醫(yī)科達直線加速器真空系統(tǒng)工作原理及故障維修一例

侯瑋榆，林豐（通信作者），郭恒照，易正生

中山市陳星海醫(yī)院放療科 （廣東中山 528415）

電子直線加速器是電子在直線軌道利用高頻電場諧振加速的加速器。作為直線加速器的關(guān)鍵部件，加速管應(yīng)滿足以下要求：必須保持高度真空；具有良好的耐高壓電性能，具備過電壓保護措施；對加速電子有較好的聚焦作用；有足夠的機械強度[1]。

通常情況下，直線加速器在低于5×10-6mbar的條件下工作，當(dāng)真空度降低到10-4mbar時會啟動真空聯(lián)鎖，關(guān)閉槍燈絲電源停止出束。保持高度真空可防止燈絲氧化，提高燈絲壽命，保證電子束發(fā)射效率，并可減少加速電子與氣體分子發(fā)生碰撞，防止加速管在高壓電場中發(fā)生氣體擊穿[2-3]。真空狀態(tài)對劑量系統(tǒng)的對稱性也有一定的影響[4]。醫(yī)科達直線加速器真空系統(tǒng)主要包括加速管、電子槍、 波紋管、飛行管、輸入輸出波導(dǎo)窗、離子泵、input mode transformer等。真空系統(tǒng)有多處結(jié)點，多數(shù)結(jié)點處于機器內(nèi)部，且其零部件價格昂貴，一旦出現(xiàn)故障，檢修較為困難。

1 真空系統(tǒng)的工作原理

醫(yī)科達直線加速器的真空環(huán)境主要靠2臺安捷倫離子泵24 h工作來維持。這2臺離子泵為濺射離子泵，亦稱為潘寧泵，由陽極、陰極、永磁鐵和泵體4部分組成。陽極由若干個不銹鋼圓筒呈蜂窩狀排列組成，陽極兩端為鈦合金陰極板；陰極和陽極間利用高壓絕緣陶瓷連接，在離子泵電源作用下形成5.0 kV的直流高壓電場。因為陰陽兩極間距離很小，根據(jù)E=U/d可知電場強度E至少有5個數(shù)量級。在兩極外相對位置有2塊永磁體，磁場多為1 000 Gs，磁場方向與電場方向平行[5]。電子在這樣的電磁場環(huán)境中以螺旋線方式高速運動，與泵內(nèi)的氣體分子發(fā)生碰撞，進行潘寧放電，產(chǎn)生新的陽離子和陰離子；正離子轟擊鈦陰極，大量鈦原子被擊出，沉積在陽極和陰極受離子碰撞較弱的區(qū)域，形成新鮮鈦膜，大部分活性氣體與之發(fā)生化合反應(yīng)，并吸附在鈦膜上，以此獲得高真空。

2 故障維修一例

2.1 故障現(xiàn)象

治療中報“10-4 trp T”，提示真空故障。重啟離子泵，制造真空，但靶端離子泵效率低，不易激活。

2.2 故障分析及維修

由于保修范圍不含配件，且連續(xù)2次掉真空都是在星期一，懷疑冷機太久引起的熱脹冷縮導(dǎo)致掉真空。觀察發(fā)現(xiàn)，治療前槍端和靶端的值都在-6.0以上，治療幾例患者后，靶端真空值跌落明顯，槍端真空值幾乎沒變化。（1）關(guān)閉槍端隔離閥4 min，槍端真空值從-6.15升至-6.33，靶端真空值從-6.20降至-6.14；再打開隔離閥9 min后，槍端真空值降至-6.21，靶端真空升至-6.21；因此，排除隔離閥故障。（2）排空微波管SF6氣體，槍端和靶端真空無變化，因此可排除微波輸入輸出窗有漏點。（3）懷疑膠圈老化，更換電子槍膠圈及波紋管膠圈，并在靶上涂抹阿皮松，真空仍不穩(wěn)定，治療時靶端真空仍然明顯跌落，排除膠圈問題。（4）懷疑靶有漏點，使用測漏儀測試，對多處結(jié)點噴氦氣，可能由于之前靶上之前涂過阿皮松，未測到漏點。（5）重新激活離子泵制造真空，離子泵無法正常激活，交換離子泵電源供應(yīng)單元上的電纜；重啟離子泵，i227原為示槍端值，現(xiàn)為示靶端值，未見靶端離子泵激活，i288原為示靶端值，現(xiàn)為示槍端值，槍端離子泵處于激活狀態(tài)，因此懷疑靶端離子泵故障；重復(fù)激活多次發(fā)現(xiàn)兩端離子泵無法激活，懷疑多次重啟致離子泵電源供應(yīng)單元故障。（6）由于配件不在全保范圍，出于成本考慮，優(yōu)先更換靶端離子泵及離子泵電源供應(yīng)單元，更換后，掉真空情況仍存在。（7）使用電子線出束，真空穩(wěn)定；使用光子線出束，靶端真空跌落明顯，因此懷疑飛行管的X線靶有漏點，打靶時靶點由于熱脹冷縮作用變大，致真空明顯跌落；更換飛行管，故障解決。

3 真空系統(tǒng)故障原因

真空系統(tǒng)故障大致有3個原因：真空系統(tǒng)存在漏點、離子泵故障和離子泵電源故障[6]。加速管內(nèi)的真空度與離子泵的工作電流成指數(shù)關(guān)系，因此工作電流可間接反應(yīng)真空度[7]。發(fā)生真空故障時，應(yīng)先觀察離子泵工作狀態(tài)，用手觸碰離子泵外殼，若外殼發(fā)燙，此時離子泵正大功率工作排氣[8]，對離子泵傷害較大，應(yīng)關(guān)閉離子泵，待冷卻后重新激活。真空系統(tǒng)聯(lián)鎖保護設(shè)為二級，當(dāng)真空度過低時，會發(fā)出故障提示，但此時真空值尚未到達斷電保護離子泵的要求，離子泵仍有可能在工作狀態(tài)[2]。若故障為真空系統(tǒng)存在細(xì)小漏點，待漏點冷卻封閉后，真空狀態(tài)有可能不需處理就可恢復(fù)正常。當(dāng)長時間未能恢復(fù)真空，再重新激活離子泵，并觀察真空狀態(tài)，然后觀察日志記錄或正常使用中觀察真空值的變化，判斷是靶端故障還是槍端故障，再結(jié)合隔離閥或靶，可進一步縮小漏點范圍。若為離子泵故障，大部分原因可能是加速器轉(zhuǎn)動過程中，極板上的毛刺或雜質(zhì)脫落，導(dǎo)致陰陽極短路，致離子泵停機，可嘗試敲擊泵體，將雜質(zhì)震落，進而使離子泵恢復(fù)工作[9]。換線處理是常用的故障排查手段之一，對離子泵電源進行換線可推斷離子泵電源或離子泵是否存在故障。最后根據(jù)推斷出來的故障原因，配合維修工程師進行“有創(chuàng)”維修，如關(guān)閉真空系統(tǒng)更換膠圈、離子泵、靶等真空部件。

綜上所述，臨床一線物理師和工程師需了解真空系統(tǒng)的工作原理，有助于在進行真空故障排查及應(yīng)急處理時縮短故障處理時間，減少可能出現(xiàn)的醫(yī)患矛盾。