瓦里安C系列加速器枪系统与联锁原理分析和典型案例

张庆钊，叶裕丰，刘凌湘

广州市番禺区中心医院 肿瘤中心，广东 广州 511400

引言

瓦里安C 系列高能直线加速器在我国广泛使用，由最早的21 系列，逐步升级换代成23 系列、trilogy，直至成为主流的基于iX 平台的Clinac iX，其整合了包括动态运动管理在内的影像和治疗应用，具备同步成像、图像引导、调强适形和立体定向等先进放射治疗技术，均采用三极（栅极控制）电子枪系统精准控制放疗剂量率。目前已发表故障案例多是通过枪系统和联锁的工作原理把具体设备故障视为个案孤立分析，缺乏系统探讨总结故障的共性[1-3]。本文以全新高效 iX平台的代表——Clinac iX 为典型进行阐述，同时明确系统分析在新设备新技术更新换代周期变短时的重要性。

1 枪控制系统工作原理分析

电子枪发射用于肿瘤放射治疗的高能电子束，其是医用直线加速器核心器件之一，基本性能要求主要有：电子发射数量及束流强度、发射时机和角度及电子射程等[4]，射线指标直接受电子枪产生的电子注的质量影响[5]。

三极（栅极控制）电子枪是在阴阳极之间加一个栅极，达到在不改变阴阳极电压的情况下，较大范围地由栅压脉冲控制电子束流的大小和宽度[6]。枪控制系统主要由低压的枪冷端和高压的枪热端两部分组成[7]，见图1。

图1 三级（栅极控制）枪控制系统

冷端由电源板、自动频率控制电路和枪脉冲控制板、枪控制板、冷端控制背板和光电耦合接口板组成。热端由枪高压电源板、灯丝电源板、枪栅极脉冲板、低压电源板以及热端控制背板组成。冷端和热端之间的电位差高达25 kV，为避免高压电路对低压控制电路的影响，设备采用变压器和光纤实现安全隔离，即热端高压由冷端低压通过隔离变压器实现，冷端和热端的控制信号通过冷端的光电耦合接口板上的7 根光纤连接。同时，操作热端时须严格遵守先关闭高压电源，后放电棒接触释放静电的操作规程。

枪驱动控制随着设备使用年限以及工作量的增加，故障率会逐渐增高[8-9]。维修手册提示GFIL 联锁主要原因是枪灯丝或者栅极偏置电压太低[10]，常由控制板信号或者电源电压不稳定造成，重启复位枪电源多能消除联锁。而枪灯丝电压、电流和电源脉宽调制以及枪的控制参数如A/D 转换、栅极偏压高压等异常都可能触发GFIL 联锁[6]。当影响剂量输出时，通常会叠加甚至单独触发UDRS 等剂量联锁[11]。

2 案例分析

2.1 与枪高压热端灯丝电源相关的案例

2.1.1 故障现象

治疗过程中在控制台电脑上出现GFIL 联锁，字样闪烁显示，按“enter”键不能消除。

2.1.2 故障分析和排除

拆开机架电子枪冷端部分，枪控制板显示屏显示故障代码“HD A/D+”，维修手册解释为HD A/D+GDHD14: Hot Deck A/D Converter Over Selftest Failure，提示热端部分模数转换器过自检故障，而GFIL联锁常见原因之一是灯丝电源板电压5 V 不正常导致模数转换器自检故障[12-13]，但是测量后发现电压正常且稳定。尝试重启冷端POWER SUPPLY 电源，故障依旧。分析热端灯丝电源供应电路，见图2。正常情况下，灯丝电源板控制初级电压120 V AC 经过高压变压器增压后为灯丝供电。当主微处理器根据监测需要产生GFIL 联锁时，GFIL PWM 脉冲信号从主微处理器通过光纤到达光耦器J12，经光电转换后加到运算放大器 U1（TLO74），再从7 脚出来分两路：一路经电阻进入U2（TLC15411）缓存；另一路进入U8（TL074）后加到晶管单片移相触发集成芯片U7（TCA785）。同时120 V AC作为外接同步信号，经 R31、CR1 和CR2 后，经5 脚输入端进入U7，用于检测交流电压。

