高能直線加速器真空系統(tǒng)故障分析與維修

譚庭強(qiáng) 李 黎* 廖雄飛 黎 杰 王 培

目前，放射治療是腫瘤治療的主要方法之一，其中外照射治療主要采用電子直線加速器作為治療用的放射源[1-2]。真空系統(tǒng)是高能直線加速器的重要組成部分，其作用為電子槍發(fā)射電子和電子束流的加速與運(yùn)輸提供高度真空的環(huán)境，通常要求直線加速器在使用中其真空腔壓強(qiáng)應(yīng)低于5×10-6mbar(1 mbar=102Pa)，待機(jī)狀態(tài)低于10-6mbar[3-8]。加速器真空腔內(nèi)的真空度差會(huì)縮短電子槍燈絲和離子泵的使用壽命，對(duì)劑量率和能量等性能參數(shù)具有一定影響[9-10]。當(dāng)真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障連鎖時(shí)直接導(dǎo)致加速器停機(jī)，且維修耗時(shí)較長(zhǎng)，尤其是真空完全釋放后重建真空至少需要10 h以上，因此提高真空故障原因判斷的準(zhǔn)確性和掌握正確的維修方法對(duì)于提升維修效率，降低設(shè)備的故障停機(jī)時(shí)間具有重要作用[11]。

通過(guò)分析高能直線加速器真空系統(tǒng)原理，分析真空系統(tǒng)常見(jiàn)故障和原因，總結(jié)兩例序列號(hào)在151552后的Axesse和Synergy型直線加速器真空系統(tǒng)故障和維修案例，探討真空系統(tǒng)故障判斷和維修的常用方法，為同行提供參考。

1 高能直線加速器真空系統(tǒng)原理

1.1 加速器真空部件與真空腔結(jié)構(gòu)

醫(yī)科達(dá)高能直線加速器真空腔為密閉腔體，其由電子槍組件(electron gun)、加速管(accelerator waveguide)、微波輸入模式變換器(input mode transformer)、微波輸出模式變換器(output mode transformer)、微波輸入窗(input waveguide window)、微波輸出窗(output waveguide window)、飛行管組件(flight tube assembly)、X射線靶/電子窗組件(target/window assembly)、槍端離子泵以及靶端離子泵組件構(gòu)成。

1.2 高真空的建立與保持

高真空的建立分兩步進(jìn)行。使用外置渦輪分子泵將真空抽至低于10-4mbar(實(shí)際操作中為保護(hù)離子泵最好應(yīng)低于10-5mbar)，再由加速器槍端和靶端2個(gè)抽速為35 L/s的離子泵(二極鈦泵)繼續(xù)將真空抽至低于10-6mbar，真空建立后2個(gè)離子泵不間斷運(yùn)行，從而保持真空始終處于良好狀態(tài)[12]。

1.3 離子泵控制原理

(1)2個(gè)離子泵由離子泵控制器(ion pump control unite，IPCU)控制運(yùn)行，其包含2個(gè)為離子泵提供5 kV的高壓直流電源，通過(guò)高壓電纜分別給槍靶端的離子泵供電，由于2個(gè)電源輸出參數(shù)不同，故槍靶端電源不建議交換，其電源輸出參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 IPCU電源輸出參數(shù)

(2)IPCU具有工作和保護(hù)兩種運(yùn)行模式，工作模式下正常為離子泵提供電源。當(dāng)IPCU檢測(cè)到輸出電流大于閾值時(shí)間持續(xù)2 s以上時(shí)進(jìn)入保護(hù)模式，即停止向離子泵提供高壓電源，其槍靶端電流閾值分別為8 mA和16 mA。

1.4 加速器控制器系統(tǒng)對(duì)真空系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制

加速器軟件系統(tǒng)對(duì)真空系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制采用項(xiàng)目(item)形式進(jìn)行管理，共有11個(gè)item，分別為i227、i228、i238、i239、i240、i241、i486、i487、i491、i492及i493。其中i227和i228是以10為底的指數(shù)形式顯示槍端和靶端真空腔壓強(qiáng)值，如i228 Vac Targ顯示值為-6.3，表示靶端真空腔壓強(qiáng)值為10-6.3mbar；其余item用于連鎖(interlock)和控制，連鎖機(jī)制和控制原理見(jiàn)圖1。

