鄧艷麗 明申金 朱國(guó)平 侯利娜 王 兵 李君利 苗齊田 張 輝

(同方威視技術(shù)股份有限公司, 北京, 100084);(清華大學(xué)工程物理系, 北京, 100084)

快速安全檢查系統(tǒng)是一種為了滿足快速通關(guān)需求而設(shè)計(jì)的X射線安全檢查設(shè)備，具有通過(guò)率高、檢查便捷等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海港碼頭、物流園、交通樞紐、公路卡口、保稅區(qū)等地的海關(guān)、緝私、公安等部門對(duì)集裝箱貨物進(jìn)行不開(kāi)箱檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱貨物的100%查驗(yàn)要求。

1 快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全系統(tǒng)

對(duì)于快速安全檢查系統(tǒng)，為了保證集裝箱卡車司機(jī)(簡(jiǎn)稱“司機(jī)”)的輻射安全，避免主射束照射，快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循參考了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-7]要求，采用縱深防御的原則及冗余性、多樣性、獨(dú)立性的多種安全聯(lián)鎖措施。

1.1 快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全聯(lián)鎖設(shè)施

快速安全檢查系統(tǒng)在輻射防護(hù)與安全設(shè)計(jì)必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，除了在系統(tǒng)周邊建立輻射屏蔽物以確保周邊操作人員的安全以外，還采用了大量的電氣安全聯(lián)鎖設(shè)施來(lái)保障司機(jī)和公眾的輻射安全。快速安全檢查系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖設(shè)施包括鑰匙開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖、急停按鈕和急停拉線、門聯(lián)鎖、車輛駛?cè)牒臀恢门袛啵约熬緢?bào)警裝置、監(jiān)視和通訊設(shè)備等。

(1) 鑰匙開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖。在系統(tǒng)控制室操作臺(tái)上裝有加速器加高壓控制鑰匙開(kāi)關(guān)。只有當(dāng)這把加速器高壓控制鑰匙插入控制臺(tái)上的鑰匙孔且旋轉(zhuǎn)到“on”狀態(tài)時(shí)，加速器才有可能出束；加速器高壓控制鑰匙打到“off”或拔出時(shí)，加速器不能出束，在加速器出束時(shí)能立即停止出束。

(2) 急停按鈕和急停拉線。在系統(tǒng)控制室操作臺(tái)上、加速器室內(nèi)、檢查通道墻內(nèi)側(cè)等地分別設(shè)置了急停按鈕或拉線開(kāi)關(guān)。

當(dāng)任一急停按鈕被按下或急停拉線開(kāi)關(guān)被拉下時(shí)，加速器不出束或立即停止出束。

(3) 門聯(lián)鎖。在加速器室門、調(diào)制器門、加速器X射線機(jī)頭部件面板上分別設(shè)有微動(dòng)開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖。

當(dāng)任一聯(lián)鎖面板或門被打開(kāi)時(shí)，加速器不出束或立即停止出束。

(4) 車輛駛?cè)肱袛?、車輛位置探測(cè)和流程控制。圖1給出了車輛駛?cè)肱袛?、車輛位置探測(cè)和流程控制相對(duì)應(yīng)的探測(cè)裝置和位置示意。

圖1中A～I(xiàn)表示各探測(cè)裝置所處的位點(diǎn)，其中IL1和IL2為地感設(shè)備，IS1、IS2、IS3和IS4為光幕探測(cè)裝置，P1、P2和P3為光電裝置。

圖1 快速安全檢查系統(tǒng)流程控制探測(cè)設(shè)備布置圖

掃描控制流程設(shè)備及其功能：

快速安全檢查系統(tǒng)的出束邏輯控制示于圖2。進(jìn)入通道的車輛只有在滿足位置、速度等檢查流程的條件下，加速器才會(huì)啟動(dòng)出束；如果不滿足流程要求，加速器不出束或在設(shè)定時(shí)間內(nèi)停止出束；通道內(nèi)非車輛的其它物體均不能啟動(dòng)加速器出束，以確保司機(jī)與進(jìn)入通道內(nèi)人員的輻射安全。

1.2 輻射安全聯(lián)鎖設(shè)施的失效安全設(shè)計(jì)

快速安全檢查系統(tǒng)中所有與加速器出束有關(guān)的安全聯(lián)鎖設(shè)備都采用了失效安全設(shè)計(jì)，如光幕探測(cè)裝置、地感設(shè)備、光電裝置、急停按鈕和警示燈等。所謂失效安全設(shè)計(jì)，即任一設(shè)備失效或有故障，加速器將不能出束或者立即停止出束，進(jìn)一步降低司機(jī)和其他人員受到X射線潛在照射的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 快速安全檢查系統(tǒng)的正常掃描控制流程

