虛擬負(fù)載在瓦里安加速器高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)故障維修中的應(yīng)用研究

何 赟，孟 鑫，羅 恒，許 琨

(西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院 腫瘤放療科，陜西 西安710004)

瓦里安21EX型加速器是一款應(yīng)用于腫瘤患者放射治療的常用設(shè)備，該機(jī)型提供兩檔高能X射線，五檔高能電子射線，是一款具有水、氣、電復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型精密醫(yī)用設(shè)備。該機(jī)器工作的核心是利用速調(diào)管作為微波功率源給加速管提供微波能量，使電子得到很高的能量，而加速器的高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)就是產(chǎn)生一定功率的脈沖電壓來驅(qū)動(dòng)速調(diào)管。脈沖電壓的幅值是按照速調(diào)管的要求來設(shè)計(jì)的高達(dá)幾十千伏，并且要求的脈沖寬度非常窄，通常在5μs左右。加速器性能的穩(wěn)定性和工作的可靠性都與產(chǎn)生脈沖的質(zhì)量有著直接的關(guān)系。所以說，高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)向微波功率源提供了高壓高頻脈沖，是加速器的重要組成部分，是保證加速器系統(tǒng)正常工作的基本條件[1]。

當(dāng)加速器高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)放電電路出現(xiàn)故障時(shí)，加速器系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)MOD連鎖[2]。MOD連鎖故障所涉及的電路復(fù)雜、工作電壓高，故障檢測(cè)過程繁瑣，易擴(kuò)大化，故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間長、維修費(fèi)用高。為了減少M(fèi)OD連鎖故障停機(jī)時(shí)間和維修費(fèi)用，避免故障檢測(cè)過程中故障擴(kuò)大化，避免脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器、速調(diào)管等重要高值器件損壞，安全、快速、準(zhǔn)確的定位故障顯得尤為重要。本文結(jié)合瓦里安加速器高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的充放電過程和具體故障實(shí)例，通過采用虛擬負(fù)載的方法準(zhǔn)確快速的找出故障點(diǎn)，總結(jié)出排除類似故障的分析和判斷方法，從而使我們能夠自主維修加速器高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的MOD連鎖故障，減少因MOD連鎖故障引起的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)費(fèi)用，提高加速器的工作效率和運(yùn)行績效。

1 高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的基本原理

瓦里安加速器高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)是以脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(Pulse Forming Network，PFN)作為儲(chǔ)能元件，用氫閘流管作為開關(guān)，脈沖電纜作為傳輸線，工作時(shí)可分為“充電儲(chǔ)能”和“放電脈沖”兩個(gè)工作環(huán)節(jié)[2]。其充電過程采用直流諧振的充電方式，形成直流高壓；放電過程采用等效負(fù)載RL與PFN特性阻抗R0相等的傳輸線放電，得到加速器系統(tǒng)需要的高壓負(fù)脈沖[3]。高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)原理圖

1.1 高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的充電電路

三相交流電源經(jīng)過升壓、整流、濾波后形成直流高壓(MODE A工作模式為11kV，MODE B工作模式為13kV)，直流高壓通過充電電感L1和充電二極管CR1倍壓，使PFN的充電電壓最大可達(dá)直流高壓的2倍，再通過DeQ電路，控制PFN的充電電壓值，形成系統(tǒng)所需的高壓值。其中，充電二極管CR1作用是阻止充電電感L1引起的震蕩衰減和反向充電現(xiàn)象。

1.2 高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的放電電路

當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)所需的高壓值時(shí)就向主閘流管控制極送去一個(gè)控制脈沖信號(hào)觸發(fā)主閘流管導(dǎo)通使高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)放電。當(dāng)主閘流管導(dǎo)通時(shí)，PFN作為放電電源和主閘流管、高壓脈沖電纜、脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器、速調(diào)管之間形成放電回路，產(chǎn)生高壓負(fù)脈沖。

1.3 終端削峰保護(hù)電路

高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)放電產(chǎn)生的高壓負(fù)脈沖能量最高可達(dá)3千余焦耳，如果充放電電路或負(fù)載發(fā)生故障，很可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至損壞脈沖變壓器、速調(diào)管等重要高值器件。為了避免高壓負(fù)脈沖對(duì)系統(tǒng)電路的意外損害，保護(hù)加速器的系統(tǒng)安全，高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了終端削峰保護(hù)電路。

