TR19型回旋加速器射頻系統(tǒng)故障分析解決3例

孫傳金，吉蘅山，王新剛，朱虹

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，江蘇南京 210002

TR19型回旋加速器射頻系統(tǒng)故障分析解決3例

孫傳金，吉蘅山，王新剛，朱虹

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，江蘇南京 210002

目的通過(guò)對(duì)回旋加速器射頻的3例故障進(jìn)行分析，找到原因，排除故障并總結(jié)預(yù)防措施，以期減少故障率的發(fā)生，提高設(shè)備穩(wěn)定性。方法通過(guò)我院2012～2015年發(fā)生的3次射頻的疑難故障情況，分析其發(fā)生原因，進(jìn)行維護(hù)和針對(duì)性預(yù)防。結(jié)果通過(guò)更換設(shè)備配件，改善日常運(yùn)行條件，深入維修，解決了這幾例疑難問(wèn)題，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。結(jié)論回旋加速器系統(tǒng)復(fù)雜，疑難故障較多，有的故障原因很簡(jiǎn)單但很難找到，有的必須深入底層電路，根據(jù)原理詳細(xì)分析，仔細(xì)查找，做好分析提出針對(duì)性預(yù)防措施，可以避免回旋加速器出現(xiàn)不必要的故障。

回旋加速器；射頻；離子源；冷卻系統(tǒng)；射頻信號(hào)

引言

振蕩加速高電壓，是回旋加速器中關(guān)鍵而復(fù)雜的系統(tǒng)，具有在回旋加速器中被加速的束流提供加速電場(chǎng)，使其每旋轉(zhuǎn)一次給予離子能量躍沖，以及從離子源中拉出離子的功能[4-7]。

正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層掃描儀/CT（Positron Emission Computed Tomography/CT，PET/CT）是目前核醫(yī)學(xué)界內(nèi)較高端的影像設(shè)備，其對(duì)臨床診療及療效判斷起到重要的作用，是評(píng)價(jià)良惡性病變的重要手段[1-2]。正電子藥物是由回旋加速器和化學(xué)合成模塊等經(jīng)系列化學(xué)反應(yīng)合成[3]，回旋加速器是生產(chǎn)正電子藥物的關(guān)鍵設(shè)備，其系統(tǒng)組成復(fù)雜、造價(jià)高、設(shè)備故障較多。目前國(guó)內(nèi)使用的商業(yè)化回旋加速器均是國(guó)外研制生產(chǎn)，特別是其射頻部分一直是維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)?；匦铀倨鞯纳漕l系統(tǒng)產(chǎn)生回旋加速器的高頻

加拿大Ebco公司TR19型回旋加速器，目前國(guó)內(nèi)僅有兩臺(tái)，其射頻系統(tǒng)相對(duì)與其他型號(hào)有所區(qū)別，頻率相對(duì)較低，維修起來(lái)參考資料較少。本文根據(jù)發(fā)生的3例故障，進(jìn)行分析排除解決，以期做好預(yù)防，減少故障率的發(fā)生。

1 基本原理與結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備基本情況

該設(shè)備屬于小型醫(yī)用等時(shí)性回旋加速器，型號(hào)為TR19，粒子能量14～19 MeV（可調(diào)），理論最大束流150 μA，設(shè)備為2004年從加拿大Ebco公司（現(xiàn)更名為Acsi）進(jìn)口。

1.2 設(shè)備工作原理

在回旋加速器中心部位的離子源經(jīng)高壓而使氣體電離發(fā)射粒子束流，該粒子束流在稱為Dee的半圓弧電極盒（簡(jiǎn)稱D型盒）中運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的軌道中運(yùn)動(dòng)飛行。設(shè)粒子Q的質(zhì)量為m，所帶電荷為q，所具的運(yùn)動(dòng)速度V，磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，粒子受到的洛侖茲力F=BqV，粒子運(yùn)行軌道的圓周半徑r與洛侖茲力F關(guān)系為F=mV2/r，加速粒子的能量E=mV2/2=B2q2r2/2m。在回旋加速器中心區(qū)域，粒子被拉出后經(jīng)電場(chǎng)的加速而獲得較低的初速度，同時(shí)，磁場(chǎng)也對(duì)這些粒子產(chǎn)生作用，兩種場(chǎng)作用的結(jié)果是粒子在“D”型盒間隙內(nèi)按螺旋軌道飛行。帶電粒子經(jīng)多次加速后，圓周軌道半徑達(dá)到最大并獲得最大的能量，在該點(diǎn)處粒子將被束流提取裝置提取引出[8-14]。設(shè)備工作原理，見圖1。

