西門(mén)子加速器劑量率連鎖故障維修二例

王熙彬

江西省豐城市人民醫(yī)院 （江西豐城 331100）

放射治療是惡性腫瘤最重要的治療手段之一，約有70%的腫瘤患者在不同時(shí)期因不同原因需要接受放射治療[1]。醫(yī)用直線加速器作為放射治療的重要設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于臨床。我院于2007 年引進(jìn)西門(mén)子Primus M 直線加速器，至今已運(yùn)行15 年，設(shè)備不可避免地出現(xiàn)損耗、老化，故障頻發(fā)。本研究主要介紹了2 例不同原因引起的劑量率連鎖故障及維修排查過(guò)程，并總結(jié)了維修要點(diǎn)與方法，供同行借鑒，為日常故障分析與維修提供思路。

1 基本原理

醫(yī)用電子直線加速器一般由加速管、微波功率源、微波傳輸系統(tǒng)、電子注入系統(tǒng)、脈沖調(diào)制系統(tǒng)、束流系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、恒溫水冷系統(tǒng)、電源分配控制系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成[2]。加速管是醫(yī)用直線加速器的核心部件，主要作用是利用磁控管產(chǎn)生的微波（頻率約2 998 MHz），耦合送入加速管，在加速腔內(nèi)，微波將電子槍產(chǎn)生的具有一定初速度的電子束加速至接近光速，經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵的轉(zhuǎn)向和能量選擇后，電子束打靶產(chǎn)生X 線，再將產(chǎn)生的X 線經(jīng)均整、適形、電離室監(jiān)測(cè)等處理，得到符合要求的X 線，用于放射治療。

1.1 電子槍注入器工作原理

注入器系統(tǒng)是加速器的核心系統(tǒng)之一。注入射出具有一定初速度的電子束流到波導(dǎo)管，經(jīng)微波加速形成高速電子流，當(dāng)高速電子流撞擊金屬靶時(shí)產(chǎn)生射線[3]。注入器主要由電子槍燈絲電源電路、柵極—陰極偏壓電路、柵極脈沖電路、陰極高壓電源及各部分相應(yīng)的控制電路組成。燈絲電源提供+5～6 V 的電源，用以加熱處于電子槍陰極高壓負(fù)端的燈絲。對(duì)于電子槍陰極高壓，燈絲兩端是等電位的；對(duì)于加熱電壓，燈絲兩端是不等位的。因此，可得到所需的加熱電流。機(jī)器在待機(jī)時(shí)，直流柵極—陰極偏壓電路在柵—陰極之間形成-135 V 偏壓，截流電子束，使電子束關(guān)閉；當(dāng)機(jī)器出束時(shí)，控制電路產(chǎn)生幅寬5 μs 的觸發(fā)脈沖（INJ-T），電子槍柵極加上0～+340 V 脈沖電壓，開(kāi)啟電子槍，脈沖幅度越大，電子槍電流越大。電子槍陰極高壓電源給電子槍陰極提供11～12 kV 的負(fù)高壓，使電子束以一定的初速度注入波導(dǎo)管（圖1）。

圖1 注入器原理圖

1.2 高壓電路工作原理

穩(wěn)壓三相交流電（208 V AC）經(jīng)過(guò)空開(kāi)CB2，送往高壓變壓器。在電源送進(jìn)高壓變壓器初級(jí)前，需經(jīng)過(guò)高壓變壓器3 個(gè)抽頭（TAP）選擇繼電器L（K3）、M（K4）、H（K5），以及高壓使能控制繼電器K1 和K2。其中K1 繼電器3 個(gè)輸出端串聯(lián)有3 個(gè)100 Ω（50 W）的電阻，其作用是在接到H.V ON （高壓?jiǎn)?dòng)打開(kāi)）的信號(hào)后2 s 內(nèi)導(dǎo)通，使高壓變壓器軟啟動(dòng)，防止高壓變壓器初級(jí)導(dǎo)通瞬間電流過(guò)大。在2 s 后，由K2 接替K1 工作，K1 退出工作。在高壓變壓器T1 工作時(shí)，次級(jí)將產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后電壓約+14 kV，通過(guò)高壓電纜送往調(diào)制柜，高壓直流電源經(jīng)充電電感（Choke）和充電二極管串對(duì)PFN 充電。經(jīng)PFN 及DQ 閘流管控制，輸出高壓送往脈沖變壓器，1‥4 升壓后整流成脈沖直流電壓，供給磁控管作為工作電源（圖2）。

