醫(yī)科達(dá)Precise直線加速器高壓故障維修案例

王緒剛，于曉君，魏緒國

聊城市人民醫(yī)院 放療科，山東 聊城 252000

引言

醫(yī)用電子直線加速器是目前最常用的放射治療設(shè)備[1]，醫(yī)科達(dá)Precise治療系統(tǒng)是具有世界先進(jìn)水平的數(shù)字化直線加速器平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多種放射治療技術(shù)及高級(jí)臨床應(yīng)用[2-3]。我院Precise醫(yī)用加速器自2006年開始使用，使用年限已久，近期各種故障頻發(fā)，其中高壓系統(tǒng)故障出現(xiàn)頻次較高，嚴(yán)重影響機(jī)器的開機(jī)率和穩(wěn)定性，這就要求醫(yī)院工程師具備及時(shí)解決加速器高壓故障的能力。目前有一些關(guān)于醫(yī)科達(dá)醫(yī)用直線加速器高壓故障問題的解決方案[4-12]，對(duì)相關(guān)故障處理提供了指導(dǎo)。本文介紹了Precise直線加速器高壓系統(tǒng)的電路組成和工作原理[13]，通過對(duì)我院加速器4例高壓故障維修案例的分析處理，總結(jié)了高壓故障的維修方法和初步處理流程，并對(duì)如何進(jìn)一步開展相關(guān)維修工作進(jìn)行了探討。

1 基本原理

Precise加速器高壓系統(tǒng)主要包括17區(qū)直流高壓電源（HT PSU）和30區(qū)調(diào)制器。高壓電路由充電電路、放電電路、控制監(jiān)測(cè)電路組成[14]，見圖1。

圖1 高壓系統(tǒng)原理圖

1.1 充電電路

充電電路可以分為輸入級(jí)電路和輸出級(jí)電路，見圖2～3。380 V三相交流電從穩(wěn)壓器輸出，經(jīng)過主接觸器CON A、常閉高壓開關(guān)CB1、高壓接觸器CON J、CON K、CON D和一條四芯電纜后到達(dá)HT PSU的濾波電路（Filter），然后經(jīng)過二極管D1～D3、電感L1和電容C1～C4，被整流濾波為600 V直流電。充電過程如圖1所示，開關(guān)管TR1、TR2受脈沖控制電路控制，充電時(shí)，TR1、TR2導(dǎo)通，600 V直流電向充電變壓器充電，此時(shí)充電二極管（CR）反向截止，當(dāng)達(dá)到所需能量時(shí)，TR1、TR2關(guān)閉，充電變壓器通過CR向脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（Pulse Forming Network，PFN）充電。通過控制電路控制PFN的充電次數(shù)，可以使PFN上所充的實(shí)際電壓值達(dá)到14 kV（低能模式）或19 kV（高能模式）。

圖2 充電電路輸入級(jí)電路

圖3 充電電路輸出級(jí)電路

1.2 放電電路

在PFN正常充電過程中，閘流管始終處于關(guān)斷狀態(tài)。每次充電結(jié)束后，PFN上的充電電壓由于CR的作用不會(huì)反向放電。放電過程如圖1所示。當(dāng)PFN達(dá)到了設(shè)定的電壓之后，閘流管被觸發(fā)電路控制導(dǎo)通，儲(chǔ)存在PFN中的電能經(jīng)閘流管、脈沖變壓器初級(jí)放電，再經(jīng)脈沖變壓器升壓后在次級(jí)產(chǎn)生38 kV（低能模式）或52 kV（高能模式）的高壓脈沖。輸出的高壓脈沖一路加在磁控管陰極使之產(chǎn)生微波，一路加在電子槍陰極使之產(chǎn)生電子。

