王緒剛，于曉君，魏緒國(guó)

聊城市人民醫(yī)院 放療科，山東 聊城 252000

引言

近年來(lái)，我國(guó)的腫瘤發(fā)病率和死亡率急劇上升，放射治療是惡性腫瘤最重要的治療手段之一，其中70%以上的癌癥患者在治療期間需要進(jìn)行放射治療[1]，而醫(yī)用電子直線加速器是尤其常用的放射治療設(shè)備[2]。目前，國(guó)內(nèi)醫(yī)用電子直線加速器市場(chǎng)主要依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)品牌占據(jù)市場(chǎng)份額較小，各類大中型醫(yī)院使用的加速器主要是由瑞典醫(yī)科達(dá)（Elekta）和美國(guó)瓦里安（Varian）公司生產(chǎn)或提供[3]。Elekta Precise（簡(jiǎn)稱EP機(jī)）精確治療系統(tǒng)是世界上最成熟的數(shù)字化直線加速器平臺(tái)，Varian Trilogy（簡(jiǎn)稱VT機(jī)）是影像引導(dǎo)放射治療高級(jí)多功能直線加速器，兩種加速器可實(shí)現(xiàn)多種放射治療技術(shù)及高級(jí)臨床應(yīng)用，如調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)和容積調(diào)強(qiáng)弧形治療技術(shù)。雖然進(jìn)口加速器質(zhì)量好、功能多，但設(shè)備昂貴，后期維護(hù)費(fèi)用高[4]。我院EP機(jī)和VT機(jī)分別于2006年和2014年投入使用，自主維修情況下每臺(tái)設(shè)備每年維護(hù)費(fèi)用平均二十多萬(wàn)元。其中，高壓脈沖調(diào)制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，對(duì)擁有兩種加速器的醫(yī)院，同時(shí)展開(kāi)兩種加速器高壓系統(tǒng)的維護(hù)工作難度較大，有必要對(duì)其系統(tǒng)性維護(hù)工作展開(kāi)研究。在當(dāng)前研究中，有一些關(guān)于瓦里安加速器HVOC連鎖[5]、MOD連鎖[6]、UDRS連鎖[7-8]、閘流管相關(guān)電路[9-10]高壓故障，以及醫(yī)科達(dá)加速器GTO O/L連鎖[11-12]、Reverse Diode O/L連鎖[13-14]、600 V電源相關(guān)電路[15]、閘流管相關(guān)電路[16-17]等高壓故障處理相關(guān)的文章，但并未有關(guān)于兩種加速器高壓系統(tǒng)的原理和維修的比較類研究。為便于擁有兩種加速器的醫(yī)院工程師快速對(duì)兩種高壓系統(tǒng)的原理和維修提高認(rèn)知，提高維修效率，減少維護(hù)的時(shí)間成本，本文對(duì)兩種加速器的高壓系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行比較，并就相關(guān)高壓故障進(jìn)行維修探討和舉例分析。

1 兩種高壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 VT機(jī)

VT機(jī)型是駐波加速器，為“支臂型”結(jié)構(gòu)[18]，其高壓調(diào)制器需獨(dú)立安裝，與加速器的Stand固定機(jī)架和旋轉(zhuǎn)機(jī)架Gantry分開(kāi)設(shè)置。VT機(jī)高壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。380 V交流電經(jīng)高壓變壓器升壓、高壓整流和濾波后變?yōu)?1 kV（A模式）或13 kV（B模式）的高壓直流高壓電源（High Voltage Power Supply，HVPS），此直流電經(jīng)充電電感L和充電二極管CR給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（Pulse Forming Network，PFN）（特征阻抗Ro=12.5 Ω）充電，通過(guò)低Q電路來(lái)控制PFN上的實(shí)際電壓值22 kV（A模式）或26 kV（B模式），在此過(guò)程中主閘流管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)充電完畢后，主閘流管導(dǎo)通，PFN中的電能經(jīng)主閘流管、高壓電纜、脈沖變壓器（繞組比1:11）初級(jí)放電，再經(jīng)脈沖變壓器升壓后在次級(jí)產(chǎn)生121 kV（A模式）或143 kV（B模式）的高壓脈沖，此高壓脈沖加到速調(diào)管陰極和電子槍陰極，使速調(diào)管和電子槍工作。

