西门子RDS111 型医用回旋加速器射频系统故障分析与维修

唐 毅，王 强，张月颖，王方洋

（陆军特色医学中心核医学科，重庆400042）

0 引言

医用回旋加速器是制备正电子类放射性药物必不可少的正电子核素生产设备之一，由多个子系统组成。其中射频系统是回旋加速器中非常关键且复杂的系统，是氢离子获得能量的唯一系统，其产生的高频振荡电压使氢离子每经过一次D 盒（谐振器）边缘都被加速一次而获得能量，直至氢离子达到设计能量时通过引出系统传输至靶室[1-2]。

随着核医学的发展，正电子类放射性药物的种类越来越多，回旋加速器作为生产正电子核素的必要设备，不仅需要生产足量的正电子核素，还要具有良好的稳定性[3-4]。为了保证正电子核素的正常生产，回旋加速器的保养和故障排除尤为重要。本文主要介绍西门子RDS111 型医用回旋加速器射频系统的3 例典型故障现象、产生的原因和维修过程，以为工程师维修类似故障提供参考。

1 射频系统构成

射频系统由频率发生器、衰减器开关、前置放大器、中级放大器、末级放大器、同轴电缆、联锁控制电路、耦合器和D 盒组成，如图1 所示。其中，联锁控制电路负责实时监测射频系统的运行状态，当D 盒出现打火或者共振失谐后及时关闭信号输出，当打火消失或者重新找到共振频率后恢复信号输出。频率发生器通过检测射频系统的共振频率生成相同频率的信号并实时跟踪共振频率。前置放大器均为晶体管放大器，中级放大器和末级放大器均为电子管放大器，通过前置放大器、中级放大器、末级放大器放大后达到设定的输出功率。在实际工作中，射频系统时常会发生一些故障，充分掌握射频系统的构成及各部分之间的关系，可以预防故障发生，减少故障率和维修时间。

图1 射频系统构成

2 故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

开启射频系统时听到“啪”的一声巨响，同时看到闪光，拆开后看到熔断丝、电路板上的J5 针脚处均已烧毁，如图2所示。

图2 电路板烧毁照片

2.1.2 故障分析

射频系统的末级放大器为电子管放大器。电子管放大器内部为真空，主要由灯丝、阴极、栅极、屏极等组成，外部由铜圈、聚酰亚胺薄膜（绝缘膜）和铝片组成，依次包裹在电子管放大器外。开启射频系统时，加在末级电子管放大器屏极上的电压为6 kV，当射频系统共振后绝缘膜两侧的高频脉冲电压最大值达到50 kV。

结合故障现象和电子管的结构分析故障原因有：（1）绝缘膜被击穿损坏。电子管放大器工作在高频脉冲电压下，绝缘膜会产生强烈电晕放电，这种电晕放电所形成的空间电荷容易造成绝缘材料表面粗化，出现凹坑。电晕放电集中在这些凹坑并通过树枝化向材料内部发展，直至击穿绝缘材料[5]。（2）电子管损坏。电子管在使用过程中碳化层不断分解、扩散、蒸发且不可恢复，可能因各种原因导致真空漏气[6]。以上2 种原因都会导致电子管放大器发生短路，导致熔断丝烧毁并引起其他电路故障。

2.1.3 故障排除

取出电子管放大器仔细观察绝缘膜、铝片和铜圈，共发现4 处异常（如图3 所示）：①为绝缘膜被击穿损坏，②为铝片被击穿损坏，③为铝片呈现散射状，④为铜圈在①的内侧由于绝缘膜被击穿产生毛刺。处理方法：（1）更换全新的绝缘膜和铝片；（2）将铜圈上的毛刺打磨光滑；（3）更换电路板上烧毁的针脚J5并做绝缘处理。经安装调试后，设备运行正常，故障排除。

图3 电子管放大器损坏照片

2.2 故障二

2.2.1 故障现象设备正常运行中射频系统突然失去共振，靶室电流值变为0。

2.2.2 故障分析

经过检查，排除末级放大器、中级放大器和前置放大器故障，确定是频率发生器故障导致射频系统无法工作。频率发生器是射频系统必不可少的信号源，可以输出标准的正弦波、实时跟踪共振频率、快速调节输出波形频率。判断频率发生器的输出信号是否正常，可以使用示波器测量频率发生器的输出波形[7]，根据波形图进行判断。

该频率发生器输出信号频率为72 MHz，因此选用200 MHz 的示波器测量频率发生器的输出信号，测量波形图如图4 所示。从图4（a）的波形图可知，频率发生器的输出信号不连续，且不连续的规律与电源的频率相吻合；从图4（b）的波形图可知，输出的波形不是标准的正弦波形。结合图4（a）和（b）的示波器的图形和时间参数分析，可能是电源故障。

图4 频率发生器输出信号波形图

2.2.3 故障排除

检查频率发生器内的电源模块，发现共有5.4 V和-12.4 V 2 个输出，其中5.4 V 用于TTL 和MECL逻辑电路，-12.4 V 用于晶体放大器。使用万用表检测电源模块，2 个输出电压均不能达到设计值。进一步检查电源模块上的2 只电容，发现其中一只电容（10 000 μF，16 V）鼓包，另一只看不出变化，为使设备运行稳定，同时更换2 只电容。电容更换后电源模块输出电压恢复正常。频率发生器输出信号恢复完整的正弦波形，如图4（c）和图4（d）所示，故障排除。

2.3 故障三

2.3.1 故障现象

射频系统在待机时末级放大器仪表指示不正确，2 只功率仪表反向偏转（如图5 所示）。

图5 末级放大器仪表显示面板

2.3.2 故障分析

在回旋加速器生产过程中，仪表非常关键，对生产效果起到了决定性的作用[8]。指针式仪表能把机器和设备的有关信息以快速、准确、易于接受的形式传递给操作人员，便于调节设备的工作参数和判断设备的工作状态[9]。末级放大器的仪表显示是基于MC1458（双运算放大器）的放大电路，可以根据探测器的输出电压以及后级所需要的电压设置合适的放大倍数[10]，即可以通过调节放大倍数使仪表指示的读数与真实值相对应。待机时各仪表指针均应指向“0”，现2 只功率仪表反向偏转，可以初步确定MC1458放大电路板存在故障。

2.3.3 故障排除

通过查看电路图纸和仪表线路走向找到电路板所处位置，发现电路板上的MC1458 严重烧毁，如图6（a）所示。进一步检查发现，另外一块电路板上的LM7915 和LM7815 芯片（±15 V 三端稳压芯片）及对应的二极管均已烧毁，如图6（b）所示。拆除烧毁的芯片和二极管并检查电路板情况，排除其他故障后，更换所有烧毁的芯片和二极管后进行测试，仪表读数正常，设备运行稳定，故障排除。

图6 烧毁的元器件

3 小结

回旋加速器射频系统是非常重要且复杂的系统，维修人员要充分掌握射频系统的结构和运行原理，才能快速排除故障，保证设备运行稳定。通过上述3例故障总结得出：详细记录故障现象对故障分析和排除有很好的指引作用；合理使用检测仪器，可以快速确定故障点；重点关注仪器仪表读数，读数发生偏差要及时检查设备或者调整运行参数。