瓦里安2100C加速器真空故障的分析與排除

林玉峰 張魯閩

1 真空系統(tǒng)組成及工作原理簡(jiǎn)介

真空系統(tǒng)是醫(yī)用電子直線加速器的重要組成部分，用于維持和保證加速管、電子槍等在高真空下運(yùn)行，以避免加速管內(nèi)因強(qiáng)電磁場(chǎng)而放電擊穿， 并減少高速運(yùn)動(dòng)的電子與氣體分子碰撞而偏離正常軌道的機(jī)會(huì)，同時(shí)防止電子槍陰極中毒或燈絲氧化[1]。瓦里安2100C加速器的真空系統(tǒng)主要由3個(gè)鈦離子泵、泵電源和真空控制電路構(gòu)成。一個(gè)20 L/S主泵用于維持加速管和偏轉(zhuǎn)磁鐵的真空，一個(gè)8 L/S副泵用于維持電子槍的真空（其實(shí)主泵和副泵維持的是同一個(gè)真空室的真空），一個(gè)2 L/S的泵與速調(diào)管連成一體單獨(dú)用于維持速調(diào)管的真空。真空高壓板為三個(gè)鈦泵分別提供-5 KV、+3 KV、+3 KV的工作電壓。鈦泵的電流和高壓大小由真空控制板來檢測(cè)，用于監(jiān)視真空系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)主泵電流＞350 μA、或槍泵電流＞40 μA、或速調(diào)管真空泵電流＞8 μA、或槍泵高壓＜2.4 kV、或速調(diào)管真空泵高壓＜2.4 kV時(shí)，出現(xiàn)VAC2聯(lián)鎖；當(dāng)主泵電流＞700 μA或主泵高壓＜4 kV時(shí)，出現(xiàn)VAC1聯(lián)鎖。而且為了保護(hù)鈦泵，VAC1聯(lián)鎖持續(xù)90 s后將通過繼電器K6切斷槍泵電源；當(dāng)主泵電流＞20 mA，持續(xù)10 s后將通過K5繼電器切斷主泵電源。

2 故障現(xiàn)象

一段時(shí)間以來，加速管的真空電流值增大為40 μA左右（正常時(shí)，應(yīng)是10 μA以內(nèi)），偶爾還出現(xiàn)電流值在40～100 μA間不斷地跳躍，時(shí)間長達(dá)1～2 min不等，然后又慢慢地穩(wěn)定于40 μA左右，但槍和速調(diào)管的真空電流保持不變，都是0 μA，機(jī)器還能維持正常工作。有一天在治療中途突然出現(xiàn)VAC2、VAC1聯(lián)鎖，真空電源盒上主泵電流指示值最高升至1100 μA（維修模式中ACL VAC值指示為99.9），主泵高壓降到3.58 KV，槍泵高壓被切斷，機(jī)器回到STANDBY狀態(tài)，然后真空電流又呈上下跳躍式地緩慢下降，數(shù)小時(shí)后恢復(fù)到40 μA左右，主泵高壓也慢慢上升恢復(fù)到正常，機(jī)器又能工作。說明機(jī)器存在很大隱患，需要立即加以維修。

3 故障分析與排查

加速管真空故障的可能原因一般有真空高壓電源故障、真空控制電路故障、真空部件泄漏和鈦離子泵本身性能下降或損壞。根據(jù)故障現(xiàn)象可以知道，故障發(fā)生的部位應(yīng)在加速管部分，與速調(diào)管無關(guān)。加速管的真空電流穩(wěn)定時(shí)已經(jīng)達(dá)到幾十μA，似乎真空部件的微漏或離子泵性能下降的可能性較大[2]，但又無法解釋主泵真空電流有時(shí)發(fā)生跳躍式的變化以及突然出現(xiàn)飆升后又能慢慢下降穩(wěn)定于40 μA左右的現(xiàn)象。所以我們剛開始覺得有可能多種故障原因并存，需要以真空度降低的現(xiàn)象為基礎(chǔ)進(jìn)行全面的排查：

3.1 真空電源的排查

當(dāng)真空電流穩(wěn)定于40 μA左右時(shí)，用帶高壓測(cè)試棒的萬用表測(cè)量3個(gè)離子泵的高壓供電。測(cè)量結(jié)果分別是：主泵-5.1 KV、槍泵+3.4 KV、速調(diào)管泵+3.4 KV，都在正常范圍，可以排除真空高壓電源的問題。

