医用回旋加速器的射频系统故障分析与检修

2023-10-27戴红峰

设备管理与维修 2023年18期

戴红峰

（福建省立医院PET-CT 中心，福建福州 350001）

0 引言

RF（Radio Frequency，射频）系统是回旋加速器的核心系统之一，为回旋加速器束流提供高频振荡的加速高电压，使束流中的离子每次通过DEE 电极给予一次能量跃冲，同时还具有从离子源中拉出离子的功能。回旋加速器的RF 系统主要包括发射端（产生稳定RF 信号的高频发生器）、传输通道（传输RF 信号与接收反馈信号的馈通电缆）和接收端（接收高频高电压的谐振腔）[1-2]。本文以MINItrace 型回旋加速器为例，分析工作中遇到的3 例RF 系统故障，供维修人员参考。

1 故障一

1.1 故障现象

正常情况下，在主控工作站master 上点击start up，磁场电流停留在150 A 持续1 min 左右，之后会下降至132 A 左右。故障发生时，磁场电流加载到110 A 左右时，Event log 窗口突然提示“Fault in RF system，can not set standby mode”，磁场电流能继续加载升高至150 A，停在150 A 不再变化，在status窗口显示“undefined”。然后点击“shut down”，当磁场电流为0后，再点击“start up”恢复正常。发生该故障几周后，磁场电流也是加载到110 A 左右，Event log 窗口还是提示上面的错误，RFPG 柜上显示屏提示airflow 故障，在master 上“shut down”后，再“start up”又恢复正常。此故障不定期出现，“shut down”后再“start up”均可恢复正常，在MSS 操控系统上的RF 系统界面内提示“TAU airflow”故障。

1.2 故障分析与检修

根据上述所提示的故障信息，考虑故障很可能来自射频系统功率放大器的气流部分。打开RFPG 柜的TAU 盖板，可以看到ATU 气流压强感应器（图1），其指示压强为265 Pa。将笔记本电脑连到GCU 的MSS 接口上，打开MSS，进入磁场界面开启磁场系统，将磁场电流设置为平时运行时的电流值131 A，待磁场电流值到达该设置值后，用一字螺丝刀旋转气流压强感应器中间的一字孔，将气流压强调高至300 Pa，在RF 系统界面State and mode 栏中点击“standby”，RF status 栏还是报“TAU airflow”故障。在State and mode 栏中点击“off”，关掉RF 系统，将气流压强调低至200 Pa，重新点击“standby”，RF 系统正常进入standby 状态。关掉RF 系统standby 状态，再将气流压强调至250 Pa，RF 正常进入standby 状态。之后关掉RF 系统，再将气流压强调至300 Pa，反复加载standy 状态，均报“TAU airflow”故障。气流压强调至250 Pa，加载standy 状态马上正常，反复加载该状态试均正常，最后将气流压强感应器压强定在250 Pa。经过几个月运行，再未出现该故障。

图1 ATU 气流压强感应器

2 故障二

2.1 故障现象

加速器远程监测系统发短信通知：真空系统异常关闭。

2.2 故障分析与检修

造成真空系统异常关闭的常见原因有：①真空系统本身故障；②停电；③压缩空气供给系统故障；④一级水冷系统故障；⑤二级水冷系统故障。检查发现，加速器支持柜上二级水冷系统提示低水位故障，该水冷系统膨胀罐的透明水管水位已观察不到，由此判断二级水冷系统漏水，且漏水量较大，系统自保联锁反应关闭真空系统[3]。加速器主机周围地面及屏蔽内侧地面未发现明显水迹，可以断定是设备间设备柜处漏水。设备柜的主控柜和射频发生柜都需要水冷，主控柜需要水冷的部位是磁场电源（PSMC），射频发生柜（RFPG）有3 处需要水冷，分别是：①空气冷却器（air cooler）；②驱动功率放大器组件（DPA ASSY）；③功率放大管（Tube）。

检查发现主控制柜处未漏水，而在射频发生柜（RFPG）底部边缘的地面有明显水迹。因此，拉下配电箱的RFPG 总开关，再将主控柜处的RFPG 断路器关闭。打开RFPG 柜的TAU 处盖板，可以看到空气冷却器air cooler（图2），其已内漏且水滴在air cooler 下方的两个电源及DPA ASSY 上面，而且已流到最下层功率放大器阳极供电部分（TPSU）。打开TPSU 的盖板，发现其断路器周围已遍布水珠，射频发生柜内部地面有大量积水。

