瓦里安600C 加速器Yield伺服控制系統(tǒng)的原理及故障處理

王振洲，姚翔，賀建林，楊舒波

成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，云南 昆明 650032

瓦里安600C 加速器Yield伺服控制系統(tǒng)的原理及故障處理

王振洲，姚翔，賀建林，楊舒波

成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，云南 昆明 650032

本文闡述了瓦里安600C加速器Yield伺服控制系統(tǒng)的原理，總結(jié)了其電路板的調(diào)整方法及故障處理方法。

直線加速器；伺服控制系統(tǒng)；故障維修

瓦里安600C加速器屬于單光子低能加速器，X射線能量為6MV，加速管采用駐波加速結(jié)構(gòu)，長度僅40cm左右，在治療頭中直立安放，微波功率源采用2.6MW的磁控管。在電子槍高壓一定的情況下，注入到加速管中的微波功率的大小決定了加速管中心軸線方向上電場的分布結(jié)構(gòu)，從而決定了打到靶上電子的能量。由于電源電壓的波動、內(nèi)循環(huán)水溫的波動、磁控管工作的穩(wěn)定性等因素的影響，注入到加速管中的微波功率不可避免會產(chǎn)生波動，從而導致X射線能量的波動，這意味著百分深度劑量曲線的波動，將影響治療效果，必須采取技術(shù)措施減少能量的波動。在影響X射線能量波動的多種因素中，加到磁控管陰極上的負高壓的穩(wěn)定性影響最大。通常采取的措施是所謂的DeQ電路（降優(yōu)質(zhì)電路），即在調(diào)制器充電電感兩端并聯(lián)由閘流管和一組大功率電阻串聯(lián)組成的電路，通過控制閘流管的導通程度來調(diào)整充電電感中儲存的磁場能量，控制脈沖形成網(wǎng)絡(luò)上的電壓幅度，從而調(diào)整磁控管高壓的大小，并穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

1 YIELD 伺服控制系統(tǒng)原理

在Varian 600C型加速器中，為了進一步減小能量的波動，在采用DeQ電路的基礎(chǔ)上，進一步采用了所謂的Yield伺服控制電路，圖1為伺服電路板的方框圖。

標著DeQ 參考電壓的輸出端設(shè)定了位于調(diào)制器中的DeQ 放大器板上的電壓比較水平，從而控制了脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN）上的電壓。用戶可以調(diào)節(jié)位于此塊電路板上的PFN電壓調(diào)節(jié)電位器來改變DeQ參考電壓。電位器的輸出與來自于一塊模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓相加，成為DeQing 參考電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了一個校正，保證了在治療過程中束流能量的恒定。伺服板將來自于X射線靶的平均輸出與來自于徑向電離室的平均輸出進行比較，劑量率的任何波動將成正比地影響這兩個信號，但是由于溫度等變化導致的能量改變將只會影響電離室的輸出，這將導致模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出按需要產(chǎn)生一個改變，使束流能量保持在一個適當?shù)闹瞪稀?/p>

TGT I 是電子撞擊靶時產(chǎn)生的靶電流，TGT I輸入通過兩個串聯(lián)的電阻到地，在電阻的兩端產(chǎn)生與靶電流成正比的信號。TGT I輸出送到位于控制室的電子柜內(nèi)監(jiān)測板上的一個BNC連接器，可以接示波器觀察靶電流波形。ION A+B 來自于積分板B1的電流/電壓轉(zhuǎn)換器，這兩個信號在ION I放大器中相加。TGT I放大器和ION I放大器均有增益調(diào)節(jié)電位器，TGT I放大器還接有一個平衡調(diào)節(jié)電位器。每個放大器都有一個長的時間常數(shù)以使出現(xiàn)在TP2和TP3端子上的輸出脈沖有大約300μs的衰減時間。這兩路輸出被送至一個帶有伺服平衡電位器的差分放大器即誤差放大器上，這兩個脈沖前沿上升時間不同，但250ms之后，它們的相對幅度可以作為二者差異的指征。誤差放大器的輸出被送至4個電平檢測器（電平比較器），比較的電壓值是±0.25V和±1.15V，對應于束流能量變化為±0.41%和±1.9%。

