天皇星(福建)织造实业有限公司
  • 首页
  • 服务内容
  • 产品展示
  • 产品展示

    加速器常见故障原因分析及其维修方法

    发布日期:2022-08-17 13:12    点击次数:148

    清华同方威视技术股份公司田新智

    一、系统概述(略)

        系统主要由驻波X机头、准直器、调制器柜、恒温水系统机组及其净化电源组成。其主要功能是产生X射线。

    二、X机头

        组成:加速管、微波传输系统、脉冲变压器、磁控管、AFC系统、真空系统、充气系统、恒温水系统、穿透电离室及其前置放大电路等。

        加速管:加速管长约1.4米,为一驻波管。其故障体现一般在于:

        a、剂量率下降

        b、无剂量输出

        剂量率下降的原因一般集中在以下几个方面:

    1、电子枪高压有所降低;

    2、电子枪中毒或老化,使得阴极发射不足;

    3、真空问题的影响;

    4、磁控管微波输出功率下降;

    5、磁控管磁钢磁场强度变低;

    6、恒温系统引起加速管恒温水温度发生变化,从而导致加速管本振频率发生偏移,偏移量超去AFC调节范围;

    7、AFC系统失效,导致磁控管输出微波频率漂移;

    8、De-Q坏,调制器输出电压幅值上升,微波输出功率随之增加、枪发射流强增加;AFC前向波幅值增加,导致AFC失去本来的调节功能;系统不能保持在谐振状态。

    9、脉冲电压波形变坏;

    10、长期使用后,加速管的总衰减量增加;

    11、聚焦线圈、导向线圈等电参数变化

        对于电子枪高压本身而言,一般情况下是不会出现高压突然降低的情况的,主要担心的是其高压传输线经长时间使用后绝缘强度不够,导致加在电子枪本身的高压下降。这时候我们可以通过高压分压器对其予以测量,其结果将有助于我们判断和分析故障原因。如果确有下降现象,可采取适当措施增加传输线的绝缘强度。枪高压变化的另外一个原因是调制器高压输出有变化或者脉冲变压器性能有变(可能性稍低)。

        电子枪老化的原因主要是其使用寿命的问题,故障现象主要体现在枪阴极发射能力上。可以通过增加枪灯丝电流来临时性的处理该故障,但这里存在两个问题,一是由于空间电荷场的影响,(在枪高压不变的情况下)枪发射电流随灯丝电流的增加并不总是线形增加(见《电子枪》一文),所以我们会发现有时增加枪灯丝电流对剂量影响大,有时并不显着;二是枪灯丝电流过高,对枪的寿命有影响。所以我们在处理这一故障时一定要把握好尺度。

        一般情况下,驻波加速管的电子枪中毒的可能性较小,因为驻波和行波不一样,它通常是采用全密封结构,电子枪是不可拆卸的,因而如果发生加速管真空突然变大的话,一般来说是加速管陶瓷窗的问题。对于行波管,由于电子枪等部件可以拆卸,不是全密封的,所以电子枪中毒的几率较驻波管大。一旦电子枪发生中毒问题,可以通过电子枪激活等手段暂时性的解决该问题。

        真空问题对于枪发射的影响比较明显,一则是因为电子在传输过程中会与空气分子碰撞损失能量,严重的没有电子引出,二则主要的也是因为在真空状态不好的情况下加上灯丝电压,易导致枪阴极部分或完全中毒,从而影响枪的发射能力。在完全中毒的情况下,就不会有电子的引出。对一根新管子而言,如果加速管内的真空状态尚不至于对阴极造成破坏性的影响,我们可以通过对加速管的不断老练改善加速管的真空状况。值得注意的是,一旦我们发现电子枪出现中毒现状,我们一定要找出故障所在,到底是波导窗漏气还是别的原因,彻底的解决问题,不要盲目的增加灯丝电流(如前所述)。加速器运行中最严重的是陶瓷窗破裂和钛窗打穿。对驻波加速管而言,一般波导窗漏气的概率比靶漏气的概率大,主要原因是因为波导中过高压的绝缘气体可能压碎波导窗,或者因为微波打火可能将其打坏;对于靶部,一则是担心加速管流强太大,靶部散热不均匀,二则是担心靶部热膨胀系数与管体不一致。所以要随时监控靶的水冷却。其它方面应该不会有太大的问题。在这里应该提醒的是不一定真空电流偏大就是加速管真空被破坏,从而轻易去断定加速管陶瓷窗漏气,它可能是由于钛泵电源漏电或者是钛泵接头漏电所致。判别的方法是做波导系统的充放气实验,看真空电流有无变化,有就是陶瓷窗漏气,没有或者因为量程过小看不出来的话,可以将加速管钛泵接头拿掉,使之悬空,再加电观察真空读数,在检查接头无误的情况下多做几次该实验可以断定钛泵电源及其接头有无漏电现象。

