Дрейф конденсатора PFN и согласованность формы сигнала линейного ускорителя для визуализации IGRT

Дрейф конденсатора PFN и согласованность формы сигнала линейного ускорителя для визуализации IGRT

Резюме

Для IGRT и IMRT необходима точность дозы на уровне миллиметра, поэтому импульс разряда PFN должен оставаться в пределах ±1% на протяжении сотен импульсов. Четыре причины влияют на этот импульс: тепловой дрейф диэлектрика, старение диэлектрика, изменение ЭПР под воздействием тепла и частичный разряд. В этой статье каждая причина соотносится с измеренным параметром изображения, а также приводятся этапы проверки и подбора, которые обеспечивают стабильную работу PFN на протяжении всего срока службы аппарата.

1. Введение

В настоящее время лучевая терапия проводится в эпоху визуального контроля. Линейный ускоритель (LINAC) делает снимки в киловольтах во время лечения, чтобы проверить положение пациента и дозу облучения. Высококлассные установки, такие как Varian TrueBeam и Elekta Versa HD, обеспечивают стабильность дозы в импульсном режиме в пределах ±0.5%. Этот показатель определяет требования к импульсному генератору, подающему излучение в магнетрон.

Три измеренных параметра определяют стабильность формы сигнала. Дрожание амплитуды, то есть разброс относительно среднего значения, должно оставаться ниже 1%. Дрожание времени нарастания должно оставаться ниже 50 нс. Долговременный дрейф дозы должен оставаться ниже 0.5% за 8 часов.

В полевых отчетах редко сначала указывается неисправность генератора импульсов (PFN). В больнице видят размытые изображения, меняют магнетрон и не видят никаких изменений. Причина кроется в компонентах PFN. Сдвиг значения изменяет форму импульса, форма изменяет выходной сигнал микроволнового излучения, а выходной сигнал изменяет контрастность изображения.

В этой статье рассматриваются четыре причины этого отклонения, каждая из них связана с измеренным параметром изображения, а также описываются этапы проверки и сопоставления, которые позволяют удерживать значение PFN в пределах ±1% на протяжении всего срока службы устройства.

2. Основной механизм

2.1 Четыре цифры разрядного импульса

Идеальный PFN выдает прямоугольный импульс. В рабочем режиме импульс имеет четыре измеренных параметра: время нарастания от 100 до 500 нс, период спада от 1% до 5%, ширина от 1 до 6 мкс и время спада от 200 до 800 нс. Каждый из них изменяется при изменении параметра компонента.

Импульс представляет собой затухающий отклик второго порядка. Форма импульса определяется последовательной RLC-цепью, состоящей из компонента, шины и нагрузки. Его описывают два уравнения.

f_r = 1 / (2π · √(L · C))

где f_r — резонансная частота в МГц, L — индуктивность петли в нГн, а C — значение PFN в нФ.

ζ = R_total / (2 · √(L / C))

где ζ — коэффициент затухания, R_total — общее сопротивление контура в мОм, L — индуктивность контура в нГн, а C — значение PFN в нФ.

2.2 Дрейф емкости сдвигает резонансную точку

Изменение значения сдвигает резонансную точку разрядной петли. Связь проста: резонансная частота масштабируется как обратный квадратный корень из значения. Сдвиг значения на 1% сдвигает резонансную точку примерно на 0.5%.

Это изменение одновременно влияет на время нарастания и ширину импульса. В широком диапазоне температур сдвиг значителен. Деталь X7R изменяется до ±15% при изменении температуры от −55 °C до +125 °C, что составляет примерно ±1.5% на каждые 10 °C. Таким образом, в помещении, где температура колеблется от 22 °C до 28 °C, деформация датчика X7R PFN изменяется на ±0.6%.

Деталь класса I, например N4700 Погрешность составляет ±30 ppm/°C, поэтому весь диапазон остается ниже 0.5%. На микросхеме PFN емкостью 2 нФ смещение составляет менее 10 пФ во всем диапазоне работы шкафа.

