一种直线加速器电离室保护装置的研制

程江波陈卫彬张 帅严 勇

一种直线加速器电离室保护装置的研制

程江波①陈卫彬①张 帅①严 勇①

目的：为了减少因电离室工作温度、湿度变化引起的直线加速器故障，延长直线加速器电离室使用寿命，设计一种电离室保护装置。方法：通过使用温度23℃、湿度15%、流量10 L/min的干燥空气吹拂电离室的方法，改变电离室的工作环境，减少外部应用环境的变化对电离室产生的不良影响。结果：将装置安装在2台直线加速器上使用，同比上年同期的故障次数，故障率减少80%以上。结论：通过实际运行及参数检测，该电离室保护装置运行稳定，在一定程度上改善了电离室的工作环境，可以减少外部应用环境的变化对电离室产生的不良影响，减少电离室故障，延长使用寿命。

电离室；湿度；温度；流量；保护装置

自上世纪50年代初放射外科的概念被提出以来，放射治疗已经在临床医学得到了广泛应用。直线加速器作为常规放射治疗的重要设备，使用电离室来监测和控制放射治疗剂量，电离室性能直接影响治疗的效果和直线加速器工作状态。

加速器机房大多都设计在地下或一层，机房常年湿度较大，并且环境较为封闭。即使在北京地区，机房内需安装两台除湿机才能保证全年环境湿度在50～60%左右。如果除湿机发生故障，夏季时湿度能够达到90%以上。在这样的环境下电离室的使用寿命为3年左右。在南方湿度较大的地区，电离室的使用寿命只有1年左右。所以，考虑到电离室对温、湿度要求严格这一因素，研制一种改善电离室工作环境的保护装置，可以在很大程度上减少环境变化对电离室造成的性能下降。

1 工作原理及设计背景

1.1 气体电离室的工作原理

现代直线加速器多采用气体电离室，电离室受到高能射线照射时，射线与电离室内气体分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对，在电离室的收集极和高压极上加直流的极化电压，电子和正离子就会分别向正负两极运动，形成电离电流。该电离电流正比于射线强度，通过测量电流值得出射线强度值。

1.2 设计背景

现代直线加速器采用的气体电离室，分为开放式和密闭式电离室。开放式电离室很容易受外界环境的影响。第一，空气中的水蒸气进入到电离室后不容易被排出去。水分子被电离为H＋离子和OH-离子，在高压的作用下，被收集极收集，影响电离室的精度；另一方面被电离的H＋离子和OH-离子汇聚后与空气中的水蒸气结合就会形成酸性或碱性的气体，对电离室造成腐蚀。第二，当X射线通过电离室时，一部分射线的能量损失在电离室中，导致电离室温度升高，机器停止工作后，电离室的温度会降回到室温，在这个过程中如果电离室的环境湿度大，容易在电离室表面形成凝结水微粒吸附在电离室上，影响电离室的寿命和精度。

2 系统设计方案

2.1 系统结构与工作原理

整个系统主要由空气干燥单元、气路、流量检测单元和主控制单元组成。

气泵驱动空气通过高温的电炉丝，再经过干燥剂，空气中的水蒸气被去除，生成温度23℃、湿度15%的气流，通过气阀控制气流流速吹拂电离室，使电离室处在最佳的工作环境，减少因外界环境恶劣引起的电离室故障。

2.2 干燥单元设计

根据直线加速器的使用状况统计数据分析，在北京地区的直线加速器因电离室的报错冬季明显少于夏季，北京地区冬季的平均湿度为20%左右，故将湿度控制在15%±2%。电离室的最佳工作温度为26.5℃，故将电离室出口处气流的温度控制在23℃±2℃。这样的设计使电离室的应用环境湿度尽量低而温度略低于最佳，这样可以对电离室起到一定的冷却作用，这是在实际应用中得到的比较满意效果的设计值。

将电炉丝（铁铬电炉丝）盘成螺旋状加热空气，电炉丝设置为2组，开机加热目标值为300℃，达到目标温度后进行闭环控温。空气加热后水蒸气会挥发掉，再经过干燥剂（钠4A型分子筛）以保证湿度达到设计要求。干燥单元加热部分主要电路为逆变电路（图1），其工作原理为：采用UC3842集成电路作为主控制器，通过控制PWM脉冲宽度来调节MOS开关管（GT407101,耐压为1500伏）的频率，PWM的脉冲宽度越宽，加热的功率越大，开机逆变频率设计为25 kHz。温度传感器T1（贴片式JCJ100TM）将信号反馈到脉冲宽度调节器，此调节为温度控制的粗调。

