西門(mén)子Primus M加速器電子槍工作原理及典型故障解析

夏小林 段 巧 劉 瑋

西門(mén)子Primus M加速器電子槍工作原理及典型故障解析

夏小林①段 巧①劉 瑋①

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.035

電子槍是醫(yī)用電子直線加速器的電子源，其性能指標(biāo)(如流強(qiáng)、能量及發(fā)射度等)直接影響加速器的性能[1]。要使電子槍正常注入脈沖電子，就得使燈絲正常加熱；柵-陰電位差正常；陽(yáng)-陰極間電位差正常，即INJ正常工作的三要素。而INJ-I的大小主要由柵-陰電位差(0～340 V鉗位電平與135 V電平之差)和INJ-E確定。同時(shí)，135 V的固定偏壓要求穩(wěn)定，若135 V的不穩(wěn)就會(huì)使INJ-I不穩(wěn)定，135 V的丟失會(huì)造成INJ-I過(guò)流。

1 電子槍關(guān)鍵電路工作原理

1.1 電子槍的陽(yáng)極-陰極高壓INJ-E的控制

陽(yáng)極-陰極高壓INJ-E是加在加速波導(dǎo)管電子槍陽(yáng)極與陰極之間的電壓差所產(chǎn)生的電場(chǎng)，主要是對(duì)陰極發(fā)射的電子流進(jìn)行加速。同時(shí)由于陽(yáng)極的特殊形狀，INJ-E電場(chǎng)對(duì)陰極發(fā)射的電子還有聚焦作用[2]。INJ-E不但決定了陰極電子進(jìn)入加速管的初速度，也決定了電子束流的聚焦程度。如果INJ-E部分不能正常工作將直接影響到束流的優(yōu)化以及聚焦后射線半影區(qū)的大小，進(jìn)而影響到PROFILE。早期傳統(tǒng)的加速器，INJ-E常被用來(lái)參與優(yōu)化而被設(shè)定在不同的幅度上，而自從引進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，廠家傾向把INJ-E設(shè)定在固定幅度上：即為12.5 kV，對(duì)應(yīng)的編程值為8501左右[3]。

INJ-E控制過(guò)程：控制臺(tái)上INJ-E Soft-pot編程值經(jīng)通訊電纜送到G32C的FC#3功能板，將數(shù)字信號(hào)變換成頻率信號(hào)(如：8501 mV=425 kHz)，從G32C PCB2的CH2輸出到達(dá)INJ-I的低壓板，后由AD652 U12再將頻率信號(hào)變換成8.5 V的模擬控制電壓，用來(lái)控制2N6547 U8的基極偏置(如圖1所示)。

在Q8的集電極上接的是一個(gè)橋式整流器，Q8的導(dǎo)通程度反過(guò)來(lái)也決定了橋式整流器中能流過(guò)的交流電流，亦即改變了T2的初級(jí)等效阻抗，進(jìn)而能改變15 kV高壓電源的輸入電壓。高壓電源實(shí)際上是一個(gè)升壓變壓器加上整流，濾波，因而HV電源的輸出INJ-E就直接與Q8的導(dǎo)通程度相關(guān)聯(lián)了，Q8的Ic越大，T2的初極等效阻抗就越低，INJ-E就越高，反之INJ-E則變低。

加在電子槍陰極上的負(fù)高壓，經(jīng)30M(R43)分壓(3000∶1)作為負(fù)反饋用來(lái)穩(wěn)定INJ-E，同時(shí)在經(jīng)過(guò)校正后作為INJ-E的高壓測(cè)量點(diǎn)，如INJ-E是12.5 kV，負(fù)反饋的電壓約為4.16 V[4]。

圖1 INJ-E控制部分電路圖

1.2 電子槍0～340 V鉗位電平產(chǎn)生和注入電流INJ-I控制

當(dāng)加速器處于Standby狀態(tài)，電子槍柵極的電平相對(duì)于陰極的是-135 V，電子槍是截止的，即便在INJ-E高達(dá)12.5 kV時(shí)RAD-ON，-135 V的反偏置仍足以使陰極的電子無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極。在有驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)INJ-I脈沖；同時(shí)柵-陰相對(duì)電平即0～340 V箝位電壓減去135 V決定了INJ-I脈沖的大小；而穩(wěn)定的135 V和穩(wěn)定的0～340 V箝位電壓才能產(chǎn)生穩(wěn)定的INJ-I。

