醫(yī)用單光子加速器加速管故障分析方法

馬蕾杰，徐丹丹，雷宏昌

1.鄭州大學附屬腫瘤醫(yī)院，河南省腫瘤醫(yī)院 放療科，河南 鄭州 450003；2.鄭州大學第一附屬醫(yī)院 放射治療部，河南 鄭州 450000

引言

現(xiàn)代醫(yī)用直線加速器按照采用的加速微波形態(tài)的特點，可分為行波和駐波直線加速器兩種。目前市面上，帶有兩檔X射線和多檔電子線的高能加速器中，瓦里安公司采用駐波加速，醫(yī)科達采用行波加速，兩家的電子槍和射線靶出現(xiàn)故障時均可以單獨維修，無需更換加速管。而且，單光子加速器的加速管均采用駐波加速，微波利用效率高，能量增益大[1]，加速長度短，可以直立安裝，無需偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。瓦里安公司的UNIQUE和600CD、醫(yī)科達公司的COMPACT、我國山東新華公司的600E等均為6 MV能量的低能加速器。此類型加速器的加速管與電子槍、離子泵和射線靶焊接加工為同一個組件，不可拆卸，其中任一部件出現(xiàn)問題均需維修甚至更換整個組件，這會將大幅增加更換加速管的概率，然而，加速管作為醫(yī)用加速器的核心部件，價格昂貴，可能增加醫(yī)院開支、造成經(jīng)濟負擔。本單位先后安裝4臺該類型機器，多次出現(xiàn)相關(guān)故障，現(xiàn)以瓦里安單光子加速器為例，系統(tǒng)總結(jié)此類加速管發(fā)生故障的原因，分析對應的維修方法，以期本文故障維修思路能對臨床工程師的工作提供參考價值。

1 駐波加速管的結(jié)構(gòu)和加速原理

駐波加速是指加速管的始端和末端都接短路面，使微波在加速管內(nèi)來回反射，如果加速管的長度合適，則反射波和入射波的相位相同，疊加形成駐波。駐波加速管由一系列相互耦合的諧振腔鏈組成，諧振腔鏈中心開孔讓電子通過，在腔中建立起隨時間振蕩的軸向電場，軸向電場的大小和方向隨時間交變，而振蕩的包絡線的最大值和零值則原地不動。如果能夠滿足同步條件，即電子渡越長度為D的腔體的時間等于微波振蕩周期的一半，電子就可以在駐波電場的作用下，沿軸線方向不斷得到加速，直至達到所需能量后被引出[2-3]。

目前廣泛應用的為邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)，即把工作在駐波狀態(tài)π/2模時只起耦合作用的腔從束流軸線上移開，移到加速腔的邊上，耦合腔留下的空間為加速腔所擴展占有，加速腔通過邊孔和耦合腔耦合，相鄰兩個加速腔相差180°，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。實際上，駐波加速管由電子槍、射線靶、離子泵、加速管波導、微波輸入陶瓷窗、水冷卻系統(tǒng)等組成，所有部件經(jīng)焊接成為一個整體，共用同一個離子泵來維持其工作所需的真空環(huán)境。

圖1 邊耦合駐波加速管結(jié)構(gòu)示意圖

2 駐波加速管故障種類與分析方法

基于故障樹分析法，將駐波加速管各種故障構(gòu)建故障樹[4]，可分為五大類：真空連鎖故障，射線靶故障，電子槍故障，微波輸入窗故障和水冷系統(tǒng)故障。具體故障樹見圖2。

圖2 駐波加速管故障原因故障樹

2.1 加速管內(nèi)部真空度下降

2.1.1 故障表現(xiàn)

出束時報真空連鎖，一般先報VAC2（加速管離子泵電流＞250 μA），停止出束后連鎖消失，或在出束時加速管真空度略有變化（0.05～0.3），不報真空連鎖，但在出束停止時突然增大，觸發(fā)VAC2連鎖，隨后此數(shù)值又慢慢下降，直至VAC2連鎖消失。隨著問題逐漸嚴重，VAC2連鎖不出束時也無法消除，直至出現(xiàn)VAC1（加速管離子泵電流＞700 μA）連鎖。

