放射治療設備期末復習題

1、1 名詞解釋1. 放射源：能輸出射線的物質（元素）或設備。2. 放射線：能使物質電離的電磁波或粒子流。3.PDD：即百分深度劑量，在標準照射條件下（照射野尺寸10cm×10cm，SSD=100cm），將各種射線在水模體中射野中心軸上的最大輻射劑量點設定為1（100%），射野中心軸上其他各點的輻射劑量與最大劑量點的輻射劑量比值就是該點的相對劑量，將各點連接成為一條平滑的曲線就是這種射線的百分深度劑量特征曲線，通常稱之為百分深度劑量曲線。4.半衰期是指放射性核素在發(fā)生衰變的過程中，原子核數(shù)目從初始值減少到一半時所需要的時間，其值與衰變常數(shù)成反比：5.吸收劑量D是單位質量的受照射物質吸收的

2、輻射能量。單位是J·kg-1即戈瑞。1Gy100cGy（臨床用單位）6.建成區(qū)：間接致電離輻射的能量越高，最大劑量點的輻射深度越深，通常用“建成區(qū)”來表示間接致電離輻射能量特性。7.照射野：簡稱射野，表示射線束經(jīng)準直器后垂直通過體模的范圍，從體模表面的截面大小表示射野的表面積。臨床劑量學規(guī)定體模內(nèi)50%等劑量曲線的延長線交于體模表面的區(qū)域定義為照射野的大小。8.加速器是“帶電粒子加速器”的簡稱。理論基礎：帶電粒子在電場中必然會受到電場力的作用，其結果是帶電粒子的速度增加，能量提高。電場可以讓粒子提高速度并獲得能量，磁場可以改變粒子的運動方向。9.射程：（射線在水模體中的輻射深度有明顯

3、的終點）射線的輻射深度，粒子沿入射方向從入射位置至完全停止位置所經(jīng)過的直線距離稱為射程直接致電離輻射的射線（電子線，質子束，重離子線）都具有明顯的“射程”，間接致電離輻射的射線（中子束，kv級X線高能X線，射線）沒有明顯的“射程”。10.負載特性：描述一臺加速器的束流輸出能量、束流輸出功率和束流強度（劑量率）隨束流負載的變化規(guī)律。11.相速度：波的相位在空間中傳遞的速度，相速度并不代表任何一種物體（粒子、光子）的實際運行速度，它描述的只是一種狀態(tài)的傳播速度12.后裝機：近距離后裝治療機的簡稱。首先按照不同部位選用合適的“施源器”，并通過腔道或組織間置入的方法將施源器緊貼在病變部位，然后由控制系

4、統(tǒng)自動將放射源送進施源器實施近距離放射治療。由于事先置入施源器，然后，在計算機控制下，由機器自動將放射源送入治療部位的施源器內(nèi)實施治療，所以人們給這種設備取名為近距離后裝治療機13.微波源：產(chǎn)生微波的器件。有磁控管和速調管兩種。14.AFC：微波頻率自動控制系統(tǒng)，是為了協(xié)調微波源與加速管之間電磁振蕩頻率一致性的重要環(huán)節(jié)。15.跳頻：通過改變頻率來轉換電子能量的方式叫做跳頻控制.16.PFN高壓脈沖形成網(wǎng)絡，處于高壓脈沖調制系統(tǒng)的關鍵器件之首。之所以設置PFN，其根本目的是用來產(chǎn)生磁控管或速調管所需要的高壓方波負脈沖。因為這種PFN器件是根據(jù)開放式傳輸線理論而設計的仿真?zhèn)鬏斊骷?，PFN通常

