瓦里安C系列加速器槍系統與聯鎖原理分析和典型案例

張慶釗，葉裕豐，劉凌湘

廣州市番禺區中心醫院 腫瘤中心，廣東 廣州 511400

引言

瓦里安C 系列高能直線加速器在我國廣泛使用，由最早的21 系列，逐步升級換代成23 系列、trilogy，直至成為主流的基于iX 平臺的Clinac iX，其整合了包括動態運動管理在內的影像和治療應用，具備同步成像、圖像引導、調強適形和立體定向等先進放射治療技術，均采用三極（柵極控制）電子槍系統精準控制放療劑量率。目前已發表故障案例多是通過槍系統和聯鎖的工作原理把具體設備故障視為個案孤立分析，缺乏系統探討總結故障的共性[1-3]。本文以全新高效 iX平臺的代表——Clinac iX 為典型進行闡述，同時明確系統分析在新設備新技術更新換代周期變短時的重要性。

1 槍控制系統工作原理分析

電子槍發射用于腫瘤放射治療的高能電子束，其是醫用直線加速器核心器件之一，基本性能要求主要有：電子發射數量及束流強度、發射時機和角度及電子射程等[4]，射線指標直接受電子槍產生的電子注的質量影響[5]。

三極（柵極控制）電子槍是在陰陽極之間加一個柵極，達到在不改變陰陽極電壓的情況下，較大范圍地由柵壓脈沖控制電子束流的大小和寬度[6]。槍控制系統主要由低壓的槍冷端和高壓的槍熱端兩部分組成[7]，見圖1。

圖1 三級（柵極控制）槍控制系統

冷端由電源板、自動頻率控制電路和槍脈沖控制板、槍控制板、冷端控制背板和光電耦合接口板組成。熱端由槍高壓電源板、燈絲電源板、槍柵極脈沖板、低壓電源板以及熱端控制背板組成。冷端和熱端之間的電位差高達25 kV，為避免高壓電路對低壓控制電路的影響，設備采用變壓器和光纖實現安全隔離，即熱端高壓由冷端低壓通過隔離變壓器實現，冷端和熱端的控制信號通過冷端的光電耦合接口板上的7 根光纖連接。同時，操作熱端時須嚴格遵守先關閉高壓電源，后放電棒接觸釋放靜電的操作規程。

槍驅動控制隨著設備使用年限以及工作量的增加，故障率會逐漸增高[8-9]。維修手冊提示GFIL 聯鎖主要原因是槍燈絲或者柵極偏置電壓太低[10]，常由控制板信號或者電源電壓不穩定造成，重啟復位槍電源多能消除聯鎖。而槍燈絲電壓、電流和電源脈寬調制以及槍的控制參數如A/D 轉換、柵極偏壓高壓等異常都可能觸發GFIL 聯鎖[6]。當影響劑量輸出時，通常會疊加甚至單獨觸發UDRS 等劑量聯鎖[11]。

2 案例分析

2.1 與槍高壓熱端燈絲電源相關的案例

2.1.1 故障現象

治療過程中在控制臺電腦上出現GFIL 聯鎖，字樣閃爍顯示，按“enter”鍵不能消除。

2.1.2 故障分析和排除

拆開機架電子槍冷端部分，槍控制板顯示屏顯示故障代碼“HD A/D+”，維修手冊解釋為HD A/D+GDHD14: Hot Deck A/D Converter Over Selftest Failure，提示熱端部分模數轉換器過自檢故障，而GFIL聯鎖常見原因之一是燈絲電源板電壓5 V 不正常導致模數轉換器自檢故障[12-13]，但是測量后發現電壓正常且穩定。嘗試重啟冷端POWER SUPPLY 電源，故障依舊。分析熱端燈絲電源供應電路，見圖2。正常情況下，燈絲電源板控制初級電壓120 V AC 經過高壓變壓器增壓后為燈絲供電。當主微處理器根據監測需要產生GFIL 聯鎖時，GFIL PWM 脈沖信號從主微處理器通過光纖到達光耦器J12，經光電轉換后加到運算放大器 U1（TLO74），再從7 腳出來分兩路：一路經電阻進入U2（TLC15411）緩存；另一路進入U8（TL074）后加到晶管單片移相觸發集成芯片U7（TCA785）。同時120 V AC作為外接同步信號，經 R31、CR1 和CR2 后，經5 腳輸入端進入U7，用于檢測交流電壓。

