虛擬負載在瓦里安加速器高壓脈沖調制系統故障維修中的應用研究

何 赟，孟 鑫，羅 恒，許 琨

(西安交通大學第二附屬醫院 腫瘤放療科，陜西 西安710004)

瓦里安21EX型加速器是一款應用于腫瘤患者放射治療的常用設備，該機型提供兩檔高能X射線，五檔高能電子射線，是一款具有水、氣、電復雜結構的大型精密醫用設備。該機器工作的核心是利用速調管作為微波功率源給加速管提供微波能量，使電子得到很高的能量，而加速器的高壓脈沖調制系統就是產生一定功率的脈沖電壓來驅動速調管。脈沖電壓的幅值是按照速調管的要求來設計的高達幾十千伏，并且要求的脈沖寬度非常窄，通常在5μs左右。加速器性能的穩定性和工作的可靠性都與產生脈沖的質量有著直接的關系。所以說，高壓脈沖調制系統向微波功率源提供了高壓高頻脈沖，是加速器的重要組成部分，是保證加速器系統正常工作的基本條件[1]。

當加速器高壓脈沖調制系統放電電路出現故障時，加速器系統將會出現MOD連鎖[2]。MOD連鎖故障所涉及的電路復雜、工作電壓高，故障檢測過程繁瑣，易擴大化，故障導致的停機時間長、維修費用高。為了減少MOD連鎖故障停機時間和維修費用，避免故障檢測過程中故障擴大化，避免脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器、速調管等重要高值器件損壞，安全、快速、準確的定位故障顯得尤為重要。本文結合瓦里安加速器高壓脈沖調制系統的充放電過程和具體故障實例，通過采用虛擬負載的方法準確快速的找出故障點，總結出排除類似故障的分析和判斷方法，從而使我們能夠自主維修加速器高壓脈沖調制系統的MOD連鎖故障，減少因MOD連鎖故障引起的停機時間和維護費用，提高加速器的工作效率和運行績效。

1 高壓脈沖調制系統的基本原理

瓦里安加速器高壓脈沖調制系統是以脈沖形成網絡(Pulse Forming Network，PFN)作為儲能元件，用氫閘流管作為開關，脈沖電纜作為傳輸線，工作時可分為“充電儲能”和“放電脈沖”兩個工作環節[2]。其充電過程采用直流諧振的充電方式，形成直流高壓；放電過程采用等效負載RL與PFN特性阻抗R0相等的傳輸線放電，得到加速器系統需要的高壓負脈沖[3]。高壓脈沖調制系統工作原理如圖1所示。

圖1 高壓脈沖調制系統原理圖

1.1 高壓脈沖調制系統的充電電路

三相交流電源經過升壓、整流、濾波后形成直流高壓(MODE A工作模式為11kV，MODE B工作模式為13kV)，直流高壓通過充電電感L1和充電二極管CR1倍壓，使PFN的充電電壓最大可達直流高壓的2倍，再通過DeQ電路，控制PFN的充電電壓值，形成系統所需的高壓值。其中，充電二極管CR1作用是阻止充電電感L1引起的震蕩衰減和反向充電現象。

1.2 高壓脈沖調制系統的放電電路

當達到系統所需的高壓值時就向主閘流管控制極送去一個控制脈沖信號觸發主閘流管導通使高壓脈沖調制系統放電。當主閘流管導通時，PFN作為放電電源和主閘流管、高壓脈沖電纜、脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器、速調管之間形成放電回路，產生高壓負脈沖。

1.3 終端削峰保護電路

高壓脈沖調制系統放電產生的高壓負脈沖能量最高可達3千余焦耳，如果充放電電路或負載發生故障，很可能會對系統造成嚴重損壞，甚至損壞脈沖變壓器、速調管等重要高值器件。為了避免高壓負脈沖對系統電路的意外損害，保護加速器的系統安全，高壓脈沖調制系統設計了終端削峰保護電路。

