醫用回旋加速器的射頻系統故障分析與檢修

戴紅峰

（福建省立醫院PET-CT 中心，福建福州 350001）

0 引言

RF（Radio Frequency，射頻）系統是回旋加速器的核心系統之一，為回旋加速器束流提供高頻振蕩的加速高電壓，使束流中的離子每次通過DEE 電極給予一次能量躍沖，同時還具有從離子源中拉出離子的功能。回旋加速器的RF 系統主要包括發射端（產生穩定RF 信號的高頻發生器）、傳輸通道（傳輸RF 信號與接收反饋信號的饋通電纜）和接收端（接收高頻高電壓的諧振腔）[1-2]。本文以MINItrace 型回旋加速器為例，分析工作中遇到的3 例RF 系統故障，供維修人員參考。

1 故障一

1.1 故障現象

正常情況下，在主控工作站master 上點擊start up，磁場電流停留在150 A 持續1 min 左右，之后會下降至132 A 左右。故障發生時，磁場電流加載到110 A 左右時，Event log 窗口突然提示“Fault in RF system，can not set standby mode”，磁場電流能繼續加載升高至150 A，停在150 A 不再變化，在status窗口顯示“undefined”。然后點擊“shut down”，當磁場電流為0后，再點擊“start up”恢復正常。發生該故障幾周后，磁場電流也是加載到110 A 左右，Event log 窗口還是提示上面的錯誤，RFPG 柜上顯示屏提示airflow 故障，在master 上“shut down”后，再“start up”又恢復正常。此故障不定期出現，“shut down”后再“start up”均可恢復正常，在MSS 操控系統上的RF 系統界面內提示“TAU airflow”故障。

1.2 故障分析與檢修

根據上述所提示的故障信息，考慮故障很可能來自射頻系統功率放大器的氣流部分。打開RFPG 柜的TAU 蓋板，可以看到ATU 氣流壓強感應器（圖1），其指示壓強為265 Pa。將筆記本電腦連到GCU 的MSS 接口上，打開MSS，進入磁場界面開啟磁場系統，將磁場電流設置為平時運行時的電流值131 A，待磁場電流值到達該設置值后，用一字螺絲刀旋轉氣流壓強感應器中間的一字孔，將氣流壓強調高至300 Pa，在RF 系統界面State and mode 欄中點擊“standby”，RF status 欄還是報“TAU airflow”故障。在State and mode 欄中點擊“off”，關掉RF 系統，將氣流壓強調低至200 Pa，重新點擊“standby”，RF 系統正常進入standby 狀態。關掉RF 系統standby 狀態，再將氣流壓強調至250 Pa，RF 正常進入standby 狀態。之后關掉RF 系統，再將氣流壓強調至300 Pa，反復加載standy 狀態，均報“TAU airflow”故障。氣流壓強調至250 Pa，加載standy 狀態馬上正常，反復加載該狀態試均正常，最后將氣流壓強感應器壓強定在250 Pa。經過幾個月運行，再未出現該故障。

圖1 ATU 氣流壓強感應器

2 故障二

2.1 故障現象

加速器遠程監測系統發短信通知：真空系統異常關閉。

2.2 故障分析與檢修

造成真空系統異常關閉的常見原因有：①真空系統本身故障；②停電；③壓縮空氣供給系統故障；④一級水冷系統故障；⑤二級水冷系統故障。檢查發現，加速器支持柜上二級水冷系統提示低水位故障，該水冷系統膨脹罐的透明水管水位已觀察不到，由此判斷二級水冷系統漏水，且漏水量較大，系統自保聯鎖反應關閉真空系統[3]。加速器主機周圍地面及屏蔽內側地面未發現明顯水跡，可以斷定是設備間設備柜處漏水。設備柜的主控柜和射頻發生柜都需要水冷，主控柜需要水冷的部位是磁場電源（PSMC），射頻發生柜（RFPG）有3 處需要水冷，分別是：①空氣冷卻器（air cooler）；②驅動功率放大器組件（DPA ASSY）；③功率放大管（Tube）。

檢查發現主控制柜處未漏水，而在射頻發生柜（RFPG）底部邊緣的地面有明顯水跡。因此，拉下配電箱的RFPG 總開關，再將主控柜處的RFPG 斷路器關閉。打開RFPG 柜的TAU 處蓋板，可以看到空氣冷卻器air cooler（圖2），其已內漏且水滴在air cooler 下方的兩個電源及DPA ASSY 上面，而且已流到最下層功率放大器陽極供電部分（TPSU）。打開TPSU 的蓋板，發現其斷路器周圍已遍布水珠，射頻發生柜內部地面有大量積水。

