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中國(guó)國(guó)產(chǎn)核儀器現(xiàn)狀及發(fā)展方向
1 引言
核儀器是利用放射性射線的某些特性進(jìn)行放射性種類和含量測(cè)量的一種儀器。核儀器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,幾乎涵蓋農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、地質(zhì)礦山、環(huán)境保護(hù)、航天、教學(xué)、科研、海關(guān)等領(lǐng)域,具體如石油測(cè)井、輻照加工、環(huán)境監(jiān)測(cè)、育種、核燃料工藝控制、無(wú)損檢測(cè)、防化、安檢系統(tǒng)、核醫(yī)學(xué)、核電、地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
按儀器特性可分為兩大類,即有源核儀器和無(wú)源核儀器。有源核儀器就是本身帶有放射源的儀器,此類儀器一般是應(yīng)用類核儀器,如核子稱、X熒光分析儀、灰份儀、鋼水液面計(jì)、料位計(jì)、密度計(jì)、濕度計(jì)等等,該類儀器主要是基于放射源與被測(cè)對(duì)象發(fā)生某種效應(yīng)(如吸收、衰減)后,測(cè)量射線的變化從而確定被測(cè)對(duì)象的某些參數(shù);相對(duì)而言無(wú)源核儀器就是儀器本身不帶放射源的儀器,這類儀器一般是直接測(cè)量被測(cè)對(duì)象的放射性核素種類和活度,對(duì)被測(cè)對(duì)象的放射性水平進(jìn)行評(píng)價(jià)的一類儀器,如低水平測(cè)量系統(tǒng)(低本底α、β測(cè)量?jī)x、低本底多道γ能譜儀)、表面污染測(cè)量?jī)x器(全身計(jì)數(shù)器、手腳污染測(cè)量?jī)x、地面污染測(cè)量?jī)x等)、氡測(cè)量系列儀器、中子類系列儀器、礦山輻射測(cè)量、安檢系統(tǒng)、個(gè)人劑量測(cè)量系統(tǒng)等。
按應(yīng)用領(lǐng)域可分為七大類:基本核儀器、工業(yè)用核儀器、農(nóng)業(yè)用核儀器、核醫(yī)學(xué)儀器、資源開(kāi)發(fā)核儀器、核電及堆用核儀器、環(huán)境保護(hù)與輻射防護(hù)核儀器。
2 國(guó)內(nèi)及我廠儀器現(xiàn)狀
2.1 我國(guó)核儀器發(fā)展歷史和概況
從1957年開(kāi)始,我國(guó)核儀器的發(fā)展經(jīng)歷了以仿制為主、自行設(shè)計(jì)研制、快速發(fā)展三個(gè)發(fā)展階段。
*階段(1957年—60年代中期)為仿制階段。從仿制前蘇聯(lián)的儀器入手,主要生產(chǎn)用于、鈾礦勘探和開(kāi)采的核儀器。
第二階段(60年代中期—70年代末)為自行設(shè)計(jì)階段。這一階段,隨著經(jīng)驗(yàn)的積累、技術(shù)能力的提高以及國(guó)內(nèi)元器件的發(fā)展,我國(guó)自行研制了一大批新的核儀器。
第三階段(80年代以后)為快速發(fā)展階段。由于大量采用集成電路和計(jì)算機(jī)處理技術(shù),我國(guó)核儀器的質(zhì)量、功能、品種、數(shù)量有了快速的提高和擴(kuò)大,應(yīng)用范圍也從轉(zhuǎn)向國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。到現(xiàn)在,核電子學(xué)和核測(cè)量技術(shù)已由國(guó)家審定為原子能科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)獨(dú)立的二級(jí)學(xué)科,國(guó)內(nèi)從事核儀器的科研、生產(chǎn)和教學(xué)的單位已經(jīng)近百家。
2.2國(guó)內(nèi)核儀器現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)核儀器的研制前期主要以三廠(中核北京核儀器廠、西安核儀器廠、重慶建安儀器廠)、四校(清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、南京大學(xué))、六所(上海原子核研究所、高能物理所、蘭州近代物理所、中國(guó)原子能研究院、中國(guó)工程物理研究院、中國(guó)輻射防護(hù)研究院)為代表,根據(jù)國(guó)外儀器情況,適時(shí)進(jìn)行跟蹤改進(jìn)、研發(fā),后來(lái)發(fā)展為近百家單位從事核儀器的研制。80年代后,由于核工業(yè)及國(guó)內(nèi)政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化,核儀器一直在走下坡路,近幾年來(lái),國(guó)家在“十一五"規(guī)劃中,對(duì)能源政策進(jìn)行調(diào)整,大力發(fā)展核電,核工業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了第二個(gè)春天,核儀器產(chǎn)業(yè)又開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。
