БЛОК РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
UNIT OF RADIATION IRRADIATION

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, имплантированных изделий, медицинских инструментов и медицинских отходов, для стерилизации и пастеризации продуктов питания и парфюмерной продукции, а также для облучения ускоренными электронами различных материалов с целью придания им новых свойств. Изобретение предназначено для применения на предприятиях, выпускающих медицинскую продукцию одноразового пользования, пищевую и парфюмерную продукцию, а также на предприятиях, связанных с изготовлением и обработкой материалов.
Уровень техники.
Для радиационного облучения объектов используются различные источники излучения. Наибольшее развитие получил способ радиационного облучения ускоренными электронными пучками, как наиболее надежный высокопроизводительный и экологически чистый.
Каждый комплекс радиационного облучения такого типа имеет излучатель (высокочастотный ускоритель электронов), зону облучения, биологическую защиту от ионизирующего излучения ускорителя и зоны облучения и транспортную систему для подачи объектов в зону облучения. В отечественной и зарубежной практике комплексы радиационного облучения с использованием ускоренного электронного пучка условно разделяются на две категории. К первой категории обычно относят комплексы, где используются ускорители электронного пучка с энергией от 10 МэВ и выше и средней мощностью пучка от 10 кВт. Существующие комплексы этой категории располагаются в специальных помещениях, где защитой служат бетонные стены толщиной до 2,8 м. Они занимают большие производственные площади и требуют больших капитальных затрат для строительства бункера. Транспортировка объектов в зону и из зоны облучения осуществляется через лабиринтные каналы, которые предназначены снижать мощность дозы ионизирующего излучения из бункера до допустимой величины. Наиболее близкими к первой категории по техническим параметрам могут считаться следующие комплексы:
1. IMPELA (Gerald E. Hare. IMPRELA Electron Accelerators for Industrial Radiation Processing. "Radiat", Phys. Chem", vol.35, no 4-6, p.619-626, 1990).
2. I-Ax Technologies Radiation Processing http://www, iaxtech. com/more, html.
3. Московский Радиотехнический институт Российской Академии Наук. Промышленная стерилизационная ускорительная установка "Стерус - 1" http://www.mrtiran:ru/index.id=74php?language=ru &page=prdetailed&id=74.
Ко второй категории относятся комплексы, где используются ускорители электронного пучка с энергией ниже 5-7 МэВ и средней мощностью ниже 3 кВт. Блоки радиационного облучения в этих комплексах, как правило, имеют локальную биозащиту, внутри которой находится высокочастотный линейный ускоритель электронов, тоннель, зона облучения и система перемещения объектов облучения из зоны загрузки через зону облучения в зону разгрузки. Материалом корпуса биологической защиты обычно являются сталь или чугун. Блок радиационного облучения имеет массу 20-27 тонн, площадь 10-15 кв. м и высоту 2,5-2,7 м. Блок радиационного облучения совместно с оборудованием высокочастотного питания ускорителя электронов и автоматизированного управления может устанавливаться в любом помещении, в том числе и временном, не требующим дополнительных затрат на биозащиту. Малые габариты блока позволяют использовать его в технологических линиях производства продукта непосредственно на предприятиях изготовителя.
Аналогами изобретения можно считать следующие комплексы, где применяется локальная биозащита ускорителей электронов.
1. Bidnyy еt al. Conveyer-type Unit Radiation Sterilization. US Patent 5,554,856. Priority Date Nov.1 1993y.
2. Мирочник Э.А., Мищенко А.В., Пироженко В.М. Комплекс радиационной стерилизации. Патент на изобретение № 2121369. Приоритет 22.09.97.
3. Stirling Andrew J. Hare Gerald E. Irradiation Apparatus for Production Line Use. US Patent 6,191, 424. Filing Date 02.20.1998.
В блоках радиационного облучения этих комплексов под ускоренным электронным пучком в зоне облучения попеременно перемещаются объекты облучения (полезное использование электронного пучка) и элементы биозащиты, расположенные между этими объектами. По различным оценкам в таких системах время полезного использования электронного пучка составляет от 70 до 85%.
В аналоге 1 корпус биологической защиты содержит транспортное устройство в виде цилиндра, который вращается с помощью привода вокруг своей продольной оси. Цилиндр имеет две платформы, на которых размещаются объекты облучения. При вращении цилиндра объекты перемещаются в зону и из зоны облучения.
