医用加速器偏转线圈铜导线结垢过程研究

李 丽，查方林

（1.湖南省妇幼保健院，长沙 410005；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，长沙 410007）

0 引言

医用加速器利用微波电磁场对粒子进行加速来获得高能量的X射线和电子线，是常用放射治疗设备的重要部件之一[1]。医用加速器的构成部件中，偏转系统是对射线束流进行角度偏移的装置，其作用是使射线能以更适宜的角度照射在病患处，提高射线治疗的精度。常见偏转系统由3对串联的空芯铜导线圈组成。医用加速器工作时，外部电路向空芯铜导线圈施加强电流（100 A左右）形成电磁场，从而使射线束形成偏转轨迹[2]。冷却水在空芯铜导线圈内循环散热，以防止线圈过热烧毁。

尽管冷却水大多采用水质纯净的除盐水或蒸馏水，但医用加速器在运行一段时间后仍会出现空芯铜导线水流阻力上升甚至堵塞等故障[2-3]。宫良平等[4]对时常因故障而停机的SL-18型高能医用直线加速器进行了拆解，发现偏转线圈空芯铜导线被一种黑色粉末状物质堵塞，冷却水断流后触发了温度保护。但该研究并未对黑色粉末的成分进行分析。

偏转线圈导线一般采用导热、导电性能良好的T2黄铜。冷却水在空芯铜导线中循环时，水中携带的氧气会与铜发生化学反应，形成铜垢。垢层的产生不仅减小了冷却水的通流面积，还降低了铜导线的传热效率，剥落的铜垢甚至会堵塞铜管，引发偏转线圈过热停机。宫良平等[4]研究中提及的黑色粉末物质极有可能是脱落后的铜垢，但目前国内外尚未见类似文献报道。为探究偏转线圈铜导线中铜垢的产生、剥落过程，验证对黑色粉末成分的猜测，本文对纯水中T2黄铜的腐蚀结垢过程进行研究，分析空气中CO2的溶入对铜垢层剥落的影响，以期对医用加速器偏转线圈的堵塞机理做出合理解释。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与介质

试验材料为T2黄铜，化学成分（按质量分数计）:Bi 0.001%，Sb 0.002%，As 0.002%，Fe 0.005%，Pb 0.005%，Cu 99.985%。用于试验的T2黄铜材料分为T2黄铜试片和T2黄铜电极2种形式。T2黄铜试片用于铜垢外貌形态的观察与电子扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）分析，尺寸为 10 mm×10 mm×2 mm。T2黄铜电极用于电化学测试。本试验中选用直径10 mm、层厚2 mm的圆盘状T2黄铜的圆面焊接导线，另一圆面为测试面，非测试面用环氧树脂封装，从而制成T2黄铜电极。T2黄铜试片表面和T2黄铜电极测试面用砂纸逐级打磨至1 500目（约9 μm），然后用丙酮和无水乙醇擦洗干净，放入干燥器备用。电极的制作与处理可参考文献[5]。

试验介质为高纯除盐水（25℃下电导率小于0.1 μS/cm）。

1.2 试验仪器

恒温摇床型号为知楚ZQTY-70N型台式空气摇床，电化学测试仪器为美国Gamry电化学工作站，扫描电镜型号为JSM-6360LV。

1.3 试验方法

取10个500 mL具塞锥形瓶，编号1～10，均注满高纯除盐水，每个具塞锥形瓶中均放入1片T2黄铜试片和1个T2黄铜电极。用橡皮塞塞紧瓶口，放入恒温摇床中。偏转线圈正常工作时，冷却水的温度为45～55℃，因此设定试验温度为（50±1）℃。

将浸泡 1、2、5、7、9、12、15、17、21 和 24 d 后的T2黄铜试片和电极取出，并进行SEM分析和电化学测试。其中，电化学测试包括伏安极化和恒电位还原。

伏安极化的测试原理:向被测金属施加一个连续变化的电压信号，同步监测流过金属表面的电流密度，根据电流密度峰值判别金属表面化合物的价态。恒电位还原的测试原理:向被测金属施加一个特定的电压信号，使离子态金属还原成单质，通过积分计算消耗的还原电荷可定量表征金属表面各价态化合物的量。这2种电化学测试方法具有快速、无损等优点，被广泛应用于金属的腐蚀研究[5-6]。

本试验中电化学测试介质质量分数为1%的KNO3溶液。伏安曲线扫描电位范围-0.8～0 V，扫描速率0.5 mV/s。电化学测试的仪器连接方式与其他技术细节可参考文献[5]和[6]。

2 试验结果与分析

2.1 T2黄铜在高纯除盐水中的结垢过程

图1为T2黄铜试片在高纯除盐水中浸泡不同时间后的试验结果。由图1可知，浸泡1 d后，T2黄铜试片呈现原本的黄色:2 d后，T2黄铜试片表面生成了一层完整的紫红色垢层；5 d后，紫红色垢层表面开始生成一层灰色覆盖物；7 d后，表面的灰色覆盖物进一步增加。随着浸泡时间的增长，T2黄铜试片表面垢层颜色不断加深，15 d后垢层呈深黑褐色。这是因为在高纯除盐水中，氧气与铜发生了氧化还原反应，反应式如下[7-8]:

图1 T2黄铜试片在高纯除盐水中浸泡不同时间后的试验结果

可以看出，O2可将T2黄铜氧化成Cu2O和CuO，氧化产物吸附在T2黄铜试片表面形成铜垢。由图1可知，在高纯除盐水中铜垢的形成分为2个阶段:首先在T2黄铜试片表面形成紫红色的内层铜垢，然后在紫红色铜垢表面生成灰褐色的外层铜垢。

