虚拟负载在瓦里安加速器高压脉冲调制系统故障维修中的应用研究

2021-10-18何赟，孟鑫，罗恒，许琨

科技创新与应用 2021年29期

何赟，孟鑫，罗恒，许琨

(西安交通大学第二附属医院肿瘤放疗科，陕西西安710004)

瓦里安21EX型加速器是一款应用于肿瘤患者放射治疗的常用设备，该机型提供两档高能X射线，五档高能电子射线，是一款具有水、气、电复杂结构的大型精密医用设备。该机器工作的核心是利用速调管作为微波功率源给加速管提供微波能量，使电子得到很高的能量，而加速器的高压脉冲调制系统就是产生一定功率的脉冲电压来驱动速调管。脉冲电压的幅值是按照速调管的要求来设计的高达几十千伏，并且要求的脉冲宽度非常窄，通常在5μs左右。加速器性能的稳定性和工作的可靠性都与产生脉冲的质量有着直接的关系。所以说，高压脉冲调制系统向微波功率源提供了高压高频脉冲，是加速器的重要组成部分，是保证加速器系统正常工作的基本条件[1]。

当加速器高压脉冲调制系统放电电路出现故障时，加速器系统将会出现MOD连锁[2]。MOD连锁故障所涉及的电路复杂、工作电压高，故障检测过程繁琐，易扩大化，故障导致的停机时间长、维修费用高。为了减少MOD连锁故障停机时间和维修费用，避免故障检测过程中故障扩大化，避免脉冲变压器、速调管灯丝变压器、速调管等重要高值器件损坏，安全、快速、准确的定位故障显得尤为重要。本文结合瓦里安加速器高压脉冲调制系统的充放电过程和具体故障实例，通过采用虚拟负载的方法准确快速的找出故障点，总结出排除类似故障的分析和判断方法，从而使我们能够自主维修加速器高压脉冲调制系统的MOD连锁故障，减少因MOD连锁故障引起的停机时间和维护费用，提高加速器的工作效率和运行绩效。

1 高压脉冲调制系统的基本原理

瓦里安加速器高压脉冲调制系统是以脉冲形成网络(Pulse Forming Network，PFN)作为储能元件，用氢闸流管作为开关，脉冲电缆作为传输线，工作时可分为“充电储能”和“放电脉冲”两个工作环节[2]。其充电过程采用直流谐振的充电方式，形成直流高压；放电过程采用等效负载RL与PFN特性阻抗R0相等的传输线放电，得到加速器系统需要的高压负脉冲[3]。高压脉冲调制系统工作原理如图1所示。

图1 高压脉冲调制系统原理图

1.1 高压脉冲调制系统的充电电路

三相交流电源经过升压、整流、滤波后形成直流高压(MODE A工作模式为11kV，MODE B工作模式为13kV)，直流高压通过充电电感L1和充电二极管CR1倍压，使PFN的充电电压最大可达直流高压的2倍，再通过DeQ电路，控制PFN的充电电压值，形成系统所需的高压值。其中，充电二极管CR1作用是阻止充电电感L1引起的震荡衰减和反向充电现象。

1.2 高压脉冲调制系统的放电电路

当达到系统所需的高压值时就向主闸流管控制极送去一个控制脉冲信号触发主闸流管导通使高压脉冲调制系统放电。当主闸流管导通时，PFN作为放电电源和主闸流管、高压脉冲电缆、脉冲变压器、速调管灯丝变压器、速调管之间形成放电回路，产生高压负脉冲。

1.3 终端削峰保护电路

高压脉冲调制系统放电产生的高压负脉冲能量最高可达3千余焦耳，如果充放电电路或负载发生故障，很可能会对系统造成严重损坏，甚至损坏脉冲变压器、速调管等重要高值器件。为了避免高压负脉冲对系统电路的意外损害，保护加速器的系统安全，高压脉冲调制系统设计了终端削峰保护电路。

终端削峰保护电路由反向二极管CR2、压敏电阻RV1、RV2、电流互感器T1和错误检测电路共同构成。反向二极管的作用是阻止正向电流通过，允许反向电流通过，这样不影响正常的充电过程；压敏电阻是为了对电路出现过压时进行电压钳位来保护敏感元件；电流互感器是检测电流信号的元器件。当高压脉冲调制系统放电时，在速调管等效负载和PFN特性阻抗相互匹配的情况下，PFN上形成的反向电压很小，反向电压经过终端削峰保护电路中的反向二极管CR2电流也很小，电流互感器检测到该电流信号不足以触发连锁，从而不影响高压脉冲调制系统的正常工作；但是在速调管等效负载RL小于PFN特性阻抗R0情况时，PFN上将形成一个很大的反向电压，反向电压通过反向二极管CR2形成反向电流，这时电流互感器就会向削峰检测电路输出一个较大的电流信号，该电流经控制电路输出的电压幅值大于5.5V时，“反峰连锁”(MOD连锁)将被触发，切断电路而禁止高压脉冲调制系统继续充放电。

2 虚拟负载排查MOD连锁故障的方法

2.1 虚拟负载选型

虚拟负载的选择是排查瓦里安加速器高压脉冲调制系统MOD连锁故障的关键。首先，虚拟负载的阻抗特性应与高压脉冲调制系统的阻抗特性相同，否则同样会产生很大的反向电压，无法排查故障。高压脉冲调制系统主要包括PFN、脉冲电缆、脉冲变压器、速调管灯丝变压器以及速调管。其中PFN结构决定其特性阻抗，等效阻抗为12.5Ω；脉冲电缆[4]由四根电缆并联组成，每根电缆的特征阻抗为50Ω，四根电缆并联形成的传输线特性阻抗也为12.5Ω；脉冲变压器的匝数比为1：11，其阻抗变比为1：121；速调管特性阻抗为1400Ω，其通过脉冲变压器阻抗变比后，同样等效为12.5Ω，因此，虚拟负载的阻抗应为12.5Ω。

