RDS 111型醫(yī)用回旋加速器運行中真空故障排查兩例

潘曉強，王淑俠

廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學科學院）核醫(yī)學科，廣東 廣州 510000

引言

RDS型醫(yī)用回旋加速器主要用于生產(chǎn)18F、11C、13N等放射性同位素，將這些同位素標記的正電子藥物靜脈注入人體后再通過PET/CT、PET/MR等設備進行顯像。PET/CT顯像在臨床良惡性腫瘤診斷及療效評估起到重要作用[1-2]。保證醫(yī)用回旋加速器的平穩(wěn)運行、放射性同位素的產(chǎn)量穩(wěn)定，降低回旋加速器的故障率，減少回旋加速器故障時的停機時間，同時做好醫(yī)用加速器的維護和保養(yǎng)是保障臨床用藥的前提。在醫(yī)用回旋加速器的故障中以靶壓故障、離子源故障、真空故障、冷卻系統(tǒng)故障較為常見[3]。其中，靶壓故障需要逐步排除氣體問題、閥門問題、PLC輸出問題以及電路故障進行分析排除[4]。離子源故障常由于長時間使用離子源陰極金屬頭，金屬剝落導致短路或者陰極線絕緣層脫落接通陽極導致短路故障。而冷卻系統(tǒng)故障則需要排除內(nèi)循環(huán)水是否足量、內(nèi)水冷過濾接頭是否堵塞以及外水冷機是否正常運行。真空泄露常為靶膜破裂、真空窗膜破裂、密封圈破損、密封圈移位和異物進入密封區(qū)域及其他故障導致的真空泵停機[5]。其中密封圈移位和異物進入密封區(qū)域通常是在回旋加速器零部件拆卸后裝配回去的過程中出現(xiàn)；靶膜破裂和真空窗膜破裂現(xiàn)象比較常見且明顯，容易判斷；由于回旋加速器擁有各種各樣的密封圈不計其數(shù)，因此排查由于密封圈破損導致的真空泄漏非常困難。在可移動旋轉(zhuǎn)的部位更容易出現(xiàn)密封圈破損的情況，例如靶頭切換器會容易因為旋轉(zhuǎn)切換靶時摩擦密封圈而出現(xiàn)密封圈破損。但是并沒有找到在設備運行中由于射頻耦合線圈內(nèi)部橡膠密封墊片破損導致真空故障的案例。本文介紹了兩例回旋加速器運行中分別因靶頭旋轉(zhuǎn)切換器的固定金屬盤的密封圈破損和射頻耦合線圈內(nèi)部橡膠密封墊片破損導致的真空故障，并詳細展示了故障排查過程，為出現(xiàn)類似的真空故障情況時提供維修參考經(jīng)驗。

1 醫(yī)用回旋加速器工作原理

醫(yī)用回旋加速器主要是進行放射性同位素的生產(chǎn)。加速器由磁場系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、離子源系統(tǒng)、離子萃取引出系統(tǒng)、靶系統(tǒng)等構(gòu)成，各系統(tǒng)在控制電腦（VME）的控制下協(xié)調(diào)工作[6-7]。RDS 111型回旋加速器工作過程如圖1所示，氫氣在離子源中被電離，生成的負氫離子在偏置電壓作用下被引出到真空腔中，負氫離子在偏轉(zhuǎn)磁場的作用下做圓周運動，同時被共振電極產(chǎn)生的射頻電場加速。由于RDS 111型回旋加速器采用4個D型共振電極（DEE盒）的設計，粒子每通過一個DEE盒就受到一次吸引和一次排斥影響完成兩次加速，所以粒子運動一周獲得8次加速。負氫離子不斷進行圓周運動并持續(xù)加速到11 MeV后，經(jīng)萃取碳膜剝離電子后被引出轟擊相應靶材料，生產(chǎn)出相應同位素[8]。

圖1 加速器工作原理圖

2 真空系統(tǒng)的重要性及其工作原理

真空系統(tǒng)是回旋加速器的重要組成部分，是回旋加速器運轉(zhuǎn)的必需系統(tǒng)之一。較高的真空度是加速器正常運行的必要條件。真空為加速的負氫離子提供真空環(huán)境，可減少腔體內(nèi)各種雜質(zhì)氣體對加速負氫離子的能量損耗[9]。否則，真空腔內(nèi)過多的雜質(zhì)會導致被加速的負氫離子偏離加速軌道后轟擊真空腔內(nèi)壁，進而破壞真空腔內(nèi)壁光潔度，同時離子源效率也會大幅降低，導致離子源打火、速流穩(wěn)定性降低，更甚者可能會導致零部件的損壞[10]。西門子RDS 111回旋加速器真空系統(tǒng)24 h運行，加速器在不進行核素生產(chǎn)時真空腔壓力可維持在1×10-7Torr?；匦铀倨髡婵障到y(tǒng)由加速器真空腔、真空泵、真空閥門、真空度傳感器和真空硅顯示器構(gòu)成，真空控制單位通過終端盒控制各真空組件[11]，詳見圖2。其中真空規(guī)顯示部分分為IG和TC1/TC2，IG探測壓力范圍為P＜10-3Torr，TC1/TC2的探測壓力范圍為P≥10-3Torr。真空泵由初級真空機械泵和次級真空擴散泵（Diffusion Pump，DP）組成[12]。機械泵維持真空腔和初級真空管道一定的真空度，并為DP泵工作提供無水汽負壓環(huán)境。真空泵工作過程：同時打開機械泵和DP泵開關，機械泵首先工作，當TC1/TC2真空度達到5.6×10-2Torr時DP泵電源接通，DP泵加熱絲開始給DP加熱，當DP油達到一定溫度時，4個DP泵燈逐漸點亮，DP泵進入工作狀態(tài)。DP泵工作2 h后，真空能達到10-7Torr。

