核工业应用摄像机选型指南
本资料旨在为需要用于核工业应用的新摄像机的用户提供参考与帮助。
核工业应用摄像机选型的关键参数
在采购前需要了解的示例问题包括：
- 摄像机安装区域是否存在辐射？
- 辐射水平是多少？
- 普通摄像机是否足够，还是必须使用耐辐射摄像机？
- 摄像机将如何进行辐射防护？
- 摄像机是用于水下还是空气环境？
- 摄像机的可使用性如何，维护服务的频率是否受限？
- 摄像机需要观察什么，将安装在什么位置？
- 所需的分辨率是多少？
摄像机安装区域是否存在辐射？
在存在核辐射的环境中，普通摄像机的使用寿命非常有限。这是因为核辐射会损害现代标准摄像机中大量存在的电子元件。在核设施中，有两种辐射类型会影响摄像机：中子辐射和伽马辐射。
用于核环境的水下摄像机和空气环境摄像机必须具备抗辐射能力。
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中子辐射（Neutron radiation）
在标准核反应堆中，铀‑235 会裂变成两个或多个同位素，同时释放出中子。其中一部分中子会继续引发更多铀的裂变，但仍有部分中子不可避免地从堆芯逸出。如果这些中子没有被水、混凝土或其他防护材料屏蔽，附近安装的摄像机就会受到损伤。摄像机受到中子辐射损害时，通常会在画面上出现稳定不变的亮点。
图片说明：受到中子辐射影响的摄像机，画面上出现稳定亮点。
伽马辐射（Gamma radiation）
当铀‑235 发生裂变时，会同时产生伽马辐射。在裂变后残余同位素继续衰变的过程中，这类辐射也会持续产生。因此，伽马辐射不仅存在于核电站运行期间，在停堆期间，以及处理乏燃料和核废物的设施中同样存在。来自同位素 钴‑60（Cobalt‑60） 的伽马辐射尤其常见且危害性大，因为其能量水平很高。因此，在测试实验室中，钴‑60 通常被用作辐射源。摄像机受到伽马辐射损伤时，通常会在画面上出现不断闪动的彩色亮点。
图片说明：受到伽马辐射影响的摄像机，屏幕上出现闪动的彩色亮点。
辐射水平是多少？
用于测量辐射的单位有多种。当伽马辐射作用于人体时，使用的单位是 希沃特（Sv）。进入核电站的人通常必须佩戴剂量计，该设备显示人员在厂区停留期间所接受的总辐射量（以 Sv 计）。由于剂量通常较低，剂量计一般显示 微希沃特（μSv）。
瞬时接受的辐射剂量以 希沃特每小时（Sv/hr） 测量，也称为 剂量率（dose rate）。累积剂量（total dose）则以 Sv 表示。 当伽马辐射作用于设备（如摄像机）时，使用的单位是 戈瑞（Gy）。在这种情况下，1 Gy 等于 1 Sv。在核工业中，另一种常见单位是 rad。两者之间的换算非常简单： 1 Gy = 100 rad 。
Dose rate 1 Sv/hr 1 Gy/hr 100 rad/hr
Total dose 1 Sv 1Gy 100 rad
在核工业中，对中子辐射水平的精确测量并不常见。一般只将其分为 高、中、低 三个等级。
普通摄像机是否足够，还是必须使用耐辐射摄像机？
没有任何辐射防护的普通摄像机只能承受极少量的辐射，随后图像质量就会迅速下降，直至无法获得有意义的画面。在核环境中，这类摄像机通常会在短时间内失效。 不过，也有一些用户在辐射环境中仍选择使用非耐辐射摄像机，并在其损坏后直接更换。这种方式在短期任务中可以作为一种选择，但在长期使用中成本会迅速增加。 对于长期应用，用户应选择耐辐射摄像机，其可承受的辐射量是普通摄像机的 10 倍至 10 000 倍。
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摄像机将如何进行辐射防护？
