住友回旋加速器故障维修两例

毕泽威，王树涛

赤峰市医院 （内蒙古赤峰 024000）

回旋加速器是一种利用磁场和电场共同使带电粒子做回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置[1]。回旋加速器可产生正电子放射性药物，药物注入人体发挥示踪剂的作用，医师即可通过PET/CT 观察患者组织、器官的结构及代谢情况，从而实现对疾病的早期监测与预防[2-3]。

2019 年，我院引进了日本住友公司的升级版HM-10HC+回旋加速器，该款加速器最高提供10 MeV质子能量，采用100 μA 双束流及50 MHz 低射频技术，预留固体靶位、18F-13N 液体铌靶、11C 气体银靶，配备全自动生产监控、启动及邮件报警系统，常规模式下1 h 生产2.6 Ci F 离子、2 h 生产4 Ci F 离子。此款回旋加速器采用的是全屏蔽体设计，屏蔽部分由2 块屏蔽体和2 扇屏蔽门组成，以全方位防护辐射。内部结构主要由电源系统、磁场系统、射频系统、离子源系统、引出系统、靶系统、真空系统、冷却系统和控制系统组成。其中电源系统供给各路所需电压。真空系统的作用是减少束流丢失，并对高压电场绝缘，同时保障带电荷粒子的产生、加速和传输[4]。现介绍我院在使用住友回旋加速器时遇到的两例故障（IGBT 过载报错和真空系统机械泵过载报错）的处理过程，以期为同行提供参考。

1 工作原理

回旋加速器的工作原理：位于回旋加速器中心部位的离子源经高压电弧放电使气体电离发射出粒子束流，粒子束流在半圆形电极盒中运动，半圆形电极盒与高频振荡电源相连为加速粒子提供交变电场，在磁场和交变电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中加速运动[5]；带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得足够的能量，在此处粒子将被束流提取装置引出[6]。

2 故障实例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

电脑端启动主磁体时出现“IGBT OVER LOAD”错误。

2.1.2 故障分析与排除

回旋加速器由室内供电单元（380 V，45 kW，50/60 Hz）配电，供给变压器（380 V 转换为200 V）输出，输出的电压供给磁体电源柜、控制柜、射频电源柜和射频放大柜。通过故障报错提示，确定为主磁体电源单元故障。

首先，检测室内供电电源，三相电源均衡，输出正常；其次，检测变压器的输出电压，在正常范围；然后，打开磁体供电柜，检测输入电压正常，排除线缆故障。此时，主要检测IGBT 相关回路的电路板。断开MCCB1 开关及IGBT 上所有接线（两个IGBT 并联，无法在线检测），IGBT 为电压型控制器件，具有二极管属性，可单独测量每个IGBT（正常约为0.317 V），发现其中1 个IGBT 短路，判断为烧坏。更换新的IGBT 后，设置10、50、100、121.6、150 A 的电流慢慢启动主磁体，每个电流稳定一段时间，150 A 稳定1 h，之后磁场电流打开，故障排除。

该设备使用约2 周后再次出现“IGBT OVER LOAD”报错，报错可复位，时有时无。单独检测每个IGBT，正常；检测输入二极管特性，正常；检测输出端二极管，电压为0.325 V 和0.317 V，为保证P/N 平衡，更换2 个电压均为0.317 V 的二极管。更换新的输出端二极管后，设置10、50、100、120、150 A 的电流慢慢启动主磁体，每个电流稳定一段时间，150 A 稳定20 min 后再次出现IGBT 报错。重新设置后能再次启动，但故障依旧。排查IGBT及输出端二极管后，应考虑连接IGBT 的传感器、控制板和驱动板是否出现了问题。更换DCCT 元件后，启动主磁体仍报错；更换2 块IGBT 前端控制板，启动主磁体同样报错。

打开MCCB1 开关，在不启动主磁体的情况下，通过示波器检测驱动板输出端到IGBT 的电压（此端为驱动电压，正常应＞10 V），连接好线后施加假信号做模拟启动（断开MPS 板上CN8 和CN6，CN8 端短接），共4 个IGBT，发现第3 个IGBT 驱动电压在10 V 上下波动（导致IGBT 报错时有时无）。断开驱动板输入线，测量电压为5.1 V，有假信号时电压为2.5 V，找到了问题点（正常情况应均为5 V 左右）。检测MPS 板上TP11～TP18 8 个输出端波形图，发现TP15、TP16 无信号（主板上测量元件无需接假信号）。通过检测发现JP15 与TP15、TP16 相连，通过用手按压发现信号时有时无，更换顶部短接头后仍旧如此，观察MPS 板无明显烧灼痕迹，使用短接线短接JP15 两端，检测JP15 端信号，发现信号时有时无。在排查过程中，手动按压DL3～DL8 芯片，示波器信号显示正常。拆下MPS 板，使用电烙铁重新对DL3～DL8 底脚焊接加固，再次检测各输出端信号，均正常。更换新的MPS 板后检测TP15、TP16 端信号正常，检测驱动板输出端到IGBT 输入端点处信号正常，检测电压正常（29.3 V），连续测试30 min 左右未出现问题。在电脑端慢慢启动主磁体确认无问题，选择LOCAL 启动，设定电流为0 A，多次开关主磁体电源无问题后，在电脑端设定磁体电流为120 A 连续运行3 h 以上进行确认。设备运行正常，故障排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