1.3 控制監(jiān)測(cè)電路

控制監(jiān)測(cè)電路可以對(duì)充放電回路進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)和控制保護(hù)。主要包括緩沖保護(hù)電路、充電抑制回路、高壓超載監(jiān)控電路、PFN電壓監(jiān)視電路和反向超載檢測(cè)電路等5部分，此外還有高壓電源和調(diào)制器過溫控制、充電變壓器原邊電流監(jiān)測(cè)。16區(qū)高壓電源控制板HTC PCB通過判斷各路監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)是否正常，來控制高壓驅(qū)動(dòng)脈沖HT driver pulse的輸出，從而控制高壓充放電過程。

2 故障案例一

2.1 故障現(xiàn)象

機(jī)器狀態(tài)為“ready to start”時(shí)，按下“start”開始鍵出束，機(jī)器間歇性出現(xiàn)“HT C.B.”聯(lián)鎖。該故障頻率為每天出現(xiàn)5次以上。

2.2 故障分析與處理

機(jī)器報(bào)“HT C.B.”聯(lián)鎖為70區(qū)ICCA柜高壓開關(guān)CB1跳閘導(dǎo)致。跳閘原因可能是電路中有漏電或短路的地方，或者是由于高壓接觸器CON J、CON K、CON D的觸點(diǎn)顫動(dòng)，接觸不良。由于只是在按出束鍵時(shí)CB1間歇性跳閘，出束過程中不會(huì)跳閘，因此高壓接觸器部分出故障的可能性較大。故障處理過程如下：

（1）排查充電電路輸入級(jí)電路。如圖2所示，CON D在CON J、CON K吸合之后延時(shí)0.5 s吸合，在接觸器CON D各觸點(diǎn)兩端并聯(lián)了軟啟動(dòng)繞線電阻R1、R2、R3，作用是抑制浪涌電流，電阻損壞會(huì)導(dǎo)致電流過大引起CB1跳閘，因此查看并測(cè)量了R1、R2、R3，其正常阻值為14 Ω，測(cè)量阻值正常。

（2）排查高壓接觸器的供電電路。觀察發(fā)現(xiàn)73區(qū)負(fù)溫度系數(shù)NTC2熱敏電阻（型號(hào)N10SP025）燒壞。分析電路圖（維修手冊(cè)圖紙編號(hào)45133307054-WD）（圖4），CON A吸合后，從三相電源引出一路單相電通過高壓聯(lián)鎖開關(guān)CB9和NTC2熱敏電阻，給變壓器T1輸入級(jí)供電，T1輸出交流電壓24 VAC，該24 V通過一系列繼電器開關(guān)最后給到高壓接觸器CON J、CON K、CON D，使之正常吸合。分析故障原因，NTC2熱敏電阻（圖5）燒壞會(huì)導(dǎo)致輸入變壓器T1的電壓降低，變壓器T1輸出電壓低于24 V，高壓接觸器線圈得不到足夠的電壓，吸合時(shí)發(fā)生觸點(diǎn)顫動(dòng)，從而引起開關(guān)CB1間歇性跳閘。更換新的NTC2熱敏電阻后故障消失。

圖4 高壓接觸器供電電路

圖5 NTC2熱敏電阻

3 故障案例二

3.1 故障現(xiàn)象

每次按出束開始鍵后，出束達(dá)到200 MU左右時(shí)會(huì)規(guī)律性出現(xiàn)“HT C.B.”聯(lián)鎖。

3.2 故障分析與處理

該故障為規(guī)律性出現(xiàn)，即每次出束200 MU左右時(shí)高壓開關(guān)CB1都會(huì)跳閘。原因是出束200 MU左右時(shí)出現(xiàn)短路過流或者開關(guān)CB1本身出現(xiàn)問題。結(jié)合故障現(xiàn)象，懷疑電路中的線路存在接觸不良，旋轉(zhuǎn)機(jī)架故障沒有變化，故障與角度無關(guān)。如圖2所示，排查從73區(qū)到44區(qū)（TS73B到TS44）傳輸三相電的一條四芯電纜，發(fā)現(xiàn)電纜有一打火點(diǎn)，線包已經(jīng)被燒壞開裂（圖6）。更換整條電纜后規(guī)律性跳閘現(xiàn)象消失，但還是每天跳閘1～2次。最后更換CB1開關(guān)后故障消失。分析原因，四芯電纜沒有完全損壞，一開始出束時(shí)沒有短路現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)出束200 MU左右時(shí)，四芯電纜因線路發(fā)熱等原因?qū)е露搪罚餋B1過流跳閘。同時(shí)多次短路故障引起開關(guān)CB1本身出現(xiàn)質(zhì)量問題，導(dǎo)致其偶爾發(fā)生跳閘現(xiàn)象。