控制臺(tái)上編程的INJ-I編程值也是經(jīng)通信電纜送到G32C的FC#3板，經(jīng)G32C PCB2板輸出通道CH3的D/F變換成頻率信號(hào)(1000 mV=50 kHz)后再送到Injector上，經(jīng)LV PCB板的75107接收后，再送到HV PCB，然后U3(AD650)把頻率信號(hào)F/D變換成模擬控制電壓，同時(shí)在TP4得到與遍程值略同電壓，此電壓控制三極管Q2(MJE1320)的導(dǎo)通程度(如圖2所示)。

圖2 鉗位電平產(chǎn)生電路圖

400 V電壓經(jīng)R39(50 K)加在Q2集電極上時(shí)，Q2的Ic在R39上的壓降即決定了箝位電平。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)使LV板上的C3放電后，T1次級(jí)的感應(yīng)脈沖電壓由箝位電平箝位而形成一定的柵-陰相對(duì)電平，產(chǎn)生INJ-I脈沖。

不同的能量需要不同的INJ-I，因而其0～340 V箝位電壓也可能不同：對(duì)于西門(mén)子Primus機(jī)型電子線的INJ-I一般僅數(shù)mA，其0～340 V箝位電壓大約為90 V；X射線15 MV的INJ-I約300 mA，其0～340 V箝位電壓大約為150 V；X射線06 MV的INJ-I約1000 mA；其0～340 V箝位電壓大約為205 V。

1.3 135 V固定偏壓的控制

加到電子槍陰極上的固定偏置電壓為135 V，其與0～340 V鉗位電壓一起構(gòu)成柵-陰電位差，決定了電子槍注入電流的大小。要保證INJ正常且穩(wěn)定壓135 V是個(gè)重要條件[5]。一旦存在135 V丟失時(shí)，會(huì)使陰極電流不再僅僅是在INJ-T來(lái)到時(shí)導(dǎo)通的幾微秒，而是一直會(huì)存在，一旦出現(xiàn)這樣的情況，INJ-E電源會(huì)過(guò)流甚至可能會(huì)打火，電路中27 K碳質(zhì)電阻會(huì)過(guò)流燒毀，INJ-I聯(lián)鎖電路也應(yīng)該動(dòng)作。同時(shí)INJ-I瞬間過(guò)流時(shí)所產(chǎn)生的電磁脈沖可能會(huì)引起機(jī)器上其他關(guān)聯(lián)的器件被燒壞。

目前，西門(mén)子新型的數(shù)字化加速器Primus的solid state Injector部分的135 V電路的工作原理與老款機(jī)型基本相同，唯有不同的是電路中的大功率管采用了MJE1320，±15 V模塊電源質(zhì)量也有所提高改善。整個(gè)電路值得注意的是AD581的輸出及TP8的電壓必須是準(zhǔn)而穩(wěn)的，正常工作時(shí)Q1 MJE1320的集電極電流約12 mA，處于微導(dǎo)通狀態(tài)，如果這個(gè)電流增加到36 mA，則5.6 K上的壓降就相當(dāng)于200 V，而由于Q1的B-E的二極管特性，基極電壓的變化很小(如圖3所示)。

圖3 固定偏壓控制電路圖

2 典型故障案例

2.1 故障現(xiàn)象

加速器在6-MV光子線治療模式RAD ON出束時(shí)，出現(xiàn)“DOSE RATE”和“INJECTOR”聯(lián)鎖，無(wú)劑量輸出，加速器無(wú)法繼續(xù)工作。

2.2 故障分析與處理

(1)通過(guò)示波器檢測(cè)到pluse-I波形正常，RFREFI波形正常，但無(wú)注入電流(INJ-I)波形，確定故障發(fā)生在電子槍部分[6]。通常在處理INJ-I的故障時(shí)，一般情況下應(yīng)該在控制臺(tái)編程后先檢測(cè)一下關(guān)鍵點(diǎn)電壓135 V和0～340 V，而且TP4上的電壓應(yīng)與INJ-I的soft-pot編程值差不多。按此思路檢查關(guān)鍵電路點(diǎn)電壓時(shí)發(fā)現(xiàn)135 V的固定偏壓丟失，進(jìn)一步檢查電路時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓板的27 K/0.5 W的碳質(zhì)保險(xiǎn)絲電阻也出現(xiàn)損壞，同時(shí)在經(jīng)校正后作為INJ-E測(cè)量檢查用的TP9處檢測(cè)不到負(fù)反饋電壓(RAD ON時(shí)，1 V=-10 kV)。電路正常時(shí)INJ-E為12.5 kV，負(fù)反饋的電壓約為4.16 V。很明顯此案例是因?yàn)?35 V丟失時(shí)HV過(guò)流引起的27 K保險(xiǎn)絲電阻損壞，進(jìn)而出現(xiàn)D0SE RATE聯(lián)鎖。

