雙源X射線輻照儀電氣控制系統(tǒng)研究

摘 要：作者及所屬團隊發(fā)明的一種雙源X射線輻照儀提高自屏蔽X射線輻照儀的產(chǎn)能，但是新型的結構和更大的輻射劑量給環(huán)境劑量安全帶來更大的挑戰(zhàn)。為了確保人員不會被電離輻射所傷，除了通過輻射防護屏蔽設計達到自屏蔽效果，還需要很多安全聯(lián)鎖的檢測元件和電氣結構設計來檢測和避免各種意外。另外為了確保輻照劑量的準確和均勻，也需要很多電氣設備及檢測元件。該文通過對雙源X射線輻照儀設備的結構原理，以及相關人員、環(huán)境和使用方法等因素的深入探索和分析，進一步揭示這些因素對雙源X射線輻照儀的安全性和可靠性的關鍵影響?；诖耍撐倪M行雙源X射線輻照儀的電氣系統(tǒng)及控制程序的研究與設計。通過對雙源X射線輻照儀的安全性和可靠性的測試，得到電氣系統(tǒng)和控制程序在實際應用中的表現(xiàn)的有效驗證。

關鍵詞：X射線輻照；安全聯(lián)鎖；電氣控制；輻照劑量；劑量均勻度

中圖分類號：TG115.22+5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0102-04

Abstract： A dual-source X-ray irradiator invented by myself and my team improves the production capacity of the self-shielding X-ray irradiator， but the new structure and larger radiation dose bring greater challenges to the safety of environmental dose. In order to ensure that personnel will not be injured by ionizing radiation， in addition to the self-shielding effect achieved by radiation protection shielding design， many safety interlocking detection elements and electrical structure design are needed to detect and avoid all kinds of accidents. In addition， in order to ensure the accuracy and uniformity of radiation dose， a lot of electrical equipment and detection components are needed. In this paper， through the in-depth exploration and analysis of the structure and principle of dual-source X-ray irradiator equipment， as well as related personnel， environment and methods of use， the key effects of these factors on the safety and reliability of dual-source X-ray irradiator are further revealed. Based on this， the electrical system and control program of dual-source X-ray irradiator are studied and designed in this paper. Through the test of the safety and reliability of the dual-source X-ray irradiator， we have effectively verified the performance of the electrical system and control program in practical application.

Keywords： X-ray irradiation; safety interlock; electrical control; radiation dose; dose uniformity

輻照儀可用于昆蟲絕育[1]、DNA損傷、細胞培養(yǎng)、血制品照射、腫瘤、信號轉導、免疫、基因治療、放射生物學和藥物研發(fā)等多種生物學輻照研究。

輻照儀一般采用137Cs或X光管作為輻照源。放射源輻照儀采用放射性物質自身衰變產(chǎn)生的γ射線進行輻照，由于放射源審批、運輸、退役困難，安全要求高等缺點，正逐步被市場淘汰。

同時隨著輻照技術的發(fā)展，以單個X光管為輻照源的輻照裝置得到了一定的推廣應用。但是由于單個X光管自身功率的限制，其所產(chǎn)生的X射線劑量率有限，在大批量輻照加工時耗時多且會造成光管及相關器件的損耗加快，導致整機故障率增加，影響正常生產(chǎn)。

而采用2個X光管時，雖然提高了自屏蔽X射線輻照儀的產(chǎn)能，但是新型的結構和更大的輻射劑量給環(huán)境劑量安全帶來了更大的挑戰(zhàn)。

1 設備介紹

雙源X射線輻照儀的外觀如圖1所示，設備的輻照倉內(nèi)示意如圖2所示。

本設備上層為中置的屏蔽倉，屏蔽倉兩側對稱安裝了2臺160 kV，37.5 mA的X光管，光源都水平朝向屏蔽倉中心，屏蔽倉內(nèi)安裝有可沿光源方向橫向移動的轉臺，在運行過程中就是通過2臺X光管對轉臺上的容器進行輻照。在這一過程中，轉臺也將勻速旋轉，保證輻照的均勻性。屏蔽倉的下方是抽拉式電控箱，電控箱內(nèi)包含主控PLC系統(tǒng)和配電系統(tǒng)。電控箱的下方是上下放置的2臺高壓電源，將高壓電源放置在最底層的目的就是降低重心，使整個設備更穩(wěn)定。

使用本設備時，操作人員需要在燈帶顯示為安全（綠色）時，打開屏蔽艙門，將輻照容器放在轉臺上，隨后關閉艙門，通過無線平板操作啟動設備。

2 安全性和可靠性風險分析

所謂安全性風險，是設備在放置或使用過程中射線從自屏蔽體內(nèi)射出，傷害附近的人員的風險。根據(jù)要求，輻射裝置的防護原則為縱深防御、冗余、多元及獨立[2]。

所謂可靠性風險，是由于各類原因導致輻照劑量、劑量均勻度未能達到指標的風險。由于輻照的特點是很難判斷輻照前后被輻照物在外觀上的區(qū)別，所以確保整套系統(tǒng)的可靠性格外重要。

根據(jù)喬曉魁[3]介紹的安全風險分析方法，風險類別可以劃分為人員、機器、物料、方法和環(huán)境。本系統(tǒng)所涉及的安全性和可靠性風險見表1。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

從風險處理措施中，除掉難以通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)的處理手冊問題外，其余風險都將通過電氣系統(tǒng)的硬件和功能設計進行應對。

3.1 硬件配置

本設備的系統(tǒng)圖如圖3所示。

主控系統(tǒng)：本設備的主控系統(tǒng)為PLC系統(tǒng)，采用西門子S7-1200F系列PLC。安全型S7-1200F系列PLC和普通PLC的區(qū)別為：認證不同、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不同、內(nèi)部接線方式不同及外圍硬件選型不同[4]。

