Principle and Failure Analysis of Modulator of Varian Linear Accelerator

馬蕾杰，孟令廣，雷宏昌

河南省腫瘤醫(yī)院 放療科，河南 鄭州 450003

瓦里安醫(yī)用直線加速器高壓調(diào)制器原理及故障分析

Principle and Failure Analysis of Modulator of Varian Linear Accelerator

馬蕾杰，孟令廣，雷宏昌

河南省腫瘤醫(yī)院 放療科，河南 鄭州 450003

MA Lei-jie,MENG Ling-guang,LEI Hong-chang
Radiotherapy Department,Henan Provincial Tumour Hospital, Zhengzhou Henan 450003, China

本文介紹了瓦里安直線加速器調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對調(diào)制器部分出現(xiàn)的故障做了重點(diǎn)分析，提出了一些解決問題的思路和方法。

直線加速器；調(diào)制器；PFN；HVPS；故障維修

1 原理闡述

醫(yī)用直線加速器高壓調(diào)制器用來產(chǎn)生具有一定波形和頻率要求的高壓脈沖，以驅(qū)動(dòng)速調(diào)管和電子槍。各個(gè)廠家加速器設(shè)計(jì)的高壓調(diào)制器原理基本相同，但細(xì)節(jié)上都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路。其中瓦里安加速器產(chǎn)生特定高壓脈沖的過程是：首先三相電經(jīng)HVPS開關(guān)CB1送至三相電源濾波器FL1，三相電經(jīng)濾波器濾波處理后經(jīng)K1，K2，K3，K4四個(gè)繼電器送至調(diào)制器內(nèi)高壓變壓器（High Voltage Transformer）初級，高壓變壓器初級繞組為△型接法接三相交流電源，次級有兩個(gè)繞組，一個(gè)為△型接法，另一個(gè)為Y型接法，次級兩個(gè)繞組分別經(jīng)Rectifier/Filter Assembly整流后串聯(lián)輸出直流高壓。輸出的直流高壓在低能模式時(shí)為11kV，高能模式為13kV。高低能模式的切換是通過對K3和K4兩個(gè)繼電器的控制而實(shí)現(xiàn)的。低能模式時(shí)繼電器K3閉合，K4斷開，從K2輸出的三相電每相接一分壓電阻送至K3，然后再送給高壓變壓器和整流橋進(jìn)行變壓整流，形成11kV低壓模式；而高能模式是使K3斷開，K4閉合，三相電從K2直接送往K4，然后同樣送給高壓變壓器和整流橋進(jìn)行變壓整流，形成13kV高壓模式。形成的直流高壓電源經(jīng)充電電感和充電二極管對PFN充電，充電過程中主閘流管始終截止，電能全部儲(chǔ)存在PFN上，由高壓補(bǔ)償分壓電路（Compensated HV Divider）對PFN上電壓進(jìn)行分壓采樣。并將采樣信號(hào)送到DQ閘流管觸發(fā)電路。當(dāng)PFN上的電壓為充電電壓的兩倍從而達(dá)到設(shè)置值后，采樣信號(hào)送至DQ閘流管柵極觸發(fā)電路形成柵極觸發(fā)脈沖，啟動(dòng)DQ閘流管，將多余的充電電流轉(zhuǎn)向隔離負(fù)載。與此同時(shí)，主閘流管獲得柵極觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，儲(chǔ)存在PFN上的電能經(jīng)主閘流管向脈沖變壓器放電，使脈沖變壓器產(chǎn)生高頻脈沖，驅(qū)動(dòng)速調(diào)管和電子槍。

2 實(shí)例分析

故障現(xiàn)象：各檔能量均無法出束，維修模式下觀察系統(tǒng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)PFN電壓只有-1.62V，HVPS I值為0。

由于PFN V和HVPS I均無數(shù)值，首先檢查是否有直流高壓送至PFN上。電路流程：三相電經(jīng)HVPS開關(guān)CB1→三相電過濾器FL1→H.V. CONTACTOR ASSY(即由K1，K2，K3，K4組成的開關(guān)電路)→High Voltage Transformer T1→Rectifier/Filter Assembly→PFN。

測得電源過濾器FL1輸入輸出電壓均正常，用高壓測試棒在攝像頭監(jiān)視下測整流橋整流后輸出電壓為11kV，正常。再測PFN電容C1電壓，仍為11kV。正常時(shí)從整流橋輸出的直流高壓11kV經(jīng)充電電感和充電二極管充電后應(yīng)為22kV，倍壓輸出，才能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配?，F(xiàn)在仍為11kV，沒有形成倍壓。

PFN沒有形成倍壓，首先懷疑主閘流管工作是否有異常。這可分為主閘流管未導(dǎo)通和導(dǎo)通兩種情況：① 當(dāng)主閘流管不導(dǎo)通時(shí)，PFN不能充放電，無法形成PFN電壓，但此時(shí)PFN的線圈和充電電容上也會(huì)有高壓，這個(gè)高壓就是電源變壓整流后的一次電壓，為11kV；② 主閘流管導(dǎo)通時(shí)也會(huì)出現(xiàn)無高壓輸出的故障，但這是因?yàn)槭褂脮r(shí)間長，消電離能力下降而導(dǎo)致主閘流管性能變差，這種情況一般伴隨主閘流管燈絲電壓高于正常值，可通過測量主閘流管燈絲電壓來判斷。測主閘流管燈絲電壓，TP1與TP2之間為6.18VAC，正常；測Grid1電壓，TP3對地電壓為18.6VDC，也正常，說明主閘流管本身并無問題，故情況②可排除。由此可知，PFN沒有形成倍壓的原因是主閘流管未導(dǎo)通。

