醫用重離子加速器多層循環冷卻水高精度溫度控制的研究

摘 要：通過大型醫用重離子加速器系統負載溫度變化的特點，說明運用多層循環結構冷卻水系統進行設備冷卻、達到溫度有效控制的機理。同時，根據統計和總結在實際運行中遇到的一些實際問題，如溫度監控點位置的選取、物理劑量變化導致溫度峰值的克服等問題。分析和總結實現更高精度控制的深層次的控制方法，如多點溫度檢測法、二次水預降溫法、系統增容擴大緩沖法、多級換熱串級控制法等，并分析這些方法的優缺點，作為后期進行同類項目設計和建設的參考。

關鍵詞：重離子冷卻水多層循環

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0034-01

醫用重離子加速器是運用帶電粒子同步加速原理，實現碳離子高能量加速達到腫瘤高精度治療的醫學系統，其射線能量根據腫瘤患者的腫瘤形狀及深度決定，充分運用適形、調強、逐層掃描技術，是腫瘤放射治療領域已投入臨床的先進的治療手段之一。冷卻水系統是醫用重離子加速器的輔助系統，是實現重離子加速器系統溫度恒定，保證射線質量的重要系統[1]。

在碳離子同步加速的過程中，加速器的主要部件產生巨大的熱量，因為射線能量不規則變化，產生的熱量也不規則變化，為了達到加速器溫度良好控制的目的，必須建立冷卻水系統并尋求恰當的控制方法實現溫度的精確控制。

1 多層循環冷卻水系統的建立

循環冷卻水是流入重離子加速器的磁鐵部件的內部對磁鐵部件進行冷卻的，這些磁鐵的冷卻水水管道同時也是繞線，內有循環水流動，將熱量帶走。流過加速器內部的循環水必須是低電導率的高純水，同時，考慮到防腐、恒壓、輻射防護等要求，內循環水系統必須是密閉系統，這就是循環冷卻水的第一層，簡稱一次水。

一次水的溫度隨加速器熱量變化，制冷須通過換熱來實現，運用板式換熱器實現液-液熱量的交換是當前在許多工業控制領域使用的方法，廣泛運用與核電、化工、冶金等領域。第二層循環冷卻水系統利用密閉式冷卻塔進行自然冷卻，簡稱二次水。

重離子加速器冷卻水溫度控制需要滿足0.5℃的控制精度，這就要求二次水的溫度不能出現大范圍的波動，然而，冷卻塔的自然冷卻受環境影響較大，很難實現溫度的恒定，所以，使用大型冷凍機來構建三次水，可以解決二次水恒溫控制問題。

三層循環冷卻水的基本結構建立起來后，如何讓各循環之間協作運行，實現溫度的精確控制呢？

三層循環利用水-水換熱的方法進行能量交換，因一次水的溫度隨加速器溫度的升高而升高，二次水必須通過調整溫度或流量并經換熱來控制一次水溫度。二次水系統與多個一次水子系統進行熱交換，而各一次水溫度的溫度變化是不規律的，所以，二次水溫度最好恒定，采用流量變化調整一次水溫度是一種可行的方法。所以，通過調整與一次水熱交換的二次水流量來控制一次水的溫度，通過調整三次水流量來控制二次水的溫度，最終實現一次水溫度的精確控制。

2 多層循環冷卻水溫度控制的難點

通過以上對三層循環結構冷卻水的分析可知，三層循環結構的模式可以完成熱量的交換，但是，在實際運用中，因加速器對于冷卻水溫度的精度有要求，所以必須對加速器負載變化進行分析，并考慮以下問題。

（1）加速器與冷卻水設備的安裝位置有一定的距離，如何選取測量溫度點作為控制輸入是需要考慮的首要問題。

（2）隨加速器負載變化冷卻水溫度將出現劇烈變化，因加速器負載隨病人的物理劑量變化而變化，病人不同，其能量變化必然不同，由此導致的冷卻水溫度變化不規律，而且，加速器負載的劇烈變化必然出現負載峰值，即在幾秒時間內，射線能量可能會出現0～430Mev的變化，使加速器磁鐵出現溫度變化，造成冷卻水的溫度曲線峰值。如何有效改善峰值，提高溫度控制精度，是必須考慮的第二個重點問題。同時，實現流量控制必然采用遠程控制閥門，而閥門的開度響應的機械變換是需要時間的，如何將閥門的開度響應與負載的變化相適應也是必須考慮的問題。

3 多層循環冷卻水系統的溫度控制改進方法

帶著以上幾個問題進行通過分析，可用如下方法解決。

（1）針對溫度檢測點的選取，采用多點檢測的方法，即溫度控制輸入點至少選取三個控制點。第一個點選取在加速器冷卻水的出口點，此點最快地測量到加速器的負載變化，第二個點選取在板式換熱器的前端，此點能測量到換熱前的實際溫度，第三個控制輸入點選取在板式換熱器之后，可測量到換熱后的實際溫度，這一點是溫度控制的目標點。

（2）通過對重離子加速器冷卻水系統的負載進行的監控后確定，離子源、直線加速器、高能束流傳輸系統、射頻系統負載比較平穩，無溫度劇烈變化，主要負載的變化及尖峰值集中在同步加速器系統。針對同步加速器系統的溫度變化，設計制定了多套控制改進方案，通過分析，將其優缺點進行了統計，總結如下。

方案一：針對同步加速器冷卻水系統的溫度劇烈變化，采用二次水預降溫方法，即分析加速器出口溫度，當溫度劇烈上升時，控制冷源的兩通閥門提前開啟，將二次水溫度降低，達到快速制冷的目的。通過測試，此方法對于快速降溫效果良好，但因二次水系統同時與其他一次水子系統換熱，當進行同步加速器快速制冷時，造成了其他一次水系統溫度的波動。

方案二：采用加大冷卻水回水儲水箱容量的方法實現回水溫度緩沖。通過分析，該方法是實現有效緩沖，消除回水峰值的有效辦法，但是，運用該方法，需要綜合考慮循環水流量、系統容量、負載峰值變化時間、管道距離等問題，綜合計算回水水箱容量。并考慮現場設備布局及安裝等問題，對于已成型的系統來說，存在施工難度。

方案三：采用第四層循環結構的串級控制方法。即在加速器冷卻水回水端，增加溫度預處理換熱器，將溫度峰值預處理，該部分的制冷循環水可以采用二次水或冷源的冷凍水。然后兩級板交串級溫度控制，可以達到較好的控制效果。通過分析，該方法能夠有效地削減負載峰值，提高控制精度，但是，增加的設備較多，如板式換熱器、兩通或三通控制閥門、溫度傳感器等，同時，增加控制系統的輸入輸出點，控制程序也需要全面修改。

4 結語

通過以上分析，總結了基于重離子加速器冷卻水系統多層循環結構的一些問題，這些問題都是在實際應用中的問題。在我國，重離子加速器治療腫瘤尚處于起步階段，技術人員對于系統認識尚不十分明確，希望通過上述的一些問題的分析，對后期進行同類項目的設計和建設有參考意義。

參考文獻

[1] 李萬宏.淺談醫用同步加速器恒溫冷卻水系統溫度異常與處理方法[J].電子技術與軟件工程，2014（32）：108.