終端削峰保護(hù)電路由反向二極管CR2、壓敏電阻RV1、RV2、電流互感器T1和錯(cuò)誤檢測(cè)電路共同構(gòu)成。反向二極管的作用是阻止正向電流通過，允許反向電流通過，這樣不影響正常的充電過程；壓敏電阻是為了對(duì)電路出現(xiàn)過壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位來保護(hù)敏感元件；電流互感器是檢測(cè)電流信號(hào)的元器件。當(dāng)高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)放電時(shí)，在速調(diào)管等效負(fù)載和PFN特性阻抗相互匹配的情況下，PFN上形成的反向電壓很小，反向電壓經(jīng)過終端削峰保護(hù)電路中的反向二極管CR2電流也很小，電流互感器檢測(cè)到該電流信號(hào)不足以觸發(fā)連鎖，從而不影響高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的正常工作；但是在速調(diào)管等效負(fù)載RL小于PFN特性阻抗R0情況時(shí)，PFN上將形成一個(gè)很大的反向電壓，反向電壓通過反向二極管CR2形成反向電流，這時(shí)電流互感器就會(huì)向削峰檢測(cè)電路輸出一個(gè)較大的電流信號(hào)，該電流經(jīng)控制電路輸出的電壓幅值大于5.5V時(shí)，“反峰連鎖”(MOD連鎖)將被觸發(fā)，切斷電路而禁止高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)繼續(xù)充放電。

2 虛擬負(fù)載排查MOD連鎖故障的方法

2.1 虛擬負(fù)載選型

虛擬負(fù)載的選擇是排查瓦里安加速器高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)MOD連鎖故障的關(guān)鍵。首先，虛擬負(fù)載的阻抗特性應(yīng)與高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的阻抗特性相同，否則同樣會(huì)產(chǎn)生很大的反向電壓，無法排查故障。高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)主要包括PFN、脈沖電纜、脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器以及速調(diào)管。其中PFN結(jié)構(gòu)決定其特性阻抗，等效阻抗為12.5Ω；脈沖電纜[4]由四根電纜并聯(lián)組成，每根電纜的特征阻抗為50Ω，四根電纜并聯(lián)形成的傳輸線特性阻抗也為12.5Ω；脈沖變壓器的匝數(shù)比為1：11，其阻抗變比為1：121；速調(diào)管特性阻抗為1400Ω，其通過脈沖變壓器阻抗變比后，同樣等效為12.5Ω，因此，虛擬負(fù)載的阻抗應(yīng)為12.5Ω。

在調(diào)制器中我們發(fā)現(xiàn)R15和R16阻值均為25Ω，額定功率為275W，將它們并聯(lián)后正好阻值為12.5Ω。同時(shí)，這兩只電阻是無感管狀陶瓷電阻，在高壓、高能以及大電流的條件下具有穩(wěn)定的工作特性，能夠承受上千伏的脈沖電壓。因此，我們選取這兩只電阻并聯(lián)，作為虛擬負(fù)載，排查MOD連鎖故障。

2.2 使用虛擬負(fù)載排查MOD連鎖故障的方法

高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的放電回路主要由PFN、脈沖電纜、脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器和速調(diào)管組成，只要其中任何一部分出現(xiàn)故障，機(jī)器Beam On后都會(huì)出MOD連鎖。

2.2.1 MOD連鎖故障原因分析

當(dāng)高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的負(fù)載阻抗小于PFN特性阻抗時(shí)，在高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)放電時(shí)就會(huì)在PFN上產(chǎn)生較大的反向電壓，當(dāng)反向電壓輸出高于5.5V時(shí)，將會(huì)觸發(fā)MOD連鎖。MOD連鎖主要由以下幾個(gè)方面故障導(dǎo)致：

(1)檢測(cè)電路故障。首先，可能是由于削峰電容CR2的反向擊穿以及壓敏電阻RV1、RV2的失靈；其次，由于MOD故障連鎖信號(hào)所經(jīng)過的電路板或電纜出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。在瓦里安21EX機(jī)型中采用EMC(電磁兼容)調(diào)制系統(tǒng)，它的MOD連鎖檢測(cè)電路是通過J14送到調(diào)制柜中的Fault Conditioning Board(錯(cuò)誤信號(hào)板)上，通過Thyratron Backplane(閘流管背板)J3-18輸出到Auxilary Power Distribution(輔助電源板)J8-25，經(jīng)W3線纜到Console Backplane(控制柜背板)J24-25，從Input Interface#2(2號(hào)輸出板)XB2-35輸出到DI/O接口板送到控制計(jì)算機(jī)，最后控制計(jì)算機(jī)發(fā)出禁止出束指令[5-6]。檢測(cè)電路任何環(huán)節(jié)的故障都會(huì)導(dǎo)致MOD連鎖的觸發(fā)。

(2)脈沖電纜故障。瓦里安加速器在高壓脈沖調(diào)制柜和脈沖變壓器之間有四根脈沖傳輸電纜，四根脈沖電纜并聯(lián)，特性阻抗正好為12.5Ω，當(dāng)任意一根脈沖電纜被擊穿、短路打火，均將出現(xiàn)阻抗不匹配問題，出現(xiàn)MOD連鎖。