图2 热端灯丝电源供应电路

最终U7 的Q1、Q2 端输出幅度为+15 V 的脉冲，直接触发可控硅脉动导通，控制振荡输出AC FIL V MON 的监测信号，经U2 模数转换后在16 脚输出，通过光纤加到光耦器J13，最终在控制台电脑上稳定显示GFIL 联锁。出现闪烁的“GFIL”，说明电路工作不稳定。

芯片U2 是以10 位开关电容逐次逼近A/D 转换器为基础而构造的CMOS A/D 转换器。1 脚至9 脚输入如AC FIL V MON 等的监测模拟信号，经过模数转换后在16 脚输出信号。该电路存在诸多光耦器件和数模信号转换，因此检查电子枪冷端与热端之间的光纤和信号是判断故障点在冷端还是热端的重要手段[14]。检查与U2的16 脚输出端相连接的J13，发现发光端不稳定。影响芯片工作稳定性的主要因素是工作电压和时钟信号，在测量芯片工作电压5 V 正常的情况下检查时钟输入端19 脚，可见其与晶振Y1 之间有一条短路跳线为U2 提供时钟输入。考虑到跳线处的插针弹簧片经过长时间使用，会存在弹性变差、接触不良或者锈蚀的可能，阻值可能会随工作的时间和温度而改变，从而导致时钟信号输入不稳定。尝试重新多次插拔短路跳线，让插针弹簧片重新恢复弹性和刮去锈蚀的表面后，故障排除。

2.2 与枪低压冷端电源和枪驱动相关的案例

2.2.1 故障现象

治疗过程中在控制台电脑上出现GFIL 联锁，按“enter”键无法消除。

2.2.2 故障分析和排除

在待机状态下，冷端枪控制板会显示电子枪工作状态和参数，此时状态显示正常，但仅作参考，不代表真实状态。原因是冷端枪驱动底板上电源断开瞬间，有可能刚好切断联锁的电源，使错误状态无法置位，即便在错误的状态下其状态显示依然正常[15]。分析冷端电源板电源供应电路，见图3。

图3 冷端电源板电源供应电路

电源板指示灯主电源（MASTER）DS1、热端（HOT DECK）DS2 和高压（HIGH VOLTAGE）DS3 均亮。控制电压125 V AC 通过主电源开关S1 后分三路：一路经保险丝F2 和PS1 模块产生+5 V（TP1）、+15 V（TP2）和-15 V（TP3）直流低压电源；另一路经继电器K2 再分两路，一路经F4 和 S2 给热端供电，另一路经F3 和S3 到高压电源发生器；最后一路经F1 和S3 后，再经一连串高压联锁开关,给高压放电消弧继电器K1（CROBAR）和高压指示灯泡供电。实践发现，灯泡状态常亮，但经常烧坏，不亮不能说明回路没有高压。

正常工作时热端的接地点是负高压，待机状态时K1 闭合，把电阻R3、R4 和电容C1 回路接通，电容C1 放电，达到枪高压电源与热端放电消弧作用。同时CROWBAR COMMON 和HV ENABLE 信号接通，枪控制电路再发出HV ENABLE 信号到高压发生电路时，HVPS 立刻输出数十千伏的高压到电子枪阴极，实现枪驱动，见图4。

图4 枪驱动图

综上分析，测量 TP1、TP2 和TP3 的电压均正常，说明该回路正常。指示灯 DS1、DS2 和DS3 均亮，说明S1、S2、S3 以及 K2 和F2、F3 和F4 均正常，但F1不确定，关闭主电源、热端和高压的电源开关后，拆下电路板测量F1 发现断路，更换后故障排除。

