医用单光子加速器加速管故障分析方法
引言
现代医用直线加速器按照采用的加速微波形态的特点，可分为行波和驻波直线加速器两种。目前市面上，带有两档X射线和多档电子线的高能加速器中，瓦里安公司采用驻波加速，医科达采用行波加速，两家的电子枪和射线靶出现故障时均可以单独维修，无需更换加速管。而且，单光子加速器的加速管均采用驻波加速，微波利用效率高，能量增益大[1]，加速长度短，可以直立安装，无需偏转系统。瓦里安公司的UNIQUE和600CD、医科达公司的COMPACT、我国山东新华公司的600E等均为6 MV能量的低能加速器。此类型加速器的加速管与电子枪、离子泵和射线靶焊接加工为同一个组件，不可拆卸，其中任一部件出现问题均需维修甚至更换整个组件，这会将大幅增加更换加速管的概率，然而，加速管作为医用加速器的核心部件，价格昂贵，可能增加医院开支、造成经济负担。本单位先后安装4台该类型机器，多次出现相关故障，现以瓦里安单光子加速器为例，系统总结此类加速管发生故障的原因，分析对应的维修方法，以期本文故障维修思路能对临床工程师的工作提供参考价值。
1 驻波加速管的结构和加速原理
驻波加速是指加速管的始端和末端都接短路面，使微波在加速管内来回反射，如果加速管的长度合适，则反射波和入射波的相位相同，叠加形成驻波。驻波加速管由一系列相互耦合的谐振腔链组成，谐振腔链中心开孔让电子通过，在腔中建立起随时间振荡的轴向电场，轴向电场的大小和方向随时间交变，而振荡的包络线的最大值和零值则原地不动。如果能够满足同步条件，即电子渡越长度为D的腔体的时间等于微波振荡周期的一半，电子就可以在驻波电场的作用下，沿轴线方向不断得到加速，直至达到所需能量后被引出[2-3]。
目前广泛应用的为边耦合驻波加速结构，即把工作在驻波状态π/2模时只起耦合作用的腔从束流轴线上移开，移到加速腔的边上，耦合腔留下的空间为加速腔所扩展占有，加速腔通过边孔和耦合腔耦合，相邻两个加速腔相差180°，其原理结构如图1所示。实际上，驻波加速管由电子枪、射线靶、离子泵、加速管波导、微波输入陶瓷窗、水冷却系统等组成，所有部件经焊接成为一个整体，共用同一个离子泵来维持其工作所需的真空环境。
图1 边耦合驻波加速管结构示意图
2 驻波加速管故障种类与分析方法
基于故障树分析法，将驻波加速管各种故障构建故障树[4]，可分为五大类：真空连锁故障，射线靶故障，电子枪故障，微波输入窗故障和水冷系统故障。具体故障树见图2。
图2 驻波加速管故障原因故障树
2.1 加速管内部真空度下降
2.1.1 故障表现
出束时报真空连锁，一般先报VAC2（加速管离子泵电流＞250 μA），停止出束后连锁消失，或在出束时加速管真空度略有变化（0.05～0.3），不报真空连锁，但在出束停止时突然增大，触发VAC2连锁，随后此数值又慢慢下降，直至VAC2连锁消失。随着问题逐渐严重，VAC2连锁不出束时也无法消除，直至出现VAC1（加速管离子泵电流＞700 μA）连锁。
2.1.2 原因分析与处理
引起加速管内真空度下降的因素有很多，主要包括：① 加速管组件加工焊接不致密导致长期使用后进气；② 射线靶被击穿导致进气；③ 加速管长期使用后内部分子大量沉积无法被抽出；④ 离子泵性能严重下降无法维持真空[5]。具体检查时，VAC2连锁参考电压为2.5 VDC，1 V对应1 μA，ACL VAC值超过2.5 V便会触发VAC2连锁。测量真空电源板上TP2电压为0，拔下加速管端离子泵插头后，测TP2电压为3.5 VDC，判断加速管内部实际真空度下降。为进一步确认，拔掉离子泵电源接头，使用高压测试棒测量其实际输出电压为3.65 kV，真空电源板上DS3指示绿灯亮，VAC2连锁消失；而将离子泵电源插头重新插入离子泵后，VAC2连锁再次出现，可确定真空电源及其供电电路均正常，问题为加速管自身。
2.2 射线靶长期被电子轰击，过热导致表面凹凸不平，引发YLD连锁频繁出现而停机
