醫科達Precise直線加速器束流系統原理簡介與故障排除

倪凱

蘇州大學附屬常熟醫院 常熟市第一人民醫院 醫療設備科，江蘇 常熟 215500

引言

我院放療中心2005 年裝機一臺醫科達Precise 型直線加速器，得益于臨床科室的良好使用習慣和醫療設備工程技術人員的精心維護和保養，故障率維持在較低水平，至今使用已超過十三年。在最近的使用過程中，多次出現與電子束流系統有關的故障現象[1-3]，且故障發生率不低，現介紹分析如下，以供參考。

1 束流系統原理簡介

醫科達Precise 型直線加速器的電子束流系統主要由電子槍、加速管、飛行管、聚焦及駕駛線圈組、偏轉磁體組等組成[4]，如圖1 所示。束流控制的三個主要功能是聚焦、駕駛和偏轉。

1.1 束流聚焦

在加速管前半部分環繞裝有兩組聚焦線圈（Focus 1 和Focus 2），以提供了一個靜態的、軸向的磁場，在電子束上施加一個聚焦作用。另外，設置聚焦線圈電流可以獲得輻射光束的最大輸出強度。

圖1 電子束流系統示意圖

1.2 束流駕駛

由于加速管不可能絕對對稱，而且加速的過程中還可能收到外力干擾，比如磁場和引力，并且隨著機架角度的變化，這些干擾可能發生細微的變化，導致電子束可略微偏離中心軸。

為了消除上述干擾，在加速管上配備了2 組駕駛線圈：① “1T”及“1R”，位于加速管槍端，將電子束流保持在加速管中心位置；② “2T”及“2R”，位于加速管中段，能保證電子束流在正確的點位進入偏轉系統。其中，從加速管正面看，一組駕駛線圈在同一平面上又含有互相垂直且互相獨立的T 方向與R 方向兩組。

駕駛線圈通過11 區的4 塊UMD（Universal Motor Drive）PCB 板提供電源，可輸出范圍±600 mA 電流來伺服控制這些線圈的磁場大小和方向。其他部分控制板位有12 區 的AI12-RHA、SCC-RHA 和16 區 的AI12-HTA、AI12-HTB、SCC-HTA、SCC-HTB。

1.3 束流偏轉

位于23 區的磁體偏轉系統共三組磁體，每組2 個，分別位于飛行管的兩側：① 磁體1（M1）具有分析能量的作用，同時將電子束流偏轉44°角；② 磁體2（M2）將偏轉44°的電子束逆轉回原來角度，同時將在此區域出現的最寬譜能量聚焦進入下一區域；③ 磁體3（M3）將匯聚束流偏轉112°，并完成二維聚焦后通過直徑約2 mm 的小孔轟擊靶。三組磁體線圈通過水冷卻降溫，每個磁體附有熱敏開關，共6 個串聯成一個回路，防止偏轉磁體過熱。

2 故障實例

2.1 故障一

2.1.1 故障現象

開機后，出現“Focus 1 V”或“Focus 2 V”連鎖報警。

2.1.2 原理分析及故障維修

加速管組件中含有兩個電子聚焦系統“Focus 1”和“Focus 2”，任何一個線圈電壓失常，會出現上述連鎖報警。

其中，Focus 1 線圈由L1、L2 兩個水冷線圈組成，電源驅動板位于13 區的PCB13F；Focus 2 線圈由一個風冷線圈L3 和兩個水冷線圈L4、L5 組成，電源驅動板位于13區的PCB13E；電源驅動板均為type A 型，可互相通用。其他部分相關控制板位于12 區的RHCA，分別為AI12-RHA，AI12-RHB，SCC-RHA，SCC-RHB，AO12-RHC。聚焦系統線路結構示意圖，見圖2。

圖2 聚焦系統結構示意圖

首先進入維修模式，并加載6 M 能級的X 線能量，在Display Service Page頁面查看LV PSU 標簽中ITEM 398（對應Focus 1 V）和ITEM 399（對應Focus 2 V）的實際值；在醫科達系統中定義一個參數的Part1 為設定值，Part4 為實際值，以下相同。在該條件下，ITEM398 的Part1 值為40.70，ITEM399 的Part1 值為56.40，兩項參數的Part4 值的正常值應為其Part1 值的±1 范圍以內，據此可以確定哪個線圈出現故障。

然后結合圖2 進行分析排查，再進入機房從簡單開始，首先檢查13 區（LV PSU ASSEMBLY）的保險絲是否有熔斷[5-6]。經查，保險絲完好。進一步查看22 區（Focus Coils AERA）的TS22A 接線柱，如圖3 所示。

