本發(fā)明涉及放射源探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種智能放射源探尋與處置機(jī)器人以及應(yīng)用在該機(jī)器人上的防輻射損傷算法。

背景技術(shù)：

美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)40年代就已經(jīng)展開(kāi)了核環(huán)境下機(jī)器人技術(shù)的研究工作。隨著核工業(yè)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域的機(jī)器人控制技術(shù)及功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行放射源搜尋方面的相關(guān)研究。

1983年日本啟動(dòng)核探測(cè)機(jī)器人研究計(jì)劃，截至2000年累計(jì)投資近250億元，研制開(kāi)發(fā)核電站救災(zāi)的機(jī)器人，先后生產(chǎn)六臺(tái)機(jī)器人。其中比較知名的MoniRobo-A和MoniRobo-B兩臺(tái)機(jī)器人，經(jīng)常被用于監(jiān)測(cè)核事故周邊區(qū)域的輻射劑量。MoniRobo機(jī)器人配有用于移除障礙物和抓取放射物的機(jī)械臂，采用遙控方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)具備輻射探測(cè)、拍照錄像、溫濕度檢測(cè)以及輻射區(qū)域樣品收集和檢測(cè)可燃?xì)怏w等功能。日本原子能機(jī)構(gòu)(JAEA)研發(fā)了另外一組輻射檢測(cè)機(jī)器人RESQ。RESQ機(jī)器人能夠獲取環(huán)境輻射的詳細(xì)信息，如β、γ射線和中子劑量水平等數(shù)據(jù)。日本制造和科學(xué)技術(shù)中心(MSTC)的機(jī)器人MENHIR能夠在強(qiáng)輻射環(huán)境中工作，并且進(jìn)行樣本采集，其抗輻射能力也得到大大加強(qiáng)。另一款由日本千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的Quince機(jī)器人，是專為礦難、地震等災(zāi)害的搜索和救援工作設(shè)計(jì)的經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)、改裝和大量的測(cè)試后，Quince的所有電子元器件都經(jīng)過(guò)防輻射加固處理，可在100mGy/h的輻射環(huán)境下工作100小時(shí)左右。

美國(guó)典型的輻射檢測(cè)機(jī)器人有iRobot公司的Warrior和PackBot機(jī)器人，QinetiQ公司的Talon和Dragon Runner機(jī)器人。其中PackBot是一款軍用機(jī)器人，由于其高耐福射性，用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)福射量，通過(guò)數(shù)百米長(zhǎng)光纖傳回現(xiàn)場(chǎng)圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)；Warrior機(jī)器人用于清理放射性碎石；Talon機(jī)器人利用搭載的全球定位系統(tǒng)繪制事故現(xiàn)場(chǎng)的放射線量分布圖；Dragon Runner機(jī)器人實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和勘測(cè)。2011年4月17日，在遭遇核泄漏事故的日本福島核電站搶險(xiǎn)中，日本首次把Warrior和PackBot機(jī)器人送往強(qiáng)輻射區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控和輻射水平檢測(cè)。

英國(guó)國(guó)防科技公司的TALON機(jī)器人在加裝了美國(guó)能源部愛(ài)達(dá)荷州核實(shí)驗(yàn)室的繪制輻射劑量分布圖系統(tǒng)后被提供給了日本，參與了日本核電站的處理工作。用作輻射檢測(cè)機(jī)器人的TALON裝上了JAEA的機(jī)器人控制和動(dòng)力平臺(tái)RC-1。RC-1平臺(tái)包括控制單元、防輻射操控箱、γ射線成像儀、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、遙感器、激光3D成像儀和紅外相機(jī)，操作人員可以得到平臺(tái)附近的環(huán)境三維圖像以及γ射線的二維圖像。

