程江波陳衛(wèi)彬張 帥嚴(yán) 勇

一種直線加速器電離室保護(hù)裝置的研制

程江波①陳衛(wèi)彬①?gòu)?帥①嚴(yán) 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(zhǎng)直線加速器電離室使用壽命，設(shè)計(jì)一種電離室保護(hù)裝置。方法：通過(guò)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(duì)電離室產(chǎn)生的不良影響。結(jié)果：將裝置安裝在2臺(tái)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(guò)實(shí)際運(yùn)行及參數(shù)檢測(cè)，該電離室保護(hù)裝置運(yùn)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(duì)電離室產(chǎn)生的不良影響，減少電離室故障，延長(zhǎng)使用壽命。

電離室；濕度；溫度；流量；保護(hù)裝置

自上世紀(jì)50年代初放射外科的概念被提出以來(lái)，放射治療已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)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(lái)監(jiān)測(cè)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(jī)房大多都設(shè)計(jì)在地下或一層，機(jī)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(jī)房?jī)?nèi)需安裝兩臺(tái)除濕機(jī)才能保證全年環(huán)境濕度在50～60%左右。如果除濕機(jī)發(fā)生故障，夏季時(shí)濕度能夠達(dá)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(duì)溫、濕度要求嚴(yán)格這一因素，研制一種改善電離室工作環(huán)境的保護(hù)裝置，可以在很大程度上減少環(huán)境變化對(duì)電離室造成的性能下降。

1 工作原理及設(shè)計(jì)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(shí)，射線與電離室內(nèi)氣體分子作用，產(chǎn)生由一個(gè)電子和一個(gè)正離子組成的離子對(duì)，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(huì)分別向正負(fù)兩極運(yùn)動(dòng)，形成電離電流。該電離電流正比于射線強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量電流值得出射線強(qiáng)度值。

1.2 設(shè)計(jì)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(jìn)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(huì)形成酸性或堿性的氣體，對(duì)電離室造成腐蝕。第二，當(dāng)X射線通過(guò)電離室時(shí)，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(jī)器停止工作后，電離室的溫度會(huì)降回到室溫，在這個(gè)過(guò)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(jì)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

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

氣泵驅(qū)動(dòng)空氣通過(guò)高溫的電爐絲，再經(jīng)過(guò)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(guò)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(jì)

根據(jù)直線加速器的使用狀況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，在北京地區(qū)的直線加速器因電離室的報(bào)錯(cuò)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(jì)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(duì)電離室起到一定的冷卻作用，這是在實(shí)際應(yīng)用中得到的比較滿意效果的設(shè)計(jì)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(jī)加熱目標(biāo)值為300℃，達(dá)到目標(biāo)溫度后進(jìn)行閉環(huán)控溫?？諝饧訜岷笏魵鈺?huì)揮發(fā)掉，再經(jīng)過(guò)干燥劑（鈉4A型分子篩）以保證濕度達(dá)到設(shè)計(jì)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(guò)控制PWM脈沖寬度來(lái)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(jī)逆變頻率設(shè)計(jì)為25 kHz。溫度傳感器T1（貼片式JCJ100TM）將信號(hào)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?cè)砜驁D

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

2.3 氣路和流量檢測(cè)單元

整個(gè)氣路氣體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源于一個(gè)氣泵，安裝于整個(gè)氣路的始端，保證整個(gè)系統(tǒng)氣體運(yùn)動(dòng)的流暢。為了保障干燥氣體的輸出穩(wěn)定，在氣路中設(shè)計(jì)的一個(gè)5 L儲(chǔ)氣罐。為了保障氣路的運(yùn)行安全，在儲(chǔ)氣罐的頂端安裝一個(gè)機(jī)械排氣閥，當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力超過(guò)3個(gè)大氣壓時(shí)，自動(dòng)排氣。

電離室在長(zhǎng)時(shí)間的輻射后，材質(zhì)會(huì)變的脆而容易損壞，氣體的流量設(shè)計(jì)為10 L/min，以減小過(guò)高氣流帶來(lái)的沖擊。同時(shí)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(gè)設(shè)計(jì)是通過(guò)控制氣路的長(zhǎng)短來(lái)控制氣體到達(dá)電離室的溫度。在儲(chǔ)氣罐和氣閥A之間設(shè)計(jì)兩個(gè)長(zhǎng)度不同的氣路：氣路A和氣路B。當(dāng)濕度傳感器控制電爐絲溫度提高時(shí)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(dāng)電爐絲溫度為300℃時(shí)，實(shí)際測(cè)量電離室處氣流的溫度來(lái)確定氣路A的實(shí)際長(zhǎng)度。根據(jù)濕度偏差5%時(shí)，電爐絲溫度上升后，以保證電離室處氣流溫度為23℃為目標(biāo)，來(lái)實(shí)際確定氣路B的長(zhǎng)度。

2.4 主控制單元

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

2.5 軟件設(shè)計(jì)

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(gè)單片機(jī)的軟件開發(fā)使用Keil C編程軟件完成，并通過(guò)U-PDC通用編程器完成程序下載，使用非常簡(jiǎn)便、快捷。軟件程序的運(yùn)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(yùn)行情況數(shù)據(jù)分析

該裝置24 h開機(jī)，連續(xù)工作15 d，每天隨機(jī)測(cè)量3次，使用第三方的溫度濕度檢測(cè)儀和氣體流量測(cè)量值檢測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3。結(jié)果：通過(guò)半個(gè)月的實(shí)際監(jiān)測(cè)，各關(guān)鍵指標(biāo)的表現(xiàn)平穩(wěn)，誤差在可接受范圍內(nèi)。說(shuō)明該裝置工作穩(wěn)定，運(yùn)行情況達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖3 溫度濕度流量測(cè)量數(shù)據(jù)記錄

4.2 保護(hù)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(tái)機(jī)器為實(shí)驗(yàn)，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(duì)比2臺(tái)設(shè)備安裝電離室保護(hù)器后在第三季度間因電離室引起的故障，同期A機(jī)器減少了80%，B機(jī)器統(tǒng)計(jì)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(hù)裝置后，由電離室引起的故障次數(shù)明顯減少，證明保護(hù)裝置有現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 單季度設(shè)備電離室故障次數(shù)對(duì)比圖

5 結(jié)論

電離室保護(hù)裝置在不改變整體環(huán)境的條件下，通過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該保護(hù)裝置減少了由電離室引起的故障，延長(zhǎng)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(xué)歷，工程師。解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障中心，長(zhǎng)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