3.2 真空控制電路的排查

當(dāng)出現(xiàn)VAC1聯(lián)鎖，主泵電流突然飆升到1100 μA后，用手觸摸主泵的外殼，發(fā)現(xiàn)外殼溫度偏高（正常情況下，離子泵的殼體溫度與室溫基本一致），說明離子泵的負(fù)載增大，與其真空電流升高、泵的高壓下降的表現(xiàn)是一致的。再取掉主泵的高壓接頭，真空電流變?yōu)? μA。由此可以判定真空監(jiān)測(cè)控制電路也不存在問題。但有時(shí)發(fā)生真空電流值的跳躍現(xiàn)象，或許控制電路工作不穩(wěn)定？為了排除這種原因，我們換上了一塊備用的真空控制板，但故障依舊，在維修的過程中，有時(shí)仍然出現(xiàn)真空電流跳躍的現(xiàn)象。

3.3 真空部件泄漏的排查

加速管發(fā)生真空泄漏的原因有：

⑴真空部件的焊接處或金屬波紋管存在縫隙，以及真空部件的密封墊圈連接不緊密等。如：槍和加速管的連接處，波導(dǎo)窗和加速管的焊接處，與真空室相通的主泵、槍泵、真空閥門的連接處，偏轉(zhuǎn)磁鐵的輸出窗，能量開關(guān)的波紋管，靶的波紋管，漂移管以及漂移管與偏轉(zhuǎn)磁鐵相連的波紋管（BELLOW）等。

⑵加速管內(nèi)部需要水冷卻的部件受到水的銹蝕或因高溫而發(fā)生形變產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致水蒸汽泄入。如：能量開關(guān)、靶和偏轉(zhuǎn)磁鐵等水路， 其中偏轉(zhuǎn)磁鐵這一路又分為漂移管、第二準(zhǔn)直器和能量窄縫三條支路。當(dāng)真空電流穩(wěn)定于40 μA左右時(shí)，我們用丙酮逐一涂抹在⑴中所述的可疑部位，并通過開關(guān)水泵、用壓縮空氣吹干相關(guān)冷卻水管再往水管內(nèi)加丙酮，再通過不斷地選擇能量讓靶和能量開關(guān)處于不同位置的方法，觀察真空度的變化，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)真空電流發(fā)生明顯的改變，可以斷定不存在真空部件的泄漏。

3.4 鈦離子泵故障的排查

瓦里安高能加速器的主真空泵（20 L/S）是個(gè)三極泵，由一圓柱形陽極、兩個(gè)鈦板陰極和外圍的永久磁鐵構(gòu)成。工作時(shí)陽極接地，陰極加上-5 KV的高壓，陰極發(fā)射的電子在電磁場(chǎng)的作用下向陽極做高速螺旋運(yùn)動(dòng)（潘寧放電），碰撞并電離氣體分子，產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)的作用下轟擊陰極，濺射出鈦原子，鈦原子沉積于陽極筒內(nèi)壁及陰極上離子轟擊較少的部位，形成新鮮的鈦膜，新鮮的鈦膜對(duì)氣體分子具有吸附和電清除作用，達(dá)到抽氣維持高真空的目的[1]。

鈦離子泵發(fā)生故障的原因可能有兩種：①泵內(nèi)部陰陽極間或高壓電纜及高壓接頭絕緣性能下降產(chǎn)生漏電流；②由于鈦泵長期工作，鈦電極上堆積了太多的吸附氣體后所生成的固態(tài)物質(zhì)，導(dǎo)致抽氣能力下降，從而引起離子泵效率降低。

使用搖表測(cè)量高壓電纜的阻抗未發(fā)現(xiàn)絕緣問題。清潔高壓接頭后，用木錘敲擊離子泵殼來觀察真空度的變化情況（如果鈦泵內(nèi)部絕緣不好，敲擊時(shí)真空電流會(huì)有較大的波動(dòng)），結(jié)果真空電流基本保持不變[3]。再取掉鈦泵外圍的永久磁鐵，真空電流顯示為0 μA（如果真空電流繼續(xù)存在則是漏電流，因?yàn)殁伇霉ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生的離子流包括真空離子流及絕緣瓷環(huán)和鈦泵電源的漏電流，真正的鈦泵離子流為鈦泵加上磁鐵工作時(shí)的電流減去鈦泵不加磁鐵工作時(shí)的電流[4]）。由此基本上可以排除漏電流引起真空電流變大的原因。

