БЛОК РАДИАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ С МОДУЛЯМИ ВХОДА И ВЫХОДА
RADIATION TREATMENT UNIT WITH INPUT AND OUTPUT MODULES

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области медицины, пищевой промышленности и технологии обработки различных материалов. Оно может быть использовано для стерилизации медицинских материалов, имплантируемых изделий, медицинских инструментов и медицинских отходов, для стерилизации и пастеризации продуктов питания и парфюмерной продукции, а также для обработки ускоренными электронами различных материалов с целью придания им новых свойств. Изобретение предназначено для применения в предприятиях, выпускающих медицинскую продукцию одноразового пользования, пищевую и парфюмерную продукцию, а также на предприятиях, связанных с изготовлением и обработкой материалов.
Уровень техники.
Для    радиационной    обработки    объектов    используются    различные источники     излучения.     Наибольшее         развитие     получил     способ радиационной обработки ускоренными электронными пучками, как наиболее надежный высокопроизводительный и экологически чистый способ радиационной обработки. На промышленных предприятиях радиационная обработка производится на специальных производственных комплексах. На крупных производственных комплексах радиационной обработки в качестве источников излучения в большинстве случаевприменяются          высокочастотные высокоэнергетические линейные ускорители электронов с энергией пучка от 10 МэВ и средней мощности от 10 кВт.
Каждый производственный комплекс радиационной обработки такого типа состоит  из  излучателя  (высокочастотного  высокоэнергетического ускорителя электронов) с устройством развертки электронного пучка, зоны облучения, радиационной защиты, блокирующей излучения из радиационно опасной зоны, вызванные тормозными излучениями ускорителя и зоны облучения, в состав комплекса также входит транспортная система для перемещения объектов обработки из зоны загрузки через радиационно опасную зону. Бункер содержит два проема для ввода и вывода объектов радиационной обработки. Толщина бетонной радиационной защиты бункера составляет 2-2,5 метра.
По результатам исследований, выполненных ЗАО "ИНТЕХ", к настоящему времени более чем в 50 странах действуют ~ 900 центров и установок на базе ускорителей электронов и ~ 400 - на базе изотопных гамма-источников для радиационной стерилизации медицинских изделий и обработки пищевых продуктов с общим объёмом обрабатываемой продукции на сотни миллиардов долларов. Наиболее характерными примерами радиационной защиты с использованием лабиринтов и встроенных в них транспортных систем можно считать:
Стандарты МАГАТЭ. IAEA Safety Standards. Radiation Safety of Gamma, Electron and X Ray Irradiation Facilities. Specific Safety Guide. No.SSG-8. FIG.4.,FIG.5.
2. IMPEJA Ускорители IOTRON Industries Canada/USA Inequality Electron Beam Service, http/www.iotron.com/impela-accelerators/.
3.  Комплекс Московского Радиотехнического Института Российской Академии Наук. Промышленная стерилизационная установка "Стерус-1" http:/www.mrtiran.ru.
4. www.rad04.com/ ускоритель электронов ООО«РАД».
5.     ЗАО    "ИНТЕХ"    Радиационная    стерилизация    на    ускорителе электронов.
При    проектировании    радиационной    защиты    основным    исходным параметром     является     величина     мощности     дозы     излучения.     При проектировании лабиринтных каналов, как элементов радиационной защиты дополнительно учитываются поперечные сечения каналов. Поперечные сечения каналов определяются поперечным сечением объекта радиационной обработки, поперечным сечением транспортного устройства, поперечным сечением проема для обслуживания транспортной системы в каналах (2 - 4 кв. метра). При этом поперечное сечение собственно объекта обработки составляет весьма незначительную долю от поперечного сечения канала. Значительные поперечные сечения каналов приводят к увеличению длины и количества поворотов лабиринта.
Известно, что радиационная защита составляет значительную долю расходов при сооружении комплексов радиационной обработки. Объемы защитных материалов для лабиринтов и площадь, которую они занимают, как правило, значительно превышают объем материалов. Площадь собственно радиационной защиты радиационно опасной зоны, ускорителя и зоны облучения составляет 10-15% от суммарной площади защиты (бункер, лабиринтные каналы).