2.1.2 原因分析與處理

引起加速管內(nèi)真空度下降的因素有很多，主要包括：① 加速管組件加工焊接不致密導致長期使用后進氣；② 射線靶被擊穿導致進氣；③ 加速管長期使用后內(nèi)部分子大量沉積無法被抽出；④ 離子泵性能嚴重下降無法維持真空[5]。具體檢查時，VAC2連鎖參考電壓為2.5 VDC，1 V對應1 μA，ACL VAC值超過2.5 V便會觸發(fā)VAC2連鎖。測量真空電源板上TP2電壓為0，拔下加速管端離子泵插頭后，測TP2電壓為3.5 VDC，判斷加速管內(nèi)部實際真空度下降。為進一步確認，拔掉離子泵電源接頭，使用高壓測試棒測量其實際輸出電壓為3.65 kV，真空電源板上DS3指示綠燈亮，VAC2連鎖消失；而將離子泵電源插頭重新插入離子泵后，VAC2連鎖再次出現(xiàn)，可確定真空電源及其供電電路均正常，問題為加速管自身。

2.2 射線靶長期被電子轟擊，過熱導致表面凹凸不平，引發(fā)YLD連鎖頻繁出現(xiàn)而停機

2.2.1 故障表現(xiàn)

最初時出束劑量率低，維修模式下觀察發(fā)現(xiàn)靶電流數(shù)值不穩(wěn)定，隨出束時間增加而逐漸增加，逐漸嚴重后靶電流數(shù)值上下跳變，極其不穩(wěn)定，伴隨出現(xiàn)YLD連鎖，無法通過電路板參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)解決。

2.2.2 原因分析與處理

隨著治療技術(shù)的不斷進步，旋轉(zhuǎn)調(diào)強治療和單次大劑量的SBRT治療正在成為趨勢，單個治療野的照射時間變長，相鄰照射野的時間間隔變短，這會大大增加射線靶單位時間的產(chǎn)熱量。如果水冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)不佳，使其對射線靶的散熱量小于靶受電子流轟擊的產(chǎn)熱量[6-8]，此種狀態(tài)下長期工作最終導致射線靶面被轟擊至凹凸不平，引起出束時靶電流不穩(wěn)定，觸發(fā)YLD連鎖[9]。射線靶表面凹凸不平甚至被擊穿，無法修復，需更換加速管。

2.3 加速管組件內(nèi)部漏水

2.3.1 故障表現(xiàn)

治療擺位時發(fā)現(xiàn)治療機頭內(nèi)有水滴流出，觀察發(fā)現(xiàn)電離室表面有水漬，但設備未報任何連鎖。

2.3.2 原因分析與處理

冷卻水銅管環(huán)繞射線靶對其進行冷卻，如果內(nèi)循環(huán)水質(zhì)不好，長期工作會腐蝕銅管內(nèi)壁，疊加射線靶受轟擊未能及時冷卻導致靶周圍溫度升高，最終引起靶周圍銅管漏水[10-11]。由于該路銅水管在加速管內(nèi)部，無法修復處理，需更換加速管，更換后設備恢復正常運行。

2.4 電子槍高壓電纜接頭絕緣性能下降，絕緣橡膠插座被高壓擊穿

2.4.1 故障表現(xiàn)

