瓦里安2100C加速器真空故障的分析與排除

林玉峰 張魯閩

1 真空系統(tǒng)組成及工作原理簡介

真空系統(tǒng)是醫(yī)用電子直線加速器的重要組成部分，用于維持和保證加速管、電子槍等在高真空下運行，以避免加速管內因強電磁場而放電擊穿， 并減少高速運動的電子與氣體分子碰撞而偏離正常軌道的機會，同時防止電子槍陰極中毒或燈絲氧化[1]。瓦里安2100C加速器的真空系統(tǒng)主要由3個鈦離子泵、泵電源和真空控制電路構成。一個20 L/S主泵用于維持加速管和偏轉磁鐵的真空，一個8 L/S副泵用于維持電子槍的真空（其實主泵和副泵維持的是同一個真空室的真空），一個2 L/S的泵與速調管連成一體單獨用于維持速調管的真空。真空高壓板為三個鈦泵分別提供-5 KV、+3 KV、+3 KV的工作電壓。鈦泵的電流和高壓大小由真空控制板來檢測，用于監(jiān)視真空系統(tǒng)的狀態(tài)。當主泵電流＞350 μA、或槍泵電流＞40 μA、或速調管真空泵電流＞8 μA、或槍泵高壓＜2.4 kV、或速調管真空泵高壓＜2.4 kV時，出現(xiàn)VAC2聯(lián)鎖；當主泵電流＞700 μA或主泵高壓＜4 kV時，出現(xiàn)VAC1聯(lián)鎖。而且為了保護鈦泵，VAC1聯(lián)鎖持續(xù)90 s后將通過繼電器K6切斷槍泵電源；當主泵電流＞20 mA，持續(xù)10 s后將通過K5繼電器切斷主泵電源。

2 故障現(xiàn)象

一段時間以來，加速管的真空電流值增大為40 μA左右（正常時，應是10 μA以內），偶爾還出現(xiàn)電流值在40～100 μA間不斷地跳躍，時間長達1～2 min不等，然后又慢慢地穩(wěn)定于40 μA左右，但槍和速調管的真空電流保持不變，都是0 μA，機器還能維持正常工作。有一天在治療中途突然出現(xiàn)VAC2、VAC1聯(lián)鎖，真空電源盒上主泵電流指示值最高升至1100 μA（維修模式中ACL VAC值指示為99.9），主泵高壓降到3.58 KV，槍泵高壓被切斷，機器回到STANDBY狀態(tài)，然后真空電流又呈上下跳躍式地緩慢下降，數(shù)小時后恢復到40 μA左右，主泵高壓也慢慢上升恢復到正常，機器又能工作。說明機器存在很大隱患，需要立即加以維修。

3 故障分析與排查

加速管真空故障的可能原因一般有真空高壓電源故障、真空控制電路故障、真空部件泄漏和鈦離子泵本身性能下降或損壞。根據(jù)故障現(xiàn)象可以知道，故障發(fā)生的部位應在加速管部分，與速調管無關。加速管的真空電流穩(wěn)定時已經達到幾十μA，似乎真空部件的微漏或離子泵性能下降的可能性較大[2]，但又無法解釋主泵真空電流有時發(fā)生跳躍式的變化以及突然出現(xiàn)飆升后又能慢慢下降穩(wěn)定于40 μA左右的現(xiàn)象。所以我們剛開始覺得有可能多種故障原因并存，需要以真空度降低的現(xiàn)象為基礎進行全面的排查：

3.1 真空電源的排查

當真空電流穩(wěn)定于40 μA左右時，用帶高壓測試棒的萬用表測量3個離子泵的高壓供電。測量結果分別是：主泵-5.1 KV、槍泵+3.4 KV、速調管泵+3.4 KV，都在正常范圍，可以排除真空高壓電源的問題。