Для перемещения объектов радиационной обработки через лабиринты и зону облучения обычно применяются многозвенные роликовые конвейеры (рольганги), ленточные, цепные, тросовые транспортеры, подвесные транспортеры. Все они монтируются на специальных рамах и состоят из значительного количества узлов и деталей. Все эти устройства обычно располагаются в горизонтальной плоскости и имеют значительные размеры. По конструктивным особенностям на этих транспортных системах, двигающихся с постоянной скоростью, объекты обработки располагаются с некоторыми промежутками друг от друга. Электронный пучок используется эффективно только при прохождении собственно объекта через зону облучения, а при прохождении промежутка между объектами пучок используется неэффективно, так как поглощается конвейером и радиационной защитой. Потери электронного пучка составляют 20-50%.
При облучении электронным пучком каждый объект должен получить нормированную дозу, равномерную по всему объему. Для объектов медицинского назначения, продуктов питания как животного, так и растительного происхождения предъявляются повышенные требования к равномерности дозы. Эти требования могут быть выполнены только путем облучения объекта с двух противоположных сторон. В блоках радиационной обработки, где установлен один ускоритель электронов, каждый объект после одностороннего облучения должен быть перевернут на 180 градусов относительно оси электронного пучка и перемещен через зону облучения для повторной обработки с противоположной стороны. В аналоге (2) переворот объектов производится вручную. Это создает опасность неисправимого нарушения регламента облучения. В блоках радиационной обработки, где установлено два ускорителя электронов, направленных навстречу друг другу, обработка объекта производится за один проход через зону облучения. Установка двух ускорителей электронов, направленных навстречу друг другу, обеспечивает двукратное повышение производительности комплекса, однако практически это не приводит к повышению стоимости бункера радиационной защиты.
Актуальным является создание комплексов радиационной обработки, в которых, наряду с высокими требованиями к эффективности радиационной защиты, значительно сокращены объемы ее сооружения и стоимость. Проблемой в технике радиационной обработки остается создание высокопроизводительных комплексов радиационной обработки, в которых электронный пучок максимально используется только для облучения объектов обработки, а также облучение объектов, обеспечивающее нормированную дозу, равномерную по всему его объему. Это достигается: а) полным отказом от бетонных лабиринтных каналов и установленных в них многозвенных конвейеров, б) установкой систем перемещением объектов через зону облучения вплотную друг к другу, в) обучением объектов с двух противоположных сторон.
Раскрытие изобретения
Каждый комплекс радиационной обработки имеет блок радиационной обработки, состоящий из источника излучения (высокочастотного высокоэнергетического ускорителя электронов) с устройством развертки электронного пучка 1, зоны облучения 2, и бункера радиационной защиты 3, блокирующей излучения из радиационно опасной зоны, вызванные тормозными излучениями ускорителя и зоны облучения (Фиг. 1). Бункер 3 включает в себя проем в виде тоннеля входа 4 для подачи объектов обработки в зону облучения и проем в виде тоннеля выхода 5 для вывода объектов из зоны облучения, конвейер входа 6 для перемещения объектов обработки через зону облучения и конвейер выхода 7 для перемещения объектов из зоны облучения. Корпус тоннелей выполнен из металла. Поперечное сечение тоннелей минимизировано и определяется по ширине соответствующим размером объекта обработки, а по высоте высотой объекта и высотой конвейера. Например, высота цепного конвейера или рольганга для перемещения объектов, каждый из которых имеет массу 8-10 кг, может составлять 50-70 мм. Наиболее распространенные габариты тары для объектов обработки 600x400x300 мм. Поперечное сечение тоннелей при этом не превышает 450x350 мм. Конвейеры состоят из отдельных секций. Это облегчает их монтаж и техническое обслуживание. Монтаж конвейеров может производиться как со стороны внутренней части бункера, так и с наружной стороны.
Конвейер  входа     6  перемещает  объект  от  входа  в  бункер  через  зону облучения и перезагружает его на конвейер выхода 7. Конвейер входа работает    с    постоянной    скоростью,    величина    которой    обеспечивает нормированную дозу за время перемещения объекта через зону облучения.
Конвейер выхода включается после загрузки объектом, прошедшим через зону облучения, и затем перемещает этот объект на повышенной скорости к выходу из бункера.
