医用重离子加速器多层循环冷却水高精度温度控制的研究

摘 要：通过大型医用重离子加速器系统负载温度变化的特点，说明运用多层循环结构冷却水系统进行设备冷却、达到温度有效控制的机理。同时，根据统计和总结在实际运行中遇到的一些实际问题，如温度监控点位置的选取、物理剂量变化导致温度峰值的克服等问题。分析和总结实现更高精度控制的深层次的控制方法，如多点温度检测法、二次水预降温法、系统增容扩大缓冲法、多级换热串级控制法等，并分析这些方法的优缺点，作为后期进行同类项目设计和建设的参考。

关键词：重离子冷却水多层循环

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0034-01

医用重离子加速器是运用带电粒子同步加速原理，实现碳离子高能量加速达到肿瘤高精度治疗的医学系统，其射线能量根据肿瘤患者的肿瘤形状及深度决定，充分运用适形、调强、逐层扫描技术，是肿瘤放射治疗领域已投入临床的先进的治疗手段之一。冷却水系统是医用重离子加速器的辅助系统，是实现重离子加速器系统温度恒定，保证射线质量的重要系统[1]。

在碳离子同步加速的过程中，加速器的主要部件产生巨大的热量，因为射线能量不规则变化，产生的热量也不规则变化，为了达到加速器温度良好控制的目的，必须建立冷却水系统并寻求恰当的控制方法实现温度的精确控制。

1 多层循环冷却水系统的建立

循环冷却水是流入重离子加速器的磁铁部件的内部对磁铁部件进行冷却的，这些磁铁的冷却水水管道同时也是绕线，内有循环水流动，将热量带走。流过加速器内部的循环水必须是低电导率的高纯水，同时，考虑到防腐、恒压、辐射防护等要求，内循环水系统必须是密闭系统，这就是循环冷却水的第一层，简称一次水。

一次水的温度随加速器热量变化，制冷须通过换热来实现，运用板式换热器实现液-液热量的交换是当前在许多工业控制领域使用的方法，广泛运用与核电、化工、冶金等领域。第二层循环冷却水系统利用密闭式冷却塔进行自然冷却，简称二次水。

重离子加速器冷却水温度控制需要满足0.5℃的控制精度，这就要求二次水的温度不能出现大范围的波动，然而，冷却塔的自然冷却受环境影响较大，很难实现温度的恒定，所以，使用大型冷冻机来构建三次水，可以解决二次水恒温控制问题。

三层循环冷却水的基本结构建立起来后，如何让各循环之间协作运行，实现温度的精确控制呢？

三层循环利用水-水换热的方法进行能量交换，因一次水的温度随加速器温度的升高而升高，二次水必须通过调整温度或流量并经换热来控制一次水温度。二次水系统与多个一次水子系统进行热交换，而各一次水温度的温度变化是不规律的，所以，二次水温度最好恒定，采用流量变化调整一次水温度是一种可行的方法。所以，通过调整与一次水热交换的二次水流量来控制一次水的温度，通过调整三次水流量来控制二次水的温度，最终实现一次水温度的精确控制。

2 多层循环冷却水温度控制的难点

通过以上对三层循环结构冷却水的分析可知，三层循环结构的模式可以完成热量的交换，但是，在实际运用中，因加速器对于冷却水温度的精度有要求，所以必须对加速器负载变化进行分析，并考虑以下问题。

（1）加速器与冷却水设备的安装位置有一定的距离，如何选取测量温度点作为控制输入是需要考虑的首要问题。

（2）随加速器负载变化冷却水温度将出现剧烈变化，因加速器负载随病人的物理剂量变化而变化，病人不同，其能量变化必然不同，由此导致的冷却水温度变化不规律，而且，加速器负载的剧烈变化必然出现负载峰值，即在几秒时间内，射线能量可能会出现0～430Mev的变化，使加速器磁铁出现温度变化，造成冷却水的温度曲线峰值。如何有效改善峰值，提高温度控制精度，是必须考虑的第二个重点问题。同时，实现流量控制必然采用远程控制阀门，而阀门的开度响应的机械变换是需要时间的，如何将阀门的开度响应与负载的变化相适应也是必须考虑的问题。

3 多层循环冷却水系统的温度控制改进方法

带着以上几个问题进行通过分析，可用如下方法解决。

（1）针对温度检测点的选取，采用多点检测的方法，即温度控制输入点至少选取三个控制点。第一个点选取在加速器冷却水的出口点，此点最快地测量到加速器的负载变化，第二个点选取在板式换热器的前端，此点能测量到换热前的实际温度，第三个控制输入点选取在板式换热器之后，可测量到换热后的实际温度，这一点是温度控制的目标点。

（2）通过对重离子加速器冷却水系统的负载进行的监控后确定，离子源、直线加速器、高能束流传输系统、射频系统负载比较平稳，无温度剧烈变化，主要负载的变化及尖峰值集中在同步加速器系统。针对同步加速器系统的温度变化，设计制定了多套控制改进方案，通过分析，将其优缺点进行了统计，总结如下。

方案一：针对同步加速器冷却水系统的温度剧烈变化，采用二次水预降温方法，即分析加速器出口温度，当温度剧烈上升时，控制冷源的两通阀门提前开启，将二次水温度降低，达到快速制冷的目的。通过测试，此方法对于快速降温效果良好，但因二次水系统同时与其他一次水子系统换热，当进行同步加速器快速制冷时，造成了其他一次水系统温度的波动。

方案二：采用加大冷却水回水储水箱容量的方法实现回水温度缓冲。通过分析，该方法是实现有效缓冲，消除回水峰值的有效办法，但是，运用该方法，需要综合考虑循环水流量、系统容量、负载峰值变化时间、管道距离等问题，综合计算回水水箱容量。并考虑现场设备布局及安装等问题，对于已成型的系统来说，存在施工难度。

方案三：采用第四层循环结构的串级控制方法。即在加速器冷却水回水端，增加温度预处理换热器，将温度峰值预处理，该部分的制冷循环水可以采用二次水或冷源的冷冻水。然后两级板交串级温度控制，可以达到较好的控制效果。通过分析，该方法能够有效地削减负载峰值，提高控制精度，但是，增加的设备较多，如板式换热器、两通或三通控制阀门、温度传感器等，同时，增加控制系统的输入输出点，控制程序也需要全面修改。

4 结语

通过以上分析，总结了基于重离子加速器冷却水系统多层循环结构的一些问题，这些问题都是在实际应用中的问题。在我国，重离子加速器治疗肿瘤尚处于起步阶段，技术人员对于系统认识尚不十分明确，希望通过上述的一些问题的分析，对后期进行同类项目的设计和建设有参考意义。

参考文献

[1] 李万宏.浅谈医用同步加速器恒温冷却水系统温度异常与处理方法[J].电子技术与软件工程，2014（32）：108.