瓦里安Clinac 21EX直线加速器GFIL连锁的故障分析与维修

袁虎，杨金泉，廖廷钊

大理白族自治州人民医院 a. 放疗中心；b. 设备科，云南 大理 671000

引言

放射治疗的放射线包括光子束与粒子束，其中光子束分为X 射线和γ 射线，直线加速器是产生高能电子束和光子束的主要设备。医用电子直线加速器是目前国内放射治疗的主流大型医用设备[1]，属于国家二类医疗器械。直线加速器的配比越来越高，随之而来的是直线加速器的故障现象也会增多。瓦里安直线加速器故障后提示GFIL 连锁，属于常见的加速器故障，本文阐述与瓦里安加速器GFIL 相关的电子枪灯丝电压控制系统的原理，通过对瓦里安直线加速器中的Clinac 21EX 机型9 年内发生的GFIL 连锁故障进行全面的详细分析，得出故障占比较高的类型，提醒发生GFIL 故障时特别注意占比高的故障，以帮助快速解决问题，并进一步分析故障现象和处理方法，为同类型的瓦里安直线加速器提供维修参考。

1 工作原理

直线加速器放射线的产生首先是电子枪发射电子，电子经加速管和RF 射频系统进行加速[2]，成为高能电子，高能电子打靶产生高能光子线或不打靶直接输出高能电子线，通过加速器的束流系统和准直系统进行束流准直后从机头输出，从而实现对患者的治疗[3]。

电子枪的工作原理如下：电子枪灯丝加热阴极，阴极发射电子并维持负的静电压，栅极利用比阴极更低的负电压，阻止电子束向阳极运动，从而达到控制电子束的目的。电子枪的灯丝电压控制分热端高压控制和冷端低压控制两大模块[4]。热端高压控制中的主要板件有热端低压电源供应板（Low Voltage Power Supply 板）、灯丝电源板（Filament Power Supply 板）、枪驱动脉冲板（Gun Driver Pulser 板）和热端板（ Hot Deck Backplane板）；冷端低压控制中的主要板件有电源供应板（Power Supply 板）、脉冲控制板（Pulse Control 板）和枪控制板（Gun Controller 板）。GFIL 连锁主要监测灯丝电压和栅极电压，描述提供给电子枪相关电压的故障[5]，图1 为GFIL 连锁故障传输简图。

图1 GFIL连锁故障传输简图

电子枪的灯丝电压信号由Filament Power Supply板监测并经模数转换处理后通过光纤P11～P15 传回冷端控制背板，再传到Gun Controller 板；栅极电压由枪驱动脉冲板通过光纤P10 和P16 传回冷端控制背板，再经过控制板来控制电子枪工作[6]。其中任一灯丝电压、栅极脉冲电压的异常都会引发GFIL 连锁[7]，并通过冷端枪控制板传到枪驱动背板，进而通过W30 电缆传输到机架的Gantry Patch Panel 板，再经W32 电缆传输到机座部分的Stand，最后传输到控制台Console，并在控制台电脑屏幕显示GFIL 连锁。当GFIL 连锁发生且冷端Gun Controller 板显示面板可正常显示时，会在Gun Controller 板的屏幕上显示相应的错误信息。工程师可根据错误信息和图纸解析大致判断出故障发生的原因，从而进一步深入分析故障。

2 故障汇总

本院瓦里安21EX 直线加速器自使用以来，每次故障都会详细的记录，统计9 年发生的GFIL 连锁故障如表1 所示，统计本院瓦里安21EX 加速器2014—2022 年共发生GFIL 连锁18 次，按照最后确定的故障部件将其分为5 大类故障类型， 2018 年未发生此类故障，当设备使用到第8 年后故障占比逐渐升高，分析为一些不易损坏的部件开始老化。其中故障类型二和故障类型三占GFIL 故障的总占比为77%，说明Low Voltage Power Supply 板和Filament Power Supply板这两个板件易损坏，建议做好硬件的储备，减少故障停机时间，提高维修效率。

表1 GFIL故障汇总表

3 故障类型一：冷端Power Supply板故障

3.1 故障现象

控制台报GFIL 连锁，拆开冷端盖板，可直观冷端的控制电路部分，当Power Supply 板发生故障时，S1、S2、S3 三个开关虽处在ON 打开状态时，但DS1、DS2、DS3 三个指示灯全熄灭，测量+5 V、+15 V、-15 V电压均为零。