在觸發(fā)脈沖計數(shù)器中，來自于調(diào)制器的觸發(fā)信號被10分頻，以保證在兩次校正之間至少有10個束流脈沖，這保證了在每次PFN電壓波動之后有足夠的時間使輸出束流能量穩(wěn)定。觸發(fā)脈沖計數(shù)器的輸出送至一個延遲電路，對每第10個調(diào)制器觸發(fā)信號延遲250μs，在該電路中產(chǎn)生一個3μs的時鐘脈沖，每一個時鐘脈沖均被送至誤差PROM，在此PROM（可編程只讀存儲器）的輸入端是來自4個閾值電平檢測器的信號。誤差PROM的輸出被送至一個32分頻的升／降計數(shù)器，此計數(shù)器的輸出送至一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在此點，將會發(fā)生下列事件之一：

(1)如果＋0.41%閾值電平檢測器被觸發(fā)，時鐘脈沖將被送至計數(shù)器的計數(shù)降輸入端。

(2)如果－0.41%閾值電平檢測器被觸發(fā)，時鐘脈沖將被送至計數(shù)器的計數(shù)升輸入端。

(3)如果＋1.9%閾值電平檢測器被觸發(fā)，時鐘脈沖將被送至計數(shù)器的計數(shù)降輸入端，同時也被送至10分頻故障（FAULT）計數(shù)器。

(4)如果－1.9%閾值電平檢測器被觸發(fā)，時鐘脈沖將被送至計數(shù)器的計數(shù)升輸入端，同時也被送至10分頻故障計數(shù)器。

(5)如果沒有任何閾值電平檢測器被觸發(fā)，則什么也不會發(fā)生。

所有的時鐘脈沖均被送到一個12分頻的時鐘脈沖計數(shù)器，其輸出連同F(xiàn)AULT計數(shù)器的輸出一同送至YIELD連鎖PROM。如果在時鐘脈沖計數(shù)器之前，故障計數(shù)器產(chǎn)生了一個輸出，那么PROM將產(chǎn)生一個YIELD連鎖輸出。否則，在每12個時鐘脈沖之后，時鐘脈沖計數(shù)器將使FAULT計數(shù)器復位。這樣對于每12個時鐘脈沖中的10次輸出，如果束流能量高于或低于1.9%，將會產(chǎn)生一個YIELD連鎖。

在升/降計數(shù)器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器之間的邏輯 PROM饋送信號返回到誤差放大器，當升/降計數(shù)器滿時，禁止計數(shù)升脈沖；當升/降計數(shù)器為零時，禁止計數(shù)降脈沖，以防止溢出。升/降計數(shù)器實際上是兩片集成電路：一個標準的4位計數(shù)器和一個用于提供最高位（第5）的鎖存器。假定4位計數(shù)器處于15，且MSB鎖存器被復位，則總計數(shù)就是15。下一個計數(shù)升脈沖將導致4位計數(shù)器翻轉(zhuǎn)，其進位（Carry）輸出作為進位檢測器的時鐘導致YIELD 連鎖PROM復位MSB速鎖存器（如果MSB速鎖存器已經(jīng)被復位，則邏輯 PROM將禁止任何計數(shù)升脈沖）?，F(xiàn)在，4位計數(shù)器為零，且MSB鎖存器被置位。如果一個計數(shù)降脈沖出現(xiàn)，4位計數(shù)器其借位（BORROW）輸出使進位檢測器復位，并使MSB鎖存器置位（如果MSB速鎖存器已經(jīng)被置位，則邏輯 PROM將禁止任何計數(shù)降脈沖）。升/降計數(shù)器的狀態(tài)由位于電路板邊緣的8個LED指示。當升/降計數(shù)器處于中間值時，這些LED均處于熄滅狀態(tài)，當計數(shù)器向上或下計數(shù)時，顯示一個二進制碼由中間向外移動。當束流關(guān)閉時，升/降計數(shù)器被復位保持在中間值上。出束時，HV ON命令觸發(fā)一個2s的延時脈沖，以便在YIELD伺服動作之前有足夠的時間使束流能量穩(wěn)定。