圖3 TS22A接線柱示意圖

我們使用萬用表測量接線柱來確認聚焦線圈電壓是否正常。其中，17、18 腳對應Focus 1 線圈電壓（即Focus 1 V），19、20 腳對應Focus 2 線圈電壓（即Focus 2 V）。由于聚焦線圈電流較高，達10～15 A 以上，容易發生因電流過大而燒焦致斷路。因為接線排螺絲接觸面較小，導致本臺設備該接線柱共發生三次上述故障，只能將接線通過焊接加固等外接直連，加大接觸面積，避免類似故障的再發生。需要注意的是，在檢修此處排線時，需先切斷機架電源（可先軟件將狀態切至System On，后關閉70 區下方ICCA 開關），以保證維修工程師人身安全。

在實際的使用過程中，除了TS22A 接線柱發生故障外，位于13 區的前端電源部分也發生過故障，如保險絲FS13E和FS13F 發生過熔斷，需要更換新保險絲（65 A）。以及控制板PCB13E 和PCB13F 也發生過故障，這兩塊控制板是通用的，進行對調使用后觀察故障現象是否也對調，可以快速排查故障是不是由控制板故障導致的。

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

當機架角度轉至大于270°、小于90°范圍時，小機頭位于上半圈位置，出現“Bend.Mag.V”連鎖報警，加速器無法出束治療。

2.2.2 原理分析及故障維修

該連鎖報警發生的原因系6MV X-Ray 治療模式中，偏轉磁體電壓（Bend.Mag.V，ITEM 384）異常導致，同樣進入維修模式查看LV PSU 標簽頁面下相關項的值予以確認，發現ITEM 384 的Part1 值為4.54，Part4 值為0.54，后者遠低于前者，因此發生連鎖報警。

偏轉磁體由位于13 區的LV PSU（low voltage power supply unit）提供電源，分為主供電源PSU1（Bending coarse）和補充電源PSU2（Bending fine），如圖4 所示。

圖4 偏轉系統結構示意圖

PSU1：為M1、M2 和M3 提供電源，包含一個三相全波可控橋式整流器和三塊控制板（A 相：LV PSU type B，編號PCB13A；B 相：LV PSU type B，編號PCB13B；C 相：LV PSU type A，編號PCB13C）。

PSU2：為M3 提供補充電源，包含一個單相全波可控橋式整流器和一塊控制板（LV PSU type a，編號PCB13G）。與PSU1 不同的是，作為補充電流源的PSU2提供的電流與M3 的磁場強度不呈線性相關，起到對束流的微調作用，需要根據反饋實時調整。其他控制電路板位于12 區，分別是：AI12-RHA、AI12-RHB、AO12-RHA、SCC-RHA、SCC-RHB、DIE-RHB。

根據圖4 來分析可知，此故障應為PSU1 處的電壓監控點數據異常導致，且電壓偏離設定值巨大，幾乎為零值。磁體就是線圈，那么我們可以檢查線圈電流是否為零，來區別對待。查看對應的ITEM 304 和305 項值，一般后者是前者值的4%～6%。ITEM304 Part1 為40.00，Part4 為39.90，ITEM305 Part1 為1.86，Part4 為1.85，那么說明電路中有電流，無電壓，PSU1、PSU2 的恒流源輸出正常。

而故障現象十分蹊蹺，只有當機架位于正負90°區間內才會出現，說明隨著機架的轉動，某個部位受重力影響而發生故障[7]，可能有導電的異物存在于輸出電路中，或者輸出電纜與機架長時間碰擦造成破皮漏電。經過仔細檢查摸排，判斷疑似13 區PSU1 到25 區Bending coarse 的傳輸電纜發生破皮漏電。將機架轉至故障角度，關閉機器后同時將電纜兩端斷開，測量電纜的對地電阻，理論值應為無窮大，實測值為0.8 Ω，到此故障確定。仔細排除走線后發現鼓架內部用于固定電纜的角鐵過于鋒利，將電纜磨破，經過絕緣處理后故障現象消失。

在實際故障摸排中，也可能會出現檢查ITEM304 和305 的值也為零值的情況，那么需要向上排查13 區變壓器T1、T2、T3 輸出、保險絲FS13A、FS13B、FS13C 和FS13J、FS13K、FS13L、驅動控制板PCB13A、PCB13B、PCB13C、PCB13G 以及整流濾波電路等。整個束流系統主要涉及11、12、13 等四個區的電源及控制板，部分歸納見表1，部分相關的控制參數見表2。

由表1 中可知，束流系統共用12 區的部分PCB 板，不同輔助系統的控制板部分可以通用。我們進行PCB 板對調，當故障現象也發生對調時，基本可以確診某一側的PCB 板是存在故障的。這種方法在日常故障診斷中十分有用。

表1 束流系統部分電源及控制板表

表2 束流系統部分參數表

3 總結

電子束流系統是整個直線加速器中最主要的核心系統之一[8]。一方面，掌握其原理和結構，能使得工程技術人員在發生故障時更快速的定位問題并解決，另一方面，建立標準化的質量控制管理工作[9-10]和預防性維護[11]，調校束流系統的各個參數[12]，能夠保障束流系統的穩定，提高治療出束的質量。