图1 逆变原理框图

在气流的出口处还有一个温度传感器T 2（AD59，测量温度范围为50～150℃）和湿度传感器量H1（HM1500，测量范围后0～100%）。温度传感器T2为温度闭环控制的细调。当湿度传感器检测超出范围时，增加电炉丝的温度，同时气路也做出调整。

2.3 气路和流量检测单元

整个气路气体运动的动力来源于一个气泵，安装于整个气路的始端，保证整个系统气体运动的流畅。为了保障干燥气体的输出稳定，在气路中设计的一个5 L储气罐。为了保障气路的运行安全，在储气罐的顶端安装一个机械排气阀，当储气罐压力超过3个大气压时，自动排气。

电离室在长时间的辐射后，材质会变的脆而容易损坏，气体的流量设计为10 L/min，以减小过高气流带来的冲击。同时选用LUW-3-050流量传感器控制气阀A调节气体流量的大小。气路的另一个设计是通过控制气路的长短来控制气体到达电离室的温度。在储气罐和气阀A之间设计两个长度不同的气路：气路A和气路B。当湿度传感器控制电炉丝温度提高时气阀B（使用0K8710H）关闭，气阀C（使用0K8710H）开启。根据安装部位的不同，当电炉丝温度为300℃时，实际测量电离室处气流的温度来确定气路A的实际长度。根据湿度偏差5%时，电炉丝温度上升后，以保证电离室处气流温度为23℃为目标，来实际确定气路B的长度。

2.4 主控制单元

采用CYGNAL公司生产的芯片C8051F020单片机作为协调和控制整个系统的主控制器。信号放大器（AD844）的功能是放大直流电压信号以满足数模转换芯片对输入信号范围的要求。模数转换芯片采用LTC1290CCN。

2.5 软件设计

软件部分主要完成系统初始化、自检、参数设置、数据采集、判断分析、控制等功能。整个单片机的软件开发使用Keil C编程软件完成，并通过U-PDC通用编程器完成程序下载，使用非常简便、快捷。软件程序的运行流程如图2所示。

图2 软件流程图

4 数据分析

4.1 运行情况数据分析

该装置24 h开机，连续工作15 d，每天随机测量3次，使用第三方的温度湿度检测仪和气体流量测量值检测，测量数据如图3。结果：通过半个月的实际监测，各关键指标的表现平稳，误差在可接受范围内。说明该装置工作稳定，运行情况达到了设计要求。

图3 温度湿度流量测量数据记录

4.2 保护效果分析

将该装置安装在加速器上，记录由电离室引起的加速器故障。以两台机器为实验，同比上年第三季度（夏季）由电离室引起的故障次数，数据见图4。结果：对比2台设备安装电离室保护器后在第三季度间因电离室引起的故障，同期A机器减少了80%，B机器统计减少了81%。电离室随着使用年限的增加，故障次数应逐渐增加，但是安装了电离室保护装置后，由电离室引起的故障次数明显减少，证明保护装置有现实意义。

图4 单季度设备电离室故障次数对比图

5 结论

电离室保护装置在不改变整体环境的条件下，通过人为的手段，改变电离室应用小环境的温、湿度，改善电离室的工作环境。实验结果证明，该保护装置减少了由电离室引起的故障，延长电离室的使用寿命，为医院节约维修成本。

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Development and research of an ionization chamber protection device on linear accelerator

CHENG Jiang-bo, CHEN Wei-bin, ZHANG Shuai, et al//China Medical Equipment,2011,8(3): 10-12.

Objective: To design a protection device on ionization chamber to reduce the failure of linear accelerator that caused by changes in ionization chamber's temperature and humidity, and extend the service life of ionization chamber.Methods: The working environment of ionization chamber was changed by using the temperature 23℃,humidity 15%, flow 10 l/min dry air blowing chamber, reducing the adverse effect of the ionization chamber by external environment changes. Results: This device was installed on two linear accelerator equipments. Number of failures compared the same period last year reduced by 80% at least. Conclusion:By the actual operation, the ionization chamber protection device is stable and can be used to improve the working environment of the ionization chamber and reduce the adverse environmental impacts,reduce failures and extend life.

Ionization chamber; Humidity; Temperature; Flow; Protection device

1672-8270(2011)03-0010-03

R 819

A

2010-12-16

程江波,男,(1980- ),本科学历，工程师。解放军总医院医学工程保障中心，长期从事大型影像设备及放疗设备的保障维修工作。

[First-author's address]General Hospital of PLA, Beijing 100853, China.

①解放军总医院 北京 100853