射線一出束系統(tǒng)即報MOD連鎖。

2.4.2 原因分析與處理

MOD連鎖是由于高壓調(diào)制器負載短路引起放電回路負失配而觸發(fā)，負載包括磁控管和電子槍[12-13]。首先使用示波器觀察磁控管電流波形，發(fā)現(xiàn)電流大小正常，波形穩(wěn)定，排除磁控管打火可能性。關(guān)閉四個鉛門和多葉光柵，關(guān)閉治療室內(nèi)燈光，機器加高壓后在治療室內(nèi)觀察，發(fā)現(xiàn)電子槍高壓電纜接頭處打火，閃爍淡藍色火光。將電子槍高壓電纜插頭拔出，發(fā)現(xiàn)電纜插頭中間位置有一針眼大小圓孔，判斷為高壓放電擊穿所致。更換電子槍高壓電纜，更換后低劑量率試出束，仍報MOD連鎖。繼續(xù)檢查，發(fā)現(xiàn)高壓電纜插頭插入的電子槍端插座有問題，該插座與加速管加工為同一個組件，插座外圍由不銹鋼金屬包裹，內(nèi)層為白色耐高壓絕緣橡膠，拆下金屬外殼后，絕緣橡膠中間位置也有一小孔，與高壓電纜插頭的小孔處對應[14]。嘗試對擊穿的小孔進行絕緣處理，先將小孔及其周圍清理干凈，使用耐壓值很高的704硅橡膠（高壓擊穿強度為15 kV/mm）填充高壓擊穿小孔處，24 h硅橡膠可固化2～4 mm，達到耐壓要求，然后在其外圍包裹高壓絕緣膠布。嘗試以此方法處理后若不再報MOD連鎖并可正常使用，認為修復成功，若仍未能解決問題，更換加速管組件。

2.5 加速管或射線靶的冷卻水銅管長期使用后內(nèi)徑變細，導致冷卻水流量變小，觸發(fā)FLOW連鎖

2.5.1 故障表現(xiàn)

治療時報FLOW連鎖，F(xiàn)LOW/AFC Buffer PCB上DS5紅燈亮，對應射線靶冷卻水流量傳感器數(shù)值為18 Hz。而設定值下限為20 Hz。

2.5.2 原因分析與處理

水流量傳感器將水流量通過電磁感應轉(zhuǎn)換為電信號被采集，長期工作后內(nèi)部雜質(zhì)增多，導致葉輪旋轉(zhuǎn)速度變慢甚至停轉(zhuǎn)[15-16]。更換該路水流量傳感器，并將射線靶一路的水管閥門開至最大，現(xiàn)象依舊。斷開加速管組件內(nèi)的射線靶冷卻銅管，使用一段相同管徑和接頭的水管短接供水兩端，水流量傳感器數(shù)值升至33 Hz，判斷加速管端冷卻銅水管有問題。首先懷疑銅管內(nèi)壁附著大顆粒異物阻塞水路，引起水流量降低，嘗試使用空氣壓縮機向銅管一端吹入一定壓強的空氣，反復調(diào)節(jié)氣壓，未見有異物從另一端排出。使用手電筒檢查發(fā)現(xiàn)銅管內(nèi)壁被腐蝕形成銅綠層，導致銅管內(nèi)徑變細，嘗試使用5%的鹽酸溶液泵入銅管內(nèi)除銹，除銹的同時會傷害銅管內(nèi)壁，要控制好循環(huán)時間。若無法清理修復，更換加速管組件。

3 單光子加速管更換步驟及質(zhì)控內(nèi)容

3.1 更換步驟

第一，更換前需先將Primary Power Distribution PCB上Gun Filament值調(diào)至0；第二，機架270°時放出六氟化硫并用袋子排出至室外空曠處；第三，關(guān)閉水泵電源開關(guān)，分別擰開供給加速管和射線靶的兩路冷卻水管；第四，機架旋轉(zhuǎn)至0，鎖定機架，拆卸加速管組件外圍多層鉛塊并更換加速管；第五，更換新加速管組件后，重新注入六氟化硫至32 psi，逐步升高Gun Filament值，以1.0為一個刻度，每升一個刻度后ACL VAC值都會升高，待該值下降至0.5以下后再提高至下一刻度[17]，直至升高至Gun Filament標稱電壓值6.9 V。

