便携式γ射线照射装置质量特性设计与测试_李莉.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-04-04便携式 射线照射装置质量特性设计与测试李 莉，丁雨阳，王子琳，寇宁宁，陈义珍，高 飞(中国原子能科学研究院，中核核工业计量与测试技术重点实验室，北京102413)摘要：便携式射线照射装置主要用于辐射剂量仪校准，能够提供便携式参考辐射场对射线辐射监测仪进行辐照。便携式射线照射装置作为工程样机需要在特定环境下使用，其质量特性尤为重要。重点研究对便携式照射装置的可靠性、维修性、环境适应性的设计与测试；实验表明，便携式射线照射装置可靠性满足MTBF2 000 h的要求，维修性满足MTTR3 h的要求，能够在-2045 下贮存，在-1045 下工作，相对湿度为25%75%，可解决固定式X、辐射剂量仪的现场校准难题，提高监测数据的准确性，为核设施的安全运行、事故预警和应急监测提供计量技术保障。关键词：便携式射线照射装置；质量特性；现场校准中图分类号：TL72文献标志码：A文章编号：1004-4507(2023)03-0068-11Study on Quality Characteristics of Portable GammaRay Irradiation DeviceLI li，DING Yuyang，WANG Zilin，KOU Ningning，CHEN Yizhen，GAO Fei(China Institute of Atomic Energy，National Key Laboratory for Metrology and CalibrationTechniques，China National Nuclear Corporation Key Laboratory of Metrology and MeasurementTechnology，Beijing 102413，China)Abstract:Portable-ray irradiation device is mainly used for calibration of-ray radiation dosimeter，which can provide portable reference radiation field to irradiate-ray radiation monitor.Portable-rayirradiation device as an engineering prototype needs to be used in a specific environment，and itsquality characteristics are particularly important.In this study，the reliability，maintainability andenvironmental adaptability of portable irradiation device were designed and tested.The experimentshows that portable ray irradiation device reliability meets the requirements of MTBF 2000 h，maintainability meets the requirements of MTTR 3 h，can be stored under-2045，-1045 working，relative humidity is 25%75%，can solve the problem of fixed X，radiation dosimeter电子专用设备研究68（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图2照射装置外形尺寸及内部剖面图固定式 X、辐射剂量仪广泛分布在核反应堆运行、核废物后处理、放射性废物治理过程中，用于核设施运行保障、核事故预警、应急监测和人员防护1。然而，固定式 X、辐射剂量仪校准检定受拆卸条件的限制很难保障监测数据的准确性、难以准确反映核设施的运行状态，对设备的安全运行构成威胁。便携式照射装置能够解决固定式X、辐射剂量仪现场校准难题，便携式照射装置工程样机的研制能够较好地解决核设施内部及周围固定式 X、辐射剂量仪的送检难题，为核设施的安全运行、事故预警和为应急监测提供计量技术保障，提高检测数据准确性2。便携式照射装置作为需要在特定环境下使用的工程样机，其质量特性指标尤为重要。因此本文针对便携式 照射装置的可靠性、维修性及环境适应性三项质量特性指标的设计与测试验证进行论述。1便携式照射装置便携式照射装置主要用于 辐射剂量仪校准，能够提供便携式参考辐射场3，由放射源（137Cs）、散射腔、屏蔽体外壳及准直光阑组成。整机具有 辐射剂量仪校准功能，装置实物图如图 1 所示，照射装置主体为 32 面结构体，外部由 3 mm 厚的 304 不锈钢包覆，内部为铅屏蔽体，正面与侧面分别有照射口屏蔽塞和抽拉快门，后面装有电源盒，上部有一升降快门，装置中心位置有一散射腔，沿散射腔至照射出口方向有 4 片尺寸不等的钨合金光阑。