γ相机微型化设计探索

田 超 王 波 吕焕文 刘嘉嘉 夏明明

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

0 引言

放射性源项是辐射防护工作的源头，辐射防护最优化设计首先需要弄清放射性源项的位置分布及核素组成。放射性源项测量的准确性对于反映辐射屏蔽效能和人员辐射剂量方面具有重要意义。

γ相机作为一种常用γ射线成像设备，是一种能够在远距离条件下，以最直观可视的方式得到放射源的位置分布以及污染区剂量分布的显像设备，目前被广泛应用于各种核设施的辐射防护、退役去污、核事故响应、屏蔽评估、环境保护、核废物分类测量等领域。

γ相机成像可以反映监测区域内是否存在放射性以及放射性强度的空间分布，并准确判断放射性核素的种类，达到对测量区域内的放射性物质进行快速准确定位的目的。γ射线成像技术是一种更加符合ALARA原则的核辐射监测技术。

1 γ相机微型化、轻量化发展趋势

对于一般工业产品，尤其是检测仪器或相关测量产品，在满足其功能的前提下，体积及质量的发展趋势大多是微型化、轻量化，其中对部分产品的改进优化设计多为微型化或者轻量化。微型化、轻量一方面可能会带来更好的体验感，比如头戴类设备，手持类检测仪器；另一方面，对于生产制造成本和运输成本会有一定的降低。应急检测仪器或设备，相比一般工业产品，更偏向于微型化和轻量化。因为微型化、轻量化意味着一旦发生紧急情况时，特别是快速反应时间很短的突发情况，其能够实现快速布置，则具备更快的响应速度，极有可能影响事件结果走向。

根据国内外报道的众多核事故资料显示，由地震、火灾或机械故障等突发事件造成的安全事故居多。由于突发事件应急行动的急迫性，需要γ相机具备如下特点：灵敏度高、探测时间短、体积小、质量轻[1]。同时，对于核应急、核辐射监测γ相机，其检测对象为未知目标环境，需要移动其到目标环境所在区域进行检测，因而微型化、轻量化是其发展趋势之一。

近年发布的NuVISION产品，其体积和质量相比于之前产品具有明显优势。据了解，国外CEA LIST机构正在研发的GAMPIXγ相机，其整体质量不超过1 kg。目前，中国核动力研究设计院研发的便携式γ相机，其大致尺寸为352 mm×173 mm×229 mm，质量为2.5 kg，可以作为一款手持式便携设备使用。总体来看，现阶段市面上γ相机产品已基本实现便携性功能，部分国外产品亦能作为手持式便携探测设备进行使用。

2 γ相机手持使用及其人机工程

人机工程学通过揭示人、机、环境之间相互关系的规律，以达到确保人—机—环境系统总体性能的最优化。在人机工程学中，对于人体特性的研究，主要目的是解决机械设备、工具、作业场所以及各种用具和用品的设计如何与人的生理、心理特点相适应，从而为使用者创造安全、舒适、健康、高效的工作条件[2]。γ相机作用是对潜在辐射环境进行探测，确认环境中辐射源位置及其分布情况，使用环境存在辐射风险，在有测量人员现场作业时，一般需穿戴相关防护服，同时作业环境会对测量人员产生一定的心理影响因素，因而从人机工程学的角度出发，研究其微型化应用及设计具有重要意义。γ相机具有以下一些使用方式：（1）作为便携式设备，通过手持的方式，对目标环境进行探测；（2）搭配固定支撑平台，进行探测；（3）搭配事故应急机器人或无人机使用（能够无线传输图像）。

在进行手持使用的时候，从人机工程学角度考虑，γ相机的物理尺寸、质量及手持方式、显控屏布置及其可操作性等是影响作业人员在使用γ相机时，操作便利性、舒适性的关键因素。本文以测量方向为参考基准，研究了现有γ相机产品轮廓及手持握把、显控屏布置方式，其结果主要分为如下几类：

（1）垂直测量方向，握把布置于本体顶部，显控屏垂直测量方向布置于本体后端或本体不含显控屏，如图1（a）所示，红色线条方向为测量方向（下同），相关产品：柯雷RC510、Polaris-HTM Quad。该种结构形式对于手持检测来说是一种单手着力横向抓握布置形式，测量时单手手指弯曲，与手掌形成夹握，拇指施力，力作用线与小臂垂直[2，3]。由于测量人员需对准测量目标，操作及观察显控屏界面，设备大概平于测量人员胸前位置，视线与屏幕存在一定夹角，未正对屏幕，手臂承受向下的拉拽力，在较长时间测量中，比较容易产生疲劳，且操作不便。