В блок радиационной обработки включены малогабаритный модуль входа объектов обработки 8 и модуль выхода объектов обработки 9. Эти модули предназначены для радиационной защиты от излучения через каналы бункера и одновременно загрузки-разгрузки объектами конвейеров входа и выхода бункера. Модуль входа состоит из корпуса радиационной защиты 10, реверсивной каретки и привода реверсивной каретки. Корпус содержит сквозной тоннель 11, в котором перемещается реверсивная каретка. Загрузка-разгрузка каретки может производиться попеременно с двух сторон модуля. В середине корпуса на боковой стенке тоннеля имеется проем 12 для перемещения объектов из модуля на конвейер входа 6 бункера. Реверсивная каретка состоит из трех блоков радиационной защиты 13,14,15 и двух рамок 16, которые установлены в промежутках между блоками. Блоки и рамки соединены в единое устройство. Каждый блок установлен на трех роликах, что обеспечивает их устойчивость при движении каретки. На рамках установлены платформы 17,18 для объектов облучения. Конструкция платформ оборудована устройством их наклона для разгрузки объектов облучения. В середине корпуса в районе проема имеется выемка 19. Ее размеры определяются габаритами объекта облучения и углом наклона платформы каретки. Каретка совершает ход из одного крайнего положения А в другое крайнее положение Б. В крайних положениях одна из платформ 17 или 18 поочередно выходят за пределы корпуса модуля для загрузки объектом, а другая платформа 18 или 17 располагается в створе входного конвейера бункера для его загрузки. Для загрузки конвейера производиться наклон платформ и объекты смещаются на конвейер. Модуль обеспечивает надежную радиационную защиту от тормозного излучения вдоль канала бункера при любом положении каретки в тоннеле корпуса модуля.
Быстродействие каретки при ее движении из одного крайнего положения в другое (6-7 сек) с учетом разгона и торможения, а также загрузки и разгрузки платформ обеспечивается приводом с мощностью электродвигателя 0.5-0.7 кВт. Такое быстродействие каретки позволят загружать объекты обработки на входной конвейер бункера вплотную друг к другу.
В блок радиационной обработки включен модуль выхода объектов облучения 9. Конструктивно он весьма близок модулю входа 8. Модули входа и выхода изготавливаются на промышленных предприятиях и поставляются на монтажную площадку в собранном виде и отлаженном состоянии.
Существенным признаком малогабаритного модуля является то, что каретка, состоящая из подвижных блоков защиты и платформ, во время движения одновременно осуществляет перемещение объектов обработки и радиационную защиту от излучений через проем в бункере и тоннель корпуса модуля.
При облучении электронным пучком каждый объект должен получить нормированную дозу, равномерную по всему объему. В блоках радиационной обработки, где установлен один ускоритель электронов, для обеспечения нормированной дозы, равномерной по всему объему, необходимо облучить каждый объект с двух противоположных сторон. С этой целью объект обработки после одностороннего облучения должен быть перевернут на 180 градусов относительно оси электронного пучка и перемещен после первичного облучения с одной стороны через зону облучения для повторного облучения с противоположной стороны. Блок обработки дополнительно оборудован внешней транспортной системой переворота и перемещения объектов для повторного их облучения, состоящей из кантователя 22 для переворота объекта и конвейера 23.
Блок радиационной обработки (Фиг. 2) состоит из двух источников излучения (высокочастотных высокоэнергетических ускорителей электронов) 24, 25, направленных навстречу друг другу, с устройствами развертки электронного пучка, зоны облучения 26, и бункера радиационной защиты 27, блокирующей излучения из радиационно опасной зоны, вызванные тормозными излучениями ускорителя и зоны облучения. Бункер 27 включает в себя тоннель входа 28 для подачи объектов обработки в зону облучения и тоннель выхода 29 для вывода объектов из зоны облучения, конвейер входа 30 для перемещения объектов обработки через зону облучения 26 и конвейер выхода 31 для перемещения объектов из зоны облучения. В блок радиационной обработки включены малогабаритный модуль входа объектов обработки 32 и модуль выхода объектов обработки
33.   Эти модули предназначены для радиационной защиты от тормозного излучения через  каналы бункера и загрузки-разгрузки  соответствующих конвейеров. Модули входа и выхода состоят из    металлического корпуса радиационной защиты, каретки и привода каретки. Корпус содержит тоннель 34,   в  котором  перемещается  каретка.   Каретка  состоит  из  двух  блоков радиационной защиты 33, 36 и одной рамки с платформой 37,    которая установлена в промежутке между блоками. Каретка совершает перемещение из одного крайнего положения А в другое крайнее положение Б.
