西門子加速器劑量率連鎖故障維修二例

王熙彬

江西省豐城市人民醫院 （江西豐城 331100）

放射治療是惡性腫瘤最重要的治療手段之一，約有70%的腫瘤患者在不同時期因不同原因需要接受放射治療[1]。醫用直線加速器作為放射治療的重要設備，被廣泛應用于臨床。我院于2007 年引進西門子Primus M 直線加速器，至今已運行15 年，設備不可避免地出現損耗、老化，故障頻發。本研究主要介紹了2 例不同原因引起的劑量率連鎖故障及維修排查過程，并總結了維修要點與方法，供同行借鑒，為日常故障分析與維修提供思路。

1 基本原理

醫用電子直線加速器一般由加速管、微波功率源、微波傳輸系統、電子注入系統、脈沖調制系統、束流系統、真空系統、恒溫水冷系統、電源分配控制系統和應用系統組成[2]。加速管是醫用直線加速器的核心部件，主要作用是利用磁控管產生的微波（頻率約2 998 MHz），耦合送入加速管，在加速腔內，微波將電子槍產生的具有一定初速度的電子束加速至接近光速，經偏轉磁鐵的轉向和能量選擇后，電子束打靶產生X 線，再將產生的X 線經均整、適形、電離室監測等處理，得到符合要求的X 線，用于放射治療。

1.1 電子槍注入器工作原理

注入器系統是加速器的核心系統之一。注入射出具有一定初速度的電子束流到波導管，經微波加速形成高速電子流，當高速電子流撞擊金屬靶時產生射線[3]。注入器主要由電子槍燈絲電源電路、柵極—陰極偏壓電路、柵極脈沖電路、陰極高壓電源及各部分相應的控制電路組成。燈絲電源提供+5～6 V 的電源，用以加熱處于電子槍陰極高壓負端的燈絲。對于電子槍陰極高壓，燈絲兩端是等電位的；對于加熱電壓，燈絲兩端是不等位的。因此，可得到所需的加熱電流。機器在待機時，直流柵極—陰極偏壓電路在柵—陰極之間形成-135 V 偏壓，截流電子束，使電子束關閉；當機器出束時，控制電路產生幅寬5 μs 的觸發脈沖（INJ-T），電子槍柵極加上0～+340 V 脈沖電壓，開啟電子槍，脈沖幅度越大，電子槍電流越大。電子槍陰極高壓電源給電子槍陰極提供11～12 kV 的負高壓，使電子束以一定的初速度注入波導管（圖1）。

圖1 注入器原理圖

1.2 高壓電路工作原理

穩壓三相交流電（208 V AC）經過空開CB2，送往高壓變壓器。在電源送進高壓變壓器初級前，需經過高壓變壓器3 個抽頭（TAP）選擇繼電器L（K3）、M（K4）、H（K5），以及高壓使能控制繼電器K1 和K2。其中K1 繼電器3 個輸出端串聯有3 個100 Ω（50 W）的電阻，其作用是在接到H.V ON （高壓啟動打開）的信號后2 s 內導通，使高壓變壓器軟啟動，防止高壓變壓器初級導通瞬間電流過大。在2 s 后，由K2 接替K1 工作，K1 退出工作。在高壓變壓器T1 工作時，次級將產生的電壓經過整流濾波后電壓約+14 kV，通過高壓電纜送往調制柜，高壓直流電源經充電電感（Choke）和充電二極管串對PFN 充電。經PFN 及DQ 閘流管控制，輸出高壓送往脈沖變壓器，1‥4 升壓后整流成脈沖直流電壓，供給磁控管作為工作電源（圖2）。

圖2 部分高壓形成電路圖

2 故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障現象

直線加速器在工作過程中出現異響，加速器控制屏主界面出現#12、#54 等聯鎖，加速器不出束，鍵盤鑰匙復位后，重新準備出束，無劑量輸出，加速器停機。

2.1.2 故障分析

加速器不出束、無劑量輸出、劑量率為零，所涉及的系統可能有調制器系統、微波系統、槍注入系統、束流檢測系統等。其中，涉及高壓放電的部分有高壓變壓器、脈沖變壓器、磁控管、閘流管及槍高壓等，需用示波器逐一排查各個系統的工作狀態，通過關鍵點工作波形判斷故障位置。將位于S33 的3 塊硬件聯鎖板上的6 個撥動開關全部上撥，旁路掉所有硬件聯鎖，再旁路掉所有軟件連鎖。在出束狀態下用示波器逐一查看磁控管陽極電流（Pulse I）、反射波（Reflect）、注入器電流（INJ-I）、高壓充電電流（Charge I）信號波形。Pulse I 波形顯示正常，由此判斷Charge I 為正常，排除高壓產生電路故障；Reflect 反射波形顯示不正常，軟件參數表中動頻率控制監測值（AFCM）反饋異常且數值跳變，需逐一排查自動頻率控制電路（AFC）、反饋、調諧電路，查看注入器INJ-I 波形，波形不正常，考慮注入器損壞。