屏蔽（Shielding）
辐射带来的负面影响可以通过屏蔽来减少。不同材料具有不同的屏蔽能力。水具有良好的屏蔽特性，大约 0.1 米（4 英寸） 的清洁水即可使伽马辐射强度减半。空气的效果较差；伽马辐射在空气中大约可传播 1 米（40 英寸） 后其强度才会减半。一般来说，密度越高的材料越能有效阻挡伽马辐射。铅是一种常用的高密度屏蔽材料。钨的密度更高，屏蔽效果更好，但价格也显著高于铅。
与伽马辐射不同，中子辐射通常由较轻的材料进行屏蔽。由于核工业中对中子辐射水平的精确测量并不常见，因此也缺乏关于不同材料厚度对中子辐射削减程度的通用数据。
实现耐辐射摄像机的最简单方法，是对普通摄像机进行物理屏蔽。如前所述，铅和钨等高密度材料常用于屏蔽，以避免摄像机因辐射而迅速损坏。经验上，摄像机外部每增加 1 厘米的铅层，内部的伽马辐射水平就会降低一半。
然而，仅依靠材料屏蔽会使摄像机变得笨重。为了制造更易使用的耐辐射摄像机，需要更智能的设计。因此，在高辐射应用中可以使用 反射镜结构 来减少摄像机本体的暴露。此外，还会采用 耐辐射图像传感器 和其他耐辐射电子元件。与对普通摄像机进行物理屏蔽相比，使用耐辐射电子技术的效率更高，也更适合长期应用。
采用反射镜结构的摄像机
（Mirror designed cameras）
在观察辐射源物体时，使摄像机更耐用的一种方法是让摄像机通过反射镜来观察目标。Ahlberg Cameras 的 PTZ620 耐辐照摄像机就采用了这种设计。通过反射镜，敏感的摄像机传感器（也称为摄像机模组）不会直接暴露在辐射源前，从而显著延长使用寿命。
另一款采用反射镜设计的摄像机是 Ahlberg Cameras 的 Z160 耐辐照摄像机。除了反射镜之外，该摄像机的传感器还由数厘米厚的屏蔽材料保护。在这种防护下，该核用摄像机可承受高达 10 000 Gy/h 的剂量率，并适用于在 50–70 cm（20–28 英寸） 距离进行水下核燃料检查。
耐辐射传感器
（Radiation tolerant sensors）
耐辐射摄像机的制造商（如 Ahlberg Cameras）一直在努力提升摄像机内部组件，尤其是图像传感器的耐辐射能力。这依赖于先进的电子元件设计，并基于多年来持续的技术改进。
迄今为止，这类设计已使摄像机传感器能够承受约 1 000 Gy 的总辐射剂量。近年来，技术发展取得重大突破，现在已经能够制造可承受接近 50 000 Gy 总剂量的传感器。2020 年下半年，Ahlberg Cameras 推出了基于这一新型传感器技术的 Mini‑Rad 30 HD 摄像机。
通过将耐辐射传感器、反射镜结构和屏蔽材料相结合，现在已经可以在高辐射区域使用高清彩色摄像机，而在过去，这类场景只能使用电子管摄像机。电子管摄像机本身对辐射不太敏感，但其缺点是只能提供黑白图像。
摄像机的其他部件
（Other parts of the camera）
摄像机内部对核辐射最敏感的部件是图像传感器。镜头也可能是敏感部件，因为辐射会使镜头材料发生变色。镜头通常由玻璃制成，但也可能使用塑料材料，如丙烯酸（acrylic）或聚碳酸酯（polycarbonate）。塑料和普通玻璃的缺点是：在高辐射水平下，透明材料会逐渐发黄，随后变成棕色。
在高辐射摄像机中（顾名思义，这类摄像机暴露在非常高的辐射环境中），会使用防褐变玻璃（non‑browning glass）。这种材料由合成石英玻璃或其他耐辐照透明材料制成。它们比塑料材料更昂贵，加工难度也更高。 摄像机内部的其他部件，如电机、电缆和 O 型圈（O‑rings），也可以选择对辐射影响几乎可以忽略的材料或设计。
