西門子Primus M加速器電子槍工作原理及典型故障解析

夏小林 段 巧 劉 瑋

西門子Primus M加速器電子槍工作原理及典型故障解析

夏小林①段 巧①劉 瑋①

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.035

電子槍是醫用電子直線加速器的電子源，其性能指標(如流強、能量及發射度等)直接影響加速器的性能[1]。要使電子槍正常注入脈沖電子，就得使燈絲正常加熱；柵-陰電位差正常；陽-陰極間電位差正常，即INJ正常工作的三要素。而INJ-I的大小主要由柵-陰電位差(0～340 V鉗位電平與135 V電平之差)和INJ-E確定。同時，135 V的固定偏壓要求穩定，若135 V的不穩就會使INJ-I不穩定，135 V的丟失會造成INJ-I過流。

1 電子槍關鍵電路工作原理

1.1 電子槍的陽極-陰極高壓INJ-E的控制

陽極-陰極高壓INJ-E是加在加速波導管電子槍陽極與陰極之間的電壓差所產生的電場，主要是對陰極發射的電子流進行加速。同時由于陽極的特殊形狀，INJ-E電場對陰極發射的電子還有聚焦作用[2]。INJ-E不但決定了陰極電子進入加速管的初速度，也決定了電子束流的聚焦程度。如果INJ-E部分不能正常工作將直接影響到束流的優化以及聚焦后射線半影區的大小，進而影響到PROFILE。早期傳統的加速器，INJ-E常被用來參與優化而被設定在不同的幅度上，而自從引進數字化技術，廠家傾向把INJ-E設定在固定幅度上：即為12.5 kV，對應的編程值為8501左右[3]。

INJ-E控制過程：控制臺上INJ-E Soft-pot編程值經通訊電纜送到G32C的FC#3功能板，將數字信號變換成頻率信號(如：8501 mV=425 kHz)，從G32C PCB2的CH2輸出到達INJ-I的低壓板，后由AD652 U12再將頻率信號變換成8.5 V的模擬控制電壓，用來控制2N6547 U8的基極偏置(如圖1所示)。

在Q8的集電極上接的是一個橋式整流器，Q8的導通程度反過來也決定了橋式整流器中能流過的交流電流，亦即改變了T2的初級等效阻抗，進而能改變15 kV高壓電源的輸入電壓。高壓電源實際上是一個升壓變壓器加上整流，濾波，因而HV電源的輸出INJ-E就直接與Q8的導通程度相關聯了，Q8的Ic越大，T2的初極等效阻抗就越低，INJ-E就越高，反之INJ-E則變低。

加在電子槍陰極上的負高壓，經30M(R43)分壓(3000∶1)作為負反饋用來穩定INJ-E，同時在經過校正后作為INJ-E的高壓測量點，如INJ-E是12.5 kV，負反饋的電壓約為4.16 V[4]。

圖1 INJ-E控制部分電路圖

1.2 電子槍0～340 V鉗位電平產生和注入電流INJ-I控制

當加速器處于Standby狀態，電子槍柵極的電平相對于陰極的是-135 V，電子槍是截止的，即便在INJ-E高達12.5 kV時RAD-ON，-135 V的反偏置仍足以使陰極的電子無法到達陽極。在有驅動脈沖信號時會出現INJ-I脈沖；同時柵-陰相對電平即0～340 V箝位電壓減去135 V決定了INJ-I脈沖的大小；而穩定的135 V和穩定的0～340 V箝位電壓才能產生穩定的INJ-I。

控制臺上編程的INJ-I編程值也是經通信電纜送到G32C的FC#3板，經G32C PCB2板輸出通道CH3的D/F變換成頻率信號(1000 mV=50 kHz)后再送到Injector上，經LV PCB板的75107接收后，再送到HV PCB，然后U3(AD650)把頻率信號F/D變換成模擬控制電壓，同時在TP4得到與遍程值略同電壓，此電壓控制三極管Q2(MJE1320)的導通程度(如圖2所示)。

圖2 鉗位電平產生電路圖

400 V電壓經R39(50 K)加在Q2集電極上時，Q2的Ic在R39上的壓降即決定了箝位電平。當觸發信號使LV板上的C3放電后，T1次級的感應脈沖電壓由箝位電平箝位而形成一定的柵-陰相對電平，產生INJ-I脈沖。

不同的能量需要不同的INJ-I，因而其0～340 V箝位電壓也可能不同：對于西門子Primus機型電子線的INJ-I一般僅數mA，其0～340 V箝位電壓大約為90 V；X射線15 MV的INJ-I約300 mA，其0～340 V箝位電壓大約為150 V；X射線06 MV的INJ-I約1000 mA；其0～340 V箝位電壓大約為205 V。

1.3 135 V固定偏壓的控制

加到電子槍陰極上的固定偏置電壓為135 V，其與0～340 V鉗位電壓一起構成柵-陰電位差，決定了電子槍注入電流的大小。要保證INJ正常且穩定壓135 V是個重要條件[5]。一旦存在135 V丟失時，會使陰極電流不再僅僅是在INJ-T來到時導通的幾微秒，而是一直會存在，一旦出現這樣的情況，INJ-E電源會過流甚至可能會打火，電路中27 K碳質電阻會過流燒毀，INJ-I聯鎖電路也應該動作。同時INJ-I瞬間過流時所產生的電磁脈沖可能會引起機器上其他關聯的器件被燒壞。