3.2 真空控制電路的排查

當出現(xiàn)VAC1聯(lián)鎖，主泵電流突然飆升到1100 μA后，用手觸摸主泵的外殼，發(fā)現(xiàn)外殼溫度偏高（正常情況下，離子泵的殼體溫度與室溫基本一致），說明離子泵的負載增大，與其真空電流升高、泵的高壓下降的表現(xiàn)是一致的。再取掉主泵的高壓接頭，真空電流變?yōu)? μA。由此可以判定真空監(jiān)測控制電路也不存在問題。但有時發(fā)生真空電流值的跳躍現(xiàn)象，或許控制電路工作不穩(wěn)定？為了排除這種原因，我們換上了一塊備用的真空控制板，但故障依舊，在維修的過程中，有時仍然出現(xiàn)真空電流跳躍的現(xiàn)象。

3.3 真空部件泄漏的排查

加速管發(fā)生真空泄漏的原因有：

⑴真空部件的焊接處或金屬波紋管存在縫隙，以及真空部件的密封墊圈連接不緊密等。如：槍和加速管的連接處，波導窗和加速管的焊接處，與真空室相通的主泵、槍泵、真空閥門的連接處，偏轉磁鐵的輸出窗，能量開關的波紋管，靶的波紋管，漂移管以及漂移管與偏轉磁鐵相連的波紋管（BELLOW）等。

⑵加速管內部需要水冷卻的部件受到水的銹蝕或因高溫而發(fā)生形變產生裂隙，導致水蒸汽泄入。如：能量開關、靶和偏轉磁鐵等水路， 其中偏轉磁鐵這一路又分為漂移管、第二準直器和能量窄縫三條支路。當真空電流穩(wěn)定于40 μA左右時，我們用丙酮逐一涂抹在⑴中所述的可疑部位，并通過開關水泵、用壓縮空氣吹干相關冷卻水管再往水管內加丙酮，再通過不斷地選擇能量讓靶和能量開關處于不同位置的方法，觀察真空度的變化，結果未發(fā)現(xiàn)真空電流發(fā)生明顯的改變，可以斷定不存在真空部件的泄漏。

3.4 鈦離子泵故障的排查

瓦里安高能加速器的主真空泵（20 L/S）是個三極泵，由一圓柱形陽極、兩個鈦板陰極和外圍的永久磁鐵構成。工作時陽極接地，陰極加上-5 KV的高壓，陰極發(fā)射的電子在電磁場的作用下向陽極做高速螺旋運動（潘寧放電），碰撞并電離氣體分子，產生的正離子在電場的作用下轟擊陰極，濺射出鈦原子，鈦原子沉積于陽極筒內壁及陰極上離子轟擊較少的部位，形成新鮮的鈦膜，新鮮的鈦膜對氣體分子具有吸附和電清除作用，達到抽氣維持高真空的目的[1]。

鈦離子泵發(fā)生故障的原因可能有兩種：①泵內部陰陽極間或高壓電纜及高壓接頭絕緣性能下降產生漏電流；②由于鈦泵長期工作，鈦電極上堆積了太多的吸附氣體后所生成的固態(tài)物質，導致抽氣能力下降，從而引起離子泵效率降低。

使用搖表測量高壓電纜的阻抗未發(fā)現(xiàn)絕緣問題。清潔高壓接頭后，用木錘敲擊離子泵殼來觀察真空度的變化情況（如果鈦泵內部絕緣不好，敲擊時真空電流會有較大的波動），結果真空電流基本保持不變[3]。再取掉鈦泵外圍的永久磁鐵，真空電流顯示為0 μA（如果真空電流繼續(xù)存在則是漏電流，因為鈦泵工作時產生的離子流包括真空離子流及絕緣瓷環(huán)和鈦泵電源的漏電流，真正的鈦泵離子流為鈦泵加上磁鐵工作時的電流減去鈦泵不加磁鐵工作時的電流[4]）。由此基本上可以排除漏電流引起真空電流變大的原因。

