瓦里安Trilogy加速器Carrousel工作原理及故障分析
引言
美国瓦里安公司（VARIAN）生产的Trilogy型加速器，是一款高能医用电子直线加速器，在放射治疗中应用广泛[1-3]。医用电子直线加速器结构复杂，根据不同的联锁，分区域的进行详细分析，能更加系统有效的了解机器的工作原理，并快速准确排除故障。
电子在加速器中经过加速后，打靶产生X射线或经过散射箔产生电子线。此时的射线剂量分布是不均匀的，需要经过均整器的滤过修正才能产生满足常规放疗所需的剂量分布[4-8]。Trilogy加速器拥有2档X线和6档电子线，各档能量需要不同的均整器。机器依靠均整盘的旋转来实现不同均整器的切换。其中包含了位置检测、运动控制、安全联锁等部分。当发生故障时，通常会报CARR和FOIL两个联锁。
1 均整盘工作原理分析
如图1所示，Trilogy加速器一共有10个均整器，安装在均整盘（Carrousel）上的10个port中。其中8个均整器分别对应8档能量，另外2个为空置。每个port边缘处，都有特定的凸起或者凹槽，组成一种特殊的编码。S1、S2、S4、S8、S16是5个紧贴均整盘边缘的位置开关（Position Switch），这5个开关有三种状态：Neither、Divot、Cam。平时5个开关状态为Neither，输出为高电平High(H)；其中S1、S8、S16进入凹槽时状态变为Divot，输出变为低电平Low(L)；而S2、S4滚上凸起时状态变为Cam，输出变为低电平Low(L)。通过这5个开关的3种状态和2种电平的输出对10个port的位置进行精确编码，称之为BCD码。控制计算器通过检测BCD码，控制均整盘转动，实现所选能量与对应均整器的匹配。表1为选中X线6M、X线10M能量时，5个开关的状态和输出电平。
表1 开关的状态和输出电平
images/BZ_185_236_331_1195_437.png6M-X D D X C X L L H L H 10M-X D X C X D L H L H L
图1均整盘结构简图
注：C=Cam D=Divot X=Neither (C&D=Low/X=High)。
均整盘旁有一个定位销（Pin），能将均整盘固定在各档能量所需的位置[9-10]。Pin有两个位置：Pin_in和Pin_out。均整盘到位时Pin处于Pin_in的锁住位置，其压杆压住开关S9；当均整盘需要转动时需要先将Pin抬起，此时S9开关弹片释放，为Pin_out位置。Pin的运动，由电磁阀（Pin Solenoid）控制气缸的开和关来驱动。S9是一个常闭开关，其一端接5 V电压，另一端接地。均整盘驱动电机（Carrousel Motor）以S9的输出电压作为使能信号（CARR_MOT_EN），为低电平驱动，即5 V接地时驱动电机才能转动。它们之间的关系如表2所示，平时Pin在Pin_in位置，S9开关弹片被压下，开关开路，5 V电压悬空，电机使能信号为Disable，转盘不能旋转；要旋转时则相反。
表2 开关之间的关系
S9开关状态 Pin状态 S9电压输出CARR_MOT_EN转盘运动弹片压下，开关开路 Pin_in 5 V Disable 不能旋转弹片弹起，开关闭合 Pin_out 0 V Enable 可以旋转
当选中一档能量时，控制计算机形成一组编码并将信号传输至Carrousel Mode & Bmag板，该板控制Pin和驱动电机运动，并采集5个位置开关形成的BCD码与输入值比较，直到均整盘准确切换到位，然后控制电机停止运动并将Pin落下锁住。切换过程中，几个开关和信号的状态如果出现异常，则会出现报错。CARR联锁是指Console控制计算机与Carrousel Controller板之间通讯检测故障；FOIL联锁是指Carrousel没有运动到指定位置或Pin位置不正确。大部分情况下两个连锁同时出现[6]。
2 故障案例
2.1 故障现象
在设定好治疗参数，准备出束时，机器报错，显示的联锁为CARR和FOIL。
