魏緒國(guó)，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(shè)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(shù)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(lái)越受到廣大腫瘤患者的認(rèn)可，約有75%的患者需要采用放射治療[1]。目前，國(guó)內(nèi)外醫(yī)院放療用設(shè)備主要是瑞典的醫(yī)科達(dá)和美國(guó)的瓦里安醫(yī)用直線加速器，醫(yī)科達(dá)加速器具有電子槍可拆卸的行波加速管，加速管內(nèi)的真空度靠槍端和靶端的兩個(gè)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(gè)離子泵必須24 h通電工作以維持加速管內(nèi)真空度在10-6mbar以下[3-4]。當(dāng)發(fā)生斷電幾個(gè)小時(shí)以上，真空度下降[5]，來(lái)電后離子泵開(kāi)始工作時(shí)負(fù)荷較大（或發(fā)生局部漏氣時(shí)），泵體溫度上升[6]。雖然工作電流大到一定值時(shí)，離子泵電源會(huì)因過(guò)流而自我保護(hù)，但此時(shí)離子泵的溫度已達(dá)100℃以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其正常工作的溫度[7-9]。如果不及時(shí)斷電冷卻，會(huì)嚴(yán)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(méi)有對(duì)離子泵工作狀態(tài)的指示和提示，工作人員對(duì)這種情況不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，直至加速管真空度下降到出現(xiàn)連鎖保護(hù)。更危險(xiǎn)的是夜間或周六、周日無(wú)人值班時(shí)發(fā)生以上情況。兩個(gè)離子泵的價(jià)格50余萬(wàn)元，不但會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響病人的正常放療。為解決這一問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種離子泵監(jiān)護(hù)裝置，可有效地避免以上情況的發(fā)生。

1 設(shè)計(jì)方法與工作原理

1.1 離子泵的結(jié)構(gòu)

加速管真空系統(tǒng)是由槍端和靶端兩個(gè)濺射式離子泵維持，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。陽(yáng)極為縱橫排列的薄壁不銹鋼筒，陰極為放置于陽(yáng)極兩端的兩塊鈦板，陽(yáng)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(yáng)極筒軸，垂直于陰極鈦板。陰陽(yáng)極之間加有7.3 kV的直流高壓，泵體內(nèi)的殘余氣體分子在正交電磁場(chǎng)的作用下發(fā)生潘寧放電，產(chǎn)生的陽(yáng)離子轟擊陰極鈦板，濺射出的鈦原子在陽(yáng)極筒內(nèi)壁和陰極轟擊較少的部位形成新鮮的鈦膜。氣體內(nèi)的活性氣體就被新鮮的鈦膜吸附；氣體內(nèi)的惰性氣體被電離后受電場(chǎng)加速直接打進(jìn)鈦膜，隨后被新產(chǎn)生的鈦膜掩埋。當(dāng)真空度較低，氣體分子較多時(shí)，電離電流較大，離子泵極板發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)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(guān)鍵。

圖1 濺射式離子泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)現(xiàn)的功能

（1）實(shí)時(shí)顯示離子泵泵體的表面溫度，便于及時(shí)掌握其工作狀態(tài)。

（2）如果泵體溫度升到一定數(shù)值，發(fā)出報(bào)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(shù)值時(shí)，立即切斷離子泵供電，使其停止工作。即使溫度降到正常數(shù)值也能保持?jǐn)嚯姾蛨?bào)警狀態(tài)，只有排除故障后，通過(guò)人工復(fù)位才可消除報(bào)警，并再向離子泵供電。

