西门子加速器剂量率连锁故障维修二例

王熙彬

江西省丰城市人民医院 （江西丰城 331100）

放射治疗是恶性肿瘤最重要的治疗手段之一，约有70%的肿瘤患者在不同时期因不同原因需要接受放射治疗[1]。医用直线加速器作为放射治疗的重要设备，被广泛应用于临床。我院于2007 年引进西门子Primus M 直线加速器，至今已运行15 年，设备不可避免地出现损耗、老化，故障频发。本研究主要介绍了2 例不同原因引起的剂量率连锁故障及维修排查过程，并总结了维修要点与方法，供同行借鉴，为日常故障分析与维修提供思路。

1 基本原理

医用电子直线加速器一般由加速管、微波功率源、微波传输系统、电子注入系统、脉冲调制系统、束流系统、真空系统、恒温水冷系统、电源分配控制系统和应用系统组成[2]。加速管是医用直线加速器的核心部件，主要作用是利用磁控管产生的微波（频率约2 998 MHz），耦合送入加速管，在加速腔内，微波将电子枪产生的具有一定初速度的电子束加速至接近光速，经偏转磁铁的转向和能量选择后，电子束打靶产生X 线，再将产生的X 线经均整、适形、电离室监测等处理，得到符合要求的X 线，用于放射治疗。

1.1 电子枪注入器工作原理

注入器系统是加速器的核心系统之一。注入射出具有一定初速度的电子束流到波导管，经微波加速形成高速电子流，当高速电子流撞击金属靶时产生射线[3]。注入器主要由电子枪灯丝电源电路、栅极—阴极偏压电路、栅极脉冲电路、阴极高压电源及各部分相应的控制电路组成。灯丝电源提供+5～6 V 的电源，用以加热处于电子枪阴极高压负端的灯丝。对于电子枪阴极高压，灯丝两端是等电位的；对于加热电压，灯丝两端是不等位的。因此，可得到所需的加热电流。机器在待机时，直流栅极—阴极偏压电路在栅—阴极之间形成-135 V 偏压，截流电子束，使电子束关闭；当机器出束时，控制电路产生幅宽5 μs 的触发脉冲（INJ-T），电子枪栅极加上0～+340 V 脉冲电压，开启电子枪，脉冲幅度越大，电子枪电流越大。电子枪阴极高压电源给电子枪阴极提供11～12 kV 的负高压，使电子束以一定的初速度注入波导管（图1）。

图1 注入器原理图

1.2 高压电路工作原理

稳压三相交流电（208 V AC）经过空开CB2，送往高压变压器。在电源送进高压变压器初级前，需经过高压变压器3 个抽头（TAP）选择继电器L（K3）、M（K4）、H（K5），以及高压使能控制继电器K1 和K2。其中K1 继电器3 个输出端串联有3 个100 Ω（50 W）的电阻，其作用是在接到H.V ON （高压启动打开）的信号后2 s 内导通，使高压变压器软启动，防止高压变压器初级导通瞬间电流过大。在2 s 后，由K2 接替K1 工作，K1 退出工作。在高压变压器T1 工作时，次级将产生的电压经过整流滤波后电压约+14 kV，通过高压电缆送往调制柜，高压直流电源经充电电感（Choke）和充电二极管串对PFN 充电。经PFN 及DQ 闸流管控制，输出高压送往脉冲变压器，1‥4 升压后整流成脉冲直流电压，供给磁控管作为工作电源（图2）。

图2 部分高压形成电路图

2 故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

直线加速器在工作过程中出现异响，加速器控制屏主界面出现#12、#54 等联锁，加速器不出束，键盘钥匙复位后，重新准备出束，无剂量输出，加速器停机。

2.1.2 故障分析

加速器不出束、无剂量输出、剂量率为零，所涉及的系统可能有调制器系统、微波系统、枪注入系统、束流检测系统等。其中，涉及高压放电的部分有高压变压器、脉冲变压器、磁控管、闸流管及枪高压等，需用示波器逐一排查各个系统的工作状态，通过关键点工作波形判断故障位置。将位于S33 的3 块硬件联锁板上的6 个拨动开关全部上拨，旁路掉所有硬件联锁，再旁路掉所有软件连锁。在出束状态下用示波器逐一查看磁控管阳极电流（Pulse I）、反射波（Reflect）、注入器电流（INJ-I）、高压充电电流（Charge I）信号波形。Pulse I 波形显示正常，由此判断Charge I 为正常，排除高压产生电路故障；Reflect 反射波形显示不正常，软件参数表中动频率控制监测值（AFCM）反馈异常且数值跳变，需逐一排查自动频率控制电路（AFC）、反馈、调谐电路，查看注入器INJ-I 波形，波形不正常，考虑注入器损坏。

