医科达Precise直线加速器高压故障维修案例

王绪刚，于晓君，魏绪国

聊城市人民医院 放疗科，山东 聊城 252000

引言

医用电子直线加速器是目前最常用的放射治疗设备[1]，医科达Precise治疗系统是具有世界先进水平的数字化直线加速器平台，可实现多种放射治疗技术及高级临床应用[2-3]。我院Precise医用加速器自2006年开始使用，使用年限已久，近期各种故障频发，其中高压系统故障出现频次较高，严重影响机器的开机率和稳定性，这就要求医院工程师具备及时解决加速器高压故障的能力。目前有一些关于医科达医用直线加速器高压故障问题的解决方案[4-12]，对相关故障处理提供了指导。本文介绍了Precise直线加速器高压系统的电路组成和工作原理[13]，通过对我院加速器4例高压故障维修案例的分析处理，总结了高压故障的维修方法和初步处理流程，并对如何进一步开展相关维修工作进行了探讨。

1 基本原理

Precise加速器高压系统主要包括17区直流高压电源（HT PSU）和30区调制器。高压电路由充电电路、放电电路、控制监测电路组成[14]，见图1。

图1 高压系统原理图

1.1 充电电路

充电电路可以分为输入级电路和输出级电路，见图2～3。380 V三相交流电从稳压器输出，经过主接触器CON A、常闭高压开关CB1、高压接触器CON J、CON K、CON D和一条四芯电缆后到达HT PSU的滤波电路（Filter），然后经过二极管D1～D3、电感L1和电容C1～C4，被整流滤波为600 V直流电。充电过程如图1所示，开关管TR1、TR2受脉冲控制电路控制，充电时，TR1、TR2导通，600 V直流电向充电变压器充电，此时充电二极管（CR）反向截止，当达到所需能量时，TR1、TR2关闭，充电变压器通过CR向脉冲形成网络（Pulse Forming Network，PFN）充电。通过控制电路控制PFN的充电次数，可以使PFN上所充的实际电压值达到14 kV（低能模式）或19 kV（高能模式）。

图2 充电电路输入级电路

图3 充电电路输出级电路

1.2 放电电路

在PFN正常充电过程中，闸流管始终处于关断状态。每次充电结束后，PFN上的充电电压由于CR的作用不会反向放电。放电过程如图1所示。当PFN达到了设定的电压之后，闸流管被触发电路控制导通，储存在PFN中的电能经闸流管、脉冲变压器初级放电，再经脉冲变压器升压后在次级产生38 kV（低能模式）或52 kV（高能模式）的高压脉冲。输出的高压脉冲一路加在磁控管阴极使之产生微波，一路加在电子枪阴极使之产生电子。

1.3 控制监测电路

控制监测电路可以对充放电回路进行信号监测和控制保护。主要包括缓冲保护电路、充电抑制回路、高压超载监控电路、PFN电压监视电路和反向超载检测电路等5部分，此外还有高压电源和调制器过温控制、充电变压器原边电流监测。16区高压电源控制板HTC PCB通过判断各路监测输入信号是否正常，来控制高压驱动脉冲HT driver pulse的输出，从而控制高压充放电过程。

2 故障案例一

2.1 故障现象

机器状态为“ready to start”时，按下“start”开始键出束，机器间歇性出现“HT C.B.”联锁。该故障频率为每天出现5次以上。

2.2 故障分析与处理

机器报“HT C.B.”联锁为70区ICCA柜高压开关CB1跳闸导致。跳闸原因可能是电路中有漏电或短路的地方，或者是由于高压接触器CON J、CON K、CON D的触点颤动，接触不良。由于只是在按出束键时CB1间歇性跳闸，出束过程中不会跳闸，因此高压接触器部分出故障的可能性较大。故障处理过程如下：

（1）排查充电电路输入级电路。如图2所示，CON D在CON J、CON K吸合之后延时0.5 s吸合，在接触器CON D各触点两端并联了软启动绕线电阻R1、R2、R3，作用是抑制浪涌电流，电阻损坏会导致电流过大引起CB1跳闸，因此查看并测量了R1、R2、R3，其正常阻值为14 Ω，测量阻值正常。

（2）排查高压接触器的供电电路。观察发现73区负温度系数NTC2热敏电阻（型号N10SP025）烧坏。分析电路图（维修手册图纸编号45133307054-WD）（图4），CON A吸合后，从三相电源引出一路单相电通过高压联锁开关CB9和NTC2热敏电阻，给变压器T1输入级供电，T1输出交流电压24 VAC，该24 V通过一系列继电器开关最后给到高压接触器CON J、CON K、CON D，使之正常吸合。分析故障原因，NTC2热敏电阻（图5）烧坏会导致输入变压器T1的电压降低，变压器T1输出电压低于24 V，高压接触器线圈得不到足够的电压，吸合时发生触点颤动，从而引起开关CB1间歇性跳闸。更换新的NTC2热敏电阻后故障消失。