(3)脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器和速調(diào)管故障。如圖2所示，由于脈沖變壓器打火、速調(diào)管燈絲變壓器打火、速調(diào)管打火、油缸打火以及電路短路擊穿等，均將導(dǎo)致阻抗不匹配，觸發(fā)MOD連鎖。

圖2 脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器以及速調(diào)管連接圖

2.2.2 虛擬負(fù)載排查MOD連鎖故障

我們采取在脈沖電纜前、后分別設(shè)置斷點(diǎn)的方法如圖1所示，把虛擬負(fù)載接入電路來代替實(shí)際負(fù)載的方法可迅速排查故障范圍，判定故障是在檢測(cè)電路、脈沖電纜，還是在脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器以及速調(diào)管中。

(1)在脈沖電纜前設(shè)置斷點(diǎn)1，直接將虛擬負(fù)載接入高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的放電回路，高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)的PFN直接與虛擬負(fù)載連接。此時(shí)，如果繼續(xù)出MOD連鎖，則可以判斷調(diào)制器內(nèi)的高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)檢測(cè)電路故障，需要在調(diào)制柜內(nèi)檢查高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)檢測(cè)電路；如果不出，則說明調(diào)制器內(nèi)的高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)檢測(cè)電路正常，故障在設(shè)置的斷點(diǎn)之后，需檢查后續(xù)電路。

(2)恢復(fù)脈沖電纜前設(shè)置的斷點(diǎn)1，在脈沖電纜后設(shè)置斷點(diǎn)2，將虛擬負(fù)載接入脈沖電纜后。此時(shí)如果出MOD連鎖，可以判斷脈沖電纜出現(xiàn)故障，需逐個(gè)檢查四根脈沖電纜；如果不出MOD連鎖，則說明脈沖電纜也正常，打開加速器基座內(nèi)的脈沖變壓器油缸和速調(diào)管油缸，檢查脈沖變壓器、速調(diào)管燈絲變壓器、速調(diào)管及其相關(guān)電路[7]。

3 高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)MOD連鎖故障檢修實(shí)例

3.1 故障現(xiàn)象

加速器開機(jī)正常且MLC(Multileaf Collimator，多葉光柵)自檢正常，電子線晨檢正常，晨檢至6MV-X線時(shí)，Beam On即出現(xiàn)“MOD”連鎖，加速器無法進(jìn)行正常治療；后測(cè)試其他能量射線，均在Beam On后出現(xiàn)MOD連鎖。

3.2 故障檢查與處理

打開調(diào)制柜，將脈沖電纜從調(diào)制柜拆開，然后取下R15和R16，用銅線并聯(lián)組成虛擬負(fù)載，接到放電回路中；再選加速器最低能量6MeV電子線，設(shè)1MU、0.1min，Beam On后不再出MOD連鎖，說明檢測(cè)電路正常，故障在脈沖電纜連接處之后?；謴?fù)調(diào)制柜脈沖電纜連接后，將四根脈沖電纜從脈沖變壓器油缸抽出，將脈沖電纜銅芯并聯(lián)連接到虛擬負(fù)載一端，外皮接到虛擬負(fù)載另一端，如圖3所示，然后再選6MeV電子線，設(shè)1MU、0.1min，Beam On，結(jié)果每次Beam On后均會(huì)出現(xiàn)MOD連鎖，說明故障在四根脈沖電纜上。脈沖電纜采用的是同軸電纜，它是由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)、外導(dǎo)體構(gòu)成，三者之間是相互絕緣的，其絕緣電阻應(yīng)為無窮大。我們用搖表分別測(cè)量四根脈沖電纜的絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)W5、W6、W8均為無窮大，只有W7的絕緣電阻為15MΩ，因此可以斷定是W7電纜故障造成的MOD連鎖。檢查W7脈沖電纜，發(fā)現(xiàn)此電纜有一處壓褶痕跡，用刀將壓褶處劃開，剝開外皮后發(fā)現(xiàn)銅皮已發(fā)黑，并有一小孔，如圖4所示。更換此電纜后[8]，開機(jī)Beam On正常，MOD連鎖消失。

圖3 接虛擬負(fù)載

圖4 脈沖電纜打火

4 結(jié)束語

高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)是瓦里安加速器的重要組成部分，電路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、工作電壓高達(dá)幾十千伏，故障排除過程較為繁瑣，易擴(kuò)大化，故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間長、維修費(fèi)用高。高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)MOD連鎖故障是因?yàn)楦邏好}沖調(diào)制系統(tǒng)放電回路負(fù)載不匹配RL