1.3 工作原理

離子泵監(jiān)護(hù)裝置的工作原理圖，見(jiàn)圖2。

圖2 離子泵監(jiān)護(hù)裝置原理圖

在加速器離子泵正常工作時(shí)，電源220 V ac通過(guò)加速器CB10空氣開(kāi)關(guān)和J1、J2繼電器常閉觸點(diǎn)1～9、2～10給離子泵供電，保證其24 h工作。監(jiān)護(hù)部分的電源通過(guò)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)CB11和保險(xiǎn)絲FU1、FU2提供。離子泵溫度傳感器將探測(cè)的離子泵溫度以數(shù)字的方式顯示在溫度顯示控制器上。若發(fā)生電網(wǎng)斷電，離子泵停止工作或真空系統(tǒng)泄露，造成加速管內(nèi)真空度下降，來(lái)電后離子泵工作負(fù)荷加大，泵體溫度上升，到達(dá)設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)，溫度顯示控制器8～9觸點(diǎn)閉合，蜂鳴器得電發(fā)出報(bào)警聲，及時(shí)提示工作人員對(duì)離子泵冷卻，如需消聲，可按下消音開(kāi)關(guān)SB2或SB4。如果冷卻無(wú)效（真空度下降嚴(yán)重），離子泵溫度繼續(xù)升高到保護(hù)溫度時(shí)，J1或J2繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)1～9、2～10打開(kāi)，切斷離子泵供電電源，同時(shí)觸點(diǎn)7～11、8～12閉合，實(shí)現(xiàn)斷電和報(bào)警自鎖。即使離子泵溫度降到低于設(shè)定的保護(hù)溫度，仍能維持報(bào)警和離子泵斷電狀態(tài)。只有排除故障后，人工按下復(fù)位開(kāi)關(guān)SB1或SB3時(shí)，相應(yīng)的控制繼電器才可復(fù)位，離子泵方可恢復(fù)供電，并消除報(bào)警。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 監(jiān)護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)與安裝

離子泵監(jiān)護(hù)裝置各部件（除溫度傳感器外）均裝于一個(gè)由絕緣板做成的箱子內(nèi)，組成監(jiān)護(hù)裝置控制箱?？刂葡淝懊姘逖b有溫度顯示控制器、復(fù)位按鈕、消音按鈕、保險(xiǎn)盒、蜂鳴器，箱內(nèi)有漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、控制繼電器、接線排，后板有電源輸入輸出插座，兩個(gè)溫度傳感器用導(dǎo)熱膠粘貼于離子泵體表面。整個(gè)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(lái)的結(jié)構(gòu)和連線，只是將原來(lái)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(hù)裝置工作電流

監(jiān)護(hù)裝置的最大工作電流是當(dāng)槍靶端兩個(gè)離子泵同時(shí)保護(hù)時(shí)，此時(shí)蜂鳴器、保護(hù)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(dòng)最低真空度10-4mbar[13]時(shí)，此時(shí)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(kāi)關(guān)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(hù)裝置。

2.3 安裝與機(jī)架配重

將離子泵監(jiān)護(hù)裝置固定于加速器機(jī)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(jī)架在原配重正負(fù)360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電流為1.22～1.91 A，將監(jiān)護(hù)裝置安裝于機(jī)架后，機(jī)架正負(fù)360°旋轉(zhuǎn)時(shí)的電流為1.24～1.88 A，旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)荷幾乎沒(méi)有變化；當(dāng)機(jī)架停在旋轉(zhuǎn)的任意角度時(shí)，角度數(shù)顯也沒(méi)有變化，即不存在失衡自轉(zhuǎn)。可見(jiàn)由于監(jiān)護(hù)裝置重量較輕（2 kg），對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和機(jī)架平衡沒(méi)有影響，在配重允許誤差之內(nèi)，不用另加配重。

2.4 溫度的設(shè)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(shí)際溫度值存在一定誤差。用Fluke 17B萬(wàn)用表溫度測(cè)量探頭對(duì)槍靶兩端離子泵溫度傳感器比對(duì)修正，使顯示值與實(shí)際值一致。

（1）報(bào)警溫度的設(shè)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(dá)5×105h[14]，可見(jiàn)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(guān)系，見(jiàn)圖3。而離子泵電流的大小與泵體的溫度相關(guān)，所以控制好離子泵的工作溫度就可延長(zhǎng)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(shí)離子泵電流在500 μA以下，離子泵工作殼體溫度與機(jī)房溫度基本一致[15-16]，即22℃～25℃（機(jī)房?jī)?nèi)配有空調(diào)和除濕機(jī)，溫度與濕度基本不受季節(jié)影響）。通常情況下，當(dāng)真空度從正常值降到7.9×10-6mbar（-5.1）時(shí)，泵體溫度會(huì)升到50℃左右（具體與離子泵的使用時(shí)間電流等有關(guān)），如果降至1×10-5mbar（-5），將會(huì)影響加速器的出束。為提前預(yù)警，將報(bào)警溫度推薦設(shè)為50℃。

