医科达Synergy医用电子直线加速器CON A故障分析与维修
引言
医科达Synergy医用电子直线加速器是国际上最先进的全数字化医用加速器，控制软件实时控制、监测并显示各项参数。它最大的特点是能量选择灵活可调，具有低中高三档X射线能量和九档电子线能量可供选择；配备了40对MLC多叶光栅和iViewGT影像验证系统。该设备具有快速治疗、自动摆位、调强治疗、影像验证等功能，可开展常规放疗、适形放疗、静态和动态调强放疗、图像引导调强放疗等，广泛应用于全身各个部位的肿瘤放射治疗[1-3]。
我院于2011年引进了一台医科达Synergy双光子医用电子直线加速器，用于肿瘤患者的放射治疗。多年来，该设备性能稳定，故障率低，在为安庆本地及周边县市肿瘤患者带来了福音的同时，也为我院放疗事业的发展做出了重大贡献[4]。
1 设备原理
医科达Synergy医用电子直线加速器主要由旋转机架、机架支撑底座、治疗床、控制柜和操作控制台等组成，其中高压系统、射频系统、冷却系统、辐射治疗头等均位于旋转机架上[5-6]。医科达Synergy医用电子直线加速器的系统结构图[7]，见图1。脉冲调制器从外部电源获得能量，并转换为脉冲宽度为几微秒、电压为几十千伏的负高压脉冲，该负高压脉冲被同时加到磁控管和电子枪[8-9]。磁控管获得脉冲负高压后，腔内发生谐振，产生高功率微波。经波导管，高功率微波被送入加速管[10]。与此同时，电子枪中的电子经阳极和阴极间脉冲负高压的作用进入加速管，在加速管内，电子束被高功率微波加速到所需的能量。获得了高能的电子束经过偏转磁铁偏转，直接引出（电子束治疗）或打靶（X射线治疗）[11]。直接引出的电子束或打靶产生的X射线在辐射治疗头中被均整、扩散和准直，形成治疗用的照射野，用于肿瘤的放射治疗[12]。
图1 医科达Synergy医用电子直线加速器结构框图
2 故障研究
2.1 故障现象
按下计算机控制柜上的开机键后，计算机首先加载软件，然后开始自检，待自检完成后，计算机显示器上显示登录界面，并且在显示器的左下角显示机器状态为Initialized。登录进维修模式（用户名：service），机器状态仍然显示为Initialized。Initialized机器状态意思是计算机已完成初始化，意味着计算机加载软件和自检成功完成。正常情况下，在Initialized机器状态后，主接触器CON A会自动吸合，相应的子系统获得电源，在登录界面及登录进维修模式后，机器状态应为Closed。
2.2 查看联锁
（1）查看CON A状态。在维修模式下，点击Service Function图标，再点击Display Service Page图标，在Display Service Page窗口点击Load，在Service Function Selection窗口选Contactors选项，然后点击OK。在Contactors页面，可以查看RIC接口柜内包括主接触器CON A在内的八个接触器的状态。
（2）选择机器状态。在维修模式下，点击Service Function图标，再点击Select Machine State图标，在Select Machine State窗口可选择不同的机器状态和软件复位。
（3）查看联锁。在维修模式下，点击Linac Inhibits图标，在View Restrictions窗口可查看当前联锁故障。
按上述方法同时打开Contactors页面和Select Machine State窗口，在Select Machine State窗口选System On或Closed机器状态，尝试手动升机器状态，我们可以发现，即使手动选了System On或Closed机器状态，Contactors页面的Item 77（Contactor CON A monitor）的值始终为0，0说明主接触器CON A没有吸合。同时，当我们选了System On或Closed状态后，在View Restrictions窗口可以查看到Main CON A联锁故障。
由此，我们可以判断，该故障是由于主接触器CON A没有吸合，相应子系统无法获得电源，造成机器无法进入Initialized之后的状态。
2.3 电路分析
查看主接触器CON A的联锁电路图（随机器提供的系统电路图）[13]，可发现该联锁电路控制着提供给主接触器CON A线圈的24 V交流电（24 VAC）。主接触器CON A的线圈一端接地，只有当另一端获得24 VAC，主接触器CON A吸合，其触点闭合，三相交流电才能通过CON A的触点分别输送到各子系统的供电电源中，如高压电源（HT PSU）、低压电源（LT PSU）、运动系统、内循环水冷系统等[14]。
根据主接触器CON A的联锁电路图（图2），正常情况下，当断路器CB8闭合时，单相交流电通过CB8提供到位于73区的变压器T2，变压器T2的输出为24 VAC，该24 VAC通过位于73区的保险丝FS73B被送到急停开关串联电路。通常，在控制室、治疗室和设备间的墙壁上有六至七个急停开关串联在一起，当这些急停开关都没有被触发时，24 VAC通过这些急停开关串联电路并被送入73区的变压器T1。继而24 VAC通过变压器T1内部并被送入74区IRC-A PCB上继电器RL8的触点。74区IRC-A PCB上继电器RL8的线圈一端接地，另一端受控制软件里Item 400（Contactor CON A SET）控制。
图2 主接触器CAN A联锁电路的原理图