图片说明：通过被辐射导致变色的镜头所看到的图像。
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摄像机是用于空气环境还是水下环境？
用于核工业的水下摄像机通常经过耐压测试，可在 20–50 米（65–165 英尺） 的水深下使用。核电站的水池很少超过 35 米（115 英尺） 深。用于空气环境的摄像机并非防水，但通常具备 IP65 或 IP67 防护等级，可承受喷水或极高湿度环境。
如前所述，中子辐射只在核反应进行时产生，在反应堆停堆后不会继续释放。相比之下，伽马辐射在停堆后仍会存在，因为残余同位素仍在持续衰变。因此，水下摄像机仅在反应堆停堆期间的反应堆池中使用，或用于那些不会受到运行中反应堆中子辐射影响的水池。由此可见，水下摄像机无需中子屏蔽，只需防护伽马辐射。
与水下摄像机不同，空气环境中的摄像机可能需要中子防护，但仅限于运行中核电站的安全壳内部。安全壳外的空气环境摄像机只需防护伽马辐射。
大多数核工业水下摄像机不会在超过 40–50°C（104–122°F） 的水温中使用，因此无需对摄像机内部组件进行冷却。内部产生的热量会传导至摄像机外壳，再由水带走。 空气环境中的摄像机则可能面临更高的温度。空气的散热效率远低于水。核电站安全壳在运行期间的温度通常为 50–60°C（122–140°F），因此在此环境中运行的摄像机需要对其敏感的传感器进行冷却。若摄像机必须在 LOCA（冷却剂丧失事故） 情况下继续工作，而此时安全壳温度可达 90°C（194°F），则需要更强的冷却能力。
冷却可以通过不同方式实现。在周围空气温度为 40–45 摄氏度（104–113 华氏度）时，带有散热片增强的自然对流冷却就足够了。
图片说明：耐辐射摄像机后部的散热片结构
在 50–55 摄氏度（122–131 华氏度）的运行温度下，需要风扇进行强制冷却。在 60–90 摄氏度（140–194 华氏度）的温度范围内，风扇必须配合内部冷却系统，将摄像机内部（传感器所在位置）的热量主动传导至后部（风扇所在位置）。内部冷却可以通过不同尺寸的定制冷却组件实现。
安装在空气环境中的摄像机通常被称为 CCTV 摄像机 。该术语源自核工业以外长期使用的闭路电视系统，如今在公共场所也越来越常见。在核电站中，CCTV 摄像机同样互相连接成一个系统，并最终由中央控制室进行统一管理。
摄像机的可使用性如何，维护服务的频率是否受限？
大多数用于反应堆池和燃料池一般作业的水下摄像机可以随时进行维护。而执行关键任务的水下摄像机（例如停堆期间使用的）则必须在整个任务期间保持稳定运行。 安装在安全壳内部或核电站运行期间无法进入的房间内的 CCTV 摄像机，只能在停堆期间进行维护，而停堆周期可能是每 12、18 或 24 个月一次。
电子管摄像机需要定期校准。由于电子管本身具有很高的耐辐照性，因此通常不需要更换。
图片说明：电子管摄像机校准准备
CCD（电荷耦合器件）和彩色 CMOS（互补金属氧化物半导体）摄像机不需要持续校准。然而，当摄像机传感器达到使用寿命终点时，就需要进行更换。在其使用周期内，操作人员会逐渐发现图像质量的下降。一旦更换传感器，摄像机的图像质量就会恢复如新。
摄像机传感器应被视为一种消耗品。由于摄像机的整体耐辐照能力通常会反映在其价格上，用户必须考虑彩色摄像机能够进行维护的频率。摄像机的整体耐辐照能力与可接受的维护间隔之间存在权衡。如果传感器需要过于频繁地更换，说明摄像机的屏蔽不足。反之，如果传感器从不需要更换，则说明选择了屏蔽过度的摄像机。这不仅不是最经济的方案，也会使摄像机变得不必要地笨重。
