瓦里安医用直线加速器高压调制器原理及故障分析

Principle and Failure Analysis of Modulator of Varian Linear Accelerator

马蕾杰，孟令广，雷宏昌

河南省肿瘤医院 放疗科，河南 郑州 450003

瓦里安医用直线加速器高压调制器原理及故障分析

Principle and Failure Analysis of Modulator of Varian Linear Accelerator

马蕾杰，孟令广，雷宏昌

河南省肿瘤医院 放疗科，河南 郑州 450003

MA Lei-jie,MENG Ling-guang,LEI Hong-chang
Radiotherapy Department,Henan Provincial Tumour Hospital, Zhengzhou Henan 450003, China

本文介绍了瓦里安直线加速器调制器的结构和工作原理，并对调制器部分出现的故障做了重点分析，提出了一些解决问题的思路和方法。

直线加速器；调制器；PFN；HVPS；故障维修

1 原理阐述

医用直线加速器高压调制器用来产生具有一定波形和频率要求的高压脉冲，以驱动速调管和电子枪。各个厂家加速器设计的高压调制器原理基本相同，但细节上都有自己独特的设计思路。其中瓦里安加速器产生特定高压脉冲的过程是：首先三相电经HVPS开关CB1送至三相电源滤波器FL1，三相电经滤波器滤波处理后经K1，K2，K3，K4四个继电器送至调制器内高压变压器（High Voltage Transformer）初级，高压变压器初级绕组为△型接法接三相交流电源，次级有两个绕组，一个为△型接法，另一个为Y型接法，次级两个绕组分别经Rectifier/Filter Assembly整流后串联输出直流高压。输出的直流高压在低能模式时为11kV，高能模式为13kV。高低能模式的切换是通过对K3和K4两个继电器的控制而实现的。低能模式时继电器K3闭合，K4断开，从K2输出的三相电每相接一分压电阻送至K3，然后再送给高压变压器和整流桥进行变压整流，形成11kV低压模式；而高能模式是使K3断开，K4闭合，三相电从K2直接送往K4，然后同样送给高压变压器和整流桥进行变压整流，形成13kV高压模式。形成的直流高压电源经充电电感和充电二极管对PFN充电，充电过程中主闸流管始终截止，电能全部储存在PFN上，由高压补偿分压电路（Compensated HV Divider）对PFN上电压进行分压采样。并将采样信号送到DQ闸流管触发电路。当PFN上的电压为充电电压的两倍从而达到设置值后，采样信号送至DQ闸流管栅极触发电路形成栅极触发脉冲，启动DQ闸流管，将多余的充电电流转向隔离负载。与此同时，主闸流管获得栅极触发脉冲而导通，储存在PFN上的电能经主闸流管向脉冲变压器放电，使脉冲变压器产生高频脉冲，驱动速调管和电子枪。

2 实例分析

故障现象：各档能量均无法出束，维修模式下观察系统参数，发现PFN电压只有-1.62V，HVPS I值为0。

由于PFN V和HVPS I均无数值，首先检查是否有直流高压送至PFN上。电路流程：三相电经HVPS开关CB1→三相电过滤器FL1→H.V. CONTACTOR ASSY(即由K1，K2，K3，K4组成的开关电路)→High Voltage Transformer T1→Rectifier/Filter Assembly→PFN。

测得电源过滤器FL1输入输出电压均正常，用高压测试棒在摄像头监视下测整流桥整流后输出电压为11kV，正常。再测PFN电容C1电压，仍为11kV。正常时从整流桥输出的直流高压11kV经充电电感和充电二极管充电后应为22kV，倍压输出，才能实现阻抗匹配。现在仍为11kV，没有形成倍压。

PFN没有形成倍压，首先怀疑主闸流管工作是否有异常。这可分为主闸流管未导通和导通两种情况：① 当主闸流管不导通时，PFN不能充放电，无法形成PFN电压，但此时PFN的线圈和充电电容上也会有高压，这个高压就是电源变压整流后的一次电压，为11kV；② 主闸流管导通时也会出现无高压输出的故障，但这是因为使用时间长，消电离能力下降而导致主闸流管性能变差，这种情况一般伴随主闸流管灯丝电压高于正常值，可通过测量主闸流管灯丝电压来判断。测主闸流管灯丝电压，TP1与TP2之间为6.18VAC，正常；测Grid1电压，TP3对地电压为18.6VDC，也正常，说明主闸流管本身并无问题，故情况②可排除。由此可知，PFN没有形成倍压的原因是主闸流管未导通。

