兩種加速器高壓系統的比較與維修探討

王緒剛，于曉君，魏緒國

聊城市人民醫院 放療科，山東 聊城 252000

引言

近年來，我國的腫瘤發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行放射治療[1]，而醫用電子直線加速器是尤其常用的放射治療設備[2]。目前，國內醫用電子直線加速器市場主要依賴進口，國產品牌占據市場份額較小，各類大中型醫院使用的加速器主要是由瑞典醫科達（Elekta）和美國瓦里安（Varian）公司生產或提供[3]。Elekta Precise（簡稱EP機）精確治療系統是世界上最成熟的數字化直線加速器平臺，Varian Trilogy（簡稱VT機）是影像引導放射治療高級多功能直線加速器，兩種加速器可實現多種放射治療技術及高級臨床應用，如調強放療技術和容積調強弧形治療技術。雖然進口加速器質量好、功能多，但設備昂貴，后期維護費用高[4]。我院EP機和VT機分別于2006年和2014年投入使用，自主維修情況下每臺設備每年維護費用平均二十多萬元。其中，高壓脈沖調制器系統結構復雜，故障率高，對擁有兩種加速器的醫院，同時展開兩種加速器高壓系統的維護工作難度較大，有必要對其系統性維護工作展開研究。在當前研究中，有一些關于瓦里安加速器HVOC連鎖[5]、MOD連鎖[6]、UDRS連鎖[7-8]、閘流管相關電路[9-10]高壓故障，以及醫科達加速器GTO O/L連鎖[11-12]、Reverse Diode O/L連鎖[13-14]、600 V電源相關電路[15]、閘流管相關電路[16-17]等高壓故障處理相關的文章，但并未有關于兩種加速器高壓系統的原理和維修的比較類研究。為便于擁有兩種加速器的醫院工程師快速對兩種高壓系統的原理和維修提高認知，提高維修效率，減少維護的時間成本，本文對兩種加速器的高壓系統部分的結構和原理進行比較，并就相關高壓故障進行維修探討和舉例分析。

1 兩種高壓系統的結構和工作原理

1.1 VT機

VT機型是駐波加速器，為“支臂型”結構[18]，其高壓調制器需獨立安裝，與加速器的Stand固定機架和旋轉機架Gantry分開設置。VT機高壓系統原理圖如圖1所示。380 V交流電經高壓變壓器升壓、高壓整流和濾波后變為11 kV（A模式）或13 kV（B模式）的高壓直流高壓電源（High Voltage Power Supply，HVPS），此直流電經充電電感L和充電二極管CR給脈沖形成網絡（Pulse Forming Network，PFN）（特征阻抗Ro=12.5 Ω）充電，通過低Q電路來控制PFN上的實際電壓值22 kV（A模式）或26 kV（B模式），在此過程中主閘流管處于截止狀態。當充電完畢后，主閘流管導通，PFN中的電能經主閘流管、高壓電纜、脈沖變壓器（繞組比1:11）初級放電，再經脈沖變壓器升壓后在次級產生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管陰極和電子槍陰極，使速調管和電子槍工作。

圖1 Trilogy 高壓系統原理圖

其中，HVPS、L、CR、閘流管和PFN在獨立調制柜內，脈沖變壓器在Stand內。調制器內的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系統等。

1.2 EP機

EP機型是行波加速器，為“滾筒型”結構[18]，其高壓脈沖調制器為機載式，可以與整個旋轉機架安裝到一起。EP機高壓系統原理圖如圖2所示。充電時，380 V交流電經整流濾波后可獲得600 V直流電源，脈沖控制電路控制開關管TR1和TR2導通，充電變壓器中積累磁場能量，當達到所需能量時，控制電路控制TR1、TR2關閉，充電變壓器通過CR向PFN（特征阻抗Ro=8 Ω）充電。通過控制充電次數，可以使PFN上的所充實際電壓值達到14 kV（低能，充電一次）或19 kV（高能，充電兩次），在此過程中主閘流管處于截止狀態。當PFN達到了設定的電壓之后，脈沖控制電路控制閘流管導通，儲存在PFN中的電能經閘流管、脈沖變壓器（繞組比1：5.3）初級放電，再經脈沖變壓器升壓后在次級產生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生微波，一路加在電子槍陰極使之產生電子。

