瓦里安Clinac 21EX直線加速器GFIL連鎖的故障分析與維修

袁虎，楊金泉，廖廷釗

大理白族自治州人民醫院 a. 放療中心；b. 設備科，云南 大理 671000

引言

放射治療的放射線包括光子束與粒子束，其中光子束分為X 射線和γ 射線，直線加速器是產生高能電子束和光子束的主要設備。醫用電子直線加速器是目前國內放射治療的主流大型醫用設備[1]，屬于國家二類醫療器械。直線加速器的配比越來越高，隨之而來的是直線加速器的故障現象也會增多。瓦里安直線加速器故障后提示GFIL 連鎖，屬于常見的加速器故障，本文闡述與瓦里安加速器GFIL 相關的電子槍燈絲電壓控制系統的原理，通過對瓦里安直線加速器中的Clinac 21EX 機型9 年內發生的GFIL 連鎖故障進行全面的詳細分析，得出故障占比較高的類型，提醒發生GFIL 故障時特別注意占比高的故障，以幫助快速解決問題，并進一步分析故障現象和處理方法，為同類型的瓦里安直線加速器提供維修參考。

1 工作原理

直線加速器放射線的產生首先是電子槍發射電子，電子經加速管和RF 射頻系統進行加速[2]，成為高能電子，高能電子打靶產生高能光子線或不打靶直接輸出高能電子線，通過加速器的束流系統和準直系統進行束流準直后從機頭輸出，從而實現對患者的治療[3]。

電子槍的工作原理如下：電子槍燈絲加熱陰極，陰極發射電子并維持負的靜電壓，柵極利用比陰極更低的負電壓，阻止電子束向陽極運動，從而達到控制電子束的目的。電子槍的燈絲電壓控制分熱端高壓控制和冷端低壓控制兩大模塊[4]。熱端高壓控制中的主要板件有熱端低壓電源供應板（Low Voltage Power Supply 板）、燈絲電源板（Filament Power Supply 板）、槍驅動脈沖板（Gun Driver Pulser 板）和熱端板（ Hot Deck Backplane板）；冷端低壓控制中的主要板件有電源供應板（Power Supply 板）、脈沖控制板（Pulse Control 板）和槍控制板（Gun Controller 板）。GFIL 連鎖主要監測燈絲電壓和柵極電壓，描述提供給電子槍相關電壓的故障[5]，圖1 為GFIL 連鎖故障傳輸簡圖。

圖1 GFIL連鎖故障傳輸簡圖

電子槍的燈絲電壓信號由Filament Power Supply板監測并經模數轉換處理后通過光纖P11～P15 傳回冷端控制背板，再傳到Gun Controller 板；柵極電壓由槍驅動脈沖板通過光纖P10 和P16 傳回冷端控制背板，再經過控制板來控制電子槍工作[6]。其中任一燈絲電壓、柵極脈沖電壓的異常都會引發GFIL 連鎖[7]，并通過冷端槍控制板傳到槍驅動背板，進而通過W30 電纜傳輸到機架的Gantry Patch Panel 板，再經W32 電纜傳輸到機座部分的Stand，最后傳輸到控制臺Console，并在控制臺電腦屏幕顯示GFIL 連鎖。當GFIL 連鎖發生且冷端Gun Controller 板顯示面板可正常顯示時，會在Gun Controller 板的屏幕上顯示相應的錯誤信息。工程師可根據錯誤信息和圖紙解析大致判斷出故障發生的原因，從而進一步深入分析故障。

2 故障匯總

本院瓦里安21EX 直線加速器自使用以來，每次故障都會詳細的記錄，統計9 年發生的GFIL 連鎖故障如表1 所示，統計本院瓦里安21EX 加速器2014—2022 年共發生GFIL 連鎖18 次，按照最后確定的故障部件將其分為5 大類故障類型， 2018 年未發生此類故障，當設備使用到第8 年后故障占比逐漸升高，分析為一些不易損壞的部件開始老化。其中故障類型二和故障類型三占GFIL 故障的總占比為77%，說明Low Voltage Power Supply 板和Filament Power Supply板這兩個板件易損壞，建議做好硬件的儲備，減少故障停機時間，提高維修效率。

表1 GFIL故障匯總表

3 故障類型一：冷端Power Supply板故障

3.1 故障現象

控制臺報GFIL 連鎖，拆開冷端蓋板，可直觀冷端的控制電路部分，當Power Supply 板發生故障時，S1、S2、S3 三個開關雖處在ON 打開狀態時，但DS1、DS2、DS3 三個指示燈全熄滅，測量+5 V、+15 V、-15 V電壓均為零。

