医科达直线加速器真空部件常见故障及快速解决方案

李大明，彭照明，杨鹏飞，张怀文

1 北京大学深圳医院 放疗科，深圳市，518036

2 江西省肿瘤医院 放疗中心，南昌市，330029

0 引言

真空系统对高能粒子产生非常重要。许多带电粒子，如电子、质子以及其他重离子加速到高能状态，基本上都是真空环境中完成的[1-2]，医科达直线加速器也不例外。

医科达直线加速器真空系统是由两个溅射式离子泵24 h不间断工作来维持10-6～10-7mbar(1 mbar=100 Pa)左右气压的真空环境，气压高于10-5mbar时则会触发机器联锁。机器代码Item 227 Vac Gun和Item 228 Vac Tar的值反映加速器的枪端和靶端真空状态，进而用于评估整个设备的真空水平。如真空：2*10-6(mbar)=10-5.7，lg 10-5.7=-5.7，显示结果表示是-5.7。在监测回路中存在比较器，当监测真空低于10-5mbar或者10-4mbar时会提示出10-5/10-4trp T/G错误，并中断出束。

医科达直线加速器真空系统分真空腔体部分和离子泵供能及监测部分[3]。真空腔体包含一个主支和两个分支。主支沿着电子运动方向设计，从电子枪灯丝发射电子开始，再经过微波加速管，波纹管以及飞行管（电子窗和靶）输出射线。一个分支连接相关阀门以及溅射式离子泵，维持系统真空。另外一个分支连接波导窗，引入加速所用的微波，为电子加速提供能源，或处理剩余微波。电源和监测部分为离子泵提供能量以及监测系统真空值。各部件通过密封圈和法兰及接头连接，达到隔离外部环境目的。

1 真空系统常坏部件故障判断方法及解决方案

医科达直线加速器真空系统常见故障涉及到诸多部件，不同的部件问题出现的现象会有所差异。下面针对日常临床治疗工作中可能遇到实际问题及处理作简要阐述分析。

1.1 枪灯丝组件故障

医科达直线加速器采用可拆卸灯丝设计，灯丝寿命在真空状态良好情况下可以达到1 000左右高压小时。灯丝组件故障主要为更换灯丝过程密封圈偏离固定位置，导致真空系统漏气。故障现象是重建真空过程中前级分子泵的涡轮分子叶片转速在长时间内达不到75%以上最大转速（最大转速时涡轮转速指示灯全亮）。正常情况下，分子泵运行10 min左右转速指示灯就会全亮。若超过15 min指示灯仍未全亮，可尝试关闭加速器外接阀门，用分子泵对自身空腔进行抽气，即分子泵进行自检，观察指示灯是否很快达到正常。若分子泵正常，但连上加速器后异常，应检查密封圈安装是否有错位。如有，在安静环境下可能听到嘶嘶吸气声音，此时则需重新安装灯丝并更换新密封圈，然后再次重建真空。偶尔还会出现灯丝底座微漏情况，此时Item 227的值会渐渐升高，从-6水平升高到-5水平，但不会触发报错联锁。此时建议用无水酒精及无纺布清洁干净胶圈与引线底座衔接处，并用真空硅脂涂抹均匀，一般可显著改善真空状态。

1.2 输入、输出波导窗故障

波导窗隔离真空和波导管中的SF6，常见故障是SF6穿过隔离陶瓷窗进入真空系统，输入和输出窗分别影响枪端和靶端真空，导致系统气压值升高。发生故障时真空值会随着时间推移变得越来越差，Item 227 Vac Gun或者Item 228 Vac Tar的值会越来越高，SF6加气会相对频繁。判断方法是机器自带的抽气泵抽掉波导系统中的SF6，观察气压表直到波导管的气压为-1 bar（1 bar=100 kPa）左右水平后，再查验真空状态是否明显好转。如真空值波动明显的，则邻近波导窗出现漏的可能性很大，需及时处理此故障。如长时间不处理此问题，拆开离子泵后可闻到臭鸡蛋味，离子泵接口处能看到油状物质，将严重影响离子泵使用寿命。

1.3 密封圈、接头以及法兰故障判断

密封圈、接头问题主要涉及到橡胶老化和安装不到位。安装不到位时真空值通常会报错Item 238 10-4trp G，Item 239 10-4trp T，Item 240 10-5trp G或Item 241 10-5trp T 。一般是有相关位置涉及真空维修处理。若在重建真空时听到嘶嘶吸气声音，需重新检查安装，并更换密封圈。对于胶圈老化引起微漏的情况，真空是缓慢变差过程。不出束时真空较差，但一般不会触发机器联锁，并能保持-5.6以下水平，随着出束系统温度升高，真空又会变好，但总体趋势会越来越差。对于此类问题，主要原则是维修过程中动了哪里查哪里，哪个真空变化范围大，主要检查其附近的密封圈、接头及法兰。维修中常用丙酮作为检漏剂，将丙酮均匀涂抹到接口或者法兰处，观察真空值，如果明显变差，当前位置即存在故障。有条件的单位可以定做合适尺寸的堵头工具，分段排查故障。