照射装置外形尺寸为 146 mm177 mm192 mm（宽深高），图 2 为其外形尺寸图和内部剖面图。本文主要论述了便携式照射装置的产品化研究，在保证计量性能前提下，提升其通用质量性能。2质量特性优化设计为使研制的便携式照射装置能够携带至现场开展量值传递，便携式照射装置不仅要具有较好的计量性能，还需要满足一定的质量通用性能指标，如环境适应性，包括高低温以及抗振动冲击跌落能力、维修性及可靠性。calibration，improve the accuracy of monitoring data to provide metering technical support，for thesafe operation of nuclear facilities，accident warning and emergency monitoring.Key words:Portable gamma ray irradiation device；Quality characteristic；Field calibration图1便携式照射装置及包装箱实物图192 mm147 mm146 mm139 mm177 mm铅屏蔽源堵-铝提升快门光阑-钨合金屏蔽塞-钨合金抽拉快门-钨合金放射源139 mm13 mm电子专用设备研究69（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 20232.1可靠性设计2.1.1基本假设不考虑便携式照射装置中非电子产品的可靠性指标分配；不考虑便携式照射装置中软件的可靠性指标分配；便携式照射装置应用环境为能够保持正常气候条件，机械应力接近于零的地面良好环境，其维护条件良好；便携式照射装置各组成单元模块寿命均以 GJB/Z 299C-2006、GJB 813-1990 和GJB 450A-2004 的公式及数据为准。2.1.2计算方法对便携式照射装置中已知种类、数量、质量等级、环境系数等因素的器件单元采用“计数法”进行基本可靠性预计，其中电子元器件主要按GJB/Z 299C-2006 电子设备可靠性预计手册 提供的相关参数和算法进行计算。对便携式照射装置中尚不能确定种类、数量、质量等级、环境系数等因素的器件单元采用“相似产品法”进行可靠性预计。便携式照射装置的基本可靠性的数学模型为：tMTBF=1ni=1i(1)i=1tMTBFi(2)式中：i为第 i 个单体器件的失效率；tMTBF为预计的整机平均故障间隔时间；tMTBFi为第 i 个单体器件的平均故障间隔时间。2.1.3基本可靠性建模便携式照射装置由屏蔽体外壳、准直光阑、散射腔和137Cs 放射源组成。根据便携式照射装置的功能和结构绘制便携式照射装置的分解结构框图如图 3 所示。对设备工作时进行任务剖面分析：由于在工作时便携式照射装置为一整体设备，上述各个单元相互协同工作，完成辐射场产生和收起的功能，如果其中一个失效，整个仪器都将无法正常工作。便携式照射装置基本可靠性模型如图 4 所示。便携式照射装置的可靠性参数是由以上可靠性模型的最大可靠度决定的，也就是说便便携式照射装置的可靠性指标是选择可靠性模型中具有最小失效率模型进行计算的。便携式照射装置的可靠性框图是串联模型。按 GJB/Z 299C-2006 电子设备可靠性预计手册 的规定，串联系统的数学模型为：R(t)=ni-1仪Ri(t)(3)设计总失效率的数学表达式为：=ni=1Ni(GQ)(4)式中：G为第 i 种元器件的通用失效率。Q为第 i 种元器件的质量系数。Ni为第 i 种元器件的数量。n 为不同元器件的种类。便携式照射装置可靠性分配选择故障率 为分配参数主要考虑 4 种因素：复杂度、技术发展水平、重要度、使用环境条件，每种因素的分值在 110之间。（1）复杂度它是根据产品组成部分的元器件、零部件数量以及他们之间组装的难易程度来评定。最复杂的评 10 分，最简单的评 1 分；（2）技术发展水平根据产品组成部分目前的技术水平和成熟程度来评定。水平最低的评 10分，水平最高的评 1 分；（3）重要度根据产品重要度来评定。重要程度最低的评 10 分，最高的评 1 分；（4）使用环境条件根据产品组成部分使用图3便携式照射装置三维剖面图屏蔽体外壳图4便携式照射装置基本可靠性建模便携式照射装置准直光阑散射腔137Cs屏蔽体外壳准直光阑散射腔137Cs电子专用设备研究70（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023的环境条件恶劣情况来评定。工作过程中会经受极其恶劣而严酷的环境条件的评 10 分，环境条件相对最好的评 1 分。根据便携式照射装置可靠性框图，对主要组成部分进行评分，评分结果如表 1 所示。（4）引用数据及计算结果根据便携式照射装置评分结果和公式 5、6，可以得出每个单元的评分系数：Ci=i/(5)=ni=1i(6)式中：Ci为第 i 个产品组成单元的评分系数；i为第 i 个产品组成单元的评分数；为产品的总评分数；i 为产品组成单元数。