Item 400为软件里主接触器CON A的设置值。每次开机，当计算机加载软件和自检都成功完成后，Item 400的值会自动变为1。当Item 400的值为1时，72区DIE-ICA PCB上的FPGA ICE2会输出TTL低电平到72区ROC-A PCB上继电器RLA3的线圈，让继电器RLA3吸合。继而22 V直流电（22 VDC）可通过继电器RLA3的触点让74区IRC-74A PCB上继电器RL8吸合。从而通过RL8的触点，24 VAC被送入内循环水冷系统联锁电路。内循环水冷系统联锁电路用于监测内循环水水温、水压及水泵的温度，水温热保护开关、水压开关及泵温热保护开关依次串联，当内循环水的水温低于42℃，水压不低于0.2 bar，水泵温度低于90℃，相应的保护开关闭合，24 VAC通过这些保护开关送入CON A的线圈，让CON A吸合。当主接触器CON A吸合后，其触点闭合，三相交流电可通过其触点输送到各子系统的供电电源。同时，软件里Item 77（Contactor CON A monitor）实时监测CON A的状态，当CON A吸合时，Item 77的值为1，机器状态为System On，接下来如果低压接触器CON F和CON H能吸合，机器状态自动上升为Closed。
综上所述，只有当表1中的联锁条件都满足要求的情况下，主接触器CON A才能吸合。任何一个联锁条件被触发，CON A均不能吸合。表2列出了主接触器CON A联锁电路里用到的电路板。
表1 主接触器CON A的联锁条件
部位名称 所需条件保险丝FS70B 正常急停开关 未触发i400 CON A set 1内循环冷却水水温 ＜42℃内循环冷却水水压 ＞0.2 bar（2.9 psi）内循环冷却水水泵温度 ＜90℃
表2 CON A联锁电路用到的电路板
电路板名称 电路板位置DIE-ICA 72区ROC-ICA 72区IRC-74A 74区
2.4 故障分析及维修
如果控制软件报MAIN CON A联锁故障，或当机器状态一直为Initialized且无法上升时，意味着CON A没有吸合或CON A的监测电路故障。在维修MAIN CON A联锁故障时，通常我们会根据CON A的联锁电路图，从变压器T2的输出端开始，用万用表测量输送到CON A线圈上的24 VAC，从而找出故障位置，接地可用公共的或设备上的金属部分。具体做法为：
（1）测量73区变压器T2输出端是否为24 VAC。当断路器CB8闭合的情况下，变压器T2的输入电源为单相交流（220 VAC），输出为24 VAC。
（2）取出73区的保险丝FS73B，测量其电阻值。如果电阻值小于1 Ω，说明保险丝良好，进行第三步；如果电阻值为无穷大，说明保险丝已熔断，更换同规格的保险丝。
（3）测量73区变压器T1的TH2端子是否为24 VAC。如果TH2是24 VAC，到第四步；如果TH2无电压，检查急停开关，并恢复被按下的急停开关。
（4）测量13区TS13A接头的端子5的电压。如果电压值为24 VAC，到第五步；如果无电压，首先在Contactor页面检查Item 400（CON A SET）的值。Item 400的值受软件控制，正常情况下，计算机完成自检后，i400的值自动变为1。当i400的值为1时，72区的DIE-ICA PCB输出低电平到ROC-ICA PCB上继电器RLA3的线圈，让继电器RLA3吸合。当继电器RLA3吸合时，74区IRC-74A PCB上继电器RL8的线圈获得22 VDC并吸合，从而TS13A接头端子5的电压为24 VAC。因此当TS13A接头端子5无电压时，可通过测量DIE-ICA PCB、ROC-ICA PCB、IRC-74A PCB相应针脚有没有低电平或22 VDC来判断是哪块电路板故障，并更换故障电路板。
（5）测量13区TS13A接头的端子6的电压。如果电压值为24 VAC，到第六步；如果无电压，检查内循环水冷系统水压、水温、泵温和相应的保护开关。如果水压低于0.2 bar，加蒸馏水。如果相应的保护开关故障，更换故障开关。
（6）如果步骤1～5中均能测量到24 VAC，同时测得主接触器CON A的线圈接点A1的电压为24 VAC，A2为接地，而CON A没有吸合，说明CON A故障，更换CON A。如果CON A已吸合，检查CON A的触点13与触点14是否闭合并测量其电压。如果触点13与触点14未闭合，重新连接触点13和触点14。如果它们已闭合，测量触点13或触点14的电压，当电压值为0时，说明72区DIE-ICA PCB故障，需更换；当电压值为15 VDC时，说明IRC-74A故障，需更换。
3 讨论
本文首先介绍了主接触器CON A的故障现象及联锁故障的查看方法；接着通过分析主接触器CON A的联锁电路，详细说明了CON A联锁电路的控制原理，以及使CON A吸合所必需满足的联锁条件；最后介绍了CON A联锁故障的维修步骤。上述维修方法同样适用于维修RIC接口柜里的其他接触器故障。如图3所示，在RIC接口柜里共有8个接触器，这些接触器控制着不同的机器状态。只有当相关的接触器吸合后，控制软件才会显示到相应的机器状态[15]。如果机器状态停在某一状态且无法上升，则说明是相应的接触器没有吸合或者监测电路断开，我们可以通过软件查看具体是哪个接触器断开造成的故障，然后通过分析电路图及实际测量排查故障[16]。
图3 机器状态
总而言之，此文以讨论主接触CON A联锁故障维修为例，为维修工程师提供了一条基本的思路：当机器出现故障时，首先查看故障现象和联锁报错，并查看维修页面里相关的参数；再分析工作原理，了解相关的联锁条件以及所有可能的故障原因；最后根据实际测量或调试，找出故障原因，解决故障。
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CON A Fault Analysis and Troubleshooting of Elekta Medical Electronic Linac