图2 空气冷却器air cooler

用干毛巾先将air cooler下方的电源、DPA ASSY 和TPSU 以及地面等处的可见水迹擦拭吸干，之后在有电路板的器件盖上干毛巾，以防再有水滴落。拆卸air cooler 时，在拧开air cooler 的进出水管接头前，需在进出水管拧开接头下方覆盖干毛巾，再将air cooler 进出水管的接头用干毛巾包裹住。接下来，卸下air cooler 水管接头端后侧固定的2 个螺栓，连同固定螺栓板一起卸下，否则air cooler 不能取出。然后再卸下水管接口处的6 个固定螺栓，取出时一定要将水管接头处抬高，以免有水流出。取出air cooler 后，用吹风机将不能擦到的地方吹干，要特别注意吹风机的热风温度不可太高，时间也不可太久，以免影响电子器件的性能和寿命。将室内的除湿机除湿度调低，空调设为除湿功能，再用电风扇对着敞开的RFPG 柜吹12 h。

新的air cooler 安装好后，要在其下方有电路板的器件上盖上干毛巾，防止补水时漏水。对二级水冷系统补水时膨胀罐压力会升高，因此应先关掉膨胀罐的压缩空气供给。打开该罐上端压缩空气阀门，将空气排掉后才可正常补水。补水至原观察水位位置时停止补水，之后开启膨胀罐供气，并关闭其上端的压缩空气阀门。在设备间确认air cooler 本身和接头处不漏水后，盖上RFPG 柜的所有盖板，上电测试RF 系统。

3 故障三

3.1 故障现象

该故障未完全显露时表现为：在主控工作站master 上点击轰击功能后，DEE 电压不能很好地稳定在35 kV，检测probe 上束流时，foil 本不该有束流显示却出现束流，有时甚至会比probe上束流还要高。在MSS 操控系统上开启磁场系统和RF 系统，发现IS 还未开启时，foil 上就已有束流显示。

在故障完全显露出来时，用主控工作站master 加载磁场，RF 系统从预热到standby 状态未异常报警，点击轰击后RF 不能很好地稳定在35 kV，DEE 电压一直忽高忽低地变化，系统处于不能出束流的状态。而在MSS 操控系统上测试，DEE 电压在25 kV 才能勉强稳定。

3.2 故障分析与检修

由于近期未进行开真空腔操作，也未发生真空卸掉的情况，因此判断不是因真空较差或者真空腔内较脏而打火引起的DEE 电压不稳。根据以上现象，GE 公司工程师判断，很可能是连接DEE 极的铜板断裂，造成DEE 电压不稳。在加速器支持柜真空系统面板上按下“standby”，待真空腔内真空度下降到大气压后，打开真空腔检查，连接DEE 极有内外2 块连接铜板（图3），肉眼可见内侧连接铜板的方波形伸缩齿一处有明显裂缝。外侧的连接板卸下后，仔细观察发现有些伸缩齿也存在裂纹；内侧连接板卸下后，伸缩齿裂缝处基本上已完全断开，且伸缩齿有很多处已变形贴在一起。

图3 DEE 极连接铜板

更换2 片新DEE 极连接铜板。关闭真空腔，待真空度下降到0.5×106kPa 后，用MSS 软件调试RF 系统。整个调试的原则是DEE 电压从低到高缓慢提高，每次电压值较稳定后再提高。每次DEE 电压变化会有不同程度的打火，这是真空腔打开保养或更换部件后在高压和高频下腔内有残留物引起的正常现象[4]。若有打火，此DEE 电压的实际值会暂时小于预置值，可以看到Status栏中的Anode current limit 和Reflected voltage limit 两个黄灯闪烁，这是系统自保的正常现象。可以先从15 kV 开始，之后按1 kV 或2 kV 的增幅逐步增加。如果打火太频繁或者时间过长，再降回稳定值以0.1 kV 的增幅增加，或者适当延长在每个电压值停留的时间，直至DEE 电压升到最高35 kV 稳定为止[5-7]。