使用高壓激活鈦泵的方法來檢驗鈦泵的抽氣能力[5]：取掉槍冷端上的F1保險（斷開槍燈絲供電），拔去主泵的高壓插頭；機器打到“ON”狀態(tài)，在維修模式下，選擇6e能量（LOW MODE），關掉搶觸法，打開槍延時；用帶高壓測試棒的萬用表接到槍熱端的外殼來監(jiān)測槍高壓，并記下初始值（本機為-7.0 KV，恢復時要用）；選一根耐20 KV高壓以上的電纜線約3米，用絕緣膠帶綁在一根絕緣的塑料棒上（也可以利用槍熱端處隨機帶的放電棒），一端做成小鉤狀塞到鈦泵的高壓座內（保證接觸良好），手握塑料棒，讓另一端短時間地接觸槍熱端的外殼，利用比鈦泵工作電壓大許多的負高壓來沖擊鈦泵，同時觀察萬用表上監(jiān)測的高壓值的下降情況，重復多次，直到高壓不再下降為止；再通過調槍冷端A3上的LOW電位器來改變槍的高壓值，分別在-8 KV、-11 KV、-13 KV左右的位置按照上述方法繼續(xù)對鈦泵進行沖擊；完成以上工作后，把槍高壓值和槍觸發(fā)復原，機器打到STANDBY，裝上槍燈絲保險F1，接上鈦泵電源插頭，重新觀察真空電流的變化。結果真空電流從原先的40 μA下降到30 μA左右，說明經過高壓激活，鈦泵的抽氣能力有所增強，但真空電流還是偏大。再從真空電流升高到1100 μA（真空度差）后又能慢慢下降到數(shù)十μA的現(xiàn)象看，主泵的抽氣能力并不低。

3.5 真空材料不良的排查

根據(jù)以上的方法，我們已經花費了3天時間進行了反復細心的排查，但都無法找到故障所在。幸好在排查過程我們對不同的時間、不同的條件下真空度的微小變化都作了詳細的記錄，從記錄中發(fā)現(xiàn)了早晨剛到機房時真空電流都較大，達到40 μA左右，上班后真空電流反而慢慢降至30 μA左右的規(guī)律。這是否說明真空電流的變化與環(huán)境溫度存在著某種關系？因為下班時工作人員都把治療室內的空調關掉，早上上班時再打開空調。為了驗證這種假設，我們進行了如下試驗：機器在STANDBY狀態(tài)，把治療室內空調設在20 ℃（平時只設到27度），內循環(huán)水溫設到20 ℃，觀察3 h，發(fā)現(xiàn)真空電流慢慢下降，最好時可以達到18 μA；再關掉空調，把內循環(huán)水溫設到45 ℃，觀察4 h，發(fā)現(xiàn)隨著室溫的升高，真空電流又慢慢增大到70 μA。通過這兩種極端條件的檢驗，可以肯定真空電流的變化與環(huán)境溫度的高低存在著密切的關系。因為經過前面的檢查，已經排除了真空器件發(fā)生泄漏的可能（如果真的存在裂縫，溫度的變化有可能使縫隙產生熱脹冷縮，泄漏的程度也會跟著變化），因此懷疑某些真空材料發(fā)生緩慢放氣，導致真空電流偏大，當溫度升高時放氣加劇，引起真空電流上下跳躍或突增，而且這種假設也能合理解釋以上的故障現(xiàn)象，也不用考慮多種故障原因并存的可能。

最有可能發(fā)生放氣的與真空有關的器件有電子槍的燈絲、靶和能量開關。如果槍燈絲放氣，應該首先反映到槍的真空電流，但槍泵的真空電流在主泵真空電流增大時皆無變化，一直保持0 μA，說明槍燈絲放氣的可能性不存在。對于靶和能量開關，它們都是產熱部件，依靠水循環(huán)來冷卻，與水溫有關，與室溫關系不大，發(fā)生放氣的可能性很小。為了驗證這種想法，在保持室內溫度不變（設定為27 ℃），分別在水溫為30 ℃、45 ℃、出射線和不出射線（選擇不同的能量）的幾種情況下來觀察真空電流值，結果雖然在水溫高、出射線的時候，真空電流有所升高，但都沒有通過改變室內溫度所發(fā)生的變化那么明顯。