为分析内、外层铜垢的化学价态，分别对浸泡不同时间后的黄铜电极进行伏安极化和恒电位还原测试。

图2是T2黄铜电极在高纯除盐水中浸泡24 d后的伏安扫描曲线。电位负扫过程中，在-220和-550 mV处出现了2个还原峰C1和C2。其中，C1对应于Cu2+还原为Cu+的电极反应，C2对应于Cu+还原为Cu单质的电极反应。

图2 浸泡24 d后T2黄铜电极的伏安扫描曲线

分别在-220和-550 mV电位下对T2黄铜电极进行恒电位还原测试。图3为浸泡24 d后T2黄铜电极的恒电位还原测试的电流-时间曲线。对电流-时间曲线进行积分，可分别得到Cu2+还原为Cu+消耗的电荷量Q1和Cu+还原为Cu单质消耗的电荷量Q2。Q1值可衡量铜垢中CuO的含量；Q2表示Cu2O与CuO的总含量，可表征铜垢的厚度，其中Cu2O的含量可用Q2-Q1衡量。在浸泡不同时间后的还原电荷积分结果详见表1。依据表1结果绘制的垢层成分柱状图如图4所示。在试验初期，T2黄铜表面主要发生化学式（1）～（4）的反应，生成 Cu2O，即 T2 黄铜表面紫红色的铜垢。随着浸泡时间的延长，Cu2O逐步被氧化成CuO，铜垢中Cu2O含量不断减少，CuO的含量不断增加。到浸泡24 d后时，（Q2-Q1）/Q1（即Cu2O/CuO）值仅为0.23，此时铜垢的主要成分为CuO。

图3 浸泡24 d后T2黄铜电极的恒电位还原测试的电流-时间曲线

图5为T2黄铜试片在浸泡不同时间后表面的SEM图像。浸泡2 d后的SEM图像如图5（a）所示，T2黄铜试片表面形成的Cu2O垢层结构致密，但厚度较薄，仍可见金属基底打磨留下的痕迹。同时，在Cu2O垢层的表面有少量的球状产物生成，这表明此时在薄而致密的Cu2O表面开始生成CuO。浸泡24 d后的SEM图像如图5（b）所示，T2黄铜试片表面垢层变厚，已无法观察到金属基底打磨的槽痕，附着在T2黄铜表面的是CuO垢层，结构疏松，晶体呈不规则的菱形。

表1 T2黄铜电极在浸泡不同时间后的还原电荷积分结果

图4 浸泡不同时间后铜垢的成分比例柱状图

图5 浸泡不同时间后T2黄铜试片表面的SEM图像

2.2 CO2对T2黄铜垢层剥落的影响

冷却水在循环冷却过程中不可避免会漏入一定量的空气，空气中的CO2在水中溶解产生的碳酸对金属具有一定的腐蚀性[9]。为探究CO2对铜垢剥落的影响，在T2黄铜浸泡24 d后，向高纯除盐水中通入CO2。CO2侵蚀24 h后T2黄铜的还原电荷量如图4所示（第25天的结果）。经CO2侵蚀后，Cu2O和CuO的总量（即T2黄铜垢层的厚度）明显下降。其中，主要为CuO的含量减少，Cu2O的含量变化甚微。CuO垢层的剥落与其处于外层与CO2直接接触及晶体结构疏松有关。剥落的CuO容易在铜导线内、滤网等地方沉积，造成线圈堵塞。宫良平等[4]研究中在偏转线圈内发现的黑色粉末极有可能就是剥落的CuO。

图6是我院某台Elekta型加速器维修时从冷却水滤网处取得的黑色粉末。经X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）扫描结果显示，其主要成分为CuO，与上述猜测结果相吻合。

图6 某加速器滤网处黑色粉末及XRD扫描结果

3 防垢与除垢措施探讨

T2黄铜在纯水中的腐蚀结垢速率与pH值密切相关，其腐蚀速率与pH值的关系曲线如图7所示[9]。pH值在7.0～9.0时T2黄铜腐蚀速率极低。而医用加速器偏转线圈冷却水由于CO2的溶解，其pH值一般为6.0左右，这使得T2黄铜的腐蚀结垢速率大幅加剧。向偏转线圈冷却水中加入适量的NaOH，可控制pH值在7.0～9.0，从而有效减缓铜垢的生长。

图7 T2黄铜在纯水中腐蚀速率与pH值的关系曲线[9]

当铜垢层过厚危及医用加速器的正常使用时，可采用化学清洗方法，也可参考标准DL/T 957—2017《火力发电厂凝汽器化学清洗及成膜导则》及相关文献[10-11]，如选择氨基磺酸、二乙胺四乙酸等有机酸作为清洗剂。

4 结语

基于近年来医用加速器偏转系统频频发生过热故障的现状，本文研究了医用加速器偏转线圈内表面铜垢的产生、剥落过程，分析了铜垢的化学成分。研究结果表明，T2黄铜的氧化是形成铜垢的根本原因，冷却水中CO2的侵蚀会加速铜垢的剥落，从而引发偏转线圈堵塞、过热，可调节冷却水pH值为7.0～9.0以有效减缓铜垢的产生。

本研究的不足之处在于只研究了静态浸泡条件下铜垢的产生过程，未考虑实际情况中水流冲刷对铜垢产生与剥落的影响。T2黄铜在冷却水中的腐蚀属于电化学反应，水流的冲刷会增强铜-水界面的扩散传质过程，加速T2黄铜的腐蚀、结垢；另外水流冲刷还会加剧CuO垢层的剥落。下一步，将对比分析静态与动态条件下偏转线圈铜导线的结垢过程，为医用加速器的事故分析与故障预防提供更翔实的参考依据。