        磁控管使用一段时间后,会发生老化问题,发射功率下降,导致微波输出功率也持续下降,从而加速器的剂量率也就随之下降。事实上,如果磁控管老化,也会伴随磁控管频繁的打火的出现。这些都将造成系统工作的不稳定。

    影响磁控管工作稳定性的原因和稳定的方法如下:

    ①管子打火的问题

        磁控管打火是经常性的问题,只是我们不要求其过密。因为打火过密使得磁控管容易损坏,即破坏磁控管的阴极发射能力,避免的办法是:

        避免突然改变磁控管的工作状态(频率、幅值与脉宽);

        存放太久的磁控管在规定的条件下适当作老练工作

        灯丝预热不够或阳极电流过大都会导致磁控管工作不稳定和打火的发生

    ②阳极电压、磁场和负载的变化对磁控管也会有一定的影响

        一般要求,阳极电压变化应小于2~5%,有时要求小于1%;磁场要保持稳定,勿靠近铁磁性物质,四端环流器隔离度要好,以免反射波溃入磁控管。

    ③温度变化对磁控管影响很大

        多腔磁控管的阳极块几何尺寸随温度升高而膨胀, 甲状腺饮食致使磁控管的自然频率随温度升高而下降。其影响度对十厘米波段的磁控管而言,大约为0.05兆周/度,对三厘米波段的磁控管而言为0.15兆周/度。

    ④磁控管振荡频率偏移可分为快变化和慢变化两类

        慢变化发生在脉冲与脉冲之间,引起该变化的原因为电源电压不稳、负载变化产生的频率牵引、阳极块温度变化、设备移动造成阴极对阳极位置变化、灯丝变形使阳极温度不均匀等。慢变化可以通过AFC系统来调整。

        快变化是指一个脉冲内发生的变化。如电子频移,为此要求脉冲电压平顶小于2~5%,有时甚至要求小于1%,这样就可以限制电流变化到10%或更小一些。再一个就是跳模,这与脉冲电压的前沿和后沿上升和下降速度太慢有关,这有可能激励起低压型振荡。脉冲前沿要求在脉冲宽度的10~20%之间,后沿要求在20~30%之间。在整个脉冲内发生模式跳跃频率的快变化会使得微波频谱的包络失真,并使集中脉冲能量的主要部分的频带展宽,使大量能量分散。

        特别的,频率牵引是指反射波稳不住,造成的原因基本上是由于四端环流器内的相位迭加模式不合适以致微波对四端环流器造成较大的温度效应。这点在PPS较高的时候比较容易暴露出来。PPS比较低时,由于微波对四端环流器的温度效应不很明显,基本上体现不出来,AFC也能缓解这一问题。PPS较大了,温度的效应会使得AFC超出其调节范围;解决的方法是换四端环流器(最终是换四端环流器的铁氧体。

        磁控管MG93的工作要求磁场强度一般在1550高斯的地方,如果它变低了,就会出现过流现象,磁控管的电子转换效率降低。解决的办法是换磁钢或对其充磁。

        AFC的作用就是用来协调加速管的本振频率和微波的输入频率的。但它的调节范围有一定的限度,超出其调节范围,AFC将形同虚设。这就是为什么我们对恒温水系统要求其具有一定的响应能力的原因。经过一段比较长的时间后,AFC应该有必要的适当调整,以适应环境的变化。关于AFC系统,其具体的工作原理和调试方法见《AFC工作原理及其调试方法》一文。

        无剂量输出的原因一般在以下方面:

    1、微波失谐,AFC系统不起作用或AFC系统中某组件坏;

    2、加速管出现事故,如真空破坏,电子枪中毒;

    3、电子枪灯丝短路或断路;

