唐志全,曾勇,蘇善寧

1.四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心-生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-放射物理技術(shù)中心,四川 成都 610041;2.廣西玉林市紅十字會醫(yī)院 腫瘤科,廣西 玉林 537000

瓦里安2300CD偏轉(zhuǎn)電源隱性故障維修分析

唐志全1,曾勇2,蘇善寧2

1.四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心-生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-放射物理技術(shù)中心,四川 成都 610041;2.廣西玉林市紅十字會醫(yī)院 腫瘤科,廣西 玉林 537000

目的本文通過分析瓦里安2300CD加速器的一例偏轉(zhuǎn)電源隱性故障,探討瓦里安高能加速器的能量穩(wěn)定機(jī)制以及該類加速器偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的維護(hù)維修方法.方法從機(jī)器物理和電子工程雙重角度,系統(tǒng)分析瓦里安 C-系列高能直線加速器的偏轉(zhuǎn)磁鐵構(gòu)成、偏轉(zhuǎn)電流的編程機(jī)制以及機(jī)內(nèi)監(jiān)測連鎖機(jī)制、金屬線圈的電阻溫度效應(yīng)、偏轉(zhuǎn)電源的阻抗匹配.歸納總結(jié)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)機(jī)器物理方面的難點(diǎn)以及易被疏忽之處.結(jié)果偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)不僅是能量篩選機(jī)構(gòu)而且也是能量穩(wěn)定機(jī)制,能量的輕微變化即可導(dǎo)致劑量學(xué)對稱性外顯參數(shù)的較大偏差,對稱性合標(biāo)則能量一定合標(biāo).校準(zhǔn)檢查序列和關(guān)斷導(dǎo)向伺服可將劑量學(xué)連鎖從劑量學(xué)故障中排除.暫停水冷機(jī)試驗(yàn)可以判斷偏轉(zhuǎn)線圈是否超溫.結(jié)論BMAG連鎖屬于冗余設(shè)置,即使偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)隱性故障,對稱性連鎖能屏障劑量學(xué)風(fēng)險.

放射治療;加速器;劑量學(xué);連鎖;偏轉(zhuǎn)電源;隱性故障;阻抗匹配

引言

美國瓦里安公司生產(chǎn)的高能直線加速器在放射治療中應(yīng)用廣泛,該類加速器采用駐波加速,包含2檔X輻射能量和6檔電子線能量.Varian 2300CD加速器是1996年代開始生產(chǎn)的一款機(jī)型,該機(jī)性能穩(wěn)定,故障率相對較低.

高能加速器由于加速管長度達(dá)1～2 m,所以將加速管水平裝配.為了將與病人臥姿平行的束流方向改變?yōu)榇怪鄙湎蚰[瘤部位的方向,需要對束流進(jìn)行90°偏轉(zhuǎn),這由束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)完成[1].偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的外顯功能是改變束流方向,而作為加速器的內(nèi)部機(jī)制是能量篩選與能量穩(wěn)定.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)監(jiān)測項(xiàng)目是BMAG(濾波器轉(zhuǎn)盤、模式控制及偏轉(zhuǎn)磁鐵控制電路板,以下簡稱BMAG板)連鎖,其觸發(fā)機(jī)制是電壓超過設(shè)定值的±5%或電流超過設(shè)定值的±1%,當(dāng)故障后果尚不足以觸發(fā)BMAG連鎖時,會先行觸發(fā)對稱性連鎖EXQ1,本文是此例故障的詳細(xì)解析.

1 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)概述

本機(jī)的束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用分立式三磁鐵270°復(fù)合消色差偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)[1],由控制板、偏轉(zhuǎn)電源和偏轉(zhuǎn)磁鐵構(gòu)成.偏轉(zhuǎn)磁鐵正常工作時電子束流的運(yùn)動軌跡,見圖1.

