瓦里安Halcyon型医用直线加速器高压调制器原理及故障分析

陈 鹏，马蕾杰，刘 晗，雷宏昌

（郑州大学附属肿瘤医院（河南省肿瘤医院）放疗科，郑州 450008）

0 引言

Halcyon型医用直线加速器为瓦里安公司生产的新型封闭环形机架加速器，该加速器在临床应用中只有一挡6 MV无均整器能量光子线，最高剂量率为800 MU/min，配备双层错位114片多叶光栅（multileaf collimator，MLC），最大射野为28 cm×28 cm。该加速器1.0版本配备MV级影像系统，2.0版本配备kV级锥形束CT（cone beam CT，CBCT）影像系统用于图像引导，强制执行性能检查和图像引导以保证临床精确放疗。与传统C型臂加速器相比，该加速器集成化程度更高，其将高压调制系统集成到环形运动的机架上，同时将机架的旋转速度提高到4 r/min（该速度是TrueBeam型加速器的4倍）[1-4]。Halcyon型医用直线加速器作为新型加速器，其高压调制器原理与传统加速器基本一致，但因硬件结构完全革新，稳定性要求更高，出现故障处理的方式也有所不同。我院于2020年引进该加速器并安装投入使用，2 a以来该加速器每天平均治疗患者180例次，曾多次出现高压故障。本文现将该加速器高压调制器原理以及高压故障进行总结，以供同行参考。

1 高压调制器原理

Halcyon型医用直线加速器采用的是固态磁控调制器（solid state magnetron modulator，SSMM），其集成化程度高、体积小，可以驱动功率为1.0~3.1 MW的各种磁控管，峰值功率可达6.2 MW。该调制器采用拆分设计，分为脉冲单元（pulse unit，PU）和油箱单元（tank unit，TU）2个部分。PU内部集成部件包括高压脉冲电源（high voltage pulse power supply，HVPS）、固态开关组件、充电电容、控制接口（control interface，CI）以及冷却系统等。TU内部集成部件包括高压脉冲变压器、电容分压器、磁控管电流转换器、加速管电子枪电流转换器、磁控管灯丝电源、枪灯丝电源、偏压电源以及油泵冷却系统等。Halcyon型医用直线加速器调制器与传统加速器调制器的工作原理[5]基本一致（如图1所示），两者的主要区别是该调制器用固态开关组件绝缘栅双极晶体管（isolated-gate bipolar transistor，IGBT）替换气态开关氢闸流管，以实现高压脉冲的充放电。固态开关的工作频率最大值可达到气态开关工作频率的几个数量级，其稳定性和可靠性较高，并且可采用多种方式控制其导通和关断的状态转换[6]。PU输入电压为三相450 VAC，内部HVPS产生直流高压倍压后对充电电容进行充电，固态开关控制其充放电，然后经TU的高压脉冲变压器变压后输送30~52 kV的高压到磁控管和加速管电子枪，同时TU内部的灯丝电源板和变压器产生8.5 V磁控管灯丝电压和7.5 V加速管灯丝电压，磁控管产生高频脉冲微波经波导管输送到加速管实现对电子加速。该调制器与传统单光子加速器（Unique型）的调制器功能类似但硬件完全革新，单个PU替代原有的调制柜产生高压脉冲，固态开关组件替换氢闸流管实现充放电。所有这些改变使得现有设备部件集成化程度更高，故障率更低，产生的能效更高且临床效率更高。

图1 Halcyon型医用直线加速器调制器原理图

2 故障分析

Halcyon型医用直线加速器调制器发生故障时多表现为高压打火现象，并伴随“DOSE联锁”和“SSMM联锁”。通常是先报“DOSE低剂量联锁”（代码210005），将该联锁软屏蔽后会报“SSMM联锁”（代码252303、252304、252305），该联锁提示SSMM内发生多次打火现象。引起SSMM打火的主要原因有：（1）负载加速管或磁控管故障；（2）高压脉冲电缆被击穿；（3）调制器PU或TU故障；（4）环境温湿度的影响。

2.1 负载故障

SSMM的负载主要包括加速管和磁控管，负载打火也会报“SSMM联锁”提示调制器高压打火。在检查调制器打火故障时首先要排除负载故障，通常负载故障概率较大。加速管和磁控管故障均多表现为内部打火，不容易区分，需要针对性地逐一进行排除，步骤如下：（1）加速管故障：可以先将加速管端的高压电缆拔掉，加高压出束，不再出现“SSMM联锁”则说明调制器打火是由加速管故障引起的，需要更换加速管，如果仍出现“SSMM联锁”则调制器打火与加速管无关。加速管故障通常还会伴随VAC1（真空1）、VAC2（真空2）、YIELD（产出）等联锁现象。引起加速管故障的因素有真空故障、射线靶故障、电子枪故障、水冷系统故障等，可以采取相应的保护预防措施延长加速管的使用寿命[7]。（2）磁控管故障：排除磁控管故障时切记不能将磁控管的高压脉冲电缆拔掉进行出束，该操作会损坏加速管的电子枪。利用示波器查看磁控管的电流波形，出现打火时波形会发生明显变化，磁控管电流波形对比图如图2所示。磁控管打火是由于磁控管状态改变导致内部产生气体，可以尝试对磁控管进行训管。先将剂量伺服（dose servo）、自动频率控制（automatic frequency control，AFC）伺服、产出伺服（yiled servo）调至off，HVPS值降低至1.075，高压出束可能不会出现打火或打火次数减少的现象，然后再逐渐增加HVPS值，每次增加0.030，同时调节AFC，直至加到原来的HVPS值。如果多次尝试训管后仍旧出现频繁打火现象则需更换磁控管。磁控管打火故障排除流程如图3所示。