图4 高压接触器供电电路

图5 NTC2热敏电阻

3 故障案例二

3.1 故障现象

每次按出束开始键后，出束达到200 MU左右时会规律性出现“HT C.B.”联锁。

3.2 故障分析与处理

该故障为规律性出现，即每次出束200 MU左右时高压开关CB1都会跳闸。原因是出束200 MU左右时出现短路过流或者开关CB1本身出现问题。结合故障现象，怀疑电路中的线路存在接触不良，旋转机架故障没有变化，故障与角度无关。如图2所示，排查从73区到44区（TS73B到TS44）传输三相电的一条四芯电缆，发现电缆有一打火点，线包已经被烧坏开裂（图6）。更换整条电缆后规律性跳闸现象消失，但还是每天跳闸1～2次。最后更换CB1开关后故障消失。分析原因，四芯电缆没有完全损坏，一开始出束时没有短路现象发生，当出束200 MU左右时，四芯电缆因线路发热等原因导致短路，引起CB1过流跳闸。同时多次短路故障引起开关CB1本身出现质量问题，导致其偶尔发生跳闸现象。

图6 电缆打火点

4 故障案例三

4.1 故障现象

按下“start”键后听到机房内有一次尖锐的打火声，一开始可以按正常剂量率出束，反复出束几次后剂量率下降，报“dose rate error”联锁。出束完马上进入机房打开门2时听到门2内机器有一次尖锐的打火声。

4.2 故障分析与处理

因为还能出束，高压未被禁止，CB1没有跳闸，所以排除短路故障和通讯故障，且按“start”键时马上有打火声，说明高压充电电路异常，出束完马上打开门2时高压应当对地放电，此时打火说明高压对地放电异常，因此怀疑高压区充放电有问题。

处理过程如下：断开接口柜控制区ICCA开关，检查34区Modulator isolation和17区HT PSU，卸下防护盖板，用放电棒对高压区进行放电，以避免高压电击危险。检查34区和17区连接的高压线路无异常，检查17区观察发现滤波电容C3阳极端口接线处被烧黑，阳极端口和电阻R5的接线被烧断，见图7。将电容C3和电阻R5卸下，正常电容容量为2200 μF，测量C3电容容量无，电容损坏，正常电阻阻值为56 kΩ，测量R5阻值正常。更换新的电容后试机正常。分析总结，打火是由C3损坏不能正常充放电引起，C3损坏导致滤波电压变低，充电变压器原边和和副边绕组的电压降低，最终使加速管输入微波功率降低，输出束流强度（剂量率）下降。

图7 出故障的C3电容

5 故障案例四

5.1 故障现象

治疗病人过程中，在机架转到130°左右时出现“GTO O/Load”联锁，无剂量率输出。

5.2 故障分析与处理

查看手册，联锁代码为“Item 83 HT Overload”。正常时Item 83的part 1和part 4都为0，有联锁时part 4为1，高压被禁止。分析电路原理，当充电变压器对PFN进行高压充电时，一旦发生负载阻抗降低或负载短路现象，电流必然会迅速增加，高压超载监控电路探测到充电变压器副边绕组电流异常时，该异常信号会通过17区HT isolation unit（OPTO 2光纤接口）和HTCA optical receiver（OPTO 8光纤接口）送给16区HTC PCB，HTC PCB根据该信号禁止1.5 s高压驱动脉冲，同时该信号经过DIE-HTB PCB处理送到控制柜电脑从而报该联锁。

分析引起该故障的可能原因有：① 通讯故障，HT isolation PCB或者光缆出问题；② 反峰电路的二极管或电阻击穿或对地短路；③ 高压线缆对地打火或短路；④ 闸流管在第二个充电脉冲触发前没有完全关闭。随着闸流管老化，闸流管气压降低，引起栅1电压升高（稳定运行电压范围16.5～19.5 V，超过22 V报“The Grid”），可以通过升高氢气加热电压来增加气压，如果闸流管氢气电压过高，可能会出现不能及时关闭的情况而报错，此时需要更换闸流管；⑤ PFN损坏，如鼓包或者漏油，若有类似情况需要更换PFN；⑥ 充电二极管是否正常，若有故障，考虑更换充电变压器；⑦ 噪声干扰。

