西門子PRIMUS直線加速器電子槍的故障分析與維修

張忻宇

惠州市中心人民醫(yī)院 （廣東惠州 516001）

電子槍作為加速電子的發(fā)射源，是醫(yī)用直線加速器三大核心器件之一，其產(chǎn)生的電子注入加速器的加速管中，生成用于腫瘤放射治療的高能電子束[1]。醫(yī)用直線加速器對(duì)電子槍的基本性能要求主要有：電子發(fā)射數(shù)量及束流強(qiáng)度、發(fā)射時(shí)機(jī)、發(fā)射角度及電子射程等[2]。因此，電子槍及其控制電路工作性能的穩(wěn)定性將直接影響加速器的工作效率[3]。現(xiàn)階段，我院使用的西門子PRIMUS直線加速器已投入臨床13年有余，設(shè)備整體性能及穩(wěn)定性較好，但設(shè)備陳舊化及運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)引起的故障率逐年上升，工程師對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)尤為重要。現(xiàn)將西門子PRIMUS直線加速器近期出現(xiàn)的兩例電子槍故障及維修方法進(jìn)行分析，以供參考。

1 故障1

1.1 故障現(xiàn)象

加速器在6MV-X治療模式下從READY狀態(tài)轉(zhuǎn)入RADON狀態(tài)后，無(wú)法正常出束，而后顯示“#29INJECTOR”并伴有“#54DOSE RATE2（HW）”等劑量聯(lián)鎖。

1.2 故障分析和處理

旁路設(shè)備軟硬件聯(lián)鎖后調(diào)至維修模式，將雙通道示波器接至設(shè)備的INJ-I和PULSE-I引腳，出束觀察示波器雙通道波形，以排查設(shè)備射頻系統(tǒng)和加速管電子槍系統(tǒng)故障情況。示波器顯示PULSE-I信號(hào)為正常方波信號(hào)而INJ-I信號(hào)無(wú)輸出，可確定故障源為電子槍及其控制系統(tǒng)。加速管電子槍電路主要由4個(gè)部分組成：電子槍、高壓注入器及注入器的高壓、低壓控制板[4]。對(duì)于故障區(qū)域的檢測(cè)，控制臺(tái)軟件的編程值可通過(guò)通訊電纜直接送到S32C的FC#3上，相應(yīng)的數(shù)值再通過(guò)S32C的PCB#2數(shù)頻轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)，而后通過(guò)CH3通道輸出到注入器低壓控制板上。信號(hào)經(jīng)光纖耦合器后將通過(guò)注入器高壓控制板上的AD650芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓，控制臺(tái)編程輸出的電壓值則可在高壓板的TP4上用萬(wàn)用表測(cè)得。該電壓的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管Q2[MJE1320]導(dǎo)通程度的控制，通過(guò)測(cè)量該模塊R39上的壓降，可測(cè)得Q2集電極電平，從而得知控制模塊對(duì)INJ-I大小的控制程度。直線加速器不同能量治療模式對(duì)INJ-I大小的需求程度也不盡相同，因此需要將上述鉗位CLIPPER電平穩(wěn)定在0～340 V，故TP6上的電平值約為85～210 V。按照電子槍電路模塊工作原理（圖1），對(duì)于上述故障，首先應(yīng)測(cè)量注入器高壓控制板TP1和TP3對(duì)應(yīng)的燈絲電壓為5.0 V，正常；接著測(cè)量電子槍源的紅線與白線，檢查燈絲電阻，判斷燈絲完好正常；分別測(cè)量高壓控制板TP8、TP6兩引腳與TP2電壓值，判斷柵-陰相對(duì)電平情況，排除因135 V和鉗位電壓0～340 V不穩(wěn)定造成的INJ-I故障；測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高壓控制板TP6沒(méi)有電壓值，通過(guò)查找電路，測(cè)量TP7及120V_ACL兩引腳電壓正常，而測(cè)量電阻R38、R39發(fā)現(xiàn)，R39之后的電壓消失。因此判斷該故障的原因可能為R39引端對(duì)地短路或該電阻短路。單獨(dú)測(cè)量電阻發(fā)現(xiàn)，R39為一陶瓷電容器組合制成，出現(xiàn)明顯的短路現(xiàn)象，更換后測(cè)試各能量出束情況，設(shè)備恢復(fù)正常，出束穩(wěn)定。