圖2 Precise高壓系統原理圖

其中，600 V直流電源、充電變壓器、CR在17區HT PSU內，閘流管、PFN和脈沖變壓器在30區調制器內。HT PSU和調制器之間通過高壓電纜連接。此外，高壓系統基本控制電路包括緩沖保護電路、充電抑制電路、高壓超載監控電路、PFN電壓監視電路和反向超載監測電路。

2 兩種高壓系統的比較

2.1 結構和原理比較

由第一部分得知，兩種機型高壓系統主要區別在充電部分，CR后的部分區別不大。VT機型采用三相升壓變壓器對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機型采用充電變壓器取代了VT機的充電電感，對市電先整流濾波為600 V直流電后再通過充電變壓器升壓，脈沖控制電路控制開關管TR1和TR2的導通時間，進而控制PFN的充電電壓。其中，VT機充電電感的作用是在充放電過程中進行限流，EP機充電變壓器的作用是升壓和電源隔離。

2.2 維修比較

放電過程由于脈沖變壓器故障或微波源打火等原因導致發生阻抗負失配，會出現反向電流，VT機和EP機分別報Mod和Reverse Diode O/L連鎖；當放電過程發生阻抗正失配，或者充電過程因阻抗降低或負載短路等原因發生超負荷電流，VT機和EP機分別報HVOC和HT O/L連鎖。

查閱相關文獻發現對兩種加速器高壓系統的維修，VT機主要針對MOD和HVOC連鎖的處理，應首先判斷是不是信號檢測電路的故障，可以通過在服務模式看是否能清除連鎖判斷，如果不能清除連鎖說明檢測電路有故障，可以采用分段切割假負載法和代換法[19-20]快速定位故障，針對UDR1、UDR2或UDRS連鎖的高壓故障優先排查機器工作溫度和濕度、主閘流管和DeQing（D-Q）管、電纜接頭和各類工作開關狀態[21]。EP機當有高壓連鎖提示和明顯的故障現象時，可以查看相應故障的Item和part值，結合維修手冊的高壓故障處理流程進行分析，快速定位故障；而沒有高壓故障現象和連鎖提示時可以使用關鍵點檢測法并結合高壓故障處理流程快速定位故障。用示波器或萬用表檢測關鍵點的波形或電壓從而判斷故障點的方法對EP機和VT機同樣適用，關鍵點主要有HVPS電壓或電流、PFN電壓、閘流管電壓、微波源電流等。

我院VT機使用7年，高壓故障主要集中在獨立調制器內的主閘流管和D-Q管及其控制電路；EP機近幾年高壓故障主要出現在600 V電源以及之前的供電電路、閘流管及其控制電路、信號檢測光纜故障。總結兩種機型高壓故障，見表1。下面具體介紹VT機和EP機各一例高壓故障。

表1 兩種機型高壓故障總結

3 故障現象、分析與處理

3.1 VT機故障案例

3.1.1 故障現象

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

3.1.2 故障分析與處理

UDR1、UDR2連鎖是因為不出束或劑量率低引起。9 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，沒有D-Q調整。查看機器參數，9 MeV和6 MV的HVPS I數值正常時分別為9.73和18.54，此時為10.5和20.1，PFN V數值正常時為45和42，此時為48和45，出故障時PFN和HVPS I數值都偏高。因此懷疑D-Q閘流管或柵極控制板故障。打開調制器柜蓋板，不出束時觀察D-Q閘流管燈絲亮，但出束時沒有變更亮，說明出束時無導通，測管燈絲電壓為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閘流管燈絲電壓來源路徑是XFMR ASSY #2的T4變壓器次級X1（正常電壓118 Vac）→P11-7→輔助電源分配電路板插座J11-7腳→空氣開關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自T4變壓器，T4是磁飽和變壓器，次級繞組接有1個10 μF的諧振電容器C1，C1損壞會導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。因此推測與變壓器T4次級并聯的電容C1損壞，實測容量為0.1 nF，C1確實損壞，更換C1后實測管燈絲電壓為6.3 V恢復正常，但依然不出束。接著，用示波器測量出D-Q閘流管柵極控制板觸發信號正常，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閘流管依然可以點亮，但電壓降低會影響閘流管壽命，而D-Q閘流管損壞是導致此次故障的直接原因。D-Q管損壞即D-Q電路失效，導致PFN的電壓變高，加速管微波輸入功率發生變化，最后導致加速器不能正常輸出相應能量和劑量率。

