醫(yī)科達(dá)直線加速器真空部件常見故障及快速解決方案

李大明，彭照明，楊鵬飛，張懷文

1 北京大學(xué)深圳醫(yī)院 放療科，深圳市，518036

2 江西省腫瘤醫(yī)院 放療中心，南昌市，330029

0 引言

真空系統(tǒng)對高能粒子產(chǎn)生非常重要。許多帶電粒子，如電子、質(zhì)子以及其他重離子加速到高能狀態(tài)，基本上都是真空環(huán)境中完成的[1-2]，醫(yī)科達(dá)直線加速器也不例外。

醫(yī)科達(dá)直線加速器真空系統(tǒng)是由兩個濺射式離子泵24 h不間斷工作來維持10-6～10-7mbar(1 mbar=100 Pa)左右氣壓的真空環(huán)境，氣壓高于10-5mbar時則會觸發(fā)機器聯(lián)鎖。機器代碼Item 227 Vac Gun和Item 228 Vac Tar的值反映加速器的槍端和靶端真空狀態(tài)，進(jìn)而用于評估整個設(shè)備的真空水平。如真空：2*10-6(mbar)=10-5.7，lg 10-5.7=-5.7，顯示結(jié)果表示是-5.7。在監(jiān)測回路中存在比較器，當(dāng)監(jiān)測真空低于10-5mbar或者10-4mbar時會提示出10-5/10-4trp T/G錯誤，并中斷出束。

醫(yī)科達(dá)直線加速器真空系統(tǒng)分真空腔體部分和離子泵供能及監(jiān)測部分[3]。真空腔體包含一個主支和兩個分支。主支沿著電子運動方向設(shè)計，從電子槍燈絲發(fā)射電子開始，再經(jīng)過微波加速管，波紋管以及飛行管（電子窗和靶）輸出射線。一個分支連接相關(guān)閥門以及濺射式離子泵，維持系統(tǒng)真空。另外一個分支連接波導(dǎo)窗，引入加速所用的微波，為電子加速提供能源，或處理剩余微波。電源和監(jiān)測部分為離子泵提供能量以及監(jiān)測系統(tǒng)真空值。各部件通過密封圈和法蘭及接頭連接，達(dá)到隔離外部環(huán)境目的。

1 真空系統(tǒng)常壞部件故障判斷方法及解決方案

醫(yī)科達(dá)直線加速器真空系統(tǒng)常見故障涉及到諸多部件，不同的部件問題出現(xiàn)的現(xiàn)象會有所差異。下面針對日常臨床治療工作中可能遇到實際問題及處理作簡要闡述分析。

1.1 槍燈絲組件故障

醫(yī)科達(dá)直線加速器采用可拆卸燈絲設(shè)計，燈絲壽命在真空狀態(tài)良好情況下可以達(dá)到1 000左右高壓小時。燈絲組件故障主要為更換燈絲過程密封圈偏離固定位置，導(dǎo)致真空系統(tǒng)漏氣。故障現(xiàn)象是重建真空過程中前級分子泵的渦輪分子葉片轉(zhuǎn)速在長時間內(nèi)達(dá)不到75%以上最大轉(zhuǎn)速（最大轉(zhuǎn)速時渦輪轉(zhuǎn)速指示燈全亮）。正常情況下，分子泵運行10 min左右轉(zhuǎn)速指示燈就會全亮。若超過15 min指示燈仍未全亮，可嘗試關(guān)閉加速器外接閥門，用分子泵對自身空腔進(jìn)行抽氣，即分子泵進(jìn)行自檢，觀察指示燈是否很快達(dá)到正常。若分子泵正常，但連上加速器后異常，應(yīng)檢查密封圈安裝是否有錯位。如有，在安靜環(huán)境下可能聽到嘶嘶吸氣聲音，此時則需重新安裝燈絲并更換新密封圈，然后再次重建真空。偶爾還會出現(xiàn)燈絲底座微漏情況，此時Item 227的值會漸漸升高，從-6水平升高到-5水平，但不會觸發(fā)報錯聯(lián)鎖。此時建議用無水酒精及無紡布清潔干凈膠圈與引線底座銜接處，并用真空硅脂涂抹均勻，一般可顯著改善真空狀態(tài)。

