X射線快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全性分析

鄧艷麗 明申金 朱國平 侯利娜 王 兵 李君利 苗齊田 張 輝

(同方威視技術(shù)股份有限公司, 北京, 100084);(清華大學(xué)工程物理系, 北京, 100084)

快速安全檢查系統(tǒng)是一種為了滿足快速通關(guān)需求而設(shè)計的X射線安全檢查設(shè)備，具有通過率高、檢查便捷等特點，廣泛應(yīng)用于海港碼頭、物流園、交通樞紐、公路卡口、保稅區(qū)等地的海關(guān)、緝私、公安等部門對集裝箱貨物進(jìn)行不開箱檢查，實現(xiàn)對集裝箱貨物的100%查驗要求。

1 快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全系統(tǒng)

對于快速安全檢查系統(tǒng)，為了保證集裝箱卡車司機(jī)(簡稱“司機(jī)”)的輻射安全，避免主射束照射，快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全系統(tǒng)設(shè)計遵循參考了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-7]要求，采用縱深防御的原則及冗余性、多樣性、獨立性的多種安全聯(lián)鎖措施。

1.1 快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全聯(lián)鎖設(shè)施

快速安全檢查系統(tǒng)在輻射防護(hù)與安全設(shè)計必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，除了在系統(tǒng)周邊建立輻射屏蔽物以確保周邊操作人員的安全以外，還采用了大量的電氣安全聯(lián)鎖設(shè)施來保障司機(jī)和公眾的輻射安全?？焖侔踩珯z查系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖設(shè)施包括鑰匙開關(guān)聯(lián)鎖、急停按鈕和急停拉線、門聯(lián)鎖、車輛駛?cè)牒臀恢门袛?，以及警示報警裝置、監(jiān)視和通訊設(shè)備等。

(1) 鑰匙開關(guān)聯(lián)鎖。在系統(tǒng)控制室操作臺上裝有加速器加高壓控制鑰匙開關(guān)。只有當(dāng)這把加速器高壓控制鑰匙插入控制臺上的鑰匙孔且旋轉(zhuǎn)到“on”狀態(tài)時，加速器才有可能出束；加速器高壓控制鑰匙打到“off”或拔出時，加速器不能出束，在加速器出束時能立即停止出束。

(2) 急停按鈕和急停拉線。在系統(tǒng)控制室操作臺上、加速器室內(nèi)、檢查通道墻內(nèi)側(cè)等地分別設(shè)置了急停按鈕或拉線開關(guān)。

當(dāng)任一急停按鈕被按下或急停拉線開關(guān)被拉下時，加速器不出束或立即停止出束。

(3) 門聯(lián)鎖。在加速器室門、調(diào)制器門、加速器X射線機(jī)頭部件面板上分別設(shè)有微動開關(guān)聯(lián)鎖。

當(dāng)任一聯(lián)鎖面板或門被打開時，加速器不出束或立即停止出束。

(4) 車輛駛?cè)肱袛?、車輛位置探測和流程控制。圖1給出了車輛駛?cè)肱袛?、車輛位置探測和流程控制相對應(yīng)的探測裝置和位置示意。

圖1中A～I(xiàn)表示各探測裝置所處的位點，其中IL1和IL2為地感設(shè)備，IS1、IS2、IS3和IS4為光幕探測裝置，P1、P2和P3為光電裝置。

圖1 快速安全檢查系統(tǒng)流程控制探測設(shè)備布置圖

掃描控制流程設(shè)備及其功能：

快速安全檢查系統(tǒng)的出束邏輯控制示于圖2。進(jìn)入通道的車輛只有在滿足位置、速度等檢查流程的條件下，加速器才會啟動出束；如果不滿足流程要求，加速器不出束或在設(shè)定時間內(nèi)停止出束；通道內(nèi)非車輛的其它物體均不能啟動加速器出束，以確保司機(jī)與進(jìn)入通道內(nèi)人員的輻射安全。

1.2 輻射安全聯(lián)鎖設(shè)施的失效安全設(shè)計

快速安全檢查系統(tǒng)中所有與加速器出束有關(guān)的安全聯(lián)鎖設(shè)備都采用了失效安全設(shè)計，如光幕探測裝置、地感設(shè)備、光電裝置、急停按鈕和警示燈等。所謂失效安全設(shè)計，即任一設(shè)備失效或有故障，加速器將不能出束或者立即停止出束，進(jìn)一步降低司機(jī)和其他人員受到X射線潛在照射的風(fēng)險。

