小型粒子加速器人身安全聯鎖系統設計與實現

李俊剛，馬應林,2，儲中明

(1.中國科學院 高能物理研究所 粒子加速物理與技術重點實驗室，北京 100049；2.東莞中子科學中心，廣東 東莞 523803)

自20世紀30年代以來，世界上運行中的粒子加速器已超過3萬臺，其中有200臺左右為用于科研的大型粒子加速器，其余的均為廣泛應用于工業、醫療、科研等領域的中小型粒子加速器。

從物理空間規模來講，小型粒子加速器聯鎖區域長度在100 m以下、聯鎖通道門在2個左右，一般為電壓在100 kV～300 MV之間的電子加速器和能量在300 MeV以下的質子或重離子加速器。

ADS注入器Ⅰ為一臺能量為10 MeV、設計流強為10 mA的強流質子加速器，其加速器隧道總長度約60 m，分別設有1個人員通道門和1個設備通道門。中國科學院高能物理研究所加速器電子標定束線裝置為一臺基于電子直線加速器的粒子探測器標定試驗束裝置，可提供0.1～50 MeV能量范圍的電子標定試驗束流，其加速器隧道面積約為190 m2，設有1個人員通道門和1個設備吊裝口。因此兩者均屬于小型粒子加速器。本文在這兩個加速器人身安全聯鎖系統(PSIS)設計和運行經驗的基礎上，提供可推廣應用于類似裝置的人身安全聯鎖系統解決方案。

1 粒子加速器人身安全聯鎖系統介紹

人身安全聯鎖系統的目的是確保粒子加速器聯鎖區域內有人員滯留時無瞬發輻射源項、存在瞬發輻射源項時無人員滯留，即將人員與瞬發輻射源項通過技術手段在物理空間上隔離開，同時不因自身故障影響加速器的正常運行[1-3]。

隨著技術的飛速發展，粒子加速器人身安全聯鎖系統由最早以繼電器為主的分立元件進行組合的聯鎖方式發展為引入了可編程邏輯控制器(PLC)、計算機技術和門禁控制技術的分布式聯鎖控制系統[4]。

由于獨特的應用場合，系統必須具備高可靠性、高穩定性和高可用性。結合已有的設計和實踐經驗，需在硬件聯鎖控制為主、軟件管理為輔的基礎上，利用平臺化、模塊化和自主化的設計思想，實現簡單可靠、易于維護的粒子加速器人身安全聯鎖系統。

對于小型粒子加速器，其運行維護人員也相應要少些，同時由于聯鎖通道只有2個左右，因此其人身安全聯鎖系統可在不需要門禁管理系統的情況下完全通過硬件聯鎖設備來實現。可在節省經費的同時簡化系統，進一步提升系統的綜合性能指標。

2 系統設計

由于人身安全聯鎖系統與人身輻射安全相關，因此其在整個加速器聯鎖控制系統中應具備最高的優先級來切斷束流，結合系統自身性能要求、相關的國標和行業規范可給出如下系統設計原則[5-6]。

1) 失效安全：系統關鍵設備出現故障或失效時能避免出現失控性后果，自動導向預定的安全狀態。

2) 縱深防御：充分考慮并合理設置聯鎖設施，實現對人身輻射安全的多重冗余保護，且各重保護措施之間具有相互獨立性。

3) 最優切斷：系統聯鎖邏輯在加速器控制系統中具有最高的優先級切斷束流。

4) 硬件最可靠：系統關鍵聯鎖信號盡量由硬件設備給出，保證系統的高可靠性。

5) 以人為本：系統聯鎖邏輯簡潔合理、操作簡單、維護方便、人機交互性好。

根據GB 18871—2002中的規定，粒子加速器工作區域一般劃分為控制區和監督區[1]，人身安全聯鎖系統是對出入控制區人員的人身輻射安全進行聯鎖保護。系統主要通過置換型機械聯鎖鑰匙、門磁檢測開關、急停/巡更裝置、緊急開門按鈕、聲光警示裝置、磁力鎖、廣播對講系統、攝像監控等硬件聯鎖設備實現對工作人員人身輻射安全的多重冗余保護，同時與加速器控制系統和通風控制系統進行聯鎖信號交互。

