77加速器 医用加速器的综合维修保障

抽象的

加速器用于肿瘤治疗已有50多年的历史。其基本原理是利用加速器产生的粒子束或射线的电离作用，最大限度地破坏肿瘤细胞，最小限度地影响正常组织。调查显示，80%的癌症患者需要放疗，可见电子直线加速器在癌症治疗中的重要性。

电子直线加速器集集水、电、气、微波、高能辐射于一体，其开发生产技术体现了现代科学技术的最新成果，这就带来了电子直线加速器中综合保障的复杂性。

01

总结

在我国，加速器的理论、研究和应用起步相对较晚，尤其是对于电子直线加速器的使用和维护支持，基础薄弱，表现在维护人员少、重要部件生产能力不足等诸多方面。本文总结和讨论了我们多年安装和维护电子直线加速器的经验和方法。

医用直线加速器可分为质子直线加速器和电子直线加速器。电子直线加速器由于产生电子射线和X射线两种射线，能量稳定，特别是制造成本降低，已成为放射治疗的主要设备并得到广泛应用。

自1994年以来，我们一直在中国安装和维护医用直线加速器。多年来，我们已经安装了6台医用直线加速器，并参与了7台医用直线加速器的维护和支持。这7台电子直线加速器中，6台是进口转发器，1台是新安装的。加速器型号有西门子80年代初生产的Mevatron 74和Mevatron 77，瓦里安90年代生产的Clinac 600C。特别是我院使用的两台电子直线加速器，一台是瓦里安Elinac 600C，能量6MeVX射线，1995年生产，1996年安装使用。另一种是西门子1981年生产的Mevatron77，电子线路等级6: 3、7、10、12、15、18MeV，X线15MeV。1996年在我院安装使用，现在超龄，状况良好。

02

原理和结构

医用电子直线加速器的基本原理可以用一句话来概括:在加速管内建立微波电磁场，电子被注入加速管并被微波电磁场加速，最后以接近光速的速度出射束。微波馈入加速管可以通过行波和驻波两种方式建立加速电场，因此医用电子直线加速器可以分为行波加速器和驻波加速器两种。电子的质量很小，所以即使能量不太高，其速度也接近光速c，如1MeV电子，ve = 0.94 c；10MeV电子，Ve = 0.999c；能量较高时速度不变，主要表现为电子质量的增加和束流能量的增加。因此，在加速管前段设置不等间距的圆盘加载波导，使微波波速与电子速度发生共振，加速管末端段的圆盘间距基本相等。这种波导加速器使用的微波频率很高，一般在S波段，达到几千兆赫以上，频率稳定性要求不超过50kHz。

驻波加速管不仅大大缩短了加速管的长度，而且在加速能量较小的情况下，可以省去行波加速管所需的聚焦、导向、真空、偏转和束流调平系统。比如瓦里安的Clinac 600C就采用了这种结构。

Mevatron 77采用驻波加速管，微波功率7MW，频率2998MHz。

医用电子直线加速器除了以加速管为主的加速系统外，不包括必不可少的电子注入系统、微波产生和传输系统、脉冲调制器及其附属的真空系统、冷却和恒温系统、束流提取系统、电源和控制系统。

医用电子直线加速器的基本结构图如下:调制器由控制台上的触发器触发，产生一系列负脉冲高压，施加在调速管阴极；速调管放大射频电源产生的微波，发出频率为2998MHz、功率高达7MW的微波，通过波导系统馈入加速管，在加速管内产生所需的加速电场。同时，来自电子枪的电子由短透镜聚焦，并由-X1和Y1定心线圈定心，以一定的初始速度注入加速管的轴，并由轴向微波电场加速。剩余的微波功率通过输出耦合器和波导窗口到达吸收负载，转化为热能消耗掉。加速的电子通过X2和Y2定心线圈以正确的角度耦合出去并注入偏转磁铁。电子束偏转2700°后，穿过0.1毫米的钛窗，击中3毫米厚的金靶，产生X射线。经过准直器、平滑滤波器、电离室、铅门后，变成X射线进行治疗。去掉金靶，换上0.3mm厚的散射箔后，就可以产生治疗性的电子射线。