圖2 部分高壓形成電路圖

2 故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

直線加速器在工作過(guò)程中出現(xiàn)異響，加速器控制屏主界面出現(xiàn)#12、#54 等聯(lián)鎖，加速器不出束，鍵盤(pán)鑰匙復(fù)位后，重新準(zhǔn)備出束，無(wú)劑量輸出，加速器停機(jī)。

2.1.2 故障分析

加速器不出束、無(wú)劑量輸出、劑量率為零，所涉及的系統(tǒng)可能有調(diào)制器系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、槍注入系統(tǒng)、束流檢測(cè)系統(tǒng)等。其中，涉及高壓放電的部分有高壓變壓器、脈沖變壓器、磁控管、閘流管及槍高壓等，需用示波器逐一排查各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)工作波形判斷故障位置。將位于S33 的3 塊硬件聯(lián)鎖板上的6 個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)全部上撥，旁路掉所有硬件聯(lián)鎖，再旁路掉所有軟件連鎖。在出束狀態(tài)下用示波器逐一查看磁控管陽(yáng)極電流（Pulse I）、反射波（Reflect）、注入器電流（INJ-I）、高壓充電電流（Charge I）信號(hào)波形。Pulse I 波形顯示正常，由此判斷Charge I 為正常，排除高壓產(chǎn)生電路故障；Reflect 反射波形顯示不正常，軟件參數(shù)表中動(dòng)頻率控制監(jiān)測(cè)值（AFCM）反饋異常且數(shù)值跳變，需逐一排查自動(dòng)頻率控制電路（AFC）、反饋、調(diào)諧電路，查看注入器INJ-I 波形，波形不正常，考慮注入器損壞。

2.1.3 故障處理

首先，靜態(tài)測(cè)量高低壓板上的工作電壓，槍高壓板燈絲電壓、柵極電壓分別為+5 V 和-135 V，均為正常值；測(cè)量高壓板上TP4 INJ-I 電壓為0 V（正常值約為+190 V，因INJ I 編程值不同而有所差異），測(cè)量低壓板Q3 漏極電壓為0 V（正常值約為+600 V），可確認(rèn)低壓板有器件損壞；在更換新低壓板后，需在出束狀態(tài)下測(cè)量高壓值，由于測(cè)量高壓值是在加速器工作狀態(tài)下進(jìn)行的，為確保維修人員安全，可用手機(jī)攝像觀看測(cè)量過(guò)程，具體操作如下：將萬(wàn)用表正負(fù)表筆夾在低壓板R50 兩端（R50 系槍高壓取樣電阻），放置好手機(jī)攝像，維修人員在外操作，停止出束后，查看手機(jī)視頻，觀察發(fā)現(xiàn)未測(cè)量到電壓值，而正常狀態(tài)兩端的直流電壓為4.2 V 左右，確認(rèn)高壓板出現(xiàn)故障；更換高壓板和低壓板后，測(cè)量INJ-I 波形，波形仍不正常，AFC 波形不正常、AFCM 反饋不正常且數(shù)值跳變，分析可能計(jì)算機(jī)的編程值未通過(guò)低壓板和光纖輸送到高壓板（此功能由G32C PC2 DF/FD 板實(shí)現(xiàn)）；對(duì)此板進(jìn)行更換后，INJ-I 波形恢復(fù)正常，但AFC波形與AFCM 反饋值仍不正常，分析可能注入器打火，打火信號(hào)跟隨機(jī)器的時(shí)鐘信號(hào)竄入所有帶時(shí)鐘信號(hào)的板子，造成帶有時(shí)鐘信號(hào)的板子（S34 Trigger A 、S34 Trigger B、G32 B Slave Clock）損壞；依次更換上述3 塊電路板，再次觀察AFC 波形，此時(shí)波形正常，AFCM 反饋值正常，加速器有束流輸出，優(yōu)化調(diào)整INJ-I 值、PFN 值，使X 線劑量率穩(wěn)定在200 MU/min，加速器恢復(fù)正常。