5、也被稱為仿真?zhèn)鬏斁€，簡稱“仿真線”。17.動態(tài)無旋電場：所謂“無旋場”，是指電場有頭有尾，從正電荷出發(fā)，到負電荷終止；交變電場（動態(tài)電場）的方向和強度隨時間而變化。醫(yī)用電子直線加速器所采用的就是“動態(tài)無旋電場”18.帕（Pa）：1Pa等于垂直于面積為1平方米的表面上均勻作用1N的壓力，即：1帕（Pa）=1牛頓/平方米。19.同位素：具有相同質子數(shù)與核外電子數(shù)，不同中子數(shù)的同一元素的不同核素互為同位素20.光子：對波長特別短的X射線和射線等電磁波而言，它們更顯粒子特性，因此物理學上把它們叫做光子3. 簡答題一、醫(yī)用電子直線加速器采用的是交流動態(tài)加速電場，可以分為兩種結構類型：1.以行波加速管為核

6、心技術的“行波加速器”，高能機都是滾筒型結構，（早期低能機是支臂型結構）。2.以駐波加速管為核心技術的“駐波加速器”，高能機和低能機都是支臂型結構?；驹恚涸凇案邏好}沖調制系統(tǒng)”的統(tǒng)一協(xié)調控制下，一方面，“微波源”向加速管內(nèi)注入微波功率，建立起動態(tài)加速電場；另一方面，“電子槍”向加速管內(nèi)適時發(fā)射電子。只要注入的電子與動態(tài)加速電場的相位和前進速度（行波）或交變速度(駐波)都能保持一致，即達到同步加速條件，那么，就可以讓電子受到持續(xù)加速（加能）。如果被加速后的電子直接從輻射系統(tǒng)的“窗口”引出，就是高能電子射線，打靶之后引出，就是高能X射線。二、放射性核素：是指通過放射性衰變而發(fā)射出各種射線的不穩(wěn)

7、定和核素的統(tǒng)稱。特性：每時每刻都有射線輸出，但隨著時間的推移，輻射能力逐步衰減。通常用“半衰期”和“平均壽命”來表示放射性核素的這種衰減特性。半衰期過后，甚至衰減報廢以后的放射性核素仍然會有射線輸出。例：天然238U，232Th，人工60Co 三、行波加速管工作原理：1.建立行波電場：使微波在圓形波導管內(nèi)傳輸時，可以激勵起一種在中心軸區(qū)域具有縱向分量的行波電場（TM01模）。相當于朝前移動的電場，在每一時刻，電場強度一半向前，一半向后，即只有一部分為電子的加速相位。當滿足行波電場的同步加速條件（被加速的電子必須始終與行波電場同步前進；電子必須始終處于加速相位）時，電子始終被加速，即可達到加速目

8、的。行波電場的“相速度”必然會大于光速。在圓波導中周期性地設置帶中孔的圓形金屬膜片，即用盤荷波導加速管讓相速度降下來，以使電子速度與之相等。自動穩(wěn)相原理：實際上，在行波加速過程中，始終保持嚴格同步是不可能的。電子會均勻分布在行波電場的每一個相位上，只有電子處于相位為/2時，可以一直加速。電子在單位距離上的能量增益為eEz相聚束原理：按照自動穩(wěn)相原理的方法進行分析可知，只要將平衡相位設在相位的位置上，各個相位注入的電子就都會向相位處會聚，但這時的電子能量增益為零。這個過程稱為行波電場對電子的“俘獲”過程，當電子在每一個電場周期內(nèi)都被會聚成一個個“電子束團”之后，將平衡相位逐步拉到盡量靠近的波峰前

9、，就可以按照所設想的能量增益梯度加速這些“電子束團”。四、駐波加速管的工作原理：作為模工作的駐波加速管，當1#腔內(nèi)電場強度為正時，則2#腔內(nèi)的電場強度為負；反之，當1#腔內(nèi)電場強度變?yōu)樨撝禃r，則2#腔內(nèi)的電場強度變?yōu)檎?；相鄰腔?nèi)的電場強度總是這樣交替變換，幅度則隨著時間逐漸由小變大，再由大變小，周而復始。如果在1#腔的電場強度由負變正的瞬間注入一個電子，則電子在前進的同時，電場強度不斷增加，電子不斷獲得能量，電場強度達到峰值時，電子也正好到達1#加速腔的中央位置，之后電場強度開始下降，電子依靠慣性在后半腔中飛行；當電子進入2#腔的瞬間，相鄰加速腔的電場強度方向正好翻轉，這時，1#腔內(nèi)電場強度