圖1 偏轉(zhuǎn)束流軌跡

偏轉(zhuǎn)磁鐵為M1、M2和M3,其中M2是R方向的角度導(dǎo)向線圈ANG R,本質(zhì)是一塊變換磁鐵.M1和M3兩對4個偏轉(zhuǎn)線圈均用空心銅管繞制,銅管中通以冷卻水,保持線圈溫度恒定.在每個線圈上均有一個熱敏開關(guān),即SW1～SW4,起高溫連鎖作用,當(dāng)溫度超過48℃時觸發(fā)FLOW連鎖,使整機(jī)供電開關(guān)跳閘.

偏轉(zhuǎn)磁鐵控制與監(jiān)測在CARROUSEL,MODEamp;BMAG板上完成.控制方法采用0～1 mA電流編程,R117為100 Ω傳感電阻.±5%電壓報警由電阻網(wǎng)絡(luò)R87、R92、R94和R93分壓完成,而±1%電流報警由R85、R90、R91和R81分壓完成.

偏轉(zhuǎn)電源是從EMS公司定制的10～250型開關(guān)電源,三相220 V AC輸入、2.5 kW、最高輸出電壓10 V、滿刻度電流250 A.三相電經(jīng)A300濾波后經(jīng)機(jī)載開關(guān)CB1送到橋式全波整流變成DC電壓再送到逆變器A200,在A100控制板上U8輸出的66 kHz準(zhǔn)方波驅(qū)動下,開關(guān)管Q1、Q4和Q2、Q3輪流導(dǎo)通,將DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流,輸出到變壓器T1、全波整流和濾波輸出.編程電流調(diào)整66 kHz方波的脈沖寬度,實(shí)現(xiàn)對輸出電流的脈沖寬度調(diào)制PWM.

2 故障研究

2.1 故障現(xiàn)象

所有能量、機(jī)器順利進(jìn)入到出束準(zhǔn)備好狀態(tài),束控鑰匙右旋,按BEAM ON鍵出束1跳即出現(xiàn)EXQ1連鎖.

2.2 確定故障范圍

根據(jù)EXQ1連鎖的3種情況進(jìn)行檢查:① 軸向?qū)ΨQ性超過2%;② 軸向通道每脈沖電荷超過正常值的150%;③ 平均劑量率超過800 MU/min.在維修模式,短路EXQ1,所有能量均可以不受限出束.與留存的晨檢記錄對比,觀察R SYM對稱性表頭,數(shù)值增大,確認(rèn)觸發(fā)EXQ1的原因?yàn)閷ΨQ性超過2%.

用Map Check檢查對稱性(以下討論均在6X能量).在伺服閉環(huán)時掃描,T方向符合2%;而R方向明顯為槍端高而靶端低,對稱性為5%.斷開所有伺服掃描,T方向符合,而R方向達(dá)8%.是否斷開伺服的區(qū)別是,是否用電離室的反饋信號對導(dǎo)向線圈進(jìn)行微調(diào).本步驟初步驗(yàn)證,在伺服閉環(huán)時電離室系統(tǒng)起了作用,補(bǔ)償ANG R線圈將對稱性從8%拉回到5%.由于校準(zhǔn)檢查序列(CAL/CHECK sequence,或稱調(diào)整檢查環(huán))正常,證明故障與電離室和劑量學(xué)電路無關(guān).

進(jìn)一步按常規(guī)調(diào)整方法在伺服斷開狀態(tài)下調(diào)整導(dǎo)向線圈.先將T方向調(diào)整到最佳,再調(diào)整R方向.調(diào)整過程發(fā)現(xiàn),在調(diào)整ANG R電位器時,槍端下降和靶端上升的速度,明顯比以往機(jī)器正常時慢,當(dāng)調(diào)整到對稱性接近3%時,劑量曲線會突然跳變到槍端低而靶端高,且對稱性又在8%.反向調(diào)整ANG R,至對稱性接近3%時,劑量曲線又跳變到槍端高而靶端低,對稱性又達(dá)8%.由于立架上有4塊相同的PWM電源板且一般均會存儲備板,用交換法即可驗(yàn)證PWM板是否損壞.作更換ANG R導(dǎo)向線圈PWM驅(qū)動電源板試驗(yàn),情況依舊,可以判斷故障與ANG R導(dǎo)向線圈的脈寬調(diào)制電源無關(guān).由此判斷,雖然本故障表現(xiàn)為劑量學(xué)連鎖,但故障根源卻在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng).又由于未觸發(fā)BMAG連鎖,因此這是一個隱性故障.

