RDS 111型医用回旋加速器运行中真空故障排查两例

潘晓强，王淑侠

广东省人民医院（广东省医学科学院）核医学科，广东 广州 510000

引言

RDS型医用回旋加速器主要用于生产18F、11C、13N等放射性同位素，将这些同位素标记的正电子药物静脉注入人体后再通过PET/CT、PET/MR等设备进行显像。PET/CT显像在临床良恶性肿瘤诊断及疗效评估起到重要作用[1-2]。保证医用回旋加速器的平稳运行、放射性同位素的产量稳定，降低回旋加速器的故障率，减少回旋加速器故障时的停机时间，同时做好医用加速器的维护和保养是保障临床用药的前提。在医用回旋加速器的故障中以靶压故障、离子源故障、真空故障、冷却系统故障较为常见[3]。其中，靶压故障需要逐步排除气体问题、阀门问题、PLC输出问题以及电路故障进行分析排除[4]。离子源故障常由于长时间使用离子源阴极金属头，金属剥落导致短路或者阴极线绝缘层脱落接通阳极导致短路故障。而冷却系统故障则需要排除内循环水是否足量、内水冷过滤接头是否堵塞以及外水冷机是否正常运行。真空泄露常为靶膜破裂、真空窗膜破裂、密封圈破损、密封圈移位和异物进入密封区域及其他故障导致的真空泵停机[5]。其中密封圈移位和异物进入密封区域通常是在回旋加速器零部件拆卸后装配回去的过程中出现；靶膜破裂和真空窗膜破裂现象比较常见且明显，容易判断；由于回旋加速器拥有各种各样的密封圈不计其数，因此排查由于密封圈破损导致的真空泄漏非常困难。在可移动旋转的部位更容易出现密封圈破损的情况，例如靶头切换器会容易因为旋转切换靶时摩擦密封圈而出现密封圈破损。但是并没有找到在设备运行中由于射频耦合线圈内部橡胶密封垫片破损导致真空故障的案例。本文介绍了两例回旋加速器运行中分别因靶头旋转切换器的固定金属盘的密封圈破损和射频耦合线圈内部橡胶密封垫片破损导致的真空故障，并详细展示了故障排查过程，为出现类似的真空故障情况时提供维修参考经验。

1 医用回旋加速器工作原理

医用回旋加速器主要是进行放射性同位素的生产。加速器由磁场系统、真空系统、射频系统、离子源系统、离子萃取引出系统、靶系统等构成，各系统在控制电脑（VME）的控制下协调工作[6-7]。RDS 111型回旋加速器工作过程如图1所示，氢气在离子源中被电离，生成的负氢离子在偏置电压作用下被引出到真空腔中，负氢离子在偏转磁场的作用下做圆周运动，同时被共振电极产生的射频电场加速。由于RDS 111型回旋加速器采用4个D型共振电极（DEE盒）的设计，粒子每通过一个DEE盒就受到一次吸引和一次排斥影响完成两次加速，所以粒子运动一周获得8次加速。负氢离子不断进行圆周运动并持续加速到11 MeV后，经萃取碳膜剥离电子后被引出轰击相应靶材料，生产出相应同位素[8]。

图1 加速器工作原理图

2 真空系统的重要性及其工作原理

真空系统是回旋加速器的重要组成部分，是回旋加速器运转的必需系统之一。较高的真空度是加速器正常运行的必要条件。真空为加速的负氢离子提供真空环境，可减少腔体内各种杂质气体对加速负氢离子的能量损耗[9]。否则，真空腔内过多的杂质会导致被加速的负氢离子偏离加速轨道后轰击真空腔内壁，进而破坏真空腔内壁光洁度，同时离子源效率也会大幅降低，导致离子源打火、速流稳定性降低，更甚者可能会导致零部件的损坏[10]。西门子RDS 111回旋加速器真空系统24 h运行，加速器在不进行核素生产时真空腔压力可维持在1×10-7Torr。回旋加速器真空系统由加速器真空腔、真空泵、真空阀门、真空度传感器和真空硅显示器构成，真空控制单位通过终端盒控制各真空组件[11]，详见图2。其中真空规显示部分分为IG和TC1/TC2，IG探测压力范围为P＜10-3Torr，TC1/TC2的探测压力范围为P≥10-3Torr。真空泵由初级真空机械泵和次级真空扩散泵（Diffusion Pump，DP）组成[12]。机械泵维持真空腔和初级真空管道一定的真空度，并为DP泵工作提供无水汽负压环境。真空泵工作过程：同时打开机械泵和DP泵开关，机械泵首先工作，当TC1/TC2真空度达到5.6×10-2Torr时DP泵电源接通，DP泵加热丝开始给DP加热，当DP油达到一定温度时，4个DP泵灯逐渐点亮，DP泵进入工作状态。DP泵工作2 h后，真空能达到10-7Torr。

