瓦里安2300CD偏轉電源隱性故障維修分析

唐志全,曾勇,蘇善寧

1.四川大學華西醫院腫瘤中心-生物治療國家重點實驗室-放射物理技術中心,四川 成都 610041;2.廣西玉林市紅十字會醫院 腫瘤科,廣西 玉林 537000

瓦里安2300CD偏轉電源隱性故障維修分析

唐志全1,曾勇2,蘇善寧2

1.四川大學華西醫院腫瘤中心-生物治療國家重點實驗室-放射物理技術中心,四川 成都 610041;2.廣西玉林市紅十字會醫院 腫瘤科,廣西 玉林 537000

目的本文通過分析瓦里安2300CD加速器的一例偏轉電源隱性故障,探討瓦里安高能加速器的能量穩定機制以及該類加速器偏轉系統的維護維修方法.方法從機器物理和電子工程雙重角度,系統分析瓦里安 C-系列高能直線加速器的偏轉磁鐵構成、偏轉電流的編程機制以及機內監測連鎖機制、金屬線圈的電阻溫度效應、偏轉電源的阻抗匹配.歸納總結偏轉系統機器物理方面的難點以及易被疏忽之處.結果偏轉系統不僅是能量篩選機構而且也是能量穩定機制,能量的輕微變化即可導致劑量學對稱性外顯參數的較大偏差,對稱性合標則能量一定合標.校準檢查序列和關斷導向伺服可將劑量學連鎖從劑量學故障中排除.暫停水冷機試驗可以判斷偏轉線圈是否超溫.結論BMAG連鎖屬于冗余設置,即使偏轉系統出現隱性故障,對稱性連鎖能屏障劑量學風險.

放射治療;加速器;劑量學;連鎖;偏轉電源;隱性故障;阻抗匹配

引言

美國瓦里安公司生產的高能直線加速器在放射治療中應用廣泛,該類加速器采用駐波加速,包含2檔X輻射能量和6檔電子線能量.Varian 2300CD加速器是1996年代開始生產的一款機型,該機性能穩定,故障率相對較低.

高能加速器由于加速管長度達1～2 m,所以將加速管水平裝配.為了將與病人臥姿平行的束流方向改變為垂直射向腫瘤部位的方向,需要對束流進行90°偏轉,這由束流偏轉系統完成[1].偏轉系統的外顯功能是改變束流方向,而作為加速器的內部機制是能量篩選與能量穩定.偏轉系統的機內監測項目是BMAG(濾波器轉盤、模式控制及偏轉磁鐵控制電路板,以下簡稱BMAG板)連鎖,其觸發機制是電壓超過設定值的±5%或電流超過設定值的±1%,當故障后果尚不足以觸發BMAG連鎖時,會先行觸發對稱性連鎖EXQ1,本文是此例故障的詳細解析.

1 偏轉系統概述

本機的束流偏轉系統采用分立式三磁鐵270°復合消色差偏轉系統[1],由控制板、偏轉電源和偏轉磁鐵構成.偏轉磁鐵正常工作時電子束流的運動軌跡,見圖1.

圖1 偏轉束流軌跡

偏轉磁鐵為M1、M2和M3,其中M2是R方向的角度導向線圈ANG R,本質是一塊變換磁鐵.M1和M3兩對4個偏轉線圈均用空心銅管繞制,銅管中通以冷卻水,保持線圈溫度恒定.在每個線圈上均有一個熱敏開關,即SW1～SW4,起高溫連鎖作用,當溫度超過48℃時觸發FLOW連鎖,使整機供電開關跳閘.

偏轉磁鐵控制與監測在CARROUSEL,MODEamp;BMAG板上完成.控制方法采用0～1 mA電流編程,R117為100 Ω傳感電阻.±5%電壓報警由電阻網絡R87、R92、R94和R93分壓完成,而±1%電流報警由R85、R90、R91和R81分壓完成.