В аналоге 2 в корпусе биологической защиты имеется тоннель, в котором транспортным устройством является каретка. Каретка имеет защитные блоки и платформы для перемещения объектов облучения в зону облучения. При любом положении каретки блоки обеспечивают биозащиту от ионизирующего излучения вдоль тоннеля. Например, при установке в блоке радиационного облучения линейного ускорителя с энергией пучка электронов 5 МэВ и средней мощности 2 кВт длина защитного блока вдоль тоннеля составляет 0.6 м. При движении каретки вдоль тоннеля под электронным пучком в зоне облучения попеременно облучаются объекты облучения (полезное использование пучка) и защитные блоки (пучок поглощается металлом). Остановка каретки в крайних положениях для загрузки и разгрузки платформ также снижает полезное использование пучка.
В аналоге 3 в тоннеле корпуса биозащиты установлен конвейер, состоящий из группы кареток, предназначенных для перемещения объектов облучения через зону облучения. Каждая каретка спереди и сзади имеет экран, обеспечивающий биозащиту от ионизирующего излучения вдоль тоннеля, и гнездо для размещения объекта облучения. При ускорителе с энергией 5 МэВ и средней мощностью пучка 2 кВт суммарная толщина экранов кареток, которые расположены, как на входном так и на выходном участках тоннеля, должна составлять 0.6 м. Это обеспечивает снижение мощности дозы ионизирующего излучения в 10 раз для получения величины дозы, допустимой для обслуживающего персонала. При такой транспортной системе, двигающейся непрерывно, только часть электронного пучка используется для облучения объекта, а остальная часть поглощается экранами кареток. По информации авторов изобретения аналога 3 полезное использование электронного пучка здесь составляет 25-50% (www.mevex.com/does/Scorpio.pdf). Таким образом, конвейер аналога 3 обладает тем же недостатком, что и каретка в аналоге 2. Конвейер аналога 3, состоящий из большого количества кареток, имеет значительную массу и длину. При этом только незначительная часть кареток, расположенных в тоннеле, используется для защиты от излучений.
В блоках радиационного облучения с локальной биозащитой, имеющих прямолинейные тоннели с зоной облучения и системы перемещения объектов облучения в зону облучения, не удается обеспечить абсолютную защиту от ионизирующего излучения через конструктивные зазоры между стенками тоннелей и подвижными элементами защиты транспортных систем. Этот недостаток присущ аналогу 2 и аналогу 3, так как в первом случае имеются конструктивные зазоры между неподвижными стенками тоннеля и подвижными защитными блоками реверсивной каретки, а во втором случае между неподвижными стенками тоннеля и защитными экранами кареток.
Актуальной проблемой в технике радиационного облучения по-прежнему остается создание высокопроизводительных комплексов с обеспечением повышенной степени биологической защиты в зонах загрузки и разгрузки облучаемых объектов. Создание автоматизированных систем перемещения объектов облучения, где объекты облучения непрерывно проходят зону облучения, позволяет практически полностью использовать электронный пучок непосредственно для облучения объектов.
При облучении электронным пучком каждый объект должен получить нормированную дозу, равномерную по всему объему. В блоках радиационного облучения, где установлен один ускоритель электронов, для обеспечения нормированной дозы, равномерной по всему объему, необходимо облучить каждый объект, с двух противоположных сторон.
Раскрытие изобретения.
Блок радиационного облучения содержит ускоритель электронов, систему перемещения объектов облучения из зоны их загрузки через зону облучения в зону разгрузки, корпус биологической защиты ускорителя и зоны облучения, причем корпус биологической защиты имеет тоннель, отличающийся тем, что тоннель содержит рабочий конвейер непрерывного перемещения объектов облучения через зону облучения, система перемещения объектов облучения дополнительно содержит модуль входа объектов облучения на рабочий конвейер из зоны загрузки и модуль выхода объектов облучения с рабочего конвейера в зону разгрузки, каждый из которых включает корпус биологической защиты, реверсивную каретку и тоннель для перемещения объектов облучения, причем продольные оси тоннелей модулей входа и выхода расположены перпендикулярно продольной оси тоннеля рабочего конвейера.
