瓦里安2100C加速器真空故障的分析与排除

林玉峰 张鲁闽

1 真空系统组成及工作原理简介

真空系统是医用电子直线加速器的重要组成部分，用于维持和保证加速管、电子枪等在高真空下运行，以避免加速管内因强电磁场而放电击穿， 并减少高速运动的电子与气体分子碰撞而偏离正常轨道的机会，同时防止电子枪阴极中毒或灯丝氧化[1]。瓦里安2100C加速器的真空系统主要由3个钛离子泵、泵电源和真空控制电路构成。一个20 L/S主泵用于维持加速管和偏转磁铁的真空，一个8 L/S副泵用于维持电子枪的真空（其实主泵和副泵维持的是同一个真空室的真空），一个2 L/S的泵与速调管连成一体单独用于维持速调管的真空。真空高压板为三个钛泵分别提供-5 KV、+3 KV、+3 KV的工作电压。钛泵的电流和高压大小由真空控制板来检测，用于监视真空系统的状态。当主泵电流＞350 μA、或枪泵电流＞40 μA、或速调管真空泵电流＞8 μA、或枪泵高压＜2.4 kV、或速调管真空泵高压＜2.4 kV时，出现VAC2联锁；当主泵电流＞700 μA或主泵高压＜4 kV时，出现VAC1联锁。而且为了保护钛泵，VAC1联锁持续90 s后将通过继电器K6切断枪泵电源；当主泵电流＞20 mA，持续10 s后将通过K5继电器切断主泵电源。

2 故障现象

一段时间以来，加速管的真空电流值增大为40 μA左右（正常时，应是10 μA以内），偶尔还出现电流值在40～100 μA间不断地跳跃，时间长达1～2 min不等，然后又慢慢地稳定于40 μA左右，但枪和速调管的真空电流保持不变，都是0 μA，机器还能维持正常工作。有一天在治疗中途突然出现VAC2、VAC1联锁，真空电源盒上主泵电流指示值最高升至1100 μA（维修模式中ACL VAC值指示为99.9），主泵高压降到3.58 KV，枪泵高压被切断，机器回到STANDBY状态，然后真空电流又呈上下跳跃式地缓慢下降，数小时后恢复到40 μA左右，主泵高压也慢慢上升恢复到正常，机器又能工作。说明机器存在很大隐患，需要立即加以维修。

3 故障分析与排查

加速管真空故障的可能原因一般有真空高压电源故障、真空控制电路故障、真空部件泄漏和钛离子泵本身性能下降或损坏。根据故障现象可以知道，故障发生的部位应在加速管部分，与速调管无关。加速管的真空电流稳定时已经达到几十μA，似乎真空部件的微漏或离子泵性能下降的可能性较大[2]，但又无法解释主泵真空电流有时发生跳跃式的变化以及突然出现飙升后又能慢慢下降稳定于40 μA左右的现象。所以我们刚开始觉得有可能多种故障原因并存，需要以真空度降低的现象为基础进行全面的排查：

3.1 真空电源的排查

当真空电流稳定于40 μA左右时，用带高压测试棒的万用表测量3个离子泵的高压供电。测量结果分别是：主泵-5.1 KV、枪泵+3.4 KV、速调管泵+3.4 KV，都在正常范围，可以排除真空高压电源的问题。

3.2 真空控制电路的排查

当出现VAC1联锁，主泵电流突然飙升到1100 μA后，用手触摸主泵的外壳，发现外壳温度偏高（正常情况下，离子泵的壳体温度与室温基本一致），说明离子泵的负载增大，与其真空电流升高、泵的高压下降的表现是一致的。再取掉主泵的高压接头，真空电流变为0 μA。由此可以判定真空监测控制电路也不存在问题。但有时发生真空电流值的跳跃现象，或许控制电路工作不稳定？为了排除这种原因，我们换上了一块备用的真空控制板，但故障依旧，在维修的过程中，有时仍然出现真空电流跳跃的现象。

3.3 真空部件泄漏的排查

加速管发生真空泄漏的原因有：

⑴真空部件的焊接处或金属波纹管存在缝隙，以及真空部件的密封垫圈连接不紧密等。如：枪和加速管的连接处，波导窗和加速管的焊接处，与真空室相通的主泵、枪泵、真空阀门的连接处，偏转磁铁的输出窗，能量开关的波纹管，靶的波纹管，漂移管以及漂移管与偏转磁铁相连的波纹管（BELLOW）等。

⑵加速管内部需要水冷却的部件受到水的锈蚀或因高温而发生形变产生裂隙，导致水蒸汽泄入。如：能量开关、靶和偏转磁铁等水路， 其中偏转磁铁这一路又分为漂移管、第二准直器和能量窄缝三条支路。当真空电流稳定于40 μA左右时，我们用丙酮逐一涂抹在⑴中所述的可疑部位，并通过开关水泵、用压缩空气吹干相关冷却水管再往水管内加丙酮，再通过不断地选择能量让靶和能量开关处于不同位置的方法，观察真空度的变化，结果未发现真空电流发生明显的改变，可以断定不存在真空部件的泄漏。