對于小型粒子加速器，一般設置3組急停/巡更裝置和3組LED顯示屏/狀態指示燈即可滿足現場需求，通過一套置換型機械聯鎖鑰匙將加速器開機聯鎖與控制區通道門聯鎖有機結合起來。此外人身安全聯鎖系統還可根據需求將隧道通風和輻射劑量監測納入聯鎖管理。系統設備的聯鎖與控制由PLC完成，所有聯鎖信號均為無源開關量。系統聯鎖信號示意圖如圖1所示。

圖1 人身安全聯鎖系統聯鎖信號示意圖Fig.1 Interlock signal schematic diagram of PSIS

人身安全聯鎖系統運行流程如下。

1) 檢修結束后運行人員巡更清場并逐級返還聯鎖鑰匙，系統就緒并向中控發出“就緒”信號。

2) 系統收到中控發來的“準備”信號后，開始進行5 min的計時，在此期間急停/巡更裝置上的聲光警示設備工作，同時運行人員也可通過廣播提醒控制區內滯留人員迅速離開。

3) 準備過程計時結束后，系統向中控發出“準備好”信號，此時中控可進行開機運行及停機操作。

4) 在加速器“準備”、“運行”、“停機”過程中如有緊急停機信號則自動轉為“緊急停機”狀態。

5) 檢修前工作人員需用開機聯鎖鑰匙置換出初始聯鎖鑰匙，然后再用初始聯鎖鑰匙置換出次級聯鎖鑰匙并攜帶其進入控制區。

系統運行流程如圖2所示。

系統聯鎖流程靠PLC來執行和實現，因此需設置相應的聯鎖邏輯，將輸入信號轉換為現場設備可執行的聯動保護動作[7]。系統聯鎖邏輯圖如圖3所示。

3 系統實現

ADS注入器Ⅰ和中國科學院高能物理研究所加速器電子標定束線裝置人身安全聯鎖系統均采用了橫河F3SP71-4N系列PLC，其在日本高能加速器研究機構(KEK)和上海光源(SSRF)等粒子加速器上已得到了很好的應用，可靠性很高。系統上位機界面采用力控(Force Control)組態軟件進行開發。

圖2 人身安全聯鎖系統運行流程圖Fig.2 Running process flow chart of PSIS

圖3 人身安全聯鎖系統聯鎖邏輯圖Fig.3 Interlock logic diagram of PSIS

為更好地保障工作人員的人身安全，系統設置了廣播對講設備，以便于檢修人員與中控室運行人員隨時進行溝通，同時還設置了歷史數據能保存1個月的高清攝像監控系統。此外，為進一步提高系統的可靠性、穩定性和可用性，還自行研制了模塊化的急停/巡更裝置并將其成功應用于中國科學院高能物理研究所加速器電子標定束線裝置現場。系統急停/巡更聯鎖單元如圖4所示。

ADS注入器Ⅰ與中國科學院高能物理研究所加速器電子標定束線裝置的人身安全聯鎖系統正式投入運行后均運行穩定、可靠，有效保障了工作人員的人身輻射安全。

圖4 人身安全聯鎖系統急停/巡更聯鎖單元Fig.4 Emergency shut down & patrol interlock unit of PSIS

4 應用前景

小型粒子加速器人身安全聯鎖系統由于采用全硬件設計和力求簡潔保證了其高可靠性，同時還可不用專人維護，可用性極高。此外由于采用了自主研制的模塊化聯鎖設備，因此其

不僅可應用于小型粒子加速器，還可推廣應用于工業輻照裝置，為其提供標準化的可靠人身安全聯鎖系統。