醫(yī)用重離子加速器多層循環(huán)冷卻水高精度溫度控制的研究

摘 要：通過大型醫(yī)用重離子加速器系統(tǒng)負載溫度變化的特點，說明運用多層循環(huán)結(jié)構(gòu)冷卻水系統(tǒng)進行設(shè)備冷卻、達到溫度有效控制的機理。同時，根據(jù)統(tǒng)計和總結(jié)在實際運行中遇到的一些實際問題，如溫度監(jiān)控點位置的選取、物理劑量變化導(dǎo)致溫度峰值的克服等問題。分析和總結(jié)實現(xiàn)更高精度控制的深層次的控制方法，如多點溫度檢測法、二次水預(yù)降溫法、系統(tǒng)增容擴大緩沖法、多級換熱串級控制法等，并分析這些方法的優(yōu)缺點，作為后期進行同類項目設(shè)計和建設(shè)的參考。

關(guān)鍵詞：重離子冷卻水多層循環(huán)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0034-01

醫(yī)用重離子加速器是運用帶電粒子同步加速原理，實現(xiàn)碳離子高能量加速達到腫瘤高精度治療的醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，其射線能量根據(jù)腫瘤患者的腫瘤形狀及深度決定，充分運用適形、調(diào)強、逐層掃描技術(shù)，是腫瘤放射治療領(lǐng)域已投入臨床的先進的治療手段之一。冷卻水系統(tǒng)是醫(yī)用重離子加速器的輔助系統(tǒng)，是實現(xiàn)重離子加速器系統(tǒng)溫度恒定，保證射線質(zhì)量的重要系統(tǒng)[1]。

在碳離子同步加速的過程中，加速器的主要部件產(chǎn)生巨大的熱量，因為射線能量不規(guī)則變化，產(chǎn)生的熱量也不規(guī)則變化，為了達到加速器溫度良好控制的目的，必須建立冷卻水系統(tǒng)并尋求恰當?shù)目刂品椒▽崿F(xiàn)溫度的精確控制。

1 多層循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的建立

循環(huán)冷卻水是流入重離子加速器的磁鐵部件的內(nèi)部對磁鐵部件進行冷卻的，這些磁鐵的冷卻水水管道同時也是繞線，內(nèi)有循環(huán)水流動，將熱量帶走。流過加速器內(nèi)部的循環(huán)水必須是低電導(dǎo)率的高純水，同時，考慮到防腐、恒壓、輻射防護等要求，內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)必須是密閉系統(tǒng)，這就是循環(huán)冷卻水的第一層，簡稱一次水。

一次水的溫度隨加速器熱量變化，制冷須通過換熱來實現(xiàn)，運用板式換熱器實現(xiàn)液-液熱量的交換是當前在許多工業(yè)控制領(lǐng)域使用的方法，廣泛運用與核電、化工、冶金等領(lǐng)域。第二層循環(huán)冷卻水系統(tǒng)利用密閉式冷卻塔進行自然冷卻，簡稱二次水。

重離子加速器冷卻水溫度控制需要滿足0.5℃的控制精度，這就要求二次水的溫度不能出現(xiàn)大范圍的波動，然而，冷卻塔的自然冷卻受環(huán)境影響較大，很難實現(xiàn)溫度的恒定，所以，使用大型冷凍機來構(gòu)建三次水，可以解決二次水恒溫控制問題。

三層循環(huán)冷卻水的基本結(jié)構(gòu)建立起來后，如何讓各循環(huán)之間協(xié)作運行，實現(xiàn)溫度的精確控制呢？

三層循環(huán)利用水-水換熱的方法進行能量交換，因一次水的溫度隨加速器溫度的升高而升高，二次水必須通過調(diào)整溫度或流量并經(jīng)換熱來控制一次水溫度。二次水系統(tǒng)與多個一次水子系統(tǒng)進行熱交換，而各一次水溫度的溫度變化是不規(guī)律的，所以，二次水溫度最好恒定，采用流量變化調(diào)整一次水溫度是一種可行的方法。所以，通過調(diào)整與一次水熱交換的二次水流量來控制一次水的溫度，通過調(diào)整三次水流量來控制二次水的溫度，最終實現(xiàn)一次水溫度的精確控制。

2 多層循環(huán)冷卻水溫度控制的難點

通過以上對三層循環(huán)結(jié)構(gòu)冷卻水的分析可知，三層循環(huán)結(jié)構(gòu)的模式可以完成熱量的交換，但是，在實際運用中，因加速器對于冷卻水溫度的精度有要求，所以必須對加速器負載變化進行分析，并考慮以下問題。