圖2 熱端燈絲電源供應電路

最終U7 的Q1、Q2 端輸出幅度為+15 V 的脈沖，直接觸發可控硅脈動導通，控制振蕩輸出AC FIL V MON 的監測信號，經U2 模數轉換后在16 腳輸出，通過光纖加到光耦器J13，最終在控制臺電腦上穩定顯示GFIL 聯鎖。出現閃爍的“GFIL”，說明電路工作不穩定。

芯片U2 是以10 位開關電容逐次逼近A/D 轉換器為基礎而構造的CMOS A/D 轉換器。1 腳至9 腳輸入如AC FIL V MON 等的監測模擬信號，經過模數轉換后在16 腳輸出信號。該電路存在諸多光耦器件和數模信號轉換，因此檢查電子槍冷端與熱端之間的光纖和信號是判斷故障點在冷端還是熱端的重要手段[14]。檢查與U2的16 腳輸出端相連接的J13，發現發光端不穩定。影響芯片工作穩定性的主要因素是工作電壓和時鐘信號，在測量芯片工作電壓5 V 正常的情況下檢查時鐘輸入端19 腳，可見其與晶振Y1 之間有一條短路跳線為U2 提供時鐘輸入?？紤]到跳線處的插針彈簧片經過長時間使用，會存在彈性變差、接觸不良或者銹蝕的可能，阻值可能會隨工作的時間和溫度而改變，從而導致時鐘信號輸入不穩定。嘗試重新多次插拔短路跳線，讓插針彈簧片重新恢復彈性和刮去銹蝕的表面后，故障排除。

2.2 與槍低壓冷端電源和槍驅動相關的案例

2.2.1 故障現象

治療過程中在控制臺電腦上出現GFIL 聯鎖，按“enter”鍵無法消除。

2.2.2 故障分析和排除

在待機狀態下，冷端槍控制板會顯示電子槍工作狀態和參數，此時狀態顯示正常，但僅作參考，不代表真實狀態。原因是冷端槍驅動底板上電源斷開瞬間，有可能剛好切斷聯鎖的電源，使錯誤狀態無法置位，即便在錯誤的狀態下其狀態顯示依然正常[15]。分析冷端電源板電源供應電路，見圖3。

圖3 冷端電源板電源供應電路

電源板指示燈主電源（MASTER）DS1、熱端（HOT DECK）DS2 和高壓（HIGH VOLTAGE）DS3 均亮?？刂齐妷?25 V AC 通過主電源開關S1 后分三路：一路經保險絲F2 和PS1 模塊產生+5 V（TP1）、+15 V（TP2）和-15 V（TP3）直流低壓電源；另一路經繼電器K2 再分兩路，一路經F4 和 S2 給熱端供電，另一路經F3 和S3 到高壓電源發生器；最后一路經F1 和S3 后，再經一連串高壓聯鎖開關,給高壓放電消弧繼電器K1（CROBAR）和高壓指示燈泡供電。實踐發現，燈泡狀態常亮，但經常燒壞，不亮不能說明回路沒有高壓。

正常工作時熱端的接地點是負高壓，待機狀態時K1 閉合，把電阻R3、R4 和電容C1 回路接通，電容C1 放電，達到槍高壓電源與熱端放電消弧作用。同時CROWBAR COMMON 和HV ENABLE 信號接通，槍控制電路再發出HV ENABLE 信號到高壓發生電路時，HVPS 立刻輸出數十千伏的高壓到電子槍陰極，實現槍驅動，見圖4。

圖4 槍驅動圖

綜上分析，測量 TP1、TP2 和TP3 的電壓均正常，說明該回路正常。指示燈 DS1、DS2 和DS3 均亮，說明S1、S2、S3 以及 K2 和F2、F3 和F4 均正常，但F1不確定，關閉主電源、熱端和高壓的電源開關后，拆下電路板測量F1 發現斷路，更換后故障排除。

