瓦里安醫用直線加速器高壓調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

河南省腫瘤醫院 放療科，河南 鄭州 450003

瓦里安醫用直線加速器高壓調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制器的結構和工作原理，并對調制器部分出現的故障做了重點分析，提出了一些解決問題的思路和方法。

直線加速器；調制器；PFN；HVPS；故障維修

1 原理闡述

醫用直線加速器高壓調制器用來產生具有一定波形和頻率要求的高壓脈沖，以驅動速調管和電子槍。各個廠家加速器設計的高壓調制器原理基本相同，但細節上都有自己獨特的設計思路。其中瓦里安加速器產生特定高壓脈沖的過程是：首先三相電經HVPS開關CB1送至三相電源濾波器FL1，三相電經濾波器濾波處理后經K1，K2，K3，K4四個繼電器送至調制器內高壓變壓器（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，次級有兩個繞組，一個為△型接法，另一個為Y型接法，次級兩個繞組分別經Rectifier/Filter Assembly整流后串聯輸出直流高壓。輸出的直流高壓在低能模式時為11kV，高能模式為13kV。高低能模式的切換是通過對K3和K4兩個繼電器的控制而實現的。低能模式時繼電器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行變壓整流，形成13kV高壓模式。形成的直流高壓電源經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，電能全部儲存在PFN上，由高壓補償分壓電路（Compensated HV Divider）對PFN上電壓進行分壓采樣。并將采樣信號送到DQ閘流管觸發電路。當PFN上的電壓為充電電壓的兩倍從而達到設置值后，采樣信號送至DQ閘流管柵極觸發電路形成柵極觸發脈沖，啟動DQ閘流管，將多余的充電電流轉向隔離負載。與此同時，主閘流管獲得柵極觸發脈沖而導通，儲存在PFN上的電能經主閘流管向脈沖變壓器放電，使脈沖變壓器產生高頻脈沖，驅動速調管和電子槍。

2 實例分析

故障現象：各檔能量均無法出束，維修模式下觀察系統參數，發現PFN電壓只有-1.62V，HVPS I值為0。

由于PFN V和HVPS I均無數值，首先檢查是否有直流高壓送至PFN上。電路流程：三相電經HVPS開關CB1→三相電過濾器FL1→H.V. CONTACTOR ASSY(即由K1，K2，K3，K4組成的開關電路)→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。正常時從整流橋輸出的直流高壓11kV經充電電感和充電二極管充電后應為22kV，倍壓輸出，才能實現阻抗匹配。現在仍為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通和導通兩種情況：① 當主閘流管不導通時，PFN不能充放電，無法形成PFN電壓，但此時PFN的線圈和充電電容上也會有高壓，這個高壓就是電源變壓整流后的一次電壓，為11kV；② 主閘流管導通時也會出現無高壓輸出的故障，但這是因為使用時間長，消電離能力下降而導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通。

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

主閘流管柵極觸發脈沖的形成過程是：正常工作時，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，PFN充電完成后，HVPS I信號通過Q4和Q1使Q2導通，340VDC電壓通過開關管Q2向電容C9充電，而從控制臺來的MODTRIG觸發脈沖由光耦U1隔離后，變成低阻抗的脈沖觸發可控硅CR1，使C9所儲存的電能向脈沖變壓器T2放電，從而產生主閘流管柵極觸發脈沖。經檢查發現Thyratron Grid Control PCB內三極管Q4基極輸入正常，但集電極輸出狀態不對，三極管Q4很可能有問題。更換Thyratron Grid Control PCB，重新開機預熱出束，有束流，但劑量率很低，設定值200MU/min時，只有20左右。PFN 電壓值仍為-1.62V，但HVPS有數值，為20.05。

調節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，信號流程為：從PFN來的高壓→Compensated HV Divider→Thyratron Grid Control PCB P1-30C(TP5) ，形成DEQIN+信號，DEQIN+信號經過共模抑制放大器U3放大后分為兩路，一路送到比較放大器U5，與PFN 電壓設置值進行比較，如果達到設定的PFN電壓，比較器輸出電壓翻轉，通過Q5、Q7觸發Q6，產生340V DQ閘流管柵極觸發脈沖；另一路送至電壓跟隨器U4，并最終形成PFNMETER+信號送CONSOLE作PFN V數值顯示，其電路圖如圖2所示。

圖1 主閘流管柵極觸發脈沖形成示意圖

圖 2 高壓補償電路和PFN電壓信號顯示電路示意圖

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，信號不對。但從PFN 電壓確實有高壓，而P1-30C處測量點卻始終無變化，懷疑中間高壓采樣電路Compensated HV Divider PCB有問題。查圖紙，PFN 高壓經采樣后輸出電壓送至電壓跟隨器U1-3，測U1-3，不出束時為0V，出束時從攝像頭觀察為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 電流值均恢復正常，故障解決。

3 經驗總結

高壓調制器相關部件是醫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，遠遠高于36V安全電壓，所以在維修過程中要時刻注意安全，拆卸相關部件時注意將CROWBAR置于中間位置。應該經常觀察內外循環水水壓、SF6 氣壓、穩壓器輸出電壓等基本參數，另外機房室內的清潔，溫濕度也要保持在規定范圍內，這樣才能最大程度減少故障隱患。

[1] 顧本廣,林郁正,等.醫用直線加速器[M].北京:科學出版社,2003．

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[4] 李軍.西門子MEVATRON直線加速器劑量系統故障維修[J].中國醫療器械雜志,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