瓦里安加速器核心的特點(diǎn)

1、瓦里安醫(yī)用直線加速器的特點(diǎn)加速器核心部件1. 核心結(jié)構(gòu)核心結(jié)構(gòu)是指產(chǎn)生射線的幾個高頻高壓真空部件，包括：a. 微波源 產(chǎn)生3g hz頻率（每秒30億個脈沖）的大功率微波，是電子加 速的策動源，主要采用磁控管震蕩器或速調(diào)管放大器；b. 電子槍 發(fā)射電子，供加速管對電子進(jìn)行加速加能；是數(shù)字化控制加速器 的關(guān)鍵部件；c. 加速管 也有稱“波導(dǎo)管”，用于對由電子槍發(fā)出的電子，在微波振蕩的 控制下進(jìn)行加速增能，以達(dá)到所需的電子能量。(1) 速調(diào)管和磁控管的差別大功率磁控管震蕩器在早期的雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，為雷達(dá)技術(shù)的順利發(fā)展和二次大戰(zhàn)的勝利作出了重要貢獻(xiàn)。在功率為兆瓦級以下時(shí)，磁控管能達(dá)到較好的性

2、能，并能滿足對其物理尺寸和輕便性的要求。因此，磁控管仍可應(yīng)用于軍用機(jī)載、移動雷達(dá)系統(tǒng)中。但磁控管在高功率運(yùn)行時(shí)，未能表現(xiàn)出高效率、高增益和高穩(wěn)定性。在現(xiàn)代大功率遠(yuǎn)程雷達(dá)中，已找不到磁控管的蹤影。瓦里安公司于1937年發(fā)明的微波速調(diào)管，在近六十年的雷達(dá)應(yīng)用中被證實(shí)，具有高的平均和峰值功率、高增益、高效率、高穩(wěn)定性和低噪聲，在兆瓦級或更高的輸出功率時(shí)，具有很好的性能表現(xiàn)。在中能和高能醫(yī)用直線加速器中，微波源的輸出功率一般達(dá)到五兆瓦以上。此時(shí)，磁控管的缺點(diǎn)主要在高功率時(shí)出現(xiàn)：1) 自激諧波。由于磁控管為“自激震蕩式微波發(fā)生器”，同時(shí)施職發(fā)生微波和放大微波的功能。在較大功率的運(yùn)行狀態(tài)下，易產(chǎn)生諧波震蕩

3、，使微波頻率和輸出不穩(wěn)定，導(dǎo)致加速器的輸出束流不穩(wěn)定，影響治療；2) 頻率穩(wěn)定性差。在磁控管中，是用諧振腔內(nèi)的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)微波輸出頻率。由于馬達(dá)的驅(qū)動存在有時(shí)間延遲誤差和旋轉(zhuǎn)定位誤差，因此，磁控管對微波頻率的穩(wěn)定性的精確控制能力較差。3) 功率容量低。在產(chǎn)生為高能電子加速所需的微波功率方面，由于磁控管的工作效率低，輸出容量較難勝任大功率的要求，無法勝任臨床上采用高能電子線的治療；4) 壽命短。在大功率輸出工作時(shí)，磁控管的運(yùn)行壽命只有1000至4000工作小時(shí)左右，經(jīng)常需要更換，導(dǎo)致設(shè)備的維護(hù)成本上升，和影響療程的安排實(shí)施。因此，磁控管微波源只適用于低能單光子的醫(yī)用直線加速器。一般具有十幾兆

4、伏能量輸出的加速器，應(yīng)該采用速調(diào)管來作為微波源，以滿足大功率運(yùn)行條件下對高性能和長壽命的要求。速調(diào)管實(shí)際上是一個高效率和高穩(wěn)定性的微波功率放大器。只要輸入很低功率的微波信號，速調(diào)管就能將該微波放大到兆瓦級的輸出功率。很低功率的微波來源于“微波震蕩器”。瓦里安將該“微波震蕩器”設(shè)計(jì)成固態(tài)電路形式，應(yīng)用現(xiàn)代微波固態(tài)電路技術(shù)和電子反饋控制技術(shù)，使微波震蕩器輸出的微波具有非常穩(wěn)定的震蕩幅度和頻率。瓦里安公司于三十年代開發(fā)的該“放大器與震蕩器分離”的技術(shù)原理，直接影響了現(xiàn)代無線電通訊技術(shù)中的“本振諧振選頻”基本原理的建立，是對整個現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的重要貢獻(xiàn)。在醫(yī)用直線加速器中采用速調(diào)管后，微波震蕩器與功