Блок радиационной обработки (Фиг. 3) состоит из одного вертикально расположенного            источника           излучения            (высокочастотного высокоэнергетического ускорителя электронов) с устройством развертки электронного пучка 38, зоны облучения 39, и бункера радиационной защиты 40, блокирующей излучения из радиационно опасной зоны, вызванные тормозными излучениями ускорителя и зоны облучения.
Бункер 40 включает в себя тоннель входа 41 для подачи объектов обработки в зону облучения и тоннель выхода 42 для вывода объектов от зоны облучения, конвейер 43 для перемещения объектов обработки от входа в бункер через зону облучения 39 до выхода из бункера. Конвейер 43 дополнительно оборудован малогабаритной системой переворота и перемещения объектов обработки для повторного их облучения. В эту систему входят манипулятор 44 и два толкателя 45, 46. Манипулятор, состоящий из контейнеров 47,48 для объектов обработки и привода 49, обеспечивает перемещение и одновременно переворот объектов обработки для их повторного облучения с противоположной стороны. Объекты обработки в контейнерах перемещаются по круговой траектории на 180 градусов с осью вращения, расположенной в плоскости, параллельной плоскости развертки электронного пучка. Толкатели перемещают объекты после первичного облучения с конвейера 43 в контейнер 47, а после перемещения и переворота объектов из контейнера 47 на конвейер 43 перед зоной облучения.
Таким образом, внутренняя транспортная система бункера, состоящая из конвейера перемещения объектов обработки через зону облучения и малогабаритной системы перемещения и переворота объектов, прошедших одностороннее облучение, обеспечивает за один проход через бункер двухстороннее облучение объектов обработки. В бункер радиационной защиты включены малогабаритный модуль входа объектов обработки 49 и модуль выхода объектов обработки 50. Эти модули совмещают функции радиационной защиты от тормозного излучения через каналы бункера и загрузки-разгрузки конвейеров 41, 42. Модуль входа и выхода состоит из корпуса радиационной защиты, реверсивной каретки и привода.
Техническим результатом является.
Полный отказ от лабиринтных каналов как средства радиационной защиты в блоках радиационной обработки.
Полный  отказ  от транспортных устройств как средства  перемещения объектов обработки по лабиринтным каналам.
Уменьшение не менее чем в два раза площади занимаемой радиационной защитой блока радиационной обработки.
Уменьшение не менее чем в два раза объема и стоимости защитных материалов.
Уменьшение не менее чем в два раза затрат на сооружение радиационной защиты.
Установка малогабаритных модулей входа и выхода, обеспечивающих повышенную степень радиационной защиты от тормозного излучения из тоннелей бункера радиационной защиты и одновременно транспортировку объектов обработки к конвейерам входа и от конвейеров выхода бункера.
Установка транспортных систем, обеспечивающих облучение объектов с двух противоположных сторон.
Значительное сокращение габаритов радиационно опасной зоны, что создает условия установки бункера радиационной защиты в легко возводимых помещениях.
Максимальное повышение эффективности использования электронного пучка путем перемещения объектов через зону облучения вплотную друг к другу.
Установка двух источников излучения, направленных навстречу друг другу, обеспечивает двукратное повышение производительности комплекса практически без повышения стоимости бункера радиационной защиты и двухстороннее облучение объекта за один проход через зону облучения.
Повышение надежности комплекса в результате ликвидации многозвенной, протяженной транспортной системы с большим количеством приводов, которая устанавливалась в лабиринтных каналах.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1. Блок радиационной обработки с одним источником излучения (поперечный разрез и вид сверху) с бункером радиационной защиты, малогабаритным                модулем входа, модулем выхода и транспортной системой   двухстороннего   облучения   объектов,   включающей   внешнюю систему перемещения объектов для повторного облучения.
Фиг. 2. Блок радиационной обработки с двумя источниками излучения (поперечный разрез и вид сверху), направленными навстречу друг к другу, с бункером радиационной защиты, транспортной системой двустороннего облучения объектов обработки за один проход через зону отлучения, малогабаритным модулем входа и модулем выхода.