图2 磁控管电流波形对比图

图3 磁控管打火故障排除流程图

2.2 高压脉冲电缆故障

高压脉冲电缆有2段，分别为PU和TU之间的3根高压脉冲电缆和TU与负载之间的高压脉冲电缆。针对高压脉冲电缆故障，可以用兆欧表判断，将电缆芯与屏蔽层接到兆欧表的两端测量电阻，电阻为欧姆级说明电缆被击穿，电阻为兆欧级则说明电缆完好。TU和负载之间的高压脉冲电缆故障还可以用排除法来判断，拔掉TU端的高压脉冲电缆接头加高压出束（磁控管不适用），如果“SSMM联锁”不再出现则可以判断为该高压脉冲电缆故障。此外，还可以通过检查电缆接头和表皮是否有打火痕迹或者明显破损、接头是否松动等现象判断高压脉冲电缆是否故障。

2.3 PU或TU故障

Halcyon型医用直线加速器的调制器主要由PU和TU 2个部分构成，各部分的故障表现都不同，且不容易进行区分，可以根据故障联锁代码以及故障现象进行判断，步骤如下：

（1）PU故障常出现于固态开关组件和CI板。①固态开关组件故障报“SSMM联锁”同时报代码252204：Modulator Capacitor Charging Power Supply Failed to Charge Up（调制器充电电容未能充电）。固态开关组件主要起到控制充放电的作用，所以该故障会导致HVPS电压倍压后不能输出。固态开关组件故障往往是由于瞬时承受电压过高导致开关被击穿。②CI板故障报“SSMM错误”（代码252303、252304、252305）。磁控管打火信号是通过CI板检测，如果硬件实际没有发生打火但系统报“SSMM联锁”则说明检测电路出现故障，可以判断为CI板故障。由于加速器厂家不能单独提供固态开关组件和CI板配件，出现此类故障时只能更换整个PU。

（2）TU经常出现的故障包括TU本身温度过高、机架角度相关的打火、偏压电源故障等。①TU温度过高，报代码252103：Pulse Transformer Tank Temperature Greater than Limit（脉冲变压器温度高于极限值）。如果TU内部温度超过70℃，过温开关会被激活触发联锁。针对此故障，首先需要检查油泵冷却系统，查看油泵是否正常工作。如果油泵没有工作且其输入电压正常则需要更换油泵，如果油泵正常工作但TU仍旧高温则说明高压脉冲变压器工作异常，需要更换整个TU。触发过温联锁并非一定是实际温度过高，可以通过触摸TU箱体来感知温度（小心烫伤）。TU噪声也有可能触发间歇假过温联锁，需要在PU-J8和TU-J4之间21W20线缆上安装过滤器，从而有效减少假过温现象。②机架角度在290°~350°时会出现打火现象同时报“SSMM联锁”，在机房内能听到油泵明显的噪声，当机架转出这个范围时噪声逐渐减小直至消失。出现这种情况通常是由于高压脉冲变压器绝缘油中的气体在低温低压下被释放到油箱中，气体形成导电介质导致油箱内部打火，同时气体的存在使得油泵不能被完全浸入油中，导致油泵产生较大噪声，解决方式就是更换TU。③偏压电源故障，报代码252306：Modulator Bias Power Supply Unit Failed（调制器偏置电源加载失败）。高压脉冲变压器的偏置电压如果没有加上，这时调制器会发出较强的“嗡嗡”噪声，检查PU和TU之间的RJ45线缆是否连接完好，如果线缆没有问题则判断为TU内部的偏压电源故障。

2.4 环境温湿度影响

如果机房相对湿度＞60%、温度＜28℃，磁控管的高压插座上可能会附着冷凝水，导致高压打火现象。定期保养时应检查高压插座是否出现绿色腐蚀，如出现应及时更换接头。当加速器夜间停机后，系统处于冷态，开机后如不能充分预热磁控管灯丝也会造成磁控管打火。Halcyon型医用直线加速器灯丝的预热时间为3 min，这是E2V磁控管预热的最短时间，瓦里安其他加速器的预热时间为12 min，为了使磁控管灯丝得到充分预热、缩短等待时间，可以将加速器设置自动开机启动预热（机房门应为关闭状态，否则设置的自动启动不会执行）。

3 小结

高压调制器、磁控管和加速管是Halcyon型医用直线加速器的核心部件，其中调制器集成化程度更高，一旦发生故障可能需要更换整体组件，维修成本更高。在实际维修中出现以上硬件故障的概率由高到低为磁控管、加速管、高压脉冲电缆、PU、TU。硬件故障大多与设备工作负荷和环境有关，为减少硬件故障、降低维修成本，应该注重日常保养[8]，需定期查看内外循环水的水压、水温、六氟化硫气压、稳压器输出电压等基本参数，定期更换内循环水和滤芯，同时保证机房内清洁和温湿度在正常范围内。