偏轉電源是從EMS公司定制的10～250型開關電源,三相220 V AC輸入、2.5 kW、最高輸出電壓10 V、滿刻度電流250 A.三相電經A300濾波后經機載開關CB1送到橋式全波整流變成DC電壓再送到逆變器A200,在A100控制板上U8輸出的66 kHz準方波驅動下,開關管Q1、Q4和Q2、Q3輪流導通,將DC電壓轉換成高頻交流,輸出到變壓器T1、全波整流和濾波輸出.編程電流調整66 kHz方波的脈沖寬度,實現對輸出電流的脈沖寬度調制PWM.

2 故障研究

2.1 故障現象

所有能量、機器順利進入到出束準備好狀態,束控鑰匙右旋,按BEAM ON鍵出束1跳即出現EXQ1連鎖.

2.2 確定故障范圍

根據EXQ1連鎖的3種情況進行檢查:① 軸向對稱性超過2%;② 軸向通道每脈沖電荷超過正常值的150%;③ 平均劑量率超過800 MU/min.在維修模式,短路EXQ1,所有能量均可以不受限出束.與留存的晨檢記錄對比,觀察R SYM對稱性表頭,數值增大,確認觸發EXQ1的原因為對稱性超過2%.

用Map Check檢查對稱性(以下討論均在6X能量).在伺服閉環時掃描,T方向符合2%;而R方向明顯為槍端高而靶端低,對稱性為5%.斷開所有伺服掃描,T方向符合,而R方向達8%.是否斷開伺服的區別是,是否用電離室的反饋信號對導向線圈進行微調.本步驟初步驗證,在伺服閉環時電離室系統起了作用,補償ANG R線圈將對稱性從8%拉回到5%.由于校準檢查序列(CAL/CHECK sequence,或稱調整檢查環)正常,證明故障與電離室和劑量學電路無關.

進一步按常規調整方法在伺服斷開狀態下調整導向線圈.先將T方向調整到最佳,再調整R方向.調整過程發現,在調整ANG R電位器時,槍端下降和靶端上升的速度,明顯比以往機器正常時慢,當調整到對稱性接近3%時,劑量曲線會突然跳變到槍端低而靶端高,且對稱性又在8%.反向調整ANG R,至對稱性接近3%時,劑量曲線又跳變到槍端高而靶端低,對稱性又達8%.由于立架上有4塊相同的PWM電源板且一般均會存儲備板,用交換法即可驗證PWM板是否損壞.作更換ANG R導向線圈PWM驅動電源板試驗,情況依舊,可以判斷故障與ANG R導向線圈的脈寬調制電源無關.由此判斷,雖然本故障表現為劑量學連鎖,但故障根源卻在偏轉系統.又由于未觸發BMAG連鎖,因此這是一個隱性故障.

2.3 故障分析

本例故障的成因可以通過偏轉電流降低時的束流軌跡(圖2)解釋.偏轉電流正常時,中心標稱能量B2將依次通過各磁鐵出入口的中心位置,即虛線所在位置,從M3出口垂直射向靶平面.如果偏轉電流降低,則因M1偏轉力不足,最高能量B1(圖1)將被能量裂縫阻擋,而標稱能量B2將外移,較低能量B4將進入偏轉能譜,此時中心能量為B2'lt;B2,將被M2偏轉過度,向下偏離M2出口中心位置,同時向下偏離M3入口中心位置進入M3,因此從M3出口中心的右側射出,即以一個右傾的角度擊靶,造成劑量曲線槍端高.

圖2 偏轉電流降低時的束流軌跡

在此情況下調整M2電流時,試圖減小偏轉力使B2'回到中心位置,當B2'從M3的中心位置進入時,由于M3偏轉力不足,使B2'從中心出口位置的左側射出,即以左傾的角度擊靶,因此劑量曲線跳變到靶端高.究其原因,標稱能量與偏轉電流在特定偏轉結構中是一一對應的,任何一方發生偏離,偏轉軌跡就沒有垂直于靶平面的穩定狀態.