Фиг. 3. Блок радиационной обработки с одним источником излучения (поперечный разрез и вид сверху) с бункером радиационной защиты, конвейером для объектов обработки с внутренней системой двухстороннего облучения объекта за два прохода через зону отлучения, модулем входа, модулем выхода.
Фиг. 4.   Алгоритм перемещения объектов обработки.
Осуществление изобретения.
Блок радиационной обработки с одним источником излучения (Фиг. 1) работает следующим образом. Каретка модуля входа перемещает объекты к входному конвейеру бункера. На платформе 18 перемещаются объекты, поступившие для первичного облучения, а на платформе 17 объекты прошедшие первичное облучение. Каретка расположена в крайнем положении А. Производится загрузка платформы 18 и одновременно входного конвейера 6 с платформы 17. Каретка перемещается в положение Б, где производится загрузка платформы 17. По мере продвижения объектов на конвейере и освобождения места для следующего объекта производится его загрузка с платформы 18. Таким образом, на конвейер входа бункера поочередно загружаются объекты, поступившие для первичного облучения, и объекты, прошедшие первичное облучение. Конвейер входа работает с постоянной скоростью, величина которой обеспечивает нормированную дозу за время перемещения объекта через зону облучения. Объекты, прошедшие через зону облучения, перемещаются на конвейер выхода, который передвигает эти объекты на повышенной скорости к выходу из бункера. Конвейер поочередно передвигает как объекты, прошедшие первичное облучение с одной стороны, так и объекты прошедшие облучение с двух сторон. Конвейер выхода разгружается на платформы каретки модуля выхода. При этом на платформу 20 загружаются объекты, прошедшие одностороннее облучение, а на платформу 21, объекты, прошедшие облучение с двух противоположных сторон. В крайнем положении каретки А производится разгрузка платформы 21 и одновременно загрузка платформы 20. В крайнем положении каретки Б производится разгрузка платформы 20 и одновременно загрузка платформы 21. Разгрузка платформ 20 и 21 осуществляется в результате их наклона. Объект обработки с платформы 20 разгружается в кантователь 22, который переворачивает объект на 180 градусов и укладывает его на конвейер 23. Далее конвейер 23 перемещает объект в зону загрузки к модулю входа.
Блок радиационной обработки с двумя источниками излучения (Фиг. 2) работает следующим образом. Каретка модуля входа в положении А загружается объектом обработки и перемещается в Положение Б. По мере продвижения конвейера входа 28 с объектами обработки и освобождения места для следующего объекта производится очередная его загрузка с платформы каретки. Каретка перемещается в положение А. Конвейер входа работает с постоянной скоростью, величина которой обеспечивает нормированную дозу за время перемещения объекта через зону облучения. Объекты, прошедшие через зону облучения, перемещаются на конвейер выхода 29, который передвигает эти объекты на повышенной скорости к выходу из бункера. Каретка модуля выхода расположена в положении Б. Производится загрузка платформы каретки. Каретка перемещается в положение А, где производится разгрузка платформы.
Блок радиационной обработки с одним источником излучения (Фиг. 3), работает следующим образом (Алгоритм перемещения объектов обработки показан на фиг. 4).
Каретка модуля входа перемещает необработанные объекты к конвейеру 43 бункера. Конвейер загружается объектами с промежутками, адекватными длине объекта. Конвейер работает с постоянной скоростью, величина которой обеспечивает нормированную дозу за время перемещения объекта через зону облучения.
Объекты, прошедшие через зону облучения после первичной обработки, перемещаются толкателем 45 с конвейера 43 в контейнер манипулятора, расположенный за зоной облучения. Контейнер с первично обработанным объектом приводом манипулятора перемещается с переворотом на 180 градусов в положение до Зоны облучения. Далее объект перемещается толкателем 46 на конвейер 43 в промежуток между объектами, не прошедшими обработку.
Объекты, прошедшие через зону облучения после вторичной обработки с противоположной стороны, перемещаются на конвейере 42 к выходу из бункера. Согласованная работа всех механизмов блока радиационной обработки для перемещения объектов облучения, а также изменения режимов работы механизмов определяется специальным алгоритмом, который реализуется с помощью системы автоматического управления.