TR19型回旋加速器射頻系統故障分析解決3例

孫傳金，吉蘅山，王新剛，朱虹

南京軍區南京總醫院 核醫學科，江蘇南京 210002

TR19型回旋加速器射頻系統故障分析解決3例

孫傳金，吉蘅山，王新剛，朱虹

南京軍區南京總醫院 核醫學科，江蘇南京 210002

目的通過對回旋加速器射頻的3例故障進行分析，找到原因，排除故障并總結預防措施，以期減少故障率的發生，提高設備穩定性。方法通過我院2012～2015年發生的3次射頻的疑難故障情況，分析其發生原因，進行維護和針對性預防。結果通過更換設備配件，改善日常運行條件，深入維修，解決了這幾例疑難問題，并總結了相關經驗。結論回旋加速器系統復雜，疑難故障較多，有的故障原因很簡單但很難找到，有的必須深入底層電路，根據原理詳細分析，仔細查找，做好分析提出針對性預防措施，可以避免回旋加速器出現不必要的故障。

回旋加速器；射頻；離子源；冷卻系統；射頻信號

引言

振蕩加速高電壓，是回旋加速器中關鍵而復雜的系統，具有在回旋加速器中被加速的束流提供加速電場，使其每旋轉一次給予離子能量躍沖，以及從離子源中拉出離子的功能[4-7]。

正電子發射型計算機斷層掃描儀/CT（Positron Emission Computed Tomography/CT，PET/CT）是目前核醫學界內較高端的影像設備，其對臨床診療及療效判斷起到重要的作用，是評價良惡性病變的重要手段[1-2]。正電子藥物是由回旋加速器和化學合成模塊等經系列化學反應合成[3]，回旋加速器是生產正電子藥物的關鍵設備，其系統組成復雜、造價高、設備故障較多。目前國內使用的商業化回旋加速器均是國外研制生產，特別是其射頻部分一直是維修的重點和難點。回旋加速器的射頻系統產生回旋加速器的高頻

加拿大Ebco公司TR19型回旋加速器，目前國內僅有兩臺，其射頻系統相對與其他型號有所區別，頻率相對較低，維修起來參考資料較少。本文根據發生的3例故障，進行分析排除解決，以期做好預防，減少故障率的發生。

1 基本原理與結構

1.1 設備基本情況

該設備屬于小型醫用等時性回旋加速器，型號為TR19，粒子能量14～19 MeV（可調），理論最大束流150 μA，設備為2004年從加拿大Ebco公司（現更名為Acsi）進口。

1.2 設備工作原理

在回旋加速器中心部位的離子源經高壓而使氣體電離發射粒子束流，該粒子束流在稱為Dee的半圓弧電極盒（簡稱D型盒）中運動。在磁場和電場的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的軌道中運動飛行。設粒子Q的質量為m，所帶電荷為q，所具的運動速度V，磁場強度為B，粒子受到的洛侖茲力F=BqV，粒子運行軌道的圓周半徑r與洛侖茲力F關系為F=mV2/r，加速粒子的能量E=mV2/2=B2q2r2/2m。在回旋加速器中心區域，粒子被拉出后經電場的加速而獲得較低的初速度，同時，磁場也對這些粒子產生作用，兩種場作用的結果是粒子在“D”型盒間隙內按螺旋軌道飛行。帶電粒子經多次加速后，圓周軌道半徑達到最大并獲得最大的能量，在該點處粒子將被束流提取裝置提取引出[8-14]。設備工作原理，見圖1。

圖1 回旋加速器工作基本原理簡圖

結構上，回旋加速器主要由7個系統來支持：離子源系統、射頻系統（Radio Frequency，RF）、磁場、引出系統、冷卻系統、真空系統和控制系統等。加速器組成系統，見圖2。

圖2 加速器組成系統圖

TR19的射頻系統參數配置如下：Dee盒數量2個（45°），Dee電壓50 kV；25 kV(氘核模式)，RF頻率-74 MHz；功率15 kW，粒子轉一圈能量增加200 keV。主要有以下部分組成：信號發生器、固態放大器（驅動級）、射頻功率放大器、控制器、同軸傳輸管路、諧振腔以及反饋控制電路[15]。TR19射頻組成系統圖，見圖3。

圖3 TR19射頻組成系統圖

2 故障實例

2.1 故障一

2.1.1 故障現象

點擊射頻開啟start后，射頻反復打火，Dee電壓不能加載。系統報錯“RF failure”。

2.1.2 故障分析

TR19射頻系統包含射頻信號發生器、驅動器、放大器以及諧振腔。任何一部分出現故障都會導致射頻信號無法加載。出現反復打火通常會因為驅動級反射功率過大，放大器表面臟或者有水導致放電，諧振腔內的真空較差導致反復打火，也有可能與冷卻水溫度過高有關系。放大器腔體內構造，見圖4。

