TomoTherapy HD 放射治療系統的溫度控制系統工作原理及故障分析

王倩倩，段詩苗（通信作者），崔宏偉

蚌埠醫學院第一附屬醫院放療科 （安徽蚌埠 233000）

TomoTherapy HD 放射治療系統的產熱部件包括加速管、磁控管、固態調制器、高壓電源、微波循環控制器等[1-2]。這些部件只有在恒溫條件下才能保證穩定工作。因此，溫度控制系統（themal control system ，TCS）是TomoTherapy HD 放 射 治療系統的重要組成部分，其穩定性直接影響著射頻和束流部件的壽命及整機系統的故障率。本文首先介紹TomoTherapy HD 放射治療系統的TCS 工作原理，然后對TCS 的常見故障及維修過程進行總結，以供參考。

1 TCS 工作原理

TomoTherapy HD放射治療系統的TCS是1個獨立的閉環式水溫和水流調節控制系統[2]，通過平衡3個環路中兩個環路的水流量，將水溫維持在（40±2）℃[3]。該循環水主要用于冷卻設備的射頻和束流系統，整個TCS通過帶有用戶界面顯示的可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）來進行控制。TCS水循環示意圖見圖1。

圖1 TCS 水循環示意圖

如圖1所示，主環路的作用是加熱循環水并供給設備預熱各個部件；機架前面的回水通過回水閥進入機架背后的TCS，如果水溫低于40 ℃的設定值，水會通過混合水箱并被加熱；TCS 的PLC 單獨控制混合水箱中的3個加熱器來調節水溫；調節后的水通過水泵和凈水回路經供水閥再回到機架前面。次環路的作用是通過5個熱交換器降低過高的水溫，以及通過去離子和微粒過濾器凈化水質；如果回水溫度高于40 ℃的設定值，PLC 將控制次環路混合閥的打開，同時根據需要控制熱交換器風扇的運行；進入該循環的水流經熱交換器被降溫后進入混合水箱，然后再次進入主環路。主環路的部分水被分流到凈水環路，1個由電阻率監測器控制的三通閥根據需要將水送入去離子過濾器和碎片過濾器；從凈水環路出來的水被送回混合水箱，再被引入主環路。

TCS 聯鎖電路圖見圖2。機架前端有7個流量計：Linac Target，Linac Supply，Linac Window，Magnetron，Four-Port Circulator，SSM 和HVPS[4]。這7個流量計位于回水合成器上，監測每個支路回路水流的流量。如果支路水流流量低于其規定的流速，對應的流量計LED燈顯示紅色并觸發24 VDC 電路聯鎖，通過D3進入K2接觸器線圈的24 VDC 被移除，K2接觸器斷開，水泵電源被切斷，水循環終止。1個固定時間為800 ms 的延時繼電器被用來提供保護，以防止水流的瞬間下降。水流和壓力聯鎖的瞬間下降可能會產生系統中斷，而不一定會產生水流和壓力聯鎖。這些瞬間的下降可能是由于通過流量計的水流的流量剛剛達到閾值而造成的，經過流量計的水路中的氣泡或聯鎖電路上的電氣干擾噪聲等均可能導致以上瞬間下降。當800 ms 的延時確實超時時，延時繼電器在10 s 內不能被重新觸發，這就提供了必要的 “鎖定”，使系統不至于進入過壓震蕩狀態，因此系統有足夠多的時間防止水流和壓力聯鎖的瞬間下降。同時，主電氣方面的干擾波動也將被這800 ms 的延遲時間所掩蓋。

圖2 TCS 聯鎖電路圖

2 TCS 常見故障及維修

2.1 故障一

2.1.1 故障現象

設備開啟時，TCS 水泵正常啟動，但5 s 后又自動關閉，操作系統彈出報錯“Gun Board Logic Error, Water Flow Fault”。

2.1.2 故障分析

根據圖2 所示，設備正常啟動時，主供電電源加到TCS 上。K3 延時繼電器吸合，此時TCS 的監測將空閑5 s，24 VDC 通過D1 到達K2 線圈，K2 接觸器吸合，在K3 延時繼電器的作用下，允許PLC 和TCS 的其他組件完全啟動，PLC 命令水泵打開，水泵在2 s 內啟動至全速。5 s 后，TCS 的PLC開始監測來自機架前端的流量/壓力“OK”聯鎖信號狀態。如果流量/壓力“OK”聯鎖信號“確定”（高電平）且泵的供應流量≥13.8 GPM，流量狀態輸出被設置為24 VDC 高電平，通過D3 繼續供給K2 線圈并保持K2 接觸器吸合，那么TCS 水泵將持續運行。如果流量/壓力“OK”聯鎖信號 “不確定”（低電平）超過800 ms，或者水泵的供應流量＜13.8 GPM，K2 線圈失電斷開，此時TCS 進入“流量故障狀態”，TCS 水泵、混合水箱的3 個加熱線圈以及所有熱交換器的散熱風扇被立即關閉，流量狀態輸出保持0 VDC（低電平）。

