X射线快速安全检查系统的辐射安全性分析

邓艳丽 明申金 朱国平 侯利娜 王 兵 李君利 苗齐田 张 辉

(同方威视技术股份有限公司, 北京, 100084);(清华大学工程物理系, 北京, 100084)

快速安全检查系统是一种为了满足快速通关需求而设计的X射线安全检查设备，具有通过率高、检查便捷等特点，广泛应用于海港码头、物流园、交通枢纽、公路卡口、保税区等地的海关、缉私、公安等部门对集装箱货物进行不开箱检查，实现对集装箱货物的100%查验要求。

1 快速安全检查系统的辐射安全系统

对于快速安全检查系统，为了保证集装箱卡车司机(简称“司机”)的辐射安全，避免主射束照射，快速安全检查系统的辐射安全系统设计遵循参考了相关标准[1-7]要求，采用纵深防御的原则及冗余性、多样性、独立性的多种安全联锁措施。

1.1 快速安全检查系统的辐射安全联锁设施

快速安全检查系统在辐射防护与安全设计必须满足相关标准要求，除了在系统周边建立辐射屏蔽物以确保周边操作人员的安全以外，还采用了大量的电气安全联锁设施来保障司机和公众的辐射安全。快速安全检查系统的安全联锁设施包括钥匙开关联锁、急停按钮和急停拉线、门联锁、车辆驶入和位置判断，以及警示报警装置、监视和通讯设备等。

(1) 钥匙开关联锁。在系统控制室操作台上装有加速器加高压控制钥匙开关。只有当这把加速器高压控制钥匙插入控制台上的钥匙孔且旋转到“on”状态时，加速器才有可能出束；加速器高压控制钥匙打到“off”或拔出时，加速器不能出束，在加速器出束时能立即停止出束。

(2) 急停按钮和急停拉线。在系统控制室操作台上、加速器室内、检查通道墙内侧等地分别设置了急停按钮或拉线开关。

当任一急停按钮被按下或急停拉线开关被拉下时，加速器不出束或立即停止出束。

(3) 门联锁。在加速器室门、调制器门、加速器X射线机头部件面板上分别设有微动开关联锁。

当任一联锁面板或门被打开时，加速器不出束或立即停止出束。

(4) 车辆驶入判断、车辆位置探测和流程控制。图1给出了车辆驶入判断、车辆位置探测和流程控制相对应的探测装置和位置示意。

图1中A～I表示各探测装置所处的位点，其中IL1和IL2为地感设备，IS1、IS2、IS3和IS4为光幕探测装置，P1、P2和P3为光电装置。

图1 快速安全检查系统流程控制探测设备布置图

扫描控制流程设备及其功能：

快速安全检查系统的出束逻辑控制示于图2。进入通道的车辆只有在满足位置、速度等检查流程的条件下，加速器才会启动出束；如果不满足流程要求，加速器不出束或在设定时间内停止出束；通道内非车辆的其它物体均不能启动加速器出束，以确保司机与进入通道内人员的辐射安全。

1.2 辐射安全联锁设施的失效安全设计

快速安全检查系统中所有与加速器出束有关的安全联锁设备都采用了失效安全设计，如光幕探测装置、地感设备、光电装置、急停按钮和警示灯等。所谓失效安全设计，即任一设备失效或有故障，加速器将不能出束或者立即停止出束，进一步降低司机和其他人员受到X射线潜在照射的风险。

1.3 快速安全检查系统的正常扫描控制流程

图3给出了正常状态下快速安全检查系统中扫描控制流程。

由图3可知，在正常扫描检查状态下：

(1) 只有当集装箱卡车沿行进方向从IL1行进到IS4依次触发沿途的各传感器、并且IS2、IS3和IS4同时被遮挡、IL2发出有效信号时，IS4发出的信号下降沿才能触发加速器出束。这样保证驾驶室不被扫描，确定司机已离开主束一定的安全距离后系统才出束。

(2) 在加速器出束期间，IS3、IS4和IL2给出的信号必须始终保持，否则加速器立即停止出束。当集装箱卡车正常离开IS3或IL2时，加速器立即停止出束。

图2 快速安全检查系统的安全联锁逻辑控制图

图3 快速安全检查系统中扫描控制流程

(3) IS4和P3之间设定了时间间隔，如果被检车经过IS4但未在设定时间内触发P3，这时系统自动停止出束，以避免司机在通道内发生意外停车而造成不必要的照射。

1.4 正常扫描情况下司机的受照剂量

目前在国内投入使用的典型标准型快速检查安全系统[8]给出了正常扫描情况下，蒙卡程序(GEANT 4.0)计算[9]和实际测量[10]结果：司机一次通过检查的吸收剂量分别不超过0.02 μSv；加强型快速检查安全系统[11](为提高图像质量，加速器输出剂量比标准型提高至3～5倍)不超过0.1 μSv[12,13]。

