联影16排CT高压故障解析
1 联影16排CT简介
1.1 产品功能
16排CT产品可以扫描全身部位，可以用于增强扫描，包括心脏的扫查，是现在医疗机构常用的一款CT扫描设备[1-3]。以上海联影16排uCT 510为例，外观如图1所示。
图1 联影16排uCT 510外观图
1.2 产品特点
联影的16排CT，对“图像质量”“辐射剂量”“扫描速度”这些需求进行了系统的优化，扫描速度快，流程简洁，是联影CT的重要特点。
联影CT图像后处理功能具备二维、三维临床应用功能：“多平面重建（MPR）”“最大密度投影（MIP）”“最小密度投影（MinIP）”“曲面重建（CPR）”“容积三维重建（VR）”“区域生长容积分析”等，这对于临床诊断有很大帮助[4-5]。
1.3 设备维修背景
联影CT设备投入市场已经4年时间，随着安装设备量的增加，联影的服务也显得重要起来。对于系统报错，有一个简易办法：一般可以通过下电重启来解决一些软件问题，但对于硬件有问题，就需要定位故障点。
由于球管是CT产品的消耗品，每一家CT用户都会面临球管失效的情况，现在把联影的高压和球管工作原理以及维修知识进行分析，以期提高广大工程师对于联影高压、球管设备的维修技能[6-7]。
2 高压球管基本信息
2.1 球管
uCT 510采用了美国当力公司CTR2150球管。球管是X射线发生器，原理是由阴极灯丝发射出自由电子，经过高压电场加速，高速打到阳极靶面，运动受阻，发生X射线。对于初学者，容易混淆灯丝电流和管电流，如图2所示，灯丝电流是流过阴极灯丝的交流电强度，一般2～6 A之间；管电流是球管阴阳极之间的电流强度，一般在10～800 mA之间[8]。
球管相关参数[9]，焦点尺寸：0.5×1.0，1.0×1.0 （mm），单灯丝（钨）；最大放线功率：小焦点36 kW，120 kV×300 mA，140 kV×260 mA；大焦点50 kW；120 kV×420 mA，140 kV×360 mA；栅极电压：0～3000 DV（相对阴极）；两个栅极板：GV1，GV2，栅极板在灯丝两侧；飞焦点：由GV1、GV2控制，在X方向上，变成2个焦点，交替作用；灯丝电压：0～15 V AC；灯丝电流：Standby：2.2 A；最大工作电流：5.2 A。
2.2 高压
图2 管电流及灯丝电流产生示意图
2.2.1 高压的作用
高压的主要功效为以下几点[10]：① 加热球管灯丝，产生足够多的自由电子；② 提供阴阳极电压，为电子提供足够大的加速电场，高速电子打到球管阳极靶从而产生所需要的X 射线；③ 驱动球管阳极高速旋转；④ 通过控制球管栅极电压，实现大小焦点；并且控制焦点可移动，即飞焦点；⑤ 高压还提供接口，接收系统命令并反馈各部件状态信息和各部件参数；⑥ 高压对各部件监测，设定安全范围，提供报错功能。高压系统流程图，见图3。
图3 高压系统流程图
2.2.2 高压工作原理
三相输入电压400 V AC，经过滤波器，高压系统控制板给出REALY_ON信号，K2首先吸合，经过预充电电路，母线电压缓慢升高（预充电线路是大功率整流电路必须使用的一种保护电路），2 s后，高压系统板给出CONTRACTOR_ON信号，K1吸合，三相电通过桥式整流电路，将400 V交流电转变为直流电，大约560 V DC，此电压称为母线电压[11]。
母线电压经过电感线圈滤波，由高压系统板发出脉宽调制信号控制IGBT模块，控制IGBT模块的导通和关闭，母线电压经过IGBT，电流方向发生逆变，变成交流电，再经过升压变压器，变成XFMR电压，输出给高压倍增器，高压倍增器的电容是串联的，当每一个电容充满电，倍增电路就一级一级倍压，最后阴阳极分别获得±70 kV高压。