2.3 Изменение ESR сдвигает плоскую вершину

ESR определяет падение напряжения на плоской вершине кривой. Падение напряжения происходит в соответствии с делителем между потерями в компонентах и ​​напряжением заряда.

S_t = (1 + I_p · ESR / V_0)^-1

где S_t — амплитуда колебаний на плоской поверхности, I_p — импульсный ток в А, ESR — последовательные потери в мОм, а V_0 — напряжение заряда в кВ.

Пропустите через него реальные числа. При 1000 А и 100 мОм импульс 50 кВ теряет 100 В, или 0.2% от максимального значения. При 500 мОм тот же импульс теряет 1%. Бытовой компонент X7R работает в 3.2 раза быстрее своего эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) при 25 °C при 85 °C, что привело к увеличению измеренного падения напряжения с 3% до 8% и, соответственно, к изменению выходной мощности микроволнового излучения.

2.4 Старение, частичный разряд и нагрев

Старение и частичный разряд добавляют медленный прирост прочности. Деталь класса X7R теряет от 1% до 3% прочности за десятичасовой цикл, поэтому за десять лет износ комплекта PFN может составить от 10% до 15%. Деталь класса I теряет менее 0.1% прочности за десятичасовой цикл, менее 1% за десять лет.

Частичный разряд — ещё один медленный процесс. При температуре выше 5 пКл повреждения накапливаются внутри керамики. В одном трёхлетнем линейном ускорителе 12% деталей находились при температуре выше 10 пКл, и эти детали деградировали в 3-5 раз быстрее, чем детали при температуре ниже 2 пКл.

Тепло связывает эти понятия воедино. Каждый импульс сжигает небольшое количество энергии внутри детали.

Q_pulse = ½ · C · V² · tan δ

где Q_pulse — количество тепла, выделяемого за импульс, в мДж, C — значение в нФ, V — напряжение заряда в кВ, а tan δ — тангенс угла диэлектрических потерь.

При емкости 5 нФ, напряжении 25 кВ и тангенсе угла диэлектрических потерь 0.1% это составляет 1.56 мДж на импульс. При частоте 200 Гц тепловыделение внутри детали достигает 312 мВт при тепловой нагрузке 18 °C/Вт, поэтому температура сердечника на 5.6 °C выше, чем у корпуса.

Рис. 1 — Сдвиг значения на 5% происходит при воздействии импульса, микроволнового излучения и дозы, в результате чего изображение IGRT становится размытым, в то время как магнетрон по-прежнему показывает хорошие результаты.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Мягкие изображения на аппарате с новым магнетроном.

В больнице сообщают о снижении контрастности изображения на аппарате, прошедшем контроль качества два месяца назад. Магнетрон заменяют, но изображения остаются размытыми. Реальный сигнал находится в импульсе: увеличилось дрожание амплитуды, растянулось время нарастания, а плоская вершина сильнее провисает к концу длительного лечебного дня.

Проблема 2: Снижение выносливости, проявляющееся только после разминки.

Холодный прибор проходит проверку. Через два часа пульс смещается, потому что и СОЭ, и его значение зависят от температуры. Первые 10 минут суток и последний час суток могут отличаться более чем на год, превышая допустимый предел контроля качества, и проверка в одной точке нагрева не позволяет выявить это расхождение.

Проблема 3: Неисправность сопряжения, скрытая внутри одного из корпусов.

Для равномерного распределения напряжения в двух каскадах импульсного генератора (PFN) необходимо, чтобы напряжение было одинаковым. Разница в 5% в одном каскаде приводит к увеличению напряжения в другом каскаде, его более быстрому износу и сдвигу импульса. Через несколько лет неисправность будет выглядеть как неисправность переключателя, а не детали.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите деталь класса I.

Три параметра определяют, будет ли импульс устойчивым. Во-первых, температурный коэффициент: его следует поддерживать на уровне ±30 ppm/°C или ниже, чтобы резонансная точка не смещалась вместе с корпусом. Во-вторых, старение: его следует поддерживать на уровне менее 0.1% за декаду в час. В-третьих, частичный разряд: его следует поддерживать на уровне менее 2 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное.

