輻照裝置放射性安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代傳波，祝 嬌，鐘秋林，鄭文祥，張淮超，李清華

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430000）

在電離輻射計(jì)量領(lǐng)域，通常采用利用輻照裝置產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輻射場的方式，來為輻射監(jiān)測儀表的溯源工作提供標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量條件。其中用于校準(zhǔn)劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ輻射標(biāo)準(zhǔn)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(shè)過程中，為了保障其放射性安全，必須設(shè)計(jì)完善的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，以確保輻照裝置工作時(shí)，不會(huì)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(shè)計(jì)案例，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)裝置通常主要由X射線管、準(zhǔn)直光闌、固有過濾片、附加過濾片、快門、移動(dòng)小車及導(dǎo)軌等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 X射線標(biāo)準(zhǔn)場試驗(yàn)裝置基本結(jié)構(gòu)

其中X光機(jī)是產(chǎn)生X射線的設(shè)備，其主要由X光管和X射線機(jī)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(jī)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(gè)高壓電場使燈絲上活躍的電子加速流向陽極靶，形成一個(gè)高速的電子流。當(dāng)在真空中，高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊金屬靶時(shí)，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(dòng)切斷X光機(jī)電源，停止放射性射線出束。

1.2 γ射線輻照裝置

γ輻射標(biāo)準(zhǔn)裝置通常采用密封放射源產(chǎn)生參考輻射場，裝置主要由γ放射源、源屏蔽及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)導(dǎo)軌臺車及控制臺等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意如下圖2所示。

圖2 γ輻射標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)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(qiáng)度決定。主屏蔽體用于平時(shí)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(gè)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(qū)動(dòng)源“抽屜”來實(shí)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(hù)放射線的出束口，防止射線的泄露。

圖3 γ輻射標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)關(guān)閉快門，放射源自動(dòng)回屏蔽位。

2.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)室內(nèi)有人時(shí)，開機(jī)啟動(dòng)輻射裝置。

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施保證試驗(yàn)室有人，試驗(yàn)裝置不能開機(jī)，開機(jī)時(shí)任何人員不能進(jìn)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(dú)立，并且對于關(guān)鍵條件，如快門驅(qū)動(dòng)裝置等采取了“冗余”設(shè)計(jì)。

安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要功能：輻射裝置啟動(dòng)前確保試驗(yàn)室以及各個(gè)相關(guān)的控制區(qū)域無人，所有防護(hù)門都已關(guān)閉。輻射裝置啟動(dòng)前安全聯(lián)鎖系統(tǒng)必須檢測設(shè)備的輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)以保證開機(jī)時(shí)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(jī)后試驗(yàn)室防護(hù)門不能從外部打開，一旦防護(hù)門被強(qiáng)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(guān)閉快門等措施，停止出束。在出束過程中，試驗(yàn)室安全聯(lián)鎖條件破壞時(shí)，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(dòng)停止出束。

3.安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

X射線輻照裝置和γ射線輻照裝置用于實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖的控制機(jī)構(gòu)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(guān)實(shí)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(chǔ)源抽屜采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，空壓機(jī)將氣路中的壓力保持在一定范圍，氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)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(guān)來實(shí)現(xiàn)的，因而控制電磁閥的通斷電即可實(shí)現(xiàn)對快門的開關(guān)操作，進(jìn)而實(shí)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(shí)現(xiàn)的，主要包括門-機(jī)聯(lián)鎖裝置、急停按鈕、清場按鈕、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外報(bào)警系統(tǒng)以及指示燈信號等。

門-機(jī)聯(lián)鎖：對于X輻射標(biāo)準(zhǔn)裝置，裝置所在實(shí)驗(yàn)室防護(hù)門與裝置高壓限位開關(guān)聯(lián)鎖；對于γ輻射標(biāo)準(zhǔn)裝置，其實(shí)驗(yàn)室防護(hù)門與裝置快門、抽屜控制機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖。保證在防護(hù)門關(guān)閉后各裝置才能啟動(dòng)，防護(hù)門被強(qiáng)行打開時(shí)，如果裝置正在運(yùn)行，則引發(fā)緊急停機(jī)；如果沒有運(yùn)行，則不允許開機(jī)和出束。