此外，医用电子矫直机还必须有完整的联锁保护装置，主要监控剂量率稳定性、高剂量率、均匀性、同步性、能量选择，以及重要部件的电流、水流、真空和氟利昂压力等。如果任何保护失效，加速器将停止发射光束。一方面是为了保证患者和工作人员的安全，另一方面也是为了保证加速器安全稳定的工作。

03

安装和试运行

由于电子直线加速器结构的复杂性和高能辐射对人体的危害，其机房设计和机器安装高度比其他医疗设备要求更高。

3.1安装前的准备

首先，设计建造加速器室。设计必须请专业设计公司。设计中首先要考虑上下左右前后射线防护。此外，还应考虑机器的进出通道、电缆沟和射线防护的方向、通风口和通风管的敷设、接地线的敷设和冷却水管的敷设。冷却水管应与电缆分开，冷却水可由冷却水装置、自来水和蓄水池供应。辅助室应考虑病人和操作人员进出的方便。一般来说，操作人员应该与患者分开。在施工过程中，需要随时与施工方进行沟通和监督，主要包括水泥钢筋的标号、防护墙的厚度、预留通道的走向和保护、机座的定位和调试等。由于加速器的治疗床必须旋转，其安装应放置在一个圆形的坑上，其半径、高度和底座的定位应根据机器的要求预先设定。旋转底座的钢圈可以预先嵌入水泥坑中。在顶面施工时，应根据机器的安装要求，提前预埋机器的安装钩。要求承受10吨以上，必要时可预设相邻两个。

其次，准备好安装工具。准备的工具包括:卷扬机、千斤顶、足够的方木、拉绳和钢丝绳等。由于机器从外面进入机房需要在地面上滚动，所以需要准备足够的钢管，此外，还需要平整进出路面。

3.2机械安装

开箱前必须检查外包装是否损坏，开箱后备件是否完好，附件是否齐全。此外，加速管和速调管的高真值空只能在工厂建立，机器工作时通常由离子泵维持。在运输过程中，离子泵通过蓄电池和高压变频器供电。开箱时，必须检查该电源模式是否正常工作，离子泵的电流是否保持在低电流，立即固定限制机头旋转的螺栓。之后，顶起配重，将其固定在框架的下端。这时候整个画面就平衡了。

框架安装到位后，根据治疗床的位置调整治疗床的底座位置，安装调整治疗床。治疗床的安装调试涉及到等中心、旋转中心、皮距等技术指标，必须逐项调试才能满足要求。

辅助柜的安装:速调管柜的位置应根据带外置速调管的电子直线加速器中波导管的方向和距离来确定，调制器柜应靠近速调管柜布置。速调管的恒温水管应在高压下与调制器隔离。在安装过程中，我们发现了水管振动引起的高压点火故障。安装速调管时，有必要检查其外观是否损坏或歪斜。速调管的喷管柱一旦偏斜，调试后可以使用，但微波功率有限，机器不稳定；安装后通电时检查离子泵的真空电流是否符合要求。

稳压配电柜应符合机器要求，一般要求在50kW以上，并应放置在加速器主机房外和操作控制室的相邻房间内。

3.3电缆连接和电气化

电缆只能在机械安装到位后才能连接。主电缆在控制台和机架之间，因此电缆应穿过预留的电缆沟。应采用三相五线制配电电缆，配电电缆应与控制电缆适当分开。

通电前，测量各部分的负载电阻，用高压摇表测试主机负载的绝缘程度。通电时，单独的部件用于通电。通电时，必须两人以上配合，一人观察机房情况，遇短路立即发出断电信号；配电柜里还有一个人，随时准备切断电源。

通电后，测试每个组件的主要功能，如机架旋转、治疗床移动等。同时测试检查电子枪和速调管的真空电流，确定真空度。检查恒温水循环系统的工作情况:有无漏水，压力和水温是否符合要求等。然后根据各部分的功能分别调试电路，必要时修复损坏的电路。特别是对于直通式加速器，由于之前的工作状态，很多故障往往是通过维修电路板来解决的。

3.4调试验收

安装工程的最后是大量的调试工作，这也是安装质量的关键。在这一步中，我们必须与辐射物理学家密切合作，调整机器的机械精度和辐射质量，甚至包括辐射防护，直到每个参数都满足临床使用的要求。最后配合用户完成相关单位验收。

04

质量保证和调试方法

质量保证贯穿于电子直线加速器的安装、运行、日常维护和维修过程。一般来说，要求是辐射物理学家提出的，维修工程师调试甚至改进才能满足要求。但维修工程师必须明确与维修调试相关的质量指标，主要包括以下维修性指标。