图2 真空系统结构原理图

3 故障案例分析

3.1 案例一

3.1.1 故障现象

回旋加速器正常运行，在使用大靶靶头切换器切换靶体过程中，真空度骤然大幅下降至10-4Torr，靶体复位或者切换靶位完成后真空可缓慢恢复正常。

3.1.2 故障分析

由于大靶靶头切换器靶头内部真空是通过一个小机械泵抽取的，真空度无法达到真空腔真空度级别，当切换靶位时，真空腔短暂连通靶头真空，因此真空腔真空度会出现小幅下降。靶体复位或者靶位切换完成后真空将迅速恢复。但是切换靶位时出现较大真空变动，而且真空恢复时间较长，必然出现了真空泄漏问题。切换大靶靶头切换器任意靶体过程中都出现真空问题，靶体复位或者靶位切换完成后真空可恢复正常，因此可排除由于靶故障造成的真空故障。转动大靶靶头切换器转盘进行靶位切换时，转盘内的靶孔前端密封圈与固定金属盘（图3）内的密封圈产生摩擦，如果此两种密封圈老化或者润滑度不够，很容易因摩擦出现磨损从而产生真空泄露。

3.1.3 故障处理

逐一拆下靶体，并拆下大靶靶头切换器转盘，发现其固定金属盘上的真空密封圈（图3）出现破损，更换此密封圈，并在靶孔前端密封圈和固定金属盘上的密封圈表面涂抹阿匹松真空油以达到密封和润滑作用。装回大靶靶头切换器转盘和靶体，真空抽取正常后进行测试，切换靶位显示真空故障现象消失。

图3 大靶靶头切换器固定金属盘

3.2 案例二

3.2.1 故障现象

在使用回旋加速器大靶18F靶正常加注富氧水轰击30 min后腔体真空度急速下降，速流中断，终端控制电脑显示出错，真空规IG显示错误代码：09 E。TC1/TC2真空度分别降至1.5×10-1Torr、1.7×10-1Torr，低于正常值1×10-3Torr，此时DP泵已经显示断电，DP显示灯逐渐熄灭。

3.2.2 故障分析与处理

（1）首先检查大靶18F靶膜是否破损。发生故障时，由于正在使用大靶系统18F靶生产核素，故由于靶故障引起真空泄漏概率较大。检查方法：往18F靶内加注靶压气体氩气后进行保压，靶压保压正常，因此可排除由于18F靶穿靶所导致的真空泄露[13]。

（2）检查小靶靶头切换器真空窗是否破损。真空窗膜是厚度为2 mm的金属膜，真空窗一边连接的是负压的真空腔，另一边连接的是正压的氦冷系统，由于压差很大导致真空窗膜破裂也是真空故障的常见原因之一。检查方法：在控制电脑端使用手动控制模式，同时打开氦流和氦压开关使氦气循环泵工作至氦流和氦压传感器灯点亮后关闭，氦压传感器灯能维持常亮，显示小靶靶头切换器冷却氦气密封性良好，故可排除由于小靶靶头切换器真空窗破损导致的真空泄漏。

（3）检查机械泵是否正常。正常情况下，只有机械泵的情况下也能将真空压力维持在1×10-3Torr，由于真空压力远低于这个压力值，因此不排除是由于机械泵故障导致的真空故障。检查方法：回旋加速器卸靶冷却12 h后，打开回旋加速器自屏蔽，经检查发现机械泵机械油油量和颜色正常，电源通电正常，运行有震感。再检查机械泵功能是否正常，机械泵断电后将TC1端真空传感器直接短接在机械泵上，接上电源开启机械泵，真空很快能达到1×10-3Torr，显示机械泵功能正常，因此排除由于机械泵功能故障导致的抽取真空能力下降。