使用高壓激活鈦泵的方法來檢驗(yàn)鈦泵的抽氣能力[5]：取掉槍冷端上的F1保險(xiǎn)（斷開槍燈絲供電），拔去主泵的高壓插頭；機(jī)器打到“ON”狀態(tài)，在維修模式下，選擇6e能量（LOW MODE），關(guān)掉搶觸法，打開槍延時(shí)；用帶高壓測(cè)試棒的萬用表接到槍熱端的外殼來監(jiān)測(cè)槍高壓，并記下初始值（本機(jī)為-7.0 KV，恢復(fù)時(shí)要用）；選一根耐20 KV高壓以上的電纜線約3米，用絕緣膠帶綁在一根絕緣的塑料棒上（也可以利用槍熱端處隨機(jī)帶的放電棒），一端做成小鉤狀塞到鈦泵的高壓座內(nèi)（保證接觸良好），手握塑料棒，讓另一端短時(shí)間地接觸槍熱端的外殼，利用比鈦泵工作電壓大許多的負(fù)高壓來沖擊鈦泵，同時(shí)觀察萬用表上監(jiān)測(cè)的高壓值的下降情況，重復(fù)多次，直到高壓不再下降為止；再通過調(diào)槍冷端A3上的LOW電位器來改變槍的高壓值，分別在-8 KV、-11 KV、-13 KV左右的位置按照上述方法繼續(xù)對(duì)鈦泵進(jìn)行沖擊；完成以上工作后，把槍高壓值和槍觸發(fā)復(fù)原，機(jī)器打到STANDBY，裝上槍燈絲保險(xiǎn)F1，接上鈦泵電源插頭，重新觀察真空電流的變化。結(jié)果真空電流從原先的40 μA下降到30 μA左右，說明經(jīng)過高壓激活，鈦泵的抽氣能力有所增強(qiáng)，但真空電流還是偏大。再從真空電流升高到1100 μA（真空度差）后又能慢慢下降到數(shù)十μA的現(xiàn)象看，主泵的抽氣能力并不低。

3.5 真空材料不良的排查

根據(jù)以上的方法，我們已經(jīng)花費(fèi)了3天時(shí)間進(jìn)行了反復(fù)細(xì)心的排查，但都無法找到故障所在。幸好在排查過程我們對(duì)不同的時(shí)間、不同的條件下真空度的微小變化都作了詳細(xì)的記錄，從記錄中發(fā)現(xiàn)了早晨剛到機(jī)房時(shí)真空電流都較大，達(dá)到40 μA左右，上班后真空電流反而慢慢降至30 μA左右的規(guī)律。這是否說明真空電流的變化與環(huán)境溫度存在著某種關(guān)系？因?yàn)橄掳鄷r(shí)工作人員都把治療室內(nèi)的空調(diào)關(guān)掉，早上上班時(shí)再打開空調(diào)。為了驗(yàn)證這種假設(shè)，我們進(jìn)行了如下試驗(yàn)：機(jī)器在STANDBY狀態(tài)，把治療室內(nèi)空調(diào)設(shè)在20 ℃（平時(shí)只設(shè)到27度），內(nèi)循環(huán)水溫設(shè)到20 ℃，觀察3 h，發(fā)現(xiàn)真空電流慢慢下降，最好時(shí)可以達(dá)到18 μA；再關(guān)掉空調(diào)，把內(nèi)循環(huán)水溫設(shè)到45 ℃，觀察4 h，發(fā)現(xiàn)隨著室溫的升高，真空電流又慢慢增大到70 μA。通過這兩種極端條件的檢驗(yàn)，可以肯定真空電流的變化與環(huán)境溫度的高低存在著密切的關(guān)系。因?yàn)榻?jīng)過前面的檢查，已經(jīng)排除了真空器件發(fā)生泄漏的可能（如果真的存在裂縫，溫度的變化有可能使縫隙產(chǎn)生熱脹冷縮，泄漏的程度也會(huì)跟著變化），因此懷疑某些真空材料發(fā)生緩慢放氣，導(dǎo)致真空電流偏大，當(dāng)溫度升高時(shí)放氣加劇，引起真空電流上下跳躍或突增，而且這種假設(shè)也能合理解釋以上的故障現(xiàn)象，也不用考慮多種故障原因并存的可能。

最有可能發(fā)生放氣的與真空有關(guān)的器件有電子槍的燈絲、靶和能量開關(guān)。如果槍燈絲放氣，應(yīng)該首先反映到槍的真空電流，但槍泵的真空電流在主泵真空電流增大時(shí)皆無變化，一直保持0 μA，說明槍燈絲放氣的可能性不存在。對(duì)于靶和能量開關(guān)，它們都是產(chǎn)熱部件，依靠水循環(huán)來冷卻，與水溫有關(guān)，與室溫關(guān)系不大，發(fā)生放氣的可能性很小。為了驗(yàn)證這種想法，在保持室內(nèi)溫度不變（設(shè)定為27 ℃），分別在水溫為30 ℃、45 ℃、出射線和不出射線（選擇不同的能量）的幾種情況下來觀察真空電流值，結(jié)果雖然在水溫高、出射線的時(shí)候，真空電流有所升高，但都沒有通過改變室內(nèi)溫度所發(fā)生的變化那么明顯。