圖1 Trilogy 高壓系統(tǒng)原理圖

其中，HVPS、L、CR、閘流管和PFN在獨(dú)立調(diào)制柜內(nèi)，脈沖變壓器在Stand內(nèi)。調(diào)制器內(nèi)的PFN和Stand中脈沖變壓器之間用高壓電纜連接。此外，高壓系統(tǒng)基本控制電路包括低Q電路、終端削峰電路、脈沖削峰電路和高壓電源超載保護(hù)系統(tǒng)等。

1.2 EP機(jī)

EP機(jī)型是行波加速器，為“滾筒型”結(jié)構(gòu)[18]，其高壓脈沖調(diào)制器為機(jī)載式，可以與整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)架安裝到一起。EP機(jī)高壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。充電時(shí)，380 V交流電經(jīng)整流濾波后可獲得600 V直流電源，脈沖控制電路控制開(kāi)關(guān)管TR1和TR2導(dǎo)通，充電變壓器中積累磁場(chǎng)能量，當(dāng)達(dá)到所需能量時(shí)，控制電路控制TR1、TR2關(guān)閉，充電變壓器通過(guò)CR向PFN（特征阻抗Ro=8 Ω）充電。通過(guò)控制充電次數(shù)，可以使PFN上的所充實(shí)際電壓值達(dá)到14 kV（低能，充電一次）或19 kV（高能，充電兩次），在此過(guò)程中主閘流管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)PFN達(dá)到了設(shè)定的電壓之后，脈沖控制電路控制閘流管導(dǎo)通，儲(chǔ)存在PFN中的電能經(jīng)閘流管、脈沖變壓器（繞組比1：5.3）初級(jí)放電，再經(jīng)脈沖變壓器升壓后在次級(jí)產(chǎn)生38 kV（低能模式）或52 kV（高能模式）的高壓脈沖。輸出的高壓脈沖一路加在磁控管陰極使之產(chǎn)生微波，一路加在電子槍陰極使之產(chǎn)生電子。

圖2 Precise高壓系統(tǒng)原理圖

其中，600 V直流電源、充電變壓器、CR在17區(qū)HT PSU內(nèi)，閘流管、PFN和脈沖變壓器在30區(qū)調(diào)制器內(nèi)。HT PSU和調(diào)制器之間通過(guò)高壓電纜連接。此外，高壓系統(tǒng)基本控制電路包括緩沖保護(hù)電路、充電抑制電路、高壓超載監(jiān)控電路、PFN電壓監(jiān)視電路和反向超載監(jiān)測(cè)電路。

2 兩種高壓系統(tǒng)的比較

2.1 結(jié)構(gòu)和原理比較

由第一部分得知，兩種機(jī)型高壓系統(tǒng)主要區(qū)別在充電部分，CR后的部分區(qū)別不大。VT機(jī)型采用三相升壓變壓器對(duì)市電升壓后再整流濾波為直流HVPS，PFN的充電電壓由低Q電路控制；而EP機(jī)型采用充電變壓器取代了VT機(jī)的充電電感，對(duì)市電先整流濾波為600 V直流電后再通過(guò)充電變壓器升壓，脈沖控制電路控制開(kāi)關(guān)管TR1和TR2的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制PFN的充電電壓。其中，VT機(jī)充電電感的作用是在充放電過(guò)程中進(jìn)行限流，EP機(jī)充電變壓器的作用是升壓和電源隔離。

