醫用回旋加速器的真空故障診斷及改進

馬超凡，趙良超，何小中

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900)

醫用回旋加速器的真空故障診斷及改進

馬超凡，趙良超，何小中

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900)

醫用回旋加速器正常工作與真空系統有著密不可分的關系，當真空室內的真空不能達到設備所需的要求時，不能有效的打靶制藥。此時，分析真空室中的成分，找出放氣源頭，優化真空室內的真空環境，從而有效提高束流強度，完成正常打靶工作。

真空系統；束流強度；成分

較高的真空度是保證醫用回旋加速器正常工作運行的重要條件之一。當真空室中的真空度達不到機器正常工作的要求時，室內的雜質氣體會對負氫離子大量剝離，束流損失增大，末端流強降低，從而使加速器的性能下降；當真空度高于10-2Pa時，加速器將直接不能工作。雜質氣體還會對加速器內部零部件造成損壞。當真空室饋如高壓后，雜

質氣體會增加打火概率，破壞零部件的光潔度，甚至造成零部件的損壞。尤其對離子源內部的核心部件——陰極，工作時表面溫度可達上千攝氏度，雜質氣體會使其損耗加大，壽命降低[1]。為此，排除真空系統的故障，降低真空系統的故障率，才能確保設備的穩定運行。

1 故障現象

真空室中真空度低，大于5x10-4Pa；工作時離子源需要大流量的氫氣供給才能達到較高的流強；離子源壽命降低；引出束流強度達不到預期打靶的要求。

2 故障分析

回旋加速器正常工作時，在一定范圍內，通過調節通入離子源的氫氣氣流大小可以改變束流強度，但氫氣流量需要控制在20sccm以內。如果氫氣管路混入雜質氣體(水蒸氣、空氣等)，雜質氣體成分會使離子源的性能下降。為達到離子源的工作參數，需要加大氫氣流量，從而使陰極燒蝕過快，離子源壽命降低。故出現上述故障現象后，在排除加速器其他軟硬件設備無故障后，檢查真空系統前級機械泵、渦輪分子泵是否有問題，在都未出現故障的情況下，就要進一步查出放氣源，從而解決問題，實現加速器正常打靶。

針對所出現的問題，首先對整體加速器各個重要的裝配部分進行氦質譜法測試檢漏[2]，并未發現異常。轉而考慮到材料本身應有的放氣特性，金屬材料本身放氣率很低，真空腔內壁的放氣可以忽略不計。但在離子源供氣的這路管道，由于現氣瓶位置離加速器有一定的距離，暫采用材料為聚氨酯PU，管徑為4mm的塑料軟管做供氣路，長度約為8m。在這段長而細小的空間很難將真空抽下去，為判斷這段供氣氣管里真空是否抽到真空計所顯示的數值，采用了一個簡單的方法進行驗證：在真空抽到一定階段時，真空計顯示的讀數會固定在一數值，此時將距離子源比較近的地方將氣路管子折起，真空計顯示的真空度很快上升了2×10-4Pa。通過該現象，確定了供氣氣管的確影響了真空，但確定不了工作時是否漏氣，是否混入雜質氣體，有必要對真空室中的真空成分做實驗分析。

真空腔內氣體成分分析使用質譜儀完成。首先將質譜儀接到加速器上，并與真空室相通。然后抽真空，真空計所顯示的真空度穩定后，打開質譜儀控制軟件，測真空室中主要氣體的頻譜，如圖1所示(為便于分析，僅顯示含量較高的幾種氣體)：

在所測結果中，可以很明顯看出水和氮氣在真空室中所占比例最大。隨后，為模擬離子源工作狀態，打開氫氣流量控制器，保持5sccm的流量往真空室中的離子源輸送氫氣，此時我們測到的頻譜如圖2所示。

圖1 真空室中主要氣體頻譜(氫氣流量0sccm)

圖2 真空室中主要氣體頻譜(氫氣流量5sccm)

從測得的頻譜來看，模擬離子源工作，通入一定流量的氫氣后，真空室中的水和氮氣發生了很明顯的上升，氧氣也增加了一些。

經過計算，得到真空室內水蒸氣的含量約為1%，遠超出正常值。水蒸氣的含量與氫氣流量不成正比例關系。氫氣瓶的純度經檢測為99.99%，從而確定雜質氣體的來源為長氣管的放氣。

3 故障處理并改進

通過將氫氣瓶移動至加速器附近，塑料氣管長度由約8m長減少至1m。再次使用質譜儀分析，水蒸氣的含量下降至處理前的1/3。加速器整機試驗后，束流強度和離子源壽命均恢復正常，故障成功排除。

4 結論

醫用回旋加速器是由多個分系統組成的復雜設備，分系統之間相互關聯并相互影響。加速器維護檢修是一項難度較大的工作。因此，只有全面掌握加速器各個系統的工作原理,熟練使用各種檢測設備，深入分析所故障現象,才能迅速排除故障，保障設備的正常運轉。

[1]楊振，龍繼東，董攀，等.一種回旋加速器的負氫離子源[J].高能量密度物理，2013，3(1)：41-46.

[2]徐成海.真空工程技術[M]. 北京：化學工業出版社， 2006，8：379-389.

2014-05-30

TH774

C

1002-2376(2014)11-0101-02