10、變?yōu)樨撝担?#腔內(nèi)的電場強度變?yōu)檎?，電子又?#腔內(nèi)被繼續(xù)加速獲得更高的能量。當相鄰加速腔的電場強度方向再次翻轉時，電子又進入了下一個電場強度為正值并不斷增加的加速腔內(nèi)。這樣，盡管相鄰加速腔電場強度的大小和方向一直交替變換，但電子卻一直處于加速相位，所以，電子能量可以得到持續(xù)增加，直至達到我們所期望的電子能量。這就是駐波加速管的基本工作原理。不論工作于何種駐波工作模式，駐波加速管的同步加速條件是：必須滿足電子渡越一個駐波長度的時間正好等于駐波振蕩的半周期：散焦作用：是在腔內(nèi)電場由負變正瞬間注入的同步電子，2和隨后注入。由于受到不同強度的電場作用，其加速效果不同，1最快，次之，最慢。之后其距離

11、將越來越遠。最后可能處在加速腔時，而和所在腔已經(jīng)為減速腔，而因此丟失，最后只剩，此為散焦作用。5、 為何加速器的實際是加能器：粒子速度為，光速，二者比值速度的粒子能量與靜止質量間的關系為根號下（平方）其中粒子的速度只能無限接近光速而永遠不能超過光速，所以為當粒子速度較低時，能量隨速度增加較明顯；當粒子速度接近光速后，無限接近于，粒子速度增加也微乎其微，但粒子的能量卻迅速增加，故此時實際是增加粒子的能量根據(jù)相對論原理，任何粒子的速度只能無限接近光速而永遠不能超過光速，但粒子所獲得的能量可以無限增長。6、 磁控管的工作原理：利用輪輻狀的電子群不斷從直流電場獲得能量，通過與高頻感應電場的同步交互作用

12、，將能量再次傳遞給高頻感應電場，并以高頻微波能量的形式輸出。高頻感應電場的產(chǎn)生：做圓滾線運動的電子掠過陽極諧振腔口所對應的位置時，必然會在空腔開口處感應產(chǎn)生正負電荷，這種感應產(chǎn)生的正負電荷會與運動電子一起做相應運動。由于每一個空腔就相當于一個并聯(lián)諧振電路，因而就會在磁控管內(nèi)引起高頻電磁震蕩，從而產(chǎn)生高功率微波場。高頻感應電場切向分量對運動電子的作用效果是讓運動的電子減速，并將電子能量轉換為高頻感應電場的能量。高頻感應電場徑向分量的作用是對運動電子的“位相群聚”效應。高頻感應電場徑向分量的存在，使落后于最佳位相的運動電子得到加速，向最佳位相靠攏；而超前于最佳位相的運動電子被減速運行，其效果也是向

13、最佳位相靠攏。這種向最佳位相靠攏的現(xiàn)象我們稱之為“位相群聚”，這正是我們所設想的電子聚集效果。7、 磁控管：是集微波產(chǎn)生與功率放大于一體的大功率微波器件。速調管：是一種微波功率放大器件，其前端必須配備可以產(chǎn)生小功率微波源的微波驅動器（RF Driver），兩者共同構成大功率微波源。8、 臨床上目前外照射的主流機型是醫(yī)用電子直線加速器。內(nèi)照射的主流機型是后裝治療機，簡稱后裝機。9、 在醫(yī)用電子直線加速器中，之所以設置高壓脈沖調制系統(tǒng)（HT Pulse Modulator），主要原因在于加速電場是動態(tài)交變電場。一方面，向微波源提供脈沖負高壓是能夠產(chǎn)生高能微波功率的必要條件之一。另一方面，為了讓電子