圖3給出了正常狀態(tài)下快速安全檢查系統(tǒng)中掃描控制流程。

由圖3可知，在正常掃描檢查狀態(tài)下：

(1) 只有當(dāng)集裝箱卡車沿行進(jìn)方向從IL1行進(jìn)到IS4依次觸發(fā)沿途的各傳感器、并且IS2、IS3和IS4同時(shí)被遮擋、IL2發(fā)出有效信號(hào)時(shí)，IS4發(fā)出的信號(hào)下降沿才能觸發(fā)加速器出束。這樣保證駕駛室不被掃描，確定司機(jī)已離開(kāi)主束一定的安全距離后系統(tǒng)才出束。

(2) 在加速器出束期間，IS3、IS4和IL2給出的信號(hào)必須始終保持，否則加速器立即停止出束。當(dāng)集裝箱卡車正常離開(kāi)IS3或IL2時(shí)，加速器立即停止出束。

圖2 快速安全檢查系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖邏輯控制圖

圖3 快速安全檢查系統(tǒng)中掃描控制流程

(3) IS4和P3之間設(shè)定了時(shí)間間隔，如果被檢車經(jīng)過(guò)IS4但未在設(shè)定時(shí)間內(nèi)觸發(fā)P3，這時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停止出束，以避免司機(jī)在通道內(nèi)發(fā)生意外停車而造成不必要的照射。

1.4 正常掃描情況下司機(jī)的受照劑量

目前在國(guó)內(nèi)投入使用的典型標(biāo)準(zhǔn)型快速檢查安全系統(tǒng)[8]給出了正常掃描情況下，蒙卡程序(GEANT 4.0)計(jì)算[9]和實(shí)際測(cè)量[10]結(jié)果：司機(jī)一次通過(guò)檢查的吸收劑量分別不超過(guò)0.02 μSv；加強(qiáng)型快速檢查安全系統(tǒng)[11](為提高圖像質(zhì)量，加速器輸出劑量比標(biāo)準(zhǔn)型提高至3～5倍)不超過(guò)0.1 μSv[12,13]。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)集裝箱卡車司機(jī)安全的劑量限制如下：

(1) “Radiation protection instrumentation - X-ray systems for the screening of persons for security and the carrying of illicit items”[5]規(guī)定：被檢查者每次接受透射型安檢設(shè)備的吸收劑量H*(10)應(yīng)小于5 μSv，每次接受背散射型安檢設(shè)備的吸收劑量H*(10)應(yīng)小于0.4 μSv。

(2) “Cargo/vehicle radiographic inspection system”[4]規(guī)定：司機(jī)一次通過(guò)吸收劑量不超過(guò)5 μSv。

(3) “Radiation Safety for Personnel Screening Systems Using X-ray”[3]規(guī)定：被檢查者單次掃描參考有效劑量不超過(guò)0.25 μSv，在任何12個(gè)月內(nèi)從該設(shè)備接受的參考有效劑量不超過(guò)250 μSv。

(4) 《貨物車輛輻射檢查系統(tǒng)的放射防護(hù)要求》[6]規(guī)定：對(duì)于有司機(jī)駕駛的貨運(yùn)車輛或列車的檢查系統(tǒng)，駕駛員位置一次通過(guò)的周圍劑量當(dāng)量應(yīng)不大于0.1 μSv。

表1中列出了司機(jī)單次通過(guò)快速檢查安全系統(tǒng)的吸收劑量與標(biāo)準(zhǔn)限值，司機(jī)每次通過(guò)快速檢查安全系統(tǒng)的吸收劑量不超過(guò)0.02 μSv，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全限值的1/500～1/50。

據(jù)目前使用快速安全檢查系統(tǒng)安檢用戶反饋，同一司機(jī)每天駕車經(jīng)過(guò)快速安全檢查設(shè)備不超過(guò)3趟，一年按照300個(gè)工作日計(jì)算，該司機(jī)經(jīng)過(guò)安檢次數(shù)不超過(guò)900次，司機(jī)的年有效吸收劑量為900×0.02=18 μSv，與標(biāo)準(zhǔn)[1]中給出的公眾豁免年劑量值(10 μSv)相當(dāng)。說(shuō)明快速安全檢查系統(tǒng)對(duì)于駕車通過(guò)的司機(jī)來(lái)說(shuō)是安全的。

表1 司機(jī)單次通過(guò)快速檢查安全系統(tǒng)的吸收劑量與標(biāo)準(zhǔn)限值

2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故分析

2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(一)：司機(jī)受到主束掃描照射風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