相关标准中有关集装箱卡车司机安全的剂量限制如下：

(1) “Radiation protection instrumentation - X-ray systems for the screening of persons for security and the carrying of illicit items”[5]规定：被检查者每次接受透射型安检设备的吸收剂量H*(10)应小于5 μSv，每次接受背散射型安检设备的吸收剂量H*(10)应小于0.4 μSv。

(2) “Cargo/vehicle radiographic inspection system”[4]规定：司机一次通过吸收剂量不超过5 μSv。

(3) “Radiation Safety for Personnel Screening Systems Using X-ray”[3]规定：被检查者单次扫描参考有效剂量不超过0.25 μSv，在任何12个月内从该设备接受的参考有效剂量不超过250 μSv。

(4) 《货物车辆辐射检查系统的放射防护要求》[6]规定：对于有司机驾驶的货运车辆或列车的检查系统，驾驶员位置一次通过的周围剂量当量应不大于0.1 μSv。

表1中列出了司机单次通过快速检查安全系统的吸收剂量与标准限值，司机每次通过快速检查安全系统的吸收剂量不超过0.02 μSv，为相关标准规定的安全限值的1/500～1/50。

据目前使用快速安全检查系统安检用户反馈，同一司机每天驾车经过快速安全检查设备不超过3趟，一年按照300个工作日计算，该司机经过安检次数不超过900次，司机的年有效吸收剂量为900×0.02=18 μSv，与标准[1]中给出的公众豁免年剂量值(10 μSv)相当。说明快速安全检查系统对于驾车通过的司机来说是安全的。

表1 司机单次通过快速检查安全系统的吸收剂量与标准限值

2 设计基准事故分析

2.1 设计基准事故(一)：司机受到主束扫描照射风险估计

对快速安全检查系统，这里司机作为公众中的关键人群来重点分析。在一次正常扫描检查过程中司机要受到主束扫描照射所须满足的条件如图4(故障树分析图)所示。

图4中事件A——按照行进方向依次已到达IS3和IL2的位置而未到达IS4之前的时间段内和事件B——IS4被意外地触发同时发生，司机正好处在主束位置而被照射。

事件A作为基本事件，可能性取1，而事件B的发生概率分析如图5所示。

由图5可见，导致事件B发生的可能原因包括：卡车处于光幕IS3～IS4之间的时间内，光幕IS4的发射器和接收器之间有大于150 mm高度的连续部件(至少8对发射与接收器)被遮挡导致事件发生，或者这8对以上元器件同时突发故障事件，导致IS4被意外触发。因为快速安全检查系统的扫描通道总长为20 m，而光幕IS3～IS4之间距离约2 m，因此被检查的卡车处于IS3～IS4区间的时间概率为2/20=0.1。

(图中小圆圈表示基本事件)
图4司机被主束照射故障树分析图

图5 事件B(车辆到达IS3和IS4之间时IS4发生意外触发)的发生概率分析

这里，光幕IS4中8对以上发射器与接收器同时被遮挡事件的发生概率与设备现场周边环境状况有关。例如安装在海边的设备，大型海鸟比较多，可能发生海鸟飞到光幕IS4上引起遮挡；再假定安装地卫生环境很差的设备，可能发生比较大的物体如塑料袋、纸张等被风扬起来而遮挡IS4等小概率事件，可以近似认为在一次扫描过程中这类事件的发生概率与一年某人时间(MTBF)为30 万h。当卡车接受一次扫描全过程(Δt)内，IS4发生失效的概率可以估计为Δt/MTBF。由于集装箱卡车的速度最低5 km/h，则检查时间Δt最长0.004 h，则IS4在此期间失效的概率不超过0.004/300000=1.3×10-8。