因此,偏轉電流降低也等同于能量偏高的狀況.假定能量偏高,則M1偏轉不足力,B4將通過能量裂縫,而B1將被能量裂縫阻擋,經能量裂縫quot;篩選quot;后,能譜關于B2不再對稱(±3%),而是向低能端偏移,比如B2的左側4%,而右側只占2%,此時能譜中心能量B2'lt;B2,即與偏轉電流降低相當.出束時觀察維修面板,與留存的晨檢記錄對比如下參數:BMAG V(BEND MAG V)、GUN V、PFN VOLT(PFN V)、RF DRIVE(RF DRIVER),除BMAG V輕微減小以外,其余顯示完全無變化.PFN高壓經CHVD 3000:1實時取樣,這是實時電壓(能量),故排除能量升高的可能.

因此,故障原因為偏轉電流減小所致(反之,偏轉電流過大與能量偏低相等同,只是開始的劑量曲線為槍端低而靶端高).

2.4 故障定位與解決

首先,分別在每檔能量,測量BMAG板上的編程電壓值,即TP14對于TP10的mV值,并與留存的機器驗收完畢時所測之值進行比較,數值完全相同,排除了偏轉電流編程與監測BMAG板故障,故障范圍縮小到偏轉電源和偏轉線圈.

理想的恒流源其電源內阻為無窮大,無論負載電阻多大,電源均以恒定電流供電[2],即不存在阻抗失配問題.但現實中的偏轉電源并非理想恒流源,需要負載電阻恒定,否則會導致與偏轉電源阻抗失配,引起偏轉電源輸出電流和電壓的下降.

因為金屬導體的電阻溫升效應,水溫的改變會改變偏轉線圈的電阻.金屬導體的電阻隨溫度上升而增大,電阻R=R0(1+αt),其中R為溫度為t℃時的電阻,R0為0℃時的電阻,α為電阻溫度系數,t為溫度(℃)[2].導電器材用銅的α為0.0038/℃[3],即溫度每增加1℃,電阻增加約0.4%.從負載電阻R=V/I、偏轉磁鐵正常工作時電壓約2 V、電流約50 A的角度,可以估算出磁鐵線圈電阻在0.04 Ω量級.加速器水溫設置在40℃,ILFLOW2和ILFLOW3的觸發極限為48℃,允許負載電阻增加的極限是3.2%,即0.00128 Ω.即使將電纜脫開,普通數字萬用表也不可能分辨出如此小的阻值變化,必須采用其它判斷方法.

通過暫停冷水機試驗來判斷水溫是否正常.熱敏開關SW1～SW4也是利用電阻溫度系數的原理,本質是熱敏電阻傳感器[4],只是工作在常閉和斷開兩種狀態.暫停水冷機,內循環水溫會迅速升高.密切注意水溫表和維修面板水溫指示,當水溫表指示到達48℃時,機器如期觸發了FLOW連鎖.試驗證實線圈溫度開關SW1 ～SW4至少有一個正常,而且線圈真實溫度與遠端水溫表同步,即線圈內水流正常,線圈溫度不致導致阻抗失配,排除了線圈溫度升高導致偏轉電流下降的可能.

最后,故障根源被定位在偏轉電源.由于線圈電阻在0.04 Ω量級,因此電源內阻也在0.04 Ω量級,所以電源說明書指出輸出電纜要分開連接,避免電纜之間的互耦效應,以免增大電源輸出阻抗.仔細捋清正負極電纜,確認電纜沒有互相纏繞,排除輸出阻抗變化的可能.