對(duì)快速安全檢查系統(tǒng)，這里司機(jī)作為公眾中的關(guān)鍵人群來(lái)重點(diǎn)分析。在一次正常掃描檢查過(guò)程中司機(jī)要受到主束掃描照射所須滿足的條件如圖4(故障樹(shù)分析圖)所示。

圖4中事件A——按照行進(jìn)方向依次已到達(dá)IS3和IL2的位置而未到達(dá)IS4之前的時(shí)間段內(nèi)和事件B——IS4被意外地觸發(fā)同時(shí)發(fā)生，司機(jī)正好處在主束位置而被照射。

事件A作為基本事件，可能性取1，而事件B的發(fā)生概率分析如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，導(dǎo)致事件B發(fā)生的可能原因包括：卡車處于光幕IS3～I(xiàn)S4之間的時(shí)間內(nèi)，光幕IS4的發(fā)射器和接收器之間有大于150 mm高度的連續(xù)部件(至少8對(duì)發(fā)射與接收器)被遮擋導(dǎo)致事件發(fā)生，或者這8對(duì)以上元器件同時(shí)突發(fā)故障事件，導(dǎo)致IS4被意外觸發(fā)。因?yàn)榭焖侔踩珯z查系統(tǒng)的掃描通道總長(zhǎng)為20 m，而光幕IS3～I(xiàn)S4之間距離約2 m，因此被檢查的卡車處于IS3～I(xiàn)S4區(qū)間的時(shí)間概率為2/20=0.1。

(圖中小圓圈表示基本事件)
圖4司機(jī)被主束照射故障樹(shù)分析圖

圖5 事件B(車輛到達(dá)IS3和IS4之間時(shí)IS4發(fā)生意外觸發(fā))的發(fā)生概率分析

這里，光幕IS4中8對(duì)以上發(fā)射器與接收器同時(shí)被遮擋事件的發(fā)生概率與設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境狀況有關(guān)。例如安裝在海邊的設(shè)備，大型海鳥(niǎo)比較多，可能發(fā)生海鳥(niǎo)飛到光幕IS4上引起遮擋；再假定安裝地衛(wèi)生環(huán)境很差的設(shè)備，可能發(fā)生比較大的物體如塑料袋、紙張等被風(fēng)揚(yáng)起來(lái)而遮擋IS4等小概率事件，可以近似認(rèn)為在一次掃描過(guò)程中這類事件的發(fā)生概率與一年某人時(shí)間(MTBF)為30 萬(wàn)h。當(dāng)卡車接受一次掃描全過(guò)程(Δt)內(nèi)，IS4發(fā)生失效的概率可以估計(jì)為Δt/MTBF。由于集裝箱卡車的速度最低5 km/h，則檢查時(shí)間Δt最長(zhǎng)0.004 h，則IS4在此期間失效的概率不超過(guò)0.004/300000=1.3×10-8。

根據(jù)圖5故障樹(shù)分析結(jié)果，得到事件B發(fā)生的概率為1×10-7。

由圖4、圖5可見(jiàn)，司機(jī)每次通過(guò)快速安全檢查系統(tǒng)可能受到主束掃描照射的概率低于1×10-7，是一個(gè)低概率事件。

被快速安全檢查系統(tǒng)主束掃描一次所接受的吸收劑量[10,13]實(shí)測(cè)不超過(guò)4 μSv，那司機(jī)意外受照劑量也會(huì)與之相當(dāng)，該劑量依然小于標(biāo)準(zhǔn)[4,5]中一次通過(guò)的安全限值(5 μSv)要求，同時(shí)也遠(yuǎn)低于我國(guó)對(duì)一般輻射事故的標(biāo)準(zhǔn)判定(年劑量限值50 mSv[2])。因此，設(shè)備在此設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故中，司機(jī)實(shí)際受到主束照射，但不構(gòu)成輻射事故，且受照劑量小于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

針對(duì)特別頻繁過(guò)往檢查設(shè)備的司機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)估算：在上述情況下，司機(jī)經(jīng)過(guò)快檢設(shè)備最多3 次/d，一年300個(gè)工作日共計(jì)900 次，由ICRP 76報(bào)告提供的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法[14]和ICRP103報(bào)告提供的數(shù)據(jù)[15，則每年司機(jī)受到主束掃描的風(fēng)險(xiǎn)為：

式中，P為司機(jī)受到主束掃描的概率；f(E)為司機(jī)受到一次主束掃描所受劑量導(dǎo)致的危險(xiǎn)度，其中公眾的標(biāo)稱風(fēng)險(xiǎn)概率因數(shù)為5.7×10-2Sv-1，劑量率大于0.1 Gy/h條件下的劑量和劑量率有效因子(DDREF值)取2；N為司機(jī)每年掃描總次數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明：與ICRP 103號(hào)出版物要求的公眾危險(xiǎn)約束值10-5a-1、和IAEA 115號(hào)報(bào)告提出的豁免危險(xiǎn)水平10-7a-1相比，來(lái)自于此設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的危險(xiǎn)可以忽略。

