馬蕾杰，徐丹丹，雷宏昌

1.鄭州大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，河南省腫瘤醫(yī)院 放療科，河南 鄭州 450003；2.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放射治療部，河南 鄭州 450000

引言

現(xiàn)代醫(yī)用直線加速器按照采用的加速微波形態(tài)的特點(diǎn)，可分為行波和駐波直線加速器兩種。目前市面上，帶有兩檔X射線和多檔電子線的高能加速器中，瓦里安公司采用駐波加速，醫(yī)科達(dá)采用行波加速，兩家的電子槍和射線靶出現(xiàn)故障時(shí)均可以單獨(dú)維修，無(wú)需更換加速管。而且，單光子加速器的加速管均采用駐波加速，微波利用效率高，能量增益大[1]，加速長(zhǎng)度短，可以直立安裝，無(wú)需偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。瓦里安公司的UNIQUE和600CD、醫(yī)科達(dá)公司的COMPACT、我國(guó)山東新華公司的600E等均為6 MV能量的低能加速器。此類(lèi)型加速器的加速管與電子槍、離子泵和射線靶焊接加工為同一個(gè)組件，不可拆卸，其中任一部件出現(xiàn)問(wèn)題均需維修甚至更換整個(gè)組件，這會(huì)將大幅增加更換加速管的概率，然而，加速管作為醫(yī)用加速器的核心部件，價(jià)格昂貴，可能增加醫(yī)院開(kāi)支、造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。本單位先后安裝4臺(tái)該類(lèi)型機(jī)器，多次出現(xiàn)相關(guān)故障，現(xiàn)以瓦里安單光子加速器為例，系統(tǒng)總結(jié)此類(lèi)加速管發(fā)生故障的原因，分析對(duì)應(yīng)的維修方法，以期本文故障維修思路能對(duì)臨床工程師的工作提供參考價(jià)值。

1 駐波加速管的結(jié)構(gòu)和加速原理

駐波加速是指加速管的始端和末端都接短路面，使微波在加速管內(nèi)來(lái)回反射，如果加速管的長(zhǎng)度合適，則反射波和入射波的相位相同，疊加形成駐波。駐波加速管由一系列相互耦合的諧振腔鏈組成，諧振腔鏈中心開(kāi)孔讓電子通過(guò)，在腔中建立起隨時(shí)間振蕩的軸向電場(chǎng)，軸向電場(chǎng)的大小和方向隨時(shí)間交變，而振蕩的包絡(luò)線的最大值和零值則原地不動(dòng)。如果能夠滿足同步條件，即電子渡越長(zhǎng)度為D的腔體的時(shí)間等于微波振蕩周期的一半，電子就可以在駐波電場(chǎng)的作用下，沿軸線方向不斷得到加速，直至達(dá)到所需能量后被引出[2-3]。

目前廣泛應(yīng)用的為邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)，即把工作在駐波狀態(tài)π/2模時(shí)只起耦合作用的腔從束流軸線上移開(kāi)，移到加速腔的邊上，耦合腔留下的空間為加速腔所擴(kuò)展占有，加速腔通過(guò)邊孔和耦合腔耦合，相鄰兩個(gè)加速腔相差180°，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)際上，駐波加速管由電子槍、射線靶、離子泵、加速管波導(dǎo)、微波輸入陶瓷窗、水冷卻系統(tǒng)等組成，所有部件經(jīng)焊接成為一個(gè)整體，共用同一個(gè)離子泵來(lái)維持其工作所需的真空環(huán)境。

圖1 邊耦合駐波加速管結(jié)構(gòu)示意圖

2 駐波加速管故障種類(lèi)與分析方法

基于故障樹(shù)分析法，將駐波加速管各種故障構(gòu)建故障樹(shù)[4]，可分為五大類(lèi)：真空連鎖故障，射線靶故障，電子槍故障，微波輸入窗故障和水冷系統(tǒng)故障。具體故障樹(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 駐波加速管故障原因故障樹(shù)

2.1 加速管內(nèi)部真空度下降

2.1.1 故障表現(xiàn)

出束時(shí)報(bào)真空連鎖，一般先報(bào)VAC2（加速管離子泵電流＞250 μA），停止出束后連鎖消失，或在出束時(shí)加速管真空度略有變化（0.05～0.3），不報(bào)真空連鎖，但在出束停止時(shí)突然增大，觸發(fā)VAC2連鎖，隨后此數(shù)值又慢慢下降，直至VAC2連鎖消失。隨著問(wèn)題逐漸嚴(yán)重，VAC2連鎖不出束時(shí)也無(wú)法消除，直至出現(xiàn)VAC1（加速管離子泵電流＞700 μA）連鎖。