3.2 分析與維修

Power Supply 板故障，共發生過兩次，在GFIL 故障中占比11%。第一次發生時拆下板件，測量保險，發現F1—1.5A 125V 保險燒斷，見圖2。

圖2 Power Supply板-保險

找到類似保險更換后，插回板件，DS 指示燈正常，測量輸出電壓正常，設備故障修復。第二次發生故障時，測量保險F1～F4 一切正常，查看圖紙Power Supply 板的PS1 模塊是主要的交流轉直流的變壓部件[8]，將模塊拆下，直接在模塊輸入端接上交流電后測量輸出端無直流輸出，懷疑其損壞，見圖3。在網上查找無此模塊出售，只能和廠家購買整塊Power Supply 板，更換板件后，故障解決，設備正常。

圖3 PS1-變壓模塊

4 故障類型二：熱端Low Voltage Power Supply 板故障

4.1 故障現象

開機晨檢時控制臺報GFIL 連鎖，或治療過程中報GFIL 連鎖。拆開冷端蓋板看冷端控制板板件中的Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示為HD A/D +，拆開熱端蓋板看熱端散熱風扇不轉。

4.2 分析與維修

Low Voltage Power Supply 板故障自本院21EX 加速器使用以來共發生8 次，類型占比最高為44%。Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示均為HD A/D +,可通過查看瓦里安配套圖紙了解代碼信息，常見提示信息如表2 所示。

表2 Gun Controller板提示信息表

通過表2 信息提示，可看出HD A/D +是提示熱端A/D 轉換自檢失敗并已超限，熱端散熱風扇不轉，說明熱端已斷電自我保護，斷電保護懷疑此故障與電壓有關。分析熱端總體框圖，熱端的低壓電源由Low Voltage Power Supply 板即低壓電源供應板提供。具體查看詳細原理圖紙，熱端Filament Power Supply 板的原理圖上顯示板件上有5 V 電、+15 V 電和-15 V 電的測量點[9]，并可通過測量（圖4）測量點TP 之間的電壓值，判斷低壓電源供應板的供電是否正常。

圖4 熱端Filament Power Supply板測量點

咨詢廠家工程師，正常的TP1～TP2 之間電壓約5 V，TP1～TP4 之間電壓約16 V。此故障發生時，先通過逆時針微調（圖4）Low Voltage Power Supply 板的電位器[10]，即可恢復供電，解鎖保護狀態，然后再進行電壓測量。分析8 次故障時測量的電壓記錄，總結如下：此故障發生時測得TP1～TP2 之間電壓均小于標準的5 V 約5%，同時測得TP1～TP4 的電壓均與標準的16 V 偏差超過±5%，超過這個范圍基本就會報連鎖。由此可判斷電壓異常應與Low Voltage Power Supply 板的供電有關，因瓦里安廠家配套圖紙中無Low Voltage Power Supply 板圖紙，拆下低壓電源供應板件觀察實物（圖5），當調整完電位器并重新打開冷端Power Supply 板S 開關上電測試后，圖4 熱端Filament Power Supply 板測得的電壓會發生變化。反復調整電位器，使TP1～TP2 的電壓盡可能接近5 V，同時TP1～TP4 的電壓盡可能接近16 V，觀察連鎖是否消失，連鎖消失說明Low Voltage Power Supply 板還可用，如調整后連鎖無法消失，只能修復或更換Low Voltage Power Supply 板。觀察實物板件，板件中有KA7915 等三端穩壓器，三端穩壓器主要起15V 電的穩壓作用，更換三端穩壓器后再上機測試Low Voltage Power Supply 板，測量點TP1～TP2，TP1～TP4 的電壓能穩住且沒觸發GFIL連鎖說明板件已修復。通過更換KA7915 成功修復一塊Low Voltage Power Supply 板，但因長時間暴露在輻射環境中Low Voltage Power Supply低壓電源供應板中的電容、三端穩壓器等器件容易損壞，幾個月后又發生同樣故障，屬故障率較高的配件，因此第二次同樣故障發生時購買新的Low Voltage Power Supply 板進行更換。

圖5 Low Voltage Power Supply板的電位器

5 故障類型三：熱端Filament Power Supply板

5.1 故障現象

故障類型三現象與類型二現象相似，晨檢或治療中控制臺報GFIL 連鎖。但故障類型三發生時冷端Gun Controller 板顯示屏顯示的信息每次均不同[11]，有HD A/D +，HD GND 或Grid +等， GFIL 連鎖有時會一直存在，有時會時不時閃爍。