主闸流管未导通的原因有两种：① 主闸流管本身故障；② 栅极触发脉冲未形成。前面已经提到主闸流管本身并无故障，故着重检查栅极触发脉冲是否形成。主闸流管栅极脉冲形成原理如图1所示。

主闸流管栅极触发脉冲的形成过程是：正常工作时，PFN充电期间，从高压采样电阻R1（1OHM，75W）两端采样得到的HVPS I信号通过栅极脉冲板上Q4和Q1使Q2截止，禁止向C9充电和可控硅CR1触发，PFN充电完成后，HVPS I信号通过Q4和Q1使Q2导通，340VDC电压通过开关管Q2向电容C9充电，而从控制台来的MODTRIG触发脉冲由光耦U1隔离后，变成低阻抗的脉冲触发可控硅CR1，使C9所储存的电能向脉冲变压器T2放电，从而产生主闸流管栅极触发脉冲。经检查发现Thyratron Grid Control PCB内三极管Q4基极输入正常，但集电极输出状态不对，三极管Q4很可能有问题。更换Thyratron Grid Control PCB，重新开机预热出束，有束流，但剂量率很低，设定值200MU/min时，只有20左右。PFN 电压值仍为-1.62V，但HVPS有数值，为20.05。

调节AFC，剂量率无明显变化。由于维修模式下显示的PFN 电压值始终为-1.62V，故检查送至CONSOLE的PFN显示电路，信号流程为：从PFN来的高压→Compensated HV Divider→Thyratron Grid Control PCB P1-30C(TP5) ，形成DEQIN+信号，DEQIN+信号经过共模抑制放大器U3放大后分为两路，一路送到比较放大器U5，与PFN 电压设置值进行比较，如果达到设定的PFN电压，比较器输出电压翻转，通过Q5、Q7触发Q6，产生340V DQ闸流管栅极触发脉冲；另一路送至电压跟随器U4，并最终形成PFNMETER+信号送CONSOLE作PFN V数值显示，其电路图如图2所示。

图1 主闸流管栅极触发脉冲形成示意图

图 2 高压补偿电路和PFN电压信号显示电路示意图

由于PFN 电压值始终为-1.62V，检查输入端DEQIN+信号是否正常，测栅极脉冲板板上TP5（DEQIN+），出束与不出束情况下均为-7.47VDC，信号不对。但从PFN 电压确实有高压，而P1-30C处测量点却始终无变化，怀疑中间高压采样电路Compensated HV Divider PCB有问题。查图纸，PFN 高压经采样后输出电压送至电压跟随器U1-3，测U1-3，不出束时为0V，出束时从摄像头观察为5VDC，而U1-6输出端则始终为-7.47VDC。由此判定芯片U1损坏，此芯片为一电压跟随器，型号是EL2020，由于未能找到相同芯片，最终订制Compensated HV Divider PCB，更换后出束正常，PFN 电压和HVPS 电流值均恢复正常，故障解决。

3 经验总结

高压调制器相关部件是医用加速器的重要组成部分。这部分电压很高，几千伏甚至几十千伏，远远高于36V安全电压，所以在维修过程中要时刻注意安全，拆卸相关部件时注意将CROWBAR置于中间位置。应该经常观察内外循环水水压、SF6 气压、稳压器输出电压等基本参数，另外机房室内的清洁，温湿度也要保持在规定范围内，这样才能最大程度减少故障隐患。

[1] 顾本广,林郁正,等.医用直线加速器[M].北京:科学出版社,2003．

[2] 杨绍洲,陈龙华,张树军.医用电子直线加速器[M].北京:人民军医出版社,2004．

[3] 刘德庆,张佳宁.Varian 23EX 医用直线加速器高压故障1例[J].医疗设备信息,2006(3):99-100

[4] 李军.西门子MEVATRON直线加速器剂量系统故障维修[J].中国医疗器械杂志,2005(5):81-82.

TL53

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.061

1674-1633(2010)08-00134-02

2009-02-01

作者邮箱：zhizun456@163.com