1.3 快速安全檢查系統(tǒng)的正常掃描控制流程

圖3給出了正常狀態(tài)下快速安全檢查系統(tǒng)中掃描控制流程。

由圖3可知，在正常掃描檢查狀態(tài)下：

(1) 只有當(dāng)集裝箱卡車沿行進(jìn)方向從IL1行進(jìn)到IS4依次觸發(fā)沿途的各傳感器、并且IS2、IS3和IS4同時被遮擋、IL2發(fā)出有效信號時，IS4發(fā)出的信號下降沿才能觸發(fā)加速器出束。這樣保證駕駛室不被掃描，確定司機(jī)已離開主束一定的安全距離后系統(tǒng)才出束。

(2) 在加速器出束期間，IS3、IS4和IL2給出的信號必須始終保持，否則加速器立即停止出束。當(dāng)集裝箱卡車正常離開IS3或IL2時，加速器立即停止出束。

圖2 快速安全檢查系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖邏輯控制圖

圖3 快速安全檢查系統(tǒng)中掃描控制流程

(3) IS4和P3之間設(shè)定了時間間隔，如果被檢車經(jīng)過IS4但未在設(shè)定時間內(nèi)觸發(fā)P3，這時系統(tǒng)自動停止出束，以避免司機(jī)在通道內(nèi)發(fā)生意外停車而造成不必要的照射。

1.4 正常掃描情況下司機(jī)的受照劑量

目前在國內(nèi)投入使用的典型標(biāo)準(zhǔn)型快速檢查安全系統(tǒng)[8]給出了正常掃描情況下，蒙卡程序(GEANT 4.0)計算[9]和實際測量[10]結(jié)果：司機(jī)一次通過檢查的吸收劑量分別不超過0.02 μSv；加強(qiáng)型快速檢查安全系統(tǒng)[11](為提高圖像質(zhì)量，加速器輸出劑量比標(biāo)準(zhǔn)型提高至3～5倍)不超過0.1 μSv[12,13]。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)集裝箱卡車司機(jī)安全的劑量限制如下：

(1) “Radiation protection instrumentation - X-ray systems for the screening of persons for security and the carrying of illicit items”[5]規(guī)定：被檢查者每次接受透射型安檢設(shè)備的吸收劑量H*(10)應(yīng)小于5 μSv，每次接受背散射型安檢設(shè)備的吸收劑量H*(10)應(yīng)小于0.4 μSv。

(2) “Cargo/vehicle radiographic inspection system”[4]規(guī)定：司機(jī)一次通過吸收劑量不超過5 μSv。

(3) “Radiation Safety for Personnel Screening Systems Using X-ray”[3]規(guī)定：被檢查者單次掃描參考有效劑量不超過0.25 μSv，在任何12個月內(nèi)從該設(shè)備接受的參考有效劑量不超過250 μSv。

(4) 《貨物車輛輻射檢查系統(tǒng)的放射防護(hù)要求》[6]規(guī)定：對于有司機(jī)駕駛的貨運車輛或列車的檢查系統(tǒng)，駕駛員位置一次通過的周圍劑量當(dāng)量應(yīng)不大于0.1 μSv。

表1中列出了司機(jī)單次通過快速檢查安全系統(tǒng)的吸收劑量與標(biāo)準(zhǔn)限值，司機(jī)每次通過快速檢查安全系統(tǒng)的吸收劑量不超過0.02 μSv，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限值的1/500～1/50。

據(jù)目前使用快速安全檢查系統(tǒng)安檢用戶反饋，同一司機(jī)每天駕車經(jīng)過快速安全檢查設(shè)備不超過3趟，一年按照300個工作日計算，該司機(jī)經(jīng)過安檢次數(shù)不超過900次，司機(jī)的年有效吸收劑量為900×0.02=18 μSv，與標(biāo)準(zhǔn)[1]中給出的公眾豁免年劑量值(10 μSv)相當(dāng)。說明快速安全檢查系統(tǒng)對于駕車通過的司機(jī)來說是安全的。

表1 司機(jī)單次通過快速檢查安全系統(tǒng)的吸收劑量與標(biāo)準(zhǔn)限值

2 設(shè)計基準(zhǔn)事故分析

2.1 設(shè)計基準(zhǔn)事故(一)：司機(jī)受到主束掃描照射風(fēng)險估計

對快速安全檢查系統(tǒng)，這里司機(jī)作為公眾中的關(guān)鍵人群來重點分析。在一次正常掃描檢查過程中司機(jī)要受到主束掃描照射所須滿足的條件如圖4(故障樹分析圖)所示。

