TR19型回旋加速器射频系统故障分析解决3例

孙传金,吉蘅山,王新刚,朱虹

南京军区南京总医院 核医学科,江苏南京 210002

[摘 要]目的通过对回旋加速器射频的3例故障进行分析,找到原因,排除故障并总结预防措施,以期减少故障率的发生,提高设备稳定性。 方法通过我院2012~2015年发生的3次射频的疑难故障情况,分析其发生原因,进行维护和针对性预防。 结果通过更换设备配件,改善日常运行条件,深入维修,解决了这几例疑难问题,并总结了相关经验。 结论回旋加速器系统复杂,疑难故障较多,有的故障原因很简单但很难找到,有的必须深入底层电路,根据原理详细分析,仔细查找,做好分析提出针对性预防措施,可以避免回旋加速器出现不必要的故障。

[关键词]回旋加速器;射频;离子源;冷却系统;射频信号

引言

振荡加速高电压,是回旋加速器中关键而复杂的系统,具有在回旋加速器中被加速的束流提供加速电场,使其每旋转一次给予离子能量跃冲,以及从离子源中拉出离子的功能 [4-7]

正电子发射型计算机断层扫描仪/CT(Positron Emission Computed Tomography/CT,PET/CT)是目前核医学界内较高端的影像设备,其对临床诊疗及疗效判断起到重要的作用,是评价良恶性病变的重要手段 [1-2]。正电子药物是由回旋加速器和化学合成模块等经系列化学反应合成 [3],回旋加速器是生产正电子药物的关键设备,其系统组成复杂、造价高、设备故障较多。目前国内使用的商业化回旋加速器均是国外研制生产,特别是其射频部分一直是维修的重点和难点。回旋加速器的射频系统产生回旋加速器的高频

加拿大Ebco公司TR19型回旋加速器,目前国内仅有两台,其射频系统相对与其他型号有所区别,频率相对较低,维修起来参考资料较少。本文根据发生的3例故障,进行分析排除解决,以期做好预防,减少故障率的发生。

1 基本原理与结构

1.1 设备基本情况

该设备属于小型医用等时性回旋加速器,型号为TR19,粒子能量14~19 MeV(可调),理论最大束流150 μA,设备为2004年从加拿大Ebco公司(现更名为Acsi)进口。

1.2 设备工作原理

在回旋加速器中心部位的离子源经高压而使气体电离发射粒子束流,该粒子束流在称为Dee的半圆弧电极盒(简称D型盒)中运动。在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。设粒子Q的质量为m,所带电荷为q,所具的运动速度V,磁场强度为B,粒子受到的洛仑兹力F=BqV,粒子运行轨道的圆周半径r与洛仑兹力F关系为F=mV 2/r,加速粒子的能量E=mV 2/2=B 2q 2r 2/2m。在回旋加速器中心区域,粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度,同时,磁场也对这些粒子产生作用,两种场作用的结果是粒子在“D”型盒间隙内按螺旋轨道飞行。带电粒子经多次加速后,圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量,在该点处粒子将被束流提取装置提取引出 [8-14]。设备工作原理,见图1。

图1 回旋加速器工作基本原理简图

结构上,回旋加速器主要由7个系统来支持:离子源系统、射频系统(Radio Frequency,RF)、磁场、引出系统、冷却系统、真空系统和控制系统等。加速器组成系统,见图2。

图2 加速器组成系统图

TR19的射频系统参数配置如下:Dee盒数量2个(45°),Dee电压50 kV;25 kV(氘核模式),RF频率-74 MHz;功率15 kW,粒子转一圈能量增加200 keV。主要有以下部分组成:信号发生器、固态放大器(驱动级)、射频功率放大器、控制器、同轴传输管路、谐振腔以及反馈控制电路 [15]。TR19射频组成系统图,见图3。

图3 TR19射频组成系统图

2 故障实例

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

点击射频开启start后,射频反复打火,Dee电压不能加载。系统报错“RF failure”。

2.1.2 故障分析

TR19射频系统包含射频信号发生器、驱动器、放大器以及谐振腔。任何一部分出现故障都会导致射频信号无法加载。出现反复打火通常会因为驱动级反射功率过大,放大器表面脏或者有水导致放电,谐振腔内的真空较差导致反复打火,也有可能与冷却水温度过高有关系。放大器腔体内构造,见图4。

图4 放大器腔体内构造

2.1.3 故障排除

首先确认谐振腔内真空情况,真空度为0.3×10 -6Torr,属于良好范围。检查驱动级电路工作正常,同时检查房间内温湿度(温度22℃,湿度60%)也会属于正常范围。检查放大级电路,表面无冷凝水,使用乙醇清洁放大管表面后,用压缩空气吹干,开启RF测试,故障依然存在。将放大管阳极对地之间的绝缘层Kapton膜(聚酰亚胺薄膜)(图4中紫色部分)拆下检查发现有靠近底部由于放电打火产生一个烧焦点(击穿小孔),不仔细观察很难发现。更换新Kapton膜后,重新开启RF,故障排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