瑞典設(shè)計(jì)生產(chǎn)的布魯克(Brokk)遙控多功能拆除機(jī)器人，采用電液式驅(qū)動(dòng)，具有多種可靈活替換的末端工具，有多種拆除和搬運(yùn)作業(yè)方式，易于維護(hù)和抗輻射加固，目前己被應(yīng)用在核反應(yīng)堆堆芯區(qū)高輻射劑量的工作場(chǎng)合。2006年9月，由俄羅斯和瑞典聯(lián)合研制的移動(dòng)機(jī)器人Bobik被用于Kola peninsula中的核輻射監(jiān)測(cè)。

2005年，法國(guó)HYTEC公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的核監(jiān)測(cè)機(jī)器人和管道檢測(cè)與維修機(jī)器人都具有較高的技術(shù)含量。該公司可提供核輻射監(jiān)測(cè)儀器和成套核輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及多種適合于管道檢測(cè)與維修機(jī)器人。最近，法國(guó)INTRA集團(tuán)(Robot iC InterventiOR on AccidentS)選用VxWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)出新系列放射性物質(zhì)清除機(jī)器人ERASE、ERELT及EBENNE。ERASE機(jī)器人配有攝影機(jī)和射線傳感器，可用放射性事故現(xiàn)場(chǎng)的清除作業(yè)。EBENNE機(jī)器人是配有攝影機(jī)、照射燈及伽瑪射線偵測(cè)器的傾卸車，可長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行精確的遙控操作：ERELT機(jī)器人裝有伸縮天線以及中繼無(wú)線電，可以在ERASE、EBENNE與控制中心之間擔(dān)任中繼傳輸站的功能，確?？刂浦行呐c事故現(xiàn)場(chǎng)間，確保操控人員的安全。

我國(guó)在核領(lǐng)域機(jī)器人方面的研究開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)90年代初，依托于中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、核工業(yè)第二研究設(shè)計(jì)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)和西安電子科技大學(xué)等多數(shù)科研院所和高校的技術(shù)實(shí)力。在此期間，我國(guó)機(jī)器人工業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，并進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)對(duì)核應(yīng)急機(jī)器人的研究。我國(guó)在核應(yīng)急機(jī)器人方面相對(duì)國(guó)外同行起步略晚，當(dāng)前輻射監(jiān)測(cè)與事故的應(yīng)急處置方面主要有人工作業(yè)、遙操作機(jī)械手和引進(jìn)國(guó)外機(jī)器人作業(yè)等幾種方式。上海交通大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所及哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(guó)從事生產(chǎn)、銷售、使用放射性同位素和射線裝置的單位共65,266家：生產(chǎn)、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(chǎn)、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(tái)。各省、自治區(qū)、直轄市城市放射性廢物庫(kù)已收貯廢舊放射源30,525枚，已轉(zhuǎn)運(yùn)或收貯至國(guó)家放射源集中暫存庫(kù)的廢舊放射源共104,890枚。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(jìn)入重啟階段。其中，中國(guó)引領(lǐng)了這一波的建設(shè)風(fēng)潮。2015年全球新增10座反應(yīng)堆并網(wǎng)發(fā)電，其中中國(guó)就有8座。中國(guó)目前已將核電站建設(shè)作為經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的主要政策之一。中國(guó)核電建設(shè)正在加速。2015年，中國(guó)共有8臺(tái)核電機(jī)組獲批。截至2015年底，中國(guó)已建成并投入運(yùn)營(yíng)的核電站有以下11座，投入運(yùn)行的核電機(jī)組共30臺(tái)，在建的為24臺(tái)。中國(guó)首艘海洋核動(dòng)力平臺(tái)即將在中船重工集團(tuán)旗下渤船重工進(jìn)行總裝建造，而中船重工未來(lái)將批量建造近20座海洋核動(dòng)力平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)批量建造后，每年將形成上百億的核動(dòng)力裝備制造產(chǎn)值，并帶動(dòng)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展，用5年時(shí)間打造成國(guó)內(nèi)最強(qiáng)的海洋核動(dòng)力平臺(tái)產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