高压系统板给出的脉宽调制信号，控制IGBT的导通和关闭时间，来控制XFMR电压，从而控制倍增后的KV电压。
其中逆变器还有一路辅助电源230 V AC，供给24 V开关电源，输出的24 V电压给K1、K2继电器线圈供电；再经过JB1给高压系统版提供+24 V，±15 V电压。
3 高压故障解析
3.1 故障一
3.1.1 故障现象
设备使用过程中报：C070212，随后设备报错C070218，设备宕机[12]。经过查看手册，C070212是阴极过流，C070218是栅极控制错误。
3.1.2 故障分析
C070212阴极过流，是一种阴极电流过大的报错，故障说明：阴极电流大于阳极电流超过466 mA。600减90大于466 mA，属于这种情况报错，如图4所示。根据经验分析报错原因：球管灯丝老化、球管阴极部分老化、高压倍增器里面灯丝变压器次级故障、高压线缆接触不良等。
图4 阴极过流报错示意图
C070218是栅极控制出错。球管栅极技术即在灯丝位置左右两侧多了GV1、GV2两块栅极板，电极板电压范围：相对阴极-3000～0 V，通过变化GV1和GV2栅极电压，可以控制电子流向的偏离和聚束能力，从而控制大小焦点和飞焦点的实现，如图5所示。C070218栅极控制出错，说明栅极电压没有有效的控制，设定和反馈不一致导致。
图5 球管栅极技术示意图
3.1.3 故障维修
3.1.3.1 故障检查
首先查看错误日志，发现一直报错C070218栅极控制出错，而C070212在报一次后，不在重复出现报错。
关机下电，等一分钟左右开机，启动完毕CT机报错：C070218栅极控制出错，高压已经不能正常准备好，往下的扫描放线操作就不能执行，首先考虑更换（控制高压栅极）高压倍增器[13]。
3.1.3.2 更换备件
高压倍增器更换完毕，开机联机正常，没有报错，开始低kV、低mA放线扫描，放线不足1 s，设备报错C070212阴极过流，2 min后，设备报错C070218栅极控制出错，和刚刚开始的故障现象一致[14]。
现在的故障C070218说明高压倍增器再一次失效，还是需要更换高压倍增器，如果更换，还是会发生一样的故障，高压倍增器一样会失效，维修陷入僵局。
3.1.3.3 数据测量
考虑问题复杂，需要测量一些数据：
测量母线电压是否正常，母线电压在560 V DC左右。先下电，拔掉母线电压的输出插头后，上电，测量红白之间直流电压560 V DC，如图6所示。
图6 直流电压测试图
确定母线电压正常，说明高压整流部分正常，需要测量阴极灯丝情况：下电，等待15 min（待高压缓慢降到安全范围），拔出阴极电缆头[15-17]，如图7所示。
图7 阴极高压电缆头
因为拔出的是高压端电缆头，高压电缆线和球管连接在一起，所以测量结果是球管内部情况，经测量，灯丝为0.1 Ω，正常；栅极对地测量都为无穷大，正常；其中一个栅极对阴极测量为20 MΩ，这里是有问题的，不正常。根据原理图，栅极是两个悬空的电极板，对地对阴极都相互不能导通，如果有电阻值，在高压环境下，就是短路，见图8。
图8 球管栅极原理图
得到这样的测量结果，我们的维修一下豁然开朗：高压栅极对阴极短路，在仅仅开机上电的情况下，阴极和栅极都没有电压，这时设备显示正常，一旦放线，阴极和栅极同时上了高压电，会短路烧坏高压倍增器里的栅极控制短路，从而高压失效[18-19]。失效后的高压会一直报C070218栅极控制出错。测量新发来的球管，发现栅极、阴极和球管外壳相互电阻都是无穷大[20]。
3.1.3.4 分析结果
本次故障是由于球管损坏，里面栅极对阴极短路，当球管上高压时，会把高压栅极控制电路烧坏，就是说：球管高压需要同时更换，只换高压，一定会再次烧坏。将设备下电，同时更换高压和球管，再次上电测试，低kV，低mA放线，正常。然后按照更换球管的指导书训管、校正等，最后一切正常，维修结束。
