住友回旋加速器故障維修兩例

畢澤威，王樹濤

赤峰市醫(yī)院 （內(nèi)蒙古赤峰 024000）

回旋加速器是一種利用磁場和電場共同使帶電粒子做回旋運(yùn)動，在運(yùn)動中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置[1]。回旋加速器可產(chǎn)生正電子放射性藥物，藥物注入人體發(fā)揮示蹤劑的作用，醫(yī)師即可通過PET/CT 觀察患者組織、器官的結(jié)構(gòu)及代謝情況，從而實(shí)現(xiàn)對疾病的早期監(jiān)測與預(yù)防[2-3]。

2019 年，我院引進(jìn)了日本住友公司的升級版HM-10HC+回旋加速器，該款加速器最高提供10 MeV質(zhì)子能量，采用100 μA 雙束流及50 MHz 低射頻技術(shù)，預(yù)留固體靶位、18F-13N 液體鈮靶、11C 氣體銀靶，配備全自動生產(chǎn)監(jiān)控、啟動及郵件報警系統(tǒng)，常規(guī)模式下1 h 生產(chǎn)2.6 Ci F 離子、2 h 生產(chǎn)4 Ci F 離子。此款回旋加速器采用的是全屏蔽體設(shè)計(jì)，屏蔽部分由2 塊屏蔽體和2 扇屏蔽門組成，以全方位防護(hù)輻射。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由電源系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、離子源系統(tǒng)、引出系統(tǒng)、靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中電源系統(tǒng)供給各路所需電壓。真空系統(tǒng)的作用是減少束流丟失，并對高壓電場絕緣，同時保障帶電荷粒子的產(chǎn)生、加速和傳輸[4]。現(xiàn)介紹我院在使用住友回旋加速器時遇到的兩例故障（IGBT 過載報錯和真空系統(tǒng)機(jī)械泵過載報錯）的處理過程，以期為同行提供參考。

1 工作原理

回旋加速器的工作原理：位于回旋加速器中心部位的離子源經(jīng)高壓電弧放電使氣體電離發(fā)射出粒子束流，粒子束流在半圓形電極盒中運(yùn)動，半圓形電極盒與高頻振蕩電源相連為加速粒子提供交變電場，在磁場和交變電場的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的軌道中加速運(yùn)動[5]；帶電粒子經(jīng)多次加速后，圓周軌道半徑達(dá)到最大并獲得足夠的能量，在此處粒子將被束流提取裝置引出[6]。

2 故障實(shí)例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

電腦端啟動主磁體時出現(xiàn)“IGBT OVER LOAD”錯誤。

2.1.2 故障分析與排除

回旋加速器由室內(nèi)供電單元（380 V，45 kW，50/60 Hz）配電，供給變壓器（380 V 轉(zhuǎn)換為200 V）輸出，輸出的電壓供給磁體電源柜、控制柜、射頻電源柜和射頻放大柜。通過故障報錯提示，確定為主磁體電源單元故障。

首先，檢測室內(nèi)供電電源，三相電源均衡，輸出正常；其次，檢測變壓器的輸出電壓，在正常范圍；然后，打開磁體供電柜，檢測輸入電壓正常，排除線纜故障。此時，主要檢測IGBT 相關(guān)回路的電路板。斷開MCCB1 開關(guān)及IGBT 上所有接線（兩個IGBT 并聯(lián)，無法在線檢測），IGBT 為電壓型控制器件，具有二極管屬性，可單獨(dú)測量每個IGBT（正常約為0.317 V），發(fā)現(xiàn)其中1 個IGBT 短路，判斷為燒壞。更換新的IGBT 后，設(shè)置10、50、100、121.6、150 A 的電流慢慢啟動主磁體，每個電流穩(wěn)定一段時間，150 A 穩(wěn)定1 h，之后磁場電流打開，故障排除。