圖1 注入電流控制電路

2 故障2

2.1 故障現(xiàn)象

加速器在6MV-X治療模式下出束過(guò)程中，出現(xiàn)“#54DOSE RATE2（HW）”“#13DOSE RATE2（SW）”“#12DOSE RATE1（SW）”等劑量聯(lián)鎖，對(duì)設(shè)備進(jìn)行復(fù)位操作無(wú)法清除，需重啟設(shè)備解決故障，且該故障在設(shè)備重啟后仍反復(fù)出現(xiàn)。

2.2 故障分析和處理

維修模式下發(fā)現(xiàn)設(shè)備劑量率出現(xiàn)工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，在160～200 MU/min波動(dòng)。通過(guò)控制臺(tái)調(diào)整粒子注入值，適當(dāng)調(diào)整AFC電路控制參數(shù)，設(shè)備劑量率改變不明顯，可判斷該故障是因電子槍電路問(wèn)題引起的設(shè)備劑量率不穩(wěn)定現(xiàn)象。除了可能出現(xiàn)故障一中所描述的INJ-I不穩(wěn)定現(xiàn)象外，也可能出現(xiàn)于INJ-E電路故障。注入器高壓INJ-E部分主要控制注入電子的初始速度、影響束流的聚焦[4]。與故障一INJ-I模塊類似，控制臺(tái)軟件編程值的頻率信號(hào)通過(guò)S32的CH2通道輸出到注入器低壓控制板上，在U12[AD652]模塊生成8.5 V電壓信號(hào)用以控制晶體管Q8[2N6574]的集電極電流。Q8的導(dǎo)通程度控制著其集電極上的橋式整流器中通過(guò)的交流電流大小，同時(shí)，由電子槍陰極引入的負(fù)高壓也將通過(guò)R43（30M）-R50（10K）3 000:1的分壓模塊控制Q8電流實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，從而滿足對(duì)INJ-E的穩(wěn)定控制。見(jiàn)圖2。

圖2 INJ-E陽(yáng)-陰極電壓控制電路

對(duì)于該故障，我們首先排除因135 V和鉗位電壓0～340 V不穩(wěn)定造成的INJ-I故障，維修模式下在加速器參數(shù)頁(yè)面發(fā)現(xiàn)出束后INJ-I上升緩慢，可初步判定是INJ-E故障引起。通過(guò)測(cè)量其反饋電壓，發(fā)現(xiàn)不滿足12.48 kV。而后測(cè)量晶體管Q8中的27 K電阻以及100 Ω電阻是否完好，發(fā)現(xiàn)Q8模塊出現(xiàn)接觸不良的短路現(xiàn)象，這使得集電極電壓無(wú)法滿足要求。更換Q8模塊后出束故障消除，劑量率穩(wěn)定。

3 小結(jié)

電子槍及其控制電路故障的常見(jiàn)類型有注入電流控制電路故障、INJ-E陽(yáng)-陰電壓控制電路故障及燈絲及電子槍相關(guān)問(wèn)題，多出現(xiàn)于燈絲、陰極和柵極上，將直接影響設(shè)備的劑量率。通過(guò)對(duì)上述兩種電子槍電路故障的維修案例分析可知，維修工程師對(duì)于設(shè)備性能及原理的掌握可提高維修工作效率。在故障排查過(guò)程中，也需要維修工程師耐心細(xì)致，不放過(guò)任何“蛛絲馬跡”，“對(duì)癥處理”方能有效。