医科达Precise直线加速器束流系统原理简介与故障排除

倪凯

苏州大学附属常熟医院 常熟市第一人民医院 医疗设备科，江苏 常熟 215500

引言

我院放疗中心2005 年装机一台医科达Precise 型直线加速器，得益于临床科室的良好使用习惯和医疗设备工程技术人员的精心维护和保养，故障率维持在较低水平，至今使用已超过十三年。在最近的使用过程中，多次出现与电子束流系统有关的故障现象[1-3]，且故障发生率不低，现介绍分析如下，以供参考。

1 束流系统原理简介

医科达Precise 型直线加速器的电子束流系统主要由电子枪、加速管、飞行管、聚焦及驾驶线圈组、偏转磁体组等组成[4]，如图1 所示。束流控制的三个主要功能是聚焦、驾驶和偏转。

1.1 束流聚焦

在加速管前半部分环绕装有两组聚焦线圈（Focus 1 和Focus 2），以提供了一个静态的、轴向的磁场，在电子束上施加一个聚焦作用。另外，设置聚焦线圈电流可以获得辐射光束的最大输出强度。

图1 电子束流系统示意图

1.2 束流驾驶

由于加速管不可能绝对对称，而且加速的过程中还可能收到外力干扰，比如磁场和引力，并且随着机架角度的变化，这些干扰可能发生细微的变化，导致电子束可略微偏离中心轴。

为了消除上述干扰，在加速管上配备了2 组驾驶线圈：① “1T”及“1R”，位于加速管枪端，将电子束流保持在加速管中心位置；② “2T”及“2R”，位于加速管中段，能保证电子束流在正确的点位进入偏转系统。其中，从加速管正面看，一组驾驶线圈在同一平面上又含有互相垂直且互相独立的T 方向与R 方向两组。

驾驶线圈通过11 区的4 块UMD（Universal Motor Drive）PCB 板提供电源，可输出范围±600 mA 电流来伺服控制这些线圈的磁场大小和方向。其他部分控制板位有12 区 的AI12-RHA、SCC-RHA 和16 区 的AI12-HTA、AI12-HTB、SCC-HTA、SCC-HTB。

1.3 束流偏转

位于23 区的磁体偏转系统共三组磁体，每组2 个，分别位于飞行管的两侧：① 磁体1（M1）具有分析能量的作用，同时将电子束流偏转44°角；② 磁体2（M2）将偏转44°的电子束逆转回原来角度，同时将在此区域出现的最宽谱能量聚焦进入下一区域；③ 磁体3（M3）将汇聚束流偏转112°，并完成二维聚焦后通过直径约2 mm 的小孔轰击靶。三组磁体线圈通过水冷却降温，每个磁体附有热敏开关，共6 个串联成一个回路，防止偏转磁体过热。

2 故障实例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

开机后，出现“Focus 1 V”或“Focus 2 V”连锁报警。

2.1.2 原理分析及故障维修

加速管组件中含有两个电子聚焦系统“Focus 1”和“Focus 2”，任何一个线圈电压失常，会出现上述连锁报警。

其中，Focus 1 线圈由L1、L2 两个水冷线圈组成，电源驱动板位于13 区的PCB13F；Focus 2 线圈由一个风冷线圈L3 和两个水冷线圈L4、L5 组成，电源驱动板位于13区的PCB13E；电源驱动板均为type A 型，可互相通用。其他部分相关控制板位于12 区的RHCA，分别为AI12-RHA，AI12-RHB，SCC-RHA，SCC-RHB，AO12-RHC。聚焦系统线路结构示意图，见图2。

图2 聚焦系统结构示意图

首先进入维修模式，并加载6 M 能级的X 线能量，在Display Service Page页面查看LV PSU 标签中ITEM 398（对应Focus 1 V）和ITEM 399（对应Focus 2 V）的实际值；在医科达系统中定义一个参数的Part1 为设定值，Part4 为实际值，以下相同。在该条件下，ITEM398 的Part1 值为40.70，ITEM399 的Part1 值为56.40，两项参数的Part4 值的正常值应为其Part1 值的±1 范围以内，据此可以确定哪个线圈出现故障。

然后结合图2 进行分析排查，再进入机房从简单开始，首先检查13 区（LV PSU ASSEMBLY）的保险丝是否有熔断[5-6]。经查，保险丝完好。进一步查看22 区（Focus Coils AERA）的TS22A 接线柱，如图3 所示。

