辐照装置放射性安全联锁系统设计

代传波，祝 娇，钟秋林，郑文祥，张淮超，李清华

（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430000）

在电离辐射计量领域，通常采用利用辐照装置产生标准辐射场的方式，来为辐射监测仪表的溯源工作提供标准计量条件。其中用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ辐射标准装置，最常用的辐射源则包括射线装置（如X射线）和密封放射源（如γ放射源）两类。在辐照装置研制建设过程中，为了保障其放射性安全，必须设计完善的安全联锁系统，以确保辐照装置工作时，不会造成人员遭受放射性误照射等事故。本文介绍了一种用于该类辐照装置的安全联锁系统的设计案例，经实验室多年运行经验表明，该系统设计合理，运行安全可靠。

1.辐射装置简介

1.1 X射线辐照装置

X射线辐射标准装置通常主要由X射线管、准直光阑、固有过滤片、附加过滤片、快门、移动小车及导轨等组成，其基本结构如图1所示。

图1 X射线标准场试验装置基本结构

其中X光机是产生X射线的设备，其主要由X光管和X射线机电源以及控制电路等组成，而 X光管又由阴极灯丝和阳极靶以及真空玻璃管组成，X射线机电源又可分为高压电源和灯丝电源两部分，其中灯丝电源用于为灯丝加热，高压电源的高压输出端分别加在阴极灯丝和阳极靶两端，提供一个高压电场使灯丝上活跃的电子加速流向阳极靶，形成一个高速的电子流。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线。

X射线辐照装置，其安全联锁的核心功能为，在非正常工作状态下，能够自动切断X光机电源，停止放射性射线出束。

1.2 γ射线辐照装置

γ辐射标准装置通常采用密封放射源产生参考辐射场，装置主要由γ放射源、源屏蔽及驱动机构、试验导轨台车及控制台等部分组成，其结构示意如下图2所示。

图2 γ辐射标准装置结构示意图

γ源通常采用干式贮存法，其屏蔽体由主屏蔽体、屏蔽快门和源“抽屉”组成，材料主要为铅，屏蔽体厚度根据γ源的强度决定。主屏蔽体用于平时贮存放射源，保证源罐周边环境的剂量水平正常；源“抽屉”由一个镶嵌放射源的方形铅屏蔽体组成，放射源的工作采用来回驱动源“抽屉”来实现，其“屏蔽位”和“照射位”示意图如图2所示；屏蔽快门主要用于保护放射线的出束口，防止射线的泄露。

图3 γ辐射标准装置出源原理图

γ射线辐照装置，其安全联锁的核心功能为，在非正常工作状态下，能够自动关闭快门，放射源自动回屏蔽位。

2.安全联锁系统设计原则

安全联锁系统的目的是为了避免人员接近工作中的辐射装置，或者避免在试验室内有人时，开机启动辐射装置。

安全联锁系统的设计原则：安全联锁系统的设计和实施保证试验室有人，试验装置不能开机，开机时任何人员不能进入（也无法闯入），以确保人身安全；安全联锁系统的各子系统相对独立，并且对于关键条件，如快门驱动装置等采取了“冗余”设计。

安全联锁系统的主要功能：辐射装置启动前确保试验室以及各个相关的控制区域无人，所有防护门都已关闭。辐射装置启动前安全联锁系统必须检测设备的辅助系统的工作状态以保证开机时安全联锁系统及其执行部件的工作是正常的。辐射装置开机后试验室防护门不能从外部打开，一旦防护门被强行打开，安全联锁系统将立即通过主控系统采取切断射线管高压、关闭快门等措施，停止出束。在出束过程中，试验室安全联锁条件破坏时，安全联锁系统本身能够立即采取措施使辐射装置自动停止出束。

3.安全联锁系统设计

X射线辐照装置和γ射线辐照装置用于实现安全联锁的控制机构不同。对于X射线辐照装置，射线管接通高压才能出束，因此通过控制装置的高压限位开关实现装置的出束控制。对于γ射线辐照装置，铅屏蔽罐快门及储源抽屉采用气动驱动机构，空压机将气路中的压力保持在一定范围，气缸活塞的运动通过气流方向控制，而气路中的气体流向是通过电磁阀开关来实现的，因而控制电磁阀的通断电即可实现对快门的开关操作，进而实现放射源位置的控制。安全联锁系统的功能是通过现场联锁装置实现的，主要包括门-机联锁装置、急停按钮、清场按钮、视频监控系统、红外报警系统以及指示灯信号等。