下面從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)分析我國(guó)核儀器的發(fā)展現(xiàn)狀。
2.2.1 基本核儀器
基本核儀器是核儀器的基本組成部分。它是成套儀器的組成部分和通用部分,主要用以測(cè)量與處理核輻射的活度、時(shí)間、能量、位置等信息。產(chǎn)品主要是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、各種電源、放大器、信號(hào)處理插件、幅度/數(shù)碼變換器、時(shí)間/數(shù)碼變換器、信號(hào)源(精密信號(hào)產(chǎn)生器)、多道分析器等。目前,國(guó)內(nèi)此類核儀器功能部件的品種和規(guī)格已初步形成,但性能指標(biāo)偏低、可靠性和外形美觀性較差、更新?lián)Q代慢,缺少與國(guó)外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
2.2.2 工業(yè)用核儀器
工業(yè)用核儀器主要包括:參量檢測(cè)儀器(如厚度計(jì)、密度計(jì)、料位計(jì)、核子秤、水分計(jì)等)、成份分析儀器和射線探傷儀器等三類。
我國(guó)從1958年開(kāi)始研制工業(yè)用核儀器,由于研制單位分布在各個(gè)系統(tǒng),缺少交流,形成各自為政的松散局面。產(chǎn)品技術(shù)和性能指標(biāo)、可靠性、外形美觀性與國(guó)外相比差距很大,品種與數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外。
2.2.3 農(nóng)業(yè)用核儀器
在農(nóng)業(yè)方面,核儀器主要應(yīng)用于輻射育種、昆蟲(chóng)輻照不育、同位素示蹤技術(shù)改造施肥方法等方面。我國(guó)從60年代初開(kāi)始此類核儀器得研制,有一定得基礎(chǔ),但與*水平相比,任有較大的差距。主要表現(xiàn)在儀器得精度差、智能化程度低等。
2.2.4 核醫(yī)學(xué)儀器
核醫(yī)學(xué)是八十年代末新興的一門(mén)邊緣科學(xué),它廣泛用于心、腦、肝、腎、骨以及全身的檢測(cè)。核醫(yī)學(xué)儀器主要應(yīng)用于功能測(cè)定(如腎圖儀、心功能儀、等)、臟器顯象(掃描儀、γ相機(jī)等)、斷層掃描(CT、ECT、PECT 等)、放射免疫分析等。
目前我國(guó)核醫(yī)學(xué)儀器于小型臺(tái)式儀器的研制,大型的核醫(yī)學(xué)儀器如ECT、PECT 等主要依賴進(jìn)口。
2.2.5 資源開(kāi)發(fā)核儀器
資源開(kāi)發(fā)核儀器主要分為兩個(gè)系列:勘探核儀器和核測(cè)井儀器。
我國(guó)從50年代后期開(kāi)始研制勘探核儀器,曾為鈾礦資源勘探與開(kāi)發(fā)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。但到70年代以后我國(guó)的勘探核儀器處于停滯狀態(tài),與國(guó)外相比落后近二十多年。
我國(guó)現(xiàn)在有許多單位在研制核測(cè)井儀器,儀器水平不斷提高,數(shù)控測(cè)井儀也研制成功并用于油田,但對(duì)新方法的基礎(chǔ)研究不夠,而且光重視地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得研制而輕視提高井下儀器性能方面的研究。不同儀器的測(cè)量結(jié)果可比性較差。
2.2.6 核電及堆用核儀器
我國(guó)研制和生產(chǎn)堆用核儀器已有近30年的歷史,主要以清華大學(xué)和中核(北京)核儀器廠等單位為代表。其中中核(北京)核儀器廠生產(chǎn)的控制棒控制系統(tǒng)和位置指示系統(tǒng)、堆外核測(cè)量系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和專設(shè)系統(tǒng)(模擬線路)已運(yùn)用于秦山一期、秦山二期核電站,除上述系統(tǒng)外,該廠的堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)(微型裂變室)、核探測(cè)器(硼計(jì)數(shù)管、補(bǔ)償電離室、長(zhǎng)中子電離室)、堆外核測(cè)量系統(tǒng)核探測(cè)器定位裝置、N16監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等已應(yīng)用巴基斯恰希瑪坦核電站。
