● 摘要
随着核能利用的不断深入，核电正在成为人类解决能源问题的可行方案。
但核能利用中放射性对人及环境的潜在威胁在福岛事故后更加得到重视。在
日常操作、探测及事故应急处理中机器人均对人具有极强的替代性，尤其是
在剂量率过高人无法进入的环境中。
为使机器人系统可以稳定工作于核环境中，首先需要了解其具体作业环
境、应用领域及其环境中特殊的因素。核环境中所存在的放射性是其区别于
其他常规工业环境最重要的特征，而放射性不但会对生物体产生损伤，同样
会对机器人及其子系统产生损伤。所以了解机器人在放射性环境中损伤机理、
速率及相应的加固方式尤为重要。
本文首先对机器人在核环境中应用领域进行了分析与归纳，对于应用中
机器人系统所应具备的设计特征及环境放射性特征进行了分析。并提出了机
器人在核环境中应用应以剂量率及需求迫切度作为分析依据，机器人应首先
满足成本效益可行从而获得应用。并根据既有资料通过现值模型计算机器人
成本效益关系，指出机器人可靠性及平均无故障工作时间是决定机器人成本
效益可行的关键因素。
决定机器人在核环境中无故障工作时间的因素中除常规设计因素外辐射
产生的损伤效应是核环境所特有的。这就需要了解辐射损伤产生的机理及特
点并以实际机器人系统为目标， 以所使用材料及子系统为对象进行辐射损伤
分析。机器人中以半导体构成的电气元件对辐射最为敏感也是造成系统因辐
射发生故障的主要原因。对半导体元器件辐照损伤机理进行分析，针对现代
集成电路应用最多的MOS（金属互补氧化半导体）结构以TID（总电离剂量
效应）效应作为对象分析， 阐述了氧化物/界面态两种陷阱电荷对不同MOS
结构性能影响的机理，并针对剂量率、温度、偏置等外界因素对损伤速率的
影响进行了研究。
复杂系统或器件的辐射损伤研究无法通过仿真方法进行，仅可通过试验
进行观察及验证。本研究中针对机器人系统中对辐射最为敏感的电气系统进
行辐射测试。首先针对机器人系统需求制定辐射测试标准及故障评判原则。并对核环境机器人系统设计方法进行了阐述，系统设计的基础是各部件辐射
损伤速率及故障的数据。挑选机器人电气系统中必需的MCU（微控制单元）、
驱动器、DC-DC（直流-直流）模块、摄像头进行辐射测试。试验结果显示与
传统简单门电路或晶体管性能渐变最终发生故障不同，大规模集成电路中辐
射损伤发生往往具有瞬时、突变的特性。对一定样本量的被测试件进行分析
后可以看出同型号器件损伤剂量基本符合正态分布，具有一定的离散性。通
过实验掌握机器人系统所使用的典型元件的耐辐射能力，同时将机器人系统
中电气元件耐辐射能力按照集成度、输出功率进行定性分析，提出了判定方
法。
最后以被测试件中对辐射最为敏感的驱动器及即时产生辐射损伤的摄像
头进行加固设计。选取适合机器人需求的加固方式，以对系统设计影响最小
化为准则设计了驱动器屏蔽加固结构并进行了试验验证。针对摄像头设计了
基于准直原理的屏蔽体， 通过MC（ 蒙特卡洛）方法对其屏蔽效果进行了分
析，在未对成像产生影响的前提下达到了较好的屏蔽效果。