图3 TS22A接线柱示意图

我们使用万用表测量接线柱来确认聚焦线圈电压是否正常。其中，17、18 脚对应Focus 1 线圈电压（即Focus 1 V），19、20 脚对应Focus 2 线圈电压（即Focus 2 V）。由于聚焦线圈电流较高，达10～15 A 以上，容易发生因电流过大而烧焦致断路。因为接线排螺丝接触面较小，导致本台设备该接线柱共发生三次上述故障，只能将接线通过焊接加固等外接直连，加大接触面积，避免类似故障的再发生。需要注意的是，在检修此处排线时，需先切断机架电源（可先软件将状态切至System On，后关闭70 区下方ICCA 开关），以保证维修工程师人身安全。

在实际的使用过程中，除了TS22A 接线柱发生故障外，位于13 区的前端电源部分也发生过故障，如保险丝FS13E和FS13F 发生过熔断，需要更换新保险丝（65 A）。以及控制板PCB13E 和PCB13F 也发生过故障，这两块控制板是通用的，进行对调使用后观察故障现象是否也对调，可以快速排查故障是不是由控制板故障导致的。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

当机架角度转至大于270°、小于90°范围时，小机头位于上半圈位置，出现“Bend.Mag.V”连锁报警，加速器无法出束治疗。

2.2.2 原理分析及故障维修

该连锁报警发生的原因系6MV X-Ray 治疗模式中，偏转磁体电压（Bend.Mag.V，ITEM 384）异常导致，同样进入维修模式查看LV PSU 标签页面下相关项的值予以确认，发现ITEM 384 的Part1 值为4.54，Part4 值为0.54，后者远低于前者，因此发生连锁报警。

偏转磁体由位于13 区的LV PSU（low voltage power supply unit）提供电源，分为主供电源PSU1（Bending coarse）和补充电源PSU2（Bending fine），如图4 所示。

图4 偏转系统结构示意图

PSU1：为M1、M2 和M3 提供电源，包含一个三相全波可控桥式整流器和三块控制板（A 相：LV PSU type B，编号PCB13A；B 相：LV PSU type B，编号PCB13B；C 相：LV PSU type A，编号PCB13C）。

PSU2：为M3 提供补充电源，包含一个单相全波可控桥式整流器和一块控制板（LV PSU type a，编号PCB13G）。与PSU1 不同的是，作为补充电流源的PSU2提供的电流与M3 的磁场强度不呈线性相关，起到对束流的微调作用，需要根据反馈实时调整。其他控制电路板位于12 区，分别是：AI12-RHA、AI12-RHB、AO12-RHA、SCC-RHA、SCC-RHB、DIE-RHB。

根据图4 来分析可知，此故障应为PSU1 处的电压监控点数据异常导致，且电压偏离设定值巨大，几乎为零值。磁体就是线圈，那么我们可以检查线圈电流是否为零，来区别对待。查看对应的ITEM 304 和305 项值，一般后者是前者值的4%～6%。ITEM304 Part1 为40.00，Part4 为39.90，ITEM305 Part1 为1.86，Part4 为1.85，那么说明电路中有电流，无电压，PSU1、PSU2 的恒流源输出正常。

而故障现象十分蹊跷，只有当机架位于正负90°区间内才会出现，说明随着机架的转动，某个部位受重力影响而发生故障[7]，可能有导电的异物存在于输出电路中，或者输出电缆与机架长时间碰擦造成破皮漏电。经过仔细检查摸排，判断疑似13 区PSU1 到25 区Bending coarse 的传输电缆发生破皮漏电。将机架转至故障角度，关闭机器后同时将电缆两端断开，测量电缆的对地电阻，理论值应为无穷大，实测值为0.8 Ω，到此故障确定。仔细排除走线后发现鼓架内部用于固定电缆的角铁过于锋利，将电缆磨破，经过绝缘处理后故障现象消失。

在实际故障摸排中，也可能会出现检查ITEM304 和305 的值也为零值的情况，那么需要向上排查13 区变压器T1、T2、T3 输出、保险丝FS13A、FS13B、FS13C 和FS13J、FS13K、FS13L、驱动控制板PCB13A、PCB13B、PCB13C、PCB13G 以及整流滤波电路等。整个束流系统主要涉及11、12、13 等四个区的电源及控制板，部分归纳见表1，部分相关的控制参数见表2。

由表1 中可知，束流系统共用12 区的部分PCB 板，不同辅助系统的控制板部分可以通用。我们进行PCB 板对调，当故障现象也发生对调时，基本可以确诊某一侧的PCB 板是存在故障的。这种方法在日常故障诊断中十分有用。

表1 束流系统部分电源及控制板表

表2 束流系统部分参数表

3 总结

电子束流系统是整个直线加速器中最主要的核心系统之一[8]。一方面，掌握其原理和结构，能使得工程技术人员在发生故障时更快速的定位问题并解决，另一方面，建立标准化的质量控制管理工作[9-10]和预防性维护[11]，调校束流系统的各个参数[12]，能够保障束流系统的稳定，提高治疗出束的质量。