圖2 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3 故障案例分析

3.1 案例一

3.1.1 故障現(xiàn)象

回旋加速器正常運行，在使用大靶靶頭切換器切換靶體過程中，真空度驟然大幅下降至10-4Torr，靶體復位或者切換靶位完成后真空可緩慢恢復正常。

3.1.2 故障分析

由于大靶靶頭切換器靶頭內(nèi)部真空是通過一個小機械泵抽取的，真空度無法達到真空腔真空度級別，當切換靶位時，真空腔短暫連通靶頭真空，因此真空腔真空度會出現(xiàn)小幅下降。靶體復位或者靶位切換完成后真空將迅速恢復。但是切換靶位時出現(xiàn)較大真空變動，而且真空恢復時間較長，必然出現(xiàn)了真空泄漏問題。切換大靶靶頭切換器任意靶體過程中都出現(xiàn)真空問題，靶體復位或者靶位切換完成后真空可恢復正常，因此可排除由于靶故障造成的真空故障。轉(zhuǎn)動大靶靶頭切換器轉(zhuǎn)盤進行靶位切換時，轉(zhuǎn)盤內(nèi)的靶孔前端密封圈與固定金屬盤（圖3）內(nèi)的密封圈產(chǎn)生摩擦，如果此兩種密封圈老化或者潤滑度不夠，很容易因摩擦出現(xiàn)磨損從而產(chǎn)生真空泄露。

3.1.3 故障處理

逐一拆下靶體，并拆下大靶靶頭切換器轉(zhuǎn)盤，發(fā)現(xiàn)其固定金屬盤上的真空密封圈（圖3）出現(xiàn)破損，更換此密封圈，并在靶孔前端密封圈和固定金屬盤上的密封圈表面涂抹阿匹松真空油以達到密封和潤滑作用。裝回大靶靶頭切換器轉(zhuǎn)盤和靶體，真空抽取正常后進行測試，切換靶位顯示真空故障現(xiàn)象消失。

圖3 大靶靶頭切換器固定金屬盤

3.2 案例二

3.2.1 故障現(xiàn)象

在使用回旋加速器大靶18F靶正常加注富氧水轟擊30 min后腔體真空度急速下降，速流中斷，終端控制電腦顯示出錯，真空規(guī)IG顯示錯誤代碼：09 E。TC1/TC2真空度分別降至1.5×10-1Torr、1.7×10-1Torr，低于正常值1×10-3Torr，此時DP泵已經(jīng)顯示斷電，DP顯示燈逐漸熄滅。

3.2.2 故障分析與處理

（1）首先檢查大靶18F靶膜是否破損。發(fā)生故障時，由于正在使用大靶系統(tǒng)18F靶生產(chǎn)核素，故由于靶故障引起真空泄漏概率較大。檢查方法：往18F靶內(nèi)加注靶壓氣體氬氣后進行保壓，靶壓保壓正常，因此可排除由于18F靶穿靶所導致的真空泄露[13]。

（2）檢查小靶靶頭切換器真空窗是否破損。真空窗膜是厚度為2 mm的金屬膜，真空窗一邊連接的是負壓的真空腔，另一邊連接的是正壓的氦冷系統(tǒng)，由于壓差很大導致真空窗膜破裂也是真空故障的常見原因之一。檢查方法：在控制電腦端使用手動控制模式，同時打開氦流和氦壓開關使氦氣循環(huán)泵工作至氦流和氦壓傳感器燈點亮后關閉，氦壓傳感器燈能維持常亮，顯示小靶靶頭切換器冷卻氦氣密封性良好，故可排除由于小靶靶頭切換器真空窗破損導致的真空泄漏。

（3）檢查機械泵是否正常。正常情況下，只有機械泵的情況下也能將真空壓力維持在1×10-3Torr，由于真空壓力遠低于這個壓力值，因此不排除是由于機械泵故障導致的真空故障。檢查方法：回旋加速器卸靶冷卻12 h后，打開回旋加速器自屏蔽，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機械泵機械油油量和顏色正常，電源通電正常，運行有震感。再檢查機械泵功能是否正常，機械泵斷電后將TC1端真空傳感器直接短接在機械泵上，接上電源開啟機械泵，真空很快能達到1×10-3Torr，顯示機械泵功能正常，因此排除由于機械泵功能故障導致的抽取真空能力下降。