1.4 波纹管故障

波纹管靠近靶离子泵主要影响靶端真空。通过波纹管伸缩切换电子线和光子线输出。波纹管管道比较薄，可能出现真空微漏现象。常见故障是：真空值明显异常，一般来说Item 228 Vac Tar值-5.6以上，当光子线切换电子线出束时候，波纹管拉长，漏气孔变大，气压迅速升高，引起真空连锁，报错显示为Item 241 10-5trp T或者Item 239 10-4trp T，靶端气压如果持续升高，将拖累枪端真空并报错。此时可以确定是波纹管问题，应作更换处理。

1.5 飞行管（靶和窗）故障判断

飞行管靠近靶端离子泵也影响靶端真空。高能电子长期轰击钨靶后出现砂眼或者裂缝引起微漏，束流打偏的时候更容易出现故障。其发生故障时，靶端真空偏低且慢慢变差，Item 228 Vac Tar值渐渐升高，但一般不会短时间内触发真空联锁。出束时候由于热胀冷缩，靶端真空可变好，Item 228 Vac Tar值减少，出束停止后靶冷却，真空变差，Item 228 Vac Tar值上升。维修中拆除大机头相关部件后，在靶或窗处涂抹丙酮，能观察到真空明显变差。对于微漏，可以清洁干净故障表面后用真空硅脂均匀涂抹堵漏以做应急处理。彻底解决则需更换飞行管。

1.6 离子泵、离子泵电源、监测回路的故障判断

（1）离子泵工作原理

维持医科达直线加速器真空的是两个二级溅射式离子泵。简单来说，它由两个钛阴极板、阳极筒和两块永久磁铁组成。两个钛阴极板平行放置并接地，阳极由许多潘宁阳极筒组成，独立存在于两个钛阴极板中间，阳极筒的轴向与钛板平面垂直。永久磁铁和钛板平行，磁力线与阳极筒的轴向平行，当离子泵工作时候，离子泵电源输出5.0 kV左右高压到阳极，系统中自由电子在电磁场作用下做高速螺旋运动，并和空腔里气体分子碰撞，再经过电离、掩埋、吸附、俘获吸收等作用建成一个高真空的环境。

（2）离子泵性能分析

为了更好维修维护真空系统，需要了解离子泵的性能。HABLANIAN等[4]对离子泵的抽速与压强关系做了大量研究，分析其研究成果发现离子泵在压强10-6torr（1 torr=133.322 Pa）附近抽速最大，并随着压强的增大或者降低慢慢减少。压强增大时，放电电流大，离子泵内阻增高，导致实际加在阳极的电压降低。同时阳极和阴极之间电荷过多，空间电位降低，空气分子电离后能量降低，轰击阴极钛板后产生钛膜产额减少，降低抽速。当气压大于10-3torr时，电流急剧增大，离子泵电源过载保护，输出终止。而当气压低于10-7torr时，离子泵内分子少，产生电子也就少，潘宁放电减弱，抽速也迅速降低[5]。为有效利用离子泵，需在启动离子泵前就初步建立一个良好真空环境。一般情况下，用专业前级涡轮分子泵把真空系统气压维持在10-4torr或者更优水平，再启动离子泵，可让离子泵处于良好真空范围内启动，离子泵启动前系统真空越好，真空重建越快，离子泵使用寿命也会相对越长。

（3）离子泵故障判断方法

一般用交换和实测分析。①交换方法一般用于其中一个通道真空正常。交换的原理是由于两个离子泵与电源独立的两个高压输出一一对应。交换离子泵的输出后，如果枪靶真空报错调换，考虑离子泵问题；而若报错仍与原来一致，则一般考虑离子泵电源问题[6]。②实测主要用于对真空电源和监测电路有疑问时候采用。比较安全的方法就是利用机器自带的RS232串口线连接电脑的超级终端软件和电源的串口，可以实时监测离子泵的工作状态以及真空值。依据显示结果，对比离子泵出厂参数，可判断电源、监测回路是否正常。偶尔会出现电流值和实际真空不匹配的情况，一般来说电流会偏大，主要是因为随着离子泵长期被粒子轰击后内部会出现金属碎片所至。这些碎片在离子泵工作时会引起放电，导致电流变大，有时甚至会引起电源输出电压急剧变小，甚至高压保护。遇到这种情况，可以采用“Hi-potting”方法进行处理[7]，即高真空前提下，在离子泵上的输入端接入一个20 kV的瞬间高压，可以进行有效清除。通过如此操作可以适当改善离子泵性能并延长其使用寿命，但非专业工程师要慎用此操作。