對于偏轉電源而言,由于沒有觸發BMAG連鎖,說明輸出電流下降不到1%.在6X能量,標稱電流約45 A,因此電流下降不到0.45 A.綜合分析,排除來自BMAG板的編程電流以外,只有輸出濾波電容C8漏電致使容量下降到允許極限以下時,才會致使輸出電壓和電流的微小下降.該電容為鋁電解電容,容量93000 U,耐壓15 V.打開電源艙蓋,發現電容有打火或發熱燒焦外皮現象.由于沒有大容量電容表,無法準確測量其容量值.國內可買到相同容量電容[5],但尺寸規格不符無法安裝.訂購新的偏轉電源,更換后故障消除.由于質保原因,未打開新電源做電容更換實驗.

3 討論

本例故障屬于偏轉系統的高疑難故障,需要全面正確理解偏轉系統的運行機制.除黃健[6]報道了一例BJ-14加速器偏轉電源電容下降故障,未見其它漏電故障報道,但就束流偏轉系統特性[7]及電解電容特性[8]而言,通過本文解析,維修此類故障變得相對容易.

雖然電容漏電屬隱性故障,但由于機器對稱性連鎖設置為2%,低于國標 15213-94[9]規定的3%.偏轉電流的輕微降低,就會觸發EXQ1連鎖,連鎖之前,對稱性不會超過2%,不會造成劑量學風險.偏轉電源的精度達0.1%,BMAG電流連鎖報警設置為1%,本例電流減小不足1%就會觸發EXQ1連鎖,說明BMAG連鎖是一種冗余設置,不觸發則已,一旦觸發,可能已經遠超1%,如橋式整流硅堆CR1、CR2或雙二極管CR3或CR4的損壞,將使輸出電流減少一半,會直接觸發BMAG連鎖.偏轉磁鐵不僅是能量篩選機構而且也是能量穩定機制之一,無論能量上升還是下降,能量的變化速度不及對稱性,只要對稱性合標,則能量必定合標.

楊紹洲等[10]報道了BMAG板編程電阻R117開路的情況,證實了電流編程的優點最多是偏轉電源輸出到滿刻度,因此直接觸發BMAG連鎖從而禁用機器.BMAG連鎖雖然不是主要連鎖(短路連鎖項目后仍然可以出束),但必須禁用機器.前述可知,當電流或能量變化后,中心能譜將發生偏移,長時間出束可能導致能量裂縫以及靶的冷卻水道擊穿,從而致使真空泄漏.王新等[11]報道過偏轉磁鐵真空泄漏故障,雖然未說明泄漏原因,但從偏轉磁鐵結構原理分析,能量裂縫水道被擊穿的可能性較大,因此,當出現BMAG連鎖時,要減少試驗性出束.

有3種情況引發偏轉線圈水溫過高:① 水冷機失敗引發內循環水溫整體升高,表現在水溫表溫度同時升高[12];② 線圈銅管結垢引起水流變小,線圈溫度隨著出束時間的延長逐漸升高,導致線圈溫度過高故障,需要用專業除垢劑除垢(對于瓦里安高能加速器,水溫表顯示正常,但長時間出束后會出現FLOW連鎖)[13];③ 橡膠管老化引起水流過小,導致管內高壓,機架進水壓和回水壓表頭壓力都會升高,此時水溫表因遠離偏轉線圈進出水管而表現正常,如果剪開水管,會看到內部發泡成海綿絮狀,因此當水壓表升高時,要盡快更換水管,否則不僅會引起FLOW連鎖,還會引起加速器各方面的不穩定[14-16].

在做暫停水冷機試驗時,如果水溫表超過48℃還未觸發FLOW連鎖,則說明開關SW1～SW4已經全部失靈,需要對偏轉線圈進行維修或更換,否則可能因線圈電阻的溫升效應引發EXQ1連鎖甚至BMAG連鎖.

[1] 楊紹洲,楊光,沈慶賢,等.醫用電子直線加速器的射束偏轉系統[J].中國醫學物理學雜志,2000,17(3):129-131.