加速器運行一段時間后，GFIL 聯鎖又出現，故障表現依舊。更換F1 后再次斷路，說明后端負載有短路。如圖3 所示，F1 后面的負載是一連串高壓聯鎖開關、CROBAR（K1）和高壓指示燈泡。檢查電路所有聯鎖開關發現均正常。更換新燈泡后故障依舊，推測K1 有問題。更換K1 后加電，測量前級接觸點有125 V 電壓。接著測量發現K1 繼電器線圈的1 腳和2 腳之間的電阻值不到3 Ω，遠遠低于正常值，判斷繼電器線圈短路，更換K1 后故障修復。

2.3 與槍低壓冷端電源及其控制信號相關的案例

2.3.1 故障現象

加速器機架轉動到某一角度時出現GFIL 聯鎖，把機架往相反方向轉動時聯鎖自動消失，把機架轉回之前角度后聯鎖又再出現。

2.3.2 故障分析和排除

如圖3 所示，機器正常時，K2 能否工作，由槍控制電路輸出的HD/HV POWER、ENABLE 信號組合GUN FIL PHASE 信號、WATER VACFL 信號經過或非門 U1（74HCO2）共同控制，最終實現熱端和槍高壓供電。Ul 為或非門芯片，只有2、3 腳兩路輸入均為低電平時，1 腳才能輸出高電位為K2 的線圈供電，使K2 吸合。

連接U1 的2 腳輸入信號是P1-26A 的HD/HV POWER ENABLE 信號，由GUN CONTROLER 板輸出，實測其測試點信號為+5 V，顯示正常。連接U1 的3 腳輸入信號是U2（HCPL2731）的6 腳和7 腳輸出，分別對應著P1-4C 的GUN FIL PHASE1 和P1-20A 的WATER/VACFIL 信號，推測由U2 的6 腳或7 腳輸出到U1 的信號有異常，致使K2 不能吸合。

結合維修手冊查找上述信號的相關電纜，發現槍電源板P1-20A 端WATER/VAC 信號經過電纜W32 最終連接到控制臺背板。由于聯鎖的出現和消失與機架旋轉有關，而在實踐中因線路運動牽拉引起的案例并不少見[16-17]。電纜W32 在STAND 與機架之間隨著機架旋轉而扭動，存在接線腳容易損壞、松脫或者接觸不良的可能。拔下電纜W32 兩端插頭用萬用表測量通斷，發現21 腳的接線松脫，可以飛線處理，但考慮到固定線路比較麻煩，最后把接線頭處理后將電纜兩端插緊并固定，故障消除。

3 討論與總結

三極（柵極控制）電子槍系統較為復雜，觸發GFIL聯鎖的因素很多，多數由信號中斷或者不穩定引起。掌握系統工作原理，分析模塊內部和模塊之間的信號處理的流程和方向，通?？梢园l現引起信號異常的元器件。

在日常工作中應善于觀察和思考能引起信號異常的細微且容易被忽視的因素，除了本文提到的跳線插針彈簧片氧化彈性不足、接線端銅片因為旋轉運動松脫或者接觸不良，還有其他與時間相關的隱性故障[11]，本質是溫度和電阻值隨工作時間變化，與阻容元器件老化、散熱不良有關。因此做好設備的日常質控和維護保養工作非常重要[18]。

瓦里安C 系列加速器槍系統的基本結構與工作原理相同，該系列任何一種型號加速器的相關問題都可以采用同樣的分析處理方法。

任何設備都是由不同模塊組成的系統，傳統的研究方法大多數都是孤立地縱向深入研究設備本身，而忽視了系統的分析方法，即將設備的各個組成模塊，從工作原理和結構等角度，與同類型設備進行橫向對比，找出共性和區別，再將共性的部分系統化總結應用，有利于從本質上認識新設備，高效地處理相關技術問題。比如以VitalBeam 為代表的新一代高端技術平臺的加速器，盡管電路集成度和數字化程度很高，使用同樣的電子槍系統，該模塊的基本工作原理和分析方法也是相通的。因此，隨著新設備新技術的更新換代周期越來越短，系統的分析方法顯得尤為重要。