圖2 空氣冷卻器air cooler

用干毛巾先將air cooler下方的電源、DPA ASSY 和TPSU 以及地面等處的可見水跡擦拭吸干，之后在有電路板的器件蓋上干毛巾，以防再有水滴落。拆卸air cooler 時，在擰開air cooler 的進出水管接頭前，需在進出水管擰開接頭下方覆蓋干毛巾，再將air cooler 進出水管的接頭用干毛巾包裹住。接下來，卸下air cooler 水管接頭端后側固定的2 個螺栓，連同固定螺栓板一起卸下，否則air cooler 不能取出。然后再卸下水管接口處的6 個固定螺栓，取出時一定要將水管接頭處抬高，以免有水流出。取出air cooler 后，用吹風機將不能擦到的地方吹干，要特別注意吹風機的熱風溫度不可太高，時間也不可太久，以免影響電子器件的性能和壽命。將室內的除濕機除濕度調低，空調設為除濕功能，再用電風扇對著敞開的RFPG 柜吹12 h。

新的air cooler 安裝好后，要在其下方有電路板的器件上蓋上干毛巾，防止補水時漏水。對二級水冷系統補水時膨脹罐壓力會升高，因此應先關掉膨脹罐的壓縮空氣供給。打開該罐上端壓縮空氣閥門，將空氣排掉后才可正常補水。補水至原觀察水位位置時停止補水，之后開啟膨脹罐供氣，并關閉其上端的壓縮空氣閥門。在設備間確認air cooler 本身和接頭處不漏水后，蓋上RFPG 柜的所有蓋板，上電測試RF 系統。

3 故障三

3.1 故障現象

該故障未完全顯露時表現為：在主控工作站master 上點擊轟擊功能后，DEE 電壓不能很好地穩定在35 kV，檢測probe 上束流時，foil 本不該有束流顯示卻出現束流，有時甚至會比probe上束流還要高。在MSS 操控系統上開啟磁場系統和RF 系統，發現IS 還未開啟時，foil 上就已有束流顯示。

在故障完全顯露出來時，用主控工作站master 加載磁場，RF 系統從預熱到standby 狀態未異常報警，點擊轟擊后RF 不能很好地穩定在35 kV，DEE 電壓一直忽高忽低地變化，系統處于不能出束流的狀態。而在MSS 操控系統上測試，DEE 電壓在25 kV 才能勉強穩定。

3.2 故障分析與檢修

由于近期未進行開真空腔操作，也未發生真空卸掉的情況，因此判斷不是因真空較差或者真空腔內較臟而打火引起的DEE 電壓不穩。根據以上現象，GE 公司工程師判斷，很可能是連接DEE 極的銅板斷裂，造成DEE 電壓不穩。在加速器支持柜真空系統面板上按下“standby”，待真空腔內真空度下降到大氣壓后，打開真空腔檢查，連接DEE 極有內外2 塊連接銅板（圖3），肉眼可見內側連接銅板的方波形伸縮齒一處有明顯裂縫。外側的連接板卸下后，仔細觀察發現有些伸縮齒也存在裂紋；內側連接板卸下后，伸縮齒裂縫處基本上已完全斷開，且伸縮齒有很多處已變形貼在一起。

圖3 DEE 極連接銅板

更換2 片新DEE 極連接銅板。關閉真空腔，待真空度下降到0.5×106kPa 后，用MSS 軟件調試RF 系統。整個調試的原則是DEE 電壓從低到高緩慢提高，每次電壓值較穩定后再提高。每次DEE 電壓變化會有不同程度的打火，這是真空腔打開保養或更換部件后在高壓和高頻下腔內有殘留物引起的正常現象[4]。若有打火，此DEE 電壓的實際值會暫時小于預置值，可以看到Status欄中的Anode current limit 和Reflected voltage limit 兩個黃燈閃爍，這是系統自保的正常現象。可以先從15 kV 開始，之后按1 kV 或2 kV 的增幅逐步增加。如果打火太頻繁或者時間過長，再降回穩定值以0.1 kV 的增幅增加，或者適當延長在每個電壓值停留的時間，直至DEE 電壓升到最高35 kV 穩定為止[5-7]。

4 小結

作為回旋加速器的維修工程師，應熟悉機器的原理和結構，通過平時的維護保養工作以及定期與不定期的巡檢，及時發現潛在的故障，盡早解決隱患。通過細致入微的觀察與分析，迅速排除故障，盡快恢復設備的正常運行、縮短故障停機時間，提高加速器的開機率，保證科室正常的診查秩序[8-10]。