Каждая каретка содержит по три подвижных защитных блока и по две платформы для объектов облучения, причем каждая каретка выполнена с возможностью перемещения в тоннелях модулей входа и выхода.
Модуль входа и модуль выхода содержат корпус биологической защиты, тоннель для перемещения объектов облучения, два подвижных блока защиты, открывающих попеременно проход через тоннель, и одну каретку с платформой, передвигающую объект обучения из зоны загрузки к рабочему конвейеру или от рабочего конвейера в зону разгрузки.
Модуль входа содержит устройство перемещения объектов облучения с платформы каретки на рабочий конвейер, а модуль выхода содержит устройство перемещения объектов облучения с рабочего конвейера на платформы каретки.
Корпуса биологической защиты модуля входа и модуля выхода содержат заглушки, расположенные в створе тоннеля рабочего конвейера.
Одна из заглушек механически связана с рабочим конвейером и может совместно с ним выдвигаться за пределы блока радиационного облучения для проведения наладки конвейера, а вторая заглушка при выдвижении за пределы модуля позволяет в зоне облучения установить датчик для измерения параметров электронного пучка.
Задача повышения эффективности использования электронного пучка может быть решена путем непрерывного (вплотную друг к другу) перемещения объектов облучения через зону облучения. Перемещение каких-либо элементов биозащиты через зону облучения должно быть исключено.
Задача повышения степени биозащиты от ионизирующего излучения из зоны облучения может быть решена путем установки специальных защитных устройств с тоннелями для перемещения объектов облучения, расположенных под углом к тоннелю, где происходит радиационная обработка объектов облучения. При этом кроме биозащитных функций эти устройства должны совмещать и функции перемещения объектов облучения из зоны загрузки к тоннелю с зоной облучения и от этого тоннеля в зону разгрузки.
Блок радиационного облучения состоит из главного модуля радиационного облучения, боковых модулей биозащиты входа и выхода главного модуля, манипулятора (фиг.1). На фигуре 2 изображен общий вид блока радиационного облучения (вид спереди и вид сверху). Главный модуль блока радиационного облучения состоит из источника излучения (высокочастотного ускорителя электронов) 1, корпуса биологической защиты 2, тоннеля главного модуля 3, рабочего конвейера 4 для непрерывного перемещения объектов облучения 5 через зону облучения 6. Боковой модуль биозащиты входа состоит из корпуса биологической защиты 7, внутри которого размещается тоннель 8 и реверсивная каретка 9. Каретка состоит из трех подвижных защитных блоков 10 и двух платформ 11. В корпусе модуля имеется устройство 12 для перемещения объектов облучения с платформ каретки на рабочий конвейер 4. В корпусе модуля биозащиты входа имеется заглушка 13, расположенная в створе тоннеля главного модуля и соединенная механически с рабочим конвейером 4. Боковой модуль биозащиты выхода состоит из корпуса биологической защиты 14, внутри которого размещается тоннель 15 и реверсивная каретка 16. Каретка состоит из трех подвижных защитных блоков 17 и двух платформ 18. В корпусе модуля имеется устройство 19 для перемещения объектов облучения с рабочего конвейера 4 на платформы каретки 16. В корпусе модуля биозащиты выхода имеется заглушка 20, расположенная в створе тоннеля главного модуля, которая позволяет устанавливать и обслуживать датчики для измерения параметров электронного пучка в зоне облучения. Устройства перемещения 12 и 19 изменяют направления движения объектов облучения. Это может быть обеспечено механизмами линейного перемещения, например актуаторами, гидравлическими или пневматическими толкателями, винтовыми передачами.
Блок радиационного облучения содержит манипулятор 21, который передает односторонне облученный объект с каретки выхода 16 на каретку входа 9 с одновременным переворотом для повторного облучения объекта с противоположной стороны.
Альтернативный боковой модуль биозащиты изображен на фигуре 3. Он содержит корпус биозащиты 22, тоннель 23, один подвижной блок 24, каретку 25, которая состоит из защитного блока 26 и платформы 27. На фигурах 3а, 3б, 3в, 3г показаны в продольном разрезе положения каретки 25 и блока 24 по мере перемещения объекта облучения из зоны загрузки в створ тоннеля 3 главного модуля. На фигуре 3д изображен вид модуля сверху.
