醫(yī)科達加速器離子泵監(jiān)護裝置的設計與實現

魏緒國，李修磊，王宏英，張明臣，王緒剛，王永明

1. 聊城市人民醫(yī)院 a. 放療科；b. 設備科，山東 聊城 252000；2. 南京君茂醫(yī)療器械有限公司，江蘇 南京 210000

引言

隨著放療技術的發(fā)展，放療作為腫瘤治療的三大主要治療手段之一，越來越受到廣大腫瘤患者的認可，約有75%的患者需要采用放射治療[1]。目前，國內外醫(yī)院放療用設備主要是瑞典的醫(yī)科達和美國的瓦里安醫(yī)用直線加速器，醫(yī)科達加速器具有電子槍可拆卸的行波加速管，加速管內的真空度靠槍端和靶端的兩個濺射式離子泵維持[2]。由于加速管可拆卸接口較多，密封度很難保證，兩個離子泵必須24 h通電工作以維持加速管內真空度在10-6mbar以下[3-4]。當發(fā)生斷電幾個小時以上，真空度下降[5]，來電后離子泵開始工作時負荷較大（或發(fā)生局部漏氣時），泵體溫度上升[6]。雖然工作電流大到一定值時，離子泵電源會因過流而自我保護，但此時離子泵的溫度已達100℃以上，遠遠超出了其正常工作的溫度[7-9]。如果不及時斷電冷卻，會嚴重影響其工作性能和使用壽命，甚至直接燒壞[10-12]。因加速器上沒有對離子泵工作狀態(tài)的指示和提示，工作人員對這種情況不能及時發(fā)現，直至加速管真空度下降到出現連鎖保護。更危險的是夜間或周六、周日無人值班時發(fā)生以上情況。兩個離子泵的價格50余萬元，不但會導致嚴重的經濟損失，而且影響病人的正常放療。為解決這一問題，筆者設計了一種離子泵監(jiān)護裝置，可有效地避免以上情況的發(fā)生。

1 設計方法與工作原理

1.1 離子泵的結構

加速管真空系統(tǒng)是由槍端和靶端兩個濺射式離子泵維持，其內部結構見圖1。陽極為縱橫排列的薄壁不銹鋼筒，陰極為放置于陽極兩端的兩塊鈦板，陽極、陰極一起封裝于不銹鋼的外殼中，殼外加一U形永磁體，磁力線方向平行于陽極筒軸，垂直于陰極鈦板。陰陽極之間加有7.3 kV的直流高壓，泵體內的殘余氣體分子在正交電磁場的作用下發(fā)生潘寧放電，產生的陽離子轟擊陰極鈦板，濺射出的鈦原子在陽極筒內壁和陰極轟擊較少的部位形成新鮮的鈦膜。氣體內的活性氣體就被新鮮的鈦膜吸附；氣體內的惰性氣體被電離后受電場加速直接打進鈦膜，隨后被新產生的鈦膜掩埋。當真空度較低，氣體分子較多時，電離電流較大，離子泵極板發(fā)熱，嚴重時導致極板高溫氧化、變形、鈦膜脫落或短路，外部磁鐵性能下降，因此控制其工作溫度是保證離子泵使用壽命的關鍵。

圖1 濺射式離子泵結構示意圖

1.2 實現的功能

（1）實時顯示離子泵泵體的表面溫度，便于及時掌握其工作狀態(tài)。

（2）如果泵體溫度升到一定數值，發(fā)出報警聲，提示工作人員查找原因并處理。

（3）如果泵體溫度升到可能影響其性能和使用壽命的數值時，立即切斷離子泵供電，使其停止工作。即使溫度降到正常數值也能保持斷電和報警狀態(tài)，只有排除故障后，通過人工復位才可消除報警，并再向離子泵供電。