4.1机械稳定性

机械等角点:医用电子直线加速器的机械等角点是旋转架转轴、光束限制装置转轴和治疗床转轴的共同交点。等中心是治疗时病变的位置，也是调整激光定位灯的基本依据。对于一般的放射治疗加速器，要求在旋转台架和束流限制装置3600的过程中，等中心的偏差不超过2mm，在旋转治疗床900-00-2700的过程中，等中心的偏差不超过2mm。

机架的转速和稳定性:要求有稳定的转速。当以最大速度旋转时，齿条旋转3600小时所需的时间应为60s左右，顺时针和逆时针旋转一个周期所需的时间差异不应超过10%。

光场指示灯的度数:这是为了保证光场和照射场完全重合，即光场指示灯的照射场与实际照射场一致。光场指示灯的精度一般采用照相法确定，光场与实际照射场的偏差不应超过2mm。

框架/准直仪角度指示器:指示器的指示值和实际测量值不得超过10%。

激光定位灯的精度:等中心照射的定位取决于激光定位灯，激光定位灯沿床的纵轴方向分别安装在机房的屋顶、侧壁和墙壁上，它们在等中心的交点应在r=lmm的范围内，水平垂直线方向应准确。

4.2剂量稳定性

能量:一般用标准三维水箱测量。

对于X射线束，一般需要标明能谱中的最大能量。但在临床上，X射线的标称能量一般用水中半峰穿透深度对应的MeV数来表示。对于选定的标称能量，渗透率值和给定值之间的差值必须在土壤的3%以内。

对于电子束，测量的电子束入射能量与水箱表面的标称能量之间的差AE应满足要求:

吸收剂量:在正常治疗距离下，监测剂量计预选值与吸收剂测量值的相对偏差不得超过2%。

剂量率:进口机器上要求剂量率稳定，因为直接影响放疗质量，而国产机器在这方面要求并不严格。比如西门子Mevatron系列电子直线加速器的剂量率一般可以稳定在300μ/min，最大误差不超过20%，否则会出现剂量率联动。因此，在稳定剂量率方面，维持进口加速器需要大量的能量。

重复性:吸收剂值的重复性误差不应超过0.5%。

稳定性:X射线束吸收剂量的短期稳定性、一天稳定性和一周稳定性应优于土壤的2%，分别优于电子束的2%、3%和4%。

4.3安全保护

过量照射:电子直线加速器必须配备两个独立的剂量监测系统，二级监测系统必须在超过吸收剂量预选值不超过15%或不超过0.4CY时终止照射，当吸收剂量率超过规定的最大值不超过两倍时，必须通过联锁终止照射。

有用光束中的杂散辐射限制:X射线份额不得超过10%辐射泄漏极限:在正常治疗距离下，垂直于有用束中轴线的半径为2m的圆形平面上的辐射泄漏，不应超过有用束中轴线吸收剂量的0.2%和0.1%；对于中子泄漏，上述两个值分别为0.05%和0.02%。

所有紧急停止开关和链条保护应有效。

拍摄场地的楔形板、电子限光管的开关锁和门联锁、视听监控应有效。

此外，对治疗室的位置、设计和施工有特殊要求，通风频率应达到每小时3 ~ 4次。

05

维护支持

电子直线加速器涉及物理、电子、供水、真理空等多个学科。与其他医疗设备相比，其维修保障有其特殊性和共性。

5.1脉冲调制器和速调管

脉冲调制器将工作电源调制成频率、幅度、宽度、波形都能满足要求的脉冲电压，以满足速调管放大微波功率的需要。脉冲调制器的特点是功率大、电压高、电流大。其基本参数有:脉冲宽度、脉冲功率、平均功率、重复频率、负载阻抗、脉冲幅度稳定性。

这部分的主要问题是闸流管老化和高压绝缘。老化时，脉冲高压幅度不够或关断不完全，导致微波功率不足。解决办法就是买闸流管代替，现在可以用便宜的国产闸流管代替。其次，要经常检查这部分水路，防止泄漏，以免造成高压点火。

