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西门子加速器剂量率连锁故障维修二例

2023-03-18王熙彬

医疗装备 2023年4期
关键词:电子枪加速器波形

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。

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