Varian高能加速器的束流偏转系统

曾勇苏善宁唐志全

1 广西玉林市红十字会医院肿瘤科 （玉林 537000）

2 四川大学华西医院肿瘤中心；生物治疗国家重点实验室；放射物理技术中心 （成都 610041）

Varian高能加速器的束流偏转系统

曾勇1苏善宁1唐志全2

1 广西玉林市红十字会医院肿瘤科 （玉林 537000）

2 四川大学华西医院肿瘤中心；生物治疗国家重点实验室；放射物理技术中心 （成都 610041）

从机器物理和电子工程双重角度，系统阐述瓦里安C-系列高能直线加速器的偏转磁铁系统。详细解析偏转电流的编程机制、金属线圈的电阻温度效应、偏转电源的阻抗匹配。解析了偏转系统机器物理方面的难点并给出了维护维修指南。

加速器 偏转磁铁 温升效应 阻抗匹配 维护维修

瓦里安C-系列高能加速器的束流偏转系统采用分立式三磁铁270˚复合消色差偏转系统[1,2]。电子束偏转的理论基础是运动的带电粒子在恒定磁场中受洛伦兹力的作用改变运动方向，洛伦兹力F=qv×B，v是粒子运动速度，B是磁感应强度，q是粒子电荷[3]。对于电子来说，q=-e。亥姆霍兹线圈是两个电流方向相同、相互平行的圆形线圈，可在两平行线圈的中点平面获得最均匀的磁场，磁感应强度B的方向符合右手定则垂直于线圈平面且B∝I[4,5]。实际中的偏转磁铁是亥姆霍兹线圈的变形，对应于不同能量需要不同的磁感应强度B，由此计算出唯一对应的励磁电流I。

运动电子在磁场中受洛伦兹力的作用，其轨道半径R=(T+0.511)/3B，R的单位为cm，

对应于速度v的相对论电子能量T为MeV，磁感应强度B为特斯拉[6]。由于存在束流能散度，即电子束内部有一个能谱分布，不同的电子，能量分布在标称能量的两侧，这是加速管束流能谱的色散[7]。因此不同能量的电子在通过一级偏转以后的轨道半径将不同，即产生色差。在一级偏转后设置±3%能量裂缝进行能量“筛选”，过高与过低能量的电子将被能量裂缝阻挡。为了消除一级偏转带来的色差，至少需要另一级偏转将色差“逆反”回去使束流在靶平面重新汇聚成＜1mm直径的束斑，这一功能由第三级偏转完成。将二级偏转的磁铁电流设计成可以调整的方式，以便对射野的轴向平坦度进行调整。

1.构造原理解析

1.1 偏转磁铁解析

如图1为偏转磁铁正常工作时电子束流的运动轨迹。从加速管出口经位置导向线圈后引

出的电子束流，依次经过T方向角度导向线圈ANG T、一级偏转磁铁M1、±3%能量裂缝、M2即ANG R、M3，最后在靶平面重新汇聚成＜1mm直径束斑。被阻挡的电子产生大量热量，因此能量裂缝需要水冷。

M1、M3四个线圈均用空心铜管绕制，铜管内通以冷却水，每个线圈上均有一个热敏开关SW1 ～SW4，起高温连锁的作用。当温度超过48˚C时将使常闭开关断开，对应于M1或M3触发ILFLOW2或ILFLOW3，使整机供电开关跳闸。线圈实测电压取样在E1和E4，BMAGMON+和BMAGMON-分别经5A保险丝送到BMAG编程板。

1.2 偏转磁铁控制与监测解析

图1. 偏转束流轨迹

在BMAG板上，报警参考电压由电位器R70～R78设定，偏转电流编程电压由电位器R16～R24设定。U4_28的输出电压被U7_1缓冲成TP12后由U7_7进行V-I转换，转换关系为100μA/V（即1mA/10V）。配置100Ω传感电阻R117，TP14和TP10分别成为偏转电源的BMAGPRG+和BMAGPRG-信号，为偏转电源提供0～1mA编程电流，所以TP14和TP10之间有0～100mV电压。TP4和TP6是来自偏转电源内置的电流反馈信号BMAGI+和BMAGI-。

U12_28输出的TP8是每个对应能量设定的参考电压，在偏转电流TP4和TP6正常时，TP9与TP8之间电压为0；反之，若不为0则说明偏转电流不正常。BMAG V监测电压经跟随器U18放大1倍后经电阻网络R87、R92、R94和R93分压，95%送U17_5，TP15=90%，85%送U17_7，比较器U17_2和U17_1因此建立了10%的比较窗口。选中间档电子能量12MeV，调整R9使TP7等于90%参考电压，它将等于BMAG V正常值的90%即TP15，此时也有TP11-TP12=0，因此设定电压触发窗口为±5%。电流监测电压经电阻网络R85、R90、R91和R81分压，95%送U17_9，TP9=94%，93%送U17_10，分别与TP8比较，设定电流触发窗口为±1%，并隐含电压差5%。

当电流电压均正常时，光耦合器U5_4高电平、U5_3低电平导通，DS7绿灯亮，指示正常。当电压过高时，均为高电平截止，-12V“不在”，触发连锁。电压过低时，均为低电平截止。由于比较器U17_14和U17_13相反并接成或门，无论电流过高和过低，均为低电平输出使U5截止。

1.3 偏转电源解析

一般要求励磁绕组用稳流源供电，稳定精度需要1/1000以上[1]。偏转电源是从EMS定制的10-250型开关电源，3相220Vac输入、2.5kW、最高输出电压10V、满刻度电流250A。