2.1.2 原因分析與處理

引起加速管內(nèi)真空度下降的因素有很多，主要包括：① 加速管組件加工焊接不致密導(dǎo)致長(zhǎng)期使用后進(jìn)氣；② 射線靶被擊穿導(dǎo)致進(jìn)氣；③ 加速管長(zhǎng)期使用后內(nèi)部分子大量沉積無(wú)法被抽出；④ 離子泵性能?chē)?yán)重下降無(wú)法維持真空[5]。具體檢查時(shí)，VAC2連鎖參考電壓為2.5 VDC，1 V對(duì)應(yīng)1 μA，ACL VAC值超過(guò)2.5 V便會(huì)觸發(fā)VAC2連鎖。測(cè)量真空電源板上TP2電壓為0，拔下加速管端離子泵插頭后，測(cè)TP2電壓為3.5 VDC，判斷加速管內(nèi)部實(shí)際真空度下降。為進(jìn)一步確認(rèn)，拔掉離子泵電源接頭，使用高壓測(cè)試棒測(cè)量其實(shí)際輸出電壓為3.65 kV，真空電源板上DS3指示綠燈亮，VAC2連鎖消失；而將離子泵電源插頭重新插入離子泵后，VAC2連鎖再次出現(xiàn)，可確定真空電源及其供電電路均正常，問(wèn)題為加速管自身。

2.2 射線靶長(zhǎng)期被電子轟擊，過(guò)熱導(dǎo)致表面凹凸不平，引發(fā)YLD連鎖頻繁出現(xiàn)而停機(jī)

2.2.1 故障表現(xiàn)

最初時(shí)出束劑量率低，維修模式下觀察發(fā)現(xiàn)靶電流數(shù)值不穩(wěn)定，隨出束時(shí)間增加而逐漸增加，逐漸嚴(yán)重后靶電流數(shù)值上下跳變，極其不穩(wěn)定，伴隨出現(xiàn)YLD連鎖，無(wú)法通過(guò)電路板參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)解決。

2.2.2 原因分析與處理

隨著治療技術(shù)的不斷進(jìn)步，旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療和單次大劑量的SBRT治療正在成為趨勢(shì)，單個(gè)治療野的照射時(shí)間變長(zhǎng)，相鄰照射野的時(shí)間間隔變短，這會(huì)大大增加射線靶單位時(shí)間的產(chǎn)熱量。如果水冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)不佳，使其對(duì)射線靶的散熱量小于靶受電子流轟擊的產(chǎn)熱量[6-8]，此種狀態(tài)下長(zhǎng)期工作最終導(dǎo)致射線靶面被轟擊至凹凸不平，引起出束時(shí)靶電流不穩(wěn)定，觸發(fā)YLD連鎖[9]。射線靶表面凹凸不平甚至被擊穿，無(wú)法修復(fù)，需更換加速管。

2.3 加速管組件內(nèi)部漏水

2.3.1 故障表現(xiàn)

治療擺位時(shí)發(fā)現(xiàn)治療機(jī)頭內(nèi)有水滴流出，觀察發(fā)現(xiàn)電離室表面有水漬，但設(shè)備未報(bào)任何連鎖。

2.3.2 原因分析與處理

冷卻水銅管環(huán)繞射線靶對(duì)其進(jìn)行冷卻，如果內(nèi)循環(huán)水質(zhì)不好，長(zhǎng)期工作會(huì)腐蝕銅管內(nèi)壁，疊加射線靶受轟擊未能及時(shí)冷卻導(dǎo)致靶周?chē)鷾囟壬?，最終引起靶周?chē)~管漏水[10-11]。由于該路銅水管在加速管內(nèi)部，無(wú)法修復(fù)處理，需更換加速管，更換后設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.4 電子槍高壓電纜接頭絕緣性能下降，絕緣橡膠插座被高壓擊穿

2.4.1 故障表現(xiàn)