隨著放射源的廣泛應(yīng)用及核電事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于核領(lǐng)域機(jī)器人的需求越來(lái)越迫，尤其是耐輻射可實(shí)現(xiàn)放射源尋蹤、定位、劑量探測(cè)及處置的智能型機(jī)器人。目前，在我國(guó)對(duì)高危強(qiáng)輻射環(huán)境及高放物資的監(jiān)管和處置還是社會(huì)效益遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益的事情。我國(guó)輻射監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置機(jī)器人工程化水平不夠，多數(shù)尚停留在基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)階段，沒(méi)有形成專業(yè)的工程實(shí)施隊(duì)伍；研發(fā)力量針對(duì)核環(huán)境的監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品基本處于空白階段，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化；輻射監(jiān)測(cè)方式和應(yīng)急策略沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可操作性；另外，現(xiàn)有的核應(yīng)急機(jī)器人其自身的耐輻射性也遇到了瓶頸，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在核輻射環(huán)境下工作，它對(duì)放射源探測(cè)、定位精度也存在著誤差較大的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種智能放射源探尋與處置機(jī)器人，能提高自身的耐輻射性，使得能長(zhǎng)時(shí)間在核輻射環(huán)境下工作。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種智能放射源探尋與處置機(jī)器人，包括有能移動(dòng)的載體，在所述載體上設(shè)置有放射源方位探測(cè)探頭，用于探測(cè)輻射源，所述放射源方位探測(cè)探頭包括有輻射屏蔽裝置、探測(cè)準(zhǔn)直窗和探測(cè)機(jī)構(gòu)。

作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述放射源方位探測(cè)探頭為多蓋革管陣列式方位探測(cè)器，包括有16個(gè)蓋革計(jì)數(shù)管、輻射屏蔽裝置、第一探測(cè)準(zhǔn)直窗和第一探測(cè)機(jī)構(gòu)，所述輻射屏蔽裝置由不銹鋼材質(zhì)制成，所述第一探測(cè)機(jī)構(gòu)包括有8個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成相同的輻射探測(cè)區(qū)，每個(gè)輻射探測(cè)區(qū)內(nèi)由兩個(gè)蓋革計(jì)數(shù)管間隔一定距離并排固定，同時(shí)每個(gè)輻射探測(cè)區(qū)外圍均有一個(gè)長(zhǎng)方形的，長(zhǎng)度略小于蓋革計(jì)數(shù)管的第一探測(cè)準(zhǔn)直窗。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述放射源方位探測(cè)探頭為雷達(dá)掃描式閃爍探測(cè)器，主要由可旋轉(zhuǎn)的輻射屏蔽罩、第二探測(cè)準(zhǔn)直窗和第二探測(cè)機(jī)構(gòu)組成，所述第二探測(cè)機(jī)構(gòu)包括了帶碼盤的直流電機(jī)、閃爍晶體、光電倍增管及其數(shù)據(jù)采集電路，所述輻射屏蔽罩由不銹鋼材料制成，所述第二探測(cè)準(zhǔn)直窗采用蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述閃爍晶體選用NaI晶體。

一種應(yīng)用在如上述的機(jī)器人上的防輻射損傷算法，其具體算法如下：

當(dāng)0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

當(dāng)0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

當(dāng)E0＜0.15MeV時(shí)，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(hù)輻射射線的最大能量(MeV)；ρ為屏蔽材料的密度。