3.2 質(zhì)控內(nèi)容

待真空狀態(tài)穩(wěn)定后出束，使用三維水箱先測量40 cm×40 cm射野離軸比曲線，獲取射野平坦度和對稱性，調(diào)節(jié)加速管外圍三個螺絲可以改變加速管位置[18]，使射野平坦度和對稱性與加速器驗收測試及計劃系統(tǒng)擬合數(shù)據(jù)相符；測量射野中心軸PDD曲線，SSD=100 cm，要求最大劑量深度為1.5 cm±0.15 cm，PDD10為67%±1%。能量指標通常能夠符合要求，如有需要，調(diào)節(jié)Yield Servo PCB（版本號為100019291）上DQ參考電位器R7可改變PFN工作電壓，從而改變磁控管工作電流，從90 A到105 A可實現(xiàn)1%～3%的能量變化。最后，在標準條件下校準絕對劑量，完成更換工作。

4 討論

加速管作為醫(yī)用加速器的核心部件，價格昂貴，一旦發(fā)生故障需要更換，幾十萬甚至上百萬的配件費用，對醫(yī)院來說是一筆巨大的開支。本文總結(jié)加速管的各種故障表現(xiàn)，分析原因并采取相應的保護和預防措施，最大程度延長加速管的使用壽命，對設備本身具有重要意義。另外，在社會效益方面，可以避免較長時間的停機，保證患者的正常治療；在經(jīng)濟效益方面，可以為醫(yī)院減少設備使用成本。

從概率來講，故障多為真空連鎖或射線靶凹凸不平導致YLD連鎖，占比70%以上。加速管和磁控管的幾何尺寸依靠冷卻水恒溫保證，溫度的波動會造成金屬因熱膨脹尺寸變化，進而使其諧振腔空間尺寸發(fā)生變化[19]。冷卻水流量偏低，輕則造成機器輸出劑量率不穩(wěn)定，重則導致這些貴重器件損壞，內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)對加速管和射線靶的散熱能力非常重要。

電子轟擊金屬靶，所產(chǎn)生的X射線輻射效率僅為5%～6%，其余大部分能量均轉(zhuǎn)化為熱能被水冷系統(tǒng)帶走，機器輸出相同的劑量率，X線輻射所需的加速流強要比電子輻射大3個數(shù)量級[15]。根據(jù)不同能量的X線輻射情況，X輻射劑量率Jx經(jīng)驗計算公式為：Jx=0.067iVn（cGy/min.m），其中Jx與電子束平均束流強度i成正比，與束流能量V的n次方成正比（2＜n＜3）。由此公式推算可知，要達到相同劑量率，6 MV X射線的電子槍發(fā)射電流比10 MV以上能量的X射線又要高一個數(shù)量級。6 MV作為單光子加速器的通用能量，其電子槍輸出功率更大，產(chǎn)熱量更高，需要更好的冷卻條件才能保證其穩(wěn)定工作。

綜上，對于醫(yī)用單光子加速器，建議采取的有效預防措施，主要包括以下幾點：① 射線靶的產(chǎn)熱量與劑量率正相關(guān)，長期使用最高劑量率進行治療更易引起射線靶損壞，導致更換整個加速管組件，建議使用中間檔劑量率進行治療；② 每月檢查用于冷卻加速管和射線靶的內(nèi)循環(huán)水流量數(shù)值，若低于正常值要及時檢查處理。另外，可調(diào)大此路水流量控制閥門，調(diào)節(jié)FLOW/AFC Buffer PCB上電位器R70，提高觸發(fā)FLOW連鎖下限設定值，若有問題可及早發(fā)現(xiàn)；③ 為避免冷卻水銅管內(nèi)壁形成水垢層導致內(nèi)徑變細，水流量變小，建議提高內(nèi)循環(huán)水更換頻次，使用蒸餾水或經(jīng)多重過濾的軟化水，更換水的同時按比例加入廠家專用防垢劑，更換內(nèi)循環(huán)水濾芯，清洗金屬過濾網(wǎng)，保證優(yōu)良水質(zhì)；④ 每日檢查外循環(huán)水冷機工作狀態(tài)，檢查內(nèi)循環(huán)水溫和水壓，發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常及時處理；⑤ 每周打印晨檢記錄，對重要參數(shù)進行對比分析，如出束時加速管真空度和靶電流數(shù)值的變化規(guī)律，可以提早發(fā)現(xiàn)故障隱患，保證機器長期處于好的運行狀態(tài)。