圖4中事件A——按照行進(jìn)方向依次已到達(dá)IS3和IL2的位置而未到達(dá)IS4之前的時間段內(nèi)和事件B——IS4被意外地觸發(fā)同時發(fā)生，司機(jī)正好處在主束位置而被照射。

事件A作為基本事件，可能性取1，而事件B的發(fā)生概率分析如圖5所示。

由圖5可見，導(dǎo)致事件B發(fā)生的可能原因包括：卡車處于光幕IS3～I(xiàn)S4之間的時間內(nèi)，光幕IS4的發(fā)射器和接收器之間有大于150 mm高度的連續(xù)部件(至少8對發(fā)射與接收器)被遮擋導(dǎo)致事件發(fā)生，或者這8對以上元器件同時突發(fā)故障事件，導(dǎo)致IS4被意外觸發(fā)。因為快速安全檢查系統(tǒng)的掃描通道總長為20 m，而光幕IS3～I(xiàn)S4之間距離約2 m，因此被檢查的卡車處于IS3～I(xiàn)S4區(qū)間的時間概率為2/20=0.1。

(圖中小圓圈表示基本事件)
圖4司機(jī)被主束照射故障樹分析圖

圖5 事件B(車輛到達(dá)IS3和IS4之間時IS4發(fā)生意外觸發(fā))的發(fā)生概率分析

這里，光幕IS4中8對以上發(fā)射器與接收器同時被遮擋事件的發(fā)生概率與設(shè)備現(xiàn)場周邊環(huán)境狀況有關(guān)。例如安裝在海邊的設(shè)備，大型海鳥比較多，可能發(fā)生海鳥飛到光幕IS4上引起遮擋；再假定安裝地衛(wèi)生環(huán)境很差的設(shè)備，可能發(fā)生比較大的物體如塑料袋、紙張等被風(fēng)揚起來而遮擋IS4等小概率事件，可以近似認(rèn)為在一次掃描過程中這類事件的發(fā)生概率與一年某人時間(MTBF)為30 萬h。當(dāng)卡車接受一次掃描全過程(Δt)內(nèi)，IS4發(fā)生失效的概率可以估計為Δt/MTBF。由于集裝箱卡車的速度最低5 km/h，則檢查時間Δt最長0.004 h，則IS4在此期間失效的概率不超過0.004/300000=1.3×10-8。

根據(jù)圖5故障樹分析結(jié)果，得到事件B發(fā)生的概率為1×10-7。

由圖4、圖5可見，司機(jī)每次通過快速安全檢查系統(tǒng)可能受到主束掃描照射的概率低于1×10-7，是一個低概率事件。

被快速安全檢查系統(tǒng)主束掃描一次所接受的吸收劑量[10,13]實測不超過4 μSv，那司機(jī)意外受照劑量也會與之相當(dāng)，該劑量依然小于標(biāo)準(zhǔn)[4,5]中一次通過的安全限值(5 μSv)要求，同時也遠(yuǎn)低于我國對一般輻射事故的標(biāo)準(zhǔn)判定(年劑量限值50 mSv[2])。因此，設(shè)備在此設(shè)計基準(zhǔn)事故中，司機(jī)實際受到主束照射，但不構(gòu)成輻射事故，且受照劑量小于國際標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

針對特別頻繁過往檢查設(shè)備的司機(jī)的風(fēng)險估算：在上述情況下，司機(jī)經(jīng)過快檢設(shè)備最多3 次/d，一年300個工作日共計900 次，由ICRP 76報告提供的風(fēng)險計算方法[14]和ICRP103報告提供的數(shù)據(jù)[15，則每年司機(jī)受到主束掃描的風(fēng)險為：

式中，P為司機(jī)受到主束掃描的概率；f(E)為司機(jī)受到一次主束掃描所受劑量導(dǎo)致的危險度，其中公眾的標(biāo)稱風(fēng)險概率因數(shù)為5.7×10-2Sv-1，劑量率大于0.1 Gy/h條件下的劑量和劑量率有效因子(DDREF值)取2；N為司機(jī)每年掃描總次數(shù)。

計算結(jié)果表明：與ICRP 103號出版物要求的公眾危險約束值10-5a-1、和IAEA 115號報告提出的豁免危險水平10-7a-1相比，來自于此設(shè)計基準(zhǔn)事故的危險可以忽略。