加速器运行一段时间后，GFIL 联锁又出现，故障表现依旧。更换F1 后再次断路，说明后端负载有短路。如图3 所示，F1 后面的负载是一连串高压联锁开关、CROBAR（K1）和高压指示灯泡。检查电路所有联锁开关发现均正常。更换新灯泡后故障依旧，推测K1 有问题。更换K1 后加电，测量前级接触点有125 V 电压。接着测量发现K1 继电器线圈的1 脚和2 脚之间的电阻值不到3 Ω，远远低于正常值，判断继电器线圈短路，更换K1 后故障修复。

2.3 与枪低压冷端电源及其控制信号相关的案例

2.3.1 故障现象

加速器机架转动到某一角度时出现GFIL 联锁，把机架往相反方向转动时联锁自动消失，把机架转回之前角度后联锁又再出现。

2.3.2 故障分析和排除

如图3 所示，机器正常时，K2 能否工作，由枪控制电路输出的HD/HV POWER、ENABLE 信号组合GUN FIL PHASE 信号、WATER VACFL 信号经过或非门 U1（74HCO2）共同控制，最终实现热端和枪高压供电。Ul 为或非门芯片，只有2、3 脚两路输入均为低电平时，1 脚才能输出高电位为K2 的线圈供电，使K2 吸合。

连接U1 的2 脚输入信号是P1-26A 的HD/HV POWER ENABLE 信号，由GUN CONTROLER 板输出，实测其测试点信号为+5 V，显示正常。连接U1 的3 脚输入信号是U2（HCPL2731）的6 脚和7 脚输出，分别对应着P1-4C 的GUN FIL PHASE1 和P1-20A 的WATER/VACFIL 信号，推测由U2 的6 脚或7 脚输出到U1 的信号有异常，致使K2 不能吸合。

结合维修手册查找上述信号的相关电缆，发现枪电源板P1-20A 端WATER/VAC 信号经过电缆W32 最终连接到控制台背板。由于联锁的出现和消失与机架旋转有关，而在实践中因线路运动牵拉引起的案例并不少见[16-17]。电缆W32 在STAND 与机架之间随着机架旋转而扭动，存在接线脚容易损坏、松脱或者接触不良的可能。拔下电缆W32 两端插头用万用表测量通断，发现21 脚的接线松脱，可以飞线处理，但考虑到固定线路比较麻烦，最后把接线头处理后将电缆两端插紧并固定，故障消除。

3 讨论与总结

三极（栅极控制）电子枪系统较为复杂，触发GFIL联锁的因素很多，多数由信号中断或者不稳定引起。掌握系统工作原理，分析模块内部和模块之间的信号处理的流程和方向，通常可以发现引起信号异常的元器件。

在日常工作中应善于观察和思考能引起信号异常的细微且容易被忽视的因素，除了本文提到的跳线插针弹簧片氧化弹性不足、接线端铜片因为旋转运动松脱或者接触不良，还有其他与时间相关的隐性故障[11]，本质是温度和电阻值随工作时间变化，与阻容元器件老化、散热不良有关。因此做好设备的日常质控和维护保养工作非常重要[18]。

瓦里安C 系列加速器枪系统的基本结构与工作原理相同，该系列任何一种型号加速器的相关问题都可以采用同样的分析处理方法。

任何设备都是由不同模块组成的系统，传统的研究方法大多数都是孤立地纵向深入研究设备本身，而忽视了系统的分析方法，即将设备的各个组成模块，从工作原理和结构等角度，与同类型设备进行横向对比，找出共性和区别，再将共性的部分系统化总结应用，有利于从本质上认识新设备，高效地处理相关技术问题。比如以VitalBeam 为代表的新一代高端技术平台的加速器，尽管电路集成度和数字化程度很高，使用同样的电子枪系统，该模块的基本工作原理和分析方法也是相通的。因此，随着新设备新技术的更新换代周期越来越短，系统的分析方法显得尤为重要。