常温下治癌真空膜窗对空气渗透性的测试研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院近代物理研究所 作者:杨伟顺

  以重离子束医用装置中真空膜窗为测试对象,设计了一套实验装置,测定了空气在膜窗中的渗透率,比较了单双层窗膜对空气渗透系数,并分析其原因。结果表明:单双层膜窗对空气中各种气体渗透率中水蒸汽最高,氩气和氦气最小,氢气、氧气、氮气以及碳氢化合物各不相同;中间腔压强为1.5Pa时,双层膜窗对空气渗透系数为单层膜窗的一半3.22×10-10 cm2/s。说明双层膜窗结构对空气阻隔效果好。减小膜变形以及降低膜两侧压差的结构有利于提高膜窗对气体的阻隔性能。

  重离子被国际上公认为21世纪最理想的放疗用射线,特别适宜于外科手术、化疗、常规放疗无效或易复发的难治病例。我国正在建设中的重离子治癌医用装置束流为碳粒子束,束流从真空进入大气最后输运至患者病灶,而在输运中要尽量少的引入其它杂质粒子,不宜选用常规真空材料如不锈钢、玻璃来阻隔真空和大气。高分子复合聚酯薄膜材料能够保障粒子辐照下治癌用束流品质,以该材料为阻气材料设计的真空部件称为膜窗,安装于重离子治癌医用装置束流输送管道末端,将真空和大气隔开。

  治癌膜窗采用双层膜结构,中间腔保持115Pa恒定压强,既可以有效降低透过膜的气量,也起双层安全保护作用。气体分子在高分子聚合材料中的溶解、扩散以及渗透性能国内外已有广泛深入的研究,而双层膜窗渗透性能的研究鲜见报道。本文测定了室温条件下双层膜窗对空气的渗透特性并与单层窗进行了分析比较,为膜窗结构优化设计提供理论依据。

1、渗透原理及理论计算

  气体分子或原子透过非多孔膜(包括均质膜、非对称膜以及复合膜)的现象实质是溶解-扩散过程,主要驱动力为浓度差。首先气体分子与膜接触,然后在膜表面富集溶解,从而在膜两侧表面产生浓度梯度,在浓度差的作用下,气体分子在膜内向前扩散,到达膜的另一侧面后从表面解析。开始时,此过程处于非稳定态,气体在膜内浓度呈非线性分布,当延迟时间结束后气体在膜内的扩散速度达到稳定状态,此时膜中气体的浓度沿膜厚方向呈线性分布。此过程遵从Fick第一定律,即气体在膜内的稳态扩散流量为

气体在膜内的稳态扩散流量

  q气体扩散流量;D扩散系数;dc/dx为浓度梯度;chi,clo分别为膜高压侧和低压侧表层气体分子浓度,d为膜的厚度。膜渗透特性的宏观表征参数为渗透系数K。在稳态下,气体透过膜时,气体和膜结构分子之间相互作用可忽略情况下,渗透系数可用下式表达

渗透系数

  表示在时间t内,一定温度和压差(phi-plo)下,通过面积为A,厚度为d膜的渗透量q。在一定温度下,对每种膜-气体体系,渗透系数K为一常数,表示了膜对气体的渗透能力。影响膜窗对空气渗透性的因素大体上可分为膜窗的结构、聚合物结构、渗透气体特性和环境四个方面。在本测试以膜窗为研究对象,主要测试分析:

  (1)不同膜窗结构对气体的渗透特性;(2)渗透气体特性对膜窗渗透率的影响,包括气体分子的大小、形状、极性及凝聚的难易程度以及在空气中的含量等;对于环境因素和聚合物结构只做适当的考虑。

  3.2、单双层膜膜窗对空气渗透系数比较分析

  在中间腔保持恒定压力下,对双层膜窗与单层膜窗的渗透系数比较。两次测试实验中,膜窗一侧均为大气,另一侧均由同一抽气系统抽至极限;双层膜窗中间腔压强恒为115Pa。由式(2)求得渗透系数,测试结果如表2所示。

表2 单双层膜窗对空气的渗透系数

单双层膜窗对空气的渗透系数

  p1umean,p1dmean分别为p1u和p1d算数平均值;RSD1,RSD2分别为p1umean,p1dmean精度。由表2可以看出,对空气,中间腔压强为1.5Pa时,双层膜窗渗透系数为3.22×10-10 cm2/s,是单层膜窗渗透系数的一半。证明双层膜窗结构对空气体比单层膜窗阻隔性能好。

  双层膜对空气阻隔效果好,宏观原因是空气透过两膜时从大气经第一层膜的压差$p1较大,与单层膜相当($p1=105Pa),第二层膜两边的压差($p2=115Pa)较第一层膜小得多;在两层膜之间安装的干泵也抽除部分气体,渗透过第二层的气体量明显减少,故双层膜窗对空气总阻隔性强。微观原因是在大压差作用下,单层膜(与空气接触膜)局部厚度变薄,使组成膜的聚合物分子排列紧密程度减弱,有利于大分子气体透过,对小分子透过影响相对不明显;而对于双层膜,在大气压作用下,第一层膜变形最大,第二层膜(两边均为真空)两边压差小,膜形变也小,相比第一层膜聚合物分子排列紧密度下降较小,大分子透过速率减缓,小分子如氢气渗透量相对增大。因此为进一步减小双层膜窗对空气的透过量,不降低压差的前提下,减小膜变形可以有效降低膜窗渗透量,从而提高真空部分的真空度。

4、结论

  (1)空气组分中水蒸汽在单层和双层膜中渗透率最高,氩气和氦气最小。

  (2)双层膜窗比单层膜窗对空气阻隔性强,能有效降低气体渗透对系统真空度的影响。

  (3)在治癌膜窗设计中,应尽量减小膜变形以及压差,以利于提高膜窗对气体的阻隔性能。

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