主閘流管未導(dǎo)通的原因有兩種：① 主閘流管本身故障；② 柵極觸發(fā)脈沖未形成。前面已經(jīng)提到主閘流管本身并無故障，故著重檢查柵極觸發(fā)脈沖是否形成。主閘流管柵極脈沖形成原理如圖1所示。

主閘流管柵極觸發(fā)脈沖的形成過程是：正常工作時(shí)，PFN充電期間，從高壓采樣電阻R1（1OHM，75W）兩端采樣得到的HVPS I信號(hào)通過柵極脈沖板上Q4和Q1使Q2截止，禁止向C9充電和可控硅CR1觸發(fā)，PFN充電完成后，HVPS I信號(hào)通過Q4和Q1使Q2導(dǎo)通，340VDC電壓通過開關(guān)管Q2向電容C9充電，而從控制臺(tái)來的MODTRIG觸發(fā)脈沖由光耦U1隔離后，變成低阻抗的脈沖觸發(fā)可控硅CR1，使C9所儲(chǔ)存的電能向脈沖變壓器T2放電，從而產(chǎn)生主閘流管柵極觸發(fā)脈沖。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)Thyratron Grid Control PCB內(nèi)三極管Q4基極輸入正常，但集電極輸出狀態(tài)不對，三極管Q4很可能有問題。更換Thyratron Grid Control PCB，重新開機(jī)預(yù)熱出束，有束流，但劑量率很低，設(shè)定值200MU/min時(shí)，只有20左右。PFN 電壓值仍為-1.62V，但HVPS有數(shù)值，為20.05。

調(diào)節(jié)AFC，劑量率無明顯變化。由于維修模式下顯示的PFN 電壓值始終為-1.62V，故檢查送至CONSOLE的PFN顯示電路，信號(hào)流程為：從PFN來的高壓→Compensated HV Divider→Thyratron Grid Control PCB P1-30C(TP5) ，形成DEQIN+信號(hào)，DEQIN+信號(hào)經(jīng)過共模抑制放大器U3放大后分為兩路，一路送到比較放大器U5，與PFN 電壓設(shè)置值進(jìn)行比較，如果達(dá)到設(shè)定的PFN電壓，比較器輸出電壓翻轉(zhuǎn)，通過Q5、Q7觸發(fā)Q6，產(chǎn)生340V DQ閘流管柵極觸發(fā)脈沖；另一路送至電壓跟隨器U4，并最終形成PFNMETER+信號(hào)送CONSOLE作PFN V數(shù)值顯示，其電路圖如圖2所示。

圖1 主閘流管柵極觸發(fā)脈沖形成示意圖

圖 2 高壓補(bǔ)償電路和PFN電壓信號(hào)顯示電路示意圖

由于PFN 電壓值始終為-1.62V，檢查輸入端DEQIN+信號(hào)是否正常，測柵極脈沖板板上TP5（DEQIN+），出束與不出束情況下均為-7.47VDC，信號(hào)不對。但從PFN 電壓確實(shí)有高壓，而P1-30C處測量點(diǎn)卻始終無變化，懷疑中間高壓采樣電路Compensated HV Divider PCB有問題。查圖紙，PFN 高壓經(jīng)采樣后輸出電壓送至電壓跟隨器U1-3，測U1-3，不出束時(shí)為0V，出束時(shí)從攝像頭觀察為5VDC，而U1-6輸出端則始終為-7.47VDC。由此判定芯片U1損壞，此芯片為一電壓跟隨器，型號(hào)是EL2020，由于未能找到相同芯片，最終訂制Compensated HV Divider PCB，更換后出束正常，PFN 電壓和HVPS 電流值均恢復(fù)正常，故障解決。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

高壓調(diào)制器相關(guān)部件是醫(yī)用加速器的重要組成部分。這部分電壓很高，幾千伏甚至幾十千伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于36V安全電壓，所以在維修過程中要時(shí)刻注意安全，拆卸相關(guān)部件時(shí)注意將CROWBAR置于中間位置。應(yīng)該經(jīng)常觀察內(nèi)外循環(huán)水水壓、SF6 氣壓、穩(wěn)壓器輸出電壓等基本參數(shù)，另外機(jī)房室內(nèi)的清潔，溫濕度也要保持在規(guī)定范圍內(nèi)，這樣才能最大程度減少故障隱患。

[1] 顧本廣,林郁正,等.醫(yī)用直線加速器[M].北京:科學(xué)出版社,2003．

[2] 楊紹洲,陳龍華,張樹軍.醫(yī)用電子直線加速器[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2004．

[3] 劉德慶,張佳寧.Varian 23EX 醫(yī)用直線加速器高壓故障1例[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2006(3):99-100

[4] 李軍.西門子MEVATRON直線加速器劑量系統(tǒng)故障維修[J].中國醫(yī)療器械雜志,2005(5):81-82.

TL53

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.061

1674-1633(2010)08-00134-02

2009-02-01

作者郵箱：zhizun456@163.com