图片说明：传感器更换
摄像机将要观察的对象及其固定位置，取决于具体的应用场景。
摄像机 通过电缆 连接到摄像机控制器。控制单元负责为摄像机供电并进行控制，并且会放置在远离辐射源的位置。摄像机本身则必须安装在靠近被观察物体的位置。对于核燃料和反应堆材料的精细检查，通常需要在 30–100 厘米（10–40 英寸） 的距离进行；而在一般任务中，摄像机可以放得更远，通常在 150–200 厘米（4–6 英尺） 的范围内。
一个实用的经验法则是：不要让摄像机比必要的距离更靠近辐射源，而应依靠变焦功能获得清晰图像。彩色摄像机通常具备 10 倍光学变焦，并且一般还提供额外的数字变焦。电子管摄像机的变焦能力较弱，因此需要放置得更靠近目标。
安装在房间内用于监视多个关键区域的CCTV 摄像头 自然会放置得更远，有时甚至可达 15–20 米（50–65 英尺）。在这种情况下，强大的变焦功能尤为重要。
图片说明：大范围区域的 CCTV 监控画面
在需要监控单一目标、且摄像机固定在支架、框架或类似结构上的应用中，固定焦距摄像机是一个良好的解决方案。在已知摄像机与目标之间距离的情况下，耐辐照摄像机供应商可以提供合适的镜头，使其能够完整覆盖目标区域，而用户只需进行对焦即可。
如果用户希望摄像机能够适用于多种不同的应用场景，则推荐使用带有云台功能的摄像机。云台功能允许摄像机向上、向下、向左和向右转动，这一功能可以通过外部装置驱动整个摄像机实现，也可以通过内部结构仅移动摄像机头部来实现。具备内部运动结构的摄像机称为 PTZ 摄像机（Pan、Tilt、Zoom），由于其灵活性，在核工业中被广泛使用。Ahlberg Cameras 的 Hi‑Rad 系列(XS, S, L)就是在核电站多种应用中使用的通用型摄像机。
图片说明:带可动摄像机头的 PTZ 摄像机，Hi‑Rad XS
摄像机的安装方式有多种选择，取决于具体的应用场景和环境条件。摄像机可以固定在各种设计的配件上。例如支架、框架或工具上。它们也可以安装在杆子上，或者直接通过电缆悬挂下来。
摄像头的安装方式：摄像机安装在支架上（左）、安装在杆上（中），以及通过电缆悬挂（右）
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需要什么分辨率？
在描述 SD（标清）彩色摄像机的图像质量时，通常使用 TV-lines 这一单位。SD 摄像机已经存在很长时间，低端产品通常能达到 400–600 TV-lines，而高端产品大约能达到 700 TV-lines。电子管摄像机的分辨率同样以 TV-lines 表示，其中心区域可达到 600–700 TV-lines，但在图像边缘会下降到 400–500 TV-lines。现代彩色高清摄像机的分辨率范围更广，在核工业中主要使用 720p 和 1080p 摄像机。
传统 SD 摄像机、电子管摄像机与现代高清摄像机之间的图像质量差异在细节观察中尤为明显，例如核燃料检查和反应堆材料检查。
使用 720p 高清彩色摄像机（左）与 600 TV-lines 电子管摄像机（右）进行核燃料检查
与低分辨率摄像机相比，高清摄像机的优势之一是能够在更远的距离进行检查。如前所述，观察辐射源时，保持更远距离并使用变焦比靠近目标更好。这样摄像机受到的辐射更少，同时仍能提供清晰图像，并延长使用寿命。
在水下应用中，水的清洁度会限制摄像机可放置的距离。另一个在检查高温物体（如乏燃料）时常见的问题是水中的热波纹。从上方观察时，热波纹造成的干扰比从侧面观察更明显。幸运的是，可以通过热扰动消除软件( thermal removal software)来减轻这种干扰。