2.2 維修比較

放電過(guò)程由于脈沖變壓器故障或微波源打火等原因?qū)е掳l(fā)生阻抗負(fù)失配，會(huì)出現(xiàn)反向電流，VT機(jī)和EP機(jī)分別報(bào)Mod和Reverse Diode O/L連鎖；當(dāng)放電過(guò)程發(fā)生阻抗正失配，或者充電過(guò)程因阻抗降低或負(fù)載短路等原因發(fā)生超負(fù)荷電流，VT機(jī)和EP機(jī)分別報(bào)HVOC和HT O/L連鎖。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)兩種加速器高壓系統(tǒng)的維修，VT機(jī)主要針對(duì)MOD和HVOC連鎖的處理，應(yīng)首先判斷是不是信號(hào)檢測(cè)電路的故障，可以通過(guò)在服務(wù)模式看是否能清除連鎖判斷，如果不能清除連鎖說(shuō)明檢測(cè)電路有故障，可以采用分段切割假負(fù)載法和代換法[19-20]快速定位故障，針對(duì)UDR1、UDR2或UDRS連鎖的高壓故障優(yōu)先排查機(jī)器工作溫度和濕度、主閘流管和DeQing（D-Q）管、電纜接頭和各類工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)[21]。EP機(jī)當(dāng)有高壓連鎖提示和明顯的故障現(xiàn)象時(shí)，可以查看相應(yīng)故障的Item和part值，結(jié)合維修手冊(cè)的高壓故障處理流程進(jìn)行分析，快速定位故障；而沒(méi)有高壓故障現(xiàn)象和連鎖提示時(shí)可以使用關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)法并結(jié)合高壓故障處理流程快速定位故障。用示波器或萬(wàn)用表檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)的波形或電壓從而判斷故障點(diǎn)的方法對(duì)EP機(jī)和VT機(jī)同樣適用，關(guān)鍵點(diǎn)主要有HVPS電壓或電流、PFN電壓、閘流管電壓、微波源電流等。

我院VT機(jī)使用7年，高壓故障主要集中在獨(dú)立調(diào)制器內(nèi)的主閘流管和D-Q管及其控制電路；EP機(jī)近幾年高壓故障主要出現(xiàn)在600 V電源以及之前的供電電路、閘流管及其控制電路、信號(hào)檢測(cè)光纜故障?？偨Y(jié)兩種機(jī)型高壓故障，見(jiàn)表1。下面具體介紹VT機(jī)和EP機(jī)各一例高壓故障。

表1 兩種機(jī)型高壓故障總結(jié)

3 故障現(xiàn)象、分析與處理

3.1 VT機(jī)故障案例

3.1.1 故障現(xiàn)象

加速器晨檢過(guò)程中出現(xiàn)UDR1、UDR2連鎖；6 MV能量X射線不出束，9 MeV能量電子線設(shè)定劑量率為300 cGy/min，實(shí)出劑量率為15 cGy/min，劑量率低。

3.1.2 故障分析與處理

UDR1、UDR2連鎖是因?yàn)椴怀鍪騽┝柯实鸵稹? MeV和6 MV出束，用示波器檢查PFN V波形正常，6 MV的HVPS I波形如圖3所示，沒(méi)有D-Q調(diào)整。查看機(jī)器參數(shù)，9 MeV和6 MV的HVPS I數(shù)值正常時(shí)分別為9.73和18.54，此時(shí)為10.5和20.1，PFN V數(shù)值正常時(shí)為45和42，此時(shí)為48和45，出故障時(shí)PFN和HVPS I數(shù)值都偏高。因此懷疑D-Q閘流管或柵極控制板故障。打開(kāi)調(diào)制器柜蓋板，不出束時(shí)觀察D-Q閘流管燈絲亮，但出束時(shí)沒(méi)有變更亮，說(shuō)明出束時(shí)無(wú)導(dǎo)通，測(cè)管燈絲電壓為5.2 V，低于正常值6.3 V。