[2] 趙凱華,陳熙謀.電磁學[M].3版.北京:高等教育出版社,2014:207.

[3] 周鶴良.電氣工程師手冊[M].1版.北京:中國電力出版社,2010:18.

[4] 唐文彥.傳感器[M].5版.北京:機械工業出版社,2014:161.

[5] 崔報群,李立強,包軼文,等.用于質子直線加速器的強流電子回旋共振離子源[J].原子能科學技術,2002,36(6):486.

[6] 黃健.電子直線加速器偏轉電源電容下降所引起的聯鎖故障維修[J].醫療裝備,2012,25(6):42.

[7] 陳萬忠,紀東澤,成希革.270°束流偏轉系統研制[J].醫療裝備,2009,22(8):46-48.

[8] 俞珊,徐志望,董紀清.開關電源中電解電容壽命預測分析[J].電源學報,2016,14(6):87-92.

[9] GB 15213-94,醫用電子加速器性能和試驗方法[S].國家技術監督局,1994.

[10] 楊紹洲,王勝軍,廖偉光.VARIAN高能加速器BMAG聯鎖的檢修方法[J].中國醫療設備,2007,22(3):122.

[11] 王新,蔣新岳,馮國華.Varian 23EX加速器偏轉磁鐵的更換和調整[J].中國醫療設備,2003,18(12):57-58.

[12] 李亮,陳勇,徐鈺梅,等.Varian 23EX醫用直線加速器水溫故障維修一例[J].醫療裝備,2017,30(1):58-59.

[13] 羅廣文,張焜毅,張俊廣.Elekta醫用加速器偏轉系統工作原理和故障分析[J].醫療衛生裝備,2011,32(8):140.

[14] 王光裕.電子直線加速器的恒溫問題[J].核技術,1980,(3):24-30.

[15] 馮光耀,裴元吉,蔣滿道.輻照食品直線加速器電子槍設計[J].核技術,2006,29(9):650-654.

[16] 于成浩.幾種水準測量方法在電子直線加速器測量中的應用[J].北京測繪,2005,(2):22-25.

本文編輯 劉峰

Analysis of Varian 2300CD Covert Fault of Bend Magnet Power Supply Maintenance

TANG Zhiquan1, ZENG Yong2, SU Shanning2
1.Division of Radiation Physics, State Key Laboratory of Biotherapy and Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University,Chengdu Sichuan 610041, China; 2.Department of Radiation Oncology, Yulin City Red Cross Hospital, Yulin Guangxi 537000, China

ObjectiveBy means of analyzing one covert fault of bend magnet power supply of Varian 2300CD linear accelerator, this paper aims to discuss the energy stabilization mechanisms of Varian high energy linear accelerator and the maintenance methods of the bend magnet system.MethodsThis paper expounded the bend magnet constitution of Varian C-series high energy linear accelerators systematically from twofold view of machine physics and electronics engineering, the programming mechanisms of bend magnet current and the in-box monitor interlock mechanisms, the resistance temperature effect of mental coil, the impedance matching of bend magnet power supply. Conclusion and summary of the difficult and forgettable points of bend magnet machine physics were made.ResultsThe bend magnet system was not only the energy filter but also the energy stabilization mechanism, the slight variation of energy could lead more deviation of overt symmetry, if the symmetry was not out of limits the energy no doubt conforms to the standards. The CAL/CHECK sequence and turn-off steering servo could get rid of dosimetry system fault from symmetry interlocks. Suspends chiller could determine the coils whether or not are over temperature.ConclusionThe interlock BMAG is a redundant configuration, even if it occurs covert fault of bend magnet system, the interlocks of symmetry are protective screen of dosimetry risks.

radiation therapy; linear accelerator; dosimetry; interlock; bend magnet power supply; covert fault; impedance matching

R815.6;TL53

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.025

1674-1633(2017)10-0093-04

2017-01-06

2017-04-24

作者郵箱:tangzhiq@163.com