《Radiation Physics and Chemistry》：Impact of Gamma-Ray Irradiation and Temperature on the "DS18B20" temperature Sensor in Dry storage cask
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本文采用DS18B20数字温度传感器与LabVIEW结合，通过Arduino实现核燃料干式存储桶的实时温度监控。实验辐照剂量0.05-10 KGy，测试温度20-70°C，发现低剂量（≤2 KGy）下传感器性能稳定，高剂量（≥3 KGy）时响应精度显著下降，为核设施安全监测提供数据支持。
Marwa Mamdouh Shoman|Karim El-Din El-Adham|Walaa Abdelmoneim El-Kattan|El-Sayed Soliman A. Said
埃及原子能管理局核与辐射安全研究中心安全燃料循环部门，纳斯尔城，开罗11371，埃及
摘要
传感器被广泛应用于工业、科学、医疗和家庭领域。随着对精确温度监测系统需求的增加，数字传感器在许多领域发挥着至关重要的作用。本文介绍了如何使用数字温度传感器（DS18B20）与LabVIEW结合，通过Arduino板实现实时监测。该系统可用于监测干式储存容器的温度，以避免异常情况的发生。根据设定的阈值，系统可以控制LED的亮度，其亮度会随温度变化而变化。这些传感器接受了高达10 KGy的60Co伽马射线的辐照。这些传感器在最高70°C的温度下进行了测试，并记录了每个辐射剂量下的读数。实验表明，这些传感器能够在低辐射剂量下实现表面温度的实时监测，这对于早期发现可能威胁容器完整性的热异常情况至关重要。
引言
监测核电站（NPP）系统的温度对于确保其始终处于最佳运行状态至关重要，从而防止异常情况的发生。其中主要包括储存在干燥条件下的玻璃化高活性废物和乏核燃料（SNF）。如今，这种储存方式正在全球范围内得到广泛应用[1]。在过去20年中，干式储存技术取得了显著进步。它能够提供对乏燃料的密封保护，比湿式储存更安全，因此随着储存时间的延长，干式储存变得越来越重要[2]。持续监测核电站系统的温度对于保证最佳运行状态和防止异常事件至关重要。这些系统包括储存在干式储存容器中的玻璃化高活性废物和乏核燃料（SNF）[3]、[4]、[5]。对储存容器在正常和异常条件下的温度进行了分析。在正常条件下，温度范围为30至50°C，这通过有效的设计措施来实现，包括自然通风、热绝缘和散热材料[6]。
温度传感器在核设施的安全管理中起着关键作用。市场上有各种各样的传感器，每种传感器都有其独特的特性[7]。在测试设备（DUTs）中采用了多种温度传感技术，每种技术都有其独特的优点和局限性。电阻温度探测器（RTDs），如Pt100和Pt1000，因其高精度、线性和长期稳定性而广受认可；特别是Pt1000传感器已成功应用于辐射环境中的精确DUT温度监测[8]、[9]。热敏电阻对温度变化具有出色的灵敏度和快速响应，但其有限的线性和较窄的工作范围限制了其在极端条件下的应用。热电偶因其宽广的温度范围和快速响应时间而被广泛使用，但需要频繁校准，并且长时间使用后可能会出现漂移。相比之下，热电偶具有很强的鲁棒性，能够覆盖广泛的温度范围，适用于恶劣环境，尽管它们通常需要频繁校准以保持精度。红外（IR）传感器提供非接触式测量，但可能会受到表面发射率和环境干扰的影响[10]。当直接接触表面不切实际或不安全时，其非接触式能力特别有价值。光纤传感器则不受电磁干扰的影响，并且对辐射具有很高的抵抗力，使其成为核能和高能物理应用的理想选择，尽管其成本和系统复杂性可能是限制因素[11]。RTDs提供高精度和稳定性，但在恶劣的辐射环境中成本较高且不够坚固[12]。相比之下，DS18B20传感器以其数字输出、成本效益、易于与微控制器集成以及在其大部分测量范围内的可接受精度（±0.5 °C）而脱颖而出[13]。近年来，由于这些数字温度传感器的紧凑尺寸、低成本以及易于与基于微控制器的平台（如Arduino）集成，它们引起了广泛关注。虽然这些优点使它们适用于实际监测系统，但现有文献仍缺乏在苛刻条件（如伽马辐照）下对其行为的全面比较分析。此外，其紧凑的设计和在适度恶劣环境中可靠运行的能力使其成为实验设置的理想选择。