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

直線加速器在工作過(guò)程中出現(xiàn)異響，加速器控制屏主界面出現(xiàn)#12、#54 等聯(lián)鎖，加速器不出束，鍵盤(pán)鑰匙復(fù)位后，重新準(zhǔn)備出束，無(wú)劑量輸出，加速器停機(jī)。

2.2.2 故障處理

故障分析同故障1。旁路掉所有的硬件和軟件聯(lián)鎖，在機(jī)器出束狀態(tài)下觀察各系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)波形以確定故障點(diǎn)。首先，用示波器測(cè)量INJ-I，波形正常，排除注入器問(wèn)題，繼續(xù)測(cè)量Pulse I、Reflect、Charge I，均未測(cè)量到，由此判斷磁控管陽(yáng)極無(wú)高壓電壓輸入，確定問(wèn)題出在高壓形成電路、高壓傳輸電路，以及磁控管及其控制電路；維修期間，發(fā)現(xiàn)空開(kāi)CB2 跳閘，將CB2 恢復(fù)后出束，故障未解除，CB2 仍出現(xiàn)跳閘；為確定故障在調(diào)制柜還是在高壓變壓器側(cè)，斷開(kāi)高壓電纜與CHOKE 的連接，試機(jī)，CB2 跳閘，由此判斷故障在高壓變壓器及其附屬電路；按照“先易后難”原則，對(duì)可能發(fā)生故障的部件逐一進(jìn)行排除，在軟件上改變高壓變壓器初級(jí)繞組TAP 抽頭，試機(jī)，CB2 跳閘，排除TAP 選擇繼電器問(wèn)題，繼續(xù)更換K1、K2，試機(jī)，CB2 跳閘，排除高壓使能繼電器問(wèn)題，將高壓電纜與高壓變壓器接頭斷開(kāi)，試機(jī)，CB2 跳閘，排除高壓電纜問(wèn)題，拆下6 個(gè)高壓二極管，用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量高壓二極管（圖3）的正反向電阻（正向電阻應(yīng)大于100 MΩ，反向電阻無(wú)窮大），發(fā)現(xiàn)1 個(gè)高壓二極管雙向完全導(dǎo)通，確定為高壓擊穿；更換高壓二極管后，加速器恢復(fù)正常。

圖3 高壓變壓器輸出整流濾波流分圖

3 總結(jié)

上述兩個(gè)維修案例，雖都是報(bào)同樣的劑量率聯(lián)鎖，但發(fā)生故障的部件卻不一樣。其中涉及的系統(tǒng)較多，排查內(nèi)容煩瑣，在整個(gè)過(guò)程中更需要理清頭緒，有條理地分析故障發(fā)生機(jī)制，進(jìn)行分段檢查，仔細(xì)分析電路，利用一些關(guān)鍵點(diǎn)的電壓、波形來(lái)確定、逐步縮小故障范圍，及時(shí)找到故障的源頭，并予以排除。

注入器放電打火，損壞多塊電路板，維修周期長(zhǎng)，會(huì)造成社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益雙重?fù)p失。而高壓電路由于工作電壓高、電流大，在維修過(guò)程中要特別注意維修人員的人身安全和對(duì)機(jī)器的保護(hù)，不要輕易去除保護(hù)電路，避免故障擴(kuò)大和損壞更多配件；在排除故障的同時(shí)，平時(shí)工作中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)加速器的維護(hù)和保養(yǎng)，特別注意對(duì)加速器中水、電、氣及油路的檢查，防微杜漸，及時(shí)排除小問(wèn)題，避免大故障。