圖1 回旋加速器工作基本原理簡(jiǎn)圖

結(jié)構(gòu)上，回旋加速器主要由7個(gè)系統(tǒng)來(lái)支持：離子源系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)（Radio Frequency，RF）、磁場(chǎng)、引出系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。加速器組成系統(tǒng)，見圖2。

圖2 加速器組成系統(tǒng)圖

TR19的射頻系統(tǒng)參數(shù)配置如下：Dee盒數(shù)量2個(gè)（45°），Dee電壓50 kV；25 kV(氘核模式)，RF頻率-74 MHz；功率15 kW，粒子轉(zhuǎn)一圈能量增加200 keV。主要有以下部分組成：信號(hào)發(fā)生器、固態(tài)放大器（驅(qū)動(dòng)級(jí)）、射頻功率放大器、控制器、同軸傳輸管路、諧振腔以及反饋控制電路[15]。TR19射頻組成系統(tǒng)圖，見圖3。

圖3 TR19射頻組成系統(tǒng)圖

2 故障實(shí)例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

點(diǎn)擊射頻開啟start后，射頻反復(fù)打火，Dee電壓不能加載。系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)“RF failure”。

2.1.2 故障分析

TR19射頻系統(tǒng)包含射頻信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)器、放大器以及諧振腔。任何一部分出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致射頻信號(hào)無(wú)法加載。出現(xiàn)反復(fù)打火通常會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)級(jí)反射功率過(guò)大，放大器表面臟或者有水導(dǎo)致放電，諧振腔內(nèi)的真空較差導(dǎo)致反復(fù)打火，也有可能與冷卻水溫度過(guò)高有關(guān)系。放大器腔體內(nèi)構(gòu)造，見圖4。

圖4 放大器腔體內(nèi)構(gòu)造

2.1.3 故障排除

首先確認(rèn)諧振腔內(nèi)真空情況，真空度為0.3×10-6Torr，屬于良好范圍。檢查驅(qū)動(dòng)級(jí)電路工作正常，同時(shí)檢查房間內(nèi)溫濕度（溫度22℃，濕度60%）也會(huì)屬于正常范圍。檢查放大級(jí)電路，表面無(wú)冷凝水，使用乙醇清潔放大管表面后，用壓縮空氣吹干，開啟RF測(cè)試，故障依然存在。將放大管陽(yáng)極對(duì)地之間的絕緣層Kapton膜（聚酰亞胺薄膜）（圖4中紫色部分）拆下檢查發(fā)現(xiàn)有靠近底部由于放電打火產(chǎn)生一個(gè)燒焦點(diǎn)（擊穿小孔），不仔細(xì)觀察很難發(fā)現(xiàn)。更換新Kapton膜后，重新開啟RF，故障排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象

開啟RF時(shí)，點(diǎn)擊RF start不能開啟射頻，放大器工作正常而且系統(tǒng)無(wú)報(bào)警。2.2.2 故障分析

射頻系統(tǒng)工作流程，見圖5。放大器、信號(hào)源均為正常開啟，點(diǎn)擊RF start會(huì)依次開啟驅(qū)動(dòng)器、反饋檢測(cè)電路以及補(bǔ)償器，鑒相器會(huì)檢測(cè)諧振腔內(nèi)信號(hào)相位與設(shè)定相位進(jìn)行調(diào)節(jié)射頻信號(hào)?？赡苁强刂破鞴收稀Ⅱ?qū)動(dòng)器工作不正?；蛘哐a(bǔ)償器不動(dòng)作等原因造成的。

2.2.3 故障排除

圖5 射頻系統(tǒng)工作流程圖

檢查過(guò)程中信號(hào)源，放大器，驅(qū)動(dòng)器等工作正常，用儀器測(cè)量傳輸信號(hào)的同軸電纜也未發(fā)現(xiàn)有異常。手動(dòng)測(cè)試補(bǔ)償器馬達(dá)動(dòng)作正常，再次開啟RF，發(fā)現(xiàn)放大管有功率輸出，但是無(wú)反饋信號(hào)，懷疑反饋檢測(cè)有問(wèn)題，依次測(cè)量反饋電路的信號(hào)線以及檢測(cè)電路板均無(wú)損壞，找到反饋信號(hào)的可編程邏輯控制器（Programme Logic Controller，PLC）輸入接口發(fā)現(xiàn)有信號(hào)輸入，但是控制電腦上并無(wú)反饋。更換一塊新的PLC控制模塊，分步開啟射頻，發(fā)現(xiàn)開啟過(guò)程中，相位無(wú)變化，懷疑軟件故障，將控制電腦重啟和控制軟件，無(wú)效果。打開加速器電腦軟件程序表，發(fā)現(xiàn)電腦更新安裝360安全衛(wèi)士，懷疑加速器的反饋信號(hào)受到新的360安全衛(wèi)士阻斷。卸載360安全衛(wèi)士后，重啟工作站。開機(jī)運(yùn)行射頻，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2.3 故障三