目前，西門子新型的數字化加速器Primus的solid state Injector部分的135 V電路的工作原理與老款機型基本相同，唯有不同的是電路中的大功率管采用了MJE1320，±15 V模塊電源質量也有所提高改善。整個電路值得注意的是AD581的輸出及TP8的電壓必須是準而穩的，正常工作時Q1 MJE1320的集電極電流約12 mA，處于微導通狀態，如果這個電流增加到36 mA，則5.6 K上的壓降就相當于200 V，而由于Q1的B-E的二極管特性，基極電壓的變化很小(如圖3所示)。

圖3 固定偏壓控制電路圖

2 典型故障案例

2.1 故障現象

加速器在6-MV光子線治療模式RAD ON出束時，出現“DOSE RATE”和“INJECTOR”聯鎖，無劑量輸出，加速器無法繼續工作。

2.2 故障分析與處理

(1)通過示波器檢測到pluse-I波形正常，RFREFI波形正常，但無注入電流(INJ-I)波形，確定故障發生在電子槍部分[6]。通常在處理INJ-I的故障時，一般情況下應該在控制臺編程后先檢測一下關鍵點電壓135 V和0～340 V，而且TP4上的電壓應與INJ-I的soft-pot編程值差不多。按此思路檢查關鍵電路點電壓時發現135 V的固定偏壓丟失，進一步檢查電路時發現高壓板的27 K/0.5 W的碳質保險絲電阻也出現損壞，同時在經校正后作為INJ-E測量檢查用的TP9處檢測不到負反饋電壓(RAD ON時，1 V=-10 kV)。電路正常時INJ-E為12.5 kV，負反饋的電壓約為4.16 V。很明顯此案例是因為135 V丟失時HV過流引起的27 K保險絲電阻損壞，進而出現D0SE RATE聯鎖。

(2)如果正常工作時X-06MV的INJ-I幅度是1200 mA，PRF-P是5 ms，脈寬5 μs，則占空比為1∶1000，INJ-I的平均電流為1.2 mA，其他能量模式時的平均電流都比這個稍小，同時由于陰極發射能力的限制以及靠近陰極的電子云的作用，INJ-I的峰值不會比1.2 mA大很多。而高壓板的27 K 0.5 W碳質保險絲電阻額定的燒斷點平均電流約為4.3 mA，所以只有在占空比明顯增加的情況下才會燒電阻，而這種情形只有發生在135 V丟失時。明確機器的聯鎖是135 V固定偏壓丟失所致，便進一步檢查與該電壓直接相關的設備原器件，萬用表測試大功率管Q1 MJE1320時發現，其C-E級已被對地擊穿，這是135 V丟失直接根源。在更換MJE1320后開機測試135 V固定偏壓電路各關鍵點電壓一切正常，待熱機完畢測試機器各檔能量恢復正常工作。

3 小結

加速器電子槍的工作原理與二極管類似，在電子槍中陰極和陽極恰好組成一個二極管，只是陽極中間有一個束流供電子從中通過。當燈絲加熱到一定溫度時，陰極開始發射電子，外在陰陽極之間加一個脈沖電壓，電子便會在此加速電壓的作用下，向陽極加速運動形成注入電流[7]。西門子Primus M加速器電子槍為柵控型電子槍，在待機狀態時，電子槍柵極的電平相對于陰極是-135 V，電子槍是截止的，因為-135 V的反偏置足以使陰極的電子無法到達陽極[8]。只有在驅動脈沖信號時，柵-陰電位差正常，陽-陰極間電位差正常時才能產生穩定的INJ-I。只要從原理上了解了電子槍各部分關鍵電路的工作原理，就能依據故障現象，從源頭上快速準確解決故障。

[1]顧本廣.醫用加速器[M].北京：科學出版社，2004.

[2]陳亞珠，黃耀熊.醫學物理學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]趙立新.加速器電子槍基本原理及瓦里安與西門子加速器電子槍故障維修[J].醫療裝備，2009，22(8)：158-160.

[4]李軍.西門子M型加速器注入器故障分析[J].醫療衛生裝備，2004，25(11)：72.

[5]張瑞山，郭大偉.西門子PRIMUS直線加速器注入控制電路的故障檢修與分析[J].醫療衛生裝備，2011，32(9)：138-139.

[6]李軍，張西志，譚飛，等.西門子Mevatron醫用電子直線加速器故障維修與分析[J].中國醫學裝備，2009，6(12)：48-50.

[7]楊紹洲，陳龍華，張樹軍.醫用電子直線加速器[M].北京：人民軍醫出版社，2004.

[8]張勇，宋芳芳，何小琦.行波管柵控電子槍柵網的結構可靠性[J].真空科學與技術學報，2008，28(2)：169-173.

夏小林,男,(1979- ),碩士，工程師。云浮市人民醫院腫瘤科，從事放療設備維修和臨床放療物理工作。

1672-8270(2015)03-0102-03

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2014-03-08

①云浮市人民醫院腫瘤科 廣東 云浮 527300