处理过程如下：① 因为故障与机架角度相关，首先怀疑线路有松动，查看高压线、线缆和光缆，高压线没有松动和打火现象，光缆线缆接线没有松动；② 然后排查信号传输是否故障，将OPTO 2接口到OPTO 8接口的光缆替换为备用光缆，故障依旧；③ 出故障时PFN V没有波形，因此怀疑PFN低阻抗。关掉接口柜上HT开关，给PFN放电，检查反峰组件上的二极管和电阻是否击穿或对地短路，用摇表检测反向二极管D1正常，测量与之串联的电阻R2～R5阻值正常。然后检查闸流管是否有短路，测量闸流管相关电压，灯丝6.2 VAC、氢气发生器5.5 VAC、栅1电压18.7 VDC、栅2电压-140 VDC，电压都正常，排除闸流管本身故障。再次检查发现与PFN相连的感应线圈L1闸流管阳极端松动脱落，导致其在机架旋转至130°左右时碰到金属支架出现对地短路，高压超载监控电路探测到电路中电流增大，从而报该联锁。如图8所示，重新将阳极焊接后试机正常，故障排除。

图8 闸流管阳极端焊接点

6 讨论与总结

本文针对医科达Precise加速器，首次提出了NTC热敏电阻损坏引起高压开关间歇性跳闸、三相电缆打火引起高压开关规律性跳闸、滤波电容C3损坏引起打火异响和剂量率降低、闸流管阳极接线松动脱落导致GTO O/L联锁等4例高压故障，并结合高压系统工作原理，通过查看故障联锁Item代码的part值、观察故障现象、分析电路图纸、用万用表和示波器实际测量等方法快速定位解决了故障。目前也有相关研究对医科达加速器HT C.B.高压联锁[15]、GTO O/L故障联锁[16-18]进行分析处理，虽然故障原理类似，但涉及的故障现象及处理方法与本文不同。本文维修案例都有联锁提示或有明显的故障现象，当遇到此类故障时，应当结合故障现象，分析高压电路工作原理，首先检查最大可疑点，可快速定位故障；而有些高压故障没有相应联锁提示，故障现象不明显，可以通过关键点检测法[19]检测关键点的波形进行判断。通过4例高压故障维修案例的分析处理，探讨高压故障的初步处理流程如下，希望能为工程师维修处理类似的医科达加速器高压故障提供借鉴。

（1）高压异常，判断高压是否被禁止，如果高压被禁止根据第（2）步处理，否则根据第（3）步处理。

（2）判断是否显示高压禁止联锁警告。如果无任何显示，10～20 s后显示“2R/2T/hump error”，应该进行PFN诊断，故障一般出现在PFN电压检测光缆和闸流管脉冲触发光缆[20]。如果显示联锁，当联锁信息为“HT overload、Crowbar detector、Reverse diode overload”时，应该查看相应Item代码。首先排除通讯光缆故障，再针对性地排查其他故障，其中“HT overload”故障原因如本文案例四所述，“Reverse diode overload”故障原因可能在反峰组件、脉冲变压器、磁控管[21]。当联锁显示CB1跳闸时应结合故障现象分析：按出束键后间歇性出现CB1跳闸，应该检查三个高压接触器以及对其供给的24 VAC电源、接触器CON D的3个软启动电阻；在出束过程中规律性出现CB1跳闸，线路本身出现问题的可能性大；每次按出束键时CB1都跳闸甚至出现三相电源跳闸现象，应该检查整流管、电感、电容、电阻等元件是否短路。

（3）禁止“Charge enable”，判断HT PSU是否有600 V。有600 V电压则将脉冲频率设为100 Hz然后重复第（2）步。没有600 V则测量是否有三相输入电压，没有三相电压则怀疑三相电有短路，有三相电压则说明600 V线路短路，应检查开关管TR1和TR2及其缓冲电路、整流管、电感、电容、电阻等元件，然后检查HT PSU driver PCB和HTC PCB的输入输出信号，最后检查充电变压器和PFN。以上都没问题，则正常出束几分钟后关机，对PFN放电后检查HT PSU是否有打火、烧焦、过温等异常现象。至此，基本可以初步排查出高压故障。

医科达Precise加速器高压系统结构复杂、故障率高，在高压故障维修工作中，可以围绕以下两点展开进一步研究：① 探讨如何制定周全的保养计划，进行高压系统的预防性维修，如果能提前发现参数异常的元件或松动的线缆、光缆等并及时更换，可有效地降低故障发生率；② 在处理没有联锁提示和无明显故障现象的高压故障时，工程师应该注意结合高压处理流程和关键点检测法灵活维修，提高维修效率。

综上所述，本文介绍了医科达Precise加速器高压系统电路组成和工作原理，通过4例高压故障维修案例的分析和处理，探讨了高压故障维修方法和初步维修流程。工程师只有充分掌握高压系统工作原理，结合故障现象进行理论分析和实际测量，才可快速定位排除高压故障，有效保证设备开机率和良好的运行状态。