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(yè)、醫(yī)療、科研等領域的中小型粒子加速器。

從物理空間規(guī)模來講，小型粒子加速器聯(lián)鎖區(qū)域長度在100 m以下、聯(lián)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(zhì)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(zhì)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(lián)鎖系統(tǒng)(PSIS)設計和運行經(jīng)驗的基礎上，提供可推廣應用于類似裝置的人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)解決方案。

1 粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)介紹

人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的目的是確保粒子加速器聯(lián)鎖區(qū)域內(nèi)有人員滯留時無瞬發(fā)輻射源項、存在瞬發(fā)輻射源項時無人員滯留，即將人員與瞬發(fā)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(fā)展，粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)由最早以繼電器為主的分立元件進行組合的聯(lián)鎖方式發(fā)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(lián)鎖控制系統(tǒng)[4]。

由于獨特的應用場合，系統(tǒng)必須具備高可靠性、高穩(wěn)定性和高可用性。結合已有的設計和實踐經(jīng)驗，需在硬件聯(lián)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(xiàn)簡單可靠、易于維護的粒子加速器人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。

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(lián)鎖通道只有2個左右，因此其人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可在不需要門禁管理系統(tǒng)的情況下完全通過硬件聯(lián)鎖設備來實現(xiàn)。可在節(jié)省經(jīng)費的同時簡化系統(tǒng)，進一步提升系統(tǒng)的綜合性能指標。

2 系統(tǒng)設計

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

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

2) 縱深防御：充分考慮并合理設置聯(lián)鎖設施，實現(xiàn)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(yōu)切斷：系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯在加速器控制系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級切斷束流。

4) 硬件最可靠：系統(tǒng)關鍵聯(lián)鎖信號盡量由硬件設備給出，保證系統(tǒng)的高可靠性。

5) 以人為本：系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯簡潔合理、操作簡單、維護方便、人機交互性好。

根據(jù)GB 18871—2002中的規(guī)定，粒子加速器工作區(qū)域一般劃分為控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)[1]，人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是對出入控制區(qū)人員的人身輻射安全進行聯(lián)鎖保護。系統(tǒng)主要通過置換型機械聯(lián)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(tǒng)、攝像監(jiān)控等硬件聯(lián)鎖設備實現(xiàn)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(tǒng)和通風控制系統(tǒng)進行聯(lián)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(tài)指示燈即可滿足現(xiàn)場需求，通過一套置換型機械聯(lián)鎖鑰匙將加速器開機聯(lián)鎖與控制區(qū)通道門聯(lián)鎖有機結合起來。此外人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)還可根據(jù)需求將隧道通風和輻射劑量監(jiān)測納入聯(lián)鎖管理。系統(tǒng)設備的聯(lián)鎖與控制由PLC完成，所有聯(lián)鎖信號均為無源開關量。系統(tǒng)聯(lián)鎖信號示意圖如圖1所示。

圖1 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)鎖信號示意圖Fig.1 Interlock signal schematic diagram of PSIS

人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)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(lián)鎖鑰匙，系統(tǒng)就緒并向中控發(fā)出“就緒”信號。

2) 系統(tǒng)收到中控發(fā)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(qū)內(nèi)滯留人員迅速離開。

3) 準備過程計時結束后，系統(tǒng)向中控發(fā)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(tài)。

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

系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

系統(tǒng)聯(lián)鎖流程靠PLC來執(zhí)行和實現(xiàn)，因此需設置相應的聯(lián)鎖邏輯，將輸入信號轉換為現(xiàn)場設備可執(zhí)行的聯(lián)動保護動作[7]。系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

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(lián)鎖系統(tǒng)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(tǒng)上位機界面采用力控(Force Control)組態(tài)軟件進行開發(fā)。

圖2 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)運行流程圖Fig.2 Running process flow chart of PSIS

圖3 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)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(tǒng)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(shù)據(jù)能保存1個月的高清攝像監(jiān)控系統(tǒng)。此外，為進一步提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)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(xiàn)場。系統(tǒng)急停/巡更聯(lián)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(lián)鎖系統(tǒng)正式投入運行后均運行穩(wěn)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(lián)鎖系統(tǒng)急停/巡更聯(lián)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(lián)鎖系統(tǒng)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(lián)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(yè)輻照裝置，為其提供標準化的可靠人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。