高能直线加速器真空系统故障分析与维修

谭庭强 李 黎* 廖雄飞 黎 杰 王 培

目前，放射治疗是肿瘤治疗的主要方法之一，其中外照射治疗主要采用电子直线加速器作为治疗用的放射源[1-2]。真空系统是高能直线加速器的重要组成部分，其作用为电子枪发射电子和电子束流的加速与运输提供高度真空的环境，通常要求直线加速器在使用中其真空腔压强应低于5×10-6mbar(1 mbar=102Pa)，待机状态低于10-6mbar[3-8]。加速器真空腔内的真空度差会缩短电子枪灯丝和离子泵的使用寿命，对剂量率和能量等性能参数具有一定影响[9-10]。当真空系统出现故障连锁时直接导致加速器停机，且维修耗时较长，尤其是真空完全释放后重建真空至少需要10 h以上，因此提高真空故障原因判断的准确性和掌握正确的维修方法对于提升维修效率，降低设备的故障停机时间具有重要作用[11]。

通过分析高能直线加速器真空系统原理，分析真空系统常见故障和原因，总结两例序列号在151552后的Axesse和Synergy型直线加速器真空系统故障和维修案例，探讨真空系统故障判断和维修的常用方法，为同行提供参考。

1 高能直线加速器真空系统原理

1.1 加速器真空部件与真空腔结构

医科达高能直线加速器真空腔为密闭腔体，其由电子枪组件(electron gun)、加速管(accelerator waveguide)、微波输入模式变换器(input mode transformer)、微波输出模式变换器(output mode transformer)、微波输入窗(input waveguide window)、微波输出窗(output waveguide window)、飞行管组件(flight tube assembly)、X射线靶/电子窗组件(target/window assembly)、枪端离子泵以及靶端离子泵组件构成。

1.2 高真空的建立与保持

高真空的建立分两步进行。使用外置涡轮分子泵将真空抽至低于10-4mbar(实际操作中为保护离子泵最好应低于10-5mbar)，再由加速器枪端和靶端2个抽速为35 L/s的离子泵(二极钛泵)继续将真空抽至低于10-6mbar，真空建立后2个离子泵不间断运行，从而保持真空始终处于良好状态[12]。

1.3 离子泵控制原理

(1)2个离子泵由离子泵控制器(ion pump control unite，IPCU)控制运行，其包含2个为离子泵提供5 kV的高压直流电源，通过高压电缆分别给枪靶端的离子泵供电，由于2个电源输出参数不同，故枪靶端电源不建议交换，其电源输出参数见表1。

表1 IPCU电源输出参数

(2)IPCU具有工作和保护两种运行模式，工作模式下正常为离子泵提供电源。当IPCU检测到输出电流大于阈值时间持续2 s以上时进入保护模式，即停止向离子泵提供高压电源，其枪靶端电流阈值分别为8 mA和16 mA。

1.4 加速器控制器系统对真空系统的监测与控制

加速器软件系统对真空系统的监测和控制采用项目(item)形式进行管理，共有11个item，分别为i227、i228、i238、i239、i240、i241、i486、i487、i491、i492及i493。其中i227和i228是以10为底的指数形式显示枪端和靶端真空腔压强值，如i228 Vac Targ显示值为-6.3，表示靶端真空腔压强值为10-6.3mbar；其余item用于连锁(interlock)和控制，连锁机制和控制原理见图1。

图1 真空系统连锁机制和控制

2 高能直线加速器真空故障案例

2.1 故障一

(1)故障现象。一台Axesse型直线加速器(瑞典医科达公司)在正常治疗患者过程中，其治疗控制系统(treatment control system，TCS)报故障代码“10-5Trp T”，加速器运行中断(interrupted)，暂停治疗，等待约2 min显示故障代码变为“10-4Trp T”。IPCU上枪端和靶端LED指示灯每4 s闪烁8次。

(2)故障分析。分析枪端和靶端的LED指示灯每4 s闪烁8次，判断为电流过载，离子泵电源进入保护模式。2个离子泵电源均出现电流过载情况，怀疑真空腔泄漏导致压强高于设定阈值。