2.3 故障分析

本例故障的成因可以通過偏轉(zhuǎn)電流降低時的束流軌跡(圖2)解釋.偏轉(zhuǎn)電流正常時,中心標(biāo)稱能量B2將依次通過各磁鐵出入口的中心位置,即虛線所在位置,從M3出口垂直射向靶平面.如果偏轉(zhuǎn)電流降低,則因M1偏轉(zhuǎn)力不足,最高能量B1(圖1)將被能量裂縫阻擋,而標(biāo)稱能量B2將外移,較低能量B4將進(jìn)入偏轉(zhuǎn)能譜,此時中心能量為B2'lt;B2,將被M2偏轉(zhuǎn)過度,向下偏離M2出口中心位置,同時向下偏離M3入口中心位置進(jìn)入M3,因此從M3出口中心的右側(cè)射出,即以一個右傾的角度擊靶,造成劑量曲線槍端高.

圖2 偏轉(zhuǎn)電流降低時的束流軌跡

在此情況下調(diào)整M2電流時,試圖減小偏轉(zhuǎn)力使B2'回到中心位置,當(dāng)B2'從M3的中心位置進(jìn)入時,由于M3偏轉(zhuǎn)力不足,使B2'從中心出口位置的左側(cè)射出,即以左傾的角度擊靶,因此劑量曲線跳變到靶端高.究其原因,標(biāo)稱能量與偏轉(zhuǎn)電流在特定偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中是一一對應(yīng)的,任何一方發(fā)生偏離,偏轉(zhuǎn)軌跡就沒有垂直于靶平面的穩(wěn)定狀態(tài).

因此,偏轉(zhuǎn)電流降低也等同于能量偏高的狀況.假定能量偏高,則M1偏轉(zhuǎn)不足力,B4將通過能量裂縫,而B1將被能量裂縫阻擋,經(jīng)能量裂縫quot;篩選quot;后,能譜關(guān)于B2不再對稱(±3%),而是向低能端偏移,比如B2的左側(cè)4%,而右側(cè)只占2%,此時能譜中心能量B2'lt;B2,即與偏轉(zhuǎn)電流降低相當(dāng).出束時觀察維修面板,與留存的晨檢記錄對比如下參數(shù):BMAG V(BEND MAG V)、GUN V、PFN VOLT(PFN V)、RF DRIVE(RF DRIVER),除BMAG V輕微減小以外,其余顯示完全無變化.PFN高壓經(jīng)CHVD 3000:1實(shí)時取樣,這是實(shí)時電壓(能量),故排除能量升高的可能.

因此,故障原因?yàn)槠D(zhuǎn)電流減小所致(反之,偏轉(zhuǎn)電流過大與能量偏低相等同,只是開始的劑量曲線為槍端低而靶端高).

2.4 故障定位與解決

首先,分別在每檔能量,測量BMAG板上的編程電壓值,即TP14對于TP10的mV值,并與留存的機(jī)器驗(yàn)收完畢時所測之值進(jìn)行比較,數(shù)值完全相同,排除了偏轉(zhuǎn)電流編程與監(jiān)測BMAG板故障,故障范圍縮小到偏轉(zhuǎn)電源和偏轉(zhuǎn)線圈.