3.2 分析与维修

Power Supply 板故障，共发生过两次，在GFIL 故障中占比11%。第一次发生时拆下板件，测量保险，发现F1—1.5A 125V 保险烧断，见图2。

图2 Power Supply板-保险

找到类似保险更换后，插回板件，DS 指示灯正常，测量输出电压正常，设备故障修复。第二次发生故障时，测量保险F1～F4 一切正常，查看图纸Power Supply 板的PS1 模块是主要的交流转直流的变压部件[8]，将模块拆下，直接在模块输入端接上交流电后测量输出端无直流输出，怀疑其损坏，见图3。在网上查找无此模块出售，只能和厂家购买整块Power Supply 板，更换板件后，故障解决，设备正常。

图3 PS1-变压模块

4 故障类型二：热端Low Voltage Power Supply 板故障

4.1 故障现象

开机晨检时控制台报GFIL 连锁，或治疗过程中报GFIL 连锁。拆开冷端盖板看冷端控制板板件中的Gun Controller 板显示屏显示的信息提示为HD A/D +，拆开热端盖板看热端散热风扇不转。

4.2 分析与维修

Low Voltage Power Supply 板故障自本院21EX 加速器使用以来共发生8 次，类型占比最高为44%。Gun Controller 板显示屏显示的信息提示均为HD A/D +,可通过查看瓦里安配套图纸了解代码信息，常见提示信息如表2 所示。

表2 Gun Controller板提示信息表

通过表2 信息提示，可看出HD A/D +是提示热端A/D 转换自检失败并已超限，热端散热风扇不转，说明热端已断电自我保护，断电保护怀疑此故障与电压有关。分析热端总体框图，热端的低压电源由Low Voltage Power Supply 板即低压电源供应板提供。具体查看详细原理图纸，热端Filament Power Supply 板的原理图上显示板件上有5 V 电、+15 V 电和-15 V 电的测量点[9]，并可通过测量（图4）测量点TP 之间的电压值，判断低压电源供应板的供电是否正常。

图4 热端Filament Power Supply板测量点

咨询厂家工程师，正常的TP1～TP2 之间电压约5 V，TP1～TP4 之间电压约16 V。此故障发生时，先通过逆时针微调（图4）Low Voltage Power Supply 板的电位器[10]，即可恢复供电，解锁保护状态，然后再进行电压测量。分析8 次故障时测量的电压记录，总结如下：此故障发生时测得TP1～TP2 之间电压均小于标准的5 V 约5%，同时测得TP1～TP4 的电压均与标准的16 V 偏差超过±5%，超过这个范围基本就会报连锁。由此可判断电压异常应与Low Voltage Power Supply 板的供电有关，因瓦里安厂家配套图纸中无Low Voltage Power Supply 板图纸，拆下低压电源供应板件观察实物（图5），当调整完电位器并重新打开冷端Power Supply 板S 开关上电测试后，图4 热端Filament Power Supply 板测得的电压会发生变化。反复调整电位器，使TP1～TP2 的电压尽可能接近5 V，同时TP1～TP4 的电压尽可能接近16 V，观察连锁是否消失，连锁消失说明Low Voltage Power Supply 板还可用，如调整后连锁无法消失，只能修复或更换Low Voltage Power Supply 板。观察实物板件，板件中有KA7915 等三端稳压器，三端稳压器主要起15V 电的稳压作用，更换三端稳压器后再上机测试Low Voltage Power Supply 板，测量点TP1～TP2，TP1～TP4 的电压能稳住且没触发GFIL连锁说明板件已修复。通过更换KA7915 成功修复一块Low Voltage Power Supply 板，但因长时间暴露在辐射环境中Low Voltage Power Supply低压电源供应板中的电容、三端稳压器等器件容易损坏，几个月后又发生同样故障，属故障率较高的配件，因此第二次同样故障发生时购买新的Low Voltage Power Supply 板进行更换。

图5 Low Voltage Power Supply板的电位器

5 故障类型三：热端Filament Power Supply板

5.1 故障现象

故障类型三现象与类型二现象相似，晨检或治疗中控制台报GFIL 连锁。但故障类型三发生时冷端Gun Controller 板显示屏显示的信息每次均不同[11]，有HD A/D +，HD GND 或Grid +等， GFIL 连锁有时会一直存在，有时会时不时闪烁。

