輻照裝置放射性安全聯鎖系統設計

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鎖系統，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鎖系統的設計案例，經實驗室多年運行經驗表明，該系統設計合理，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，其安全聯鎖的核心功能為，在非正常工作狀態下，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，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，其安全聯鎖的核心功能為，在非正常工作狀態下，能夠自動關閉快門，放射源自動回屏蔽位。

2.安全聯鎖系統設計原則

安全聯鎖系統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。

安全聯鎖系統的設計原則：安全聯鎖系統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；安全聯鎖系統的各子系統相對獨立，并且對于關鍵條件，如快門驅動裝置等采取了“冗余”設計。

安全聯鎖系統的主要功能：輻射裝置啟動前確保試驗室以及各個相關的控制區域無人，所有防護門都已關閉。輻射裝置啟動前安全聯鎖系統必須檢測設備的輔助系統的工作狀態以保證開機時安全聯鎖系統及其執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，安全聯鎖系統將立即通過主控系統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，試驗室安全聯鎖條件破壞時，安全聯鎖系統本身能夠立即采取措施使輻射裝置自動停止出束。

3.安全聯鎖系統設計

X射線輻照裝置和γ射線輻照裝置用于實現安全聯鎖的控制機構不同。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的，因而控制電磁閥的通斷電即可實現對快門的開關操作，進而實現放射源位置的控制。安全聯鎖系統的功能是通過現場聯鎖裝置實現的，主要包括門-機聯鎖裝置、急停按鈕、清場按鈕、視頻監控系統、紅外報警系統以及指示燈信號等。

門-機聯鎖：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：各試驗室四周屏蔽墻、迷道內均設有紅外報警系統，該系統與裝置高壓限位開關或快門控制機構聯鎖，當紅外裝置被觸發后，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鎖，用于表征裝置的開機運行狀態。指示燈亮，表明裝置處于開機出束狀態。操作臺指示燈用于指示裝置各系統的運行狀態，如電源指示燈、高壓指示燈等。

視頻監控系統：各輻射試驗室內安裝有視頻監控系統，該系統由監視控制條、監視器、攝像機、攝像機控制切換裝置組成。監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，監視器顯示試驗室內具體情況。

4.安全聯鎖系統控制

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

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、高壓供電系統正常；輻射工作場所內的紅外監控投入運行，且未報警；輻射工作場所內急停按鈕未發生動作；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，下列任何故障發生都會引發快門關閉、停止出束：任一防護門打開；裝置的快門氣動驅動機構、高壓供電系統出現異常；控制臺上的電磁閥故障；輻射工作場所內的紅外監控動作；固定式劑量監測儀發生故障，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，突然發生停電；控制臺上開關鑰匙被拔出；其它可引發停機的機械設備故障。

5.結語

該聯鎖系統設計已通過國家生態環境監管部門的環評驗收和國家衛生監管部門的職業衛生驗收，目前該系統已持續運行5年，期間無輻射事故發生。該安全聯鎖系統取得如此良好運行結果的除了得益于系統設計因素外，實驗室安全管理人員對該系統的定期維護和測試也是保障該系統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”。