理想的恒流源其電源內(nèi)阻為無窮大,無論負(fù)載電阻多大,電源均以恒定電流供電[2],即不存在阻抗失配問題.但現(xiàn)實(shí)中的偏轉(zhuǎn)電源并非理想恒流源,需要負(fù)載電阻恒定,否則會導(dǎo)致與偏轉(zhuǎn)電源阻抗失配,引起偏轉(zhuǎn)電源輸出電流和電壓的下降.

因?yàn)榻饘賹?dǎo)體的電阻溫升效應(yīng),水溫的改變會改變偏轉(zhuǎn)線圈的電阻.金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度上升而增大,電阻R=R0(1+αt),其中R為溫度為t℃時的電阻,R0為0℃時的電阻,α為電阻溫度系數(shù),t為溫度(℃)[2].導(dǎo)電器材用銅的α為0.0038/℃[3],即溫度每增加1℃,電阻增加約0.4%.從負(fù)載電阻R=V/I、偏轉(zhuǎn)磁鐵正常工作時電壓約2 V、電流約50 A的角度,可以估算出磁鐵線圈電阻在0.04 Ω量級.加速器水溫設(shè)置在40℃,ILFLOW2和ILFLOW3的觸發(fā)極限為48℃,允許負(fù)載電阻增加的極限是3.2%,即0.00128 Ω.即使將電纜脫開,普通數(shù)字萬用表也不可能分辨出如此小的阻值變化,必須采用其它判斷方法.

通過暫停冷水機(jī)試驗(yàn)來判斷水溫是否正常.熱敏開關(guān)SW1～SW4也是利用電阻溫度系數(shù)的原理,本質(zhì)是熱敏電阻傳感器[4],只是工作在常閉和斷開兩種狀態(tài).暫停水冷機(jī),內(nèi)循環(huán)水溫會迅速升高.密切注意水溫表和維修面板水溫指示,當(dāng)水溫表指示到達(dá)48℃時,機(jī)器如期觸發(fā)了FLOW連鎖.試驗(yàn)證實(shí)線圈溫度開關(guān)SW1 ～SW4至少有一個正常,而且線圈真實(shí)溫度與遠(yuǎn)端水溫表同步,即線圈內(nèi)水流正常,線圈溫度不致導(dǎo)致阻抗失配,排除了線圈溫度升高導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)電流下降的可能.

最后,故障根源被定位在偏轉(zhuǎn)電源.由于線圈電阻在0.04 Ω量級,因此電源內(nèi)阻也在0.04 Ω量級,所以電源說明書指出輸出電纜要分開連接,避免電纜之間的互耦效應(yīng),以免增大電源輸出阻抗.仔細(xì)捋清正負(fù)極電纜,確認(rèn)電纜沒有互相纏繞,排除輸出阻抗變化的可能.

對于偏轉(zhuǎn)電源而言,由于沒有觸發(fā)BMAG連鎖,說明輸出電流下降不到1%.在6X能量,標(biāo)稱電流約45 A,因此電流下降不到0.45 A.綜合分析,排除來自BMAG板的編程電流以外,只有輸出濾波電容C8漏電致使容量下降到允許極限以下時,才會致使輸出電壓和電流的微小下降.該電容為鋁電解電容,容量93000 U,耐壓15 V.打開電源艙蓋,發(fā)現(xiàn)電容有打火或發(fā)熱燒焦外皮現(xiàn)象.由于沒有大容量電容表,無法準(zhǔn)確測量其容量值.國內(nèi)可買到相同容量電容[5],但尺寸規(guī)格不符無法安裝.訂購新的偏轉(zhuǎn)電源,更換后故障消除.由于質(zhì)保原因,未打開新電源做電容更換實(shí)驗(yàn).

3 討論

本例故障屬于偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的高疑難故障,需要全面正確理解偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制.除黃健[6]報道了一例BJ-14加速器偏轉(zhuǎn)電源電容下降故障,未見其它漏電故障報道,但就束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)特性[7]及電解電容特性[8]而言,通過本文解析,維修此類故障變得相對容易.

