医用直线加速器是对肿瘤患者进行放射治疗的常用设备, 在治疗中发挥着重要作用。我院于2012年引进美国瓦里安(Varian)6EX直线加速器并投入临床治疗。Varian 6EX直线加速器是一款用于肿瘤放射治疗的低能医用直线加速器, 采用微波电场把电子加速到高能, 其加速管是一个微波波导管, 采用磁控管作为微波功率源^[1], 在设备的控制中设计了金属靶电流峰值与离子腔电流峰值的比值(YLD)联锁, 用以检测和调整输出射线能量的稳定性, 一旦能量发生变动, YLD联锁报错, 加速器停止出束。

1 原理分析

YLD联锁的产生是通过金属靶电流峰值与离子腔电流峰值两者的比值与它们预先设定值进行比较, 当其偏差超过7%的时候就产生YLD联锁^[2]。其发生原因可能出现在脉冲形成网络(PFN)、脉冲变压器、闸流管、磁控管以及YLD联锁等电路上。

我院的Varian 6EX直线加速器采用的是CX 1159型闸流管。闸流管属于直线加速器的高压系统, 主要起到开关作用, 使脉冲形成网络产生脉冲, 从而触发磁控管发出微波。玻璃型闸流管、陶瓷型闸流管和金属-陶瓷型闸流管是目前闸流管的三个基本类型, 三极管或四极管是其基本组成, 管内由氢气或氘气所充满。闸流管是一种利用热阴极气体放电原理而设计的脉冲开关器件, 在闸流管的栅极被触发前, 整个管内可以承受很高的工作电压, 被触发导通时, 将瞬间形成等离子体。等离子体是一种非常理想的导体, 使得闸流管自身的损耗极小, 因此可以导通极大的脉冲电流。闸流管作为开关工作时, 开关的接通与断开是由控制在栅极上是否施加正触发脉冲来实现的, 如果闸流管阳极具有足够高的正向电压, 栅极被触发时, 阳极-阴极之间将瞬间导通, 使得栅极就失去了放电的控制作用。所以只有阳极电压降得很低, 不足以维持放电电流时, 闸流管才会截止^[3]。闸流管由三个电极组成:阳极、阴极、栅极, 另外, 馆内还装有氢气发生器, 在加热时可发出氢气。阴极和栅极拥有良好的导电和导热性能, 且熔点较高。阴极大多采用旁热式氧化物阴极, 它是一个中空的圆筒, 内工作面敷有氧化物, 外边装有双股螺旋灯丝。氢发生器是一个填有钛氢化合物粉末的小管, 外面绕以热丝, 在加热时释放氢气^[4]。当改变通过氢气发生器的加热电流时, 闸流管内的氢气气压随之改变。氢发生器中氢气的浓度决定了闸流管的工作性能, 氢浓度的变化间接改变了触发脉冲的幅度。

2 故障现象

Varian 6EX使用剂量率600 MU/min时, 反复多次出束, 发现只能出束到20~30 MU, 剂量率便降至450 MU/min, 随后YLD联锁报错, 加速器停止出束; 若降低剂量率, 使用剂量率500 MU/min继续观察, 反复多次, 发现只能出束到150~180 MU, 剂量率便降至450 MU/min, 随后YLD联锁报错, 加速器停止出束; 再次降低剂量率继续观察, 当使用剂量率400 MU/min及低于400 MU/min时, 出束一段时间, 未发现剂量率降低的现象, YLD联锁不出现报错, 可以正常出束。

3 故障判断, 分析及检修

首先考虑这种情况可能是由于Yield伺服控制系统(Yield SERVO)调节不适导致, 需要进行Yield SER-VO的调节^[5]。然而, 在调整Yield SERVO时, 发现在调整范围内, YLD联锁无法恢复正常, 故判断问题并没有出现在Yield SERVO调节上。

其次考虑问题可能出现在某些元件不稳定, 出现热漂移等现象导致, 故需要更换电路板。然而, 在更换了Yield控制电路板之后, 出束检测, 发现测试结果与先前的故障相同, 问题仍然没有解决。在排除了Yield SERVO调节不适和元件不稳定的故障原因之后, 将故障锁定在高压系统内部器件问题上。

进入维修模式, 在BEAM ON的同时观察加速管真空电流、磁控管电流、靶电流、高压电源电流、枪电压、磁控管电压和脉冲形成网络电压的数值^[6]。出束开始时, 各数直稳定, 未发生明显变差, 随着出束跳数的增加, 剂量率开始不稳定随后出现下降。此时, 观察到脉冲形成网络电压由正常时的21.57 V下降至18.23 V, YLD联锁随之出现报错, 加速器出束停止。于是屏蔽YLD联锁与低剂量联锁, 可使机器不受故障的影响而继续出束, 但发现依然出现上述状况。此时考虑是高压调制部分出现故障, 观察高压系统内部没有出现打火现象。用示波器观察高压脉冲电流的波形(见图 1), 发现输出波形存在明显差异, 表现为充电脉冲下降, 考虑是闸流管电源板或闸流管栅极控制板上的充电电容故障所导致。依次更换闸流管电源板和闸流管栅极控制板以检查是否电路板电容故障^[6], 发现更换电路板后YLD连锁故障依然存在, 并且发现测试结果与先前的故障相同, 判断故障没有出于此处。此时将问题锁定在主闸流管和DeQing闸流管上, 更换主闸流管后, 出束测试。出束一段时间, 未发现剂量率降低的现象, YLD联锁不出现报错, 故障排除, 加速器恢复正常, 且其他数据参数均正常, 说明没有第二处故障, 检修工作完成。

4 故障小结

一般来说, YLD联锁故障应首先考虑Yield SERVO调节不适而导致, 其次判断元器件是否发生热漂移等现象, 再次则应考虑是否是高压内部器件的原因。在检测高压内部器件是否正常工作时, 可借助示波器观察高压脉冲电流的波形, 若波形确有异常, 则可判断是闸流管故障。通常情况下, 闸流管故障由于两方面原因引起:①管内的氢气会有一定程度的消耗, 从而造成工作时管内氢气浓度不够, 以至于闸流管不能导通; ②由于灯丝老化, 造成阴极电子发射不足。闸流管是加速器高压放电回路的重要器件, 闸流管的正常工作直接决定了磁控管与加速管的正常工作, 若闸流管出现故障, 将直接导致加速器无法正常出束, 必须停机检修, 所以快速排除故障, 既减少了停机时间, 又可保证不耽误病人治疗。