（1）加速器與冷卻水設(shè)備的安裝位置有一定的距離，如何選取測量溫度點作為控制輸入是需要考慮的首要問題。

（2）隨加速器負載變化冷卻水溫度將出現(xiàn)劇烈變化，因加速器負載隨病人的物理劑量變化而變化，病人不同，其能量變化必然不同，由此導(dǎo)致的冷卻水溫度變化不規(guī)律，而且，加速器負載的劇烈變化必然出現(xiàn)負載峰值，即在幾秒時間內(nèi)，射線能量可能會出現(xiàn)0～430Mev的變化，使加速器磁鐵出現(xiàn)溫度變化，造成冷卻水的溫度曲線峰值。如何有效改善峰值，提高溫度控制精度，是必須考慮的第二個重點問題。同時，實現(xiàn)流量控制必然采用遠程控制閥門，而閥門的開度響應(yīng)的機械變換是需要時間的，如何將閥門的開度響應(yīng)與負載的變化相適應(yīng)也是必須考慮的問題。

3 多層循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的溫度控制改進方法

帶著以上幾個問題進行通過分析，可用如下方法解決。

（1）針對溫度檢測點的選取，采用多點檢測的方法，即溫度控制輸入點至少選取三個控制點。第一個點選取在加速器冷卻水的出口點，此點最快地測量到加速器的負載變化，第二個點選取在板式換熱器的前端，此點能測量到換熱前的實際溫度，第三個控制輸入點選取在板式換熱器之后，可測量到換熱后的實際溫度，這一點是溫度控制的目標點。

（2）通過對重離子加速器冷卻水系統(tǒng)的負載進行的監(jiān)控后確定，離子源、直線加速器、高能束流傳輸系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)負載比較平穩(wěn)，無溫度劇烈變化，主要負載的變化及尖峰值集中在同步加速器系統(tǒng)。針對同步加速器系統(tǒng)的溫度變化，設(shè)計制定了多套控制改進方案，通過分析，將其優(yōu)缺點進行了統(tǒng)計，總結(jié)如下。

方案一：針對同步加速器冷卻水系統(tǒng)的溫度劇烈變化，采用二次水預(yù)降溫方法，即分析加速器出口溫度，當溫度劇烈上升時，控制冷源的兩通閥門提前開啟，將二次水溫度降低，達到快速制冷的目的。通過測試，此方法對于快速降溫效果良好，但因二次水系統(tǒng)同時與其他一次水子系統(tǒng)換熱，當進行同步加速器快速制冷時，造成了其他一次水系統(tǒng)溫度的波動。

方案二：采用加大冷卻水回水儲水箱容量的方法實現(xiàn)回水溫度緩沖。通過分析，該方法是實現(xiàn)有效緩沖，消除回水峰值的有效辦法，但是，運用該方法，需要綜合考慮循環(huán)水流量、系統(tǒng)容量、負載峰值變化時間、管道距離等問題，綜合計算回水水箱容量。并考慮現(xiàn)場設(shè)備布局及安裝等問題，對于已成型的系統(tǒng)來說，存在施工難度。

方案三：采用第四層循環(huán)結(jié)構(gòu)的串級控制方法。即在加速器冷卻水回水端，增加溫度預(yù)處理換熱器，將溫度峰值預(yù)處理，該部分的制冷循環(huán)水可以采用二次水或冷源的冷凍水。然后兩級板交串級溫度控制，可以達到較好的控制效果。通過分析，該方法能夠有效地削減負載峰值，提高控制精度，但是，增加的設(shè)備較多，如板式換熱器、兩通或三通控制閥門、溫度傳感器等，同時，增加控制系統(tǒng)的輸入輸出點，控制程序也需要全面修改。

4 結(jié)語

通過以上分析，總結(jié)了基于重離子加速器冷卻水系統(tǒng)多層循環(huán)結(jié)構(gòu)的一些問題，這些問題都是在實際應(yīng)用中的問題。在我國，重離子加速器治療腫瘤尚處于起步階段，技術(shù)人員對于系統(tǒng)認識尚不十分明確，希望通過上述的一些問題的分析，對后期進行同類項目的設(shè)計和建設(shè)有參考意義。

參考文獻

[1] 李萬宏.淺談醫(yī)用同步加速器恒溫冷卻水系統(tǒng)溫度異常與處理方法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（32）：108.