安全聯(lián)鎖繼電器邏輯電路：繼電器邏輯電路有2條，一條是急停邏輯，觸發(fā)急停直接斷電；一條是停束邏輯，觸發(fā)此邏輯則停止出束指令，并切斷高壓電源接觸器。

鑰匙開關：為防止非授權的操作，必須用鑰匙開關旋轉到ON位置才可以出束。鑰匙要與個人劑量報警儀相連。

急停按鈕：急停按鈕要設計在明顯的位置，并且按下急停按鈕后要切斷除PLC主機以外的一切供電，防止任何不可控的運行狀態(tài)。

門限位開關：在屏蔽艙門和2個X光管檢修門上安裝門限位開關，防止這些可能泄漏劑量的門沒有關緊造成人員傷害。必須門限位全部閉合才可以出束。

門磁鎖：在屏蔽倉門安裝門磁鎖，可以使艙門吸合得更緊實，且只有在門磁鎖吸附時才可以出束。

環(huán)境劑量儀：在屏蔽倉門外側安裝環(huán)境劑量儀，通過最直觀的方式來判斷射線進入環(huán)境的劑量率。如果劑量超過標準，則立刻停止出束，并蜂鳴報警。

冷卻水溫度流量計：在2路X光管回水管道安裝溫度流量計，當溫度和流量達到標準后才可以出束。

環(huán)境溫度濕度計：在設備殼體內(nèi)安裝環(huán)境溫度濕度計，當環(huán)境溫度和環(huán)境濕度達到標準后才可以出束。

轉臺測速編碼器：在轉臺下方安裝增量型編碼器用于測速，當編碼器反饋的速度不達標一段時間后，停止出束，并蜂鳴報警。

三色燈帶：在設備的明顯位置安裝紅綠黃三色燈帶，當設備就緒時亮綠燈，當安全聯(lián)鎖就緒后亮黃燈，當設備出束時亮紅燈。

3.2 功能配置

針對所配置的電氣元件，進行以下功能設計，并在S7-1200F系列PLC上編程實現(xiàn)。由于本文僅探討有關雙源X射線輻照儀安全性和可靠性的功能，所以與之無關的其他功能不再羅列。

有關的安全聯(lián)鎖關系如圖4所示。

安全聯(lián)鎖就緒：在所有條件都具備的前提下閉合鑰匙開關，然后才能是安全聯(lián)鎖就緒，僅在安全聯(lián)鎖就緒時可以出束。

急停：當急停按鈕觸發(fā)時，報警并記錄；當急停就緒時，此步安全聯(lián)鎖就緒。

繼電器邏輯電路總匯：當安全聯(lián)鎖就緒后總匯信號丟失，切斷安全聯(lián)鎖并停束，報警并記錄；當總匯信號就緒時，此步安全聯(lián)鎖就緒。

門限位：所有進入PLC的門限位信號都就緒后，此步安全聯(lián)鎖就緒。

門磁鎖：門磁鎖吸合后，此步安全聯(lián)鎖就緒。

環(huán)境劑量儀：環(huán)境劑量儀持續(xù)工作，讀取實時環(huán)境劑量顯示在操作界面上。當環(huán)境劑量達標時，此步安全聯(lián)鎖就緒。

冷卻水溫度、流量：2臺X光管的溫度和流量持續(xù)工作，讀取實時數(shù)據(jù)顯示在操作界面上。當冷卻水溫度或流量達標時，此步安全聯(lián)鎖就緒。

環(huán)境溫度、濕度：環(huán)境溫度、濕度持續(xù)工作，讀取實時數(shù)據(jù)顯示在操作界面上。當環(huán)境溫度或溫度達標時，此步安全聯(lián)鎖就緒。

轉臺速度：轉臺將在出束前啟動，其速度是否達標僅在啟動后判斷，未啟動時視為此步安全聯(lián)鎖就緒。

三色燈帶：當主回路得電后，綠燈亮起；當安全聯(lián)鎖就緒后，黃燈亮起；當高壓電源的接觸器吸合后，紅燈亮起。

用戶登錄：操作員賬戶可以修改一些較為專業(yè)的設備參數(shù)以及安全閾值等。

操作記錄：對重要操作進行記錄，如重要參數(shù)修改，開關屏蔽室倉門，起停X射線等。

報警記錄：對觸發(fā)的故障和報警進行記錄，如運行中安全聯(lián)鎖遭到破壞，轉臺速度不正常，冷卻水溫度不正常等。

4 功能測試

在系統(tǒng)集成完成后，對有關安全性和可靠性的功能進行測試。測試項目、測試方法、測試結論見表2。

5 結論

本文基于雙源X射線輻照儀的裝備特點以及使用條件，識別出可能威脅到設備安全性與可靠性的風險，對這些潛在風險進行了分析，并針對這些風險項目制定了相應的電氣與控制系統(tǒng)方案。通過實踐檢驗，驗證了這些設計功能的可行性。將這套功能應用于雙源X射線輻照儀，可以最大程度避免人員傷害和輻照失敗的情況，確保使用者可以在安全的情況下獲得所需的、精準的輻照數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1] 鐘國華，陳永，楊紅霞，等.昆蟲輻照不育技術研究與應用進展[J].植物保護，2012，38（2）：12-17.

[2] 輻射加工用電子加速器工程通用規(guī)范：GB/T 25306—2010[S].2010.

[3] 喬曉魁.基于獨立式PLC的煙草高架庫安全聯(lián)鎖裝置[J].物流技術，2023，42（3）：120-122.

[4] 王樹祥，宋恩澤，于輝榮.西門子故障安全型PLC在焊管生產(chǎn)線上的應用[J].焊管，2018，41（8）：44-49.