醫(yī)用回旋加速器的真空故障診斷及改進(jìn)

馬超凡，趙良超，何小中

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900)

醫(yī)用回旋加速器的真空故障診斷及改進(jìn)

馬超凡，趙良超，何小中

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900)

醫(yī)用回旋加速器正常工作與真空系統(tǒng)有著密不可分的關(guān)系，當(dāng)真空室內(nèi)的真空不能達(dá)到設(shè)備所需的要求時(shí)，不能有效的打靶制藥。此時(shí)，分析真空室中的成分，找出放氣源頭，優(yōu)化真空室內(nèi)的真空環(huán)境，從而有效提高束流強(qiáng)度，完成正常打靶工作。

真空系統(tǒng)；束流強(qiáng)度；成分

較高的真空度是保證醫(yī)用回旋加速器正常工作運(yùn)行的重要條件之一。當(dāng)真空室中的真空度達(dá)不到機(jī)器正常工作的要求時(shí)，室內(nèi)的雜質(zhì)氣體會對負(fù)氫離子大量剝離，束流損失增大，末端流強(qiáng)降低，從而使加速器的性能下降；當(dāng)真空度高于10-2Pa時(shí)，加速器將直接不能工作。雜質(zhì)氣體還會對加速器內(nèi)部零部件造成損壞。當(dāng)真空室饋如高壓后，雜

質(zhì)氣體會增加打火概率，破壞零部件的光潔度，甚至造成零部件的損壞。尤其對離子源內(nèi)部的核心部件——陰極，工作時(shí)表面溫度可達(dá)上千攝氏度，雜質(zhì)氣體會使其損耗加大，壽命降低[1]。為此，排除真空系統(tǒng)的故障，降低真空系統(tǒng)的故障率，才能確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障現(xiàn)象

真空室中真空度低，大于5x10-4Pa；工作時(shí)離子源需要大流量的氫氣供給才能達(dá)到較高的流強(qiáng)；離子源壽命降低；引出束流強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)期打靶的要求。

2 故障分析

回旋加速器正常工作時(shí)，在一定范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)通入離子源的氫氣氣流大小可以改變束流強(qiáng)度，但氫氣流量需要控制在20sccm以內(nèi)。如果氫氣管路混入雜質(zhì)氣體(水蒸氣、空氣等)，雜質(zhì)氣體成分會使離子源的性能下降。為達(dá)到離子源的工作參數(shù)，需要加大氫氣流量，從而使陰極燒蝕過快，離子源壽命降低。故出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象后，在排除加速器其他軟硬件設(shè)備無故障后，檢查真空系統(tǒng)前級機(jī)械泵、渦輪分子泵是否有問題，在都未出現(xiàn)故障的情況下，就要進(jìn)一步查出放氣源，從而解決問題，實(shí)現(xiàn)加速器正常打靶。

針對所出現(xiàn)的問題，首先對整體加速器各個(gè)重要的裝配部分進(jìn)行氦質(zhì)譜法測試檢漏[2]，并未發(fā)現(xiàn)異常。轉(zhuǎn)而考慮到材料本身應(yīng)有的放氣特性，金屬材料本身放氣率很低，真空腔內(nèi)壁的放氣可以忽略不計(jì)。但在離子源供氣的這路管道，由于現(xiàn)氣瓶位置離加速器有一定的距離，暫采用材料為聚氨酯PU，管徑為4mm的塑料軟管做供氣路，長度約為8m。在這段長而細(xì)小的空間很難將真空抽下去，為判斷這段供氣氣管里真空是否抽到真空計(jì)所顯示的數(shù)值，采用了一個(gè)簡單的方法進(jìn)行驗(yàn)證：在真空抽到一定階段時(shí)，真空計(jì)顯示的讀數(shù)會固定在一數(shù)值，此時(shí)將距離子源比較近的地方將氣路管子折起，真空計(jì)顯示的真空度很快上升了2×10-4Pa。通過該現(xiàn)象，確定了供氣氣管的確影響了真空，但確定不了工作時(shí)是否漏氣，是否混入雜質(zhì)氣體，有必要對真空室中的真空成分做實(shí)驗(yàn)分析。

真空腔內(nèi)氣體成分分析使用質(zhì)譜儀完成。首先將質(zhì)譜儀接到加速器上，并與真空室相通。然后抽真空，真空計(jì)所顯示的真空度穩(wěn)定后，打開質(zhì)譜儀控制軟件，測真空室中主要?dú)怏w的頻譜，如圖1所示(為便于分析，僅顯示含量較高的幾種氣體)：

在所測結(jié)果中，可以很明顯看出水和氮?dú)庠谡婵帐抑兴急壤畲蟆ｋS后，為模擬離子源工作狀態(tài)，打開氫氣流量控制器，保持5sccm的流量往真空室中的離子源輸送氫氣，此時(shí)我們測到的頻譜如圖2所示。

圖1 真空室中主要?dú)怏w頻譜(氫氣流量0sccm)

圖2 真空室中主要?dú)怏w頻譜(氫氣流量5sccm)

從測得的頻譜來看，模擬離子源工作，通入一定流量的氫氣后，真空室中的水和氮?dú)獍l(fā)生了很明顯的上升，氧氣也增加了一些。

經(jīng)過計(jì)算，得到真空室內(nèi)水蒸氣的含量約為1%，遠(yuǎn)超出正常值。水蒸氣的含量與氫氣流量不成正比例關(guān)系。氫氣瓶的純度經(jīng)檢測為99.99%，從而確定雜質(zhì)氣體的來源為長氣管的放氣。

3 故障處理并改進(jìn)

通過將氫氣瓶移動(dòng)至加速器附近，塑料氣管長度由約8m長減少至1m。再次使用質(zhì)譜儀分析，水蒸氣的含量下降至處理前的1/3。加速器整機(jī)試驗(yàn)后，束流強(qiáng)度和離子源壽命均恢復(fù)正常，故障成功排除。

4 結(jié)論

醫(yī)用回旋加速器是由多個(gè)分系統(tǒng)組成的復(fù)雜設(shè)備，分系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)并相互影響。加速器維護(hù)檢修是一項(xiàng)難度較大的工作。因此，只有全面掌握加速器各個(gè)系統(tǒng)的工作原理,熟練使用各種檢測設(shè)備，深入分析所故障現(xiàn)象,才能迅速排除故障，保障設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]楊振，龍繼東，董攀，等.一種回旋加速器的負(fù)氫離子源[J].高能量密度物理，2013，3(1)：41-46.

[2]徐成海.真空工程技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2006，8：379-389.

2014-05-30

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1002-2376(2014)11-0101-02