5、率放大器分離，各自實(shí)現(xiàn)最佳性能，從而達(dá)到了高輸出功率、高穩(wěn)定性，高效率、和長壽命的目的。瓦里安 clinac 2100sc，2100c/d、2300c/d等中能、高能醫(yī)用直線加速器中的速調(diào)管，是集中了瓦里安公司發(fā)明速調(diào)管以來六十年的多項(xiàng)專利技術(shù)和軍工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)而制造的，束電流小，而功率輸出的效率最高，具有5.5 mw的功率容量，在長時(shí)間高能狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，仍然能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。(2) 加速管核心結(jié)構(gòu)中的加速管，是用來對電子進(jìn)行加速，以獲得所需的電子能量。評價(jià)一個加速管的最重要的指標(biāo)是加速效率及運(yùn)行平穩(wěn)性。瓦里安公司的v. a. vaguine博士于1977年發(fā)明了目前加速效率最高的“交插邊耦合型

6、”加速管，稱為“第三代駐波加速結(jié)構(gòu)”。這一發(fā)明是對加速器理論和技術(shù)的重要貢獻(xiàn)。該型加速管的加速效率非常突出，最高能量梯度達(dá)到583kev/cm，最大場強(qiáng)接近200mv/m。參見下表：三 代 駐 波 加 速 結(jié) 構(gòu) 比 較有效分流阻抗kw/m最高能量梯度kev/cm工作能量梯度kev/cm發(fā)明者第一代：單周期結(jié)構(gòu)4410029.5mit第二代：雙周邊耦結(jié)構(gòu)78197145lasl第三代：交插邊耦結(jié)構(gòu)83583400varianmit:麻省理工學(xué)院lasl:美國洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室varian:美國瓦里安公司瓦里安的該型加速管是所有加速管類型中加速效率最高的，也是長度最短的。只有瓦里安的加速器才

7、安裝有該類型的加速管。采用“交插邊耦合型”結(jié)構(gòu)的加速管有什么好處呢？1) 加速管內(nèi)加速間隙中的單位距離的電場場強(qiáng)越高，電子的遷移速度越快，那么在單位距離內(nèi)，電子所獲得的能量就越大，以滿足高能輸出的要求。2) 由于加速效率高，縮短加速管的長度后，仍然能夠提高電子能量；同時(shí)可以減少加速管的耦合腔的數(shù)量，使高能射線的輸出平穩(wěn)性得到增強(qiáng)，輸出波束的能量梯度更加集中，束流更加平穩(wěn)。在瓦里安的clinac 600c型低能單光子加速器中采用的該型加速管結(jié)構(gòu)，由于加速效率高，加速管的長度大大縮短（只有30cm長），可以把加速管直接安裝于射線中軸上，不需要磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了射線輸出效率和

8、運(yùn)行的可靠性。3) 因?yàn)樵谝粋€相同功率的微波脈沖策動下，電子通過該加速管時(shí)所獲得的能量較通常有很大的增加，故微波功率的利用率得到較大的提高，有利于減輕對速調(diào)管的功率容量要求，（因此在相同射線能量輸出的情況下，瓦里安速調(diào)管的功率輸出較其他廠家為低），使速調(diào)管從容地輸出更大的功率容量來應(yīng)付大劑量和長時(shí)間運(yùn)行的需要，有利于延長加速管和速調(diào)管的使用壽命。但高能量梯度的加速管對真空的要求相應(yīng)地提高了。由舉世聞名的瓦里安真空泵來維持加速管內(nèi)的真空，確保加速管內(nèi)的真空度始終超過10-7torr，保證電子束在通過高能量梯度的加速管時(shí)，損失的能量最少。高真空度和高穩(wěn)定性的真空泵，是瓦里安高能量梯度加速管達(dá)到設(shè)計(jì)

9、運(yùn)行指標(biāo)的關(guān)鍵保證之一。該“交插邊耦合型”結(jié)構(gòu)的加速管的加工工藝極其嚴(yán)格和復(fù)雜。全世界只有瓦里安公司以其專利制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)能力，專供瓦里安加速器安裝使用。(3) 電子槍電子槍是核心結(jié)構(gòu)中的一個非常重要的真空部件。電子槍用來發(fā)射電子，供加速管對電子進(jìn)行加速。瓦里安加速器使用的電子槍的與眾不同之處在于：1) 真正數(shù)字化控制。瓦里安的電子槍為三極管結(jié)構(gòu)。其中一個電極為控制柵極。由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對該柵極上脈沖時(shí)序進(jìn)行調(diào)控，可以很方便地快速調(diào)節(jié)輸出劑量率和波束的開關(guān)。這對于動態(tài)適形照射是非常重要的。這一“電子槍數(shù)字化伺服”系統(tǒng)，是加速器全數(shù)字化控制的核心。目前，全世界只有瓦里安公司實(shí)現(xiàn)這一重要功能。2) 電子槍的電子發(fā)射陰極為平面型飽和釷鎢電極，使輸出的電子束具有非常對稱的橫向分布。由于采用飽和電解性的電極材料，具有較強(qiáng)的抗電解（抗老化）作用。最近，瓦里安公司又發(fā)明了電子束“backheating”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電極材料對電解作用的“自免疫”能力，使電子槍具有很長的使用壽命。3)