加速器(二)加速管

1、2022-3-912022-3-92022-3-92電子直線加速器的基本工作原理：電子直線加速器的基本工作原理：在在“高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)高壓脈沖調(diào)制系統(tǒng)”的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下，一方的統(tǒng)一協(xié)調(diào)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(jìn)速度（行波）或交變速度（駐波）都能位和前進(jìn)速度（行波）或交變速度（駐波）都能保持一致，那么，就可以得到所需要的電子能量。保持一致，那么，就可以得

2、到所需要的電子能量。如果被加速后的電子直接從輻射系統(tǒng)的如果被加速后的電子直接從輻射系統(tǒng)的“窗口窗口”輸輸出，就是高能電子射線，若為打靶后輸出，就是出，就是高能電子射線，若為打靶后輸出，就是高能高能X X線。線。2022-3-92022-3-93產(chǎn)生射線產(chǎn)生射線2022-3-92022-3-942022-3-92022-3-952022-3-92022-3-96電子槍電子槍加速腔加速腔靶靶e-2022-3-92022-3-97電子槍電子槍加速腔加速腔靶靶e-2022-3-92022-3-98駐波加速過程駐波加速過程腔中電腔中電壓壓0-+電子注入電子注入t=0時刻時刻e-2022-3-92022-

3、3-99駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+0t1/2 T2022-3-92022-3-910駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+t=1/2T2022-3-92022-3-911+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+1/2 TtT駐波加速過程駐波加速過程2022-3-92022-3-912e-腔中電壓腔中電壓0-+t=T駐波加速過程駐波加速過程2022-3-92022-3-913駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+2022-3-92022

4、-3-914駐波加速過程駐波加速過程-+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電腔中電壓壓0-+2022-3-92022-3-915駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+2022-3-92022-3-916駐波加速過程駐波加速過程e-腔中電腔中電壓壓0-+2022-3-92022-3-917駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電腔中電壓壓0-+2022-3-92022-3-918駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+2022-3-92022-3-919駐波加速過程駐波加速過程+-

5、+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電腔中電壓壓0-+2022-3-92022-3-920駐波加速過程駐波加速過程e-腔中電腔中電壓壓0-+2022-3-92022-3-921駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+2022-3-92022-3-922駐波加速過程駐波加速過程-+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電腔中電壓壓0-+2022-3-92022-3-923駐波加速過程駐波加速過程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+2022-3-924中高能機(jī)中高能機(jī)低能機(jī)低能機(jī)2022-3-9252022-3-9262022-3-9

6、272022-3-928加速管加速管l14MeV駐波加速管 2022-3-92022-3-9291 1、加速管的作用、加速管的作用2 2、加速管的分類、加速管的分類3 3、加速管的工作原理、加速管的工作原理4 4、常見醫(yī)用電子直線加速器中的加速管、常見醫(yī)用電子直線加速器中的加速管5 5、加速管的工作環(huán)境、加速管的工作環(huán)境6 6、電子槍、電子槍2022-3-92022-3-9301 1 加速管的作用加速管的作用 加速管是醫(yī)用電子直線加速器的關(guān)鍵部件。加速管是醫(yī)用電子直線加速器的關(guān)鍵部件。 加速管將從電子槍注入的電子在微波電場的作加速管將從電子槍注入的電子在微波電場的作用下加速到高能量，輸出成電子

7、束或打靶產(chǎn)生用下加速到高能量，輸出成電子束或打靶產(chǎn)生X X射線，射線，用于治療患者。用于治療患者。電能 微波系統(tǒng) 微波 加速管 低能電子流 電子槍 高能電子束高能X射線 重金屬 靶高能電子束2022-3-92022-3-9312 2 加速管的分類加速管的分類 根據(jù)加速電子的方式的不同，加速管分為行波加速管和根據(jù)加速電子的方式的不同，加速管分為行波加速管和駐波加速管兩種駐波加速管兩種 。常見的加速管有：。常見的加速管有： 行波加速管行波加速管 代表廠商：代表廠商：ElektaElekta公司公司 駐波加速管駐波加速管 軸耦合加速結(jié)構(gòu)：軸耦合加速結(jié)構(gòu)： 代表廠商：新華醫(yī)療代表廠商：新華醫(yī)療 邊耦合