微波传输波导管的气压要经常检查。气压不足时，容易造成微波点火。

5.2加速管系统和水循环系统

加速管系统的作用是将电子枪发射的低速电子加速到接近光速，其关键性能取决于电子枪发射电子的能力和加速管保持恒温的能力。恒温由恒温水循环系统维持，往往会出现漏水问题，而盘车加速器更严重。我院西门子Mevatron77加速器管从加速器管出束口多次发生泄漏。我们尝试了很多方法来堵漏，但是过了一段时间又漏了，只好更换加速管。漏水导致的故障有很多，比如靶漏水导致电离室损坏，所以要经常检查循环水系统，更换老化的水管，防止更多的故障。

5.3剂量控制系统

剂量控制系统是稳定剂量率、控制射线能量、对称性和平坦度的指标，在加速器中起着重要作用。首先要和辐射物理学家一起工作，确保辐射的各项指标符合要求，每周都要检查校准，这就需要工程师根据机器情况经常调整。由于机器的老化和参数的变化，一些参数需要经常调整，如PFNE、PRF、INJE、INJI。

5.4其他辅助系统

治疗床的主要目的是保证其旋转精度。由于其运动频繁，一些运动部件，如电机、传动链等都是易损件。外部冷却装置也容易因其24小时运行而出现故障。出现故障时，自来水和水箱可以临时更换，维修后应及时投入使用。联锁系统检测机器各部分的良好状态。发现联锁时，应检查并修复相应部件的故障，联锁不能随便短路。一般来说，数字显示系统的故障率较低。

5.5能源的改善

我们曾经见过一台西门子Mevatron 77加速器。原设计用的是20MeVX射线，但用户要求改为10MeVX射线，以适应中国人体的特点。我们咨询了专家，在分析研究其结构特点的基础上，最终改进成功。方法如下:

首先，选择西门子公司的10mev射线均匀块；

计算并修改偏转磁铁的电源电流。由于加速管加速的电子处于较宽的能带内，2700消色差偏转系统选择符合能量要求的电子撞击靶产生X射线，因此减小偏转磁铁电流可以获得较小的能量

x光；

整块更换；

修改联锁电路；

测试能量，反复调整偏转磁铁电流达到要求，然后测试调整对称性、均匀性等技术指标。

06

中国加速器维修进展

目前国内使用的电子直线加速器不超过三种:一是国内新装机，如北京电子直线加速器厂生产的BJ-6B系列，具有价格便宜、性能可靠的特点；二是国外的机器，如瓦里安、西门子、飞利浦等生产的新型数字机，特点是机型缩小、电脑控制、机器稳定；第三，国外使用的转移加速器价格低廉，性能稳定。

随着我国电子直线加速器的增加，培养了大量的维修技术人员。国内同行也逐渐从零开始掌握了电子直线加速器中的维修技术，大量的技术论文在各种专业杂志上屡见不鲜。

这些文章表明，电子直线加速器中的维修保障已经发展到一定的水平，大量热爱事业的人才技术水平很高，解决了一些重大问题。

07

总结和讨论

根据我们多年的综合维修保障经验和国内同行的经验，可以总结出电子直线加速器综合维修保障的一些特点。

7.1电子直线加速器是集集水、电、气、真空和微波于一体的高科技处理设备，结构复杂，需要全面、全方位的维护支持。加速器的综合维修保障能力也反映了一个医院维修组的真实水平。

7.2电子直线加速器具有高电压、高保真空、大电流、微波辐射、射线照射等特点。这些特点要求维修人员具有严格的专业素质、良好的敬业精神和团结互助的团队精神。

7.3电子直线加速器作为主要的治疗设备，其质量保证非常重要，与质量保证相关的技术参数必须经过仔细的平衡和调试。一些重要的联锁不能随便短接，尤其是照射中的故障必须先从患者身上切除，再进行治疗。

同时，我们也发现了一些值得探讨的问题:

首先是高真空的问题。我们为一个失去真空的加速管连续工作了近两个月，失败了14次。我们想了各种方法，用了各种设备，最后还是无法重建真空，只好更换加速管。因此，如果能与有资质的厂商合作，低价重建高真空，无疑将是电子直线加速器全面维修保障的一大进步。

二是关键部件的更换。目前国外加速器的一些关键部件国内产能已经达到，但与加速管、速调管等高科技部件无关。国内厂商应该加强这方面的研究。

第三，国内维修人员少，要加强联系，互相沟通。相关院校可以在人才培养和专业著书方面发挥自己独特的作用。