两种加速器高压系统的比较与维修探讨

王绪刚，于晓君，魏绪国

聊城市人民医院 放疗科，山东 聊城 252000

引言

近年来，我国的肿瘤发病率和死亡率急剧上升，放射治疗是恶性肿瘤最重要的治疗手段之一，其中70%以上的癌症患者在治疗期间需要进行放射治疗[1]，而医用电子直线加速器是尤其常用的放射治疗设备[2]。目前，国内医用电子直线加速器市场主要依赖进口，国产品牌占据市场份额较小，各类大中型医院使用的加速器主要是由瑞典医科达（Elekta）和美国瓦里安（Varian）公司生产或提供[3]。Elekta Precise（简称EP机）精确治疗系统是世界上最成熟的数字化直线加速器平台，Varian Trilogy（简称VT机）是影像引导放射治疗高级多功能直线加速器，两种加速器可实现多种放射治疗技术及高级临床应用，如调强放疗技术和容积调强弧形治疗技术。虽然进口加速器质量好、功能多，但设备昂贵，后期维护费用高[4]。我院EP机和VT机分别于2006年和2014年投入使用，自主维修情况下每台设备每年维护费用平均二十多万元。其中，高压脉冲调制器系统结构复杂，故障率高，对拥有两种加速器的医院，同时展开两种加速器高压系统的维护工作难度较大，有必要对其系统性维护工作展开研究。在当前研究中，有一些关于瓦里安加速器HVOC连锁[5]、MOD连锁[6]、UDRS连锁[7-8]、闸流管相关电路[9-10]高压故障，以及医科达加速器GTO O/L连锁[11-12]、Reverse Diode O/L连锁[13-14]、600 V电源相关电路[15]、闸流管相关电路[16-17]等高压故障处理相关的文章，但并未有关于两种加速器高压系统的原理和维修的比较类研究。为便于拥有两种加速器的医院工程师快速对两种高压系统的原理和维修提高认知，提高维修效率，减少维护的时间成本，本文对两种加速器的高压系统部分的结构和原理进行比较，并就相关高压故障进行维修探讨和举例分析。

1 两种高压系统的结构和工作原理

1.1 VT机

VT机型是驻波加速器，为“支臂型”结构[18]，其高压调制器需独立安装，与加速器的Stand固定机架和旋转机架Gantry分开设置。VT机高压系统原理图如图1所示。380 V交流电经高压变压器升压、高压整流和滤波后变为11 kV（A模式）或13 kV（B模式）的高压直流高压电源（High Voltage Power Supply，HVPS），此直流电经充电电感L和充电二极管CR给脉冲形成网络（Pulse Forming Network，PFN）（特征阻抗Ro=12.5 Ω）充电，通过低Q电路来控制PFN上的实际电压值22 kV（A模式）或26 kV（B模式），在此过程中主闸流管处于截止状态。当充电完毕后，主闸流管导通，PFN中的电能经主闸流管、高压电缆、脉冲变压器（绕组比1:11）初级放电，再经脉冲变压器升压后在次级产生121 kV（A模式）或143 kV（B模式）的高压脉冲，此高压脉冲加到速调管阴极和电子枪阴极，使速调管和电子枪工作。

图1 Trilogy 高压系统原理图

其中，HVPS、L、CR、闸流管和PFN在独立调制柜内，脉冲变压器在Stand内。调制器内的PFN和Stand中脉冲变压器之间用高压电缆连接。此外，高压系统基本控制电路包括低Q电路、终端削峰电路、脉冲削峰电路和高压电源超载保护系统等。

1.2 EP机

EP机型是行波加速器，为“滚筒型”结构[18]，其高压脉冲调制器为机载式，可以与整个旋转机架安装到一起。EP机高压系统原理图如图2所示。充电时，380 V交流电经整流滤波后可获得600 V直流电源，脉冲控制电路控制开关管TR1和TR2导通，充电变压器中积累磁场能量，当达到所需能量时，控制电路控制TR1、TR2关闭，充电变压器通过CR向PFN（特征阻抗Ro=8 Ω）充电。通过控制充电次数，可以使PFN上的所充实际电压值达到14 kV（低能，充电一次）或19 kV（高能，充电两次），在此过程中主闸流管处于截止状态。当PFN达到了设定的电压之后，脉冲控制电路控制闸流管导通，储存在PFN中的电能经闸流管、脉冲变压器（绕组比1：5.3）初级放电，再经脉冲变压器升压后在次级产生38 kV（低能模式）或52 kV（高能模式）的高压脉冲。输出的高压脉冲一路加在磁控管阴极使之产生微波，一路加在电子枪阴极使之产生电子。