圖6 電纜打火點(diǎn)

4 故障案例三

4.1 故障現(xiàn)象

按下“start”鍵后聽到機(jī)房?jī)?nèi)有一次尖銳的打火聲，一開始可以按正常劑量率出束，反復(fù)出束幾次后劑量率下降，報(bào)“dose rate error”聯(lián)鎖。出束完馬上進(jìn)入機(jī)房打開門2時(shí)聽到門2內(nèi)機(jī)器有一次尖銳的打火聲。

4.2 故障分析與處理

因?yàn)檫€能出束，高壓未被禁止，CB1沒有跳閘，所以排除短路故障和通訊故障，且按“start”鍵時(shí)馬上有打火聲，說明高壓充電電路異常，出束完馬上打開門2時(shí)高壓應(yīng)當(dāng)對(duì)地放電，此時(shí)打火說明高壓對(duì)地放電異常，因此懷疑高壓區(qū)充放電有問題。

處理過程如下：斷開接口柜控制區(qū)ICCA開關(guān)，檢查34區(qū)Modulator isolation和17區(qū)HT PSU，卸下防護(hù)蓋板，用放電棒對(duì)高壓區(qū)進(jìn)行放電，以避免高壓電擊危險(xiǎn)。檢查34區(qū)和17區(qū)連接的高壓線路無異常，檢查17區(qū)觀察發(fā)現(xiàn)濾波電容C3陽極端口接線處被燒黑，陽極端口和電阻R5的接線被燒斷，見圖7。將電容C3和電阻R5卸下，正常電容容量為2200 μF，測(cè)量C3電容容量無，電容損壞，正常電阻阻值為56 kΩ，測(cè)量R5阻值正常。更換新的電容后試機(jī)正常。分析總結(jié)，打火是由C3損壞不能正常充放電引起，C3損壞導(dǎo)致濾波電壓變低，充電變壓器原邊和和副邊繞組的電壓降低，最終使加速管輸入微波功率降低，輸出束流強(qiáng)度（劑量率）下降。

圖7 出故障的C3電容

5 故障案例四

5.1 故障現(xiàn)象

治療病人過程中，在機(jī)架轉(zhuǎn)到130°左右時(shí)出現(xiàn)“GTO O/Load”聯(lián)鎖，無劑量率輸出。

5.2 故障分析與處理

查看手冊(cè)，聯(lián)鎖代碼為“Item 83 HT Overload”。正常時(shí)Item 83的part 1和part 4都為0，有聯(lián)鎖時(shí)part 4為1，高壓被禁止。分析電路原理，當(dāng)充電變壓器對(duì)PFN進(jìn)行高壓充電時(shí)，一旦發(fā)生負(fù)載阻抗降低或負(fù)載短路現(xiàn)象，電流必然會(huì)迅速增加，高壓超載監(jiān)控電路探測(cè)到充電變壓器副邊繞組電流異常時(shí)，該異常信號(hào)會(huì)通過17區(qū)HT isolation unit（OPTO 2光纖接口）和HTCA optical receiver（OPTO 8光纖接口）送給16區(qū)HTC PCB，HTC PCB根據(jù)該信號(hào)禁止1.5 s高壓驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)該信號(hào)經(jīng)過DIE-HTB PCB處理送到控制柜電腦從而報(bào)該聯(lián)鎖。