1.3 工作原理

離子泵監(jiān)護裝置的工作原理圖，見圖2。

圖2 離子泵監(jiān)護裝置原理圖

在加速器離子泵正常工作時，電源220 V ac通過加速器CB10空氣開關和J1、J2繼電器常閉觸點1～9、2～10給離子泵供電，保證其24 h工作。監(jiān)護部分的電源通過漏電保護開關CB11和保險絲FU1、FU2提供。離子泵溫度傳感器將探測的離子泵溫度以數字的方式顯示在溫度顯示控制器上。若發(fā)生電網斷電，離子泵停止工作或真空系統(tǒng)泄露，造成加速管內真空度下降，來電后離子泵工作負荷加大，泵體溫度上升，到達設定的報警溫度時，溫度顯示控制器8～9觸點閉合，蜂鳴器得電發(fā)出報警聲，及時提示工作人員對離子泵冷卻，如需消聲，可按下消音開關SB2或SB4。如果冷卻無效（真空度下降嚴重），離子泵溫度繼續(xù)升高到保護溫度時，J1或J2繼電器動作，常閉觸點1～9、2～10打開，切斷離子泵供電電源，同時觸點7～11、8～12閉合，實現斷電和報警自鎖。即使離子泵溫度降到低于設定的保護溫度，仍能維持報警和離子泵斷電狀態(tài)。只有排除故障后，人工按下復位開關SB1或SB3時，相應的控制繼電器才可復位，離子泵方可恢復供電，并消除報警。

2 實現方法

2.1 監(jiān)護裝置的結構與安裝

離子泵監(jiān)護裝置各部件（除溫度傳感器外）均裝于一個由絕緣板做成的箱子內，組成監(jiān)護裝置控制箱?？刂葡淝懊姘逖b有溫度顯示控制器、復位按鈕、消音按鈕、保險盒、蜂鳴器，箱內有漏電保護開關、控制繼電器、接線排，后板有電源輸入輸出插座，兩個溫度傳感器用導熱膠粘貼于離子泵體表面。整個控制箱安裝在離子泵電源附近的19區(qū)，不改變加速器原來的結構和連線，只是將原來離子泵電源的輸入線插在控制箱的電源輸入插座上，控制箱的電源輸出線插在離子泵電源的輸入插座上即可。

2.2 監(jiān)護裝置工作電流

監(jiān)護裝置的最大工作電流是當槍靶端兩個離子泵同時保護時，此時蜂鳴器、保護繼電器工作，工作電流為53 mA。離子泵電源輸出最大電流是在可啟動最低真空度10-4mbar[13]時，此時槍靶兩端離子泵電源最大工作電流為350 mA。以上二者電流之和為403 mA，而加速器離子泵供電線路和空氣開關CB10均可承受10 A的電流，因此原供電線路完全可允許增加離子泵監(jiān)護裝置。

2.3 安裝與機架配重

將離子泵監(jiān)護裝置固定于加速器機架滾筒19區(qū)，與18區(qū)的離子泵電源相鄰，連線方便，空間充足。機架在原配重正負360°旋轉時，電機電流為1.22～1.91 A，將監(jiān)護裝置安裝于機架后，機架正負360°旋轉時的電流為1.24～1.88 A，旋轉電機負荷幾乎沒有變化；當機架停在旋轉的任意角度時，角度數顯也沒有變化，即不存在失衡自轉?？梢娪捎诒O(jiān)護裝置重量較輕（2 kg），對旋轉電機和機架平衡沒有影響，在配重允許誤差之內，不用另加配重。

2.4 溫度的設置

由于溫度傳感器粘貼于離子泵表面，溫控器顯示溫度值與離子泵表面實際溫度值存在一定誤差。用Fluke 17B萬用表溫度測量探頭對槍靶兩端離子泵溫度傳感器比對修正，使顯示值與實際值一致。