开启RF时,点击RF start不能开启射频,放大器工作正常而且系统无报警。2.2.2 故障分析

射频系统工作流程,见图5。放大器、信号源均为正常开启,点击RF start会依次开启驱动器、反馈检测电路以及补偿器,鉴相器会检测谐振腔内信号相位与设定相位进行调节射频信号。可能是控制器故障、驱动器工作不正常或者补偿器不动作等原因造成的。

2.2.3 故障排除

图5 射频系统工作流程图

检查过程中信号源,放大器,驱动器等工作正常,用仪器测量传输信号的同轴电缆也未发现有异常。手动测试补偿器马达动作正常,再次开启RF,发现放大管有功率输出,但是无反馈信号,怀疑反馈检测有问题,依次测量反馈电路的信号线以及检测电路板均无损坏,找到反馈信号的可编程逻辑控制器(Programme Logic Controller,PLC)输入接口发现有信号输入,但是控制电脑上并无反馈。更换一块新的PLC控制模块,分步开启射频,发现开启过程中,相位无变化,怀疑软件故障,将控制电脑重启和控制软件,无效果。打开加速器电脑软件程序表,发现电脑更新安装360安全卫士,怀疑加速器的反馈信号受到新的360安全卫士阻断。卸载360安全卫士后,重启工作站。开机运行射频,系统运行正常。

2.3 故障三

2.3.1 故障现象

开启RF时,点击RF start不能开启射频,经检查发现固态放大器无功率输出。

2.3.2 故障分析

检查固态放大器发现,工作电压正常,但是功率表指针不动。无法确定是固态放大器还是后级放大器故障,首先要排除固态放大器损坏,其次查找后级电路。该固态放大器最大功率600 W,日常使用功率为200~300 W,由双路相同的放大电路组合成,通常只需要一路正常即可使系统工作。每一路有两个功率射频管BLF177,该管子最大功率150 W,工作电压50 V。

2.3.3 故障排除

拆开固态放大器检查,发现内部较脏,电路板上有一层黑色的碎屑,两路放大电路中的50 Ω保护电阻(R16,R17)均烧坏,更换新的电阻,连接功率表开机后仍无功率输出。怀疑放大芯片(Q3,Q4)BLF177损坏,更换4个新的BLF177后,开机测试,发现有功率输出,但是最大只能达到200 W左右,测试只有一路工作正常,另一路不工作。经查询网上和咨询专业人员,要求在焊接BLF177时候需要预防静电,否则容易导致损伤芯片,按照防静电要求更换另一路新管子后,测试功率最大到480 W。装机测试,射频正常开启。

3 讨论

回旋加速器射频部分结构系统非常复杂,故障点较多,不仅要注重配件的及时更换,也要注意设备的工作环境以及附属设施工作状态的好坏 [16]。检查维修过程中一定要注意细节。通过对TR19的射频结构原理介绍,剖析故障相关的每个环节,熟悉放大管Kapton膜使用维护的注意事项,减少打火次数防止击穿,了解加速器控制电脑软件系统的使用要预防干扰,不要随意安装其他软件。固态放大器日常使用过程中要定期清洁,检查保护电阻是否损坏,保证两个放大电路工作正常。在保障回旋加速器正常运行的同时,提高核素的生产效率,为临床PET医学检查提供保障的同时节省回旋加速器的运行维护成本。

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本文编辑 刘峰

Analysis and Troubleshooting of Three Cases of TR19-Type Cyclotron Radio Frequency System Failures

SUN Chuan-jin, JI Heng-shan, WANG Xin-gang, ZHU Hong
Department of Nuclear Medicine, Nanjing General Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China

Abstract: ObjectiveTo troubleshoot and summary the preventive measures of cyclotron radio frequency through analysis of three cases of failures, with the aim to reduce the occurrence rate of failure and improve equipment stability. MethodsWe selected three cases of cyclotron radio frequency failures in Nanjing General Hospital during 2012~2015, analyzed the reasons for maintenance and targeted prophylaxis. ResultsThrough replacing equipment parts, we improved the daily operation conditions, made in-depth repair, found out the solutions and summed up relevant experience. ConclusionThe cyclotron is complex and complicated failures happens frequently, for some, it’s easy to find out the reason, while for some, must go deep into the bottom circuit to make detailed analysis according to the principle. And then conduct careful search and put forward the preventive measures to avoid unnecessary failures.

Key words:cyclotron; radio frequency; ion source; cooling system; radio frequency signal

[中图分类号]TL54+2.1

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.025

[文章编号]1674-1633(2017)03-0093-03

收稿日期:2016-08-12

修回日期:2016-12-14

通讯作者:朱虹,主任医师,研究方向为核医学与影像医学。

通讯作者邮箱:zh_zy@163.com