射線一出束系統(tǒng)即報(bào)MOD連鎖。

2.4.2 原因分析與處理

MOD連鎖是由于高壓調(diào)制器負(fù)載短路引起放電回路負(fù)失配而觸發(fā)，負(fù)載包括磁控管和電子槍[12-13]。首先使用示波器觀察磁控管電流波形，發(fā)現(xiàn)電流大小正常，波形穩(wěn)定，排除磁控管打火可能性。關(guān)閉四個(gè)鉛門(mén)和多葉光柵，關(guān)閉治療室內(nèi)燈光，機(jī)器加高壓后在治療室內(nèi)觀察，發(fā)現(xiàn)電子槍高壓電纜接頭處打火，閃爍淡藍(lán)色火光。將電子槍高壓電纜插頭拔出，發(fā)現(xiàn)電纜插頭中間位置有一針眼大小圓孔，判斷為高壓放電擊穿所致。更換電子槍高壓電纜，更換后低劑量率試出束，仍報(bào)MOD連鎖。繼續(xù)檢查，發(fā)現(xiàn)高壓電纜插頭插入的電子槍端插座有問(wèn)題，該插座與加速管加工為同一個(gè)組件，插座外圍由不銹鋼金屬包裹，內(nèi)層為白色耐高壓絕緣橡膠，拆下金屬外殼后，絕緣橡膠中間位置也有一小孔，與高壓電纜插頭的小孔處對(duì)應(yīng)[14]。嘗試對(duì)擊穿的小孔進(jìn)行絕緣處理，先將小孔及其周?chē)謇砀蓛簦褂媚蛪褐岛芨叩?04硅橡膠（高壓擊穿強(qiáng)度為15 kV/mm）填充高壓擊穿小孔處，24 h硅橡膠可固化2～4 mm，達(dá)到耐壓要求，然后在其外圍包裹高壓絕緣膠布。嘗試以此方法處理后若不再報(bào)MOD連鎖并可正常使用，認(rèn)為修復(fù)成功，若仍未能解決問(wèn)題，更換加速管組件。

2.5 加速管或射線靶的冷卻水銅管長(zhǎng)期使用后內(nèi)徑變細(xì)，導(dǎo)致冷卻水流量變小，觸發(fā)FLOW連鎖

2.5.1 故障表現(xiàn)

治療時(shí)報(bào)FLOW連鎖，F(xiàn)LOW/AFC Buffer PCB上DS5紅燈亮，對(duì)應(yīng)射線靶冷卻水流量傳感器數(shù)值為18 Hz。而設(shè)定值下限為20 Hz。

2.5.2 原因分析與處理

水流量傳感器將水流量通過(guò)電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被采集，長(zhǎng)期工作后內(nèi)部雜質(zhì)增多，導(dǎo)致葉輪旋轉(zhuǎn)速度變慢甚至停轉(zhuǎn)[15-16]。更換該路水流量傳感器，并將射線靶一路的水管閥門(mén)開(kāi)至最大，現(xiàn)象依舊。斷開(kāi)加速管組件內(nèi)的射線靶冷卻銅管，使用一段相同管徑和接頭的水管短接供水兩端，水流量傳感器數(shù)值升至33 Hz，判斷加速管端冷卻銅水管有問(wèn)題。首先懷疑銅管內(nèi)壁附著大顆粒異物阻塞水路，引起水流量降低，嘗試使用空氣壓縮機(jī)向銅管一端吹入一定壓強(qiáng)的空氣，反復(fù)調(diào)節(jié)氣壓，未見(jiàn)有異物從另一端排出。使用手電筒檢查發(fā)現(xiàn)銅管內(nèi)壁被腐蝕形成銅綠層，導(dǎo)致銅管內(nèi)徑變細(xì)，嘗試使用5%的鹽酸溶液泵入銅管內(nèi)除銹，除銹的同時(shí)會(huì)傷害銅管內(nèi)壁，要控制好循環(huán)時(shí)間。若無(wú)法清理修復(fù)，更換加速管組件。

3 單光子加速管更換步驟及質(zhì)控內(nèi)容

3.1 更換步驟

第一，更換前需先將Primary Power Distribution PCB上Gun Filament值調(diào)至0；第二，機(jī)架270°時(shí)放出六氟化硫并用袋子排出至室外空曠處；第三，關(guān)閉水泵電源開(kāi)關(guān)，分別擰開(kāi)供給加速管和射線靶的兩路冷卻水管；第四，機(jī)架旋轉(zhuǎn)至0，鎖定機(jī)架，拆卸加速管組件外圍多層鉛塊并更換加速管；第五，更換新加速管組件后，重新注入六氟化硫至32 psi，逐步升高Gun Filament值，以1.0為一個(gè)刻度，每升一個(gè)刻度后ACL VAC值都會(huì)升高，待該值下降至0.5以下后再提高至下一刻度[17]，直至升高至Gun Filament標(biāo)稱電壓值6.9 V。