(2)如果正常工作時(shí)X-06MV的INJ-I幅度是1200 mA，PRF-P是5 ms，脈寬5 μs，則占空比為1∶1000，INJ-I的平均電流為1.2 mA，其他能量模式時(shí)的平均電流都比這個(gè)稍小，同時(shí)由于陰極發(fā)射能力的限制以及靠近陰極的電子云的作用，INJ-I的峰值不會(huì)比1.2 mA大很多。而高壓板的27 K 0.5 W碳質(zhì)保險(xiǎn)絲電阻額定的燒斷點(diǎn)平均電流約為4.3 mA，所以只有在占空比明顯增加的情況下才會(huì)燒電阻，而這種情形只有發(fā)生在135 V丟失時(shí)。明確機(jī)器的聯(lián)鎖是135 V固定偏壓丟失所致，便進(jìn)一步檢查與該電壓直接相關(guān)的設(shè)備原器件，萬(wàn)用表測(cè)試大功率管Q1 MJE1320時(shí)發(fā)現(xiàn)，其C-E級(jí)已被對(duì)地?fù)舸?，這是135 V丟失直接根源。在更換MJE1320后開(kāi)機(jī)測(cè)試135 V固定偏壓電路各關(guān)鍵點(diǎn)電壓一切正常，待熱機(jī)完畢測(cè)試機(jī)器各檔能量恢復(fù)正常工作。

3 小結(jié)

加速器電子槍的工作原理與二極管類(lèi)似，在電子槍中陰極和陽(yáng)極恰好組成一個(gè)二極管，只是陽(yáng)極中間有一個(gè)束流供電子從中通過(guò)。當(dāng)燈絲加熱到一定溫度時(shí)，陰極開(kāi)始發(fā)射電子，外在陰陽(yáng)極之間加一個(gè)脈沖電壓，電子便會(huì)在此加速電壓的作用下，向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)形成注入電流[7]。西門(mén)子Primus M加速器電子槍為柵控型電子槍?zhuān)诖龣C(jī)狀態(tài)時(shí)，電子槍柵極的電平相對(duì)于陰極是-135 V，電子槍是截止的，因?yàn)?135 V的反偏置足以使陰極的電子無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極[8]。只有在驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)時(shí)，柵-陰電位差正常，陽(yáng)-陰極間電位差正常時(shí)才能產(chǎn)生穩(wěn)定的INJ-I。只要從原理上了解了電子槍各部分關(guān)鍵電路的工作原理，就能依據(jù)故障現(xiàn)象，從源頭上快速準(zhǔn)確解決故障。

[1]顧本廣.醫(yī)用加速器[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]陳亞珠，黃耀熊.醫(yī)學(xué)物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]趙立新.加速器電子槍基本原理及瓦里安與西門(mén)子加速器電子槍故障維修[J].醫(yī)療裝備，2009，22(8)：158-160.

[4]李軍.西門(mén)子M型加速器注入器故障分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004，25(11)：72.

[5]張瑞山，郭大偉.西門(mén)子PRIMUS直線加速器注入控制電路的故障檢修與分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32(9)：138-139.

[6]李軍，張西志，譚飛，等.西門(mén)子Mevatron醫(yī)用電子直線加速器故障維修與分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2009，6(12)：48-50.

[7]楊紹洲，陳龍華，張樹(shù)軍.醫(yī)用電子直線加速器[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2004.

[8]張勇，宋芳芳，何小琦.行波管柵控電子槍柵網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可靠性[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，28(2)：169-173.

夏小林,男,(1979- ),碩士，工程師。云浮市人民醫(yī)院腫瘤科，從事放療設(shè)備維修和臨床放療物理工作。

1672-8270(2015)03-0102-03

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2014-03-08

①云浮市人民醫(yī)院腫瘤科 廣東 云浮 527300