但是,目前國(guó)內(nèi)核電及堆用核儀器主要還是以模擬線路為主,數(shù)字化水平不高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)適應(yīng)不了目前我國(guó)核電大發(fā)展的形勢(shì)。主要原因是國(guó)家投入不足、研發(fā)力量分散、研發(fā)人才青黃不接。
2.2.7環(huán)境保護(hù)與輻射防護(hù)核儀器
在核儀器行業(yè)中,從事環(huán)境保護(hù)與輻射防護(hù)核儀器的研制與生產(chǎn)的企業(yè)是多的,全國(guó)有近百家單位。研制的產(chǎn)品種類繁多,部分產(chǎn)品接近先進(jìn)水平。但沒(méi)有形成全國(guó)通用的產(chǎn)品系列,產(chǎn)品更新?lián)Q代慢,產(chǎn)品在可靠性、穩(wěn)定性和智能化上與*水平還有一定差距。
2.3 我廠核儀器現(xiàn)狀
我廠研發(fā)和生產(chǎn)的核儀器經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展,在國(guó)內(nèi)形成了一定的品牌,產(chǎn)品得到了核工業(yè)及其他行業(yè)用戶認(rèn)可。我廠的核儀器目前主要集中在無(wú)源核儀器方面,主要發(fā)展了四類產(chǎn)品:一是核物理實(shí)驗(yàn)及教學(xué)類產(chǎn)品(基本核儀器);二是環(huán)境保護(hù)與輻射防護(hù)核儀器;三是核醫(yī)學(xué)系列儀器;四是核電及堆用核儀器。
核物理實(shí)驗(yàn)及教學(xué)類產(chǎn)品有:NIM機(jī)箱、各種NIM插件(各種電源、放大器、信號(hào)處理插件、幅度/數(shù)碼變換器、時(shí)間/數(shù)碼變換器、信號(hào)源(精密信號(hào)產(chǎn)生器)、多道分析器)、微機(jī)多道分析器、核物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等;
環(huán)境保護(hù)與輻射防護(hù)核儀器有:個(gè)人劑量?jī)x、熱釋光劑量?jī)x、 退火爐、 熱釋光照射器、大面積γ—β監(jiān)測(cè)儀、 多用輻射儀、 n—γ輻射儀、閃爍輻射儀、氡釷分析儀、法測(cè)氡儀、氡析出率儀、中子劑量當(dāng)量?jī)x、高能中子當(dāng)量劑量?jī)x、Χ—γ劑量率儀、便攜式α、β表面污染測(cè)量?jī)x、多路低水平α、β測(cè)量?jī)x(閃爍體)、多路低水平α、β測(cè)量?jī)x(半導(dǎo)體)、核臨界報(bào)警及測(cè)量系統(tǒng)、 環(huán)境γ輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、 臨界事故報(bào)警儀、中子監(jiān)測(cè)儀、區(qū)域γ監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、底本底氣溶膠樣品測(cè)量?jī)x、低本底環(huán)境γ譜儀、放射性物品庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。
核醫(yī)學(xué)系列儀器有:放射免疫測(cè)量?jī)x、心臟功能儀、甲臟腺功能儀、腎圖儀、骨密度儀、活度計(jì)等。
核電及堆用核儀器有:反應(yīng)堆控制棒控制系統(tǒng)和位置指示系統(tǒng)、堆外核測(cè)量系統(tǒng)、反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)和專設(shè)系統(tǒng)(模擬線路)、堆芯中子注量率測(cè)量系統(tǒng)(微型裂變室)、核探測(cè)器(硼計(jì)數(shù)管、補(bǔ)償電離室、長(zhǎng)中子電離室)、堆外核測(cè)量系統(tǒng)核探測(cè)器定位裝置、N16監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。
對(duì)于產(chǎn)能高、市場(chǎng)也比較大的有源核儀器我廠80年代初生產(chǎn)了部分工業(yè)用核儀器(如料位計(jì)、液面測(cè)量、厚度計(jì)、熒光分析、濕密度計(jì)、水分計(jì)等)和資源開(kāi)發(fā)核儀器(油田測(cè)井儀器),由于種種原因,目前都已停產(chǎn)。
3. 我國(guó)核儀器發(fā)展存在的問(wèn)題及建議
3.1我國(guó)核儀器發(fā)展存在的問(wèn)題
我國(guó)核儀器行業(yè)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,取得了顯著的成績(jī),國(guó)外核儀器所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域,我國(guó)都開(kāi)展了研究,個(gè)別單項(xiàng)技術(shù)接近或達(dá)到了先進(jìn)水平。但就整體而言,我國(guó)核儀器的發(fā)展水平比國(guó)外落后近二十年,核儀器在外觀上、性能指標(biāo)上、可靠性上有待進(jìn)一步提高。存在的主要問(wèn)題如下:
1)技術(shù)力量分散,我國(guó)從事核儀器研制的技術(shù)力量和裝備分散在各個(gè)部門(mén)和系統(tǒng),低水平重復(fù)研制的項(xiàng)目多,對(duì)高、精、尖的項(xiàng)目缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)和聯(lián)合攻關(guān)的能力;
2)國(guó)家投入不足,近十幾年來(lái),國(guó)家隊(duì)核儀器的科研投入非常少,研發(fā)經(jīng)費(fèi)主要靠企業(yè)自籌,難以承擔(dān)較大和技術(shù)難度高的項(xiàng)目;
3)忽視基礎(chǔ)研究,由于國(guó)家投入不足,企業(yè)只注重實(shí)際應(yīng)用的項(xiàng)目特別是短平快的項(xiàng)目,對(duì)基礎(chǔ)研究心有余而力不足;
4)工藝技術(shù)和裝備落后,原材料和元器件質(zhì)量不過(guò)硬,直接影響了核儀器的可靠性和穩(wěn)定性;
5)新產(chǎn)品更新速度慢,產(chǎn)品在智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方面與*水平存在較大差距;
6)科研人員老化,整個(gè)核儀器行業(yè)科研骨干年齡和知識(shí)老化,新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后繼無(wú)人。
3.2 幾點(diǎn)建議
1)國(guó)家要投入,支持企業(yè)和科研院所上新項(xiàng)目;
2)從國(guó)家的層面來(lái)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作;
3)對(duì)核電等重要項(xiàng)目的研發(fā),國(guó)家應(yīng)在撥款、貸款和稅收政策上給予支持;
4)重視人才的培養(yǎng);
5)盡快完善國(guó)家核儀器質(zhì)量檢測(cè)中心,統(tǒng)一核儀器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);
6)加強(qiáng)企業(yè)與科研院所的橫向聯(lián)合,發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),提升水平;
7)重視核儀器標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)標(biāo)、行標(biāo)的修訂,爭(zhēng)取大的話語(yǔ)權(quán);
8)加強(qiáng)核儀器行業(yè)協(xié)會(huì)的引導(dǎo)工作。
3.3 國(guó)內(nèi)核儀器的發(fā)展方向
國(guó)外儀器廠家眾多,分工比較細(xì),一個(gè)企業(yè)只做一個(gè)方面的產(chǎn)品,如BICRON公司只生產(chǎn)閃爍探測(cè)器,ORTEC公司只生產(chǎn)電子學(xué)儀器如NIM等,AUTOMESS公司只生產(chǎn)一些便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)類儀器等。目前主要有四個(gè)有實(shí)力的公司,美國(guó)的ORTEC公司、歐洲系統(tǒng)測(cè)量公司(CANBBERA公司)、美國(guó)熱電公司和德國(guó)伯托公司。
這四個(gè)公司產(chǎn)品主要特點(diǎn):系列化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)場(chǎng)化。其中以系列化為突出,如γ劑量率類儀器,從量程看既有環(huán)境儀表、防護(hù)儀表、也有寬量程儀表(跨環(huán)境和防護(hù)級(jí));從使用的探頭看有高靈敏度塑料閃爍體探測(cè)器、有價(jià)格便宜的GM管探測(cè)器,有做了能量平衡的NaI(Tl)探測(cè)器等;從功能上看智能顯示、控制、存儲(chǔ)、打印、遠(yuǎn)程控制及人性化的接口是*。
根據(jù)國(guó)外核儀器的發(fā)展情況,我國(guó)核儀器的發(fā)展方向主要應(yīng)向四個(gè)方面發(fā)展,即系列化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和現(xiàn)場(chǎng)化。
在系列化方面,國(guó)內(nèi)核儀器要尤其注重系列程度,一種產(chǎn)品要根據(jù)市場(chǎng)不同客戶群進(jìn)行定位,充分考慮不同用戶群的需求,不論是中子儀表還是α、β、γ等儀表,開(kāi)發(fā)出系列產(chǎn)品(不同檔次、不同量程),總有一款適合用戶。