圖1 真空系統(tǒng)連鎖機(jī)制和控制

2 高能直線加速器真空故障案例

2.1 故障一

(1)故障現(xiàn)象。一臺(tái)Axesse型直線加速器(瑞典醫(yī)科達(dá)公司)在正常治療患者過(guò)程中，其治療控制系統(tǒng)(treatment control system，TCS)報(bào)故障代碼“10-5Trp T”，加速器運(yùn)行中斷(interrupted)，暫停治療，等待約2 min顯示故障代碼變?yōu)椤?0-4Trp T”。IPCU上槍端和靶端LED指示燈每4 s閃爍8次。

(2)故障分析。分析槍端和靶端的LED指示燈每4 s閃爍8次，判斷為電流過(guò)載，離子泵電源進(jìn)入保護(hù)模式。2個(gè)離子泵電源均出現(xiàn)電流過(guò)載情況，懷疑真空腔泄漏導(dǎo)致壓強(qiáng)高于設(shè)定閾值。

(3)故障排除。①使用渦輪分子泵輔助排查有無(wú)明顯的真空泄漏，先啟動(dòng)分子泵查看是否可在正常啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大速度，觀察在4 min時(shí)達(dá)到最大速度且啟動(dòng)正常(由于真空未完全釋放，完全釋放情況下啟動(dòng)時(shí)間約7～10 min左右)，表明真空腔不存在明顯的真空泄漏；②使用丙酮輔助排查真空腔各部件連接處是否有真空微漏情況。先將真空抽至10-4mbar以下，啟動(dòng)離子泵，分別在輸入窗、輸出窗、隔離閥、離子泵接口和波紋管接口處噴灑丙酮，觀察i227 Vac gun和i228 Vac targ真空壓強(qiáng)值均無(wú)增大跡象，表明當(dāng)前狀態(tài)下各個(gè)真空接口處無(wú)微漏情況；③排空波導(dǎo)內(nèi)六氟化硫氣體，觀察i227 Vac gun和i228 Vac targ值均無(wú)明顯變化，表明輸入窗和輸出窗內(nèi)陶瓷隔離窗不存在真空微漏情況。以上檢測(cè)反應(yīng)了各真空部件在靜止?fàn)顟B(tài)下的情況，在真空部件中波紋管和飛行管可以運(yùn)動(dòng)，因此排查部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)真空泄漏。在電子線和X射線之間進(jìn)行切換，同時(shí)觀察i228 Vac targ值的變化情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波紋管移動(dòng)時(shí)i228 Vac targ值明顯增大，隨后i227 Vac gun值也逐漸增大，因此表明波紋管本身或接口處存在真空泄漏。

(4)故障處理。檢查波紋管3個(gè)接口處的密封圈均未更換，考慮到該加速器已使用4年，判斷密封圈老化導(dǎo)致真空泄漏的可能性較大，由于無(wú)新波紋管備件，先考慮更換密封圈，先釋放真空，將真空腔內(nèi)充滿高純度的氮?dú)?氮?dú)饧兌雀哂?9.99%)，拆下波紋管和密封圈發(fā)現(xiàn)密封圈均嚴(yán)重老化(見(jiàn)圖2)[13-14]；更換3個(gè)密封圈，再安裝好波紋管并重建真空后再次進(jìn)行測(cè)試，故障排除。

圖2 波紋管和密封圈

2.2 故障二

(1)故障現(xiàn)象。一臺(tái)Synergy型直線加速器(瑞典醫(yī)科達(dá)公司)開(kāi)機(jī)時(shí)報(bào)錯(cuò)10-4trp G，IPCU靶端LED指示燈常亮，槍端LED指示燈每隔4 s閃爍9次，TCS上靶端真空值i228為-6.77，i227為-4.28。

