瓦里安2300CD偏转电源隐性故障维修分析

唐志全1,曾勇2,苏善宁2

1.四川大学华西医院肿瘤中心-生物治疗国家重点实验室-放射物理技术中心,四川 成都 610041;2.广西玉林市红十字会医院 肿瘤科,广西 玉林 537000

[摘 要]目的本文通过分析瓦里安2300CD加速器的一例偏转电源隐性故障,探讨瓦里安高能加速器的能量稳定机制以及该类加速器偏转系统的维护维修方法.方法从机器物理和电子工程双重角度,系统分析瓦里安 C-系列高能直线加速器的偏转磁铁构成、偏转电流的编程机制以及机内监测连锁机制、金属线圈的电阻温度效应、偏转电源的阻抗匹配.归纳总结偏转系统机器物理方面的难点以及易被疏忽之处.结果偏转系统不仅是能量筛选机构而且也是能量稳定机制,能量的轻微变化即可导致剂量学对称性外显参数的较大偏差,对称性合标则能量一定合标.校准检查序列和关断导向伺服可将剂量学连锁从剂量学故障中排除.暂停水冷机试验可以判断偏转线圈是否超温.结论BMAG连锁属于冗余设置,即使偏转系统出现隐性故障,对称性连锁能屏障剂量学风险.

[关键词]放射治疗;加速器;剂量学;连锁;偏转电源;隐性故障;阻抗匹配

引言

美国瓦里安公司生产的高能直线加速器在放射治疗中应用广泛,该类加速器采用驻波加速,包含2档X辐射能量和6档电子线能量.Varian 2300CD加速器是1996年代开始生产的一款机型,该机性能稳定,故障率相对较低.

高能加速器由于加速管长度达1~2 m,所以将加速管水平装配.为了将与病人卧姿平行的束流方向改变为垂直射向肿瘤部位的方向,需要对束流进行90°偏转,这由束流偏转系统完成[1].偏转系统的外显功能是改变束流方向,而作为加速器的内部机制是能量筛选与能量稳定.偏转系统的机内监测项目是BMAG(滤波器转盘、模式控制及偏转磁铁控制电路板,以下简称BMAG板)连锁,其触发机制是电压超过设定值的±5%或电流超过设定值的±1%,当故障后果尚不足以触发BMAG连锁时,会先行触发对称性连锁EXQ1,本文是此例故障的详细解析.

1 偏转系统概述

本机的束流偏转系统采用分立式三磁铁270°复合消色差偏转系统[1],由控制板、偏转电源和偏转磁铁构成.偏转磁铁正常工作时电子束流的运动轨迹,见图1.

图1 偏转束流轨迹

偏转磁铁为M1、M2和M3,其中M2是R方向的角度导向线圈ANG R,本质是一块变换磁铁.M1和M3两对4个偏转线圈均用空心铜管绕制,铜管中通以冷却水,保持线圈温度恒定.在每个线圈上均有一个热敏开关,即SW1~SW4,起高温连锁作用,当温度超过48℃时触发FLOW连锁,使整机供电开关跳闸.

偏转磁铁控制与监测在CARROUSEL,MODEamp;BMAG板上完成.控制方法采用0~1 mA电流编程,R117为100 Ω传感电阻.±5%电压报警由电阻网络R87、R92、R94和R93分压完成,而±1%电流报警由R85、R90、R91和R81分压完成.

偏转电源是从EMS公司定制的10~250型开关电源,三相220 V AC输入、2.5 kW、最高输出电压10 V、满刻度电流250 A.三相电经A300滤波后经机载开关CB1送到桥式全波整流变成DC电压再送到逆变器A200,在A100控制板上U8输出的66 kHz准方波驱动下,开关管Q1、Q4和Q2、Q3轮流导通,将DC电压转换成高频交流,输出到变压器T1、全波整流和滤波输出.编程电流调整66 kHz方波的脉冲宽度,实现对输出电流的脉冲宽度调制PWM.