回旋加速器抽取真空时出现报错“4818:00 VAC.EXH.SYS.ROTALLY PUMP OVER LOAD 4913:00 VAC.EXH.SYS.RP RUN RP THERMAL TRIP”，真空系统机械泵过载报错。复位空开过载保护，重新启动立即报错。检测电压在正常范围，启动运行电流为27 A 左右，超过限定值，且运行时噪声较大，重启后再次检测，故障依旧。

2.2.2 故障分析与维修

如图1 所示，HM-10 型回旋加速器的真空系统主要由一级机械泵、二级油扩散泵、真空阀门、粗真空计和高真空计组成。真空系统用以提供加速负离子所需的高真空环境[7]。真空腔体积为167 L，机械泵、油扩散泵与真空腔相连通，相互之间使用低真空阀和高真空阀控制，真空计可监测真空腔和管道的压力，在不通入离子源气体时通常保持在10-7mbar 数量级，通入氢气后真空度会下降至10-5mbar 数量级[8]。

图1 HM-10 型回旋加速器真空系统的结构

根据故障信息，机械泵过载并热保护开关关闭。出现此类故障后，应重点排查控制柜内部连接机械泵的断路器和机械泵运行是否正常。首先，检测断路器，分别在待机状态和运行状态下多次检测电压，均在正常范围，此时基本排除断路器损坏的可能；其次，检测机械泵，使用钳形表检测机械泵的启动运行电流，发现启动电流远远超过了设定范围，运行一段时间后热保护开关跳闸，重新打开热保护开关，启动抽取真空后发现机械泵开始运行并伴有噪声，约几分钟后，设备报错并停止运行，此时检查了泵油的颜色和视油镜的液面高度均在正常范围。使用万用表测量电机绕阻，在正常范围，说明电机部分未完全烧坏。打开进气和出气口端，拆下“O”型圈、卡环和过滤器，同时清洗过滤器并晾干，重新安装机械泵后进行测试，故障依旧。

由于机械泵在运转时噪声较大，重点检查了电机机盖，无明显损坏，证明噪声来源于机械泵内部。住友回旋加速器使用的机械泵是英国EDWARDS 生产的E2M28 型。此泵为两级直接驱动的叶片泵。其中，泵是一个独立的装置，驱动由单相或三相（四极）电机通过柔性联轴器提供。电机是完全封闭的，由电机冷却风扇将空气引导至电机的散热片上进行冷却。此款低真空机械泵的电机具有热过载装置，即当电机过热时，热过载装置便会关闭泵。且其还具有自动复位功能，即电机冷却后，设备便会复位，电机将重新启动。由此可见，此泵噪音大的原因可能是电机联轴器松动、电机轴承磨损或叶片被卡住。拆卸电机和泵头后，手动转动叶片顺畅无顿挫感。单独给电机加电发现其高速运转后出现发热现象。使用摇表对电机进行检测发现电机线圈的绝缘性能较差，同时发现电机轴承有明显磨损痕迹。向厂家订购了新的机械泵，检测新电机绕阻在正常范围。连接新的真空泵，添加泵油，通电测量转向，连接管线。机械泵运转声音正常，测量电压RS 205.1 V/ST 204.6 V/RT 203.6 V，测量电流R 2.87 A/S 2.81 A/T 3.04 A，真空抽取速度正常。反复测量电压电阻均在正常范围。第2 天再次测量，参数值均在正常范围，且运行正常，故障未再次出现。

3 小结

回旋加速器结构精密、复杂，涉及物理、机械、电气等多学科、多领域知识。若回旋加速器发生故障，则可影响医院核医学科临床诊疗工作的顺利开展。因此，医学工程部工程师应深入了解回旋加速器的结构及工作原理，在日常工作中注意积累维修经验，如此，在遇到设备故障时，才可逐步分析并查找故障原因，迅速采取解决措施，保障设备正常运行。