輻照裝置放射性安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設計

代傳波，祝 嬌，鐘秋林，鄭文祥，張淮超，李清華

（武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430000）

在電離輻射計量領域，通常采用利用輻照裝置產生標準輻射場的方式，來為輻射監(jiān)測儀表的溯源工作提供標準計量條件。其中用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ輻射標準裝置，最常用的輻射源則包括射線裝置（如X射線）和密封放射源（如γ放射源）兩類。在輻照裝置研制建設過程中，為了保障其放射性安全，必須設計完善的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，以確保輻照裝置工作時，不會造成人員遭受放射性誤照射等事故。本文介紹了一種用于該類輻照裝置的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計案例，經(jīng)實驗室多年運行經(jīng)驗表明，該系統(tǒng)設計合理，運行安全可靠。

1.輻射裝置簡介

1.1 X射線輻照裝置

X射線輻射標準裝置通常主要由X射線管、準直光闌、固有過濾片、附加過濾片、快門、移動小車及導軌等組成，其基本結構如圖1所示。

圖1 X射線標準場試驗裝置基本結構

其中X光機是產生X射線的設備，其主要由X光管和X射線機電源以及控制電路等組成，而 X光管又由陰極燈絲和陽極靶以及真空玻璃管組成，X射線機電源又可分為高壓電源和燈絲電源兩部分，其中燈絲電源用于為燈絲加熱，高壓電源的高壓輸出端分別加在陰極燈絲和陽極靶兩端，提供一個高壓電場使燈絲上活躍的電子加速流向陽極靶，形成一個高速的電子流。當在真空中，高速運動的電子轟擊金屬靶時，靶就放出X射線。

X射線輻照裝置，其安全聯(lián)鎖的核心功能為，在非正常工作狀態(tài)下，能夠自動切斷X光機電源，停止放射性射線出束。

1.2 γ射線輻照裝置

γ輻射標準裝置通常采用密封放射源產生參考輻射場，裝置主要由γ放射源、源屏蔽及驅動機構、試驗導軌臺車及控制臺等部分組成，其結構示意如下圖2所示。

圖2 γ輻射標準裝置結構示意圖

γ源通常采用干式貯存法，其屏蔽體由主屏蔽體、屏蔽快門和源“抽屜”組成，材料主要為鉛，屏蔽體厚度根據(jù)γ源的強度決定。主屏蔽體用于平時貯存放射源，保證源罐周邊環(huán)境的劑量水平正常；源“抽屜”由一個鑲嵌放射源的方形鉛屏蔽體組成，放射源的工作采用來回驅動源“抽屜”來實現(xiàn)，其“屏蔽位”和“照射位”示意圖如圖2所示；屏蔽快門主要用于保護放射線的出束口，防止射線的泄露。

圖3 γ輻射標準裝置出源原理圖

γ射線輻照裝置，其安全聯(lián)鎖的核心功能為，在非正常工作狀態(tài)下，能夠自動關閉快門，放射源自動回屏蔽位。

2.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設計原則

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的目的是為了避免人員接近工作中的輻射裝置，或者避免在試驗室內有人時，開機啟動輻射裝置。

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計原則：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計和實施保證試驗室有人，試驗裝置不能開機，開機時任何人員不能進入（也無法闖入），以確保人身安全；安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的各子系統(tǒng)相對獨立，并且對于關鍵條件，如快門驅動裝置等采取了“冗余”設計。

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要功能：輻射裝置啟動前確保試驗室以及各個相關的控制區(qū)域無人，所有防護門都已關閉。輻射裝置啟動前安全聯(lián)鎖系統(tǒng)必須檢測設備的輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)以保證開機時安全聯(lián)鎖系統(tǒng)及其執(zhí)行部件的工作是正常的。輻射裝置開機后試驗室防護門不能從外部打開，一旦防護門被強行打開，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)將立即通過主控系統(tǒng)采取切斷射線管高壓、關閉快門等措施，停止出束。在出束過程中，試驗室安全聯(lián)鎖條件破壞時，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)本身能夠立即采取措施使輻射裝置自動停止出束。

3.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設計

X射線輻照裝置和γ射線輻照裝置用于實現(xiàn)安全聯(lián)鎖的控制機構不同。對于X射線輻照裝置，射線管接通高壓才能出束，因此通過控制裝置的高壓限位開關實現(xiàn)裝置的出束控制。對于γ射線輻照裝置，鉛屏蔽罐快門及儲源抽屜采用氣動驅動機構，空壓機將氣路中的壓力保持在一定范圍，氣缸活塞的運動通過氣流方向控制，而氣路中的氣體流向是通過電磁閥開關來實現(xiàn)的，因而控制電磁閥的通斷電即可實現(xiàn)對快門的開關操作，進而實現(xiàn)放射源位置的控制。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能是通過現(xiàn)場聯(lián)鎖裝置實現(xiàn)的，主要包括門-機聯(lián)鎖裝置、急停按鈕、清場按鈕、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外報警系統(tǒng)以及指示燈信號等。