5.2 分析与维修

首先参考故障类型二排除Low Voltage Power Supply板故障，先测量热端Filament Power Supply 板TP1～TP2之间的5 V 电压和TP1～TP4 之间的16 V 电压，电压均正常即排除了Low Voltage Power Supply 板的故障[12-13]。根据表1 信息，HD A/D +、HD GND 和Grid +均为是指热端的故障，最终均传回到冷端的信号异常。为快速解决故障，接下来逐一查看现有的热端剩余板件，瓦里安厂家装机时原配的热端板件备件中，有两块板件——Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，逐一更换试机，此类型故障发生后都是更换Filament Power Supply 板后解决，说明此类故障与Filament Power Supply 板相关。故障解决后查看Filament Power Supply板原理图纸，主要部件原理框图如图6 所示。

图6 Filament Power Supply板信号输出简图

灯丝电源板信号经放大、稳压等处理，最后都来到U2 芯片（TLC1541IN），查找U2 芯片资料，资料显示U2 芯片为A/D 转换器，实现模拟信号和数字信号之间的转换，完成转换后经与非驱动器U3（75452）芯片再经发射器 (HFBR1531）连接光纤然后直接传回冷端。怀疑U2——A/D 转换器坏引发的故障，购买芯片更换后，再试机，未出连锁。说明板件里的U2——A/D 转换器确实故障，直接更换后即可修复，修复后作为备用板件使用。

6 故障类型四：热端底板 Hot Deck Backplane 板故障

6.1 故障现象

控制台GFIL 连锁时不时闪现，无法出束，Gun Controller 板显示屏显示的信息提示为HD A/D -，返回控制台按Enter 后或经急停重启后连锁或可消失。如不能消失等待5 min，再次急停再次开机又正常，报警消失。

6.2 分析与维修

因连锁时有时无怀疑接触不良或电源不稳定，且连锁出现时Gun Controller 板显示屏显示的信息提示为HD A/D -，怀疑Filament Power Supply 电压被拉低，参照故障类型二拆开热端测量（图4）Filament Power Supply板TP1～TP2 之间的电压为4.78 V 和TP1～TP4 电压为16.06 V，电压还在正常范围，Low Voltage Power Supply板不需更换。微调大5 V 电压接近5 V，16 V 不超5%后继续观察使用。观察结果为报错规律与微调电压前一样，说明此故障与Low Voltage Power Supply 板的电源供应无关。为快速判断故障，逐一更换手里有的热端备件Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，观察几日，无明显改善，故障现象依旧。此时仅热端底板Hot Deck Backplane 板未更换，拆下热端底板，并查看底板图纸，底板配件不多主要有个变压器及一些滤波整流的电容，底板主要起板件之间的连接及变压等作用，无芯片可换，考虑电容等元器件老化。查看实物与图纸的同时，发现Hot Deck Backplane 板有多个测量点，安回板件上电，对测量点进行电压测量，测量点如图7所示。

图7 Hot Deck Backplane板测量点

经多次测量分析TP1～TP2 之间电压不稳，在120～140 V 之间波动，波动较大，查看原理图纸，电压应稳定在120 V 左右，怀疑底板故障。考虑板件中电容较多，设备使用年限较长，怀疑电容老化或板件之间的接触不良，为降低故障停机时间，且手中无备件可换，无法验证是否属底板问题，决定购买新的Hot Deck Backplane 板。更换后连锁未再出现，故障解决。旧板件拆下后将电容C3（4.7 μF/250 V）焊下测量时，电容测量为4.37 μF，怀疑其老化不稳定，更换电容，待下次试机验证。

7 故障类型五：机架Gantry中的Gantry Patch Panel板故障

7.1 故障现象

机架转动时会时不时引发GFIL 连锁，发生连锁后打开冷端看Gun Controller 板显示屏显示的信息为IL0,Mode Err。

7.2 分析与维修

冷端Gun Controller 板显示屏显示的信息为IL0,Mode Err，通过表2 信息提示可看出，此信息表述的是模式错误，在控制台切换不同模式的能量，切换时已听见气阀的声音，但显示信息依旧，说明能量确实已切换但信息无法传输到控制台。再分析此故障在机架转动时引发，怀疑与机架内的信号传输线在旋转过程中可能发生断路，查看GFIL 信号传输框图，先排查机架旋转时会影响的电缆线——图1 所示的Gantry 与Stand 之间的W32 信号线[14]。对照图纸用万用表逐一测量W32 信号线的两端，一边手动拉扯线模拟机架旋转的影响一边测量看是否导通，结果并无发现W32 断路的异常情况。然后按上述故障类型描述的方法，测量Filament Power Supply 板TP1～TP2 之间的电压，TP1～TP4之间的电压并无异常，测量底板Hot Deck Backplane 板TP1～TP2 之间的电压并无异常，逐一更换备件Filament Power Supply 板和Gun Driver Pulser 板，故障依旧，目前为止手上有的备件，且与图纸中相关的板件都已更换完。于是又对照GFIL 连锁故障传输简图（图1）和详细的Gantry Patch Panel 板的原理图纸，检查线缆传输部分并一路按框图反向测量信号输出。先从机架穿线W32与Gantry Patch Panel 板的连接入手，见图8。