2.3.1 故障現(xiàn)象

開啟RF時(shí)，點(diǎn)擊RF start不能開啟射頻，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)固態(tài)放大器無(wú)功率輸出。

2.3.2 故障分析

檢查固態(tài)放大器發(fā)現(xiàn)，工作電壓正常，但是功率表指針不動(dòng)。無(wú)法確定是固態(tài)放大器還是后級(jí)放大器故障，首先要排除固態(tài)放大器損壞，其次查找后級(jí)電路。該固態(tài)放大器最大功率600 W，日常使用功率為200～300 W，由雙路相同的放大電路組合成，通常只需要一路正常即可使系統(tǒng)工作。每一路有兩個(gè)功率射頻管BLF177，該管子最大功率150 W，工作電壓50 V。

2.3.3 故障排除

拆開固態(tài)放大器檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部較臟，電路板上有一層黑色的碎屑，兩路放大電路中的50 Ω保護(hù)電阻（R16，R17）均燒壞，更換新的電阻，連接功率表開機(jī)后仍無(wú)功率輸出。懷疑放大芯片（Q3，Q4）BLF177損壞，更換4個(gè)新的BLF177后，開機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有功率輸出，但是最大只能達(dá)到200 W左右，測(cè)試只有一路工作正常，另一路不工作。經(jīng)查詢網(wǎng)上和咨詢專業(yè)人員，要求在焊接BLF177時(shí)候需要預(yù)防靜電，否則容易導(dǎo)致?lián)p傷芯片，按照防靜電要求更換另一路新管子后，測(cè)試功率最大到480 W。裝機(jī)測(cè)試，射頻正常開啟。

3 討論

回旋加速器射頻部分結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非常復(fù)雜，故障點(diǎn)較多，不僅要注重配件的及時(shí)更換，也要注意設(shè)備的工作環(huán)境以及附屬設(shè)施工作狀態(tài)的好壞[16]。檢查維修過(guò)程中一定要注意細(xì)節(jié)。通過(guò)對(duì)TR19的射頻結(jié)構(gòu)原理介紹，剖析故障相關(guān)的每個(gè)環(huán)節(jié)，熟悉放大管Kapton膜使用維護(hù)的注意事項(xiàng)，減少打火次數(shù)防止擊穿，了解加速器控制電腦軟件系統(tǒng)的使用要預(yù)防干擾，不要隨意安裝其他軟件。固態(tài)放大器日常使用過(guò)程中要定期清潔，檢查保護(hù)電阻是否損壞，保證兩個(gè)放大電路工作正常。在保障回旋加速器正常運(yùn)行的同時(shí)，提高核素的生產(chǎn)效率，為臨床PET醫(yī)學(xué)檢查提供保障的同時(shí)節(jié)省回旋加速器的運(yùn)行維護(hù)成本。

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本文編輯 劉峰

Analysis and Troubleshooting of Three Cases of TR19-Type Cyclotron Radio Frequency System Failures

SUN Chuan-jin, JI Heng-shan, WANG Xin-gang, ZHU Hong
Department of Nuclear Medicine, Nanjing General Hospital, Nanjing Jiangsu 210002, China

ObjectiveTo troubleshoot and summary the preventive measures of cyclotron radio frequency through analysis of three cases of failures, with the aim to reduce the occurrence rate of failure and improve equipment stability.MethodsWe selected three cases of cyclotron radio frequency failures in Nanjing General Hospital during 2012～2015, analyzed the reasons for maintenance and targeted prophylaxis.ResultsThrough replacing equipment parts, we improved the daily operation conditions, made in-depth repair, found out the solutions and summed up relevant experience.ConclusionThe cyclotron is complex and complicated failures happens frequently, for some, it’s easy to find out the reason, while for some, must go deep into the bottom circuit to make detailed analysis according to the principle. And then conduct careful search and put forward the preventive measures to avoid unnecessary failures.

cyclotron; radio frequency; ion source; cooling system; radio frequency signal

TL54+2.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.025

1674-1633(2017)03-0093-03

2016-08-12

2016-12-14

朱虹，主任醫(yī)師，研究方向?yàn)楹酸t(yī)學(xué)與影像醫(yī)學(xué)。

通訊作者郵箱：zh_zy@163.com