門-機聯(lián)鎖：對于X輻射標準裝置，裝置所在實驗室防護門與裝置高壓限位開關聯(lián)鎖；對于γ輻射標準裝置，其實驗室防護門與裝置快門、抽屜控制機構聯(lián)鎖。保證在防護門關閉后各裝置才能啟動，防護門被強行打開時，如果裝置正在運行，則引發(fā)緊急停機；如果沒有運行，則不允許開機和出束。

急停按鈕：各試驗室防護門門口位置安裝均設置緊急停止按鈕，按鈕距地面高度約1.5m，按鈕下方設置清晰的文字標識。急停按鈕與裝置高壓限位開關或快門控制機構聯(lián)鎖，在緊急狀況下按下，裝置將立即停止出束或快門將立即關閉。急停按鈕具有可動復位功能，在未經(jīng)手動復位時，在其他地方無法復位此處被按下的按鈕，也不能在操作臺復位。只有當引發(fā)急停事件的按鈕被復位后，才有可能使裝置再次運行。

清場按鈕：各試驗室內部均設置若干個清場按鈕，按鈕距地面高度約1.5m，按鈕下方設置有清晰的文字標識，清場巡查路線應能夠掃視室內全場。裝置進行放射性至工作位或射線裝置出束前須進行人員清場，清場人員沿著既定路線巡視現(xiàn)場，確定沒有其他工作人員逗留后，按下清場按鈕，清場人員退出試驗室，這時清場程序完成。

紅外報警系統(tǒng)：各試驗室四周屏蔽墻、迷道內均設有紅外報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)與裝置高壓限位開關或快門控制機構聯(lián)鎖，當紅外裝置被觸發(fā)后，操作臺“室內有人”報警燈亮，輻照裝置將不能開啟。

指示燈信號：指示燈包括試驗室防護門門口“裝置運行”指示燈、試驗室內裝置自身工作狀態(tài)指示燈以及裝置操作臺相關指示燈。各試驗室防護門門口頂部安裝有“裝置運行”指示燈，指示燈與裝置高壓限位開關或快門控制機構聯(lián)鎖，用于表征裝置的開機運行狀態(tài)。指示燈亮，表明裝置處于開機出束狀態(tài)。操作臺指示燈用于指示裝置各系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如電源指示燈、高壓指示燈等。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)：各輻射試驗室內安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)視控制條、監(jiān)視器、攝像機、攝像機控制切換裝置組成。監(jiān)視器和攝像機控制切換裝置都安裝在裝置操作臺上，攝像機控制切換裝置控制試驗室內攝像機的選擇、轉動、變焦以及亮度調節(jié)，監(jiān)視器顯示試驗室內具體情況。

4.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)控制

本輻照裝置控制系統(tǒng)基于PLC（可編程控制器）搭建完成，通過輻照室外的控制臺實現(xiàn)遠程控制。為保證裝置運行過程的安全性，控制系統(tǒng)與安全系統(tǒng)聯(lián)鎖。

4.1 源裝置快門開啟、射線裝置出束邏輯條件

必須同時滿足以下條件才能允許裝置快門打開、出束：清場按鈕按下；防護門關閉；固定式劑量監(jiān)測儀投入使用，且未報警；裝置的快門氣動驅動機構、高壓供電系統(tǒng)正常；輻射工作場所內的紅外監(jiān)控投入運行，且未報警；輻射工作場所內急停按鈕未發(fā)生動作；無火災報警；控制臺鑰匙開關擰到位；控制臺無其他報警信號。

4.2 快門關閉、停止出束邏輯條件

為保證裝置運行過程的安全性，下列任何故障發(fā)生都會引發(fā)快門關閉、停止出束：任一防護門打開；裝置的快門氣動驅動機構、高壓供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常；控制臺上的電磁閥故障；輻射工作場所內的紅外監(jiān)控動作；固定式劑量監(jiān)測儀發(fā)生故障，有失效報警輸出；控制臺緊急停止按鈕動作；火災報警啟動；當裝置運行時，突然發(fā)生停電；控制臺上開關鑰匙被拔出；其它可引發(fā)停機的機械設備故障。

5.結語

該聯(lián)鎖系統(tǒng)設計已通過國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)管部門的環(huán)評驗收和國家衛(wèi)生監(jiān)管部門的職業(yè)衛(wèi)生驗收，目前該系統(tǒng)已持續(xù)運行5年，期間無輻射事故發(fā)生。該安全聯(lián)鎖系統(tǒng)取得如此良好運行結果的除了得益于系統(tǒng)設計因素外，實驗室安全管理人員對該系統(tǒng)的定期維護和測試也是保障該系統(tǒng)功能正常的重要因素。同時，運行單位應提高輻射安全意識，明確輻射安全主體和責任人，加強輻射安全管理工作和核安全文化建設，保障輻射裝置的運行輻射安全，不能只依賴“技防”，更重要的還在“人防”。