1.2 輸入、輸出波導(dǎo)窗故障

波導(dǎo)窗隔離真空和波導(dǎo)管中的SF6，常見故障是SF6穿過隔離陶瓷窗進(jìn)入真空系統(tǒng)，輸入和輸出窗分別影響槍端和靶端真空，導(dǎo)致系統(tǒng)氣壓值升高。發(fā)生故障時真空值會隨著時間推移變得越來越差，Item 227 Vac Gun或者Item 228 Vac Tar的值會越來越高，SF6加氣會相對頻繁。判斷方法是機器自帶的抽氣泵抽掉波導(dǎo)系統(tǒng)中的SF6，觀察氣壓表直到波導(dǎo)管的氣壓為-1 bar（1 bar=100 kPa）左右水平后，再查驗真空狀態(tài)是否明顯好轉(zhuǎn)。如真空值波動明顯的，則鄰近波導(dǎo)窗出現(xiàn)漏的可能性很大，需及時處理此故障。如長時間不處理此問題，拆開離子泵后可聞到臭雞蛋味，離子泵接口處能看到油狀物質(zhì)，將嚴(yán)重影響離子泵使用壽命。

1.3 密封圈、接頭以及法蘭故障判斷

密封圈、接頭問題主要涉及到橡膠老化和安裝不到位。安裝不到位時真空值通常會報錯Item 238 10-4trp G，Item 239 10-4trp T，Item 240 10-5trp G或Item 241 10-5trp T 。一般是有相關(guān)位置涉及真空維修處理。若在重建真空時聽到嘶嘶吸氣聲音，需重新檢查安裝，并更換密封圈。對于膠圈老化引起微漏的情況，真空是緩慢變差過程。不出束時真空較差，但一般不會觸發(fā)機器聯(lián)鎖，并能保持-5.6以下水平，隨著出束系統(tǒng)溫度升高，真空又會變好，但總體趨勢會越來越差。對于此類問題，主要原則是維修過程中動了哪里查哪里，哪個真空變化范圍大，主要檢查其附近的密封圈、接頭及法蘭。維修中常用丙酮作為檢漏劑，將丙酮均勻涂抹到接口或者法蘭處，觀察真空值，如果明顯變差，當(dāng)前位置即存在故障。有條件的單位可以定做合適尺寸的堵頭工具，分段排查故障。

1.4 波紋管故障

波紋管靠近靶離子泵主要影響靶端真空。通過波紋管伸縮切換電子線和光子線輸出。波紋管管道比較薄，可能出現(xiàn)真空微漏現(xiàn)象。常見故障是：真空值明顯異常，一般來說Item 228 Vac Tar值-5.6以上，當(dāng)光子線切換電子線出束時候，波紋管拉長，漏氣孔變大，氣壓迅速升高，引起真空連鎖，報錯顯示為Item 241 10-5trp T或者Item 239 10-4trp T，靶端氣壓如果持續(xù)升高，將拖累槍端真空并報錯。此時可以確定是波紋管問題，應(yīng)作更換處理。

1.5 飛行管（靶和窗）故障判斷

飛行管靠近靶端離子泵也影響靶端真空。高能電子長期轟擊鎢靶后出現(xiàn)砂眼或者裂縫引起微漏，束流打偏的時候更容易出現(xiàn)故障。其發(fā)生故障時，靶端真空偏低且慢慢變差，Item 228 Vac Tar值漸漸升高，但一般不會短時間內(nèi)觸發(fā)真空聯(lián)鎖。出束時候由于熱脹冷縮，靶端真空可變好，Item 228 Vac Tar值減少，出束停止后靶冷卻，真空變差，Item 228 Vac Tar值上升。維修中拆除大機頭相關(guān)部件后，在靶或窗處涂抹丙酮，能觀察到真空明顯變差。對于微漏，可以清潔干凈故障表面后用真空硅脂均勻涂抹堵漏以做應(yīng)急處理。徹底解決則需更換飛行管。

1.6 離子泵、離子泵電源、監(jiān)測回路的故障判斷

（1）離子泵工作原理

維持醫(yī)科達(dá)直線加速器真空的是兩個二級濺射式離子泵。簡單來說，它由兩個鈦陰極板、陽極筒和兩塊永久磁鐵組成。兩個鈦陰極板平行放置并接地，陽極由許多潘寧陽極筒組成，獨立存在于兩個鈦陰極板中間，陽極筒的軸向與鈦板平面垂直。永久磁鐵和鈦板平行，磁力線與陽極筒的軸向平行，當(dāng)離子泵工作時候，離子泵電源輸出5.0 kV左右高壓到陽極，系統(tǒng)中自由電子在電磁場作用下做高速螺旋運動，并和空腔里氣體分子碰撞，再經(jīng)過電離、掩埋、吸附、俘獲吸收等作用建成一個高真空的環(huán)境。