2.2 故障分析及排除
CARR和FOIL两个联锁同时出现，首先查看Carrousel Mode & Bmag板LED灯的报错代码为93，该代码的详细说明为“carrousel didn't seem to move”[11]，提示均整盘没有运动。切换能量进行测试，观察到均整盘确实无动作。通过对均整盘驱动原理的分析，系统的将均整盘的运动分成定位和驱动两部分，这两部分的某一环节出现故障，均会造成均整盘不运动的故障。结合原理，对两部分逐一排查。均整盘信号传输简图，见图2。
图2 均整盘信号传输简图
首先，分析均整盘定位部分，包括Pin、5个位置开关和电机后边的电位器R1。均整盘运动前要先检测Pin的位置，并将Pin抬起解锁到位后再动作[12]。其中Pin运动异常或者Pin位置检测开关S9输出信号异常，均会导致均整盘不运动。检查Pin的空气驱动机构，转换能量模式测试时，连接Pin的杠杆在气缸驱动下运动正常，排除了Pin驱动机构电磁阀和气缸的故障。同时观察到S9开关开合也正常，并测量了S9开关的通断，也正常。接着检查S9信号的传输线路，各开关的信号传输如图2所示。测量GPP的J2-1和XA7（Carrousel Mode & Bmag板）的J2-7C两处的电压。当Pin在Pin_in位置时，两处的电压均为5 V；当Pin在Pin_out位置时，两处的电压均为0 V。根据表2可知这两处的信号均正常，排除S9信号传输线路故障。
然后排查驱动电机及其控制电路部分。切换能量时，Carrousel Mode & Bmag板接收到控制计算机指令，将电机使能信号（CARR_MOT_EN）和电位器R1读数信息输出到XA4（PWM板）。PWM板发出电机驱动信号，依次通过ABP-J40、GPP-J3、CRA-J83到达驱动电机，驱动均整盘转动。加延长板测量使能信号的输出端P1-27a,发现该信号在切换能量时一直为高电平，根据表2可知，正常情况下，当Pin在Pin_out位置时，电机使能信号应为低电平。因此可以判断，是Carrousel Mode & Bmag板出现故障。更换该电路板后，机器工作正常。
2.3 故障回顾
出CARR和FOIL联锁时，由于Carrousel Mode &Bmag板上的LED灯能显示错误代码，并能查到详细说明，可以快速地提示检修的方向[13]。根据提示结合工作原理，可以逐一检查并排除故障。本例维修，将故障原因分为两部分，逐一排查，逐步缩小范围，并顺利找到故障。平时，常遇到的均整盘故障主要有开关故障、Pin不动作、传输线故障、控制电路板故障等。均整盘上的信号传输电缆由于有一部分随机架转动而经常受拧，会导致接触不良[14]，因此传输线的故障较为常见，可以根据图纸找准测量点，分段排除。
3 总结
本例维修先介绍了均整盘上port的编码及检测原理，详细说明了5个位置开关3种状态和2种电平输出的逻辑关系，并提供了两档常用X线能量的5个位置开关的逻辑关系表格。同时分析了Pin位置与S9开关及其他一些信号的对应关系，并加入了电机使能信号的分析，最后整理成表格。全面详细的熟知其结构和工作原理,可以根据不同的现象,快速的定位故障部件。然后结合图纸找准测量点和测试方法，对照表格，逐步缩小故障范围，最终排除故障。把一些常见信号的正常值和一些逻辑关系整理成表格，在维修中非常实用，方便而有效。
本例维修属于比较典型的均整盘故障，比较全面的对涉及的部件一一测试排查，逻辑清晰，条理分明。同一个故障，有不同的原因，在维修中应逐个分析其原理，并做好归纳总结。可根据故障发生的原理，制定有效的保养维护计划，减少故障发生的概率[15-16]。
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Analysis of the Fault and Operational Principle of Carrousel on Varian Trilogy Linear Accelerator