14、發(fā)射系統(tǒng)實時發(fā)射電子，以滿足同步加速條件，必須對電子的發(fā)射時機（相位）、發(fā)射數(shù)量（脈沖波形和脈沖幅度）等進行有效控制，這也是高壓脈沖調制系統(tǒng)的重要任務之一。圖解：1行波控相自動穩(wěn)頻系統(tǒng)P194 3dB耦合器移相器的作用：行波控相自動穩(wěn)頻系統(tǒng)的核心器件是3dB耦合器和一個移相器。3dB耦合器是一個包括兩個輸入端（A端、B端）和兩個輸出端（X端、Y端）的4端口微波檢測器件。如果A端和B端輸入信號的相位不同，則不論幅值是否相等，則X端和Y端輸出信號的幅值都不會相等，右圖中的A和B等幅，但相位不同，所以合成之后在X端和Y端的輸出幅值不同，相位也不同；反之，如果A端和B端輸入信號的相位相同，則不論幅值是

15、否相等，則X端和Y端輸出信號的幅值永遠相等，左圖中的A和B幅值不同，但相位相同，所以合成之后在X端和Y端輸出的幅值完全相同。工作原理當加速器工作于所設定的工作頻率時，設置于不同位置的兩個微波探針采集到的微波信號一般不是同相位，因此，必須在一個輸入端（例如圖中的B端）串接一個可以調節(jié)相位的移相器。當行波加速器在每個工作頻率（不同能量）運行時，通過移相控制，可將輸入到3dB耦合器A端和B端的信號調整為同相位輸入，這時，X端和Y端輸出的信號幅值相等，系統(tǒng)不作調節(jié)；當頻率變化時，因輸入端相位的變化必然會引起X端和Y端輸出幅值的變化，通過控制電路和調諧機構就可以將磁控管的諧振頻率拉回到設定的工作頻率，從

16、而達到控相自動穩(wěn)頻目的。會畫同相和異相的矢量合成圖：2.史密斯圓圖反映的信息，能反映磁控管什么特性，負載阻抗在什么區(qū)域磁控管的負載特性一般是用“史密斯（Smith）圓圖”進行圖解分析。史密斯（Smith）圓圖是射頻與微波技術中常用的一種計算傳輸線反射系數(shù)與特征阻抗的圖解工具。它采用的是復數(shù)坐標系，其橫坐標為復數(shù)阻抗的實部，代表純電阻性負載(R)；縱坐標為復數(shù)阻抗的虛部(X)，其中90°代表純電感性負載（XL），-90°代表純電容性負載(XC)，因此，史密斯（Smith）圓圖橫坐標的上半部分是偏電感性阻抗（R+jXL），下半部分是偏電容性阻抗（R-jXC）。同心圓是等阻抗線，

17、其半徑的長短就代表了負載阻抗的大小，每一個圓周上任一點所處的角度就是阻抗角。圖中實線組成的弧線族是等反射功率線；虛線組成的曲線族是等頻率牽引線。從微波反射角度來看，偏電感性負載（R+jXL）反射波的相位落后于前進波，偏電容性負載（R-jXC）反射波的相位超前于前進波，由圖可知，不同特性的負載阻抗（不同的半徑與角度）會引起不同的微波反射功率和不同的頻率牽引程度。其他由于醫(yī)用電子直線加速器可以輸出不同能量的X線和電子射線，輸出能量可以從幾個兆電子伏到幾十兆電子伏，基本可以滿足臨床需求，且其成本較低，因而得到了迅速發(fā)展。其他幾類醫(yī)用加速器，雖然性能也比較優(yōu)越，但由于結構更加龐大、成本太高等原因，致使