最后把懷疑的重心集中到受室內溫度變化影響最大的加速管外圍的真空部件，特別是主泵周圍的真空管道連接件，采用電吹風的熱風給這些連接件加溫的辦法來模擬溫度升高時真空電流的變化情況。當電吹風的熱風剛剛吹到真空閥門時，發(fā)現(xiàn)真空電流的指示值突然增大，不到5 s已經升高到800 μA，VAC2、 VAC1故障燈亮。立即關掉電吹風停止加熱后，真空電流才慢慢下降。由此可以斷定故障發(fā)生的位置就在于真空閥門（VACUUM VALVE）。在加速器中，真空閥門主要用于密封加速管的高真空通道，它是個直角雙通的不銹鋼閥，當維修或更換真空部件(如：靶、能量開關和離子泵等)時，需要打開此閥門往加速管內加氮氣，以免加速管或其它真空部件被氧化，待真空部件維修或更換結束，再通過此閥門外接機械泵或分子泵進行預抽真空，預抽完畢才關緊閥門開鈦泵進行自抽真空。因為加速管的真空部件不能隨意拆卸，我們無法知道真空閥內部的詳細結構，隨機的說明書中只有一個標注：Valve，Viton，Manual，可以猜測是個手動的、可能用氟化橡膠（Viton）作密封圈的閥門。再經過咨詢廠家工程師，證實閥門內部是有一個O型橡膠圈，在關緊閥門時，起密封作用。于是更加肯定是真空閥內部的氟化橡膠長期使用后性狀發(fā)生了改變，緩慢釋放出氣體，并受溫度影響明顯，當溫度升高時放氣加劇，導致離其最近的主泵的真空電流猛增。

4 故障處理

找到故障原因后，開始時以為最好的方法是更換不良的真空閥，但更換時必然要臨時破壞加速管的真空，處理工作復雜，而且本機已經使用十多年，電子槍的燈絲容易中毒，重新激活難以保證。于是我們進行如下嘗試：用電吹風重新對真空閥進行短時加熱，當真空電流增到300 μA時，馬上停止加熱，等到真空電流下降至數(shù)十μA后，繼續(xù)對之加熱(但溫度不能太高，以免密封橡膠熔化)，讓橡膠盡量放氣，如此反復多次，結果發(fā)現(xiàn)真空閥內部放氣的速度和量都變得越來越小，到最后真空電流可以下降并穩(wěn)定到10 μA之內。沒想到對橡膠密封圈的除氣達到如此好的效果。試用機器，真空度也基本維持良好。然后我們堅持每個星期對真空閥加熱除氣1次(開始加熱時真空電流都會增大)，一個月后減少為每個月1次，半年后3個月1次，1年后就不再除氣，到現(xiàn)在已經使用3年，真空度一直保持良好，不再出現(xiàn)原來的故障。

至于這種橡膠密封圈經過加熱除氣后，為何能夠減少放氣，經歷很長時間并經過多次除氣后甚至不再放氣，廠家工程師的解釋是：真空閥門內的橡膠密封圈在制造過程受到了污染，時間長了以后，內部的污染物質（如：油）開始揮發(fā)，放出氣體，經過不斷的抽氣、除氣，污染物慢慢減少，到最后就不再放氣了。

5 結語

加速器是一種技術復雜的精密設備，加速管真空故障的檢修是個費時費力的過程，維修時不僅要善于把機器的結構原理與故障現(xiàn)象緊密地聯(lián)系，而且要善于觀察，善于分析，善于嘗試，多想辦法，多做維修記錄。本次故障發(fā)生的部位實屬罕見，故障現(xiàn)象也很特別，剛開始根本想不到材料放氣的問題，在排除了其他所有能夠想到的原因、使用了所有排除真空故障的方法后，才從周圍的溫度與真空電流的變化關系中找到故障的真正原因。而且在解決故障的時候，善于嘗試，得到了事半功倍的效果，同時為同行修復此類故障積累了寶貴的經驗。

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