該設(shè)備使用約2 周后再次出現(xiàn)“IGBT OVER LOAD”報錯，報錯可復(fù)位，時有時無。單獨(dú)檢測每個IGBT，正常；檢測輸入二極管特性，正常；檢測輸出端二極管，電壓為0.325 V 和0.317 V，為保證P/N 平衡，更換2 個電壓均為0.317 V 的二極管。更換新的輸出端二極管后，設(shè)置10、50、100、120、150 A 的電流慢慢啟動主磁體，每個電流穩(wěn)定一段時間，150 A 穩(wěn)定20 min 后再次出現(xiàn)IGBT 報錯。重新設(shè)置后能再次啟動，但故障依舊。排查IGBT及輸出端二極管后，應(yīng)考慮連接IGBT 的傳感器、控制板和驅(qū)動板是否出現(xiàn)了問題。更換DCCT 元件后，啟動主磁體仍報錯；更換2 塊IGBT 前端控制板，啟動主磁體同樣報錯。

打開MCCB1 開關(guān)，在不啟動主磁體的情況下，通過示波器檢測驅(qū)動板輸出端到IGBT 的電壓（此端為驅(qū)動電壓，正常應(yīng)＞10 V），連接好線后施加假信號做模擬啟動（斷開MPS 板上CN8 和CN6，CN8 端短接），共4 個IGBT，發(fā)現(xiàn)第3 個IGBT 驅(qū)動電壓在10 V 上下波動（導(dǎo)致IGBT 報錯時有時無）。斷開驅(qū)動板輸入線，測量電壓為5.1 V，有假信號時電壓為2.5 V，找到了問題點(diǎn)（正常情況應(yīng)均為5 V 左右）。檢測MPS 板上TP11～TP18 8 個輸出端波形圖，發(fā)現(xiàn)TP15、TP16 無信號（主板上測量元件無需接假信號）。通過檢測發(fā)現(xiàn)JP15 與TP15、TP16 相連，通過用手按壓發(fā)現(xiàn)信號時有時無，更換頂部短接頭后仍舊如此，觀察MPS 板無明顯燒灼痕跡，使用短接線短接JP15 兩端，檢測JP15 端信號，發(fā)現(xiàn)信號時有時無。在排查過程中，手動按壓DL3～DL8 芯片，示波器信號顯示正常。拆下MPS 板，使用電烙鐵重新對DL3～DL8 底腳焊接加固，再次檢測各輸出端信號，均正常。更換新的MPS 板后檢測TP15、TP16 端信號正常，檢測驅(qū)動板輸出端到IGBT 輸入端點(diǎn)處信號正常，檢測電壓正常（29.3 V），連續(xù)測試30 min 左右未出現(xiàn)問題。在電腦端慢慢啟動主磁體確認(rèn)無問題，選擇LOCAL 啟動，設(shè)定電流為0 A，多次開關(guān)主磁體電源無問題后，在電腦端設(shè)定磁體電流為120 A 連續(xù)運(yùn)行3 h 以上進(jìn)行確認(rèn)。設(shè)備運(yùn)行正常，故障排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

回旋加速器抽取真空時出現(xiàn)報錯“4818:00 VAC.EXH.SYS.ROTALLY PUMP OVER LOAD 4913:00 VAC.EXH.SYS.RP RUN RP THERMAL TRIP”，真空系統(tǒng)機(jī)械泵過載報錯。復(fù)位空開過載保護(hù)，重新啟動立即報錯。檢測電壓在正常范圍，啟動運(yùn)行電流為27 A 左右，超過限定值，且運(yùn)行時噪聲較大，重啟后再次檢測，故障依舊。

2.2.2 故障分析與維修

如圖1 所示，HM-10 型回旋加速器的真空系統(tǒng)主要由一級機(jī)械泵、二級油擴(kuò)散泵、真空閥門、粗真空計(jì)和高真空計(jì)組成。真空系統(tǒng)用以提供加速負(fù)離子所需的高真空環(huán)境[7]。真空腔體積為167 L，機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵與真空腔相連通，相互之間使用低真空閥和高真空閥控制，真空計(jì)可監(jiān)測真空腔和管道的壓力，在不通入離子源氣體時通常保持在10-7mbar 數(shù)量級，通入氫氣后真空度會下降至10-5mbar 數(shù)量級[8]。

