一種直線加速器電離室保護裝置的研制

程江波陳衛彬張 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境，減少外部應用環境的變化對電離室產生的不良影響。結果：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，故障率減少80%以上。結論：通過實際運行及參數檢測，該電離室保護裝置運行穩定，在一定程度上改善了電離室的工作環境，可以減少外部應用環境的變化對電離室產生的不良影響，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，放射治療已經在臨床醫學得到了廣泛應用。直線加速器作為常規放射治療的重要設備，使用電離室來監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。

加速器機房大多都設計在地下或一層，機房常年濕度較大，并且環境較為封閉。即使在北京地區，機房內需安裝兩臺除濕機才能保證全年環境濕度在50～60%左右。如果除濕機發生故障，夏季時濕度能夠達到90%以上。在這樣的環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，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境的保護裝置，可以在很大程度上減少環境變化對電離室造成的性能下降。

1 工作原理及設計背景

1.1 氣體電離室的工作原理

現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，射線與電離室內氣體分子作用，產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 設計背景

現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境濕度大，容易在電離室表面形成凝結水微粒吸附在電離室上，影響電離室的壽命和精度。

2 系統設計方案

2.1 系統結構與工作原理

整個系統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。

氣泵驅動空氣通過高溫的電爐絲，再經過干燥劑，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境，減少因外界環境惡劣引起的電離室故障。

2.2 干燥單元設計

根據直線加速器的使用狀況統計數據分析，在北京地區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℃。這樣的設計使電離室的應用環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，這是在實際應用中得到的比較滿意效果的設計值。

將電爐絲（鐵鉻電爐絲）盤成螺旋狀加熱空氣，電爐絲設置為2組，開機加熱目標值為300℃，達到目標溫度后進行閉環控溫?？諝饧訜岷笏魵鈺]發掉，再經過干燥劑（鈉4A型分子篩）以保證濕度達到設計要求。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脈沖寬度來調節MOS開關管（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節器，此調節為溫度控制的粗調。

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為溫度閉環控制的細調。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，保證整個系統氣體運動的流暢。為了保障干燥氣體的輸出穩定，在氣路中設計的一個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，材質會變的脆而容易損壞，氣體的流量設計為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調節氣體流量的大小。氣路的另一個設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）關閉，氣閥C（使用0K8710H）開啟。根據安裝部位的不同，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公司生產的芯片C8051F020單片機作為協調和控制整個系統的主控制器。信號放大器（AD844）的功能是放大直流電壓信號以滿足數模轉換芯片對輸入信號范圍的要求。模數轉換芯片采用LTC1290CCN。

2.5 軟件設計

軟件部分主要完成系統初始化、自檢、參數設置、數據采集、判斷分析、控制等功能。整個單片機的軟件開發使用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 數據分析

4.1 運行情況數據分析

該裝置24 h開機，連續工作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，測量數據如圖3。結果：通過半個月的實際監測，各關鍵指標的表現平穩，誤差在可接受范圍內。說明該裝置工作穩定，運行情況達到了設計要求。

圖3 溫度濕度流量測量數據記錄

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，數據見圖4。結果：對比2臺設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機器統計減少了81%。電離室隨著使用年限的增加，故障次數應逐漸增加，但是安裝了電離室保護裝置后，由電離室引起的故障次數明顯減少，證明保護裝置有現實意義。

圖4 單季度設備電離室故障次數對比圖

5 結論

電離室保護裝置在不改變整體環境的條件下，通過人為的手段，改變電離室應用小環境的溫、濕度，改善電離室的工作環境。實驗結果證明，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，為醫院節約維修成本。

[1]徐建銘.加速器原理[M].北京：科學出版社，1981.

[2]姚允國.電子直線加速器[M].北京：科學出版社，1986.

[3]顧本廣.醫用加速器[M].北京：科學出版社，2003.

[4]戴曉明,李振國.新型高壓開關電源的研制[J].原子能科學技術，2000,34(2):125-127.

[5]張占松.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2005,77-79.

[6]史劍波,何一卿.一種新型的交流穩壓電源[J].微計算機信息,2004,20(7):108-109.

[7]羅綺麗.直線加速器的日常保養和質保檢測[J].中國醫學裝備，2009,6(9):58.

[8]牟志堅.瑞典醫科達直線加速器電離室故障及日常維護[J].醫療設備信息，2002,17(1):112．

[9]王字，商文清．醫用直線加速器電離室故障檢修和維護體會[J].黑龍江醫學雜志，2005,29(9):697．

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。解放軍總醫院醫學工程保障中心，長期從事大型影像設備及放療設備的保障維修工作。

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

①解放軍總醫院 北京 100853