2 故障研究

2.1 故障现象

所有能量、机器顺利进入到出束准备好状态,束控钥匙右旋,按BEAM ON键出束1跳即出现EXQ1连锁.

2.2 确定故障范围

根据EXQ1连锁的3种情况进行检查:① 轴向对称性超过2%;② 轴向通道每脉冲电荷超过正常值的150%;③ 平均剂量率超过800 MU/min.在维修模式,短路EXQ1,所有能量均可以不受限出束.与留存的晨检记录对比,观察R SYM对称性表头,数值增大,确认触发EXQ1的原因为对称性超过2%.

用Map Check检查对称性(以下讨论均在6X能量).在伺服闭环时扫描,T方向符合2%;而R方向明显为枪端高而靶端低,对称性为5%.断开所有伺服扫描,T方向符合,而R方向达8%.是否断开伺服的区别是,是否用电离室的反馈信号对导向线圈进行微调.本步骤初步验证,在伺服闭环时电离室系统起了作用,补偿ANG R线圈将对称性从8%拉回到5%.由于校准检查序列(CAL/CHECK sequence,或称调整检查环)正常,证明故障与电离室和剂量学电路无关.

进一步按常规调整方法在伺服断开状态下调整导向线圈.先将T方向调整到最佳,再调整R方向.调整过程发现,在调整ANG R电位器时,枪端下降和靶端上升的速度,明显比以往机器正常时慢,当调整到对称性接近3%时,剂量曲线会突然跳变到枪端低而靶端高,且对称性又在8%.反向调整ANG R,至对称性接近3%时,剂量曲线又跳变到枪端高而靶端低,对称性又达8%.由于立架上有4块相同的PWM电源板且一般均会存储备板,用交换法即可验证PWM板是否损坏.作更换ANG R导向线圈PWM驱动电源板试验,情况依旧,可以判断故障与ANG R导向线圈的脉宽调制电源无关.由此判断,虽然本故障表现为剂量学连锁,但故障根源却在偏转系统.又由于未触发BMAG连锁,因此这是一个隐性故障.

2.3 故障分析

本例故障的成因可以通过偏转电流降低时的束流轨迹(图2)解释.偏转电流正常时,中心标称能量B2将依次通过各磁铁出入口的中心位置,即虚线所在位置,从M3出口垂直射向靶平面.如果偏转电流降低,则因M1偏转力不足,最高能量B1(图1)将被能量裂缝阻挡,而标称能量B2将外移,较低能量B4将进入偏转能谱,此时中心能量为B2'lt;B2,将被M2偏转过度,向下偏离M2出口中心位置,同时向下偏离M3入口中心位置进入M3,因此从M3出口中心的右侧射出,即以一个右倾的角度击靶,造成剂量曲线枪端高.

图2 偏转电流降低时的束流轨迹

在此情况下调整M2电流时,试图减小偏转力使B2'回到中心位置,当B2'从M3的中心位置进入时,由于M3偏转力不足,使B2'从中心出口位置的左侧射出,即以左倾的角度击靶,因此剂量曲线跳变到靶端高.究其原因,标称能量与偏转电流在特定偏转结构中是一一对应的,任何一方发生偏离,偏转轨迹就没有垂直于靶平面的稳定状态.

因此,偏转电流降低也等同于能量偏高的状况.假定能量偏高,则M1偏转不足力,B4将通过能量裂缝,而B1将被能量裂缝阻挡,经能量裂缝quot;筛选quot;后,能谱关于B2不再对称(±3%),而是向低能端偏移,比如B2的左侧4%,而右侧只占2%,此时能谱中心能量B2'lt;B2,即与偏转电流降低相当.出束时观察维修面板,与留存的晨检记录对比如下参数:BMAG V(BEND MAG V)、GUN V、PFN VOLT(PFN V)、RF DRIVE(RF DRIVER),除BMAG V轻微减小以外,其余显示完全无变化.PFN高压经CHVD 3000:1实时取样,这是实时电压(能量),故排除能量升高的可能.

因此,故障原因为偏转电流减小所致(反之,偏转电流过大与能量偏低相等同,只是开始的剂量曲线为枪端低而靶端高).