2.2.1 故障表现
最初时出束剂量率低，维修模式下观察发现靶电流数值不稳定，随出束时间增加而逐渐增加，逐渐严重后靶电流数值上下跳变，极其不稳定，伴随出现YLD连锁，无法通过电路板参数优化调节解决。
2.2.2 原因分析与处理
随着治疗技术的不断进步，旋转调强治疗和单次大剂量的SBRT治疗正在成为趋势，单个治疗野的照射时间变长，相邻照射野的时间间隔变短，这会大大增加射线靶单位时间的产热量。如果水冷却系统工作状态不佳，使其对射线靶的散热量小于靶受电子流轰击的产热量[6-8]，此种状态下长期工作最终导致射线靶面被轰击至凹凸不平，引起出束时靶电流不稳定，触发YLD连锁[9]。射线靶表面凹凸不平甚至被击穿，无法修复，需更换加速管。
2.3 加速管组件内部漏水
2.3.1 故障表现
治疗摆位时发现治疗机头内有水滴流出，观察发现电离室表面有水渍，但设备未报任何连锁。
2.3.2 原因分析与处理
冷却水铜管环绕射线靶对其进行冷却，如果内循环水质不好，长期工作会腐蚀铜管内壁，叠加射线靶受轰击未能及时冷却导致靶周围温度升高，最终引起靶周围铜管漏水[10-11]。由于该路铜水管在加速管内部，无法修复处理，需更换加速管，更换后设备恢复正常运行。
2.4 电子枪高压电缆接头绝缘性能下降，绝缘橡胶插座被高压击穿
2.4.1 故障表现
射线一出束系统即报MOD连锁。
2.4.2 原因分析与处理
MOD连锁是由于高压调制器负载短路引起放电回路负失配而触发，负载包括磁控管和电子枪[12-13]。首先使用示波器观察磁控管电流波形，发现电流大小正常，波形稳定，排除磁控管打火可能性。关闭四个铅门和多叶光栅，关闭治疗室内灯光，机器加高压后在治疗室内观察，发现电子枪高压电缆接头处打火，闪烁淡蓝色火光。将电子枪高压电缆插头拔出，发现电缆插头中间位置有一针眼大小圆孔，判断为高压放电击穿所致。更换电子枪高压电缆，更换后低剂量率试出束，仍报MOD连锁。继续检查，发现高压电缆插头插入的电子枪端插座有问题，该插座与加速管加工为同一个组件，插座外围由不锈钢金属包裹，内层为白色耐高压绝缘橡胶，拆下金属外壳后，绝缘橡胶中间位置也有一小孔，与高压电缆插头的小孔处对应[14]。尝试对击穿的小孔进行绝缘处理，先将小孔及其周围清理干净，使用耐压值很高的704硅橡胶（高压击穿强度为15 kV/mm）填充高压击穿小孔处，24 h硅橡胶可固化2～4 mm，达到耐压要求，然后在其外围包裹高压绝缘胶布。尝试以此方法处理后若不再报MOD连锁并可正常使用，认为修复成功，若仍未能解决问题，更换加速管组件。
2.5 加速管或射线靶的冷却水铜管长期使用后内径变细，导致冷却水流量变小，触发FLOW连锁
2.5.1 故障表现
治疗时报FLOW连锁，FLOW/AFC Buffer PCB上DS5红灯亮，对应射线靶冷却水流量传感器数值为18 Hz。而设定值下限为20 Hz。
2.5.2 原因分析与处理
水流量传感器将水流量通过电磁感应转换为电信号被采集，长期工作后内部杂质增多，导致叶轮旋转速度变慢甚至停转[15-16]。更换该路水流量传感器，并将射线靶一路的水管阀门开至最大，现象依旧。断开加速管组件内的射线靶冷却铜管，使用一段相同管径和接头的水管短接供水两端，水流量传感器数值升至33 Hz，判断加速管端冷却铜水管有问题。首先怀疑铜管内壁附着大颗粒异物阻塞水路，引起水流量降低，尝试使用空气压缩机向铜管一端吹入一定压强的空气，反复调节气压，未见有异物从另一端排出。使用手电筒检查发现铜管内壁被腐蚀形成铜绿层，导致铜管内径变细，尝试使用5%的盐酸溶液泵入铜管内除锈，除锈的同时会伤害铜管内壁，要控制好循环时间。若无法清理修复，更换加速管组件。
3 单光子加速管更换步骤及质控内容
3.1 更换步骤
