以重離子束醫用裝置中真空膜窗為測試對象，設計了一套實驗裝置，測定了空氣在膜窗中的滲透率，比較了單雙層窗膜對空氣滲透系數，并分析其原因。結果表明：單雙層膜窗對空氣中各種氣體滲透率中水蒸汽最高，氬氣和氦氣最小，氫氣、氧氣、氮氣以及碳氫化合物各不相同；中間腔壓強為1.5Pa時，雙層膜窗對空氣滲透系數為單層膜窗的一半3.22×10^-10 cm²/s。說明雙層膜窗結構對空氣阻隔效果好。減小膜變形以及降低膜兩側壓差的結構有利于提高膜窗對氣體的阻隔性能。

　　重離子被國際上公認為21世紀最理想的放療用射線，特別適宜于外科手術、化療、常規放療無效或易復發的難治病例。我國正在建設中的重離子治癌醫用裝置束流為碳粒子束，束流從真空進入大氣最后輸運至患者病灶，而在輸運中要盡量少的引入其它雜質粒子，不宜選用常規真空材料如不銹鋼、玻璃來阻隔真空和大氣。高分子復合聚酯薄膜材料能夠保障粒子輻照下治癌用束流品質，以該材料為阻氣材料設計的真空部件稱為膜窗，安裝于重離子治癌醫用裝置束流輸送管道末端，將真空和大氣隔開。

　　治癌膜窗采用雙層膜結構，中間腔保持115Pa恒定壓強，既可以有效降低透過膜的氣量，也起雙層安全保護作用。氣體分子在高分子聚合材料中的溶解、擴散以及滲透性能國內外已有廣泛深入的研究，而雙層膜窗滲透性能的研究鮮見報道。本文測定了室溫條件下雙層膜窗對空氣的滲透特性并與單層窗進行了分析比較，為膜窗結構優化設計提供理論依據。

1、滲透原理及理論計算

　　氣體分子或原子透過非多孔膜(包括均質膜、非對稱膜以及復合膜)的現象實質是溶解-擴散過程，主要驅動力為濃度差。首先氣體分子與膜接觸，然后在膜表面富集溶解，從而在膜兩側表面產生濃度梯度，在濃度差的作用下，氣體分子在膜內向前擴散，到達膜的另一側面后從表面解析。開始時，此過程處于非穩定態，氣體在膜內濃度呈非線性分布，當延遲時間結束后氣體在膜內的擴散速度達到穩定狀態，此時膜中氣體的濃度沿膜厚方向呈線性分布。此過程遵從Fick第一定律，即氣體在膜內的穩態擴散流量為

　　q氣體擴散流量；D擴散系數；dc/dx為濃度梯度；chi，clo分別為膜高壓側和低壓側表層氣體分子濃度，d為膜的厚度。膜滲透特性的宏觀表征參數為滲透系數K。在穩態下，氣體透過膜時，氣體和膜結構分子之間相互作用可忽略情況下，滲透系數可用下式表達

　　表示在時間t內，一定溫度和壓差(phi-plo)下，通過面積為A，厚度為d膜的滲透量q。在一定溫度下，對每種膜-氣體體系，滲透系數K為一常數，表示了膜對氣體的滲透能力。影響膜窗對空氣滲透性的因素大體上可分為膜窗的結構、聚合物結構、滲透氣體特性和環境四個方面。在本測試以膜窗為研究對象，主要測試分析：

　　(1)不同膜窗結構對氣體的滲透特性；(2)滲透氣體特性對膜窗滲透率的影響，包括氣體分子的大小、形狀、極性及凝聚的難易程度以及在空氣中的含量等；對于環境因素和聚合物結構只做適當的考慮。

　　3.2、單雙層膜膜窗對空氣滲透系數比較分析

　　在中間腔保持恒定壓力下，對雙層膜窗與單層膜窗的滲透系數比較。兩次測試實驗中，膜窗一側均為大氣，另一側均由同一抽氣系統抽至極限；雙層膜窗中間腔壓強恒為115Pa。由式(2)求得滲透系數，測試結果如表2所示。

表2 單雙層膜窗對空氣的滲透系數

　　p1umean，p1dmean分別為p1u和p1d算數平均值；RSD1，RSD2分別為p1umean，p1dmean精度。由表2可以看出，對空氣，中間腔壓強為1.5Pa時，雙層膜窗滲透系數為3.22×10^-10 cm²/s，是單層膜窗滲透系數的一半。證明雙層膜窗結構對空氣體比單層膜窗阻隔性能好。

　　雙層膜對空氣阻隔效果好，宏觀原因是空氣透過兩膜時從大氣經第一層膜的壓差$p1較大，與單層膜相當($p1=105Pa)，第二層膜兩邊的壓差($p2=115Pa)較第一層膜小得多；在兩層膜之間安裝的干泵也抽除部分氣體，滲透過第二層的氣體量明顯減少，故雙層膜窗對空氣總阻隔性強。微觀原因是在大壓差作用下，單層膜(與空氣接觸膜)局部厚度變薄，使組成膜的聚合物分子排列緊密程度減弱，有利于大分子氣體透過，對小分子透過影響相對不明顯；而對于雙層膜，在大氣壓作用下，第一層膜變形最大，第二層膜(兩邊均為真空)兩邊壓差小，膜形變也小，相比第一層膜聚合物分子排列緊密度下降較小，大分子透過速率減緩，小分子如氫氣滲透量相對增大。因此為進一步減小雙層膜窗對空氣的透過量，不降低壓差的前提下，減小膜變形可以有效降低膜窗滲透量，從而提高真空部分的真空度。

4、結論

　　(1)空氣組分中水蒸汽在單層和雙層膜中滲透率最高，氬氣和氦氣最小。

　　(2)雙層膜窗比單層膜窗對空氣阻隔性強，能有效降低氣體滲透對系統真空度的影響。

　　(3)在治癌膜窗設計中，應盡量減小膜變形以及壓差，以利于提高膜窗對氣體的阻隔性能。