雖然電容漏電屬隱性故障,但由于機(jī)器對稱性連鎖設(shè)置為2%,低于國標(biāo) 15213-94[9]規(guī)定的3%.偏轉(zhuǎn)電流的輕微降低,就會觸發(fā)EXQ1連鎖,連鎖之前,對稱性不會超過2%,不會造成劑量學(xué)風(fēng)險.偏轉(zhuǎn)電源的精度達(dá)0.1%,BMAG電流連鎖報警設(shè)置為1%,本例電流減小不足1%就會觸發(fā)EXQ1連鎖,說明BMAG連鎖是一種冗余設(shè)置,不觸發(fā)則已,一旦觸發(fā),可能已經(jīng)遠(yuǎn)超1%,如橋式整流硅堆CR1、CR2或雙二極管CR3或CR4的損壞,將使輸出電流減少一半,會直接觸發(fā)BMAG連鎖.偏轉(zhuǎn)磁鐵不僅是能量篩選機(jī)構(gòu)而且也是能量穩(wěn)定機(jī)制之一,無論能量上升還是下降,能量的變化速度不及對稱性,只要對稱性合標(biāo),則能量必定合標(biāo).

楊紹洲等[10]報道了BMAG板編程電阻R117開路的情況,證實(shí)了電流編程的優(yōu)點(diǎn)最多是偏轉(zhuǎn)電源輸出到滿刻度,因此直接觸發(fā)BMAG連鎖從而禁用機(jī)器.BMAG連鎖雖然不是主要連鎖(短路連鎖項(xiàng)目后仍然可以出束),但必須禁用機(jī)器.前述可知,當(dāng)電流或能量變化后,中心能譜將發(fā)生偏移,長時間出束可能導(dǎo)致能量裂縫以及靶的冷卻水道擊穿,從而致使真空泄漏.王新等[11]報道過偏轉(zhuǎn)磁鐵真空泄漏故障,雖然未說明泄漏原因,但從偏轉(zhuǎn)磁鐵結(jié)構(gòu)原理分析,能量裂縫水道被擊穿的可能性較大,因此,當(dāng)出現(xiàn)BMAG連鎖時,要減少試驗(yàn)性出束.

有3種情況引發(fā)偏轉(zhuǎn)線圈水溫過高:① 水冷機(jī)失敗引發(fā)內(nèi)循環(huán)水溫整體升高,表現(xiàn)在水溫表溫度同時升高[12];② 線圈銅管結(jié)垢引起水流變小,線圈溫度隨著出束時間的延長逐漸升高,導(dǎo)致線圈溫度過高故障,需要用專業(yè)除垢劑除垢(對于瓦里安高能加速器,水溫表顯示正常,但長時間出束后會出現(xiàn)FLOW連鎖)[13];③ 橡膠管老化引起水流過小,導(dǎo)致管內(nèi)高壓,機(jī)架進(jìn)水壓和回水壓表頭壓力都會升高,此時水溫表因遠(yuǎn)離偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)出水管而表現(xiàn)正常,如果剪開水管,會看到內(nèi)部發(fā)泡成海綿絮狀,因此當(dāng)水壓表升高時,要盡快更換水管,否則不僅會引起FLOW連鎖,還會引起加速器各方面的不穩(wěn)定[14-16].

在做暫停水冷機(jī)試驗(yàn)時,如果水溫表超過48℃還未觸發(fā)FLOW連鎖,則說明開關(guān)SW1～SW4已經(jīng)全部失靈,需要對偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行維修或更換,否則可能因線圈電阻的溫升效應(yīng)引發(fā)EXQ1連鎖甚至BMAG連鎖.

[1] 楊紹洲,楊光,沈慶賢,等.醫(yī)用電子直線加速器的射束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2000,17(3):129-131.

[2] 趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,2014:207.

[3] 周鶴良.電氣工程師手冊[M].1版.北京:中國電力出版社,2010:18.