2.2 設(shè)計基準(zhǔn)事故(二)：某人藏匿或尾隨卡車進(jìn)入掃描通道，被主束照射風(fēng)險估計

這種事件發(fā)生須滿足的條件示于圖6，前提是事件C和D同時發(fā)生，即當(dāng)事件C(系統(tǒng)工作時某人意外地隨卡車一起進(jìn)入檢查通道)以及基本事件D(卡車被正常掃描中)同時發(fā)生。事件C的發(fā)生可能是由于某人藏匿于卡車內(nèi)(人因差錯概率取10-3)或某人意外尾隨卡車進(jìn)入檢查通道，某人進(jìn)入檢查通道的概率取決于檢查系統(tǒng)所在區(qū)域的人員居留概率(取1/40)、意外尾隨卡車的概率(取10-3)以及操作人員沒有及時發(fā)現(xiàn)并阻止的概率(取10-3)；基本事件D的概率可取1。

圖6 藏匿或尾隨卡車被主束照射故障樹分析圖

由圖6可得到某人藏匿或尾隨卡車而被主束掃描的概率大約在1×10-3。

依據(jù)前述計算公式，某人意外被主束掃描一次所接受的吸收劑量不超過4 μSv，則某人意外進(jìn)入通道被主束掃描一次所致風(fēng)險為：

結(jié)果表明，該設(shè)計基準(zhǔn)事故的危險仍然是非常低的。

2.3 小結(jié)

基準(zhǔn)事故(一)和(二)的風(fēng)險評估結(jié)果可以看出，快速安全檢查系統(tǒng)的帶給司機(jī)和周邊公眾的風(fēng)險均遠(yuǎn)低于IAEA 115報告提出的豁免風(fēng)險水平10-7a-1。因此，快速安全檢查系統(tǒng)目前提供的輻射安全措施是相當(dāng)充分的。

3 運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)

快速安全檢查系統(tǒng)投入市場應(yīng)用已達(dá)10年有余，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)某廠商為全球用戶已經(jīng)提供了80多套快檢系統(tǒng)，主要服務(wù)于碼頭、公路口岸、物流中心等查驗中心，收集到部分項目運行情況列于表2。

表2 快速安全檢查系統(tǒng)運行情況統(tǒng)計表

由表2可見，快速安全檢查系統(tǒng)運行多年，發(fā)生1起意外事件，原因是現(xiàn)場周邊環(huán)境惡劣，周邊垃圾袋被吹進(jìn)掃描通道，恰巧提前蓋住了光幕。為此設(shè)備廠商后來進(jìn)行了改進(jìn)與完善，在上下方向上又增加了一組光幕，進(jìn)一步降低風(fēng)險。

從現(xiàn)有的產(chǎn)品運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)看，設(shè)計基準(zhǔn)事故(二)目前為止并沒有發(fā)生過。實踐證明，快速安全檢查系統(tǒng)完善的安全聯(lián)鎖設(shè)施是必要的，對關(guān)鍵人員的保護(hù)是有效的。

4 結(jié)語

綜合快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全分析，可形成以下結(jié)論：

(1) 快速安全檢查系統(tǒng)提供的輻射防護(hù)措施比較全面，確保了冗余、多樣的安全要求，盡可能地降低了人員意外受照風(fēng)險，能夠確保正常工況下集裝箱卡車司機(jī)以及周邊公眾的安全，設(shè)計上符合輻射安全縱深防御設(shè)計原則。

(2) 在正常工況下，司機(jī)單次和年累積劑量均遠(yuǎn)好于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其健康安全有保障；司機(jī)可作為普通公眾對待。

(3) 在設(shè)計基礎(chǔ)事故下，司機(jī)、意外闖入檢查通道的人員受到快檢系統(tǒng)主束照射的風(fēng)險極低(10-10～10-11)，受照劑量也很低(4 μSv)，對健康無影響；但考慮到最優(yōu)化和正當(dāng)性原則，建議仍要采取充分而必要的安全措施，以保障司機(jī)盡量不受主束照射。

最后需要說明的是，再完備的技術(shù)手段和設(shè)備，也離不開合格的操作人員和規(guī)范的輻射安全操作規(guī)程。只有人、設(shè)備和制度三方面共守原則，才能構(gòu)建出一個牢靠的安全體系，杜絕任何輻射事故/意外事件的發(fā)生。