8、加速結(jié)構(gòu)邊耦合加速結(jié)構(gòu) 代表廠商：代表廠商：VarianVarian公司公司 一個行走一個停留一個行走一個停留 行波行波: :就是波從波源向外傳播就是波從波源向外傳播 駐波駐波: :波在一個空間中來回反射波在一個空間中來回反射 2022-3-92022-3-9322022-3-92022-3-9333 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.1 3.1 電子在電場中受力，獲得能量電子在電場中受力，獲得能量e-+VaDVa：電壓：電壓D：極間距：極間距E：電場強(qiáng)度：電場強(qiáng)度EVaDFeEWFD=eVa2022-3-92022-3-9343 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.2 3.2 由于

9、電壓受到限制，不能得到高能量由于電壓受到限制，不能得到高能量 臨床用的最多的電子束能量為：臨床用的最多的電子束能量為： 6MeV6MeV W W e e Va Va e e 電量電量 1.6 1.6 10 10-19-19 庫侖庫侖 若要獲得若要獲得6MeV6MeV的高能電子需要電壓：的高能電子需要電壓： Va = W Va = W e = 6 e = 6 10 106 6 1.6 1.6 10 10-19 -19 V V = 3.75 = 3.75 10 1025 25 V V 顯然無法實(shí)現(xiàn)。顯然無法實(shí)現(xiàn)。2022-3-92022-3-9353 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.3 3

10、.3 電場隨電子運(yùn)動模型電場隨電子運(yùn)動模型電子在存在加速電場的加速縫隙電子在存在加速電場的加速縫隙(D)(D)中加速；中加速；該機(jī)構(gòu)與電子以相同的速度前進(jìn)，電子持續(xù)獲得能量。該機(jī)構(gòu)與電子以相同的速度前進(jìn)，電子持續(xù)獲得能量。2022-3-92022-3-9362022-3-92022-3-9373 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.4 3.4 電子的質(zhì)量限制電子的質(zhì)量限制 同樣以臨床用的最多的電子束能量同樣以臨床用的最多的電子束能量6MeV6MeV為例為例 電子的靜止質(zhì)量為電子的靜止質(zhì)量為 9.10 9.10 10 10-31-31 g g 在電場力的作用下很快達(dá)到亞光速，在電場力的作用下

11、很快達(dá)到亞光速， 而使某系統(tǒng)同步達(dá)到亞光速是不可能的。而使某系統(tǒng)同步達(dá)到亞光速是不可能的。2022-3-92022-3-9383 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.1 3.5.1 電磁波加速電子電磁波加速電子 電磁波的傳播速度可以達(dá)到光速。電磁波的傳播速度可以達(dá)到光速。 電磁波的本質(zhì)是交變電（磁）場。電磁波的本質(zhì)是交變電（磁）場。 若電子一直處于加速電場，與電磁波同步前進(jìn)，則電子持若電子一直處于加速電場，與電磁波同步前進(jìn)，則電子持續(xù)獲得能量。續(xù)獲得能量。 行波加速模型。行波加速模型。2022-3-92022-3-9393 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.2 3.5.2 行

12、波加速行波加速 W= e W= e E Ez z L L W：電子所獲得的能量：電子所獲得的能量 Ez：行波加速電場強(qiáng)度，：行波加速電場強(qiáng)度， L：加速管長度：加速管長度 電子一直處于電場的波峰上，電子一直處于電場的波峰上， 增加加速單元的數(shù)目，則電子的加速能量可以線性增增加加速單元的數(shù)目，則電子的加速能量可以線性增加。加。2022-3-92022-3-9403 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.2 3.5.2 行波加速行波加速 沖浪2022-3-92022-3-9413 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.3 3.5.3 慢波結(jié)構(gòu)慢波結(jié)構(gòu)盤荷波導(dǎo)盤荷波導(dǎo) 電子在電場中受力，

13、獲得能量。行波加速原理的核心是電子在電場中受力，獲得能量。行波加速原理的核心是電子速度和行波相速之間必須滿足同步條件：電子速度和行波相速之間必須滿足同步條件：V(z)V(z)Vp(z)Vp(z) 相速度是波的相位傳播速度，是一種狀態(tài)的傳播速度。相速度是波的相位傳播速度，是一種狀態(tài)的傳播速度。相速度可以大于光速。相速度可以大于光速。 電子的速度不可能大于光速。電子的速度不可能大于光速。 微波在盤荷波導(dǎo)中傳播時，微波在盤荷波導(dǎo)中傳播時， 相速度可以等于甚至大于光速。相速度可以等于甚至大于光速。 調(diào)整盤荷波導(dǎo)的尺寸可以調(diào)整盤荷波導(dǎo)的尺寸可以 控制微波在盤荷波導(dǎo)中傳播的控制微波在盤荷波導(dǎo)中傳播的 相速