2.4 故障定位与解决

首先,分别在每档能量,测量BMAG板上的编程电压值,即TP14对于TP10的mV值,并与留存的机器验收完毕时所测之值进行比较,数值完全相同,排除了偏转电流编程与监测BMAG板故障,故障范围缩小到偏转电源和偏转线圈.

理想的恒流源其电源内阻为无穷大,无论负载电阻多大,电源均以恒定电流供电[2],即不存在阻抗失配问题.但现实中的偏转电源并非理想恒流源,需要负载电阻恒定,否则会导致与偏转电源阻抗失配,引起偏转电源输出电流和电压的下降.

因为金属导体的电阻温升效应,水温的改变会改变偏转线圈的电阻.金属导体的电阻随温度上升而增大,电阻R=R0(1+αt),其中R为温度为t℃时的电阻,R0为0℃时的电阻,α为电阻温度系数,t为温度(℃)[2].导电器材用铜的α为0.0038/℃[3],即温度每增加1℃,电阻增加约0.4%.从负载电阻R=V/I、偏转磁铁正常工作时电压约2 V、电流约50 A的角度,可以估算出磁铁线圈电阻在0.04 Ω量级.加速器水温设置在40℃,ILFLOW2和ILFLOW3的触发极限为48℃,允许负载电阻增加的极限是3.2%,即0.00128 Ω.即使将电缆脱开,普通数字万用表也不可能分辨出如此小的阻值变化,必须采用其它判断方法.

通过暂停冷水机试验来判断水温是否正常.热敏开关SW1~SW4也是利用电阻温度系数的原理,本质是热敏电阻传感器[4],只是工作在常闭和断开两种状态.暂停水冷机,内循环水温会迅速升高.密切注意水温表和维修面板水温指示,当水温表指示到达48℃时,机器如期触发了FLOW连锁.试验证实线圈温度开关SW1 ~SW4至少有一个正常,而且线圈真实温度与远端水温表同步,即线圈内水流正常,线圈温度不致导致阻抗失配,排除了线圈温度升高导致偏转电流下降的可能.

最后,故障根源被定位在偏转电源.由于线圈电阻在0.04 Ω量级,因此电源内阻也在0.04 Ω量级,所以电源说明书指出输出电缆要分开连接,避免电缆之间的互耦效应,以免增大电源输出阻抗.仔细捋清正负极电缆,确认电缆没有互相缠绕,排除输出阻抗变化的可能.

对于偏转电源而言,由于没有触发BMAG连锁,说明输出电流下降不到1%.在6X能量,标称电流约45 A,因此电流下降不到0.45 A.综合分析,排除来自BMAG板的编程电流以外,只有输出滤波电容C8漏电致使容量下降到允许极限以下时,才会致使输出电压和电流的微小下降.该电容为铝电解电容,容量93000 U,耐压15 V.打开电源舱盖,发现电容有打火或发热烧焦外皮现象.由于没有大容量电容表,无法准确测量其容量值.国内可买到相同容量电容[5],但尺寸规格不符无法安装.订购新的偏转电源,更换后故障消除.由于质保原因,未打开新电源做电容更换实验.

3 讨论

本例故障属于偏转系统的高疑难故障,需要全面正确理解偏转系统的运行机制.除黄健[6]报道了一例BJ-14加速器偏转电源电容下降故障,未见其它漏电故障报道,但就束流偏转系统特性[7]及电解电容特性[8]而言,通过本文解析,维修此类故障变得相对容易.

虽然电容漏电属隐性故障,但由于机器对称性连锁设置为2%,低于国标 15213-94[9]规定的3%.偏转电流的轻微降低,就会触发EXQ1连锁,连锁之前,对称性不会超过2%,不会造成剂量学风险.偏转电源的精度达0.1%,BMAG电流连锁报警设置为1%,本例电流减小不足1%就会触发EXQ1连锁,说明BMAG连锁是一种冗余设置,不触发则已,一旦触发,可能已经远超1%,如桥式整流硅堆CR1、CR2或双二极管CR3或CR4的损坏,将使输出电流减少一半,会直接触发BMAG连锁.偏转磁铁不仅是能量筛选机构而且也是能量稳定机制之一,无论能量上升还是下降,能量的变化速度不及对称性,只要对称性合标,则能量必定合标.