图8 Gantry Patch Panel板J2针脚简图

把穿过机架并与Gantry Patch Panel 板连接的W32线缆的14、15、16、17、19、30、31 等与GFIL 相关的针脚进行测量，再按瓦里安配套的原理图纸所示线缆连接从Gantry Patch Panel 板J2 →Gantry Patch Panel板J17 →热端Gun Driver Backplane 板的J2 →Gun Controller 板的P1（通过插延长板来测量）逐一测量，均导通。说明线和中间的板路均无问题。再次认真研究图纸，检查未查到的板路和路线，决定带电测量电压看信号传输中断位置，注意此时用万用表带电测量时切不可短路针脚以免引起别的故障，按上述路线再次测量，当测量到Gantry Patch Panel 板J17 时，发现J17 图纸上的12 角如图9 所示，+12 V 电——无电压。

图9 Gantry Patch Panel板J2针脚简图

怀疑Patch Panel 板故障，导致+12 V 传输异常所致。因无Gantry Patch Panel 板备件，只能将J2 的8 角+12 V电用电线短接到J17 的12 角。短接后再试机，切换能量模式，此时冷端Gun Controller 板显示的信息可从IL0～IL2 之间切换，但GFIL 连锁还未消除，再认真观察，发现冷端Power Supply 板的DS2 灯不亮，拔出Power Supply 板按故障类型一方法检测，发现一2 A 的保险烧断，怀疑可能因中间测量途中短路导致，更换保险后插回，试机正常，GFIL 连锁消除，故障修复。此次故障过程曲折，耗时较长，但紧紧围绕原理图纸逐一分析，将框图中的板件和导联线基本都排除完，最后排查到了不常见的Gantry Patch Panel 板还是将其修复。接下来对临时短接的Patch Panel 板的J2 和J17 针脚的紧急措施进行分析，分析后期机架旋转过程中如焊点脱落电线短路会造成更大的故障，还是采购了新的Patch Panel 板，新板更换后试机正常，将旧板作为备件使用。

8 讨论与总结

当直线加速器的加速器发生故障时，将停止放疗患者的治疗，如长时间停机，从生物学和放射物理学的角度分析，对整个放疗进程增加了很多不确定因素，因此，及时快捷的维修对放射治疗尤其重要。本文通过对9 年来本院21EX 直线加速器同一个GFIL 连锁的故障现象、故障分析与维修进行了详细的描述，并按损坏的硬件将其分为五大类型，依次对各大类型的故障深入分析，提供了快捷的维修方法和典型的板件维修方法，基本囊括了与21EX 加速器GFIL 连锁相关的大部分硬件故障。通过上述的维修过程分析，GFIL 连锁故障占比77%：热端Low Voltage Power Supply 板故障，主要是因电压异常导致，所以要调整电压或时常测量进行提前预防维护，并做好备件储备；热端Filament Power Supply 板故障，主要是涉及信号的转换与传输，所以板件也易出现故障。瓦里安Clinac 系列加速器原理类似且厂家都配有相关原理图纸，按照同样的思路，当发生GFIL 故障时，同系列的设备，工程师可优先判断是否为此两种故障，其余相似故障亦可借鉴文中的其他类型故障的处理过程并结合配套图纸进行深入分析。

作为医院的维修工程师，面对大型的进口医疗器械，平时的知识储备在设备发生故障时将深刻体现，故障信息的查询，维修思路的形成，及原理图之间的串通，都需要工程师熟练掌握相关理论知识。扎实的理论基础能帮助工程师熟练掌握故障的提示信息大致内容，快速的查找相关错误信息，了解信息传输的总体框架[15]，准确定位故障所在，再加上工程师的信心、耐心和创新，终能解决故障。除此之外工程师还要对设备做好管理，平时记录好设备的运行状态，做好设备的维护，故障发生时详细记录每次维修过程，更要根据设备的运行情况做好常用备件的储备[16]，这样才能快速的解决故障，为医院和患者提供更换的服务。