3.2 EP機故障案例

3.2.1 故障現象

按下“Start”鍵后不出束，10 s后報dose rate error。

3.2.2 故障分析與處理

查看自動頻率控制的Item 232 Phase leg1和Item 233 Phase leg2在出故障時為無，說明沒有微波輸出值。故障在磁控管之前的高壓電路，例如閘流管無觸發、PFN無電壓、充電變壓器無輸出等。查看維修手冊，遵循高壓故障處理流程進行檢修。

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

（2）PFN在6 MV和10 MV能量均不能出束。閘流管TV正常時波形如圖4所示，用示波器查看控制室維修面板的TV測試點無此波形，說明閘流管柵極無觸發，PFN不能有效放電。這種情況應該首先檢查控制閘流管觸發脈沖的光纜。

圖4 閘流管TV正常時波形

（3）進機房轉動機架后，查看該光纜通訊，將控制閘流管驅動脈沖的光纜OPTO 1拔下，肉眼能看到亮光，說明有信號，然后將OPTO 1和控制調制器溫度的光纜OPTO 2（出故障會報HT Bellows連鎖）對調，也沒有立刻出現HT Bellows連鎖。將光纜緊固后再次出束，恢復正常。

（4）正常治療一段時間后又報HT Bellows連鎖，因此判斷OPTO 1光纜出現問題，可能是因為光纜老化導致傳輸光亮度不夠。因為已經沒有備用光纜，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，閘流管脈沖驅動信號走向為PPG→HTCA Optical Receiver的OPTO 1→Modulator Isolation PCB的OPTO 1→Thyratron Pulser Unit→Thyratron。OPTO 1光纜損壞時沒有高壓故障提示。本案例中高能和低能X射線均不能出束，測閘流管觸發脈沖為無，應首先查看OPTO 1光纜，當肉眼無法分辨光亮度強弱時，可以用光纜交換法排查。

4 討論與總結

關于醫科達和瓦里安加速器各自的高壓系統原理和維修類文章很多，卻沒有兩種加速器高壓系統的總結比較類文章。本文前兩部分對兩種機型高壓系統結構原理、相關文獻的維修經驗和方法進行介紹與對比，對我院兩種機型出現的高壓故障做了總結。VT機的分段切割假負載法和代換法、EP機的關鍵點檢測方法都是提高維修效率的方法，有時結合高壓故障現象，按照維修手冊的故障處理流程進行故障分析與處理會更快速。對比顯示，EP機較VT機高壓故障現象更多，可能跟EP機使用年限過長有關。

本文第三部分詳細介紹了我院VT機和EP機各一例高壓故障，都與閘流管有關。案例一的提出是為了說明在兩種機器的使用過程中閘流管及其控制電路故障率較高，尤其是VT機。統計顯示，我院VT機使用7年，故障都出現在閘流管，2014年4月至2020年2月，4個主閘流管總共使用了2639個高壓小時，2014年4月至2019年10月，2個D-Q閘流管使用了2451個高壓小時。單個主閘流管使用時間最長1031個高壓小時，最短423個高壓小時，閘流管質量差別較大，建議在更換瓦里安閘流管時一定要購買原廠件，不要購買第三方產品。相比之下，EP機的閘流管更耐用，2014年3月至2021年7月只更換了一個主閘流管。案例二的提出是為了說明對于EP機，當遇到某些無高壓連鎖故障時，遵循維修手冊的高壓故障處理流程可更快速定位并排除故障。

加速器高壓系統故障復雜，本文只是針對兩種機型高壓系統做了結構和原理對比，對我院加速器高壓故障的情況做了對比研究，研究不夠全面。在下一步的工作中，應該針對更多醫院的加速器使用情況進行對比和統計分析并開展針對兩種機型高壓系統的預防性維修的研究和對比。

綜上所述，本文對比和探討兩種加速器的高壓系統結構原理、故障維修方法，詳細介紹了兩個高壓故障維修案例，期望本研究可使工程師在同時面對兩種機型加速器的維修時，對兩種機型高壓系統的認知更全面具體，對相關高壓故障的維修處理更高效。