分析引起該故障的可能原因有：① 通訊故障，HT isolation PCB或者光纜出問題；② 反峰電路的二極管或電阻擊穿或?qū)Φ囟搪罚虎?高壓線纜對(duì)地打火或短路；④ 閘流管在第二個(gè)充電脈沖觸發(fā)前沒有完全關(guān)閉。隨著閘流管老化，閘流管氣壓降低，引起柵1電壓升高（穩(wěn)定運(yùn)行電壓范圍16.5～19.5 V，超過22 V報(bào)“The Grid”），可以通過升高氫氣加熱電壓來增加氣壓，如果閘流管氫氣電壓過高，可能會(huì)出現(xiàn)不能及時(shí)關(guān)閉的情況而報(bào)錯(cuò)，此時(shí)需要更換閘流管；⑤ PFN損壞，如鼓包或者漏油，若有類似情況需要更換PFN；⑥ 充電二極管是否正常，若有故障，考慮更換充電變壓器；⑦ 噪聲干擾。

處理過程如下：① 因?yàn)楣收吓c機(jī)架角度相關(guān)，首先懷疑線路有松動(dòng)，查看高壓線、線纜和光纜，高壓線沒有松動(dòng)和打火現(xiàn)象，光纜線纜接線沒有松動(dòng)；② 然后排查信號(hào)傳輸是否故障，將OPTO 2接口到OPTO 8接口的光纜替換為備用光纜，故障依舊；③ 出故障時(shí)PFN V沒有波形，因此懷疑PFN低阻抗。關(guān)掉接口柜上HT開關(guān)，給PFN放電，檢查反峰組件上的二極管和電阻是否擊穿或?qū)Φ囟搪罚脫u表檢測(cè)反向二極管D1正常，測(cè)量與之串聯(lián)的電阻R2～R5阻值正常。然后檢查閘流管是否有短路，測(cè)量閘流管相關(guān)電壓，燈絲6.2 VAC、氫氣發(fā)生器5.5 VAC、柵1電壓18.7 VDC、柵2電壓-140 VDC，電壓都正常，排除閘流管本身故障。再次檢查發(fā)現(xiàn)與PFN相連的感應(yīng)線圈L1閘流管陽極端松動(dòng)脫落，導(dǎo)致其在機(jī)架旋轉(zhuǎn)至130°左右時(shí)碰到金屬支架出現(xiàn)對(duì)地短路，高壓超載監(jiān)控電路探測(cè)到電路中電流增大，從而報(bào)該聯(lián)鎖。如圖8所示，重新將陽極焊接后試機(jī)正常，故障排除。

圖8 閘流管陽極端焊接點(diǎn)

6 討論與總結(jié)

本文針對(duì)醫(yī)科達(dá)Precise加速器，首次提出了NTC熱敏電阻損壞引起高壓開關(guān)間歇性跳閘、三相電纜打火引起高壓開關(guān)規(guī)律性跳閘、濾波電容C3損壞引起打火異響和劑量率降低、閘流管陽極接線松動(dòng)脫落導(dǎo)致GTO O/L聯(lián)鎖等4例高壓故障，并結(jié)合高壓系統(tǒng)工作原理，通過查看故障聯(lián)鎖Item代碼的part值、觀察故障現(xiàn)象、分析電路圖紙、用萬用表和示波器實(shí)際測(cè)量等方法快速定位解決了故障。目前也有相關(guān)研究對(duì)醫(yī)科達(dá)加速器HT C.B.高壓聯(lián)鎖[15]、GTO O/L故障聯(lián)鎖[16-18]進(jìn)行分析處理，雖然故障原理類似，但涉及的故障現(xiàn)象及處理方法與本文不同。本文維修案例都有聯(lián)鎖提示或有明顯的故障現(xiàn)象，當(dāng)遇到此類故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合故障現(xiàn)象，分析高壓電路工作原理，首先檢查最大可疑點(diǎn)，可快速定位故障；而有些高壓故障沒有相應(yīng)聯(lián)鎖提示，故障現(xiàn)象不明顯，可以通過關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)法[19]檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形進(jìn)行判斷。通過4例高壓故障維修案例的分析處理，探討高壓故障的初步處理流程如下，希望能為工程師維修處理類似的醫(yī)科達(dá)加速器高壓故障提供借鑒。