圖3 HVPS I波形（6 MV）

查看圖紙，D-Q閘流管燈絲電壓來(lái)源路徑是XFMR ASSY #2的T4變壓器次級(jí)X1（正常電壓118 Vac）→P11-7→輔助電源分配電路板插座J11-7腳→空氣開(kāi)關(guān)CB10→插座J4-3腳→電纜W60→閘流管電路背板插座J4-3腳→J18-3腳→P18-3→D-Q閘流管燈絲變壓器T5。主閘流管和D-Q閘流管的燈絲電壓都來(lái)自T4變壓器，T4是磁飽和變壓器，次級(jí)繞組接有1個(gè)10 μF的諧振電容器C1，C1損壞會(huì)導(dǎo)致磁飽和變壓器效率下降，輸出電壓降低，從而引起T5電壓降低，D-Q閘流管燈絲電壓降低。因此推測(cè)與變壓器T4次級(jí)并聯(lián)的電容C1損壞，實(shí)測(cè)容量為0.1 nF，C1確實(shí)損壞，更換C1后實(shí)測(cè)管燈絲電壓為6.3 V恢復(fù)正常，但依然不出束。接著，用示波器測(cè)量出D-Q閘流管柵極控制板觸發(fā)信號(hào)正常，判斷D-Q閘流管損壞。更換D-Q管后故障消失。

分析此次故障，燈絲電壓降低后主閘流管和D-Q閘流管依然可以點(diǎn)亮，但電壓降低會(huì)影響閘流管壽命，而D-Q閘流管損壞是導(dǎo)致此次故障的直接原因。D-Q管損壞即D-Q電路失效，導(dǎo)致PFN的電壓變高，加速管微波輸入功率發(fā)生變化，最后導(dǎo)致加速器不能正常輸出相應(yīng)能量和劑量率。

3.2 EP機(jī)故障案例

3.2.1 故障現(xiàn)象

按下“Start”鍵后不出束，10 s后報(bào)dose rate error。

3.2.2 故障分析與處理

查看自動(dòng)頻率控制的Item 232 Phase leg1和Item 233 Phase leg2在出故障時(shí)為無(wú)，說(shuō)明沒(méi)有微波輸出值。故障在磁控管之前的高壓電路，例如閘流管無(wú)觸發(fā)、PFN無(wú)電壓、充電變壓器無(wú)輸出等。查看維修手冊(cè)，遵循高壓故障處理流程進(jìn)行檢修。

（1）首先進(jìn)行初始診斷。判斷故障現(xiàn)象為高壓被禁止，并且沒(méi)有顯示HT overload、Crowbar detection、Reverse diode overload等禁止警告信息，也無(wú)HT CB1跳閘，只是10～20 s后顯示dose rate error，應(yīng)該對(duì)PFN進(jìn)行診斷。

（2）PFN在6 MV和10 MV能量均不能出束。閘流管TV正常時(shí)波形如圖4所示，用示波器查看控制室維修面板的TV測(cè)試點(diǎn)無(wú)此波形，說(shuō)明閘流管柵極無(wú)觸發(fā)，PFN不能有效放電。這種情況應(yīng)該首先檢查控制閘流管觸發(fā)脈沖的光纜。

圖4 閘流管TV正常時(shí)波形

（3）進(jìn)機(jī)房轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)架后，查看該光纜通訊，將控制閘流管驅(qū)動(dòng)脈沖的光纜OPTO 1拔下，肉眼能看到亮光，說(shuō)明有信號(hào)，然后將OPTO 1和控制調(diào)制器溫度的光纜OPTO 2（出故障會(huì)報(bào)HT Bellows連鎖）對(duì)調(diào)，也沒(méi)有立刻出現(xiàn)HT Bellows連鎖。將光纜緊固后再次出束，恢復(fù)正常。

（4）正常治療一段時(shí)間后又報(bào)HT Bellows連鎖，因此判斷OPTO 1光纜出現(xiàn)問(wèn)題，可能是因?yàn)楣饫|老化導(dǎo)致傳輸光亮度不夠。因?yàn)橐呀?jīng)沒(méi)有備用光纜，最后更換整組光纜（共11條，2條備用）后故障排除。