終端削峰保護電路由反向二極管CR2、壓敏電阻RV1、RV2、電流互感器T1和錯誤檢測電路共同構成。反向二極管的作用是阻止正向電流通過，允許反向電流通過，這樣不影響正常的充電過程；壓敏電阻是為了對電路出現過壓時進行電壓鉗位來保護敏感元件；電流互感器是檢測電流信號的元器件。當高壓脈沖調制系統放電時，在速調管等效負載和PFN特性阻抗相互匹配的情況下，PFN上形成的反向電壓很小，反向電壓經過終端削峰保護電路中的反向二極管CR2電流也很小，電流互感器檢測到該電流信號不足以觸發連鎖，從而不影響高壓脈沖調制系統的正常工作；但是在速調管等效負載RL小于PFN特性阻抗R0情況時，PFN上將形成一個很大的反向電壓，反向電壓通過反向二極管CR2形成反向電流，這時電流互感器就會向削峰檢測電路輸出一個較大的電流信號，該電流經控制電路輸出的電壓幅值大于5.5V時，“反峰連鎖”(MOD連鎖)將被觸發，切斷電路而禁止高壓脈沖調制系統繼續充放電。

2 虛擬負載排查MOD連鎖故障的方法

2.1 虛擬負載選型

虛擬負載的選擇是排查瓦里安加速器高壓脈沖調制系統MOD連鎖故障的關鍵。首先，虛擬負載的阻抗特性應與高壓脈沖調制系統的阻抗特性相同，否則同樣會產生很大的反向電壓，無法排查故障。高壓脈沖調制系統主要包括PFN、脈沖電纜、脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器以及速調管。其中PFN結構決定其特性阻抗，等效阻抗為12.5Ω；脈沖電纜[4]由四根電纜并聯組成，每根電纜的特征阻抗為50Ω，四根電纜并聯形成的傳輸線特性阻抗也為12.5Ω；脈沖變壓器的匝數比為1：11，其阻抗變比為1：121；速調管特性阻抗為1400Ω，其通過脈沖變壓器阻抗變比后，同樣等效為12.5Ω，因此，虛擬負載的阻抗應為12.5Ω。

在調制器中我們發現R15和R16阻值均為25Ω，額定功率為275W，將它們并聯后正好阻值為12.5Ω。同時，這兩只電阻是無感管狀陶瓷電阻，在高壓、高能以及大電流的條件下具有穩定的工作特性，能夠承受上千伏的脈沖電壓。因此，我們選取這兩只電阻并聯，作為虛擬負載，排查MOD連鎖故障。

2.2 使用虛擬負載排查MOD連鎖故障的方法

高壓脈沖調制系統的放電回路主要由PFN、脈沖電纜、脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器和速調管組成，只要其中任何一部分出現故障，機器Beam On后都會出MOD連鎖。

2.2.1 MOD連鎖故障原因分析

當高壓脈沖調制系統的負載阻抗小于PFN特性阻抗時，在高壓脈沖調制系統放電時就會在PFN上產生較大的反向電壓，當反向電壓輸出高于5.5V時，將會觸發MOD連鎖。MOD連鎖主要由以下幾個方面故障導致：

(1)檢測電路故障。首先，可能是由于削峰電容CR2的反向擊穿以及壓敏電阻RV1、RV2的失靈；其次，由于MOD故障連鎖信號所經過的電路板或電纜出現傳輸錯誤。在瓦里安21EX機型中采用EMC(電磁兼容)調制系統，它的MOD連鎖檢測電路是通過J14送到調制柜中的Fault Conditioning Board(錯誤信號板)上，通過Thyratron Backplane(閘流管背板)J3-18輸出到Auxilary Power Distribution(輔助電源板)J8-25，經W3線纜到Console Backplane(控制柜背板)J24-25，從Input Interface#2(2號輸出板)XB2-35輸出到DI/O接口板送到控制計算機，最后控制計算機發出禁止出束指令[5-6]。檢測電路任何環節的故障都會導致MOD連鎖的觸發。