3.4 钛离子泵故障的排查

瓦里安高能加速器的主真空泵（20 L/S）是个三极泵，由一圆柱形阳极、两个钛板阴极和外围的永久磁铁构成。工作时阳极接地，阴极加上-5 KV的高压，阴极发射的电子在电磁场的作用下向阳极做高速螺旋运动（潘宁放电），碰撞并电离气体分子，产生的正离子在电场的作用下轰击阴极，溅射出钛原子，钛原子沉积于阳极筒内壁及阴极上离子轰击较少的部位，形成新鲜的钛膜，新鲜的钛膜对气体分子具有吸附和电清除作用，达到抽气维持高真空的目的[1]。

钛离子泵发生故障的原因可能有两种：①泵内部阴阳极间或高压电缆及高压接头绝缘性能下降产生漏电流；②由于钛泵长期工作，钛电极上堆积了太多的吸附气体后所生成的固态物质，导致抽气能力下降，从而引起离子泵效率降低。

使用摇表测量高压电缆的阻抗未发现绝缘问题。清洁高压接头后，用木锤敲击离子泵壳来观察真空度的变化情况（如果钛泵内部绝缘不好，敲击时真空电流会有较大的波动），结果真空电流基本保持不变[3]。再取掉钛泵外围的永久磁铁，真空电流显示为0 μA（如果真空电流继续存在则是漏电流，因为钛泵工作时产生的离子流包括真空离子流及绝缘瓷环和钛泵电源的漏电流，真正的钛泵离子流为钛泵加上磁铁工作时的电流减去钛泵不加磁铁工作时的电流[4]）。由此基本上可以排除漏电流引起真空电流变大的原因。

使用高压激活钛泵的方法来检验钛泵的抽气能力[5]：取掉枪冷端上的F1保险（断开枪灯丝供电），拔去主泵的高压插头；机器打到“ON”状态，在维修模式下，选择6e能量（LOW MODE），关掉抢触法，打开枪延时；用带高压测试棒的万用表接到枪热端的外壳来监测枪高压，并记下初始值（本机为-7.0 KV，恢复时要用）；选一根耐20 KV高压以上的电缆线约3米，用绝缘胶带绑在一根绝缘的塑料棒上（也可以利用枪热端处随机带的放电棒），一端做成小钩状塞到钛泵的高压座内（保证接触良好），手握塑料棒，让另一端短时间地接触枪热端的外壳，利用比钛泵工作电压大许多的负高压来冲击钛泵，同时观察万用表上监测的高压值的下降情况，重复多次，直到高压不再下降为止；再通过调枪冷端A3上的LOW电位器来改变枪的高压值，分别在-8 KV、-11 KV、-13 KV左右的位置按照上述方法继续对钛泵进行冲击；完成以上工作后，把枪高压值和枪触发复原，机器打到STANDBY，装上枪灯丝保险F1，接上钛泵电源插头，重新观察真空电流的变化。结果真空电流从原先的40 μA下降到30 μA左右，说明经过高压激活，钛泵的抽气能力有所增强，但真空电流还是偏大。再从真空电流升高到1100 μA（真空度差）后又能慢慢下降到数十μA的现象看，主泵的抽气能力并不低。

3.5 真空材料不良的排查

根据以上的方法，我们已经花费了3天时间进行了反复细心的排查，但都无法找到故障所在。幸好在排查过程我们对不同的时间、不同的条件下真空度的微小变化都作了详细的记录，从记录中发现了早晨刚到机房时真空电流都较大，达到40 μA左右，上班后真空电流反而慢慢降至30 μA左右的规律。这是否说明真空电流的变化与环境温度存在着某种关系？因为下班时工作人员都把治疗室内的空调关掉，早上上班时再打开空调。为了验证这种假设，我们进行了如下试验：机器在STANDBY状态，把治疗室内空调设在20 ℃（平时只设到27度），内循环水温设到20 ℃，观察3 h，发现真空电流慢慢下降，最好时可以达到18 μA；再关掉空调，把内循环水温设到45 ℃，观察4 h，发现随着室温的升高，真空电流又慢慢增大到70 μA。通过这两种极端条件的检验，可以肯定真空电流的变化与环境温度的高低存在着密切的关系。因为经过前面的检查，已经排除了真空器件发生泄漏的可能（如果真的存在裂缝，温度的变化有可能使缝隙产生热胀冷缩，泄漏的程度也会跟着变化），因此怀疑某些真空材料发生缓慢放气，导致真空电流偏大，当温度升高时放气加剧，引起真空电流上下跳跃或突增，而且这种假设也能合理解释以上的故障现象，也不用考虑多种故障原因并存的可能。