（1）報警溫度的設置。離子泵的使用壽命主要受其工作電流的影響，在5 mA的工作電流下，可工作5000 h，若工作電流為50 μA，壽命可達5×105h[14]，可見控制離子泵的工作電流或其工作的真空度高低直接決定離子泵使用壽命。真空度與離子泵電流關系，見圖3。而離子泵電流的大小與泵體的溫度相關，所以控制好離子泵的工作溫度就可延長其使用壽命。正常情況下，加速管真空度一般在1×10-6mbar（即槍靶真空度顯示item 227、item 228=-6）以下。由圖3可知，此時離子泵電流在500 μA以下，離子泵工作殼體溫度與機房溫度基本一致[15-16]，即22℃～25℃（機房內配有空調和除濕機，溫度與濕度基本不受季節(jié)影響）。通常情況下，當真空度從正常值降到7.9×10-6mbar（-5.1）時，泵體溫度會升到50℃左右（具體與離子泵的使用時間電流等有關），如果降至1×10-5mbar（-5），將會影響加速器的出束。為提前預警，將報警溫度推薦設為50℃。

圖3 離子泵工作特性

（2）保護溫度的設置。當加速管真空度降低時，離子泵工作電流增大，泵體溫度會逐漸升高。測試證明，當溫度達到70℃以上時，由于高溫引起的性能下降也很難使沒有泄露的真空系統(tǒng)恢復正常，即使能恢復正常也嚴重影響了離子泵使用壽命，不如重建真空后補照病人更好。當超過100℃后，原吸附的氣體又會蒸發(fā)出來，導致真空度變差。如果不及時斷電，高溫會使濺射的鈦膜脫落、陰陽極間電弧放電，造成離子泵短路，直接燒壞極板及高壓接線端子[17]。因此，將斷電保護溫度推薦設為70℃較為合理。

3 應用效果

3.1 真空系統(tǒng)泄露

當真空系統(tǒng)發(fā)生泄露時，離子泵電流變大，泵體溫度升高，升至設置報警溫度50℃時，監(jiān)護裝置發(fā)出報警聲，工作人員可及時查找原因，并對離子泵冷卻（有人值班時）。如果泄漏點不能排除，溫度會繼續(xù)升高，直至斷電保護。

3.2 斷電后通電

如果斷電時間不長，真空度下降較小，來電后離子泵溫度升至50℃報警，工作人員及時用無水乙醇對其冷卻，可使真空度快速回復正常，對離子泵使用壽命基本無影響。如果真空度下降較大，發(fā)熱嚴重，冷卻無效，真空度沒有改善，泵體溫度升至70℃斷電保護。只有外加分子泵抽至10-4mbar以下（越低越有利于延長離子泵使用壽命，推薦10-5mbar）才可復位監(jiān)護裝置，給離子泵加電，并注意溫度指示。該過程如果出現離子泵溫度保護，需再用分子泵抽30 min，并將離子泵冷卻至室溫后再恢復離子泵供電，直至真空度快速下降至10-6mbar以下，泵體溫度正常，否則重復以上步驟。

4 討論

由于離子泵發(fā)熱不均勻，應將溫度傳感器粘貼于溫度較高且便于放置處，該位置處于接線插座附近的泵體側面。若更換新的離子泵，應小心將片式溫度傳感器導熱膠清除，再重新粘貼，并對溫度顯示值重新修正。若該裝置出現故障，可斷開CB11開關進行檢修和更換除繼電器外的部件。更換繼電器時，可斷開CB10開關，將其電源輸入線插到離子泵電源輸入端，暫時不用監(jiān)護裝置，以保證離子泵的正常工作，不需改變加速器其他連線，方便快速。

設置溫度報警和斷電保護兩個溫度值時，既要考慮負荷、溫度對離子泵壽命的影響，又要盡量避免不必要的停機。由于加速器投入使用的時間不同，真空系統(tǒng)的密封性不同，以及新舊離子泵的性能也不一樣，因此應根據每個加速器具體情況找出最佳的溫度設置值。

據統(tǒng)計，國內每年使用醫(yī)科達加速器的醫(yī)院會發(fā)生多起因沒有及時發(fā)現和處理發(fā)熱問題而燒壞離子泵的案例，特別是經常發(fā)生電網異常停送電的地區(qū)，離子泵監(jiān)護裝置的應用無疑為避免此種情況的發(fā)生提供了一個有效方法。