3.2 質(zhì)控內(nèi)容

待真空狀態(tài)穩(wěn)定后出束，使用三維水箱先測(cè)量40 cm×40 cm射野離軸比曲線，獲取射野平坦度和對(duì)稱性，調(diào)節(jié)加速管外圍三個(gè)螺絲可以改變加速管位置[18]，使射野平坦度和對(duì)稱性與加速器驗(yàn)收測(cè)試及計(jì)劃系統(tǒng)擬合數(shù)據(jù)相符；測(cè)量射野中心軸PDD曲線，SSD=100 cm，要求最大劑量深度為1.5 cm±0.15 cm，PDD10為67%±1%。能量指標(biāo)通常能夠符合要求，如有需要，調(diào)節(jié)Yield Servo PCB（版本號(hào)為100019291）上DQ參考電位器R7可改變PFN工作電壓，從而改變磁控管工作電流，從90 A到105 A可實(shí)現(xiàn)1%～3%的能量變化。最后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下校準(zhǔn)絕對(duì)劑量，完成更換工作。

4 討論

加速管作為醫(yī)用加速器的核心部件，價(jià)格昂貴，一旦發(fā)生故障需要更換，幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的配件費(fèi)用，對(duì)醫(yī)院來(lái)說(shuō)是一筆巨大的開(kāi)支。本文總結(jié)加速管的各種故障表現(xiàn)，分析原因并采取相應(yīng)的保護(hù)和預(yù)防措施，最大程度延長(zhǎng)加速管的使用壽命，對(duì)設(shè)備本身具有重要意義。另外，在社會(huì)效益方面，可以避免較長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，保證患者的正常治療；在經(jīng)濟(jì)效益方面，可以為醫(yī)院減少設(shè)備使用成本。

從概率來(lái)講，故障多為真空連鎖或射線靶凹凸不平導(dǎo)致YLD連鎖，占比70%以上。加速管和磁控管的幾何尺寸依靠冷卻水恒溫保證，溫度的波動(dòng)會(huì)造成金屬因熱膨脹尺寸變化，進(jìn)而使其諧振腔空間尺寸發(fā)生變化[19]。冷卻水流量偏低，輕則造成機(jī)器輸出劑量率不穩(wěn)定，重則導(dǎo)致這些貴重器件損壞，內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)對(duì)加速管和射線靶的散熱能力非常重要。

電子轟擊金屬靶，所產(chǎn)生的X射線輻射效率僅為5%～6%，其余大部分能量均轉(zhuǎn)化為熱能被水冷系統(tǒng)帶走，機(jī)器輸出相同的劑量率，X線輻射所需的加速流強(qiáng)要比電子輻射大3個(gè)數(shù)量級(jí)[15]。根據(jù)不同能量的X線輻射情況，X輻射劑量率Jx經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：Jx=0.067iVn（cGy/min.m），其中Jx與電子束平均束流強(qiáng)度i成正比，與束流能量V的n次方成正比（2＜n＜3）。由此公式推算可知，要達(dá)到相同劑量率，6 MV X射線的電子槍發(fā)射電流比10 MV以上能量的X射線又要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。6 MV作為單光子加速器的通用能量，其電子槍輸出功率更大，產(chǎn)熱量更高，需要更好的冷卻條件才能保證其穩(wěn)定工作。

綜上，對(duì)于醫(yī)用單光子加速器，建議采取的有效預(yù)防措施，主要包括以下幾點(diǎn)：① 射線靶的產(chǎn)熱量與劑量率正相關(guān)，長(zhǎng)期使用最高劑量率進(jìn)行治療更易引起射線靶損壞，導(dǎo)致更換整個(gè)加速管組件，建議使用中間檔劑量率進(jìn)行治療；② 每月檢查用于冷卻加速管和射線靶的內(nèi)循環(huán)水流量數(shù)值，若低于正常值要及時(shí)檢查處理。另外，可調(diào)大此路水流量控制閥門(mén)，調(diào)節(jié)FLOW/AFC Buffer PCB上電位器R70，提高觸發(fā)FLOW連鎖下限設(shè)定值，若有問(wèn)題可及早發(fā)現(xiàn)；③ 為避免冷卻水銅管內(nèi)壁形成水垢層導(dǎo)致內(nèi)徑變細(xì)，水流量變小，建議提高內(nèi)循環(huán)水更換頻次，使用蒸餾水或經(jīng)多重過(guò)濾的軟化水，更換水的同時(shí)按比例加入廠家專用防垢劑，更換內(nèi)循環(huán)水濾芯，清洗金屬過(guò)濾網(wǎng)，保證優(yōu)良水質(zhì)；④ 每日檢查外循環(huán)水冷機(jī)工作狀態(tài)，檢查內(nèi)循環(huán)水溫和水壓，發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常及時(shí)處理；⑤ 每周打印晨檢記錄，對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如出束時(shí)加速管真空度和靶電流數(shù)值的變化規(guī)律，可以提早發(fā)現(xiàn)故障隱患，保證機(jī)器長(zhǎng)期處于好的運(yùn)行狀態(tài)。