急停按鈕：各試驗(yàn)室防護(hù)門門口位置安裝均設(shè)置緊急停止按鈕，按鈕距地面高度約1.5m，按鈕下方設(shè)置清晰的文字標(biāo)識。急停按鈕與裝置高壓限位開關(guān)或快門控制機(jī)構(gòu)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(guān)閉。急停按鈕具有可動(dòng)復(fù)位功能，在未經(jīng)手動(dòng)復(fù)位時(shí)，在其他地方無法復(fù)位此處被按下的按鈕，也不能在操作臺復(fù)位。只有當(dāng)引發(fā)急停事件的按鈕被復(fù)位后，才有可能使裝置再次運(yùn)行。

清場按鈕：各試驗(yàn)室內(nèi)部均設(shè)置若干個(gè)清場按鈕，按鈕距地面高度約1.5m，按鈕下方設(shè)置有清晰的文字標(biāo)識，清場巡查路線應(yīng)能夠掃視室內(nèi)全場。裝置進(jìn)行放射性至工作位或射線裝置出束前須進(jìn)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(yàn)室，這時(shí)清場程序完成。

紅外報(bào)警系統(tǒng)：各試驗(yàn)室四周屏蔽墻、迷道內(nèi)均設(shè)有紅外報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)與裝置高壓限位開關(guān)或快門控制機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖，當(dāng)紅外裝置被觸發(fā)后，操作臺“室內(nèi)有人”報(bào)警燈亮，輻照裝置將不能開啟。

指示燈信號：指示燈包括試驗(yàn)室防護(hù)門門口“裝置運(yùn)行”指示燈、試驗(yàn)室內(nèi)裝置自身工作狀態(tài)指示燈以及裝置操作臺相關(guān)指示燈。各試驗(yàn)室防護(hù)門門口頂部安裝有“裝置運(yùn)行”指示燈，指示燈與裝置高壓限位開關(guān)或快門控制機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖，用于表征裝置的開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。指示燈亮，表明裝置處于開機(jī)出束狀態(tài)。操作臺指示燈用于指示裝置各系統(tǒng)的運(yùn)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(yàn)室內(nèi)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(jī)、攝像機(jī)控制切換裝置組成。監(jiān)視器和攝像機(jī)控制切換裝置都安裝在裝置操作臺上，攝像機(jī)控制切換裝置控制試驗(yàn)室內(nèi)攝像機(jī)的選擇、轉(zhuǎn)動(dòng)、變焦以及亮度調(diào)節(jié)，監(jiān)視器顯示試驗(yàn)室內(nèi)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。為保證裝置運(yùn)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(shí)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(hù)門關(guān)閉；固定式劑量監(jiān)測儀投入使用，且未報(bào)警；裝置的快門氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、高壓供電系統(tǒng)正常；輻射工作場所內(nèi)的紅外監(jiān)控投入運(yùn)行，且未報(bào)警；輻射工作場所內(nèi)急停按鈕未發(fā)生動(dòng)作；無火災(zāi)報(bào)警；控制臺鑰匙開關(guān)擰到位；控制臺無其他報(bào)警信號。

4.2 快門關(guān)閉、停止出束邏輯條件

為保證裝置運(yùn)行過程的安全性，下列任何故障發(fā)生都會(huì)引發(fā)快門關(guān)閉、停止出束：任一防護(hù)門打開；裝置的快門氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、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(nèi)的紅外監(jiān)控動(dòng)作；固定式劑量監(jiān)測儀發(fā)生故障，有失效報(bào)警輸出；控制臺緊急停止按鈕動(dòng)作；火災(zāi)報(bào)警啟動(dòng)；當(dāng)裝置運(yùn)行時(shí)，突然發(fā)生停電；控制臺上開關(guān)鑰匙被拔出；其它可引發(fā)停機(jī)的機(jī)械設(shè)備故障。

5.結(jié)語

該聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)已通過國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)管部門的環(huán)評驗(yàn)收和國家衛(wèi)生監(jiān)管部門的職業(yè)衛(wèi)生驗(yàn)收，目前該系統(tǒng)已持續(xù)運(yùn)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(yùn)行結(jié)果的除了得益于系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素外，實(shí)驗(yàn)室安全管理人員對該系統(tǒng)的定期維護(hù)和測試也是保障該系統(tǒng)功能正常的重要因素。同時(shí)，運(yùn)行單位應(yīng)提高輻射安全意識，明確輻射安全主體和責(zé)任人，加強(qiáng)輻射安全管理工作和核安全文化建設(shè)，保障輻射裝置的運(yùn)行輻射安全，不能只依賴“技防”，更重要的還在“人防”。