最后把懷疑的重心集中到受室內(nèi)溫度變化影響最大的加速管外圍的真空部件，特別是主泵周圍的真空管道連接件，采用電吹風(fēng)的熱風(fēng)給這些連接件加溫的辦法來模擬溫度升高時(shí)真空電流的變化情況。當(dāng)電吹風(fēng)的熱風(fēng)剛剛吹到真空閥門時(shí)，發(fā)現(xiàn)真空電流的指示值突然增大，不到5 s已經(jīng)升高到800 μA，VAC2、 VAC1故障燈亮。立即關(guān)掉電吹風(fēng)停止加熱后，真空電流才慢慢下降。由此可以斷定故障發(fā)生的位置就在于真空閥門（VACUUM VALVE）。在加速器中，真空閥門主要用于密封加速管的高真空通道，它是個(gè)直角雙通的不銹鋼閥，當(dāng)維修或更換真空部件(如：靶、能量開關(guān)和離子泵等)時(shí)，需要打開此閥門往加速管內(nèi)加氮?dú)猓悦饧铀俟芑蚱渌婵詹考谎趸?，待真空部件維修或更換結(jié)束，再通過此閥門外接機(jī)械泵或分子泵進(jìn)行預(yù)抽真空，預(yù)抽完畢才關(guān)緊閥門開鈦泵進(jìn)行自抽真空。因?yàn)榧铀俟艿恼婵詹考荒茈S意拆卸，我們無法知道真空閥內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，隨機(jī)的說明書中只有一個(gè)標(biāo)注：Valve，Viton，Manual，可以猜測(cè)是個(gè)手動(dòng)的、可能用氟化橡膠（Viton）作密封圈的閥門。再經(jīng)過咨詢廠家工程師，證實(shí)閥門內(nèi)部是有一個(gè)O型橡膠圈，在關(guān)緊閥門時(shí)，起密封作用。于是更加肯定是真空閥內(nèi)部的氟化橡膠長期使用后性狀發(fā)生了改變，緩慢釋放出氣體，并受溫度影響明顯，當(dāng)溫度升高時(shí)放氣加劇，導(dǎo)致離其最近的主泵的真空電流猛增。

4 故障處理

找到故障原因后，開始時(shí)以為最好的方法是更換不良的真空閥，但更換時(shí)必然要臨時(shí)破壞加速管的真空，處理工作復(fù)雜，而且本機(jī)已經(jīng)使用十多年，電子槍的燈絲容易中毒，重新激活難以保證。于是我們進(jìn)行如下嘗試：用電吹風(fēng)重新對(duì)真空閥進(jìn)行短時(shí)加熱，當(dāng)真空電流增到300 μA時(shí)，馬上停止加熱，等到真空電流下降至數(shù)十μA后，繼續(xù)對(duì)之加熱(但溫度不能太高，以免密封橡膠熔化)，讓橡膠盡量放氣，如此反復(fù)多次，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真空閥內(nèi)部放氣的速度和量都變得越來越小，到最后真空電流可以下降并穩(wěn)定到10 μA之內(nèi)。沒想到對(duì)橡膠密封圈的除氣達(dá)到如此好的效果。試用機(jī)器，真空度也基本維持良好。然后我們堅(jiān)持每個(gè)星期對(duì)真空閥加熱除氣1次(開始加熱時(shí)真空電流都會(huì)增大)，一個(gè)月后減少為每個(gè)月1次，半年后3個(gè)月1次，1年后就不再除氣，到現(xiàn)在已經(jīng)使用3年，真空度一直保持良好，不再出現(xiàn)原來的故障。

至于這種橡膠密封圈經(jīng)過加熱除氣后，為何能夠減少放氣，經(jīng)歷很長時(shí)間并經(jīng)過多次除氣后甚至不再放氣，廠家工程師的解釋是：真空閥門內(nèi)的橡膠密封圈在制造過程受到了污染，時(shí)間長了以后，內(nèi)部的污染物質(zhì)（如：油）開始揮發(fā)，放出氣體，經(jīng)過不斷的抽氣、除氣，污染物慢慢減少，到最后就不再放氣了。

5 結(jié)語

加速器是一種技術(shù)復(fù)雜的精密設(shè)備，加速管真空故障的檢修是個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程，維修時(shí)不僅要善于把機(jī)器的結(jié)構(gòu)原理與故障現(xiàn)象緊密地聯(lián)系，而且要善于觀察，善于分析，善于嘗試，多想辦法，多做維修記錄。本次故障發(fā)生的部位實(shí)屬罕見，故障現(xiàn)象也很特別，剛開始根本想不到材料放氣的問題，在排除了其他所有能夠想到的原因、使用了所有排除真空故障的方法后，才從周圍的溫度與真空電流的變化關(guān)系中找到故障的真正原因。而且在解決故障的時(shí)候，善于嘗試，得到了事半功倍的效果，同時(shí)為同行修復(fù)此類故障積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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