瓦里安CLINAC IX加速器偏转磁铁的原理及故障分析
引言
我院于2014 年引进的瓦里安电子直线加速器具有两档光子线，分别是高能的15 MV-X 和低能的6 MV-X。该直线加速器具有六档电子线能量模式，分别是6、9、12、15、18、22 MeV，可用于图像引导下的计划验证和三维适形、调强放射治疗。为保证引出的电子线能量满足临床应用所需，加速器中设有偏转磁铁（Bend Magnet，BMAG），在进行实际使用之后，其性能以及工作状态都处于稳定状态。但随着我院收治的肿瘤患者数量增多，在设备使用过程中多次出现故障连锁[1-3]，其中BMAG 连锁具有一定代表性，该故障偶尔会自动消除，但存在反复出现的特征，严重影响治疗效率[4]。因此，本文基于BMAG 工作的原理，给出了两例故障的分析与排除过程，供交流参考。
1 BMAG的工作原理及BMAG联锁触发机制
BMAG 能提供一个稳定的磁场，不同能量的电子在BMAG 的磁场中运动轨迹是不一样的。能量小的电子，磁场对其作用力大于其做圆周运动所需向心力，电子做向心运动；能量大的电子，磁场提供的作用力小于其做圆周运动需要的向心力，电子做离心运动；只有能量合适的电子，磁场提供的作用力等于其做圆周运动所需的向心力，电子才会做圆周运动。在电子运动的轨迹上有一个能量狭缝，只有满足一定能量范围内的电子（所选择能量的±3%）才能通过此缝隙，以此确保所引出的电子线能量为临床所需能量[5～6]，因此BMAG 的正常工作对临床使用是至关重要的。
瓦里安加速器的不同射线能量模式是由BCD（Binary Coded Decimal）码[7]实现控制的，通过BCD 码设置不同能量对应的BMAG 电流（BMAG I），如表1 所示。
表1 加速器不同能量模式对应的BCD码
能量模式 Code BCD Code Lines 8 4 2 1 No Mode 0 0 0 0 0 High Energy X-ray Photons 1 0 0 0 1 Low Energy X-ray Photons 2 0 0 1 0 E1：Lowest Energy Electrons 0 0 0 1 1 E2 0 1 1 0 0 E3 5 0 1 0 1 E4 6 0 1 1 0 E5 7 0 1 1 1 E6:Highest Energy Electrons 8 1 0 0 0 Stereotactic Photons(Trilogy systems only) 9 1 0 0 1
BMAG 电流的设置及监测电路都是在电路板CARROUSEL, MODE&BMAG 上实现的。如图1 所示，A、B、C、D 就是不同能量模式对应的四位BCD 码，U4 会根据控制柜(Console)提供的能量模式编码（BCD 码）选择R10-R24 其中之一作为输出，例如：高能X 线时，U4 会选择R23 作为输出；低能X 线时，U4 会选择R22 作为输出，不同能量模式档有其对应的电位器。U4 的输出经过U7 之后会作为BMAG I 的设置值控制BMAG 线圈电源，电源会根据U7 的输出的X、Y 产生对应大小的BMAG I。
图1 BMAG电流大小设置图
如图2 所示，U7 输出的X、Y 到达BMAG 线圈电源，即图2 中的电源（Bend Magnet P.S），此电源会产生对应的电流输出，由其输出端口电子经过4 根电缆接至BMAG，同时该电源会反馈出BMAG I 的数值，其可以直接从CARROUSEL, MODE&BMAG PCB 电路板上测量得到，这个也是预防性维护需要记录的参数之一，表2 是我院IX-SN5648 加速器记录分析的各种能量对应的电流采样数值。
图2 BMAG线圈电流源及BMAG I采样图
表2 各种能量模式对应的BMAG I采样数值（mV）
能量模式 分流电压值HI-X 34.0 LO-X 13.6 E1 16.2 E2 23.0 E3 30.6 E4 40.2 E5 53.0 E6 64.5
电源的输出（Output）端通过线缆加至负载，同时在负载处完成BMAG V 的采样。BMAG V 是由图3 接线柱E1 和E4 经由两个保险F1、F2 后完成采样，采样信号同样到达图2 中CARROUSEL, MODE&BMAG 电路板，F1-F2的电压也是需要记录的参数之一：保险丝电压HI-X(f1-f2)为 3.463 V。
图3 BMAG V采样图