根据图5故障树分析结果，得到事件B发生的概率为1×10-7。

由图4、图5可见，司机每次通过快速安全检查系统可能受到主束扫描照射的概率低于1×10-7，是一个低概率事件。

被快速安全检查系统主束扫描一次所接受的吸收剂量[10,13]实测不超过4 μSv，那司机意外受照剂量也会与之相当，该剂量依然小于标准[4,5]中一次通过的安全限值(5 μSv)要求，同时也远低于我国对一般辐射事故的标准判定(年剂量限值50 mSv[2])。因此，设备在此设计基准事故中，司机实际受到主束照射，但不构成辐射事故，且受照剂量小于国际标准的安全要求。

针对特别频繁过往检查设备的司机的风险估算：在上述情况下，司机经过快检设备最多3 次/d，一年300个工作日共计900 次，由ICRP 76报告提供的风险计算方法[14]和ICRP103报告提供的数据[15，则每年司机受到主束扫描的风险为：

式中，P为司机受到主束扫描的概率；f(E)为司机受到一次主束扫描所受剂量导致的危险度，其中公众的标称风险概率因数为5.7×10-2Sv-1，剂量率大于0.1 Gy/h条件下的剂量和剂量率有效因子(DDREF值)取2；N为司机每年扫描总次数。

计算结果表明：与ICRP 103号出版物要求的公众危险约束值10-5a-1、和IAEA 115号报告提出的豁免危险水平10-7a-1相比，来自于此设计基准事故的危险可以忽略。

2.2 设计基准事故(二)：某人藏匿或尾随卡车进入扫描通道，被主束照射风险估计

这种事件发生须满足的条件示于图6，前提是事件C和D同时发生，即当事件C(系统工作时某人意外地随卡车一起进入检查通道)以及基本事件D(卡车被正常扫描中)同时发生。事件C的发生可能是由于某人藏匿于卡车内(人因差错概率取10-3)或某人意外尾随卡车进入检查通道，某人进入检查通道的概率取决于检查系统所在区域的人员居留概率(取1/40)、意外尾随卡车的概率(取10-3)以及操作人员没有及时发现并阻止的概率(取10-3)；基本事件D的概率可取1。

图6 藏匿或尾随卡车被主束照射故障树分析图

由图6可得到某人藏匿或尾随卡车而被主束扫描的概率大约在1×10-3。

依据前述计算公式，某人意外被主束扫描一次所接受的吸收剂量不超过4 μSv，则某人意外进入通道被主束扫描一次所致风险为：

结果表明，该设计基准事故的危险仍然是非常低的。

2.3 小结

基准事故(一)和(二)的风险评估结果可以看出，快速安全检查系统的带给司机和周边公众的风险均远低于IAEA 115报告提出的豁免风险水平10-7a-1。因此，快速安全检查系统目前提供的辐射安全措施是相当充分的。

3 运行经验数据

快速安全检查系统投入市场应用已达10年有余，据不完全统计，国内某厂商为全球用户已经提供了80多套快检系统，主要服务于码头、公路口岸、物流中心等查验中心，收集到部分项目运行情况列于表2。

表2 快速安全检查系统运行情况统计表

由表2可见，快速安全检查系统运行多年，发生1起意外事件，原因是现场周边环境恶劣，周边垃圾袋被吹进扫描通道，恰巧提前盖住了光幕。为此设备厂商后来进行了改进与完善，在上下方向上又增加了一组光幕，进一步降低风险。

从现有的产品运行经验数据看，设计基准事故(二)目前为止并没有发生过。实践证明，快速安全检查系统完善的安全联锁设施是必要的，对关键人员的保护是有效的。

4 结语

综合快速安全检查系统的辐射安全分析，可形成以下结论：

(1) 快速安全检查系统提供的辐射防护措施比较全面，确保了冗余、多样的安全要求，尽可能地降低了人员意外受照风险，能够确保正常工况下集装箱卡车司机以及周边公众的安全，设计上符合辐射安全纵深防御设计原则。

(2) 在正常工况下，司机单次和年累积剂量均远好于相关标准的要求，其健康安全有保障；司机可作为普通公众对待。

(3) 在设计基础事故下，司机、意外闯入检查通道的人员受到快检系统主束照射的风险极低(10-10～10-11)，受照剂量也很低(4 μSv)，对健康无影响；但考虑到最优化和正当性原则，建议仍要采取充分而必要的安全措施，以保障司机尽量不受主束照射。

最后需要说明的是，再完备的技术手段和设备，也离不开合格的操作人员和规范的辐射安全操作规程。只有人、设备和制度三方面共守原则，才能构建出一个牢靠的安全体系，杜绝任何辐射事故/意外事件的发生。