18、他們的發(fā)展速度比較緩慢，真正投入臨床應用的很少。醫(yī)用電子直線加速器是現(xiàn)代放射治療技術的核心設備。放射治療設備的發(fā)展趨勢將進入主要以醫(yī)用電子直線加速器為核心技術、多學科綜合運用、外圍設備綜合配套的精確放射治療時代。術中放療加速器等小型專用放射治療裝置和質子加速器、重離子治療等裝置也將是未來開發(fā)研究的重要課題。電子是輕粒子，質子和中子是較重的離子。帶電粒子輻射需要具備兩個必要條件：要有帶電的粒子（電子）源，要有加速電場。軔致輻射又稱為剎車輻射，指高速運動的電子驟然減速時發(fā)出的輻射，后泛指帶電粒子與原子或者原子核發(fā)生碰撞時突然減速發(fā)出的輻射。帶電粒子做加速或減速運動時必然伴隨電磁輻射。電離輻射的能量

19、又被稱為電離輻射的質，用來描述放射線品質與特征的一個物理量。實踐中一般用半價層表示中低能X射線的輻射能量。半價層：使X線束的強度減弱到原來的1/2時所需要的某種吸收體的厚度，就叫做該射線以某種材料為吸收體的半價層，單位一般是以毫米計算。電離輻射的“質”主要是影響輻射深度；而電離輻射的“量”則對物質的作用結果起決定性的作用。在某一時刻，處在特定能態(tài)的一定量的某種放射性核素在單位時間內(nèi)的衰變量稱為該核素的放射性活度。吸收劑量D是單位質量的受照射物質吸收的輻射能量。比釋動能K是指間接致電離輻射在質量為dm的物質內(nèi)傳遞給次級帶電電離粒子的初始動能總和dEtr除以dm而得的商，即KdEtr/dm。是用來

20、衡量間接電離輻射與物質相互作用時，在單位質量的物質中轉移給次級帶電電離粒子的初始動能總和是多少的一個物理量。當量劑量是專為放射防護制定的人體等效吸收劑量的計量單位。照射野：表示射線束經(jīng)準直器后垂直通過體膜的范圍，以體模表面的截面大小表示照射野的面積。源皮距：表示射線源到體模表面照射野中心的距離源瘤距：表示射線源沿射野中心軸到腫瘤組織內(nèi)參考點的距離源軸距：表示射線源到機架旋轉軸或機器等中心處的距離。百分深度劑量：標準照射條件下，射野中心軸上某一深度（d）厘米處的吸收劑量（Dd）與參考點深度（d0）處劑量（Dd0）之比的百分數(shù)。水介質是肌肉組織的最佳等效材料。加速器的理論基礎是：帶電粒子在電場中必

21、然會受到電場力的作用，其結果是帶電粒子的速度增加，能量提高。電場可使帶電粒子加速并獲得能量，磁場可讓帶電粒子改變運動方向。加速器的實際是“加能器”。根據(jù)相對論原理，任何粒子的速度只能無限接近光速而永遠不能超過光速，但粒子所獲得的能量可以無限增長。醫(yī)用加速器按粒子類型可分為：電子加速器、質子加速器、重粒子加速器和中子治療加速器4類；按加速路徑可分為直線加速器和回旋加速器兩類；按用途可分為放射治療用加速器、為PET提供診斷專用核素的加速器兩類。模擬定位機，是一臺可以模擬加速器相關參數(shù)的X光診斷機。是為醫(yī)用加速器專門設計制造并獨立安裝的放療配套產(chǎn)品。以行波加速管為核心技術的“行波加速器”，高能機都是

22、滾筒型結構（早期低能機是支臂型結構）。以駐波加速管為核心技術的“駐波加速器”，高能機和低能機都是支臂型結構。與行波加速管不同，駐波加速管是單色結構，或者說是單頻微波器件，其工作頻帶很窄，饋入加速管的微波功率對頻率的變化非常敏感，微波頻率的微小變化就會引起微波傳輸功率的較大波動，所以駐波加速管對微波工作頻率的穩(wěn)定性提出了更高的要求。在“通頻帶”范圍內(nèi)，不同相速度的行波電場可以同時向前傳輸?shù)奶匦?，就稱為行波加速管的“色散特性”?！吧ⅰ备拍钍墙栌昧瞬煌伾目梢姽庠谌忡R中因傳播速率不同導致折射率不同而分散開來的色散現(xiàn)象。行波加速管也有類似特性，所以我們可以說盤荷波導行波直線加速管是一個“色散系統(tǒng)

