西门子Primus M加速器电子枪工作原理及典型故障解析

2015-12-05夏小林

中国医学装备 2015年3期

夏小林段巧刘玮

夏小林①段巧①刘玮①

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.035

电子枪是医用电子直线加速器的电子源，其性能指标(如流强、能量及发射度等)直接影响加速器的性能[1]。要使电子枪正常注入脉冲电子，就得使灯丝正常加热；栅-阴电位差正常；阳-阴极间电位差正常，即INJ正常工作的三要素。而INJ-I的大小主要由栅-阴电位差(0～340 V钳位电平与135 V电平之差)和INJ-E确定。同时，135 V的固定偏压要求稳定，若135 V的不稳就会使INJ-I不稳定，135 V的丢失会造成INJ-I过流。

1 电子枪关键电路工作原理

1.1 电子枪的阳极-阴极高压INJ-E的控制

阳极-阴极高压INJ-E是加在加速波导管电子枪阳极与阴极之间的电压差所产生的电场，主要是对阴极发射的电子流进行加速。同时由于阳极的特殊形状，INJ-E电场对阴极发射的电子还有聚焦作用[2]。INJ-E不但决定了阴极电子进入加速管的初速度，也决定了电子束流的聚焦程度。如果INJ-E部分不能正常工作将直接影响到束流的优化以及聚焦后射线半影区的大小，进而影响到PROFILE。早期传统的加速器，INJ-E常被用来参与优化而被设定在不同的幅度上，而自从引进数字化技术，厂家倾向把INJ-E设定在固定幅度上：即为12.5 kV，对应的编程值为8501左右[3]。

INJ-E控制过程：控制台上INJ-E Soft-pot编程值经通讯电缆送到G32C的FC#3功能板，将数字信号变换成频率信号(如：8501 mV=425 kHz)，从G32C PCB2的CH2输出到达INJ-I的低压板，后由AD652 U12再将频率信号变换成8.5 V的模拟控制电压，用来控制2N6547 U8的基极偏置(如图1所示)。

在Q8的集电极上接的是一个桥式整流器，Q8的导通程度反过来也决定了桥式整流器中能流过的交流电流，亦即改变了T2的初级等效阻抗，进而能改变15 kV高压电源的输入电压。高压电源实际上是一个升压变压器加上整流，滤波，因而HV电源的输出INJ-E就直接与Q8的导通程度相关联了，Q8的Ic越大，T2的初极等效阻抗就越低，INJ-E就越高，反之INJ-E则变低。

加在电子枪阴极上的负高压，经30M(R43)分压(3000∶1)作为负反馈用来稳定INJ-E，同时在经过校正后作为INJ-E的高压测量点，如INJ-E是12.5 kV，负反馈的电压约为4.16 V[4]。

图1 INJ-E控制部分电路图

1.2 电子枪0～340 V钳位电平产生和注入电流INJ-I控制

当加速器处于Standby状态，电子枪栅极的电平相对于阴极的是-135 V，电子枪是截止的，即便在INJ-E高达12.5 kV时RAD-ON，-135 V的反偏置仍足以使阴极的电子无法到达阳极。在有驱动脉冲信号时会出现INJ-I脉冲；同时栅-阴相对电平即0～340 V箝位电压减去135 V决定了INJ-I脉冲的大小；而稳定的135 V和稳定的0～340 V箝位电压才能产生稳定的INJ-I。

控制台上编程的INJ-I编程值也是经通信电缆送到G32C的FC#3板，经G32C PCB2板输出通道CH3的D/F变换成频率信号(1000 mV=50 kHz)后再送到Injector上，经LV PCB板的75107接收后，再送到HV PCB，然后U3(AD650)把频率信号F/D变换成模拟控制电压，同时在TP4得到与遍程值略同电压，此电压控制三极管Q2(MJE1320)的导通程度(如图2所示)。

图2 钳位电平产生电路图

400 V电压经R39(50 K)加在Q2集电极上时，Q2的Ic在R39上的压降即决定了箝位电平。当触发信号使LV板上的C3放电后，T1次级的感应脉冲电压由箝位电平箝位而形成一定的栅-阴相对电平，产生INJ-I脉冲。

不同的能量需要不同的INJ-I，因而其0～340 V箝位电压也可能不同：对于西门子Primus机型电子线的INJ-I一般仅数mA，其0～340 V箝位电压大约为90 V；X射线15 MV的INJ-I约300 mA，其0～340 V箝位电压大约为150 V；X射线06 MV的INJ-I约1000 mA；其0～340 V箝位电压大约为205 V。

1.3 135 V固定偏压的控制

加到电子枪阴极上的固定偏置电压为135 V，其与0～340 V钳位电压一起构成栅-阴电位差，决定了电子枪注入电流的大小。要保证INJ正常且稳定压135 V是个重要条件[5]。一旦存在135 V丢失时，会使阴极电流不再仅仅是在INJ-T来到时导通的几微秒，而是一直会存在，一旦出现这样的情况，INJ-E电源会过流甚至可能会打火，电路中27 K碳质电阻会过流烧毁，INJ-I联锁电路也应该动作。同时INJ-I瞬间过流时所产生的电磁脉冲可能会引起机器上其他关联的器件被烧坏。