14、度。相速度。2aDt2b2022-3-92022-3-9422022-3-92022-3-9433 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.4 3.5.4 行波加速結(jié)構(gòu)行波加速結(jié)構(gòu)2022-3-92022-3-9443 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.5 3.5.5 斯坦福直線加速器中心的斯坦福直線加速器中心的 SLACSLAC2022-3-92022-3-9452022-3-92022-3-9462022-3-92022-3-947123返回退出為了避免不斷增加速器的長度，為了避免不斷增加速器的長度，19301930年勞倫斯年勞倫斯提出建造回旋加速器的建議。提出建造回旋加速器

15、的建議。 中國科技大學(xué)的電子同步加速器：中國科技大學(xué)的電子同步加速器： 電子經(jīng)直線加速器后達(dá)到的最終能量是電子經(jīng)直線加速器后達(dá)到的最終能量是200200MeVMeV； 直線加速器的長度為直線加速器的長度為3535米；米； 為了防護(hù)加速電子的電磁輻射，直線加速器建在坑道中；為了防護(hù)加速電子的電磁輻射，直線加速器建在坑道中； 采用的加速設(shè)備是是微波功率源。采用的加速設(shè)備是是微波功率源。北京高能物理研究所的直線加速器：北京高能物理研究所的直線加速器： 電子能量提高到電子能量提高到1.11.1GeVGeV； 直線加速器長度為直線加速器長度為204204米。米。 電子能量提高到電子能量提高到5050Ge

16、VGeV的加速器；的加速器； 直線加速器長度達(dá)直線加速器長度達(dá)3 3公里多。公里多。美國斯坦福大學(xué)直線加速器：美國斯坦福大學(xué)直線加速器：2022-3-92022-3-9483 3 加速器的工作原理加速器的工作原理3.6.1 3.6.1 駐波加速原理駐波加速原理 在一系列雙圓筒電極之間，分別接上頻率相同的交變電源；在加速在一系列雙圓筒電極之間，分別接上頻率相同的交變電源；在加速縫中，加速電場的幅值隨時間交變，縫中，加速電場的幅值隨時間交變， 頻率頻率f f0 0和圓筒電極縫隙之間距離和圓筒電極縫隙之間距離D D滿足一定關(guān)系；滿足一定關(guān)系； D = V/2fD = V/2f0 0 若若D D取取5

17、cm5cm，v v近似為光速，則近似為光速，則fafa等于等于3000MHz3000MHz。這樣高頻率的高壓不。這樣高頻率的高壓不可能用電線傳輸?？赡苡秒娋€傳輸。 要實(shí)現(xiàn)這種加速模型只能在一個諧振腔列要實(shí)現(xiàn)這種加速模型只能在一個諧振腔列( (鏈鏈) )中完成。中完成。2022-3-92022-3-9492022-3-92022-3-9503 3 加速器的工作原理加速器的工作原理3.6.2 3.6.2 駐波加速模型駐波加速模型 將加速管在左右兩端適當(dāng)位置放置短路面，形成一種電將加速管在左右兩端適當(dāng)位置放置短路面，形成一種電磁振蕩的駐波狀態(tài)，磁振蕩的駐波狀態(tài)， 加速管結(jié)構(gòu)中所有的腔體都諧振在一個頻

18、率上，相鄰兩加速管結(jié)構(gòu)中所有的腔體都諧振在一個頻率上，相鄰兩腔間的距離為腔間的距離為D D，而腔間電場相位差剛好為，而腔間電場相位差剛好為180180o o，即腔間電場，即腔間電場剛好方向相反。剛好方向相反。 接近光速接近光速c c的電子在一個腔的渡越時間的電子在一個腔的渡越時間t=D/ct=D/c 等于管中電磁場振蕩的半周期，因此電子的飛越時間剛等于管中電磁場振蕩的半周期，因此電子的飛越時間剛好和加速電場更換方向時間一致，從而能持續(xù)加速。好和加速電場更換方向時間一致，從而能持續(xù)加速。 這種加速模型常稱為駐波加速。這種加速模型常稱為駐波加速。2022-3-92022-3-9513 3 加速器的

