医科达加速器离子泵监护装置的设计与实现

魏绪国，李修磊，王宏英，张明臣，王绪刚，王永明

1. 聊城市人民医院 a. 放疗科；b. 设备科，山东 聊城 252000；2. 南京君茂医疗器械有限公司，江苏 南京 210000

引言

随着放疗技术的发展，放疗作为肿瘤治疗的三大主要治疗手段之一，越来越受到广大肿瘤患者的认可，约有75%的患者需要采用放射治疗[1]。目前，国内外医院放疗用设备主要是瑞典的医科达和美国的瓦里安医用直线加速器，医科达加速器具有电子枪可拆卸的行波加速管，加速管内的真空度靠枪端和靶端的两个溅射式离子泵维持[2]。由于加速管可拆卸接口较多，密封度很难保证，两个离子泵必须24 h通电工作以维持加速管内真空度在10-6mbar以下[3-4]。当发生断电几个小时以上，真空度下降[5]，来电后离子泵开始工作时负荷较大（或发生局部漏气时），泵体温度上升[6]。虽然工作电流大到一定值时，离子泵电源会因过流而自我保护，但此时离子泵的温度已达100℃以上，远远超出了其正常工作的温度[7-9]。如果不及时断电冷却，会严重影响其工作性能和使用寿命，甚至直接烧坏[10-12]。因加速器上没有对离子泵工作状态的指示和提示，工作人员对这种情况不能及时发现，直至加速管真空度下降到出现连锁保护。更危险的是夜间或周六、周日无人值班时发生以上情况。两个离子泵的价格50余万元，不但会导致严重的经济损失，而且影响病人的正常放疗。为解决这一问题，笔者设计了一种离子泵监护装置，可有效地避免以上情况的发生。

1 设计方法与工作原理

1.1 离子泵的结构

加速管真空系统是由枪端和靶端两个溅射式离子泵维持，其内部结构见图1。阳极为纵横排列的薄壁不锈钢筒，阴极为放置于阳极两端的两块钛板，阳极、阴极一起封装于不锈钢的外壳中，壳外加一U形永磁体，磁力线方向平行于阳极筒轴，垂直于阴极钛板。阴阳极之间加有7.3 kV的直流高压，泵体内的残余气体分子在正交电磁场的作用下发生潘宁放电，产生的阳离子轰击阴极钛板，溅射出的钛原子在阳极筒内壁和阴极轰击较少的部位形成新鲜的钛膜。气体内的活性气体就被新鲜的钛膜吸附；气体内的惰性气体被电离后受电场加速直接打进钛膜，随后被新产生的钛膜掩埋。当真空度较低，气体分子较多时，电离电流较大，离子泵极板发热，严重时导致极板高温氧化、变形、钛膜脱落或短路，外部磁铁性能下降，因此控制其工作温度是保证离子泵使用寿命的关键。

图1 溅射式离子泵结构示意图

1.2 实现的功能

（1）实时显示离子泵泵体的表面温度，便于及时掌握其工作状态。

（2）如果泵体温度升到一定数值，发出报警声，提示工作人员查找原因并处理。

（3）如果泵体温度升到可能影响其性能和使用寿命的数值时，立即切断离子泵供电，使其停止工作。即使温度降到正常数值也能保持断电和报警状态，只有排除故障后，通过人工复位才可消除报警，并再向离子泵供电。

1.3 工作原理

离子泵监护装置的工作原理图，见图2。

图2 离子泵监护装置原理图

在加速器离子泵正常工作时，电源220 V ac通过加速器CB10空气开关和J1、J2继电器常闭触点1～9、2～10给离子泵供电，保证其24 h工作。监护部分的电源通过漏电保护开关CB11和保险丝FU1、FU2提供。离子泵温度传感器将探测的离子泵温度以数字的方式显示在温度显示控制器上。若发生电网断电，离子泵停止工作或真空系统泄露，造成加速管内真空度下降，来电后离子泵工作负荷加大，泵体温度上升，到达设定的报警温度时，温度显示控制器8～9触点闭合，蜂鸣器得电发出报警声，及时提示工作人员对离子泵冷却，如需消声，可按下消音开关SB2或SB4。如果冷却无效（真空度下降严重），离子泵温度继续升高到保护温度时，J1或J2继电器动作，常闭触点1～9、2～10打开，切断离子泵供电电源，同时触点7～11、8～12闭合，实现断电和报警自锁。即使离子泵温度降到低于设定的保护温度，仍能维持报警和离子泵断电状态。只有排除故障后，人工按下复位开关SB1或SB3时，相应的控制继电器才可复位，离子泵方可恢复供电，并消除报警。

2 实现方法

2.1 监护装置的结构与安装

离子泵监护装置各部件（除温度传感器外）均装于一个由绝缘板做成的箱子内，组成监护装置控制箱。控制箱前面板装有温度显示控制器、复位按钮、消音按钮、保险盒、蜂鸣器，箱内有漏电保护开关、控制继电器、接线排，后板有电源输入输出插座，两个温度传感器用导热胶粘贴于离子泵体表面。整个控制箱安装在离子泵电源附近的19区，不改变加速器原来的结构和连线，只是将原来离子泵电源的输入线插在控制箱的电源输入插座上，控制箱的电源输出线插在离子泵电源的输入插座上即可。