最有可能发生放气的与真空有关的器件有电子枪的灯丝、靶和能量开关。如果枪灯丝放气，应该首先反映到枪的真空电流，但枪泵的真空电流在主泵真空电流增大时皆无变化，一直保持0 μA，说明枪灯丝放气的可能性不存在。对于靶和能量开关，它们都是产热部件，依靠水循环来冷却，与水温有关，与室温关系不大，发生放气的可能性很小。为了验证这种想法，在保持室内温度不变（设定为27 ℃），分别在水温为30 ℃、45 ℃、出射线和不出射线（选择不同的能量）的几种情况下来观察真空电流值，结果虽然在水温高、出射线的时候，真空电流有所升高，但都没有通过改变室内温度所发生的变化那么明显。

最后把怀疑的重心集中到受室内温度变化影响最大的加速管外围的真空部件，特别是主泵周围的真空管道连接件，采用电吹风的热风给这些连接件加温的办法来模拟温度升高时真空电流的变化情况。当电吹风的热风刚刚吹到真空阀门时，发现真空电流的指示值突然增大，不到5 s已经升高到800 μA，VAC2、 VAC1故障灯亮。立即关掉电吹风停止加热后，真空电流才慢慢下降。由此可以断定故障发生的位置就在于真空阀门（VACUUM VALVE）。在加速器中，真空阀门主要用于密封加速管的高真空通道，它是个直角双通的不锈钢阀，当维修或更换真空部件(如：靶、能量开关和离子泵等)时，需要打开此阀门往加速管内加氮气，以免加速管或其它真空部件被氧化，待真空部件维修或更换结束，再通过此阀门外接机械泵或分子泵进行预抽真空，预抽完毕才关紧阀门开钛泵进行自抽真空。因为加速管的真空部件不能随意拆卸，我们无法知道真空阀内部的详细结构，随机的说明书中只有一个标注：Valve，Viton，Manual，可以猜测是个手动的、可能用氟化橡胶（Viton）作密封圈的阀门。再经过咨询厂家工程师，证实阀门内部是有一个O型橡胶圈，在关紧阀门时，起密封作用。于是更加肯定是真空阀内部的氟化橡胶长期使用后性状发生了改变，缓慢释放出气体，并受温度影响明显，当温度升高时放气加剧，导致离其最近的主泵的真空电流猛增。

4 故障处理

找到故障原因后，开始时以为最好的方法是更换不良的真空阀，但更换时必然要临时破坏加速管的真空，处理工作复杂，而且本机已经使用十多年，电子枪的灯丝容易中毒，重新激活难以保证。于是我们进行如下尝试：用电吹风重新对真空阀进行短时加热，当真空电流增到300 μA时，马上停止加热，等到真空电流下降至数十μA后，继续对之加热(但温度不能太高，以免密封橡胶熔化)，让橡胶尽量放气，如此反复多次，结果发现真空阀内部放气的速度和量都变得越来越小，到最后真空电流可以下降并稳定到10 μA之内。没想到对橡胶密封圈的除气达到如此好的效果。试用机器，真空度也基本维持良好。然后我们坚持每个星期对真空阀加热除气1次(开始加热时真空电流都会增大)，一个月后减少为每个月1次，半年后3个月1次，1年后就不再除气，到现在已经使用3年，真空度一直保持良好，不再出现原来的故障。

至于这种橡胶密封圈经过加热除气后，为何能够减少放气，经历很长时间并经过多次除气后甚至不再放气，厂家工程师的解释是：真空阀门内的橡胶密封圈在制造过程受到了污染，时间长了以后，内部的污染物质（如：油）开始挥发，放出气体，经过不断的抽气、除气，污染物慢慢减少，到最后就不再放气了。

5 结语

加速器是一种技术复杂的精密设备，加速管真空故障的检修是个费时费力的过程，维修时不仅要善于把机器的结构原理与故障现象紧密地联系，而且要善于观察，善于分析，善于尝试，多想办法，多做维修记录。本次故障发生的部位实属罕见，故障现象也很特别，刚开始根本想不到材料放气的问题，在排除了其他所有能够想到的原因、使用了所有排除真空故障的方法后，才从周围的温度与真空电流的变化关系中找到故障的真正原因。而且在解决故障的时候，善于尝试，得到了事半功倍的效果，同时为同行修复此类故障积累了宝贵的经验。

[1]顾广本.医用加速器[M].北京：科学出版社，2003：238-267.

[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，2004：93-97.

[3]吴万全.Varian clinac 2300EX加速器真空度降低的检修[J].医用放射技术杂志，2007(7)：34.

[4]谭力，盖良臣，王忠文.瓦里安2300CD加速器真空故障排除及分析[J].中华放射肿瘤学杂志，2007，16(6)：419-420.

[5]杨绍洲，杨光.Varian Clinac 2100C加速器真空度降低的检修[J].中国医疗器械杂志，1999，23(3)：181.

[6]王俐，陈维平.直线加速器离子泵故障与真空破坏的鉴别[J].医疗卫生装备，2004(5)：73.

[7]杨绍洲.加速器钛泵的原理和维护[J].医疗设备信息，2003，18(10)：29-30.

[8]王小冬.加速管钛泵老化的应急处理[J].中华临床医学杂志，2007，8(11)：47.