(3)故障排除。①使用涡轮分子泵辅助排查有无明显的真空泄漏，先启动分子泵查看是否可在正常启动时间内达到最大速度，观察在4 min时达到最大速度且启动正常(由于真空未完全释放，完全释放情况下启动时间约7～10 min左右)，表明真空腔不存在明显的真空泄漏；②使用丙酮辅助排查真空腔各部件连接处是否有真空微漏情况。先将真空抽至10-4mbar以下，启动离子泵，分别在输入窗、输出窗、隔离阀、离子泵接口和波纹管接口处喷洒丙酮，观察i227 Vac gun和i228 Vac targ真空压强值均无增大迹象，表明当前状态下各个真空接口处无微漏情况；③排空波导内六氟化硫气体，观察i227 Vac gun和i228 Vac targ值均无明显变化，表明输入窗和输出窗内陶瓷隔离窗不存在真空微漏情况。以上检测反应了各真空部件在静止状态下的情况，在真空部件中波纹管和飞行管可以运动，因此排查部件在运动时是否会出现真空泄漏。在电子线和X射线之间进行切换，同时观察i228 Vac targ值的变化情况，发现当波纹管移动时i228 Vac targ值明显增大，随后i227 Vac gun值也逐渐增大，因此表明波纹管本身或接口处存在真空泄漏。

(4)故障处理。检查波纹管3个接口处的密封圈均未更换，考虑到该加速器已使用4年，判断密封圈老化导致真空泄漏的可能性较大，由于无新波纹管备件，先考虑更换密封圈，先释放真空，将真空腔内充满高纯度的氮气(氮气纯度高于99.99%)，拆下波纹管和密封圈发现密封圈均严重老化(见图2)[13-14]；更换3个密封圈，再安装好波纹管并重建真空后再次进行测试，故障排除。

图2 波纹管和密封圈

2.2 故障二

(1)故障现象。一台Synergy型直线加速器(瑞典医科达公司)开机时报错10-4trp G，IPCU靶端LED指示灯常亮，枪端LED指示灯每隔4 s闪烁9次，TCS上靶端真空值i228为-6.77，i227为-4.28。

(2)故障分析。IPCU上靶端离子泵电源指示灯常亮，意为靶端电源工作正常；枪端LED指示灯每隔4 s闪烁9次，意为离子泵高压电压低于1.25 kVdc。因此，判断真空腔内真空正常，故障原因可能为枪端高压电缆、枪端离子泵或离子泵电源故障。

(3)故障排除。遵循先易后难的排查顺序先检查高压电缆，关闭枪端离子泵电源，将高压电缆两端分别从离子泵电源和离子泵上拆下，观察高压电缆离子泵一端的接头被高压击穿(见图3)。

图3 高压电缆接头击穿情况

(4)故障处理。更换枪端离子泵高压电缆，重启枪端离子泵电源，故障排除。

3 总结

医科达高能直线加速器真空系统常见故障报错代码有10-4trp G、10-4trp T、10-5trp G和10-5trp T，其故障原因主要有两类：①真空腔内压强增高，超过设定阈值；②离子泵控制器、高压电缆和离子泵等故障引起控制系统检测到错误的真空压强值或触发IPCU内部连锁。

真空腔内压强增高的原因主要有两种：①真空组件中的蒸气、液体、气体或固体的排气引起；②真空腔有泄漏点导致空气和湿气进入到真空腔。当故障检修时，真空部件排气引起的真空腔压强值增加，通常无需特殊处理，离子泵能够缓慢抽走排除的气体，而真空腔泄漏则必须经维修处理将漏点排除。真空腔泄漏有高压泄漏和低压泄漏两种情况，高压泄漏往往因维修过程中某些真空部件安装密封不到位而引起，可采用涡轮分子泵辅助判断；低压泄漏的常见原因为密封圈老化，导致真空部件连接处密封不好，常见表现为枪端(i227)和靶端(i228)两端或其中一端压强值高、治疗中真空出现波动等。低压泄漏的漏点检测可采用丙酮、异丙醇等高挥发性溶液喷洒在疑似泄漏点，观察真空腔压强值的变化情况帮助判断。如果故障因高压电缆击穿、离子泵内部短路、高压电压接触不良、IPCU故障以及离子泵有效寿命结束等[15]引起，可充分利用离子泵控制器LED指示灯提供故障信息进行逐一排查。

真空系统在故障维修过程中应做好真空腔内各部件的保护工作，避免造成真空污染，导致重建真空困难或真空压力不达标。此外，接触真空部件时需配带手套，尽量减少真空部件暴露在空气中的时间，在维修拆波纹管前应在真空腔内充满干燥的高纯度氮气，避免空气进入真空腔，同时真空系统日常维护还需要控制机房湿度在正常范围内，离子泵需要不间断运行，如出现停电情况，在电力恢复后应及时确认离子泵是否正常启动，真空压强是否恢复正常[16]。熟练掌握真空系统的工作原理，了解常见故障并总结其故障原因和维修方法，有助于提高加速器真空系统故障维修效率，减少设备因故障停机的时间，使患者能够得到及时的治疗。