（4）临床使用中离子泵常见异常现象分析

离子泵使用几年后，日常中会出现治疗过程中真空突然下降，并报错Item 238 10-4trp G，Item 239 10-4trp T，Item 240 10-5trp G或Item 241 10-5trp T，并Item227/228的值越来越大。为防止离子泵长期在差真空环境中工作而影响离子泵性能和使用寿命，如果几分钟内真空无好转，应关闭离子泵电源十几分钟到半小时不等，然后再次重启离子泵，真空可能恢复正常，也可能需要外接分子泵进行进一步处理才能恢复。这故障现象涉及到真空领域的一个现象是 “氩的不稳定性”（Argon instability）[4]。主要关于真空系统中的惰性气体处理问题。惰性气体在溅射式离子泵中主要依靠两种方式清除，其一是惰性气体电离后，正离子部分在电场力作用下获得能量飞向阴极，轰击钛阴极板时可被中和成中性原子，有了更强的穿透力，最终植入在距离阴极表面几个原子层厚度深度处被掩埋。第二个清除是由于高速运动的电子在电场力作用下获得能量轰击气体分子，产生正离子，正离子在电场作用获得能量轰击阴极钛板，溅射出钛原子，钛原子飞向阳极或者泵内其他位置形成新鲜钛膜，钛膜在吸附活性气体的同时对惰性气体以及中性原子覆盖掩埋。离子泵通过以上两种方式清除系统中的惰性气体。随着离子泵的使用，阴极钛板逐渐被侵蚀，被植入在钛板或者掩埋在钛膜里的惰性气体有可能因为离子再次轰击被释放出来，气压升高系统报错，这就是氩的不稳定性。参照厂家手册，性能相近的离子泵在气压不高于10-6mbar情况下，使用寿命是50 000 h[8]，也就是5.7年左右，对离子泵性能的评估时可作参考。分析不同离子泵对各种气体抽速表发现，二级泵对于惰性气体Ar的抽速相对于空气只有1%左右[4]，所以加速器中离子泵对惰性气体的处理能力很大部分决定了真空水平。

2 真空维护和维修总结

鉴于真空系统构造特有的复杂性，总结我们在实际临床工作中经验，特提出一些关于真空维护和维修建议并供同行参考。

保持真空环境的稳定。真空系统是一个动态平衡系统，离子泵在清除系统内气体分子同时也有气体分子经过各种缝隙进入系统。离子泵的处理气体能力和进入真空系统的气体形成一个动态平衡，为了保持真空稳定，所以要求离子泵24 h不间断工作，建议选择配置合适的UPS电源应对偶发停电，减少离子泵在异常真空范围工作时间，延长其使用寿命。

涉及到真空系统的一些维护和维修，需要破坏真空。在重建的时候，切忌急于求成，真空重建是一个慢工出细活的过程，重建过程越仔细，故障越少，相关元器件寿命更长。通常我们在重建真空过程中需要严格控制机房温湿度（湿度太高，环境水蒸气多；湿度太低，环境容易起扬尘）、选取高纯度氮气、清洁好每件工具。离子泵上电之前保证分子泵抽足够时间（6～8 h），严格按照厂家手册要求更换损耗件如密封圈。特别是从事需要定期更换的电子枪灯丝工作时，一个科学的操作流程能让工作更加顺畅[9-10]。同时为了真空更快恢复稳定，灯丝排气时还可通过改变磁控管微波输出频率和相位，让微波轰击腔壁不同部位，加速气体分子的排除。同时为了延长元器件使用寿命和保证机器输出剂量的精确性，在灯丝排气过程中，建议真空值不要高于-5.6；在AFC和Gun servo调节过程中，要求真空值要稳定在-6.0以下，真空不稳会导致输出剂量不稳定。

表1 各种离子泵对不同气体抽速表Tab.1 Pumping rate of various ionic pumps for different gases

关于真空系统的烘烤（Baking）。为了延长离子泵使用寿命以及提高真空水平，通常会对离子泵进行烘烤，以求更快去除系统中的惰性气体和极性水分子。尽管我们从表1中得到水分子在离子泵中抽速和氮气无差异，但由于水分子为极性分子，粘性大，不易被排除。在高真空（10-3torr～10-8torr）环境下，真空系统中气体的70%～90%都是水分子[11]。无烘烤情况下，PAL等[12]研究表明离子泵排除系统内一定水达到一个相对稳定水平需要超过30个小时。祁增凌等[13]在实际维修中也发现系统中存在一定水分子情况下，达到稳定状态需要近2天时间。同时PARK等[14]研究表明，烘烤对真空水平提高以及速度提高有显著作用。医科达直线加速器使用的离子泵，在不带磁体情况下，可以耐受350oC高温[8]，但是实际情况中，须考虑系统安全，密封圈的特性，一般要适当降低烘烤温度，延长烘烤时间。加速器系统可以通过设置水温报警上限，提高系统温度来适当增加水分子排气速度。对裸露真空管道以及去磁体的离子泵，建议烘烤时温度不超过120oC。

及时更换故障元器件，不带病运行机器。真空系统关系到电子运输与剂量输出。同时其组成的各种配件价格昂贵，真空系统内部相通，只有及时处理故障才不会拖累整个机器系统，避免带来更严重后果。

每日记录Item 227 Vac Gun和Item 228 Vac Tar值。真空系统故障很多情况下都是在缓慢变坏的过程，并且不会马上报错。建议做到每日记录上述两个数值，分析其运行趋势，在没有出严重后果前早日发现问题，解决问题。