（2）離子泵性能分析

為了更好維修維護(hù)真空系統(tǒng)，需要了解離子泵的性能。HABLANIAN等[4]對離子泵的抽速與壓強關(guān)系做了大量研究，分析其研究成果發(fā)現(xiàn)離子泵在壓強10-6torr（1 torr=133.322 Pa）附近抽速最大，并隨著壓強的增大或者降低慢慢減少。壓強增大時，放電電流大，離子泵內(nèi)阻增高，導(dǎo)致實際加在陽極的電壓降低。同時陽極和陰極之間電荷過多，空間電位降低，空氣分子電離后能量降低，轟擊陰極鈦板后產(chǎn)生鈦膜產(chǎn)額減少，降低抽速。當(dāng)氣壓大于10-3torr時，電流急劇增大，離子泵電源過載保護(hù)，輸出終止。而當(dāng)氣壓低于10-7torr時，離子泵內(nèi)分子少，產(chǎn)生電子也就少，潘寧放電減弱，抽速也迅速降低[5]。為有效利用離子泵，需在啟動離子泵前就初步建立一個良好真空環(huán)境。一般情況下，用專業(yè)前級渦輪分子泵把真空系統(tǒng)氣壓維持在10-4torr或者更優(yōu)水平，再啟動離子泵，可讓離子泵處于良好真空范圍內(nèi)啟動，離子泵啟動前系統(tǒng)真空越好，真空重建越快，離子泵使用壽命也會相對越長。

（3）離子泵故障判斷方法

一般用交換和實測分析。①交換方法一般用于其中一個通道真空正常。交換的原理是由于兩個離子泵與電源獨立的兩個高壓輸出一一對應(yīng)。交換離子泵的輸出后，如果槍靶真空報錯調(diào)換，考慮離子泵問題；而若報錯仍與原來一致，則一般考慮離子泵電源問題[6]。②實測主要用于對真空電源和監(jiān)測電路有疑問時候采用。比較安全的方法就是利用機器自帶的RS232串口線連接電腦的超級終端軟件和電源的串口，可以實時監(jiān)測離子泵的工作狀態(tài)以及真空值。依據(jù)顯示結(jié)果，對比離子泵出廠參數(shù)，可判斷電源、監(jiān)測回路是否正常。偶爾會出現(xiàn)電流值和實際真空不匹配的情況，一般來說電流會偏大，主要是因為隨著離子泵長期被粒子轟擊后內(nèi)部會出現(xiàn)金屬碎片所至。這些碎片在離子泵工作時會引起放電，導(dǎo)致電流變大，有時甚至?xí)痣娫摧敵鲭妷杭眲∽冃。踔粮邏罕Ｗo(hù)。遇到這種情況，可以采用“Hi-potting”方法進(jìn)行處理[7]，即高真空前提下，在離子泵上的輸入端接入一個20 kV的瞬間高壓，可以進(jìn)行有效清除。通過如此操作可以適當(dāng)改善離子泵性能并延長其使用壽命，但非專業(yè)工程師要慎用此操作。

（4）臨床使用中離子泵常見異常現(xiàn)象分析

離子泵使用幾年后，日常中會出現(xiàn)治療過程中真空突然下降，并報錯Item 238 10-4trp G，Item 239 10-4trp T，Item 240 10-5trp G或Item 241 10-5trp T，并Item227/228的值越來越大。為防止離子泵長期在差真空環(huán)境中工作而影響離子泵性能和使用壽命，如果幾分鐘內(nèi)真空無好轉(zhuǎn)，應(yīng)關(guān)閉離子泵電源十幾分鐘到半小時不等，然后再次重啟離子泵，真空可能恢復(fù)正常，也可能需要外接分子泵進(jìn)行進(jìn)一步處理才能恢復(fù)。這故障現(xiàn)象涉及到真空領(lǐng)域的一個現(xiàn)象是 “氬的不穩(wěn)定性”（Argon instability）[4]。主要關(guān)于真空系統(tǒng)中的惰性氣體處理問題。惰性氣體在濺射式離子泵中主要依靠兩種方式清除，其一是惰性氣體電離后，正離子部分在電場力作用下獲得能量飛向陰極，轟擊鈦陰極板時可被中和成中性原子，有了更強的穿透力，最終植入在距離陰極表面幾個原子層厚度深度處被掩埋。第二個清除是由于高速運動的電子在電場力作用下獲得能量轟擊氣體分子，產(chǎn)生正離子，正離子在電場作用獲得能量轟擊陰極鈦板，濺射出鈦原子，鈦原子飛向陽極或者泵內(nèi)其他位置形成新鮮鈦膜，鈦膜在吸附活性氣體的同時對惰性氣體以及中性原子覆蓋掩埋。離子泵通過以上兩種方式清除系統(tǒng)中的惰性氣體。隨著離子泵的使用，陰極鈦板逐漸被侵蝕，被植入在鈦板或者掩埋在鈦膜里的惰性氣體有可能因為離子再次轟擊被釋放出來，氣壓升高系統(tǒng)報錯，這就是氬的不穩(wěn)定性。參照廠家手冊，性能相近的離子泵在氣壓不高于10-6mbar情況下，使用壽命是50 000 h[8]，也就是5.7年左右，對離子泵性能的評估時可作參考。分析不同離子泵對各種氣體抽速表發(fā)現(xiàn)，二級泵對于惰性氣體Ar的抽速相對于空氣只有1%左右[4]，所以加速器中離子泵對惰性氣體的處理能力很大部分決定了真空水平。

