医科达直线加速器真空系统工作原理及故障维修一例

侯玮榆，林丰（通信作者），郭恒照，易正生

中山市陈星海医院放疗科 （广东中山 528415）

电子直线加速器是电子在直线轨道利用高频电场谐振加速的加速器。作为直线加速器的关键部件，加速管应满足以下要求：必须保持高度真空；具有良好的耐高压电性能，具备过电压保护措施；对加速电子有较好的聚焦作用；有足够的机械强度[1]。

通常情况下，直线加速器在低于5×10-6mbar的条件下工作，当真空度降低到10-4mbar时会启动真空联锁，关闭枪灯丝电源停止出束。保持高度真空可防止灯丝氧化，提高灯丝寿命，保证电子束发射效率，并可减少加速电子与气体分子发生碰撞，防止加速管在高压电场中发生气体击穿[2-3]。真空状态对剂量系统的对称性也有一定的影响[4]。医科达直线加速器真空系统主要包括加速管、电子枪、 波纹管、飞行管、输入输出波导窗、离子泵、input mode transformer等。真空系统有多处结点，多数结点处于机器内部，且其零部件价格昂贵，一旦出现故障，检修较为困难。

1 真空系统的工作原理

医科达直线加速器的真空环境主要靠2台安捷伦离子泵24 h工作来维持。这2台离子泵为溅射离子泵，亦称为潘宁泵，由阳极、阴极、永磁铁和泵体4部分组成。阳极由若干个不锈钢圆筒呈蜂窝状排列组成，阳极两端为钛合金阴极板；阴极和阳极间利用高压绝缘陶瓷连接，在离子泵电源作用下形成5.0 kV的直流高压电场。因为阴阳两极间距离很小，根据E=U/d可知电场强度E至少有5个数量级。在两极外相对位置有2块永磁体，磁场多为1 000 Gs，磁场方向与电场方向平行[5]。电子在这样的电磁场环境中以螺旋线方式高速运动，与泵内的气体分子发生碰撞，进行潘宁放电，产生新的阳离子和阴离子；正离子轰击钛阴极，大量钛原子被击出，沉积在阳极和阴极受离子碰撞较弱的区域，形成新鲜钛膜，大部分活性气体与之发生化合反应，并吸附在钛膜上，以此获得高真空。

2 故障维修一例

2.1 故障现象

治疗中报“10-4 trp T”，提示真空故障。重启离子泵，制造真空，但靶端离子泵效率低，不易激活。

2.2 故障分析及维修

由于保修范围不含配件，且连续2次掉真空都是在星期一，怀疑冷机太久引起的热胀冷缩导致掉真空。观察发现，治疗前枪端和靶端的值都在-6.0以上，治疗几例患者后，靶端真空值跌落明显，枪端真空值几乎没变化。（1）关闭枪端隔离阀4 min，枪端真空值从-6.15升至-6.33，靶端真空值从-6.20降至-6.14；再打开隔离阀9 min后，枪端真空值降至-6.21，靶端真空升至-6.21；因此，排除隔离阀故障。（2）排空微波管SF6气体，枪端和靶端真空无变化，因此可排除微波输入输出窗有漏点。（3）怀疑胶圈老化，更换电子枪胶圈及波纹管胶圈，并在靶上涂抹阿皮松，真空仍不稳定，治疗时靶端真空仍然明显跌落，排除胶圈问题。（4）怀疑靶有漏点，使用测漏仪测试，对多处结点喷氦气，可能由于之前靶上之前涂过阿皮松，未测到漏点。（5）重新激活离子泵制造真空，离子泵无法正常激活，交换离子泵电源供应单元上的电缆；重启离子泵，i227原为示枪端值，现为示靶端值，未见靶端离子泵激活，i288原为示靶端值，现为示枪端值，枪端离子泵处于激活状态，因此怀疑靶端离子泵故障；重复激活多次发现两端离子泵无法激活，怀疑多次重启致离子泵电源供应单元故障。（6）由于配件不在全保范围，出于成本考虑，优先更换靶端离子泵及离子泵电源供应单元，更换后，掉真空情况仍存在。（7）使用电子线出束，真空稳定；使用光子线出束，靶端真空跌落明显，因此怀疑飞行管的X线靶有漏点，打靶时靶点由于热胀冷缩作用变大，致真空明显跌落；更换飞行管，故障解决。

3 真空系统故障原因

真空系统故障大致有3个原因：真空系统存在漏点、离子泵故障和离子泵电源故障[6]。加速管内的真空度与离子泵的工作电流成指数关系，因此工作电流可间接反应真空度[7]。发生真空故障时，应先观察离子泵工作状态，用手触碰离子泵外壳，若外壳发烫，此时离子泵正大功率工作排气[8]，对离子泵伤害较大，应关闭离子泵，待冷却后重新激活。真空系统联锁保护设为二级，当真空度过低时，会发出故障提示，但此时真空值尚未到达断电保护离子泵的要求，离子泵仍有可能在工作状态[2]。若故障为真空系统存在细小漏点，待漏点冷却封闭后，真空状态有可能不需处理就可恢复正常。当长时间未能恢复真空，再重新激活离子泵，并观察真空状态，然后观察日志记录或正常使用中观察真空值的变化，判断是靶端故障还是枪端故障，再结合隔离阀或靶，可进一步缩小漏点范围。若为离子泵故障，大部分原因可能是加速器转动过程中，极板上的毛刺或杂质脱落，导致阴阳极短路，致离子泵停机，可尝试敲击泵体，将杂质震落，进而使离子泵恢复工作[9]。换线处理是常用的故障排查手段之一，对离子泵电源进行换线可推断离子泵电源或离子泵是否存在故障。最后根据推断出来的故障原因，配合维修工程师进行“有创”维修，如关闭真空系统更换胶圈、离子泵、靶等真空部件。

综上所述，临床一线物理师和工程师需了解真空系统的工作原理，有助于在进行真空故障排查及应急处理时缩短故障处理时间，减少可能出现的医患矛盾。