2.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(二)：某人藏匿或尾隨卡車進(jìn)入掃描通道，被主束照射風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

這種事件發(fā)生須滿足的條件示于圖6，前提是事件C和D同時(shí)發(fā)生，即當(dāng)事件C(系統(tǒng)工作時(shí)某人意外地隨卡車一起進(jìn)入檢查通道)以及基本事件D(卡車被正常掃描中)同時(shí)發(fā)生。事件C的發(fā)生可能是由于某人藏匿于卡車內(nèi)(人因差錯(cuò)概率取10-3)或某人意外尾隨卡車進(jìn)入檢查通道，某人進(jìn)入檢查通道的概率取決于檢查系統(tǒng)所在區(qū)域的人員居留概率(取1/40)、意外尾隨卡車的概率(取10-3)以及操作人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并阻止的概率(取10-3)；基本事件D的概率可取1。

圖6 藏匿或尾隨卡車被主束照射故障樹(shù)分析圖

由圖6可得到某人藏匿或尾隨卡車而被主束掃描的概率大約在1×10-3。

依據(jù)前述計(jì)算公式，某人意外被主束掃描一次所接受的吸收劑量不超過(guò)4 μSv，則某人意外進(jìn)入通道被主束掃描一次所致風(fēng)險(xiǎn)為：

結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的危險(xiǎn)仍然是非常低的。

2.3 小結(jié)

基準(zhǔn)事故(一)和(二)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可以看出，快速安全檢查系統(tǒng)的帶給司機(jī)和周邊公眾的風(fēng)險(xiǎn)均遠(yuǎn)低于IAEA 115報(bào)告提出的豁免風(fēng)險(xiǎn)水平10-7a-1。因此，快速安全檢查系統(tǒng)目前提供的輻射安全措施是相當(dāng)充分的。

3 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

快速安全檢查系統(tǒng)投入市場(chǎng)應(yīng)用已達(dá)10年有余，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)某廠商為全球用戶已經(jīng)提供了80多套快檢系統(tǒng)，主要服務(wù)于碼頭、公路口岸、物流中心等查驗(yàn)中心，收集到部分項(xiàng)目運(yùn)行情況列于表2。

表2 快速安全檢查系統(tǒng)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

由表2可見(jiàn)，快速安全檢查系統(tǒng)運(yùn)行多年，發(fā)生1起意外事件，原因是現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境惡劣，周邊垃圾袋被吹進(jìn)掃描通道，恰巧提前蓋住了光幕。為此設(shè)備廠商后來(lái)進(jìn)行了改進(jìn)與完善，在上下方向上又增加了一組光幕，進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。

從現(xiàn)有的產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(二)目前為止并沒(méi)有發(fā)生過(guò)。實(shí)踐證明，快速安全檢查系統(tǒng)完善的安全聯(lián)鎖設(shè)施是必要的，對(duì)關(guān)鍵人員的保護(hù)是有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合快速安全檢查系統(tǒng)的輻射安全分析，可形成以下結(jié)論：

(1) 快速安全檢查系統(tǒng)提供的輻射防護(hù)措施比較全面，確保了冗余、多樣的安全要求，盡可能地降低了人員意外受照風(fēng)險(xiǎn)，能夠確保正常工況下集裝箱卡車司機(jī)以及周邊公眾的安全，設(shè)計(jì)上符合輻射安全縱深防御設(shè)計(jì)原則。

(2) 在正常工況下，司機(jī)單次和年累積劑量均遠(yuǎn)好于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其健康安全有保障；司機(jī)可作為普通公眾對(duì)待。

(3) 在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)事故下，司機(jī)、意外闖入檢查通道的人員受到快檢系統(tǒng)主束照射的風(fēng)險(xiǎn)極低(10-10～10-11)，受照劑量也很低(4 μSv)，對(duì)健康無(wú)影響；但考慮到最優(yōu)化和正當(dāng)性原則，建議仍要采取充分而必要的安全措施，以保障司機(jī)盡量不受主束照射。

最后需要說(shuō)明的是，再完備的技術(shù)手段和設(shè)備，也離不開(kāi)合格的操作人員和規(guī)范的輻射安全操作規(guī)程。只有人、設(shè)備和制度三方面共守原則，才能構(gòu)建出一個(gè)牢靠的安全體系，杜絕任何輻射事故/意外事件的發(fā)生。