和稳定性、提高射线防护能力的目的。核子密度计改进设计的相关性能和技术指标要求如下。1)测量范围内，测量精度要求为1%。2)放射源工作寿命为10年。3)探测器端形成的有效辐射面积为Ф100。4)环境辐射形成的本底低于0.2 μSv/h。5)辐射防护标准为设备可达表面任一点的5 cm处辐射剂量低于5 μSv/设备参数配置2.2.1核素种类及活度的选择依据2.1中1)、2)两条件，根据文献［1］核素选择Co60放射源，初始清水计数率高于800，核素活度为500 射线出射器外形尺寸和出射角依据上述条件及2.1中3)～5)三条件，在屏蔽材料为铅的情况下，射线出射器外形尺寸为Ф500×500，射线通道出射角为5°探测器接收端防护设计依据本节1、2及2.1中4)、5)的4个条件，防护罩尺寸如图3。图3核子密度计防护罩尺寸2.2.4连接方式射线输出器、密度测量管、射线探测器及防护罩之间为螺栓无缝连接。3　“吸盘3　”核子密度计性能检测未装防护罩时的本底计数在108～167之间波动。安装防护罩后本底计数为0～1。清水计数为980。为了验证防护效果，在吸盘3的核子密度计工作区域附近选择了10个测量点(见图4)，在辐射通道开启、流量管空管时，用专业的核辐射检测仪检测图4中10个测量点的辐射值，分别为4.60、4.10、3.80、0.10、0.06、0.11、0.05、0.01、0.01、2.60 μSv/h。图4“吸盘3”核子密度计测量点分布4　结论从设备的性能检测结果来看，吸盘3挖泥船核子密度计的改进设计是合理的，取得了预期效果。1)对于射线探测器，防护罩基本上屏蔽了环境γ射线，消除了外在因素在设备使用过程中对测量结果稳定性的影响。2)核素及其活度的选择满足测量精度要求。3)辐射防护较为理想，为设备的安全使用创造了良好的条件。由于挖泥船施工条件恶劣、环境温度变化大，下一步还需研究射线探测器性能与温度变化的关系，建立温度补偿函数，以利进一步提高设备测量的准确性与稳定性。参考文献［1］陈建军.挖泥船产量计密度测量精度分析及放射源核素、活度选择研究［J］.船海工程，2009(4):162－165.［2］何振芸，朱　胜，黄乃明，等.世界室外γ辐射剂量率水平数据的变化及在环境监测中应予注意的问题［J］.辐射防护通讯，2001(4):3－12.［3］师光飞，朱志华，陈　辉，等.耙吸式挖泥船泥浆与管道输送的建模与仿真［J］.船海工程，2010，39(5):46－49.［4］牧　青，俞孟蕻.绞吸挖泥船输泥管路的摩擦阻力损失计算［J］.船海工程，2009，38(4):17－19.［5］华小云，陈建军.自航钢耙抓斗挖泥船的开发与设计［J］.船海工程，2013，42(3):67－69.［6］丛慧玲.实用辐射安全手册［M］.北京:原子能出版社，2005.［7］侯祖洪.放射卫生防护与管理［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，1991.［8］丁洪株.核辐射探测器［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2010.［9］汲长松.核辐射探测器及其实验技术手册［M］.北京:原子能出版社，1990.The Improved Design of Nuclear Density Meter for“Xipan 3”DredgerWAN Tao(Changjiang Waterway Bureau，Wuhan ，China)Abstract: The nuclear density meter for dredger has problems of low precision，susceptible by environmental radiation and adopting the radiation protection standards for analzing the specific construction conditions of the dredger，the design of nuclear density meter is improved for dredger according to the requirements of measurement precision，environmental radiation shielding and radiation protection application of the meter in Xipan 3 dredger shows that the measuring accuracy reaches the design requirements，the effect of environmental radiation on the measurement result is eliminated，and the radiation protective effect is words: the nuclear density meter on the dredger; measurement accuracy and stability; environmental radiation; radio protection

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