在调制器中我们发现R15和R16阻值均为25Ω，额定功率为275W，将它们并联后正好阻值为12.5Ω。同时，这两只电阻是无感管状陶瓷电阻，在高压、高能以及大电流的条件下具有稳定的工作特性，能够承受上千伏的脉冲电压。因此，我们选取这两只电阻并联，作为虚拟负载，排查MOD连锁故障。

2.2 使用虚拟负载排查MOD连锁故障的方法

高压脉冲调制系统的放电回路主要由PFN、脉冲电缆、脉冲变压器、速调管灯丝变压器和速调管组成，只要其中任何一部分出现故障，机器Beam On后都会出MOD连锁。

2.2.1 MOD连锁故障原因分析

当高压脉冲调制系统的负载阻抗小于PFN特性阻抗时，在高压脉冲调制系统放电时就会在PFN上产生较大的反向电压，当反向电压输出高于5.5V时，将会触发MOD连锁。MOD连锁主要由以下几个方面故障导致：

(1)检测电路故障。首先，可能是由于削峰电容CR2的反向击穿以及压敏电阻RV1、RV2的失灵；其次，由于MOD故障连锁信号所经过的电路板或电缆出现传输错误。在瓦里安21EX机型中采用EMC(电磁兼容)调制系统，它的MOD连锁检测电路是通过J14送到调制柜中的Fault Conditioning Board(错误信号板)上，通过Thyratron Backplane(闸流管背板)J3-18输出到Auxilary Power Distribution(辅助电源板)J8-25，经W3线缆到Console Backplane(控制柜背板)J24-25，从Input Interface#2(2号输出板)XB2-35输出到DI/O接口板送到控制计算机，最后控制计算机发出禁止出束指令[5-6]。检测电路任何环节的故障都会导致MOD连锁的触发。

(2)脉冲电缆故障。瓦里安加速器在高压脉冲调制柜和脉冲变压器之间有四根脉冲传输电缆，四根脉冲电缆并联，特性阻抗正好为12.5Ω，当任意一根脉冲电缆被击穿、短路打火，均将出现阻抗不匹配问题，出现MOD连锁。

(3)脉冲变压器、速调管灯丝变压器和速调管故障。如图2所示，由于脉冲变压器打火、速调管灯丝变压器打火、速调管打火、油缸打火以及电路短路击穿等，均将导致阻抗不匹配，触发MOD连锁。

图2 脉冲变压器、速调管灯丝变压器以及速调管连接图

2.2.2 虚拟负载排查MOD连锁故障

我们采取在脉冲电缆前、后分别设置断点的方法如图1所示，把虚拟负载接入电路来代替实际负载的方法可迅速排查故障范围，判定故障是在检测电路、脉冲电缆，还是在脉冲变压器、速调管灯丝变压器以及速调管中。

(1)在脉冲电缆前设置断点1，直接将虚拟负载接入高压脉冲调制系统的放电回路，高压脉冲调制系统的PFN直接与虚拟负载连接。此时，如果继续出MOD连锁，则可以判断调制器内的高压脉冲调制系统检测电路故障，需要在调制柜内检查高压脉冲调制系统检测电路；如果不出，则说明调制器内的高压脉冲调制系统检测电路正常，故障在设置的断点之后，需检查后续电路。

(2)恢复脉冲电缆前设置的断点1，在脉冲电缆后设置断点2，将虚拟负载接入脉冲电缆后。此时如果出MOD连锁，可以判断脉冲电缆出现故障，需逐个检查四根脉冲电缆；如果不出MOD连锁，则说明脉冲电缆也正常，打开加速器基座内的脉冲变压器油缸和速调管油缸，检查脉冲变压器、速调管灯丝变压器、速调管及其相关电路[7]。

3 高压脉冲调制系统MOD连锁故障检修实例

3.1 故障现象

加速器开机正常且MLC(Multileaf Collimator，多叶光栅)自检正常，电子线晨检正常，晨检至6MV-X线时，Beam On即出现“MOD”连锁，加速器无法进行正常治疗；后测试其他能量射线，均在Beam On后出现MOD连锁。

3.2 故障检查与处理

打开调制柜，将脉冲电缆从调制柜拆开，然后取下R15和R16，用铜线并联组成虚拟负载，接到放电回路中；再选加速器最低能量6MeV电子线，设1MU、0.1min，Beam On后不再出MOD连锁，说明检测电路正常，故障在脉冲电缆连接处之后。恢复调制柜脉冲电缆连接后，将四根脉冲电缆从脉冲变压器油缸抽出，将脉冲电缆铜芯并联连接到虚拟负载一端，外皮接到虚拟负载另一端，如图3所示，然后再选6MeV电子线，设1MU、0.1min，Beam On，结果每次Beam On后均会出现MOD连锁，说明故障在四根脉冲电缆上。脉冲电缆采用的是同轴电缆，它是由内导体、绝缘介质、外导体构成，三者之间是相互绝缘的，其绝缘电阻应为无穷大。我们用摇表分别测量四根脉冲电缆的绝缘电阻，发现W5、W6、W8均为无穷大，只有W7的绝缘电阻为15MΩ，因此可以断定是W7电缆故障造成的MOD连锁。检查W7脉冲电缆，发现此电缆有一处压褶痕迹，用刀将压褶处划开，剥开外皮后发现铜皮已发黑，并有一小孔，如图4所示。更换此电缆后[8]，开机Beam On正常，MOD连锁消失。