查看電路圖，閘流管脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)走向?yàn)镻PG→HTCA Optical Receiver的OPTO 1→Modulator Isolation PCB的OPTO 1→Thyratron Pulser Unit→Thyratron。OPTO 1光纜損壞時(shí)沒(méi)有高壓故障提示。本案例中高能和低能X射線均不能出束，測(cè)閘流管觸發(fā)脈沖為無(wú)，應(yīng)首先查看OPTO 1光纜，當(dāng)肉眼無(wú)法分辨光亮度強(qiáng)弱時(shí)，可以用光纜交換法排查。

4 討論與總結(jié)

關(guān)于醫(yī)科達(dá)和瓦里安加速器各自的高壓系統(tǒng)原理和維修類文章很多，卻沒(méi)有兩種加速器高壓系統(tǒng)的總結(jié)比較類文章。本文前兩部分對(duì)兩種機(jī)型高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、相關(guān)文獻(xiàn)的維修經(jīng)驗(yàn)和方法進(jìn)行介紹與對(duì)比，對(duì)我院兩種機(jī)型出現(xiàn)的高壓故障做了總結(jié)。VT機(jī)的分段切割假負(fù)載法和代換法、EP機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)方法都是提高維修效率的方法，有時(shí)結(jié)合高壓故障現(xiàn)象，按照維修手冊(cè)的故障處理流程進(jìn)行故障分析與處理會(huì)更快速。對(duì)比顯示，EP機(jī)較VT機(jī)高壓故障現(xiàn)象更多，可能跟EP機(jī)使用年限過(guò)長(zhǎng)有關(guān)。

本文第三部分詳細(xì)介紹了我院VT機(jī)和EP機(jī)各一例高壓故障，都與閘流管有關(guān)。案例一的提出是為了說(shuō)明在兩種機(jī)器的使用過(guò)程中閘流管及其控制電路故障率較高，尤其是VT機(jī)。統(tǒng)計(jì)顯示，我院VT機(jī)使用7年，故障都出現(xiàn)在閘流管，2014年4月至2020年2月，4個(gè)主閘流管總共使用了2639個(gè)高壓小時(shí)，2014年4月至2019年10月，2個(gè)D-Q閘流管使用了2451個(gè)高壓小時(shí)。單個(gè)主閘流管使用時(shí)間最長(zhǎng)1031個(gè)高壓小時(shí)，最短423個(gè)高壓小時(shí)，閘流管質(zhì)量差別較大，建議在更換瓦里安閘流管時(shí)一定要購(gòu)買原廠件，不要購(gòu)買第三方產(chǎn)品。相比之下，EP機(jī)的閘流管更耐用，2014年3月至2021年7月只更換了一個(gè)主閘流管。案例二的提出是為了說(shuō)明對(duì)于EP機(jī)，當(dāng)遇到某些無(wú)高壓連鎖故障時(shí)，遵循維修手冊(cè)的高壓故障處理流程可更快速定位并排除故障。

加速器高壓系統(tǒng)故障復(fù)雜，本文只是針對(duì)兩種機(jī)型高壓系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)和原理對(duì)比，對(duì)我院加速器高壓故障的情況做了對(duì)比研究，研究不夠全面。在下一步的工作中，應(yīng)該針對(duì)更多醫(yī)院的加速器使用情況進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)分析并開(kāi)展針對(duì)兩種機(jī)型高壓系統(tǒng)的預(yù)防性維修的研究和對(duì)比。

綜上所述，本文對(duì)比和探討兩種加速器的高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、故障維修方法，詳細(xì)介紹了兩個(gè)高壓故障維修案例，期望本研究可使工程師在同時(shí)面對(duì)兩種機(jī)型加速器的維修時(shí)，對(duì)兩種機(jī)型高壓系統(tǒng)的認(rèn)知更全面具體，對(duì)相關(guān)高壓故障的維修處理更高效。