图2 Precise高压系统原理图

其中，600 V直流电源、充电变压器、CR在17区HT PSU内，闸流管、PFN和脉冲变压器在30区调制器内。HT PSU和调制器之间通过高压电缆连接。此外，高压系统基本控制电路包括缓冲保护电路、充电抑制电路、高压超载监控电路、PFN电压监视电路和反向超载监测电路。

2 两种高压系统的比较

2.1 结构和原理比较

由第一部分得知，两种机型高压系统主要区别在充电部分，CR后的部分区别不大。VT机型采用三相升压变压器对市电升压后再整流滤波为直流HVPS，PFN的充电电压由低Q电路控制；而EP机型采用充电变压器取代了VT机的充电电感，对市电先整流滤波为600 V直流电后再通过充电变压器升压，脉冲控制电路控制开关管TR1和TR2的导通时间，进而控制PFN的充电电压。其中，VT机充电电感的作用是在充放电过程中进行限流，EP机充电变压器的作用是升压和电源隔离。

2.2 维修比较

放电过程由于脉冲变压器故障或微波源打火等原因导致发生阻抗负失配，会出现反向电流，VT机和EP机分别报Mod和Reverse Diode O/L连锁；当放电过程发生阻抗正失配，或者充电过程因阻抗降低或负载短路等原因发生超负荷电流，VT机和EP机分别报HVOC和HT O/L连锁。

查阅相关文献发现对两种加速器高压系统的维修，VT机主要针对MOD和HVOC连锁的处理，应首先判断是不是信号检测电路的故障，可以通过在服务模式看是否能清除连锁判断，如果不能清除连锁说明检测电路有故障，可以采用分段切割假负载法和代换法[19-20]快速定位故障，针对UDR1、UDR2或UDRS连锁的高压故障优先排查机器工作温度和湿度、主闸流管和DeQing（D-Q）管、电缆接头和各类工作开关状态[21]。EP机当有高压连锁提示和明显的故障现象时，可以查看相应故障的Item和part值，结合维修手册的高压故障处理流程进行分析，快速定位故障；而没有高压故障现象和连锁提示时可以使用关键点检测法并结合高压故障处理流程快速定位故障。用示波器或万用表检测关键点的波形或电压从而判断故障点的方法对EP机和VT机同样适用，关键点主要有HVPS电压或电流、PFN电压、闸流管电压、微波源电流等。

我院VT机使用7年，高压故障主要集中在独立调制器内的主闸流管和D-Q管及其控制电路；EP机近几年高压故障主要出现在600 V电源以及之前的供电电路、闸流管及其控制电路、信号检测光缆故障。总结两种机型高压故障，见表1。下面具体介绍VT机和EP机各一例高压故障。

表1 两种机型高压故障总结

3 故障现象、分析与处理

3.1 VT机故障案例

3.1.1 故障现象

加速器晨检过程中出现UDR1、UDR2连锁；6 MV能量X射线不出束，9 MeV能量电子线设定剂量率为300 cGy/min，实出剂量率为15 cGy/min，剂量率低。

3.1.2 故障分析与处理

UDR1、UDR2连锁是因为不出束或剂量率低引起。9 MeV和6 MV出束，用示波器检查PFN V波形正常，6 MV的HVPS I波形如图3所示，没有D-Q调整。查看机器参数，9 MeV和6 MV的HVPS I数值正常时分别为9.73和18.54，此时为10.5和20.1，PFN V数值正常时为45和42，此时为48和45，出故障时PFN和HVPS I数值都偏高。因此怀疑D-Q闸流管或栅极控制板故障。打开调制器柜盖板，不出束时观察D-Q闸流管灯丝亮，但出束时没有变更亮，说明出束时无导通，测管灯丝电压为5.2 V，低于正常值6.3 V。

图3 HVPS I波形（6 MV）

查看图纸，D-Q闸流管灯丝电压来源路径是XFMR ASSY #2的T4变压器次级X1（正常电压118 Vac）→P11-7→辅助电源分配电路板插座J11-7脚→空气开关CB10→插座J4-3脚→电缆W60→闸流管电路背板插座J4-3脚→J18-3脚→P18-3→D-Q闸流管灯丝变压器T5。主闸流管和D-Q闸流管的灯丝电压都来自T4变压器，T4是磁饱和变压器，次级绕组接有1个10 μF的谐振电容器C1，C1损坏会导致磁饱和变压器效率下降，输出电压降低，从而引起T5电压降低，D-Q闸流管灯丝电压降低。因此推测与变压器T4次级并联的电容C1损坏，实测容量为0.1 nF，C1确实损坏，更换C1后实测管灯丝电压为6.3 V恢复正常，但依然不出束。接着，用示波器测量出D-Q闸流管栅极控制板触发信号正常，判断D-Q闸流管损坏。更换D-Q管后故障消失。