Диэлектрик класса I с низким тангенсом угла диэлектрических потерь охватывает все три параметра. Измеренный угол диэлектрических потерь исправного компонента составляет около 0.08% на частоте 1 МГц, и его значение изменяется в соответствии с напряжением по прямой линии.

Стратегия 2: Сопоставьте детали с точностью до ±1%.

Выбор пары каскадов определяет, как распределяется напряжение на шине. Детали отбираются по измеренному значению, и их следует объединять в пары с точностью до ±1%. В двухкаскадном PFN пара с точностью ±1% обеспечивает распределение напряжения в пределах 1% и поддерживает обе ступени на одной и той же кривой старения.

Стратегия 3: Проверка на частичный разряд перед сборкой.

Частичные разряды (ЧР) — причина, которая скрывается дольше всего. Проверяйте каждую деталь при напряжении, в 1.5–2 раза превышающем номинальное, и записывайте уровень в пикоксанах (пКл). Отбраковывайте все, что превышает 5 пКл, и сохраняйте измеренное значение в листе-схеме, чтобы в дальнейшем можно было отследить повышение уровня до конкретной партии.

Стратегия 4: Записывайте статистику импульсов, а не отдельные снимки.

Зарегистрируйте 1000 импульсов и сведите их к четырем числам: средней амплитуде, разбросу, размаху и коэффициенту вариации.

CV = σ / μ

где CV обозначает относительный разброс, σ — разброс амплитуды импульса, а μ — среднюю амплитуду.

Коэффициент вариации (CV) менее 0.5% следует считать хорошим показателем, от 0.5% до 1% — предупреждением, а более 1% — поводом для обращения в сервисный центр. Однократная проверка прицела не выявит этого дрейфа.

Стратегия 5: Удерживайте шкаф и его конструкцию неподвижно.

Поддерживайте температуру в помещении от 20 °C до 26 °C и обеспечьте циркуляцию воздуха вокруг компонентов. Используйте короткие выводы, чтобы индуктивность контура оставалась ниже 30 нГн. Смягчите импульс обратного восстановления от каждого выпрямителя с помощью... HVR-BSP Размер толстопленочной детали определяется энергией восстановления.

Если значение не должно изменяться вообще, разделите задачу на два типа деталей. А пленочный конденсатор Он гораздо лучше сохраняет свои свойства при нагревании, чем керамика класса II, поэтому подходит для считывания показаний и синхронизации, в то время как керамика класса I передает энергию импульса.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Компоненты HVC N4700 для каскада PFN

Импульс сохраняется, когда значение и потеря остаются неизменными. Два параметра определяют оба, и HVC строится. дверная ручка конденсаторы для выполнения этой работы в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ на собственном предприятии площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• TCC ±30 ppm/°C. Значение сохраняется во всем диапазоне температур корпуса, поэтому резонансная точка остается неизменной по мере нагревания аппарата, а импульс остается воспроизводимым.
• Износ составляет менее 0.1% за десятилетний час. Десять лет эксплуатации снижают стоимость менее чем на 1%, поэтому пара, изготовленная на заводе, остается одинаковой.
• Частицы тока утечки составляют менее 2 пКл при напряжении в 1.5–2 раза превышающем номинальное. Низкий уровень тока замедляет дрейф, поэтому заявленный срок службы составляет десять лет.
• СОЭ менее 50 мОм на частоте 1 МГц. Низкие последовательные потери обеспечивают стабильную плоскую вершину кривой на протяжении всего лечебного дня.
• ESL менее 3 нГн. Короткие внутренние выводы обеспечивают время нарастания в пределах 100 нс и устраняют колебания импульса.
• Парные наборы. HVRGXP детали с низкой индуктивностью и быстровосстанавливающийся диод Проверку пакетов можно проводить за один раз, используя компоненты PFN для делителя, цепи измерения и выпрямителя.