2.1.3 故障处理

首先，静态测量高低压板上的工作电压，枪高压板灯丝电压、栅极电压分别为+5 V 和-135 V，均为正常值；测量高压板上TP4 INJ-I 电压为0 V（正常值约为+190 V，因INJ I 编程值不同而有所差异），测量低压板Q3 漏极电压为0 V（正常值约为+600 V），可确认低压板有器件损坏；在更换新低压板后，需在出束状态下测量高压值，由于测量高压值是在加速器工作状态下进行的，为确保维修人员安全，可用手机摄像观看测量过程，具体操作如下：将万用表正负表笔夹在低压板R50 两端（R50 系枪高压取样电阻），放置好手机摄像，维修人员在外操作，停止出束后，查看手机视频，观察发现未测量到电压值，而正常状态两端的直流电压为4.2 V 左右，确认高压板出现故障；更换高压板和低压板后，测量INJ-I 波形，波形仍不正常，AFC 波形不正常、AFCM 反馈不正常且数值跳变，分析可能计算机的编程值未通过低压板和光纤输送到高压板（此功能由G32C PC2 DF/FD 板实现）；对此板进行更换后，INJ-I 波形恢复正常，但AFC波形与AFCM 反馈值仍不正常，分析可能注入器打火，打火信号跟随机器的时钟信号窜入所有带时钟信号的板子，造成带有时钟信号的板子（S34 Trigger A 、S34 Trigger B、G32 B Slave Clock）损坏；依次更换上述3 块电路板，再次观察AFC 波形，此时波形正常，AFCM 反馈值正常，加速器有束流输出，优化调整INJ-I 值、PFN 值，使X 线剂量率稳定在200 MU/min，加速器恢复正常。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

直线加速器在工作过程中出现异响，加速器控制屏主界面出现#12、#54 等联锁，加速器不出束，键盘钥匙复位后，重新准备出束，无剂量输出，加速器停机。

2.2.2 故障处理

故障分析同故障1。旁路掉所有的硬件和软件联锁，在机器出束状态下观察各系统关键点波形以确定故障点。首先，用示波器测量INJ-I，波形正常，排除注入器问题，继续测量Pulse I、Reflect、Charge I，均未测量到，由此判断磁控管阳极无高压电压输入，确定问题出在高压形成电路、高压传输电路，以及磁控管及其控制电路；维修期间，发现空开CB2 跳闸，将CB2 恢复后出束，故障未解除，CB2 仍出现跳闸；为确定故障在调制柜还是在高压变压器侧，断开高压电缆与CHOKE 的连接，试机，CB2 跳闸，由此判断故障在高压变压器及其附属电路；按照“先易后难”原则，对可能发生故障的部件逐一进行排除，在软件上改变高压变压器初级绕组TAP 抽头，试机，CB2 跳闸，排除TAP 选择继电器问题，继续更换K1、K2，试机，CB2 跳闸，排除高压使能继电器问题，将高压电缆与高压变压器接头断开，试机，CB2 跳闸，排除高压电缆问题，拆下6 个高压二极管，用万用表电阻档测量高压二极管（图3）的正反向电阻（正向电阻应大于100 MΩ，反向电阻无穷大），发现1 个高压二极管双向完全导通，确定为高压击穿；更换高压二极管后，加速器恢复正常。

图3 高压变压器输出整流滤波流分图

3 总结

上述两个维修案例，虽都是报同样的剂量率联锁，但发生故障的部件却不一样。其中涉及的系统较多，排查内容烦琐，在整个过程中更需要理清头绪，有条理地分析故障发生机制，进行分段检查，仔细分析电路，利用一些关键点的电压、波形来确定、逐步缩小故障范围，及时找到故障的源头，并予以排除。

注入器放电打火，损坏多块电路板，维修周期长，会造成社会效益和经济效益双重损失。而高压电路由于工作电压高、电流大，在维修过程中要特别注意维修人员的人身安全和对机器的保护，不要轻易去除保护电路，避免故障扩大和损坏更多配件；在排除故障的同时，平时工作中应该加强对加速器的维护和保养，特别注意对加速器中水、电、气及油路的检查，防微杜渐，及时排除小问题，避免大故障。