门-机联锁：对于X辐射标准装置，装置所在实验室防护门与装置高压限位开关联锁；对于γ辐射标准装置，其实验室防护门与装置快门、抽屉控制机构联锁。保证在防护门关闭后各装置才能启动，防护门被强行打开时，如果装置正在运行，则引发紧急停机；如果没有运行，则不允许开机和出束。

急停按钮：各试验室防护门门口位置安装均设置紧急停止按钮，按钮距地面高度约1.5m，按钮下方设置清晰的文字标识。急停按钮与装置高压限位开关或快门控制机构联锁，在紧急状况下按下，装置将立即停止出束或快门将立即关闭。急停按钮具有可动复位功能，在未经手动复位时，在其他地方无法复位此处被按下的按钮，也不能在操作台复位。只有当引发急停事件的按钮被复位后，才有可能使装置再次运行。

清场按钮：各试验室内部均设置若干个清场按钮，按钮距地面高度约1.5m，按钮下方设置有清晰的文字标识，清场巡查路线应能够扫视室内全场。装置进行放射性至工作位或射线装置出束前须进行人员清场，清场人员沿着既定路线巡视现场，确定没有其他工作人员逗留后，按下清场按钮，清场人员退出试验室，这时清场程序完成。

红外报警系统：各试验室四周屏蔽墙、迷道内均设有红外报警系统，该系统与装置高压限位开关或快门控制机构联锁，当红外装置被触发后，操作台“室内有人”报警灯亮，辐照装置将不能开启。

指示灯信号：指示灯包括试验室防护门门口“装置运行”指示灯、试验室内装置自身工作状态指示灯以及装置操作台相关指示灯。各试验室防护门门口顶部安装有“装置运行”指示灯，指示灯与装置高压限位开关或快门控制机构联锁，用于表征装置的开机运行状态。指示灯亮，表明装置处于开机出束状态。操作台指示灯用于指示装置各系统的运行状态，如电源指示灯、高压指示灯等。

视频监控系统：各辐射试验室内安装有视频监控系统，该系统由监视控制条、监视器、摄像机、摄像机控制切换装置组成。监视器和摄像机控制切换装置都安装在装置操作台上，摄像机控制切换装置控制试验室内摄像机的选择、转动、变焦以及亮度调节，监视器显示试验室内具体情况。

4.安全联锁系统控制

本辐照装置控制系统基于PLC（可编程控制器）搭建完成，通过辐照室外的控制台实现远程控制。为保证装置运行过程的安全性，控制系统与安全系统联锁。

4.1 源装置快门开启、射线装置出束逻辑条件

必须同时满足以下条件才能允许装置快门打开、出束：清场按钮按下；防护门关闭；固定式剂量监测仪投入使用，且未报警；装置的快门气动驱动机构、高压供电系统正常；辐射工作场所内的红外监控投入运行，且未报警；辐射工作场所内急停按钮未发生动作；无火灾报警；控制台钥匙开关拧到位；控制台无其他报警信号。

4.2 快门关闭、停止出束逻辑条件

为保证装置运行过程的安全性，下列任何故障发生都会引发快门关闭、停止出束：任一防护门打开；装置的快门气动驱动机构、高压供电系统出现异常；控制台上的电磁阀故障；辐射工作场所内的红外监控动作；固定式剂量监测仪发生故障，有失效报警输出；控制台紧急停止按钮动作；火灾报警启动；当装置运行时，突然发生停电；控制台上开关钥匙被拔出；其它可引发停机的机械设备故障。

5.结语

该联锁系统设计已通过国家生态环境监管部门的环评验收和国家卫生监管部门的职业卫生验收，目前该系统已持续运行5年，期间无辐射事故发生。该安全联锁系统取得如此良好运行结果的除了得益于系统设计因素外，实验室安全管理人员对该系统的定期维护和测试也是保障该系统功能正常的重要因素。同时，运行单位应提高辐射安全意识，明确辐射安全主体和责任人，加强辐射安全管理工作和核安全文化建设，保障辐射装置的运行辐射安全，不能只依赖“技防”，更重要的还在“人防”。