2 真空維護(hù)和維修總結(jié)

鑒于真空系統(tǒng)構(gòu)造特有的復(fù)雜性，總結(jié)我們在實際臨床工作中經(jīng)驗，特提出一些關(guān)于真空維護(hù)和維修建議并供同行參考。

保持真空環(huán)境的穩(wěn)定。真空系統(tǒng)是一個動態(tài)平衡系統(tǒng)，離子泵在清除系統(tǒng)內(nèi)氣體分子同時也有氣體分子經(jīng)過各種縫隙進(jìn)入系統(tǒng)。離子泵的處理氣體能力和進(jìn)入真空系統(tǒng)的氣體形成一個動態(tài)平衡，為了保持真空穩(wěn)定，所以要求離子泵24 h不間斷工作，建議選擇配置合適的UPS電源應(yīng)對偶發(fā)停電，減少離子泵在異常真空范圍工作時間，延長其使用壽命。

涉及到真空系統(tǒng)的一些維護(hù)和維修，需要破壞真空。在重建的時候，切忌急于求成，真空重建是一個慢工出細(xì)活的過程，重建過程越仔細(xì)，故障越少，相關(guān)元器件壽命更長。通常我們在重建真空過程中需要嚴(yán)格控制機房溫濕度（濕度太高，環(huán)境水蒸氣多；濕度太低，環(huán)境容易起揚塵）、選取高純度氮氣、清潔好每件工具。離子泵上電之前保證分子泵抽足夠時間（6～8 h），嚴(yán)格按照廠家手冊要求更換損耗件如密封圈。特別是從事需要定期更換的電子槍燈絲工作時，一個科學(xué)的操作流程能讓工作更加順暢[9-10]。同時為了真空更快恢復(fù)穩(wěn)定，燈絲排氣時還可通過改變磁控管微波輸出頻率和相位，讓微波轟擊腔壁不同部位，加速氣體分子的排除。同時為了延長元器件使用壽命和保證機器輸出劑量的精確性，在燈絲排氣過程中，建議真空值不要高于-5.6；在AFC和Gun servo調(diào)節(jié)過程中，要求真空值要穩(wěn)定在-6.0以下，真空不穩(wěn)會導(dǎo)致輸出劑量不穩(wěn)定。

表1 各種離子泵對不同氣體抽速表Tab.1 Pumping rate of various ionic pumps for different gases

關(guān)于真空系統(tǒng)的烘烤（Baking）。為了延長離子泵使用壽命以及提高真空水平，通常會對離子泵進(jìn)行烘烤，以求更快去除系統(tǒng)中的惰性氣體和極性水分子。盡管我們從表1中得到水分子在離子泵中抽速和氮氣無差異，但由于水分子為極性分子，粘性大，不易被排除。在高真空（10-3torr～10-8torr）環(huán)境下，真空系統(tǒng)中氣體的70%～90%都是水分子[11]。無烘烤情況下，PAL等[12]研究表明離子泵排除系統(tǒng)內(nèi)一定水達(dá)到一個相對穩(wěn)定水平需要超過30個小時。祁增凌等[13]在實際維修中也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在一定水分子情況下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要近2天時間。同時PARK等[14]研究表明，烘烤對真空水平提高以及速度提高有顯著作用。醫(yī)科達(dá)直線加速器使用的離子泵，在不帶磁體情況下，可以耐受350oC高溫[8]，但是實際情況中，須考慮系統(tǒng)安全，密封圈的特性，一般要適當(dāng)降低烘烤溫度，延長烘烤時間。加速器系統(tǒng)可以通過設(shè)置水溫報警上限，提高系統(tǒng)溫度來適當(dāng)增加水分子排氣速度。對裸露真空管道以及去磁體的離子泵，建議烘烤時溫度不超過120oC。

及時更換故障元器件，不帶病運行機器。真空系統(tǒng)關(guān)系到電子運輸與劑量輸出。同時其組成的各種配件價格昂貴，真空系統(tǒng)內(nèi)部相通，只有及時處理故障才不會拖累整個機器系統(tǒng)，避免帶來更嚴(yán)重后果。

每日記錄Item 227 Vac Gun和Item 228 Vac Tar值。真空系統(tǒng)故障很多情況下都是在緩慢變壞的過程，并且不會馬上報錯。建議做到每日記錄上述兩個數(shù)值，分析其運行趨勢，在沒有出嚴(yán)重后果前早日發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。