2 故障處理

要做到及時、準確地處理YIELD連鎖故障，首先必須在弄清上述YIELD 伺服控制系統(tǒng)的原理的基礎(chǔ)上，遵循正確的YIELD 伺服電路板調(diào)整方法，根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，將調(diào)整步驟總結(jié)如下：

(1)將YIELD伺服板上的S1開關(guān)置于OFF狀態(tài)。

(2)未出束時，調(diào)節(jié)TGT I平衡電位器使TP2的電壓為零。

(3)進行中心軸深度劑量掃描，證實束流能量在正確的值上，如果不在，可以調(diào)節(jié)PFN電壓電位器使能量正確。

(4)出束時，將兩個增益電位器調(diào)至最大。讓束流輸出穩(wěn)定，此時，TP2和TP3上的電壓應在2.5V左右。記下哪一個信號的幅值較高。一直處于出束狀態(tài)，進行下一步。

(5)將伺服平衡電位器調(diào)至中間值，觀察TP4端的信號。降低在步驟4中幅度較高的信號的輸入增益，使TP4的信號在距離其上升沿250μs處近似為零。

(6)在監(jiān)測板上觀察磁控管電流信號MAG I。

(7)閉合S1開關(guān)，觀察對MAG I脈沖幅度產(chǎn)生的影響。如果幅度發(fā)生變化，關(guān)閉S1，在一個方向上調(diào)節(jié)伺服平衡電位器一圈。打開S1,觀察幅度是否升高或下降。繼續(xù)上述操作，直到S1的開和閉對MAG I的幅值沒有任何影響為止。

(8)讓S1一直處于ON狀態(tài)。此時YIELD伺服處于平衡狀態(tài)。

一但由于溫度波動或部件老化導致束流能量變化，YIELD伺服將起作用，對PFN電壓值進行向上或向下的校正，以使束流能量回復到當前值。當YIELD伺服達到其校正范圍的極限時，將會產(chǎn)生YIELD連鎖，中心一側(cè)的4個LED將點亮。

在加速器的日常使用過程中，YIELD連鎖故障是常見的故障之一，大多是YIELD伺服電路板有問題或有參數(shù)變化引起，只要按照上述步驟進行檢查和調(diào)整，大多數(shù)情況下很快就可以消除故障，使機器恢復正常工作狀態(tài)。但也要注意，如果反復調(diào)整YIELD伺服板上的相關(guān)電位器后，仍頻繁出現(xiàn)YIELD連鎖，就要檢查其它相關(guān)電路了。筆者曾遇到過一次YIELD連鎖故障，由于陷入經(jīng)驗主義的思維誤區(qū)，老在YIELD板上打主意，反復調(diào)試，故障仍頻繁出現(xiàn)。幾天之后，偶然觀察MAG I波形，發(fā)現(xiàn)高達150A。一般情況下，磁控管電流在100A左右，一般不超過110A。經(jīng)仔細檢查，發(fā)現(xiàn)問題出在DeQ閘流管觸發(fā)控制電路板，觸發(fā)信號未能到達閘流管的柵極，致使閘流管一直處于開路狀態(tài)，一直就沒有導通，DeQ電路失效，也就是說，PFN電壓的穩(wěn)定、調(diào)節(jié)電路就沒起作用，導致PFN電壓處于最大狀態(tài)，磁控管工作于極限狀態(tài)。更換閘流管觸發(fā)控制電路板后，并按上述YIELD 伺服的調(diào)整步驟調(diào)節(jié)進行，機器完全恢復正常。

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Principle and Troubleshooting of the Yield Servo Control System of Varian 600C Accelerator

WANG Zhen-zhou,YAO Xiang, HE Jian-lin,YANG Shu-bo
Medical Engineering Department, Kunming General Hospital of Chengdu Military Area,Kunming Yunnan 650032, China

TL53

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.11.013

1674-1633(2010)11-0034-03

2010-05-31

2010-06-21

作者郵箱：wangzhenzhou@tsinghua.org.cn

Abstract:This paper introduces the principle of the Yield Servo Control system of Varian 600C accelerator,and summarizes the adjustment and troubleshooting method of circuit board.

Key words:linear accelerator;servo control system;troubleshooting