分析此次故障，灯丝电压降低后主闸流管和D-Q闸流管依然可以点亮，但电压降低会影响闸流管寿命，而D-Q闸流管损坏是导致此次故障的直接原因。D-Q管损坏即D-Q电路失效，导致PFN的电压变高，加速管微波输入功率发生变化，最后导致加速器不能正常输出相应能量和剂量率。

3.2 EP机故障案例

3.2.1 故障现象

按下“Start”键后不出束，10 s后报dose rate error。

3.2.2 故障分析与处理

查看自动频率控制的Item 232 Phase leg1和Item 233 Phase leg2在出故障时为无，说明没有微波输出值。故障在磁控管之前的高压电路，例如闸流管无触发、PFN无电压、充电变压器无输出等。查看维修手册，遵循高压故障处理流程进行检修。

（1）首先进行初始诊断。判断故障现象为高压被禁止，并且没有显示HT overload、Crowbar detection、Reverse diode overload等禁止警告信息，也无HT CB1跳闸，只是10～20 s后显示dose rate error，应该对PFN进行诊断。

（2）PFN在6 MV和10 MV能量均不能出束。闸流管TV正常时波形如图4所示，用示波器查看控制室维修面板的TV测试点无此波形，说明闸流管栅极无触发，PFN不能有效放电。这种情况应该首先检查控制闸流管触发脉冲的光缆。

图4 闸流管TV正常时波形

（3）进机房转动机架后，查看该光缆通讯，将控制闸流管驱动脉冲的光缆OPTO 1拔下，肉眼能看到亮光，说明有信号，然后将OPTO 1和控制调制器温度的光缆OPTO 2（出故障会报HT Bellows连锁）对调，也没有立刻出现HT Bellows连锁。将光缆紧固后再次出束，恢复正常。

（4）正常治疗一段时间后又报HT Bellows连锁，因此判断OPTO 1光缆出现问题，可能是因为光缆老化导致传输光亮度不够。因为已经没有备用光缆，最后更换整组光缆（共11条，2条备用）后故障排除。

查看电路图，闸流管脉冲驱动信号走向为PPG→HTCA Optical Receiver的OPTO 1→Modulator Isolation PCB的OPTO 1→Thyratron Pulser Unit→Thyratron。OPTO 1光缆损坏时没有高压故障提示。本案例中高能和低能X射线均不能出束，测闸流管触发脉冲为无，应首先查看OPTO 1光缆，当肉眼无法分辨光亮度强弱时，可以用光缆交换法排查。

4 讨论与总结

关于医科达和瓦里安加速器各自的高压系统原理和维修类文章很多，却没有两种加速器高压系统的总结比较类文章。本文前两部分对两种机型高压系统结构原理、相关文献的维修经验和方法进行介绍与对比，对我院两种机型出现的高压故障做了总结。VT机的分段切割假负载法和代换法、EP机的关键点检测方法都是提高维修效率的方法，有时结合高压故障现象，按照维修手册的故障处理流程进行故障分析与处理会更快速。对比显示，EP机较VT机高压故障现象更多，可能跟EP机使用年限过长有关。

本文第三部分详细介绍了我院VT机和EP机各一例高压故障，都与闸流管有关。案例一的提出是为了说明在两种机器的使用过程中闸流管及其控制电路故障率较高，尤其是VT机。统计显示，我院VT机使用7年，故障都出现在闸流管，2014年4月至2020年2月，4个主闸流管总共使用了2639个高压小时，2014年4月至2019年10月，2个D-Q闸流管使用了2451个高压小时。单个主闸流管使用时间最长1031个高压小时，最短423个高压小时，闸流管质量差别较大，建议在更换瓦里安闸流管时一定要购买原厂件，不要购买第三方产品。相比之下，EP机的闸流管更耐用，2014年3月至2021年7月只更换了一个主闸流管。案例二的提出是为了说明对于EP机，当遇到某些无高压连锁故障时，遵循维修手册的高压故障处理流程可更快速定位并排除故障。

加速器高压系统故障复杂，本文只是针对两种机型高压系统做了结构和原理对比，对我院加速器高压故障的情况做了对比研究，研究不够全面。在下一步的工作中，应该针对更多医院的加速器使用情况进行对比和统计分析并开展针对两种机型高压系统的预防性维修的研究和对比。

综上所述，本文对比和探讨两种加速器的高压系统结构原理、故障维修方法，详细介绍了两个高压故障维修案例，期望本研究可使工程师在同时面对两种机型加速器的维修时，对两种机型高压系统的认知更全面具体，对相关高压故障的维修处理更高效。