23、”。行波加速管的色散特性跟盤荷內(nèi)孔半徑與波長的比值成反比關系。磁控管和速調管都是應用在現(xiàn)代醫(yī)用電子直線加速器上技術成熟、結構精細的大功率微波源。用波導管傳輸微波電磁場能量，不但傳輸功率大，能量損耗小，而且波導管的金屬外壁能起屏蔽作用，可以防止微波泄漏和輻射損失；同時，波導管具有結構簡單、加工容易、機械強度高、運行壽命長等優(yōu)點。磁控管系統(tǒng)的基本結構包括管體和管外磁鐵兩大部分，而管體又可分為陰極和陽極兩個主要部分。小功率磁控管多采用永久磁鐵，大功率磁控管多采用電磁鐵。磁控管其實就是一種管內(nèi)被抽成高度真空狀態(tài)的特殊二極管結構，但其輸入的是電功率，輸出的是微波功率。從外形上看，磁控管的一端有陰極（燈絲

24、）接頭，另一端是用高強度玻璃封堵的微波輸出端口，與而陽極與外殼連為一體（零電位）。磁控管的工作特性是在負載匹配的情況下，以陽極工作電壓為縱坐標，以陽極工作電流為橫坐標，由生產(chǎn)廠家通過實驗測量并據(jù)實繪制“等磁通曲線”、“等功率曲線”和“等效率曲線”。速調管是微波產(chǎn)生與功率放大相對獨立的一種大功率微波源的核心部件，是基本結構與工作原理都不同于磁控管系統(tǒng)的另一種大功率微波源，在現(xiàn)代高能醫(yī)用駐波電子直線加速器中得到普遍應用。四端口環(huán)流器既可以隔離微波能量，也可以進行功率分配，是醫(yī)用駐波電子直線加速器微波傳輸系統(tǒng)中的關鍵波導器件之一。直線加速器對電子槍的基本技術要求主要包括：1、電子的發(fā)射數(shù)量（束流強度

25、）與陰極的結構、陰極材料和加熱溫度（燈絲電流）有關；2、電子的發(fā)射角度與陰極和陽極的幾何形狀有關；3、電子的發(fā)射時機由控制電路來確定；4、電子射程取決于電場強度（陽極電壓）和電子在電場內(nèi)的運行距離。速調管的工作原理告訴我們，為了放大微波功率，也必需注入一簇簇高速運動的“電子注”，這就要求在陰極上也必須施加脈沖負高壓，以便產(chǎn)生比磁控管還要高的微波輸出功率。在醫(yī)用電子直線加速器中，之所以設置高壓脈沖調制系統(tǒng)，主要原因在于加速電場是動態(tài)交變電場。一方面，向微波源提供脈沖負高壓是能夠產(chǎn)生高能微波功率的必要條件之一。另一方面，為了讓電子發(fā)射系統(tǒng)實時發(fā)射電子，以滿足同步加速條件，必須對電子的發(fā)射時機（相位）、發(fā)射數(shù)量（脈沖波形和脈沖幅度）等進行有效控制，這也是高壓脈沖調制系統(tǒng)的重要任務之一。由此可見，“高壓脈沖”和“脈沖調制”是一個問題的兩個方面。為了產(chǎn)生大功率微波能量，必須設置“高壓脈沖電源”；而為了滿足電子與加速電場的同步加速條件，就必須設置“脈沖調制器”，兩者合一就構成了高壓脈沖調制系統(tǒng)。脈沖電路通常是用分布參數(shù)進行定性分析，并且用“脈沖波形”進行定量計算。PFN的基本工作原理：與真實傳輸線的“分布參數(shù)”和“特