杨绍洲等[10]报道了BMAG板编程电阻R117开路的情况,证实了电流编程的优点最多是偏转电源输出到满刻度,因此直接触发BMAG连锁从而禁用机器.BMAG连锁虽然不是主要连锁(短路连锁项目后仍然可以出束),但必须禁用机器.前述可知,当电流或能量变化后,中心能谱将发生偏移,长时间出束可能导致能量裂缝以及靶的冷却水道击穿,从而致使真空泄漏.王新等[11]报道过偏转磁铁真空泄漏故障,虽然未说明泄漏原因,但从偏转磁铁结构原理分析,能量裂缝水道被击穿的可能性较大,因此,当出现BMAG连锁时,要减少试验性出束.

有3种情况引发偏转线圈水温过高:① 水冷机失败引发内循环水温整体升高,表现在水温表温度同时升高[12];② 线圈铜管结垢引起水流变小,线圈温度随着出束时间的延长逐渐升高,导致线圈温度过高故障,需要用专业除垢剂除垢(对于瓦里安高能加速器,水温表显示正常,但长时间出束后会出现FLOW连锁)[13];③ 橡胶管老化引起水流过小,导致管内高压,机架进水压和回水压表头压力都会升高,此时水温表因远离偏转线圈进出水管而表现正常,如果剪开水管,会看到内部发泡成海绵絮状,因此当水压表升高时,要尽快更换水管,否则不仅会引起FLOW连锁,还会引起加速器各方面的不稳定[14-16].

在做暂停水冷机试验时,如果水温表超过48℃还未触发FLOW连锁,则说明开关SW1~SW4已经全部失灵,需要对偏转线圈进行维修或更换,否则可能因线圈电阻的温升效应引发EXQ1连锁甚至BMAG连锁.

[参考文献]

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本文编辑 刘峰

Analysis of Varian 2300CD Covert Fault of Bend Magnet Power Supply Maintenance

TANG Zhiquan1, ZENG Yong2, SU Shanning2
1.Division of Radiation Physics, State Key Laboratory of Biotherapy and Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University,Chengdu Sichuan 610041, China; 2.Department of Radiation Oncology, Yulin City Red Cross Hospital, Yulin Guangxi 537000, China

Abstract:ObjectiveBy means of analyzing one covert fault of bend magnet power supply of Varian 2300CD linear accelerator, this paper aims to discuss the energy stabilization mechanisms of Varian high energy linear accelerator and the maintenance methods of the bend magnet system.MethodsThis paper expounded the bend magnet constitution of Varian C-series high energy linear accelerators systematically from twofold view of machine physics and electronics engineering, the programming mechanisms of bend magnet current and the in-box monitor interlock mechanisms, the resistance temperature effect of mental coil, the impedance matching of bend magnet power supply. Conclusion and summary of the difficult and forgettable points of bend magnet machine physics were made.ResultsThe bend magnet system was not only the energy filter but also the energy stabilization mechanism, the slight variation of energy could lead more deviation of overt symmetry, if the symmetry was not out of limits the energy no doubt conforms to the standards. The CAL/CHECK sequence and turn-off steering servo could get rid of dosimetry system fault from symmetry interlocks. Suspends chiller could determine the coils whether or not are over temperature.ConclusionThe interlock BMAG is a redundant configuration, even if it occurs covert fault of bend magnet system, the interlocks of symmetry are protective screen of dosimetry risks.

Key words:radiation therapy; linear accelerator; dosimetry; interlock; bend magnet power supply; covert fault; impedance matching

[中图分类号]R815.6;TL53

[文献标识码]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.025

[文章编号]1674-1633(2017)10-0093-04

收稿日期:2017-01-06

修回日期:2017-04-24

作者邮箱:tangzhiq@163.com