一種直線加速器電離室保護裝置的研制

程江波陳衛(wèi)彬張 帥嚴 勇

一種直線加速器電離室保護裝置的研制

程江波①陳衛(wèi)彬①張 帥①嚴 勇①

目的：為了減少因電離室工作溫度、濕度變化引起的直線加速器故障，延長直線加速器電離室使用壽命，設(shè)計一種電離室保護裝置。方法：通過使用溫度23℃、濕度15%、流量10 L/min的干燥空氣吹拂電離室的方法，改變電離室的工作環(huán)境，減少外部應(yīng)用環(huán)境的變化對電離室產(chǎn)生的不良影響。結(jié)果：將裝置安裝在2臺直線加速器上使用，同比上年同期的故障次數(shù)，故障率減少80%以上。結(jié)論：通過實際運行及參數(shù)檢測，該電離室保護裝置運行穩(wěn)定，在一定程度上改善了電離室的工作環(huán)境，可以減少外部應(yīng)用環(huán)境的變化對電離室產(chǎn)生的不良影響，減少電離室故障，延長使用壽命。

電離室；濕度；溫度；流量；保護裝置

自上世紀50年代初放射外科的概念被提出以來，放射治療已經(jīng)在臨床醫(yī)學得到了廣泛應(yīng)用。直線加速器作為常規(guī)放射治療的重要設(shè)備，使用電離室來監(jiān)測和控制放射治療劑量，電離室性能直接影響治療的效果和直線加速器工作狀態(tài)。

加速器機房大多都設(shè)計在地下或一層，機房常年濕度較大，并且環(huán)境較為封閉。即使在北京地區(qū)，機房內(nèi)需安裝兩臺除濕機才能保證全年環(huán)境濕度在50～60%左右。如果除濕機發(fā)生故障，夏季時濕度能夠達到90%以上。在這樣的環(huán)境下電離室的使用壽命為3年左右。在南方濕度較大的地區(qū)，電離室的使用壽命只有1年左右。所以，考慮到電離室對溫、濕度要求嚴格這一因素，研制一種改善電離室工作環(huán)境的保護裝置，可以在很大程度上減少環(huán)境變化對電離室造成的性能下降。

1 工作原理及設(shè)計背景

1.1 氣體電離室的工作原理

現(xiàn)代直線加速器多采用氣體電離室，電離室受到高能射線照射時，射線與電離室內(nèi)氣體分子作用，產(chǎn)生由一個電子和一個正離子組成的離子對，在電離室的收集極和高壓極上加直流的極化電壓，電子和正離子就會分別向正負兩極運動，形成電離電流。該電離電流正比于射線強度，通過測量電流值得出射線強度值。

1.2 設(shè)計背景

現(xiàn)代直線加速器采用的氣體電離室，分為開放式和密閉式電離室。開放式電離室很容易受外界環(huán)境的影響。第一，空氣中的水蒸氣進入到電離室后不容易被排出去。水分子被電離為H＋離子和OH-離子，在高壓的作用下，被收集極收集，影響電離室的精度；另一方面被電離的H＋離子和OH-離子匯聚后與空氣中的水蒸氣結(jié)合就會形成酸性或堿性的氣體，對電離室造成腐蝕。第二，當X射線通過電離室時，一部分射線的能量損失在電離室中，導(dǎo)致電離室溫度升高，機器停止工作后，電離室的溫度會降回到室溫，在這個過程中如果電離室的環(huán)境濕度大，容易在電離室表面形成凝結(jié)水微粒吸附在電離室上，影響電離室的壽命和精度。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

整個系統(tǒng)主要由空氣干燥單元、氣路、流量檢測單元和主控制單元組成。

氣泵驅(qū)動空氣通過高溫的電爐絲，再經(jīng)過干燥劑，空氣中的水蒸氣被去除，生成溫度23℃、濕度15%的氣流，通過氣閥控制氣流流速吹拂電離室，使電離室處在最佳的工作環(huán)境，減少因外界環(huán)境惡劣引起的電離室故障。

2.2 干燥單元設(shè)計

根據(jù)直線加速器的使用狀況統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，在北京地區(qū)的直線加速器因電離室的報錯冬季明顯少于夏季，北京地區(qū)冬季的平均濕度為20%左右，故將濕度控制在15%±2%。電離室的最佳工作溫度為26.5℃，故將電離室出口處氣流的溫度控制在23℃±2℃。這樣的設(shè)計使電離室的應(yīng)用環(huán)境濕度盡量低而溫度略低于最佳，這樣可以對電離室起到一定的冷卻作用，這是在實際應(yīng)用中得到的比較滿意效果的設(shè)計值。

將電爐絲（鐵鉻電爐絲）盤成螺旋狀加熱空氣，電爐絲設(shè)置為2組，開機加熱目標值為300℃，達到目標溫度后進行閉環(huán)控溫?？諝饧訜岷笏魵鈺]發(fā)掉，再經(jīng)過干燥劑（鈉4A型分子篩）以保證濕度達到設(shè)計要求。干燥單元加熱部分主要電路為逆變電路（圖1），其工作原理為：采用UC3842集成電路作為主控制器，通過控制PWM脈沖寬度來調(diào)節(jié)MOS開關(guān)管（GT407101,耐壓為1500伏）的頻率，PWM的脈沖寬度越寬，加熱的功率越大，開機逆變頻率設(shè)計為25 kHz。溫度傳感器T1（貼片式JCJ100TM）將信號反饋到脈沖寬度調(diào)節(jié)器，此調(diào)節(jié)為溫度控制的粗調(diào)。