[4] 唐文彥.傳感器[M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:161.

[5] 崔報群,李立強(qiáng),包軼文,等.用于質(zhì)子直線加速器的強(qiáng)流電子回旋共振離子源[J].原子能科學(xué)技術(shù),2002,36(6):486.

[6] 黃健.電子直線加速器偏轉(zhuǎn)電源電容下降所引起的聯(lián)鎖故障維修[J].醫(yī)療裝備,2012,25(6):42.

[7] 陳萬忠,紀(jì)東澤,成希革.270°束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)研制[J].醫(yī)療裝備,2009,22(8):46-48.

[8] 俞珊,徐志望,董紀(jì)清.開關(guān)電源中電解電容壽命預(yù)測分析[J].電源學(xué)報,2016,14(6):87-92.

[9] GB 15213-94,醫(yī)用電子加速器性能和試驗(yàn)方法[S].國家技術(shù)監(jiān)督局,1994.

[10] 楊紹洲,王勝軍,廖偉光.VARIAN高能加速器BMAG聯(lián)鎖的檢修方法[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2007,22(3):122.

[11] 王新,蔣新岳,馮國華.Varian 23EX加速器偏轉(zhuǎn)磁鐵的更換和調(diào)整[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2003,18(12):57-58.

[12] 李亮,陳勇,徐鈺梅,等.Varian 23EX醫(yī)用直線加速器水溫故障維修一例[J].醫(yī)療裝備,2017,30(1):58-59.

[13] 羅廣文,張焜毅,張俊廣.Elekta醫(yī)用加速器偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作原理和故障分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2011,32(8):140.

[14] 王光裕.電子直線加速器的恒溫問題[J].核技術(shù),1980,(3):24-30.

[15] 馮光耀,裴元吉,蔣滿道.輻照食品直線加速器電子槍設(shè)計(jì)[J].核技術(shù),2006,29(9):650-654.

[16] 于成浩.幾種水準(zhǔn)測量方法在電子直線加速器測量中的應(yīng)用[J].北京測繪,2005,(2):22-25.

本文編輯 劉峰

Analysis of Varian 2300CD Covert Fault of Bend Magnet Power Supply Maintenance

TANG Zhiquan1, ZENG Yong2, SU Shanning2
1.Division of Radiation Physics, State Key Laboratory of Biotherapy and Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University,Chengdu Sichuan 610041, China; 2.Department of Radiation Oncology, Yulin City Red Cross Hospital, Yulin Guangxi 537000, China

ObjectiveBy means of analyzing one covert fault of bend magnet power supply of Varian 2300CD linear accelerator, this paper aims to discuss the energy stabilization mechanisms of Varian high energy linear accelerator and the maintenance methods of the bend magnet system.MethodsThis paper expounded the bend magnet constitution of Varian C-series high energy linear accelerators systematically from twofold view of machine physics and electronics engineering, the programming mechanisms of bend magnet current and the in-box monitor interlock mechanisms, the resistance temperature effect of mental coil, the impedance matching of bend magnet power supply. Conclusion and summary of the difficult and forgettable points of bend magnet machine physics were made.ResultsThe bend magnet system was not only the energy filter but also the energy stabilization mechanism, the slight variation of energy could lead more deviation of overt symmetry, if the symmetry was not out of limits the energy no doubt conforms to the standards. The CAL/CHECK sequence and turn-off steering servo could get rid of dosimetry system fault from symmetry interlocks. Suspends chiller could determine the coils whether or not are over temperature.ConclusionThe interlock BMAG is a redundant configuration, even if it occurs covert fault of bend magnet system, the interlocks of symmetry are protective screen of dosimetry risks.

radiation therapy; linear accelerator; dosimetry; interlock; bend magnet power supply; covert fault; impedance matching

R815.6;TL53

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.025

1674-1633(2017)10-0093-04

2017-01-06

2017-04-24

作者郵箱:tangzhiq@163.com