2.1.3 故障處理

首先，靜態測量高低壓板上的工作電壓，槍高壓板燈絲電壓、柵極電壓分別為+5 V 和-135 V，均為正常值；測量高壓板上TP4 INJ-I 電壓為0 V（正常值約為+190 V，因INJ I 編程值不同而有所差異），測量低壓板Q3 漏極電壓為0 V（正常值約為+600 V），可確認低壓板有器件損壞；在更換新低壓板后，需在出束狀態下測量高壓值，由于測量高壓值是在加速器工作狀態下進行的，為確保維修人員安全，可用手機攝像觀看測量過程，具體操作如下：將萬用表正負表筆夾在低壓板R50 兩端（R50 系槍高壓取樣電阻），放置好手機攝像，維修人員在外操作，停止出束后，查看手機視頻，觀察發現未測量到電壓值，而正常狀態兩端的直流電壓為4.2 V 左右，確認高壓板出現故障；更換高壓板和低壓板后，測量INJ-I 波形，波形仍不正常，AFC 波形不正常、AFCM 反饋不正常且數值跳變，分析可能計算機的編程值未通過低壓板和光纖輸送到高壓板（此功能由G32C PC2 DF/FD 板實現）；對此板進行更換后，INJ-I 波形恢復正常，但AFC波形與AFCM 反饋值仍不正常，分析可能注入器打火，打火信號跟隨機器的時鐘信號竄入所有帶時鐘信號的板子，造成帶有時鐘信號的板子（S34 Trigger A 、S34 Trigger B、G32 B Slave Clock）損壞；依次更換上述3 塊電路板，再次觀察AFC 波形，此時波形正常，AFCM 反饋值正常，加速器有束流輸出，優化調整INJ-I 值、PFN 值，使X 線劑量率穩定在200 MU/min，加速器恢復正常。

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

直線加速器在工作過程中出現異響，加速器控制屏主界面出現#12、#54 等聯鎖，加速器不出束，鍵盤鑰匙復位后，重新準備出束，無劑量輸出，加速器停機。

2.2.2 故障處理

故障分析同故障1。旁路掉所有的硬件和軟件聯鎖，在機器出束狀態下觀察各系統關鍵點波形以確定故障點。首先，用示波器測量INJ-I，波形正常，排除注入器問題，繼續測量Pulse I、Reflect、Charge I，均未測量到，由此判斷磁控管陽極無高壓電壓輸入，確定問題出在高壓形成電路、高壓傳輸電路，以及磁控管及其控制電路；維修期間，發現空開CB2 跳閘，將CB2 恢復后出束，故障未解除，CB2 仍出現跳閘；為確定故障在調制柜還是在高壓變壓器側，斷開高壓電纜與CHOKE 的連接，試機，CB2 跳閘，由此判斷故障在高壓變壓器及其附屬電路；按照“先易后難”原則，對可能發生故障的部件逐一進行排除，在軟件上改變高壓變壓器初級繞組TAP 抽頭，試機，CB2 跳閘，排除TAP 選擇繼電器問題，繼續更換K1、K2，試機，CB2 跳閘，排除高壓使能繼電器問題，將高壓電纜與高壓變壓器接頭斷開，試機，CB2 跳閘，排除高壓電纜問題，拆下6 個高壓二極管，用萬用表電阻檔測量高壓二極管（圖3）的正反向電阻（正向電阻應大于100 MΩ，反向電阻無窮大），發現1 個高壓二極管雙向完全導通，確定為高壓擊穿；更換高壓二極管后，加速器恢復正常。

圖3 高壓變壓器輸出整流濾波流分圖

3 總結

上述兩個維修案例，雖都是報同樣的劑量率聯鎖，但發生故障的部件卻不一樣。其中涉及的系統較多，排查內容煩瑣，在整個過程中更需要理清頭緒，有條理地分析故障發生機制，進行分段檢查，仔細分析電路，利用一些關鍵點的電壓、波形來確定、逐步縮小故障范圍，及時找到故障的源頭，并予以排除。

注入器放電打火，損壞多塊電路板，維修周期長，會造成社會效益和經濟效益雙重損失。而高壓電路由于工作電壓高、電流大，在維修過程中要特別注意維修人員的人身安全和對機器的保護，不要輕易去除保護電路，避免故障擴大和損壞更多配件；在排除故障的同時，平時工作中應該加強對加速器的維護和保養，特別注意對加速器中水、電、氣及油路的檢查，防微杜漸，及時排除小問題，避免大故障。