圖4 放大器腔體內構造

2.1.3 故障排除

首先確認諧振腔內真空情況，真空度為0.3×10-6Torr，屬于良好范圍。檢查驅動級電路工作正常，同時檢查房間內溫濕度（溫度22℃，濕度60%）也會屬于正常范圍。檢查放大級電路，表面無冷凝水，使用乙醇清潔放大管表面后，用壓縮空氣吹干，開啟RF測試，故障依然存在。將放大管陽極對地之間的絕緣層Kapton膜（聚酰亞胺薄膜）（圖4中紫色部分）拆下檢查發現有靠近底部由于放電打火產生一個燒焦點（擊穿小孔），不仔細觀察很難發現。更換新Kapton膜后，重新開啟RF，故障排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

開啟RF時，點擊RF start不能開啟射頻，放大器工作正常而且系統無報警。2.2.2 故障分析

射頻系統工作流程，見圖5。放大器、信號源均為正常開啟，點擊RF start會依次開啟驅動器、反饋檢測電路以及補償器，鑒相器會檢測諧振腔內信號相位與設定相位進行調節射頻信號。可能是控制器故障、驅動器工作不正常或者補償器不動作等原因造成的。

2.2.3 故障排除

圖5 射頻系統工作流程圖

檢查過程中信號源，放大器，驅動器等工作正常，用儀器測量傳輸信號的同軸電纜也未發現有異常。手動測試補償器馬達動作正常，再次開啟RF，發現放大管有功率輸出，但是無反饋信號，懷疑反饋檢測有問題，依次測量反饋電路的信號線以及檢測電路板均無損壞，找到反饋信號的可編程邏輯控制器（Programme Logic Controller，PLC）輸入接口發現有信號輸入，但是控制電腦上并無反饋。更換一塊新的PLC控制模塊，分步開啟射頻，發現開啟過程中，相位無變化，懷疑軟件故障，將控制電腦重啟和控制軟件，無效果。打開加速器電腦軟件程序表，發現電腦更新安裝360安全衛士，懷疑加速器的反饋信號受到新的360安全衛士阻斷。卸載360安全衛士后，重啟工作站。開機運行射頻，系統運行正常。

2.3 故障三

2.3.1 故障現象

開啟RF時，點擊RF start不能開啟射頻，經檢查發現固態放大器無功率輸出。

2.3.2 故障分析

檢查固態放大器發現，工作電壓正常，但是功率表指針不動。無法確定是固態放大器還是后級放大器故障，首先要排除固態放大器損壞，其次查找后級電路。該固態放大器最大功率600 W，日常使用功率為200～300 W，由雙路相同的放大電路組合成，通常只需要一路正常即可使系統工作。每一路有兩個功率射頻管BLF177，該管子最大功率150 W，工作電壓50 V。

2.3.3 故障排除

拆開固態放大器檢查，發現內部較臟，電路板上有一層黑色的碎屑，兩路放大電路中的50 Ω保護電阻（R16，R17）均燒壞，更換新的電阻，連接功率表開機后仍無功率輸出。懷疑放大芯片（Q3，Q4）BLF177損壞，更換4個新的BLF177后，開機測試，發現有功率輸出，但是最大只能達到200 W左右，測試只有一路工作正常，另一路不工作。經查詢網上和咨詢專業人員，要求在焊接BLF177時候需要預防靜電，否則容易導致損傷芯片，按照防靜電要求更換另一路新管子后，測試功率最大到480 W。裝機測試，射頻正常開啟。

3 討論

回旋加速器射頻部分結構系統非常復雜，故障點較多，不僅要注重配件的及時更換，也要注意設備的工作環境以及附屬設施工作狀態的好壞[16]。檢查維修過程中一定要注意細節。通過對TR19的射頻結構原理介紹，剖析故障相關的每個環節，熟悉放大管Kapton膜使用維護的注意事項，減少打火次數防止擊穿，了解加速器控制電腦軟件系統的使用要預防干擾，不要隨意安裝其他軟件。固態放大器日常使用過程中要定期清潔，檢查保護電阻是否損壞，保證兩個放大電路工作正常。在保障回旋加速器正常運行的同時，提高核素的生產效率，為臨床PET醫學檢查提供保障的同時節省回旋加速器的運行維護成本。

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本文編輯 劉峰

Analysis and Troubleshooting of Three Cases of TR19-Type Cyclotron Radio Frequency System Failures

SUN Chuan-jin, JI Heng-shan, WANG Xin-gang, ZHU Hong
Department of Nuclear Medicine, Nanjing General Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China

ObjectiveTo troubleshoot and summary the preventive measures of cyclotron radio frequency through analysis of three cases of failures, with the aim to reduce the occurrence rate of failure and improve equipment stability.MethodsWe selected three cases of cyclotron radio frequency failures in Nanjing General Hospital during 2012～2015, analyzed the reasons for maintenance and targeted prophylaxis.ResultsThrough replacing equipment parts, we improved the daily operation conditions, made in-depth repair, found out the solutions and summed up relevant experience.ConclusionThe cyclotron is complex and complicated failures happens frequently, for some, it’s easy to find out the reason, while for some, must go deep into the bottom circuit to make detailed analysis according to the principle. And then conduct careful search and put forward the preventive measures to avoid unnecessary failures.

cyclotron; radio frequency; ion source; cooling system; radio frequency signal

TL54+2.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.025

1674-1633(2017)03-0093-03

2016-08-12

2016-12-14

朱虹，主任醫師，研究方向為核醫學與影像醫學。

通訊作者郵箱：zh_zy@163.com