圖1 HM-10 型回旋加速器真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)故障信息，機(jī)械泵過載并熱保護(hù)開關(guān)關(guān)閉。出現(xiàn)此類故障后，應(yīng)重點(diǎn)排查控制柜內(nèi)部連接機(jī)械泵的斷路器和機(jī)械泵運(yùn)行是否正常。首先，檢測斷路器，分別在待機(jī)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)下多次檢測電壓，均在正常范圍，此時基本排除斷路器損壞的可能；其次，檢測機(jī)械泵，使用鉗形表檢測機(jī)械泵的啟動運(yùn)行電流，發(fā)現(xiàn)啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)定范圍，運(yùn)行一段時間后熱保護(hù)開關(guān)跳閘，重新打開熱保護(hù)開關(guān)，啟動抽取真空后發(fā)現(xiàn)機(jī)械泵開始運(yùn)行并伴有噪聲，約幾分鐘后，設(shè)備報錯并停止運(yùn)行，此時檢查了泵油的顏色和視油鏡的液面高度均在正常范圍。使用萬用表測量電機(jī)繞阻，在正常范圍，說明電機(jī)部分未完全燒壞。打開進(jìn)氣和出氣口端，拆下“O”型圈、卡環(huán)和過濾器，同時清洗過濾器并晾干，重新安裝機(jī)械泵后進(jìn)行測試，故障依舊。

由于機(jī)械泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時噪聲較大，重點(diǎn)檢查了電機(jī)機(jī)蓋，無明顯損壞，證明噪聲來源于機(jī)械泵內(nèi)部。住友回旋加速器使用的機(jī)械泵是英國EDWARDS 生產(chǎn)的E2M28 型。此泵為兩級直接驅(qū)動的葉片泵。其中，泵是一個獨(dú)立的裝置，驅(qū)動由單相或三相（四極）電機(jī)通過柔性聯(lián)軸器提供。電機(jī)是完全封閉的，由電機(jī)冷卻風(fēng)扇將空氣引導(dǎo)至電機(jī)的散熱片上進(jìn)行冷卻。此款低真空機(jī)械泵的電機(jī)具有熱過載裝置，即當(dāng)電機(jī)過熱時，熱過載裝置便會關(guān)閉泵。且其還具有自動復(fù)位功能，即電機(jī)冷卻后，設(shè)備便會復(fù)位，電機(jī)將重新啟動。由此可見，此泵噪音大的原因可能是電機(jī)聯(lián)軸器松動、電機(jī)軸承磨損或葉片被卡住。拆卸電機(jī)和泵頭后，手動轉(zhuǎn)動葉片順暢無頓挫感。單獨(dú)給電機(jī)加電發(fā)現(xiàn)其高速運(yùn)轉(zhuǎn)后出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。使用搖表對電機(jī)進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)電機(jī)線圈的絕緣性能較差，同時發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承有明顯磨損痕跡。向廠家訂購了新的機(jī)械泵，檢測新電機(jī)繞阻在正常范圍。連接新的真空泵，添加泵油，通電測量轉(zhuǎn)向，連接管線。機(jī)械泵運(yùn)轉(zhuǎn)聲音正常，測量電壓RS 205.1 V/ST 204.6 V/RT 203.6 V，測量電流R 2.87 A/S 2.81 A/T 3.04 A，真空抽取速度正常。反復(fù)測量電壓電阻均在正常范圍。第2 天再次測量，參數(shù)值均在正常范圍，且運(yùn)行正常，故障未再次出現(xiàn)。

3 小結(jié)

回旋加速器結(jié)構(gòu)精密、復(fù)雜，涉及物理、機(jī)械、電氣等多學(xué)科、多領(lǐng)域知識。若回旋加速器發(fā)生故障，則可影響醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科臨床診療工作的順利開展。因此，醫(yī)學(xué)工程部工程師應(yīng)深入了解回旋加速器的結(jié)構(gòu)及工作原理，在日常工作中注意積累維修經(jīng)驗(yàn)，如此，在遇到設(shè)備故障時，才可逐步分析并查找故障原因，迅速采取解決措施，保障設(shè)備正常運(yùn)行。