5.2 分析與維修

首先參考故障類型二排除Low Voltage Power Supply板故障，先測量熱端Filament Power Supply 板TP1～TP2之間的5 V 電壓和TP1～TP4 之間的16 V 電壓，電壓均正常即排除了Low Voltage Power Supply 板的故障[12-13]。根據表1 信息，HD A/D +、HD GND 和Grid +均為是指熱端的故障，最終均傳回到冷端的信號異常。為快速解決故障，接下來逐一查看現有的熱端剩余板件，瓦里安廠家裝機時原配的熱端板件備件中，有兩塊板件——Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，逐一更換試機，此類型故障發生后都是更換Filament Power Supply 板后解決，說明此類故障與Filament Power Supply 板相關。故障解決后查看Filament Power Supply板原理圖紙，主要部件原理框圖如圖6 所示。

圖6 Filament Power Supply板信號輸出簡圖

燈絲電源板信號經放大、穩壓等處理，最后都來到U2 芯片（TLC1541IN），查找U2 芯片資料，資料顯示U2 芯片為A/D 轉換器，實現模擬信號和數字信號之間的轉換，完成轉換后經與非驅動器U3（75452）芯片再經發射器 (HFBR1531）連接光纖然后直接傳回冷端。懷疑U2——A/D 轉換器壞引發的故障，購買芯片更換后，再試機，未出連鎖。說明板件里的U2——A/D 轉換器確實故障，直接更換后即可修復，修復后作為備用板件使用。

6 故障類型四：熱端底板 Hot Deck Backplane 板故障

6.1 故障現象

控制臺GFIL 連鎖時不時閃現，無法出束，Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示為HD A/D -，返回控制臺按Enter 后或經急停重啟后連鎖或可消失。如不能消失等待5 min，再次急停再次開機又正常，報警消失。

6.2 分析與維修

因連鎖時有時無懷疑接觸不良或電源不穩定，且連鎖出現時Gun Controller 板顯示屏顯示的信息提示為HD A/D -，懷疑Filament Power Supply 電壓被拉低，參照故障類型二拆開熱端測量（圖4）Filament Power Supply板TP1～TP2 之間的電壓為4.78 V 和TP1～TP4 電壓為16.06 V，電壓還在正常范圍，Low Voltage Power Supply板不需更換。微調大5 V 電壓接近5 V，16 V 不超5%后繼續觀察使用。觀察結果為報錯規律與微調電壓前一樣，說明此故障與Low Voltage Power Supply 板的電源供應無關。為快速判斷故障，逐一更換手里有的熱端備件Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，觀察幾日，無明顯改善，故障現象依舊。此時僅熱端底板Hot Deck Backplane 板未更換，拆下熱端底板，并查看底板圖紙，底板配件不多主要有個變壓器及一些濾波整流的電容，底板主要起板件之間的連接及變壓等作用，無芯片可換，考慮電容等元器件老化。查看實物與圖紙的同時，發現Hot Deck Backplane 板有多個測量點，安回板件上電，對測量點進行電壓測量，測量點如圖7所示。

圖7 Hot Deck Backplane板測量點

經多次測量分析TP1～TP2 之間電壓不穩，在120～140 V 之間波動，波動較大，查看原理圖紙，電壓應穩定在120 V 左右，懷疑底板故障。考慮板件中電容較多，設備使用年限較長，懷疑電容老化或板件之間的接觸不良，為降低故障停機時間，且手中無備件可換，無法驗證是否屬底板問題，決定購買新的Hot Deck Backplane 板。更換后連鎖未再出現，故障解決。舊板件拆下后將電容C3（4.7 μF/250 V）焊下測量時，電容測量為4.37 μF，懷疑其老化不穩定，更換電容，待下次試機驗證。

7 故障類型五：機架Gantry中的Gantry Patch Panel板故障

7.1 故障現象

機架轉動時會時不時引發GFIL 連鎖，發生連鎖后打開冷端看Gun Controller 板顯示屏顯示的信息為IL0,Mode Err。

7.2 分析與維修

冷端Gun Controller 板顯示屏顯示的信息為IL0,Mode Err，通過表2 信息提示可看出，此信息表述的是模式錯誤，在控制臺切換不同模式的能量，切換時已聽見氣閥的聲音，但顯示信息依舊，說明能量確實已切換但信息無法傳輸到控制臺。再分析此故障在機架轉動時引發，懷疑與機架內的信號傳輸線在旋轉過程中可能發生斷路，查看GFIL 信號傳輸框圖，先排查機架旋轉時會影響的電纜線——圖1 所示的Gantry 與Stand 之間的W32 信號線[14]。對照圖紙用萬用表逐一測量W32 信號線的兩端，一邊手動拉扯線模擬機架旋轉的影響一邊測量看是否導通，結果并無發現W32 斷路的異常情況。然后按上述故障類型描述的方法，測量Filament Power Supply 板TP1～TP2 之間的電壓，TP1～TP4之間的電壓并無異常，測量底板Hot Deck Backplane 板TP1～TP2 之間的電壓并無異常，逐一更換備件Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，故障依舊，目前為止手上有的備件，且與圖紙中相關的板件都已更換完。于是又對照GFIL 連鎖故障傳輸簡圖（圖1）和詳細的Gantry Patch Panel 板的原理圖紙，檢查線纜傳輸部分并一路按框圖反向測量信號輸出。先從機架穿線W32與Gantry Patch Panel 板的連接入手，見圖8。