На фигуре 4 показан второй альтернативный боковой модуль биозащиты, который содержит корпус биозащиты 28, тоннель 29, два подвижных блока 30 и 31 и одну каретку 32. На фигурах 4а, 46, 4в, 4г показаны в продольном разрезе положение каретки 31, подвижных блоков 29 и 30 по мере перемещения каретки с объектом облучения из зоны загрузки в створ тоннеля 3 главного модуля. На фигуре 4д изображен вид модуля сверху.
Боковые модули биозащиты входа конструктивно аналогичны боковым модулям биозащиты выхода. В предлагаемых технических решениях подвижные элементы (каретки, подвижные защитные блоки) могут иметь массу от 600 кг до 1 тоны. Однако современные приводы небольшой мощности 0,5-0,75 кВт способны перемещать эти массы из одного крайнего положения в другое за время 2-5 секунд с точностью позиционирования 1-2 мм.
В блоке радиационного облучения (фиг.2) имеется тоннель с зоной облучения. Тоннель содержит рабочий конвейер непрерывного перемещения объектов облучения через зону облучения, а система перемещения объектов облучения дополнительно содержит модуль входа объектов облучения на рабочий конвейер из зоны загрузки и модуль выхода объектов облучения с рабочего конвейера в зону разгрузки, каждый из которых включает корпус биологической защиты, реверсивную каретку и тоннель для перемещения объектов облучения, причем продольные оси тоннелей входа и выхода расположены перпендикулярно продольной оси тоннеля рабочего конвейера.
Непрерывное перемещение объектов облучения через зону облучения обеспечивается полным отсутствием в тоннеле главного модуля элементов биозащиты и быстродействием кареток и подвижных блоков боковых модулей биозащиты. Таким образом, удается увеличить время полезного использования электронного пучка до максимального значения.
В предлагаемом техническом решении блока радиационного облучения тоннели боковых модулей биозащиты расположены перпендикулярно тоннелю главного модуля. Благодаря этому удается исключить прямое ионизирующее излучение из зоны облучения через зазоры между подвижными элементами биозащиты в тоннелях и корпусами боковых модулей биозащиты, поскольку прямое ионизирующее излучение преобразуется в рассеянное излучение. Мощность дозы ионизирующего излучения при повороте тоннелей на 90 градусов снижается в 300 - 500 раз. Это позволяет значительно снизить ионизирующее излучение в зонах загрузки и разгрузки блока радиационного облучения и уменьшить толщину защитных блоков в тоннелях модулей биозащиты входа и выхода.
Использование боковых модулей биозащиты входа и выхода в блоках радиационного облучения обеспечивает непрерывное перемещение объектов облучения через зону облучения и позволяет полностью отказаться от применения громоздких и дорогостоящих лабиринтных защитных и транспортных систем, а также повысить радиационную безопасность.
Еще одной особенностью представленного блока радиационного облучения с конвейером непрерывной обработки объектов облучения и модулями биозащиты входа и выхода являются небольшие габариты. Например, блок радиационного облучения с линейным ускорителем электронов с энергией 5 МэВ и средней мощностью пучка 2 кВт занимает площадь не более 20 кв. м, а высота не превышает 2,5 м.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 Схема деления блока радиационного облучения.
Фиг.2. Общий вид блока радиационного облучения с главным модулем радиационного облучения, модулем биозащиты входа и модулем биозащиты выхода главного модуля (виды спереди и сверху).
Фиг.3 Альтернативный боковой модуль биозащиты блока радиационного облучения с двумя подвижными защитными блоками и одной кареткой.
Фиг.4 Альтернативный боковой модуль биозащиты блока радиационного облучения с одним подвижным защитным блоком и одной кареткой
Фиг.5. Крайние рабочие положения кареток модуля биозащиты входа и модуля биозащиты выхода.
Фиг.6а, 6б, 6в. Положения элементов транспортной системы при перемещении объектов облучения из зоны загрузки через зону облучения в зону разгрузки.
Осуществление изобретения.
В процессе работы каретки модулей биозащиты входа и выхода периодически занимают два крайних положения А и Б (фиг.5). В положении А производится загрузка нового объекта облучения на платформу 1 каретки входа и разгрузка полностью облученного объекта с платформы 4 каретки выхода. В положении Б производится перезагрузка односторонне облученного объекта с платформы 3 на платформу 2 для повторного облучения объекта с противоположной стороны.