（1）高壓異常，判斷高壓是否被禁止，如果高壓被禁止根據(jù)第（2）步處理，否則根據(jù)第（3）步處理。

（2）判斷是否顯示高壓禁止聯(lián)鎖警告。如果無任何顯示，10～20 s后顯示“2R/2T/hump error”，應(yīng)該進(jìn)行PFN診斷，故障一般出現(xiàn)在PFN電壓檢測(cè)光纜和閘流管脈沖觸發(fā)光纜[20]。如果顯示聯(lián)鎖，當(dāng)聯(lián)鎖信息為“HT overload、Crowbar detector、Reverse diode overload”時(shí)，應(yīng)該查看相應(yīng)Item代碼。首先排除通訊光纜故障，再針對(duì)性地排查其他故障，其中“HT overload”故障原因如本文案例四所述，“Reverse diode overload”故障原因可能在反峰組件、脈沖變壓器、磁控管[21]。當(dāng)聯(lián)鎖顯示CB1跳閘時(shí)應(yīng)結(jié)合故障現(xiàn)象分析：按出束鍵后間歇性出現(xiàn)CB1跳閘，應(yīng)該檢查三個(gè)高壓接觸器以及對(duì)其供給的24 VAC電源、接觸器CON D的3個(gè)軟啟動(dòng)電阻；在出束過程中規(guī)律性出現(xiàn)CB1跳閘，線路本身出現(xiàn)問題的可能性大；每次按出束鍵時(shí)CB1都跳閘甚至出現(xiàn)三相電源跳閘現(xiàn)象，應(yīng)該檢查整流管、電感、電容、電阻等元件是否短路。

（3）禁止“Charge enable”，判斷HT PSU是否有600 V。有600 V電壓則將脈沖頻率設(shè)為100 Hz然后重復(fù)第（2）步。沒有600 V則測(cè)量是否有三相輸入電壓，沒有三相電壓則懷疑三相電有短路，有三相電壓則說明600 V線路短路，應(yīng)檢查開關(guān)管TR1和TR2及其緩沖電路、整流管、電感、電容、電阻等元件，然后檢查HT PSU driver PCB和HTC PCB的輸入輸出信號(hào)，最后檢查充電變壓器和PFN。以上都沒問題，則正常出束幾分鐘后關(guān)機(jī)，對(duì)PFN放電后檢查HT PSU是否有打火、燒焦、過溫等異常現(xiàn)象。至此，基本可以初步排查出高壓故障。

醫(yī)科達(dá)Precise加速器高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高，在高壓故障維修工作中，可以圍繞以下兩點(diǎn)展開進(jìn)一步研究：① 探討如何制定周全的保養(yǎng)計(jì)劃，進(jìn)行高壓系統(tǒng)的預(yù)防性維修，如果能提前發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常的元件或松動(dòng)的線纜、光纜等并及時(shí)更換，可有效地降低故障發(fā)生率；② 在處理沒有聯(lián)鎖提示和無明顯故障現(xiàn)象的高壓故障時(shí)，工程師應(yīng)該注意結(jié)合高壓處理流程和關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)法靈活維修，提高維修效率。

綜上所述，本文介紹了醫(yī)科達(dá)Precise加速器高壓系統(tǒng)電路組成和工作原理，通過4例高壓故障維修案例的分析和處理，探討了高壓故障維修方法和初步維修流程。工程師只有充分掌握高壓系統(tǒng)工作原理，結(jié)合故障現(xiàn)象進(jìn)行理論分析和實(shí)際測(cè)量，才可快速定位排除高壓故障，有效保證設(shè)備開機(jī)率和良好的運(yùn)行狀態(tài)。