2.2 监护装置工作电流

监护装置的最大工作电流是当枪靶端两个离子泵同时保护时，此时蜂鸣器、保护继电器工作，工作电流为53 mA。离子泵电源输出最大电流是在可启动最低真空度10-4mbar[13]时，此时枪靶两端离子泵电源最大工作电流为350 mA。以上二者电流之和为403 mA，而加速器离子泵供电线路和空气开关CB10均可承受10 A的电流，因此原供电线路完全可允许增加离子泵监护装置。

2.3 安装与机架配重

将离子泵监护装置固定于加速器机架滚筒19区，与18区的离子泵电源相邻，连线方便，空间充足。机架在原配重正负360°旋转时，电机电流为1.22～1.91 A，将监护装置安装于机架后，机架正负360°旋转时的电流为1.24～1.88 A，旋转电机负荷几乎没有变化；当机架停在旋转的任意角度时，角度数显也没有变化，即不存在失衡自转。可见由于监护装置重量较轻（2 kg），对旋转电机和机架平衡没有影响，在配重允许误差之内，不用另加配重。

2.4 温度的设置

由于温度传感器粘贴于离子泵表面，温控器显示温度值与离子泵表面实际温度值存在一定误差。用Fluke 17B万用表温度测量探头对枪靶两端离子泵温度传感器比对修正，使显示值与实际值一致。

（1）报警温度的设置。离子泵的使用寿命主要受其工作电流的影响，在5 mA的工作电流下，可工作5000 h，若工作电流为50 μA，寿命可达5×105h[14]，可见控制离子泵的工作电流或其工作的真空度高低直接决定离子泵使用寿命。真空度与离子泵电流关系，见图3。而离子泵电流的大小与泵体的温度相关，所以控制好离子泵的工作温度就可延长其使用寿命。正常情况下，加速管真空度一般在1×10-6mbar（即枪靶真空度显示item 227、item 228=-6）以下。由图3可知，此时离子泵电流在500 μA以下，离子泵工作壳体温度与机房温度基本一致[15-16]，即22℃～25℃（机房内配有空调和除湿机，温度与湿度基本不受季节影响）。通常情况下，当真空度从正常值降到7.9×10-6mbar（-5.1）时，泵体温度会升到50℃左右（具体与离子泵的使用时间电流等有关），如果降至1×10-5mbar（-5），将会影响加速器的出束。为提前预警，将报警温度推荐设为50℃。

图3 离子泵工作特性

（2）保护温度的设置。当加速管真空度降低时，离子泵工作电流增大，泵体温度会逐渐升高。测试证明，当温度达到70℃以上时，由于高温引起的性能下降也很难使没有泄露的真空系统恢复正常，即使能恢复正常也严重影响了离子泵使用寿命，不如重建真空后补照病人更好。当超过100℃后，原吸附的气体又会蒸发出来，导致真空度变差。如果不及时断电，高温会使溅射的钛膜脱落、阴阳极间电弧放电，造成离子泵短路，直接烧坏极板及高压接线端子[17]。因此，将断电保护温度推荐设为70℃较为合理。

3 应用效果

3.1 真空系统泄露

当真空系统发生泄露时，离子泵电流变大，泵体温度升高，升至设置报警温度50℃时，监护装置发出报警声，工作人员可及时查找原因，并对离子泵冷却（有人值班时）。如果泄漏点不能排除，温度会继续升高，直至断电保护。

3.2 断电后通电

如果断电时间不长，真空度下降较小，来电后离子泵温度升至50℃报警，工作人员及时用无水乙醇对其冷却，可使真空度快速回复正常，对离子泵使用寿命基本无影响。如果真空度下降较大，发热严重，冷却无效，真空度没有改善，泵体温度升至70℃断电保护。只有外加分子泵抽至10-4mbar以下（越低越有利于延长离子泵使用寿命，推荐10-5mbar）才可复位监护装置，给离子泵加电，并注意温度指示。该过程如果出现离子泵温度保护，需再用分子泵抽30 min，并将离子泵冷却至室温后再恢复离子泵供电，直至真空度快速下降至10-6mbar以下，泵体温度正常，否则重复以上步骤。

4 讨论

由于离子泵发热不均匀，应将温度传感器粘贴于温度较高且便于放置处，该位置处于接线插座附近的泵体侧面。若更换新的离子泵，应小心将片式温度传感器导热胶清除，再重新粘贴，并对温度显示值重新修正。若该装置出现故障，可断开CB11开关进行检修和更换除继电器外的部件。更换继电器时，可断开CB10开关，将其电源输入线插到离子泵电源输入端，暂时不用监护装置，以保证离子泵的正常工作，不需改变加速器其他连线，方便快速。

设置温度报警和断电保护两个温度值时，既要考虑负荷、温度对离子泵寿命的影响，又要尽量避免不必要的停机。由于加速器投入使用的时间不同，真空系统的密封性不同，以及新旧离子泵的性能也不一样，因此应根据每个加速器具体情况找出最佳的温度设置值。

据统计，国内每年使用医科达加速器的医院会发生多起因没有及时发现和处理发热问题而烧坏离子泵的案例，特别是经常发生电网异常停送电的地区，离子泵监护装置的应用无疑为避免此种情况的发生提供了一个有效方法。