根据便携式照射装置的可靠性模型，其分配的 tMTBF=2000 h，得出 =500(10-6 h-1)按公式(7)可以得到每个组成单元部分的故障率 i如表 2 所示。i=Ci(7)tMTBFi=1/i(8)根据公式（5.8），可以得到便携式照射装置的平均故障间隔时间分配为：tMTBF 屏蔽体外壳=500 h根据提供的便携式照射装置元器件清单，列出探测单元的失效率数据如表 3 所示。因此，可以统计出探测单元的电子控制部分的总失效率：p=1i=1Nipi=300(10-6 h-1)(9)则有：便携式照射装置=60(10-6 h-1)(10)探测单元结构件，其机械应力的失效率忽略不计，不纳入计算当中，便携式照射装置平均故障间隔时间预计为：tMTBF 便携式照射装置=1/(30010-6)3333.33 h(11)满足便携式照射装置的 tMTBF 屏蔽体外壳500 h的可靠性指标要求。便携式照射装置平均故障间隔时间 tMTBF预计3 333.33 h。因此，便携式照射装置满足平均故障间隔时间 tMTBF2 000 h 的技术指标要求。便携式照射装置在确保满足其功能，同时又不会给其元器件、零部件造成过高应力的情况下，按“简单、可靠、易维修”的原则进行简化设计。简化设计的过程主要从以下几个方面着手：（1）减少硬件数量，采用集成电路和高度集成的核心板；（2）压缩元器件、零部件和设备的品种、规格、厂家；（3）采用数字电路实现模拟电路的功能。2.2维修性设计2.2.1维修性建模根据对便携式照射装置各设备维修级别的分析及维修性指标的要求，便携式照射装置的维修性工作涉及准直器部分。其维修性数学模型为：tMTTR=ni=1iMcti/ni=1i(12)式中，Mcti为第 i 个设备的平均修复时间；i为第 i 个设备的故障率。2.2.2维修性分配便携式照射装置的平均修复时间 tMTTR3 h，便携式照射装置各部分的 tMTTR及失效率已预算出来，即可进行初步维修性指标分配，将便携式照射装置平均修复时间分配至各个部件。此处采用加权因子分配法，将分配时考虑的因素转化为加权因子，按加权因子分配。这种方法在方案阶段后期及工程研制阶段都是适用的。表1便携式照射装置评分结果组成屏蔽体外壳复杂度6技术水平9重要度9环境条件5评分数2430表2按执行任务的分配结果组成便携式照射装置合计评分系数Ci11各模块分配的 i/(10-6 h-1)500500tMTBFi/h2000表3探测单元元器件失效率数据元器件类型激光准直器单只失效率pi/(10-6 h-1)60数量（只）1分类失效率Nipi/(10-6 h-1)60电子专用设备研究71（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023本分配采用 GJB/Z 57-1994 维修性分配与预计手册 中的方法 103，按故障率和设计特性的综合加权分配法进行分配。步骤一，计算各分设备加权因子平均数K，公式：K=mjkjm(13)式中，kj为维修性加权因子之和；m 为系统包含的分系统（设备）个数。其中加权因子的确定参照 GJB/Z 57维修性分配与预计手册中给出的一种加权因子确定方法，如表 4 所示。计算加权因子平均数K，如表 5 所示。表4考虑4种因子的参考值类型自动半自动人工人工类型插拔卡扣螺钉焊接因子 ki113510因子 ki31246说明自动使用 BIT人工使用 BIT人工用检测设备人工逐点说明印制板插拔卡扣式模块需上下螺钉需焊接类型直接简单困难十分类型不调微调联调-因子 ki21248因子 ki4135-说明无遮盖能快速拆除遮盖还需上、下螺钉还需 2 人以上拆除说明无需调整内部调整与外部电路调整-可更换因子 ki3可调整因子 ki4故障诊断与隔离因子 ki1可达性因子 ki2表5加权因子平均数计算序号1部件准直器故障诊断与隔离因子3可达性因子2可更换因子4可调整因子3合计 kj1212计算后的加权因子平均K-步骤二，计算修复时间综合加权系数，公式：j=kjk i(14)式中，j为修复时间综合加权系数；j为部件故障率；为设备平均故障率。步骤三，计算各系统（设备）的 MTTR 值，公式：Mcti=Mctj(15)式中，Mct为设备要求的修复时间；Mcti为部件分配的修复时间。将上述公式代入，也可用式(16)计算分配：Mcti=kini=1iini=1kiMct(16)2.2.3维修性预计便 携 式 照 射 装 置 维 修 性 预 计 采 用 GJB/Z57-1994维修性分配与预计手册中的方法 202“功能层次预计法”的平均修复时间计算模型进行预计。若便携式照射装置由 n 个可更换单元组成，每个可更换单元的故障率和相应的平均修复时间为已知，则整机的平均维修时间为：Mct=ni=1iMctini=1i(17)式中，i为第 i 个单元的平均故障率；Mcti为第 i 个单元出故障的平均修复时间；n 为可更换单元总数。便携式照射装置维修预计值见表 6 所示。便携式照射装置维修性预计值为：Mct=ni=1iMctini=1i=8333.3253333.33=2.5(18)（未完待续）电子专用设备研究72