3.2 故障二
3.2.1 故障现象
设备使用过程中报C070200，球管过温故障。
3.2.2 故障分析
情况一：球管温度过高，报过温。这是球管温度超出阈值（80℃），温控开关打开，系统报错，这种情况下，等待球管降温（68℃以下，温度开关闭合），然后可以在服务界面下清除过温标记，系统即可恢复正常。
情况二：球管温度不高，报过温。清除过温标记后，还是没有用的话，可以判断是连接或硬件问题，需要深入检查故障点[21]。
3.2.3 故障检修
3.2.3.1 软件清除过温标记
等待球管降温，注意不能关闭机架电源，大约20 min，可以尝试用手触摸球管外壳温度，不烫手即可，此时清除过温标记，实际结果是故障依旧，系统仍然报错C070200。
3.2.3.2 测量球管的温控开关
该步骤主要查的是HV3这根连接线，这是从球管温控开关出来的到DCB（数据采集板）的球管温度开关的线缆，中间有一个连接插头HV3，它的位置在球管左侧，线缆有标记，如图9所示。
图9 HV3线缆
下电，拔开HV3连接头，测量连接球管的部分。万用表拨到欧姆档，测量这个插头两条线之间的电阻（此时温度已经很低，接近室温）。如果是电阻很大或者说是开路，说明是温度检测开关出现故障，那就可以判断是球管问题。为此，我们需要更换球管，实际测出电阻为0，说明温控开关正常，球管没有问题。
3.2.3.3 测量球管到DCB的线缆
这部分的线缆其实还是原来的那根HV3线，不过我们这次测试的是连接DCB的那段。检测这部分需要拔出DCB-J19脚，如图10所示。
图10 DCB-J19板路图
根据手册线缆标号，见表1，检测对应的线与引脚是否是导通的。若不导通，则判断线缆有问题，需更换线缆。实际测量电阻为0，线缆正常[22]。
表1 HV3线缆标号表
DCB延长部 J19引脚HV3 红线 8黑线 5
3.2.3.4 测量DCB板
此时是带电测量，需要佩戴静电手环，防止静电，同时也需注意安全。如果排除了球管和线缆，那基本可以判断是DCB问题。为了确认，需要测量DCB板。检查时要将万用表拨到直流电压档位，表笔放于DCB板的电阻R336一端。使用万用表测量电阻R336一端对地电压，测量得到电压为4.9 V，判断DCB板供电正常，如图11所示。
图11 DCB板电路图
若电源正常，则需要再次进行测量。测量U86-5处的电压（低电平有效），测量该电压为4.6 V，说明芯片U86故障[23]。根据图11的原理图，可以准确判断出U86芯片故障，需要更换DCB板。全部下电后，拆下DCB板，更换新的DCB板，上电，联机，清除球管过温标记（此步骤仍需佩戴静电手环）。测试扫描，系统正常，维修完毕。
4 总结
故障一的维修，过程较为复杂，期间烧坏了一个正常的高压设备，增加了维修成本，可以说是一次惨重的教训。在遇到高压球管维修时，一定注意一些特殊情况，比如多个故障报错的，我们一定小心谨慎的处理故障，多测量，多分析，不要轻易下结论[24]；故障二的维修，故障点隐藏较深，需要一层一层排查，到最后方找到故障点。这需要我们对系统、对流程有深刻的认识，从简到难，一步一步，不能着急。同时带电测量需要小心谨慎，防止触电。
通过这两例故障维修说明基础理论非常重要，维修都是建立在对基础原理掌握充分后的分析，如果一知半解，就无法准确快速的定位故障点。同样现场经验也更加重要，每一次维修都总结一下维修过程，以及需要测量的结果，同时也会对基础理论的理解更上一个层次。
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Analysis of CT High Voltage Fault for United Imaging 16 Slice CT