圖1 逆變原理框圖

在氣流的出口處還有一個溫度傳感器T 2（AD59，測量溫度范圍為50～150℃）和濕度傳感器量H1（HM1500，測量范圍后0～100%）。溫度傳感器T2為溫度閉環(huán)控制的細調(diào)。當濕度傳感器檢測超出范圍時，增加電爐絲的溫度，同時氣路也做出調(diào)整。

2.3 氣路和流量檢測單元

整個氣路氣體運動的動力來源于一個氣泵，安裝于整個氣路的始端，保證整個系統(tǒng)氣體運動的流暢。為了保障干燥氣體的輸出穩(wěn)定，在氣路中設(shè)計的一個5 L儲氣罐。為了保障氣路的運行安全，在儲氣罐的頂端安裝一個機械排氣閥，當儲氣罐壓力超過3個大氣壓時，自動排氣。

電離室在長時間的輻射后，材質(zhì)會變的脆而容易損壞，氣體的流量設(shè)計為10 L/min，以減小過高氣流帶來的沖擊。同時選用LUW-3-050流量傳感器控制氣閥A調(diào)節(jié)氣體流量的大小。氣路的另一個設(shè)計是通過控制氣路的長短來控制氣體到達電離室的溫度。在儲氣罐和氣閥A之間設(shè)計兩個長度不同的氣路：氣路A和氣路B。當濕度傳感器控制電爐絲溫度提高時氣閥B（使用0K8710H）關(guān)閉，氣閥C（使用0K8710H）開啟。根據(jù)安裝部位的不同，當電爐絲溫度為300℃時，實際測量電離室處氣流的溫度來確定氣路A的實際長度。根據(jù)濕度偏差5%時，電爐絲溫度上升后，以保證電離室處氣流溫度為23℃為目標，來實際確定氣路B的長度。

2.4 主控制單元

采用CYGNAL公司生產(chǎn)的芯片C8051F020單片機作為協(xié)調(diào)和控制整個系統(tǒng)的主控制器。信號放大器（AD844）的功能是放大直流電壓信號以滿足數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對輸入信號范圍的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用LTC1290CCN。

2.5 軟件設(shè)計

軟件部分主要完成系統(tǒng)初始化、自檢、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、判斷分析、控制等功能。整個單片機的軟件開發(fā)使用Keil C編程軟件完成，并通過U-PDC通用編程器完成程序下載，使用非常簡便、快捷。軟件程序的運行流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 運行情況數(shù)據(jù)分析

該裝置24 h開機，連續(xù)工作15 d，每天隨機測量3次，使用第三方的溫度濕度檢測儀和氣體流量測量值檢測，測量數(shù)據(jù)如圖3。結(jié)果：通過半個月的實際監(jiān)測，各關(guān)鍵指標的表現(xiàn)平穩(wěn)，誤差在可接受范圍內(nèi)。說明該裝置工作穩(wěn)定，運行情況達到了設(shè)計要求。

圖3 溫度濕度流量測量數(shù)據(jù)記錄

4.2 保護效果分析

將該裝置安裝在加速器上，記錄由電離室引起的加速器故障。以兩臺機器為實驗，同比上年第三季度（夏季）由電離室引起的故障次數(shù)，數(shù)據(jù)見圖4。結(jié)果：對比2臺設(shè)備安裝電離室保護器后在第三季度間因電離室引起的故障，同期A機器減少了80%，B機器統(tǒng)計減少了81%。電離室隨著使用年限的增加，故障次數(shù)應(yīng)逐漸增加，但是安裝了電離室保護裝置后，由電離室引起的故障次數(shù)明顯減少，證明保護裝置有現(xiàn)實意義。

圖4 單季度設(shè)備電離室故障次數(shù)對比圖

5 結(jié)論

電離室保護裝置在不改變整體環(huán)境的條件下，通過人為的手段，改變電離室應(yīng)用小環(huán)境的溫、濕度，改善電離室的工作環(huán)境。實驗結(jié)果證明，該保護裝置減少了由電離室引起的故障，延長電離室的使用壽命，為醫(yī)院節(jié)約維修成本。

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Development and research of an ionization chamber protection device on linear accelerator

CHENG Jiang-bo, CHEN Wei-bin, ZHANG Shuai, et al//China Medical Equipment,2011,8(3): 10-12.

Objective: To design a protection device on ionization chamber to reduce the failure of linear accelerator that caused by changes in ionization chamber's temperature and humidity, and extend the service life of ionization chamber.Methods: The working environment of ionization chamber was changed by using the temperature 23℃,humidity 15%, flow 10 l/min dry air blowing chamber, reducing the adverse effect of the ionization chamber by external environment changes. Results: This device was installed on two linear accelerator equipments. Number of failures compared the same period last year reduced by 80% at least. Conclusion:By the actual operation, the ionization chamber protection device is stable and can be used to improve the working environment of the ionization chamber and reduce the adverse environmental impacts,reduce failures and extend life.

Ionization chamber; Humidity; Temperature; Flow; Protection device

1672-8270(2011)03-0010-03

R 819

A

2010-12-16

程江波,男,(1980- ),本科學歷，工程師。解放軍總醫(yī)院醫(yī)學工程保障中心，長期從事大型影像設(shè)備及放療設(shè)備的保障維修工作。

[First-author's address]General Hospital of PLA, Beijing 100853, China.

①解放軍總醫(yī)院 北京 100853