Компоненты HVC также соответствуют ключевым параметрам. Vishay Используются компоненты HVCC, Murata DHS и TDK FHV, применяемые в крупносерийном производстве линейных ускорителей.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC занимаются подбором компонентов, определением пределов тестирования ПД и запасом прочности при просадке на плоской вершине.

Отправьте значение PFN, напряжение шины, импульсный ток и диапазон тепловых характеристик корпуса. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу соответствия с номерами деталей, данными TCC и PD, а также двухкомпонентный оценочный комплект.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему изображения становятся размытыми, хотя магнетрон показывает исправность?

Дело не в том, что сместился магнетрон. Импульс, управляющий им, сместился: увеличилось дрожание амплитуды, и плоская верхняя часть сильнее провисает к концу дня. В результате магнетрон получает изменяющийся импульс и выдает изменяющийся уровень микроволнового излучения, что снижает контрастность изображения. Перед заменой трубки проверьте статистику импульса и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).

В2: Какой дрейф емкости считается чрезмерным?

В течение всего срока службы аппарата необходимо поддерживать общий дрейф в пределах 1%. Последовательность прямая: смещение на 5% в полученном значении приводит к дрейфу импульса ±2.5%, дрейфу микроволнового излучения ±6.2% и дрейфу дозы ±12% в измеренных данных. Следует стремиться к малым значениям в каждом отдельном параметре, а не гоняться за одним единственным. Деталь класса I сохраняет дрейф менее 1% в течение десяти лет, в то время как деталь класса X7R может потерять от 10% до 15%.

В3: Как проверить деталь на наличие отклонений перед установкой?

Измерьте три параметра и сохраните полученные значения. Протестируйте деталь при напряжении, в 1.5–2 раза превышающем номинальное, и запишите уровень частичного разряда в пикоксанах; отбракуйте детали с разрядом выше 5 пикоксанов. Проверьте температурный коэффициент чувствительности (TCC) в пределах ±30 ppm/°C. Затем прогрейте образец при 85 °C в течение 100 часов и повторно измерьте значение и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Деталь, прошедшая все три испытания, сохранит свои позиции в импульсном режиме.

Вопрос 4: Может ли исправление прошивки скрыть дрейф?

Смещение составляет всего около 1%. Корректирующая таблица может скорректировать напряжение заряда при медленном изменении значения, и это помогает в течение первых нескольких лет. Она не может исправить повышение ESR, увеличение времени нарастания или нарастание колебаний импульса. Для этих трех проблем необходим компонент с низкими потерями и стабильным значением.

В5: Почему пульс смещается после разминки?

Поскольку и ESR, и его значение зависят от температуры. Деталь класса X7R работает в 3.2 раза быстрее, чем её ESR при 25 °C, при 85 °C, поэтому плоская верхняя поверхность провисает по мере нагревания корпуса, и наибольшее смещение наблюдается в первые 10 минут. Деталь класса I имеет гораздо меньший зазор в том же диапазоне, поэтому результаты проверки в холодном и теплом состоянии совпадают.

В6: Какой диапазон значений охватывает линейное ускорение PFN?

Для основного блока PFN требуется емкость конденсаторов от 100 пФ до 1.5 нФ при номинальном напряжении от 7.5 кВ до 25 кВ. Резонансный зарядный каскад работает с емкостью от 1 нФ до 10 нФ при напряжении от 30 кВ до 50 кВ и требует импульсного тока 5000 А или более. Демпфирующие и затворные элементы имеют емкость от 10 пФ до 100 нФ при напряжении от 1 кВ до 30 кВ.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-1, Медицинское электрооборудование — Часть 2-1: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам электронных ускорителей в диапазоне от 1 МэВ до 50 МэВЖенева: МЭК, 2014.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
10. Рекомендации по измерению частичных разрядов в соответствии со стандартом IEC 60270П. Мраз, С. Абдул Мадхар, П. Трейер и У. Хаммер (Haefely AG), Репозиторий TU Delft, https://repository.tudelft.nl/record/uuid:81049202-9bf5-4b75-87aa-2b16842fd956 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com