數(shù)字化方面,主要是指電子處理技術(shù)發(fā)展方向,國(guó)內(nèi)核儀器的發(fā)展應(yīng)與通用電子學(xué)技術(shù)同步發(fā)展,應(yīng)將數(shù)字化處理技術(shù)、CPLD/FPGA技術(shù)、嵌入式技術(shù)、微功耗技術(shù)、高新顯示技術(shù)、掌上電腦等等在核儀器得到了充分的應(yīng)用,這樣才能大大提高了儀器的可用性、實(shí)用性和可靠性,明顯增加儀器的附加值,以得到了用戶的認(rèn)可和追捧。
網(wǎng)絡(luò)化方面,主要是指儀器要具有網(wǎng)絡(luò)接口,多個(gè)儀器方便的組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),由中心計(jì)算機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的控制、顯示及處理。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前主要是有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)兩種方式。有線網(wǎng)絡(luò)主要有采用以太網(wǎng)組網(wǎng)和采用RS-485等組網(wǎng),目前的發(fā)展方向是基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要有基站式網(wǎng)絡(luò)和采用GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng),采用基站式的網(wǎng)絡(luò)投資大,維護(hù)成本高,通訊距離有限,目前逐步被基于GSM/CDMA的網(wǎng)絡(luò)所代替。國(guó)外在這方面發(fā)展較早,90年代初,在互聯(lián)網(wǎng)剛剛興起的時(shí)候,國(guó)外儀器就開(kāi)始了這方面的研究,目前已經(jīng)有商品化的儀器供應(yīng)市場(chǎng)。儀器作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端,通過(guò)自身的以太網(wǎng)口連接到互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng),經(jīng)過(guò),在互聯(lián)網(wǎng)上任何一臺(tái)其他計(jì)算機(jī)都控制訪問(wèn)該儀器,這就較好的實(shí)現(xiàn)了儀器的遠(yuǎn)程使用和控制,代表了儀器的發(fā)展方向,以后估計(jì)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)控制功能的儀器將逐步淡出市場(chǎng)。在07年核工展上德國(guó)一個(gè)核儀器廠家展出了一種采用GSM網(wǎng)絡(luò)的儀器終端及處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
現(xiàn)場(chǎng)化方面,在很多領(lǐng)域,如海關(guān)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等,測(cè)量要求快速給出測(cè)量結(jié)果,尤其是應(yīng)急測(cè)量要求更是嚴(yán)格,鑒于此,目前實(shí)驗(yàn)室儀器和便攜式儀表的界限越來(lái)越模糊,總的發(fā)展趨勢(shì)是向現(xiàn)場(chǎng)化發(fā)展,即儀器在現(xiàn)場(chǎng)就測(cè)量分析出終結(jié)果,不用取樣分析,不用到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)雜的分析等。
4、 結(jié)束語(yǔ)
核儀器應(yīng)用不僅滲透到核工業(yè)每個(gè)環(huán)節(jié),如找礦、選礦、水冶、鈾分離、鈾濃縮、核燃料加工、核電運(yùn)行監(jiān)測(cè)、常規(guī)環(huán)境監(jiān)測(cè)、后處理、運(yùn)輸?shù)鹊雀鱾€(gè)環(huán)節(jié),都需要相應(yīng)的核儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)在其它領(lǐng)域和行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣。預(yù)計(jì),只要未來(lái)15年,國(guó)家核電發(fā)展沒(méi)有出現(xiàn)類似前蘇聯(lián)、美國(guó)的核電事故,我國(guó)的核工業(yè)、核儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將是大有作為的。
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