第一，更换前需先将Primary Power Distribution PCB上Gun Filament值调至0；第二，机架270°时放出六氟化硫并用袋子排出至室外空旷处；第三，关闭水泵电源开关，分别拧开供给加速管和射线靶的两路冷却水管；第四，机架旋转至0，锁定机架，拆卸加速管组件外围多层铅块并更换加速管；第五，更换新加速管组件后，重新注入六氟化硫至32 psi，逐步升高Gun Filament值，以1.0为一个刻度，每升一个刻度后ACL VAC值都会升高，待该值下降至0.5以下后再提高至下一刻度[17]，直至升高至Gun Filament标称电压值6.9 V。
3.2 质控内容
待真空状态稳定后出束，使用三维水箱先测量40 cm×40 cm射野离轴比曲线，获取射野平坦度和对称性，调节加速管外围三个螺丝可以改变加速管位置[18]，使射野平坦度和对称性与加速器验收测试及计划系统拟合数据相符；测量射野中心轴PDD曲线，SSD=100 cm，要求最大剂量深度为1.5 cm±0.15 cm，PDD10为67%±1%。能量指标通常能够符合要求，如有需要，调节Yield Servo PCB（版本号为100019291）上DQ参考电位器R7可改变PFN工作电压，从而改变磁控管工作电流，从90 A到105 A可实现1%～3%的能量变化。最后，在标准条件下校准绝对剂量，完成更换工作。
4 讨论
加速管作为医用加速器的核心部件，价格昂贵，一旦发生故障需要更换，几十万甚至上百万的配件费用，对医院来说是一笔巨大的开支。本文总结加速管的各种故障表现，分析原因并采取相应的保护和预防措施，最大程度延长加速管的使用寿命，对设备本身具有重要意义。另外，在社会效益方面，可以避免较长时间的停机，保证患者的正常治疗；在经济效益方面，可以为医院减少设备使用成本。
从概率来讲，故障多为真空连锁或射线靶凹凸不平导致YLD连锁，占比70%以上。加速管和磁控管的几何尺寸依靠冷却水恒温保证，温度的波动会造成金属因热膨胀尺寸变化，进而使其谐振腔空间尺寸发生变化[19]。冷却水流量偏低，轻则造成机器输出剂量率不稳定，重则导致这些贵重器件损坏，内循环水系统对加速管和射线靶的散热能力非常重要。
电子轰击金属靶，所产生的X射线辐射效率仅为5%～6%，其余大部分能量均转化为热能被水冷系统带走，机器输出相同的剂量率，X线辐射所需的加速流强要比电子辐射大3个数量级[15]。根据不同能量的X线辐射情况，X辐射剂量率Jx经验计算公式为：Jx=0.067iVn（cGy/min.m），其中Jx与电子束平均束流强度i成正比，与束流能量V的n次方成正比（2＜n＜3）。由此公式推算可知，要达到相同剂量率，6 MV X射线的电子枪发射电流比10 MV以上能量的X射线又要高一个数量级。6 MV作为单光子加速器的通用能量，其电子枪输出功率更大，产热量更高，需要更好的冷却条件才能保证其稳定工作。
综上，对于医用单光子加速器，建议采取的有效预防措施，主要包括以下几点：① 射线靶的产热量与剂量率正相关，长期使用最高剂量率进行治疗更易引起射线靶损坏，导致更换整个加速管组件，建议使用中间档剂量率进行治疗；② 每月检查用于冷却加速管和射线靶的内循环水流量数值，若低于正常值要及时检查处理。另外，可调大此路水流量控制阀门，调节FLOW/AFC Buffer PCB上电位器R70，提高触发FLOW连锁下限设定值，若有问题可及早发现；③ 为避免冷却水铜管内壁形成水垢层导致内径变细，水流量变小，建议提高内循环水更换频次，使用蒸馏水或经多重过滤的软化水，更换水的同时按比例加入厂家专用防垢剂，更换内循环水滤芯，清洗金属过滤网，保证优良水质；④ 每日检查外循环水冷机工作状态，检查内循环水温和水压，发现参数异常及时处理；⑤ 每周打印晨检记录，对重要参数进行对比分析，如出束时加速管真空度和靶电流数值的变化规律，可以提早发现故障隐患，保证机器长期处于好的运行状态。
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