许多科学研究小组对这一领域表现出兴趣，他们强调了各种温度传感器在确保核废料干式储存的安全性和合规性方面的关键作用。Yongjia Wu等人（2018年）研究了HI-STORM 100干式容器在5-50年储存期间的热流体行为，使用了ORIGAMI估算的衰变热。他们发现，容器内的浮力驱动的氦气对流使燃料温度峰值上升，但降低了整体温度。这种温度降低是由于自然对流增强了热传递。该研究强调了内部气体流动在提高乏燃料储存热安全性方面的作用[14]。Vaibhav M. Davande等人（2016年）开发了一个实时温度监测系统，通过将LabVIEW与Arduino板集成来实现。该系统能够在LCD上显示实时温度，通过GSM模块发送短信警报，并在Excel中自动记录数据。该设计展示了可靠的数据采集和监测能力。该研究强调了将LabVIEW与微控制器结合在可扩展的工业温度监测中的有效性[15]。Yanxiang Wu等人（2011年）设计了一个温度监测系统，使用了1线DS18B20传感器、AT89C51微控制器和外围电路。该系统测量温度，在LCD上显示，并通过串行通信将数据传输到PC进行远程监测。仿真成功地在LCD1602和PC接口上展示了准确的读数。该研究证实了该系统适用于实时远程温度监测应用[16]。Jiri Hofman等人（2011年）评估了DS18B20数字温度传感器在钴-60伽马辐照下的性能，以评估其在现场监测和低成本空间应用中的适用性。测试显示，总电离剂量达到260 krad(Si)时，测量误差从约1.5 °C降低到约0.5 °C。然而，某些传感器在长时间暴露下出现了故障。研究结果表明，在中等剂量下精度有所提高，但在高辐射环境中的耐用性有限[17]。Z. J. Diggins等人（2013年）研究了三种商用测距传感器（红外三角测量、声纳飞行时间和激光三角测量）在核修复机器人中的应用效果。测试表明，实际灾难后的剂量水平导致了一些传感器的突然故障（激光测距仪）和精度下降（声纳、红外）。传感器故障主要是由于支持电子元件的辐射损伤。研究表明，具有类似电子架构的传感器在伽马环境中可能表现出类似的脆弱性[18]。
除了专注于传感器的研究外，了解材料在辐射和热应力下的行为及其结构稳定性对于确保核环境中传感系统的可靠性同样重要。最近的研究强调了先进功能材料和缺陷工程方法在能源相关和辐射敏感应用中的重要性。特别是，基于六铁矿的化合物在高温下表现出良好的结构完整性和热稳定性，使其适用于恶劣环境下的高性能应用[19]。同时，大量研究致力于理解复杂材料系统中的缺陷形成和微观结构演变。例如，钙钛矿型材料已被广泛研究，以揭示缺陷结构及其对材料性能的影响，特别是在辐射暴露和热应力下[20]。这些研究为优化机制提供了宝贵见解，从而提高了材料可靠性和操作稳定性。这对于用于核应用的温度传感设备尤为重要，因为辐射引起的缺陷和温度变化会显著影响传感器的性能、精度和长期稳定性。
部分摘录
材料
本研究介绍了一种用于核电站干式储存容器本地和远程温度监测的电子系统设计。该系统包括硬件和软件组件。
硬件：Arduino UNO微控制器、实时时钟（RTC）模块、SD卡数据记录模块、DS18B20数字温度传感器、上拉电阻、发光二极管（LEDs）、Binder品牌的烤箱以及绝缘电线和连接器。
软件：用于微控制器的Arduino IDE
结果与讨论
在本研究中，（17个）DS18B20传感器分别接受了从0.05 KGy到10 KGy的不同γ射线剂量的辐照。辐照后，每个传感器在模拟干式储存容器条件的受控烤箱中进行了多次设定温度下的测量，并与未受辐照的参考传感器进行直接比较，以量化温度响应的任何偏差。结果以四个图表的形式呈现，每个图表覆盖一个特定的剂量区间。
结论
本研究评估了DS18B20数字温度传感器在乏核燃料干式储存容器中的应用性能。传感器接受了0.05–10 KGy范围内的60Co γ射线辐照，并与未受辐照的参考传感器在多个温度下进行比较，以量化辐射效应。实验表明，对于剂量≤2 KGy的情况，DS18B20提供了准确且稳定的温度读数，表明其性能良好。当样品在≥3 KGy的高剂量下受到辐照时……
CRediT作者贡献声明
El-Sayed Soliman A. Said：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Walaa abd Elmonem El-Kattan：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Karim El Din El-Adham：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督
利益冲突声明
他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