(2)脈沖電纜故障。瓦里安加速器在高壓脈沖調制柜和脈沖變壓器之間有四根脈沖傳輸電纜，四根脈沖電纜并聯，特性阻抗正好為12.5Ω，當任意一根脈沖電纜被擊穿、短路打火，均將出現阻抗不匹配問題，出現MOD連鎖。

(3)脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器和速調管故障。如圖2所示，由于脈沖變壓器打火、速調管燈絲變壓器打火、速調管打火、油缸打火以及電路短路擊穿等，均將導致阻抗不匹配，觸發MOD連鎖。

圖2 脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器以及速調管連接圖

2.2.2 虛擬負載排查MOD連鎖故障

我們采取在脈沖電纜前、后分別設置斷點的方法如圖1所示，把虛擬負載接入電路來代替實際負載的方法可迅速排查故障范圍，判定故障是在檢測電路、脈沖電纜，還是在脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器以及速調管中。

(1)在脈沖電纜前設置斷點1，直接將虛擬負載接入高壓脈沖調制系統的放電回路，高壓脈沖調制系統的PFN直接與虛擬負載連接。此時，如果繼續出MOD連鎖，則可以判斷調制器內的高壓脈沖調制系統檢測電路故障，需要在調制柜內檢查高壓脈沖調制系統檢測電路；如果不出，則說明調制器內的高壓脈沖調制系統檢測電路正常，故障在設置的斷點之后，需檢查后續電路。

(2)恢復脈沖電纜前設置的斷點1，在脈沖電纜后設置斷點2，將虛擬負載接入脈沖電纜后。此時如果出MOD連鎖，可以判斷脈沖電纜出現故障，需逐個檢查四根脈沖電纜；如果不出MOD連鎖，則說明脈沖電纜也正常，打開加速器基座內的脈沖變壓器油缸和速調管油缸，檢查脈沖變壓器、速調管燈絲變壓器、速調管及其相關電路[7]。

3 高壓脈沖調制系統MOD連鎖故障檢修實例

3.1 故障現象

加速器開機正常且MLC(Multileaf Collimator，多葉光柵)自檢正常，電子線晨檢正常，晨檢至6MV-X線時，Beam On即出現“MOD”連鎖，加速器無法進行正常治療；后測試其他能量射線，均在Beam On后出現MOD連鎖。

3.2 故障檢查與處理

打開調制柜，將脈沖電纜從調制柜拆開，然后取下R15和R16，用銅線并聯組成虛擬負載，接到放電回路中；再選加速器最低能量6MeV電子線，設1MU、0.1min，Beam On后不再出MOD連鎖，說明檢測電路正常，故障在脈沖電纜連接處之后。恢復調制柜脈沖電纜連接后，將四根脈沖電纜從脈沖變壓器油缸抽出，將脈沖電纜銅芯并聯連接到虛擬負載一端，外皮接到虛擬負載另一端，如圖3所示，然后再選6MeV電子線，設1MU、0.1min，Beam On，結果每次Beam On后均會出現MOD連鎖，說明故障在四根脈沖電纜上。脈沖電纜采用的是同軸電纜，它是由內導體、絕緣介質、外導體構成，三者之間是相互絕緣的，其絕緣電阻應為無窮大。我們用搖表分別測量四根脈沖電纜的絕緣電阻，發現W5、W6、W8均為無窮大，只有W7的絕緣電阻為15MΩ，因此可以斷定是W7電纜故障造成的MOD連鎖。檢查W7脈沖電纜，發現此電纜有一處壓褶痕跡，用刀將壓褶處劃開，剝開外皮后發現銅皮已發黑，并有一小孔，如圖4所示。更換此電纜后[8]，開機Beam On正常，MOD連鎖消失。

圖3 接虛擬負載

圖4 脈沖電纜打火

4 結束語

高壓脈沖調制系統是瓦里安加速器的重要組成部分，電路結構十分復雜、工作電壓高達幾十千伏，故障排除過程較為繁瑣，易擴大化，故障導致的停機時間長、維修費用高。高壓脈沖調制系統MOD連鎖故障是因為高壓脈沖調制系統放電回路負載不匹配RL