19、工作原理加速器的工作原理3.6.2 3.6.2 駐波駐波2022-3-92022-3-9523.6.3 3.6.3 駐波加速過程駐波加速過程3 3 加速器的工作原理加速器的工作原理e-腔中電壓腔中電壓0-+電子注入電子注入t=0時刻時刻2022-3-92022-3-9533.6.3 3.6.3 駐波加速過程駐波加速過程3 3 加速器的工作原理加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+0t1/2 T2022-3-92022-3-9543.6.3 3.6.3 駐波加速過程駐波加速過程3 3 加速器的工作原理加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓

20、腔中電壓0-+t=1/2T2022-3-92022-3-9553 3 加速器的工作原理加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中電壓腔中電壓0-+1/2 Tt18MeV 0 E=18MeV - E18MeV 磁場向紙方向磁場邊緣5cm磁場影響能量的效果e-2022-3-92022-3-91074 4 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4.2 4.2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)分類偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)分類 9090度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)： 早期醫(yī)用電子直線加速器中使用，有色差。目前已被早期醫(yī)用電子直線加速器中使用，有色差。目前已被270270度和滑雪式偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)取代。度和滑雪式偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)取代。 270270度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：

21、目前普遍采用的一種偏轉(zhuǎn)方式，具有一定能散度的集中目前普遍采用的一種偏轉(zhuǎn)方式，具有一定能散度的集中電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)后仍是集中電子束，可以保持輻射分布的對稱電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)后仍是集中電子束，可以保持輻射分布的對稱性和穩(wěn)定性。性和穩(wěn)定性。 滑雪式偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：滑雪式偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)： 另一種常用的偏轉(zhuǎn)方式，偏轉(zhuǎn)角度略大于另一種常用的偏轉(zhuǎn)方式，偏轉(zhuǎn)角度略大于9090度，具有消度，具有消色差功能。色差功能。2022-3-92022-3-91084 4 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4.3 904.3 90度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) e-18MeV=18MeV 單磁鐵中的電子色散單磁鐵中的電子色散2022-3-92022-3-91094 4 偏

22、轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4.4 2704.4 270度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)e-e-有效的能量聚焦點(diǎn) 有效的能量聚焦點(diǎn) P2P1用磁極替代倒像透鏡 e-磁極面磁極對電子束的聚焦效果 e-e-需要的透鏡有效的能量聚焦點(diǎn) 有效的能量聚焦點(diǎn) 電子注 P2P190倒像透鏡的矯正效果 簡單透鏡2f2f點(diǎn)光源聚焦點(diǎn)點(diǎn)光源二倍焦距時的聚焦效果磁極面梯度場中不同能量的偏轉(zhuǎn) 梯度場高能部分低能部分2022-3-92022-3-91104 4 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4.4 2704.4 270度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)BABAAB2022-3-92022-3-91114 4 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4.5 滑雪式偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 由三塊均勻扇形磁場構(gòu)成，

23、第一塊為正向偏轉(zhuǎn)45，第二塊為反向偏轉(zhuǎn)45，第三塊為正向偏轉(zhuǎn)112，整體偏轉(zhuǎn)112。虛擬45邊界兩個電子的聚焦點(diǎn)同樣能量e-e-磁極對電子束的聚焦效果4545BABAAB滑雪式磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)2022-3-92022-3-91124 4 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)4.6 4.6 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的安裝和調(diào)整偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的安裝和調(diào)整 電子束偏轉(zhuǎn)需要在真空環(huán)境中進(jìn)行，電子束偏轉(zhuǎn)的軌電子束偏轉(zhuǎn)需要在真空環(huán)境中進(jìn)行，電子束偏轉(zhuǎn)的軌跡包絡(luò)在真空偏轉(zhuǎn)盒結(jié)構(gòu)中，為了保證輸出束流的劑量分跡包絡(luò)在真空偏轉(zhuǎn)盒結(jié)構(gòu)中，為了保證輸出束流的劑量分布滿足臨床要求，需要調(diào)整射束從偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)引出的方向和布滿足臨床要求，需要調(diào)整射束從偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)引出的方向和位置，因此對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的安裝方位需要進(jìn)行調(diào)整，偏轉(zhuǎn)盒位置，因此對偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的安裝方位需要進(jìn)行調(diào)整，偏轉(zhuǎn)盒結(jié)構(gòu)脆弱，不能受力，調(diào)整需謹(jǐn)慎，建議在廠家工程