西門子RDS111 型醫(yī)用回旋加速器射頻系統(tǒng)故障分析與維修

唐 毅，王 強，張月穎，王方洋

（陸軍特色醫(yī)學中心核醫(yī)學科，重慶400042）

0 引言

醫(yī)用回旋加速器是制備正電子類放射性藥物必不可少的正電子核素生產設備之一，由多個子系統(tǒng)組成。其中射頻系統(tǒng)是回旋加速器中非常關鍵且復雜的系統(tǒng)，是氫離子獲得能量的唯一系統(tǒng)，其產生的高頻振蕩電壓使氫離子每經過一次D 盒（諧振器）邊緣都被加速一次而獲得能量，直至氫離子達到設計能量時通過引出系統(tǒng)傳輸至靶室[1-2]。

隨著核醫(yī)學的發(fā)展，正電子類放射性藥物的種類越來越多，回旋加速器作為生產正電子核素的必要設備，不僅需要生產足量的正電子核素，還要具有良好的穩(wěn)定性[3-4]。為了保證正電子核素的正常生產，回旋加速器的保養(yǎng)和故障排除尤為重要。本文主要介紹西門子RDS111 型醫(yī)用回旋加速器射頻系統(tǒng)的3 例典型故障現(xiàn)象、產生的原因和維修過程，以為工程師維修類似故障提供參考。

1 射頻系統(tǒng)構成

射頻系統(tǒng)由頻率發(fā)生器、衰減器開關、前置放大器、中級放大器、末級放大器、同軸電纜、聯(lián)鎖控制電路、耦合器和D 盒組成，如圖1 所示。其中，聯(lián)鎖控制電路負責實時監(jiān)測射頻系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當D 盒出現(xiàn)打火或者共振失諧后及時關閉信號輸出，當打火消失或者重新找到共振頻率后恢復信號輸出。頻率發(fā)生器通過檢測射頻系統(tǒng)的共振頻率生成相同頻率的信號并實時跟蹤共振頻率。前置放大器均為晶體管放大器，中級放大器和末級放大器均為電子管放大器，通過前置放大器、中級放大器、末級放大器放大后達到設定的輸出功率。在實際工作中，射頻系統(tǒng)時常會發(fā)生一些故障，充分掌握射頻系統(tǒng)的構成及各部分之間的關系，可以預防故障發(fā)生，減少故障率和維修時間。

圖1 射頻系統(tǒng)構成

2 故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

開啟射頻系統(tǒng)時聽到“啪”的一聲巨響，同時看到閃光，拆開后看到熔斷絲、電路板上的J5 針腳處均已燒毀，如圖2所示。

圖2 電路板燒毀照片

2.1.2 故障分析

射頻系統(tǒng)的末級放大器為電子管放大器。電子管放大器內部為真空，主要由燈絲、陰極、柵極、屏極等組成，外部由銅圈、聚酰亞胺薄膜（絕緣膜）和鋁片組成，依次包裹在電子管放大器外。開啟射頻系統(tǒng)時，加在末級電子管放大器屏極上的電壓為6 kV，當射頻系統(tǒng)共振后絕緣膜兩側的高頻脈沖電壓最大值達到50 kV。

結合故障現(xiàn)象和電子管的結構分析故障原因有：（1）絕緣膜被擊穿損壞。電子管放大器工作在高頻脈沖電壓下，絕緣膜會產生強烈電暈放電，這種電暈放電所形成的空間電荷容易造成絕緣材料表面粗化，出現(xiàn)凹坑。電暈放電集中在這些凹坑并通過樹枝化向材料內部發(fā)展，直至擊穿絕緣材料[5]。（2）電子管損壞。電子管在使用過程中碳化層不斷分解、擴散、蒸發(fā)且不可恢復，可能因各種原因導致真空漏氣[6]。以上2 種原因都會導致電子管放大器發(fā)生短路，導致熔斷絲燒毀并引起其他電路故障。

2.1.3 故障排除

取出電子管放大器仔細觀察絕緣膜、鋁片和銅圈，共發(fā)現(xiàn)4 處異常（如圖3 所示）：①為絕緣膜被擊穿損壞，②為鋁片被擊穿損壞，③為鋁片呈現(xiàn)散射狀，④為銅圈在①的內側由于絕緣膜被擊穿產生毛刺。處理方法：（1）更換全新的絕緣膜和鋁片；（2）將銅圈上的毛刺打磨光滑；（3）更換電路板上燒毀的針腳J5并做絕緣處理。經安裝調試后，設備運行正常，故障排除。