BMAG 的电压和电流采样值（BMAG V, BMAG I）都可随时被监测，任何一个参数波动过大都会导致BMAG 联锁的出现，当BMAG I 超过±1%或BMAG V 超过±5%[8-9]，就会出现BMAG 连锁，BMAG 连锁的检测也与BMAG 电源输出控制电路类似，也是由MODE BCD 码来选择不同能量其对应的电位器（图4），以此电位器作为标准值，如果BMAG I 与BMAG V 的波动偏离这个标准值较大，连锁就会出现。
图4 BMAG联锁电位器的选择图
2 BMAG联锁故障实例及排除方法
2.1 故障一
2.1.1 故障现象
15 MV-X 线偶尔出现BMAG 连锁，其余能量正常。
2.1.2 故障排查
仅15 MV-X 线偶尔出现BMAG 连锁，排除与其他能量公用元件故障的可能（例如BMAG 电流源，电缆等），怀疑是其BMAG I 设置值和连锁电位器设置不当引起。首先选择15 MV-X 线，在CARROUSEL, MODE&BMAG 电路板上测得BMAG I 采样值（TP4-TP6）为34.0 mV，与以往的标准记录（表1 中数值）对比，发现没有差异，测得F1-F2 的BMAG V 采样电压为3.463 V，也与之前预防性维护一致，排除设置值波动的问题，检查BMAG I 监测回路，发现TP8-TP9 有压差(大于±5%)，怀疑联锁电位器未设置好，调节15 MV-X 线对应的联锁电位器R77 使TP8-TP9 电压接近0 后，再调节R9 使BMAG V 监测回路的TP7-TP15 接近0，经进一步使用观察，联锁未再出现，故障排除[8-9]。
2.2 故障二
2.2.1 故障现象
各能量模式下，转机架时均会出现BMAG 联锁。
2.2.2 故障排查
边转动机架边观察BMAG 电源上的I 和V 显示，发现联锁出现时，I 数值未变化，V 的数值变化，因此故障是由于V 波动引起，重点检查负载，从BMAG 电源输出开始检查，沿4 根输出电缆检查，发现在机架中心位置，这4根电缆中有两根已经磨损，其中一根已经露出了导线，当转动机架时，外露的导线碰触机架，联锁就出现，重新包裹绝缘磨损电缆后，加速器使用正常，待新电缆到达后更换电缆[10-11]，未再出现BMAG 联锁，故障排除。
3 BMAG联锁故障讨论及总结
加速器临床使用过程中，BMAG 联锁常出的情况大致有三种。
3.1 由BMAG I波动引起的BMAG联锁
BMAG 电源为恒流源，如果其输出电流波动超过±1%，则会出现联锁故障。重点考虑电源相关部分：① 电源本身故障，检查电源供电是否稳定，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；② BMAG I 设置值，检查图1 中的U7输出是否稳定，即检查电路板是否工作正常，如果输出不稳定，更换电路板即可；③ MODE BCD 码是否正确传输，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，检查数值是否完全相同。另需指出的是BMAG I 波动，如果负载不变，BMAG V 也是会相应波动的。
3.2 BMAG I与BMAG V均稳定（通常是和预防性检查记录数据进行比对），但仍有BMAG连锁出现
BMAG 出现隐性故障，故障后果尚不足以触发 BMAG 连锁，会先行触发对称性连锁 EXQ1，唐志全等[12]在他们论文中对隐性故障提出了系统的排障方法。
3.3 由BMAG V波动引起的（BMAG I稳定）BMAG连锁
当BMAG V 波动超过±5%时，需要检查负载及采样相关电路：① 电源到BMAG 的电缆。偏转电路上是否存在短路，查偏转线圈和偏转电源以及连接电缆[13]，由于大部分线缆都是穿过大机架接到机座电源上，这就免不了由于机架转动过程造成部分线缆的折断或损坏，对于在转动过程中的联锁问题，可以优先考虑是否线缆损坏[5-6]；② BMAG本身真空泄露，必要时需更换BMAG[14]来消除BMAG 联锁；③ BMAG V 采样电路板因为使用年久的缘故损坏，需要更换电路板来解决故障。
总之，平时注意观察加速器运转过程中的异常现象，对机器设备进行定期检修，及时排除故障隐患，对瓦里安直线加速器BMAG 联锁要能够及时排除和维修，认真做好故障检修记录，使BMAG 联锁故障率有效降低[15-16]。
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Principle and Fault Analysis of Bend Magnet in the VARIAN IX Accelerator