图1 测量布置方式示意图

（2）平行测量方向，握把布置于本体顶部，显控屏布置于本体后端与测量方向垂直或成一定夹角以便正对测量人员视线，如图1（b）所示，相关产品：NuVISION、RL1000-P、高能所HENT33-013A等。该种结构形式对于手持检测来说是一种单手着力竖向抓握布置形式，测量时单手手指弯曲，与手掌形成夹握，拇指施力，力作用线与小臂垂直。相比横向抓握，该种布置方式能够更好地控制由于设备重力产生的前后转矩影响。

（3）平行测量方向，握把布置于本体侧面中心位，显控屏布置于顶端与测量方向成一定夹角，正对测量人员视线方向，如图1（c）所示。该种结构形式对于手持检测来说是一种单手着力竖向抓握布置形式，测量时单手手指弯曲，与手掌形成夹握，拇指施力，力作用线与小臂垂直。同时该种布置方式在本体另一侧的底部布置托举区域，提供双手协同抓握γ相机产品的握持方式，可有效缓解较长时间测量手臂的疲劳度，由于握把不在顶端，保持设备平于胸前时，手臂上抬高度相对较低，具有更好的操控性及舒适性。

3 γ相机模块化设计

在搭配固定支撑平台或者是应急机器人、无人机等使用时，γ相机的物理尺寸、质量、快速装配等是影响其使用的重要考虑因素，同时在某些情况下，可能要求具备图像无线传输的功能。如果按照传统的产品设计方法，将γ相机系统统筹到一体，进行整体式的设计制造，一方面可能牺牲部分使用功能，比如由于质量过重，无法搭载小型应急机器人或无人机等；另一方面，不能更好地实现部分功能需求，比如快速装配性较差，整体尺寸偏大等。

模块化通常意义是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程，有多种属性，分别反映其内部特性。产品设计中的模块化是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，以满足不同的产品需求。基于γ相机的不同使用方式，以中国核动力研究设计院在研的一款γ相机产品为例，进行模块化设计探索。

图2为中国核动力研究设计院在研的一款γ相机产品原理结构示意图。该相机采用准直孔成像原理，同时搭配光学相机实时采集目标环境图像情况，并以合成图像的方式进行结果显示。根据γ相机使用方式及其对应的功能需求和硬件组成，对其进行模块化设计，可分为以下几部分。

图2 原理结构示意图

3.1 探测端头模块

包含编码板、光学相机、探测晶体阵列、交换机、SIPM模块、无线元件等；其功能是实现入射γ射线信号转换为数字信号，同时通过光学相机采集被测目标环境信息。

3.2 显控器模块

包含上位机电子系统及其显示屏、操作面板等；其作用是处理探测端头传输的信号，进行图像解码重建，结合光学图像进行输出显示。同时提供作业人员操作面板。

3.3 电池模块

独立蓄电池，供电系统，可外接电源充电。

3.4 辅助装配模块

包含快装快拆结构系统，其功能是实现各个模块之间的快速组合及组合后的整体与附件模块之间的快速组合，该模块可独立成物理单元也可分散设计与其他模块之上。

3.5 附件模块

附件模块不包含在γ相机产品中，但考虑到与其使用方式密切相关，因而将其划分为单独模块，该模块包含使用过程中可能搭配的应急机器人、无人机、固定平台（例如便携式三角支撑架）等。

根据γ相机使用情况，各部分模块组合如图3所示，其中搭配固定平台使用时，可根据实际情况，考虑是否使用显控器模块及电池模块。根据实际使用情况灵活组成也是模块化设计的一大优势。

图3 模块划分及组合示意图

4 结语

γ相机微型化、轻量化是符合ALARA原则的发展趋势，由于其作业环境的特殊性，结合人机工程及其具体使用方式对其进行设计考虑，具有重要意义。在作为便携式探测设备进行手持使用时，应重点考虑其轮廓尺寸、质量、握持方式等对操控便利性的影响；在考虑搭配应急机器人、无人机等附件进行使用时，通过模块化设计，使整个系统具备更高的灵活性，可以针对不同的场景情况及使用方式，通过不同模块的快速组合和快速安装，匹配最适合当前探测环境及探测方式的γ相机软硬件系统。