(2)故障分析。IPCU上靶端離子泵電源指示燈常亮，意為靶端電源工作正常；槍端LED指示燈每隔4 s閃爍9次，意為離子泵高壓電壓低于1.25 kVdc。因此，判斷真空腔內(nèi)真空正常，故障原因可能為槍端高壓電纜、槍端離子泵或離子泵電源故障。

(3)故障排除。遵循先易后難的排查順序先檢查高壓電纜，關(guān)閉槍端離子泵電源，將高壓電纜兩端分別從離子泵電源和離子泵上拆下，觀察高壓電纜離子泵一端的接頭被高壓擊穿(見(jiàn)圖3)。

圖3 高壓電纜接頭擊穿情況

(4)故障處理。更換槍端離子泵高壓電纜，重啟槍端離子泵電源，故障排除。

3 總結(jié)

醫(yī)科達(dá)高能直線加速器真空系統(tǒng)常見(jiàn)故障報(bào)錯(cuò)代碼有10-4trp G、10-4trp T、10-5trp G和10-5trp T，其故障原因主要有兩類(lèi)：①真空腔內(nèi)壓強(qiáng)增高，超過(guò)設(shè)定閾值；②離子泵控制器、高壓電纜和離子泵等故障引起控制系統(tǒng)檢測(cè)到錯(cuò)誤的真空壓強(qiáng)值或觸發(fā)IPCU內(nèi)部連鎖。

真空腔內(nèi)壓強(qiáng)增高的原因主要有兩種：①真空組件中的蒸氣、液體、氣體或固體的排氣引起；②真空腔有泄漏點(diǎn)導(dǎo)致空氣和濕氣進(jìn)入到真空腔。當(dāng)故障檢修時(shí)，真空部件排氣引起的真空腔壓強(qiáng)值增加，通常無(wú)需特殊處理，離子泵能夠緩慢抽走排除的氣體，而真空腔泄漏則必須經(jīng)維修處理將漏點(diǎn)排除。真空腔泄漏有高壓泄漏和低壓泄漏兩種情況，高壓泄漏往往因維修過(guò)程中某些真空部件安裝密封不到位而引起，可采用渦輪分子泵輔助判斷；低壓泄漏的常見(jiàn)原因?yàn)槊芊馊匣?，?dǎo)致真空部件連接處密封不好，常見(jiàn)表現(xiàn)為槍端(i227)和靶端(i228)兩端或其中一端壓強(qiáng)值高、治療中真空出現(xiàn)波動(dòng)等。低壓泄漏的漏點(diǎn)檢測(cè)可采用丙酮、異丙醇等高揮發(fā)性溶液噴灑在疑似泄漏點(diǎn)，觀察真空腔壓強(qiáng)值的變化情況幫助判斷。如果故障因高壓電纜擊穿、離子泵內(nèi)部短路、高壓電壓接觸不良、IPCU故障以及離子泵有效壽命結(jié)束等[15]引起，可充分利用離子泵控制器LED指示燈提供故障信息進(jìn)行逐一排查。

真空系統(tǒng)在故障維修過(guò)程中應(yīng)做好真空腔內(nèi)各部件的保護(hù)工作，避免造成真空污染，導(dǎo)致重建真空困難或真空壓力不達(dá)標(biāo)。此外，接觸真空部件時(shí)需配帶手套，盡量減少真空部件暴露在空氣中的時(shí)間，在維修拆波紋管前應(yīng)在真空腔內(nèi)充滿干燥的高純度氮?dú)?，避免空氣進(jìn)入真空腔，同時(shí)真空系統(tǒng)日常維護(hù)還需要控制機(jī)房濕度在正常范圍內(nèi)，離子泵需要不間斷運(yùn)行，如出現(xiàn)停電情況，在電力恢復(fù)后應(yīng)及時(shí)確認(rèn)離子泵是否正常啟動(dòng)，真空壓強(qiáng)是否恢復(fù)正常[16]。熟練掌握真空系統(tǒng)的工作原理，了解常見(jiàn)故障并總結(jié)其故障原因和維修方法，有助于提高加速器真空系統(tǒng)故障維修效率，減少設(shè)備因故障停機(jī)的時(shí)間，使患者能夠得到及時(shí)的治療。