圖3 電子管放大器損壞照片

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象設備正常運行中射頻系統(tǒng)突然失去共振，靶室電流值變?yōu)?。

2.2.2 故障分析

經過檢查，排除末級放大器、中級放大器和前置放大器故障，確定是頻率發(fā)生器故障導致射頻系統(tǒng)無法工作。頻率發(fā)生器是射頻系統(tǒng)必不可少的信號源，可以輸出標準的正弦波、實時跟蹤共振頻率、快速調節(jié)輸出波形頻率。判斷頻率發(fā)生器的輸出信號是否正常，可以使用示波器測量頻率發(fā)生器的輸出波形[7]，根據(jù)波形圖進行判斷。

該頻率發(fā)生器輸出信號頻率為72 MHz，因此選用200 MHz 的示波器測量頻率發(fā)生器的輸出信號，測量波形圖如圖4 所示。從圖4（a）的波形圖可知，頻率發(fā)生器的輸出信號不連續(xù)，且不連續(xù)的規(guī)律與電源的頻率相吻合；從圖4（b）的波形圖可知，輸出的波形不是標準的正弦波形。結合圖4（a）和（b）的示波器的圖形和時間參數(shù)分析，可能是電源故障。

圖4 頻率發(fā)生器輸出信號波形圖

2.2.3 故障排除

檢查頻率發(fā)生器內的電源模塊，發(fā)現(xiàn)共有5.4 V和-12.4 V 2 個輸出，其中5.4 V 用于TTL 和MECL邏輯電路，-12.4 V 用于晶體放大器。使用萬用表檢測電源模塊，2 個輸出電壓均不能達到設計值。進一步檢查電源模塊上的2 只電容，發(fā)現(xiàn)其中一只電容（10 000 μF，16 V）鼓包，另一只看不出變化，為使設備運行穩(wěn)定，同時更換2 只電容。電容更換后電源模塊輸出電壓恢復正常。頻率發(fā)生器輸出信號恢復完整的正弦波形，如圖4（c）和圖4（d）所示，故障排除。

2.3 故障三

2.3.1 故障現(xiàn)象

射頻系統(tǒng)在待機時末級放大器儀表指示不正確，2 只功率儀表反向偏轉（如圖5 所示）。

圖5 末級放大器儀表顯示面板

2.3.2 故障分析

在回旋加速器生產過程中，儀表非常關鍵，對生產效果起到了決定性的作用[8]。指針式儀表能把機器和設備的有關信息以快速、準確、易于接受的形式傳遞給操作人員，便于調節(jié)設備的工作參數(shù)和判斷設備的工作狀態(tài)[9]。末級放大器的儀表顯示是基于MC1458（雙運算放大器）的放大電路，可以根據(jù)探測器的輸出電壓以及后級所需要的電壓設置合適的放大倍數(shù)[10]，即可以通過調節(jié)放大倍數(shù)使儀表指示的讀數(shù)與真實值相對應。待機時各儀表指針均應指向“0”，現(xiàn)2 只功率儀表反向偏轉，可以初步確定MC1458放大電路板存在故障。

2.3.3 故障排除

通過查看電路圖紙和儀表線路走向找到電路板所處位置，發(fā)現(xiàn)電路板上的MC1458 嚴重燒毀，如圖6（a）所示。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，另外一塊電路板上的LM7915 和LM7815 芯片（±15 V 三端穩(wěn)壓芯片）及對應的二極管均已燒毀，如圖6（b）所示。拆除燒毀的芯片和二極管并檢查電路板情況，排除其他故障后，更換所有燒毀的芯片和二極管后進行測試，儀表讀數(shù)正常，設備運行穩(wěn)定，故障排除。

圖6 燒毀的元器件

3 小結

回旋加速器射頻系統(tǒng)是非常重要且復雜的系統(tǒng)，維修人員要充分掌握射頻系統(tǒng)的結構和運行原理，才能快速排除故障，保證設備運行穩(wěn)定。通過上述3例故障總結得出：詳細記錄故障現(xiàn)象對故障分析和排除有很好的指引作用；合理使用檢測儀器，可以快速確定故障點；重點關注儀器儀表讀數(shù)，讀數(shù)發(fā)生偏差要及時檢查設備或者調整運行參數(shù)。