（4）检查大靶靶头切换器是否有真空泄漏的情况。由于大靶靶头切换器中密封胶圈较多，也常常会由于靶位转动导致密封圈磨损出现真空故障。为了节省时间，直接使用排除法。检查方法：将真空完全解除后，关掉大靶水冷，将整个大靶靶头切换器拆下，使用西门子专用靶头堵头堵住靶头腔体，开启机械泵10 min，显示真空度最高只能达到1.5×10-1Torr，真空度并没有提高。因此判断故障点不是大靶靶头切换器。

（5）检查离子源和塔型结构是否存在真空泄漏。由于塔型结构上的真空密封圈直径较大但比较细小，容易在将塔型结构装进真空腔时由于轻微转动导致密封圈损坏甚至拉断。同时离子源的氢气管道也有可能出现漏气或者氢气控制器故障导致真空过差。排除方法：破除真空，将整个塔型结构连带离子源取出，使用塔型结构专用堵头堵住，抽真空，真空度没有提高。因此可排除回旋加速器塔型结构以及离子源存在真空故障。

（6）检查DEE是否存在真空故障。RDS 111型医用回旋加速器存在4个DEE盒，由于D型电极轴柱（DEE-Stem）为铝制材料，使用一段时间后会出现铝锈，从而会影响真空密封圈的密封效果。检查方法：将DEE盒逐一拆下，检查DEE盒内DEE-Stem真空密封圈以及密封圈部位是否存在较大锈蚀，使用标号2000#的砂纸打磨密封圈部位并使用新密封圈替换所有旧密封圈后装回，再次测试腔体内真空度，然而真空度并未提高，因此可判断此4个DEE盒正常。

（7）最后检查嵌入DEE盒的射频耦合线圈。方法：断掉射频耦合线圈管，取下射频耦合线圈铜铸件，实物图和结构示意图如图4～5所示。检查射频耦合线圈上的所有密封圈，发现射频耦合线圈内部密封垫片有破损裂纹（图6），更换此密封垫片后装回，开启机械泵抽取真空，15 min后，TC1/TC2的真空度能达到1×10-3Torr，开启DP，DP运行正常，抽取真空90 min后，真空恢复正常。因此可确定此密封垫片破损裂纹是导致真空泄漏的原因。

图4 射频耦合线圈实物图

图5 射频耦合线圈结构图及密封垫片位置

图6 破损的橡胶密封垫片

4 讨论与总结

医用回旋加速器维护分为预防性的维护和计划外的维修两类[14]。预防性的维护有常规检查和系统检查，定期维护起着重要作用，以使回旋加速器的正常运行时间保持在99%以上。计划外的维修主要包括靶泄漏、真空泄漏及离子源故障，医用回旋加速器工程师进行故障排除和更换有故障的零件，大多数故障排除都是根据维修经验进行的。本文两个疑难案例不是常见故障点，案例一是由于密封圈摩擦破损造成的真空故障，通过分析故障现象可以推断出故障点。此故障可为核医学工程师在维护回旋加速器设备时提供参考，在产生摩擦部位的密封圈要注意添加润滑油以降低摩擦密封圈破损的概率。案例二是没有明确的零部件故障特征，故障排除较为耗时耗力，其检修较其他真空故障更为复杂。本文的检修过程可为回旋加速器的真空故障提供思路和参考，因为其中的排查检修步骤已经囊括了回旋加速器常见真空故障的大部分情况。设备维修大多是经验维修，理解设备工作原理、积累维修经验，就能更好地做好回旋加速器的维护保养。这两个不常见的真空故障可以填补相关的真空故障库，为核医学工程师维护回旋加速器提供更多参考经验。回旋加速器是一个强辐射的设备，即使在非工作状态仍存在靶体等高度活化的金属部件，密封圈和密封垫片使用久了容易老化，出现变形、硬化和裂纹，而长期的高强度辐射环境会加剧这一进程[15]，因此在加速器维护过程中要定期对密封圈和密封垫片进行更换。后续可进一步研究高强度的辐射环境和普通环境对密封圈等橡胶部件硬化老化的影响。