电源分成主要四部分：主体（main）、市电滤波器A300、逆变器A200以及控制板A100。外部接线为TB1、TB2及电流输出+、-和G。其中TB2是三相市电A、B、C和地，与A300相连；TB1共17个端子连接到A100，是各种模式控制端，此处只连接编程控制BMAGPRG输入端10、12和电流监测BMAG I输出端12、14。电源作为远端控制的稳流源，电流程控方式采用0～1mA电流编程，100Ω分路电阻为BMAG板上的R117，输出范围从0到满刻度，精度0.1%（即1/1000）。电流程控的优点是，即使R117开路，输出电流和电压也被限定在满刻度而不会无限制上升，避免输出失控。

三相电经A300滤波后经机载开关CB1送到桥式全波整流变成DC电压再送到逆变器A200，在66kHz准方波驱动下，开关管Q1、Q4和Q2、 Q3轮流导通，将DC电压转换成高频交流，输出到变压器T1、全波整流和滤波输出。编程电流调整A100板U8输出的66kHz方波的脉冲宽度，实现对输出电流的脉冲宽度调制PWM。

从负载电阻R=V/I、偏转磁铁正常工作时电压约2V、电流约50A的角度，估算磁铁线圈电阻在0.04Ω量级，因此电源内阻也在这个数量级。金属导体的电阻随温度增大，电阻R=R0（1+αt），其中R为温度为t˚C电阻，R0为0˚C的电阻，α为电阻温度系数，t为温度˚C。而电阻R=ρ(L/S)，ρ是电阻率，L为线圈长度，S为截面积[8]。导电器材用铜的α为0.0038/˚C[9]，即温度每增加1˚C，电阻增加约0.4%。加速器冷却水运行在40˚C，此时R为0.04Ω量级，FLOW连锁设置在48˚C，此时电阻增加了3.2%，这是阻抗匹配允许的极限。

2.故障举例

BMAG连锁。观察维修面板BMAG V，所有能量的电压值均为留存晨检记录正常值的一半左右。查偏转电源总体（MAIN）图，这种情况与输出全波整流双二极管CR3或CR4一边击穿吻合，拆下实物为CR3击穿。CR3和CR4是MBR30045CT（图上简写成30050）双塔封装的肖特基双二极管。查询DATASHEET，从45CT至100CT最大区别是最大重复反峰电压不同，“45”即为45VRRM，即为VRRM=45V～100V，连续正向电流均为IF=300A。购买一对双二极管同时更换CR3和CR4，连锁消除。用MapCheck作剂量曲线扫描检测对称性2%合标后，确认机器恢复正常。

图2. 能量过高时的束流轨迹

3.讨论

本例故障诊断起来并不复杂，但如果没有对偏转系统全面深入的理解，可能会采取整体更换电源的应对措施。采用自主修复的方法，可节约近10万元人民币。

水温升高而不被监控，则可引发BMAG连锁。

偏转系统是能量稳定机制之一，在偏转磁铁的设计制造过程中，标称能量与偏转电流是一一对应的。偏转电流过小导致与能量过高相同的结果，反之偏转电流过大导致与能量过低相同的结果。如图2当能量偏高时的偏转束流轨迹，虚线为正常标称能量，实线为能量偏高的情况，能量偏高一点就会导致较大的角度偏差，从而造成2%对称性连锁。所以，就能量或偏转电流的微小偏移来说，对称性不连锁是BMAG不连锁或能量合标的充分条件，只要对称性小于2%，则偏转系统工作正常且能量必定合标。

[1] 顾本广. 医用加速器[M]. 北京:科学出版社, 2003:130.

[2] 杨绍洲, 杨光, 沈庆贤, 等. 医用电子直线加速器的射束偏转系统[J]. 中国医学物理学杂志, 2000,17(3):129-131.

[3] 赵凯华, 陈熙谋. 电磁学[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2014:280.

[4] 赵凯华, 陈熙谋. 电磁学[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2014:248.

[5] 焦圣华, 黄建. 电子束能量与偏转电流的对应关系[J]. 医疗装备, 2011,(11):11-12.

[6] David Greene, Peter C Williams. Linear Accelerators for Radiation Therapy[M]. Second Edition. New York:Taylor & Francis Group, 1997:56.

[7] 裴元吉. 电子直线加速器设计基础[M]. 北京:科学出版社, 2013:184.

[8] 赵凯华, 陈熙谋. 电磁学[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 2014:163.

[9] 周鹤良. 电气工程师手册[M]. 北京:中国电力出版社, 2010:18.

Bend Magnet System of Varian High Energy Linear Accelerators

ZENG Yong1SU Shan-ning1TANG Zhi-quan2
1 Radiation Oncology Department of Yulin City Red Cross Hospital (Yulin 537000)
2 Division of Radiation Physics, State Key Laboratory of Biotherapy and Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University (Chengdu 610041)

Expounds the bend magnet system of Varian C-series high energy linear accelerators systematically from twofold view of machine physics and electronics engineering. It dissects the program mechanism of bend current, the resistance temperature effect of metal bend coils and impedance matching of power supply. It expounds the diffcult point about machine physics and presents the guides of maintenance and troubleshooting.

linear accelerator, bend magnet, effect of temperature rise, impedance matching, maintenance and troubleshooting

1006-6586(2017)07-0077-04

R815.6, TL53

A

2017-02-16