圖8 Gantry Patch Panel板J2針腳簡圖

把穿過機架并與Gantry Patch Panel 板連接的W32線纜的14、15、16、17、19、30、31 等與GFIL 相關的針腳進行測量，再按瓦里安配套的原理圖紙所示線纜連接從Gantry Patch Panel 板J2 →Gantry Patch Panel板J17 →熱端Gun Driver Backplane 板的J2 →Gun Controller 板的P1（通過插延長板來測量）逐一測量，均導通。說明線和中間的板路均無問題。再次認真研究圖紙，檢查未查到的板路和路線，決定帶電測量電壓看信號傳輸中斷位置，注意此時用萬用表帶電測量時切不可短路針腳以免引起別的故障，按上述路線再次測量，當測量到Gantry Patch Panel 板J17 時，發現J17 圖紙上的12 角如圖9 所示，+12 V 電——無電壓。

圖9 Gantry Patch Panel板J2針腳簡圖

懷疑Patch Panel 板故障，導致+12 V 傳輸異常所致。因無Gantry Patch Panel 板備件，只能將J2 的8 角+12 V電用電線短接到J17 的12 角。短接后再試機，切換能量模式，此時冷端Gun Controller 板顯示的信息可從IL0～IL2 之間切換，但GFIL 連鎖還未消除，再認真觀察，發現冷端Power Supply 板的DS2 燈不亮，拔出Power Supply 板按故障類型一方法檢測，發現一2 A 的保險燒斷，懷疑可能因中間測量途中短路導致，更換保險后插回，試機正常，GFIL 連鎖消除，故障修復。此次故障過程曲折，耗時較長，但緊緊圍繞原理圖紙逐一分析，將框圖中的板件和導聯線基本都排除完，最后排查到了不常見的Gantry Patch Panel 板還是將其修復。接下來對臨時短接的Patch Panel 板的J2 和J17 針腳的緊急措施進行分析，分析后期機架旋轉過程中如焊點脫落電線短路會造成更大的故障，還是采購了新的Patch Panel 板，新板更換后試機正常，將舊板作為備件使用。

8 討論與總結

當直線加速器的加速器發生故障時，將停止放療患者的治療，如長時間停機，從生物學和放射物理學的角度分析，對整個放療進程增加了很多不確定因素，因此，及時快捷的維修對放射治療尤其重要。本文通過對9 年來本院21EX 直線加速器同一個GFIL 連鎖的故障現象、故障分析與維修進行了詳細的描述，并按損壞的硬件將其分為五大類型，依次對各大類型的故障深入分析，提供了快捷的維修方法和典型的板件維修方法，基本囊括了與21EX 加速器GFIL 連鎖相關的大部分硬件故障。通過上述的維修過程分析，GFIL 連鎖故障占比77%：熱端Low Voltage Power Supply 板故障，主要是因電壓異常導致，所以要調整電壓或時常測量進行提前預防維護，并做好備件儲備；熱端Filament Power Supply 板故障，主要是涉及信號的轉換與傳輸，所以板件也易出現故障。瓦里安Clinac 系列加速器原理類似且廠家都配有相關原理圖紙，按照同樣的思路，當發生GFIL 故障時，同系列的設備，工程師可優先判斷是否為此兩種故障，其余相似故障亦可借鑒文中的其他類型故障的處理過程并結合配套圖紙進行深入分析。

作為醫院的維修工程師，面對大型的進口醫療器械，平時的知識儲備在設備發生故障時將深刻體現，故障信息的查詢，維修思路的形成，及原理圖之間的串通，都需要工程師熟練掌握相關理論知識。扎實的理論基礎能幫助工程師熟練掌握故障的提示信息大致內容，快速的查找相關錯誤信息，了解信息傳輸的總體框架[15]，準確定位故障所在，再加上工程師的信心、耐心和創新，終能解決故障。除此之外工程師還要對設備做好管理，平時記錄好設備的運行狀態，做好設備的維護，故障發生時詳細記錄每次維修過程，更要根據設備的運行情況做好常用備件的儲備[16]，這樣才能快速的解決故障，為醫院和患者提供更換的服務。