2.1.3 故障維修

首先，確認管道和過濾器中是否有氣泡，如有，則重新對水循環系統進行排氣泡；然后，將TCS控制面板的切換開關從“NOMINAL”模式切換到“SERVICE”模式，長按綠色“START”按鈕并保持5 s，水流流量聯鎖被屏蔽[4]，此時水泵將持續運行，檢查各個流量計，確保所有流量計的LED燈均是綠色的，如顯示紅色，則調整對應支路流量的開關閥門直至所有流量計LED燈變綠色；最后，測量并確認總供水壓力的反饋值是否為35～40 mV，如果不在此區間，水壓過高可以通過放水減壓，水壓過低可以通過重做水循環適當增壓。

2.2 故障二

2.2.1 故障現象

系統正常啟動后，水溫的加熱時間很長或者根本不加熱。

2.2.2 故障分析

如圖3 所示，TCS 的水溫由混合水箱中的3 個2 kW 的浸入式加熱線圈加熱產生，這3個加熱線圈由PLC 根據水溫單獨進行控制。水溫的加熱時間很長或者根本不加熱，首先考慮加熱線圈供電電壓是否正常。供電電壓如果正常，3個加熱線圈中是否有故障不工作的，檢查3個加熱線圈電阻阻值是否有開路現象。

圖3 混合水箱加熱線圈

2.2.3 故障維修

首先，檢查加熱器端子上的輸入電壓（235 VAC +/- 10）是否正常，加熱器的保險絲是否損壞，如有損壞需更換相同規格的保險絲；然后，檢查加熱器電阻絲是否處于開路狀態，斷開加熱器的連接線，分別對3個加熱器電阻絲進行電阻測試，檢測其是否為30 Ω 左右，如果不是，需更換對應的加熱器電阻絲；最后，檢查混合閥閥門，確保其在冷啟動時是完全關閉的。

2.3 故障三

2.3.1 故障現象

電阻率控制器亮紅燈，顯示高電阻率故障。

2.3.2 故障分析

凈水環路由1個去離子過濾器和1個顆粒過濾器組成，用于過濾整個系統的部分主要水流。通過凈水回路的流量被限制在0.5 GPM。1個由電阻率控制器控制的三通閥控制流經過濾器的水的流量。如果電阻率很低，那么水就會通過過濾器；如果電阻率達到或超過設定點，水就會繞過過濾器。如圖4所示，電阻率控制器根據電阻率傳感器監測到的實際電阻率值與設定值作對比，選擇性打開或關閉電阻率三通閥。電阻率值以數字形式顯示在控制器上：大于或等于1 MΩ·cm，控制器LED 亮綠燈，表示電阻率可以接受，電阻率三通閥關閉，凈水環路被旁路；小于1 MΩ·cm，控制器LED 亮紅燈，表示低電阻率，電阻率三通閥打開，凈水環路被啟用；大于7 MΩ·cm，控制器LED 亮紅燈，表明高電阻率，TCS 控制面板將顯示高電阻率故障。能：設備冷啟動時為系統升溫，預熱射頻和高壓束線系統，讓設備快速進入就緒狀態；設備運行溫度過高時，快速散熱降溫以保護系統各個重要部件。在日常使用過程中，工作人員應注意記錄和觀察總水壓和各支路水流的流量，遇到總水壓過高、過低或支路水流流量接近聯鎖臨界值時，提前進行預處理以降低聯鎖方面的故障率；定期保養、更換去離子水和水循環中過濾器濾芯可降低水質方面的故障率。

圖4 凈水環路

2.3.3 故障維修

高電阻率不僅會降低過濾器介質的壽命，還會加速腐蝕TCS 的金屬部件[2]，TCS 的故障率也會隨之增加。因此，需及時更換去離子過濾器濾芯，更換TCS 內的廢循環去離子水。

3 小結

TCS 是1個獨立的溫控水系統，整個系統通過帶有用戶界面顯示的PLC 進行控制，具有以下功