目前，西门子新型的数字化加速器Primus的solid state Injector部分的135 V电路的工作原理与老款机型基本相同，唯有不同的是电路中的大功率管采用了MJE1320，±15 V模块电源质量也有所提高改善。整个电路值得注意的是AD581的输出及TP8的电压必须是准而稳的，正常工作时Q1 MJE1320的集电极电流约12 mA，处于微导通状态，如果这个电流增加到36 mA，则5.6 K上的压降就相当于200 V，而由于Q1的B-E的二极管特性，基极电压的变化很小(如图3所示)。

图3 固定偏压控制电路图

2 典型故障案例

2.1 故障现象

加速器在6-MV光子线治疗模式RAD ON出束时，出现“DOSE RATE”和“INJECTOR”联锁，无剂量输出，加速器无法继续工作。

2.2 故障分析与处理

(1)通过示波器检测到pluse-I波形正常，RFREFI波形正常，但无注入电流(INJ-I)波形，确定故障发生在电子枪部分[6]。通常在处理INJ-I的故障时，一般情况下应该在控制台编程后先检测一下关键点电压135 V和0～340 V，而且TP4上的电压应与INJ-I的soft-pot编程值差不多。按此思路检查关键电路点电压时发现135 V的固定偏压丢失，进一步检查电路时发现高压板的27 K/0.5 W的碳质保险丝电阻也出现损坏，同时在经校正后作为INJ-E测量检查用的TP9处检测不到负反馈电压(RAD ON时，1 V=-10 kV)。电路正常时INJ-E为12.5 kV，负反馈的电压约为4.16 V。很明显此案例是因为135 V丢失时HV过流引起的27 K保险丝电阻损坏，进而出现D0SE RATE联锁。

(2)如果正常工作时X-06MV的INJ-I幅度是1200 mA，PRF-P是5 ms，脉宽5 µs，则占空比为1∶1000，INJ-I的平均电流为1.2 mA，其他能量模式时的平均电流都比这个稍小，同时由于阴极发射能力的限制以及靠近阴极的电子云的作用，INJ-I的峰值不会比1.2 mA大很多。而高压板的27 K 0.5 W碳质保险丝电阻额定的烧断点平均电流约为4.3 mA，所以只有在占空比明显增加的情况下才会烧电阻，而这种情形只有发生在135 V丢失时。明确机器的联锁是135 V固定偏压丢失所致，便进一步检查与该电压直接相关的设备原器件，万用表测试大功率管Q1 MJE1320时发现，其C-E级已被对地击穿，这是135 V丢失直接根源。在更换MJE1320后开机测试135 V固定偏压电路各关键点电压一切正常，待热机完毕测试机器各档能量恢复正常工作。

3 小结

加速器电子枪的工作原理与二极管类似，在电子枪中阴极和阳极恰好组成一个二极管，只是阳极中间有一个束流供电子从中通过。当灯丝加热到一定温度时，阴极开始发射电子，外在阴阳极之间加一个脉冲电压，电子便会在此加速电压的作用下，向阳极加速运动形成注入电流[7]。西门子Primus M加速器电子枪为栅控型电子枪，在待机状态时，电子枪栅极的电平相对于阴极是-135 V，电子枪是截止的，因为-135 V的反偏置足以使阴极的电子无法到达阳极[8]。只有在驱动脉冲信号时，栅-阴电位差正常，阳-阴极间电位差正常时才能产生稳定的INJ-I。只要从原理上了解了电子枪各部分关键电路的工作原理，就能依据故障现象，从源头上快速准确解决故障。

[1]顾本广.医用加速器[M].北京：科学出版社，2004.

[2]陈亚珠，黄耀熊.医学物理学[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]赵立新.加速器电子枪基本原理及瓦里安与西门子加速器电子枪故障维修[J].医疗装备，2009，22(8)：158-160.

[4]李军.西门子M型加速器注入器故障分析[J].医疗卫生装备，2004，25(11)：72.

[5]张瑞山，郭大伟.西门子PRIMUS直线加速器注入控制电路的故障检修与分析[J].医疗卫生装备，2011，32(9)：138-139.

[6]李军，张西志，谭飞，等.西门子Mevatron医用电子直线加速器故障维修与分析[J].中国医学装备，2009，6(12)：48-50.

[7]杨绍洲，陈龙华，张树军.医用电子直线加速器[M].北京：人民军医出版社，2004.

[8]张勇，宋芳芳，何小琦.行波管栅控电子枪栅网的结构可靠性[J].真空科学与技术学报，2008，28(2)：169-173.

夏小林,男,(1979- ),硕士，工程师。云浮市人民医院肿瘤科，从事放疗设备维修和临床放疗物理工作。

1672-8270(2015)03-0102-03

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2014-03-08