（4）檢查大靶靶頭切換器是否有真空泄漏的情況。由于大靶靶頭切換器中密封膠圈較多，也常常會由于靶位轉(zhuǎn)動導致密封圈磨損出現(xiàn)真空故障。為了節(jié)省時間，直接使用排除法。檢查方法：將真空完全解除后，關掉大靶水冷，將整個大靶靶頭切換器拆下，使用西門子專用靶頭堵頭堵住靶頭腔體，開啟機械泵10 min，顯示真空度最高只能達到1.5×10-1Torr，真空度并沒有提高。因此判斷故障點不是大靶靶頭切換器。

（5）檢查離子源和塔型結(jié)構(gòu)是否存在真空泄漏。由于塔型結(jié)構(gòu)上的真空密封圈直徑較大但比較細小，容易在將塔型結(jié)構(gòu)裝進真空腔時由于輕微轉(zhuǎn)動導致密封圈損壞甚至拉斷。同時離子源的氫氣管道也有可能出現(xiàn)漏氣或者氫氣控制器故障導致真空過差。排除方法：破除真空，將整個塔型結(jié)構(gòu)連帶離子源取出，使用塔型結(jié)構(gòu)專用堵頭堵住，抽真空，真空度沒有提高。因此可排除回旋加速器塔型結(jié)構(gòu)以及離子源存在真空故障。

（6）檢查DEE是否存在真空故障。RDS 111型醫(yī)用回旋加速器存在4個DEE盒，由于D型電極軸柱（DEE-Stem）為鋁制材料，使用一段時間后會出現(xiàn)鋁銹，從而會影響真空密封圈的密封效果。檢查方法：將DEE盒逐一拆下，檢查DEE盒內(nèi)DEE-Stem真空密封圈以及密封圈部位是否存在較大銹蝕，使用標號2000#的砂紙打磨密封圈部位并使用新密封圈替換所有舊密封圈后裝回，再次測試腔體內(nèi)真空度，然而真空度并未提高，因此可判斷此4個DEE盒正常。

（7）最后檢查嵌入DEE盒的射頻耦合線圈。方法：斷掉射頻耦合線圈管，取下射頻耦合線圈銅鑄件，實物圖和結(jié)構(gòu)示意圖如圖4～5所示。檢查射頻耦合線圈上的所有密封圈，發(fā)現(xiàn)射頻耦合線圈內(nèi)部密封墊片有破損裂紋（圖6），更換此密封墊片后裝回，開啟機械泵抽取真空，15 min后，TC1/TC2的真空度能達到1×10-3Torr，開啟DP，DP運行正常，抽取真空90 min后，真空恢復正常。因此可確定此密封墊片破損裂紋是導致真空泄漏的原因。

圖4 射頻耦合線圈實物圖

圖5 射頻耦合線圈結(jié)構(gòu)圖及密封墊片位置

圖6 破損的橡膠密封墊片

4 討論與總結(jié)

醫(yī)用回旋加速器維護分為預防性的維護和計劃外的維修兩類[14]。預防性的維護有常規(guī)檢查和系統(tǒng)檢查，定期維護起著重要作用，以使回旋加速器的正常運行時間保持在99%以上。計劃外的維修主要包括靶泄漏、真空泄漏及離子源故障，醫(yī)用回旋加速器工程師進行故障排除和更換有故障的零件，大多數(shù)故障排除都是根據(jù)維修經(jīng)驗進行的。本文兩個疑難案例不是常見故障點，案例一是由于密封圈摩擦破損造成的真空故障，通過分析故障現(xiàn)象可以推斷出故障點。此故障可為核醫(yī)學工程師在維護回旋加速器設備時提供參考，在產(chǎn)生摩擦部位的密封圈要注意添加潤滑油以降低摩擦密封圈破損的概率。案例二是沒有明確的零部件故障特征，故障排除較為耗時耗力，其檢修較其他真空故障更為復雜。本文的檢修過程可為回旋加速器的真空故障提供思路和參考，因為其中的排查檢修步驟已經(jīng)囊括了回旋加速器常見真空故障的大部分情況。設備維修大多是經(jīng)驗維修，理解設備工作原理、積累維修經(jīng)驗，就能更好地做好回旋加速器的維護保養(yǎng)。這兩個不常見的真空故障可以填補相關的真空故障庫，為核醫(yī)學工程師維護回旋加速器提供更多參考經(jīng)驗?；匦铀倨魇且粋€強輻射的設備，即使在非工作狀態(tài)仍存在靶體等高度活化的金屬部件，密封圈和密封墊片使用久了容易老化，出現(xiàn)變形、硬化和裂紋，而長期的高強度輻射環(huán)境會加劇這一進程[15]，因此在加速器維護過程中要定期對密封圈和密封墊片進行更換。后續(xù)可進一步研究高強度的輻射環(huán)境和普通環(huán)境對密封圈等橡膠部件硬化老化的影響。