    4、磁控管无微波功率输出或输出功率不够;磁控管灯丝烧坏或磁控管损坏不能起振;

    5、调制器无高压脉冲输出;

    6、联锁保护,如气压、水压、安全防护开关、调制器过流或过压保护等

        造成微波失谐的原因,这里不再罗嗦。要注意的是有的微波失谐的主要问题并不在于磁控管及加速管本身的温度漂移效应,如果AFC系统的检波二极管坏一个,AFC电路一定会使得磁控管输出微波的频率偏离加速管的本振频率,两个二极管坏了的话,AFC系统肯定失效。

        一般的情况下,电子枪短路的情形比较少见。发生的原因可能是因为电子枪灯丝电流偏大,使得过热的灯丝和灯丝套筒之间有某点融合在一起;更多的情况下是电子枪灯丝电流过大使得灯丝熔断。所以在剂量率稍低的情况下不主张以提高灯丝电流的方法来提高剂量。因为究竟超过多大电流会使得工作中的灯丝处于临烧断状态是不大清楚的,除非有特别的需要。

    磁控管灯丝如果是用交流电压一般在8.5V左右,直流电压一般是7.5V左右,D车的用到了8.5V左右的原因可能是因为考虑到PPS(30HZ)较低,在PPS超过140HZ时,为保护其灯丝,系统将自动将灯丝电压退去,这时候主要利用磁控管内的电子回轰来保持阴极块的温度,以保护灯丝。如果灯丝烧断或短路,则磁控管阴极不能发射电子,管子不能起振。磁控管一旦老化,其微波输出功率会持续下降,打火现象增多,工作状态不稳定。这时候可以从它的工作电流波形状况来判断。

        如果磁控管上无高压加上,可以先观察调制器,看是否调制器问题。实际上该问题直观比较明显。调制器闸流管如果触发不了,肯定的人工线不能输出高压脉冲,检查闸流管灯丝电流、氢压大小、偏压、栅极脉冲的幅值和脉宽等参数,确定无误后,排除无直流高压的可能,可以断定闸流管坏。

        如果闸流管工作正常,充电电压波形正常而脉冲变压器次级无输出,可以怀疑该变压器。但该故障不常见。

        关于X机头的其它故障如真空保护、钛泵欠压等,首先我们要排除线接头的问题,这样我们才能有把握确定加速管真空问题。

        微波功率输出系统打火可能的原因是:波导充气压力不够,加速管、耦合器和波导匹配状态变坏以致于反射增加,隔离器、定向耦合器、终端吸收负载等波导组件损坏。打火打坏了的波导在掉换时一定要细心,要力求波导内的干净和联接处的光滑平整,不然的话,可能还会出现波导打火。特别注意的是要防止四端环流器内铁氧铁松脱,如果它脱落,四端环流器将发生激励的打火现象,对设备影响较大。四端环流器除了起隔离的作用外,还可以调整微波馈入加速管的相位,办法就是在四端环流器上贴半工字型铁片。如果发现第四端发热,铁片可以对称贴,以解决问题。

        总之,在运行和维护驻波加速管时,我们要注意以下几点:

    ①、首先加速管内部必须保持良好的真空状态。真空度降低会导致电子枪阴极中毒和加速腔高频击穿。

    ②、加速管闲置时间过长时必须对加速管进行老练,老练时微波功率逐步增加。

    ③、电子枪灯丝电流不宜太大,否则把灯丝烧断将导致整根密封加速管报废。

    ④、微波功率传输系统的充气压力不宜过大,以防压碎密封加速管的波导窗,导致密封加速管报废。

    ⑤、注意密封加速管的束流引出窗的水冷或吹风系统,以免钛窗因过热或因臭氧长期的氧化作用而损坏,导致加速管报废。

    ⑥、对冷却水的水质严格控制,以防对加速管长期腐蚀作用降低冷却效果。

    ⑦、采取措施保证加速管内的暗电流足够低。

    ⑧、注意磁控管或速调管的灯丝加热电流,要防止超脉冲功率或平均功率运行。

    ⑨、保证冷却水的流量和温度。

    ⑩、当磁控管的磁钢磁场低于要求值时,应该对磁钢充磁。

    三、调制器

        调制器一般由直流高压电源、充电回路、放电回路、闸流管、触发同步电路、De-Q电路、RC匹配电路等组成。调制器故障一般体现在以下方面:

    a、高压打火

    b、高压过流

    c、反峰故障

    d、De-Q故障

    e、闸流管无触发

    f、灯丝电流(欠流和过流)保护

        出现高压打火的故障一般是由于电压过高、高压走线不当或者是高压接点出现毛刺,其它的原因还有:

    1、磁控管老化

    2、电子枪老化

    3、微波系统打火

    4、波导窗负载功率不匹配

    5、环境湿度高

        磁控管老化后的打火主要是在磁控管内部打火,在外面看不到,但通过电流波形检测能看到。磁控管打火其实很正常,一般情况下3~5/1000次是可以接受的,实际上要远远好于这个数;但如果很频繁了,又没有参数不当的原因,一般就要考虑老化的问题。高压过流的原因相对比较多

    1、闸流管氢压过高

    2、负载正失配

    3、负载严重负失配

    4、磁控管磁钢磁场强度低

    5、负载打火

    6、保护电路参数设置不当

        过高的氢压使得闸流管内的氢离子浓度大,不易消电离,容易导致闸流管的连通,从而引起高压过流现象,解决的方法是将闸流管氢压调到合适的值。当负载正失配时,从脉冲电压看,由于高压脉冲后沿拖的很长,导致闸流管不能及时关断,也容易引起连通现象。

        一般情况下,我们将加速器的工作状态放到稍微有点负失配的条件下工作,其目的是为了有利于闸流管的消电离。但如果负失配过于严重,会引起加在闸流管上的直流电压增加。例如说,通常人工线两端的电压一般是直流高压的2倍,在完全负失配的情况下将达到3.6 倍,这自然增加了高压过流的频率和可能性;负载打火就是一种完全失配的状态,自然会出现过流的现象。

        如果说过流现象是因为保护电流参数限制过窄所致,我们在排除其它原因的条件下,可以将参数设置放宽,这种现象我们称之为“假过流”。这一过程主要在调试过程中实行。

        还有几种过流现象,如反峰二极管击穿,人工网络电容击穿等。在这种情况下,不需要触发闸流管,只要加上高压就会出现过流故障。

        反峰故障主要在负载负失配的情况下出现。反峰电路从某种意义上来说,就是一种对负载状况的监控电路。无论是负载(如磁控管)内部打火还是高压线对地打火,都可能会出现该故障现象。因此,一般情况下,偶尔出现是正常的,或者可能是因为参数设置的问题呢;但如果在参数设置正常的情况下还经常性的出现就一定是负载状况有变化了,就是说负载变轻了。(当然,如果是在调试中经常出现,还是有可能是设置问题,此时一旦放宽设置就可以了)相对而言,该故障出现的可能性和频率远远不及过流现象多。

        De-Q电路是用来对直流高压稳幅的,目的是使得脉冲负高压的峰值不受输入电源电压的影响,所以又称稳幅电路,它实际上就是一个反馈电路。它一般由De-Q电阻、可控硅、变压器、互感器等组成。如果说De-Q触发电路没有故障的话,引起De-Q电路失效的原因基本上集中在可控硅的质量上。

        在保证了触发脉冲的幅值和脉宽的基础上,一般来说直流高压在2~3KV左右的时候,闸流管就应该导通,否则的话,就要检查它的灯丝电流和氢压是否合适。灯丝、氢压过低闸流管不会导通,在保证了这些的情况下,我们可以怀疑闸流管的质量。

        特别的,图像上如果出现黑的竖条,一般的我们从漏脉冲入手。但事实上还有两种被忽视的情况能导致黑竖条的出现。

    1、磁控管脉冲电压前沿过陡或过缓:过陡能引起磁控管的高压低电流打火,过低引起磁控管低电压低电流打火,称为磁控管“跳模”。这种现象导致磁控管工作状态不稳定,从而在图像上出现黑竖条。

    2、磁钢强度为1550高斯,这个磁场强度是根据磁控管工作在100A的情况下设计的。但我们一般让磁控管工作在90A左右,这样的话,磁控管内电子回轰增加,电能转换成微波能的转换效率降低,多余的电能将以打火的形式释放,这样管子内打火的可能性增加。在新管子上打火现象可能不明显,使用一段时间后管子性能有所下降,它将促使管子内部打火频率的增加,对管子的使用寿命可能有影响。

    2003年1月18日