作為本發(fā)明的具體技術(shù)方案，所述屏蔽材料可以為不銹鋼、鋁、有機(jī)玻璃和鉛等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)設(shè)置該輻射監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置機(jī)器人，使得輻射監(jiān)測(cè)與事故應(yīng)急的處置能力提升，是我國(guó)放射源應(yīng)用及核電產(chǎn)業(yè)安全可持續(xù)發(fā)展的有力保障。長(zhǎng)期來(lái)看研制自主產(chǎn)權(quán)的核應(yīng)急處置機(jī)器人及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還關(guān)系到核能行業(yè)的長(zhǎng)期安全發(fā)展，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有一定意義。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中多蓋革管陣列式方位探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例中雷達(dá)掃描式閃爍探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1和圖2對(duì)本發(fā)明中智能放射源探尋與處置機(jī)器人的實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，實(shí)施例一為一種智能放射源探尋與處置機(jī)器人，包括有能移動(dòng)的載體，在所述載體上設(shè)置有放射源方位探測(cè)探頭1，所述放射源方位探測(cè)探頭為多蓋革管陣列式方位探測(cè)器，包括有16個(gè)蓋革計(jì)數(shù)管2、輻射屏蔽裝置3、第一探測(cè)準(zhǔn)直窗4和第一探測(cè)機(jī)構(gòu)5，所述輻射屏蔽裝置由不銹鋼、鉛和有機(jī)材料等制成，所述第一探測(cè)機(jī)構(gòu)包括有8個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)及構(gòu)成相同的輻射探測(cè)區(qū)51，每個(gè)輻射探測(cè)區(qū)內(nèi)由兩個(gè)蓋革計(jì)數(shù)管間隔一定距離并排固定，同時(shí)每個(gè)輻射探測(cè)區(qū)外圍均有一個(gè)長(zhǎng)方形的，長(zhǎng)度略小于蓋革計(jì)數(shù)管的第一探測(cè)準(zhǔn)直窗4。射線經(jīng)由準(zhǔn)直窗口入射，當(dāng)同時(shí)穿過(guò)同一探測(cè)區(qū)內(nèi)的兩個(gè)蓋革管時(shí)，被認(rèn)為是射線的入射方向，其他任何單管的脈沖輸出不計(jì)入方向脈沖，只作為總劑量脈沖對(duì)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，輸出脈沖分別為方向脈沖和總劑量脈沖。在放射源方位判定時(shí)，需要對(duì)兩路輸出脈沖進(jìn)行綜合分析比對(duì)。

實(shí)施例二為另外一種機(jī)器人的實(shí)施方式，其探測(cè)器為一種雷達(dá)掃描式閃爍探測(cè)器，主要由可旋轉(zhuǎn)的輻射屏蔽罩6、第二探測(cè)準(zhǔn)直窗7和第二探測(cè)機(jī)構(gòu)組成，所述第二探測(cè)機(jī)構(gòu)包括了帶碼盤的直流電機(jī)8、閃爍晶體9、光電倍增管10及其數(shù)據(jù)采集電路，所述輻射屏蔽罩由不銹鋼材料制成，所述第二探測(cè)準(zhǔn)直窗采用蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述閃爍晶體選用NaI晶體。工作時(shí)，閃爍晶體和光電倍增管固定，輻射屏蔽罩6由直流電機(jī)8帶動(dòng)按一定速率旋轉(zhuǎn)，當(dāng)光電倍增管的輸出急劇變化時(shí)，探測(cè)準(zhǔn)直窗所在的方向即被標(biāo)記為放射源所在位置，屏蔽罩繼續(xù)隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步確認(rèn)放射源的方向位置。其工作原理類似雷達(dá)在進(jìn)行掃描工作。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率根據(jù)光電倍增管的輸出的變化程度自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)準(zhǔn)確、快速放射源方位的辨別需要。

一種應(yīng)用在如上述的機(jī)器人上的防輻射損傷算法，其具體算法如下：

當(dāng)0.8MeV＜E0＜3MeV，D＝(0.541×E0-0.133)/ρ；

當(dāng)0.15MeV＜E0＜0.8MeV，D＝0.407×E01.38/ρ；

當(dāng)E0＜0.15MeV時(shí)，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(hù)輻射射線的最大能量(MeV)；ρ為屏蔽材料的密度。在實(shí)際工作中，根據(jù)輻射源種類，采用不同的屏蔽材料。例如，β輻射常采用低原子序數(shù)的鋁或有機(jī)玻璃；X、γ射線常采用高原子序數(shù)的鉛、鐵或經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混凝土等材料；中子則采用原子序數(shù)較低而含氫較多的物質(zhì)，如石蠟等。

以上所述使本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。