На фигуре 6а, 6б, 6в показаны позиции каждого объекта облучения при его перемещении из зоны загрузки через модуль биозащиты входа на рабочий конвейер тоннеля главного модуля в зону облучения, где производится первоначальное одностороннее облучение объекта, через модуль биозащиты выхода в зону перезагрузки, затем в модуль биозащиты входа и далее на рабочий конвейер в зону облучения, где производится повторное облучение объекта с противоположной стороны, затем через модуль биозащиты выхода в зону разгрузки. Из фигуры ясно, что при любом положении реверсивных кареток 9 и 16 обеспечивается биозащита от рассеянного излучения из тоннеля главного модуля. На предприятиях изготовителях все изделия, подлежащие радиационной обработке, укладываются в тару (картонные коробки, пакеты, специальные контейнеры), каждая тара имеет свой идентификационный номер.
На фигуре 6 приняты следующие условные обозначения:
необлученный объект
<img file="00000001.tif" he="8" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" />
объект, облученный с одной стороны
<img file="00000002.tif" he="7" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
объект, облученный с двух сторон
<img file="00000003.tif" he="6" wi="29" img-content="undefined" img-format="tif" />
Цифры 1, 2, 3 подразумевают идентификационный номер объекта облучения.
Поз.1. Каретка входа в положении A. Объект  загружается на платформу 1.
Поз.2. Каретка входа в положении Б. Объект  в створе тоннеля главного модуля.
Поз.3. Объект  перемещается на рабочий конвейер к зоне облучения.
Поз.4. Объект  проходит зону облучения. Каретка входа в положении.
Объект  загружается на платформу 1.
Поз.5. Каретка входа в положении Б. Объект  в створе тоннеля главного модуля.
Объект  проходит зону облучения.
Поз.6. Закончилось облучение объекта . Одновременно объект  перемещается с платформы 1 к зоне облучения.
Поз.7. Каретка выхода в положении А. Объект  перемещается на платформу 3.
Объект  проходит зону облучения.
Поз.8. Каретка выхода в положении Б. Объект  проходит зону облучения.
Поз.9. Объект  проходит зону облучения. Объект  перемещается с платформы 3 каретки выхода на платформу 2 каретки входа.
Поз.10. Заканчивается облучение объекта . Объект  на платформе 2 в створе тоннеля главного модуля. Объект  загружается на платформу 1.
Поз.11. Закончилось облучение объекта . Одновременно объект  перемещается с платформы 2 к зоне облучения.
Поз.12. Объект  после облучения перемещается на платформу 3 каретки выхода.
Начинается повторное облучение объекта .
Поз.13. Каретка выхода в положении Б. Закончилось повторное облучение объекта .
Одновременно объект  перемещается с платформы 1 к зоне облучения.
Поз.14. Объект  перемещается на платформу 4 каретки выхода. Начинается облучение объекта . Объект  перемещается с платформы 3 каретки выхода на платформу 2 каретки входа.
Поз.15. Каретки входа и выхода в положении А. Заканчивается облучение объекта .
Поз.16. Закончилось облучение объекта . Одновременно объект  перемещается с платформы 2 к зоне облучения. Производится загрузка объекта  на платформу 1 и разгрузка объекта  с платформы 4.
Поз.17. Каретка входа в положении Б. Объект  в створе тоннеля главного модуля. Объект  перемещается на платформу 3 каретки входа. Начинается повторное облучение объекта . Объект  в створе тоннеля главного модуля.
Поз.18. Каретка выхода в положении Б. Закончилось облучение объекта .
Одновременно объект  перемещается с платформы 1 к зоне облучения.
Поз.19. Объект  перемещается на платформу 4 каретки выхода. Начинается облучение объекта . Объект  перемещается с платформы 3 каретки выхода на платформу 2 каретки входа.
Поз.20. Каретки входа и выхода в положении А. Заканчивается облучение объекта . Производится загрузка объекта  на платформу 1 и разгрузка объекта  с платформы 4.
Поз.21. Закончилось облучение объекта . Одновременно объект  перемещается с платформы 2 к зоне облучения.
Далее работа системы повторяется с той же цикличностью.