圖3 離子泵工作特性

（2）保護(hù)溫度的設(shè)置。當(dāng)加速管真空度降低時(shí)，離子泵工作電流增大，泵體溫度會(huì)逐漸升高。測(cè)試證明，當(dāng)溫度達(dá)到70℃以上時(shí)，由于高溫引起的性能下降也很難使沒(méi)有泄露的真空系統(tǒng)恢復(fù)正常，即使能恢復(fù)正常也嚴(yán)重影響了離子泵使用壽命，不如重建真空后補(bǔ)照病人更好。當(dāng)超過(guò)100℃后，原吸附的氣體又會(huì)蒸發(fā)出來(lái)，導(dǎo)致真空度變差。如果不及時(shí)斷電，高溫會(huì)使濺射的鈦膜脫落、陰陽(yáng)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(hù)溫度推薦設(shè)為70℃較為合理。

3 應(yīng)用效果

3.1 真空系統(tǒng)泄露

當(dāng)真空系統(tǒng)發(fā)生泄露時(shí)，離子泵電流變大，泵體溫度升高，升至設(shè)置報(bào)警溫度50℃時(shí)，監(jiān)護(hù)裝置發(fā)出報(bào)警聲，工作人員可及時(shí)查找原因，并對(duì)離子泵冷卻（有人值班時(shí)）。如果泄漏點(diǎn)不能排除，溫度會(huì)繼續(xù)升高，直至斷電保護(hù)。

3.2 斷電后通電

如果斷電時(shí)間不長(zhǎng)，真空度下降較小，來(lái)電后離子泵溫度升至50℃報(bào)警，工作人員及時(shí)用無(wú)水乙醇對(duì)其冷卻，可使真空度快速回復(fù)正常，對(duì)離子泵使用壽命基本無(wú)影響。如果真空度下降較大，發(fā)熱嚴(yán)重，冷卻無(wú)效，真空度沒(méi)有改善，泵體溫度升至70℃斷電保護(hù)。只有外加分子泵抽至10-4mbar以下（越低越有利于延長(zhǎng)離子泵使用壽命，推薦10-5mbar）才可復(fù)位監(jiān)護(hù)裝置，給離子泵加電，并注意溫度指示。該過(guò)程如果出現(xiàn)離子泵溫度保護(hù)，需再用分子泵抽30 min，并將離子泵冷卻至室溫后再恢復(fù)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(fù)以上步驟。

4 討論

由于離子泵發(fā)熱不均勻，應(yīng)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(cè)面。若更換新的離子泵，應(yīng)小心將片式溫度傳感器導(dǎo)熱膠清除，再重新粘貼，并對(duì)溫度顯示值重新修正。若該裝置出現(xiàn)故障，可斷開(kāi)CB11開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢修和更換除繼電器外的部件。更換繼電器時(shí)，可斷開(kāi)CB10開(kāi)關(guān)，將其電源輸入線插到離子泵電源輸入端，暫時(shí)不用監(jiān)護(hù)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(shè)置溫度報(bào)警和斷電保護(hù)兩個(gè)溫度值時(shí)，既要考慮負(fù)荷、溫度對(duì)離子泵壽命的影響，又要盡量避免不必要的停機(jī)。由于加速器投入使用的時(shí)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(yīng)根據(jù)每個(gè)加速器具體情況找出最佳的溫度設(shè)置值。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)每年使用醫(yī)科達(dá)加速器的醫(yī)院會(huì)發(fā)生多起因沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理發(fā)熱問(wèn)題而燒壞離子泵的案例，特別是經(jīng)常發(fā)生電網(wǎng)異常停送電的地區(qū)，離子泵監(jiān)護(hù)裝置的應(yīng)用無(wú)疑為避免此種情況的發(fā)生提供了一個(gè)有效方法。