醫(yī)用直線加速器原理(放射治療科)

1、醫(yī)用直線加速器原理 醫(yī)院放射治療科課程內(nèi)容醫(yī)用直線加速器原理微波原理射線準(zhǔn)直系統(tǒng)系統(tǒng)高壓系統(tǒng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)輔助系統(tǒng)電磁波譜帶電粒子加速器簡(jiǎn)介什么是帶電粒子加速器? “帶電粒子加速器是用人工方法借助于各種不同形態(tài)的電場(chǎng)，將各種不同種類的帶電粒子加速到較高能量的電磁裝置?！睅щ娏Ｗ釉陟o電場(chǎng)中的加速Q(mào)Q帶電粒子加速器的基本組成1. 帶電粒子源2. 帶電粒子加速器裝置3. 加速帶電粒子的功率源系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)4. 束流引出及應(yīng)用系統(tǒng) 帶電粒子加速器原理 直流高壓電場(chǎng)加速 1. 高壓倍壓加速器 2. 靜電加速器 3. 串列靜電加速器F=dp/dt=qEE = r/e0qE 早期直線加速器的概念NS帶

2、電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)恒定磁場(chǎng)不能加速或加速電子磁場(chǎng)的作用：改變電子傳輸方向 聚焦 壓縮束團(tuán)等隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，可以加速電子感應(yīng)加速器 勞倫斯與回旋加速器 美國(guó)科學(xué)家勞倫斯受R.Wideroe的啟發(fā)，1929年發(fā)明了回旋加速器。1932年，美國(guó)Ernest Orlando Lawrence 建成1.22MeV的回旋加速器。醫(yī)用回旋加速器回旋加速器原理K=1, 3, 5.近似條件下的同步相位移動(dòng)及極限能量回旋加速器極限能量 回旋加速器加速能量的提高受到被加速粒子質(zhì)量相對(duì)論性增加的限制 帶電粒子在被加速的過(guò)程中，其質(zhì)量越來(lái)越大。在軸向磁場(chǎng)一定的情況下，從而導(dǎo)致其回旋周期越來(lái)越長(zhǎng)。相位移

3、動(dòng)Tc=TrfTcTrfTcTrff=w tV(f)=Vacos(f)f=w tV(f)=Vacos(f) 由于粒子質(zhì)量相對(duì)論增長(zhǎng)，導(dǎo)致粒子的回旋周期增大，從而粒子所在的加速相位移動(dòng)。諧振加速原理改變磁場(chǎng)隨 r 增大等時(shí)性回旋加速器加速電場(chǎng)的周期隨粒子質(zhì)量增大穩(wěn)相加速器倍頻系數(shù)隨粒子質(zhì)量增大電子回旋加速器實(shí)芯磁鐵圓型加速器發(fā)展所受限制軌道半徑磁鐵重量舉例* 芝加哥大學(xué)170英寸穩(wěn)相加速器磁場(chǎng)系統(tǒng)示意圖怎么辦？環(huán)形軌道加速器！ 質(zhì)子同步加速器平衡軌道半徑R恒定軌道磁場(chǎng)隨粒子能量增加而增大加速電場(chǎng)頻率隨粒子速度加快而增大 質(zhì)子的靜止能量 938MeVWe（質(zhì)子動(dòng)能）=1 GeVg（相對(duì)論能量）=

4、We/E0+1=2.066b（相對(duì)論速度）= sqrt(g2-1)/g =0.8751醫(yī)用同步加速器醫(yī)用直線加速器 電子直線加速器發(fā)展的條件：二次大戰(zhàn)中，高功率微波源及雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展1) 行波型電子直線加速器 二戰(zhàn)后，大約十個(gè)小組獨(dú)立發(fā)明和研究射頻電子直線加 速器 領(lǐng)先的兩個(gè)小組： （1）D.D.Fry 領(lǐng)導(dǎo)，英，TRE研究所，1946年11月建成，0.5MeV （2）W.W.Hansen 領(lǐng)導(dǎo)，美，Stanford 大學(xué)，1947年建成，1.7MeV醫(yī)用行波電子直線加速器脈沖調(diào)制器脈沖變壓器磁控管行波/駐波加速管靶380V AC10kV 電子槍44kV11kV微波脈沖X射線電子束團(tuán) 電子

5、直線加速器結(jié)構(gòu)行波加速海灘匹配的吸收負(fù)載電子與微波同步（慢波）無(wú)反射波* 尋找有縱向電場(chǎng)分量定向傳播電磁波圓波導(dǎo)中的TM01模式盤(pán)荷波導(dǎo)加速管在圓波導(dǎo)周期性插入帶中孔的圓形膜片，依靠這些膜片的反射作用，可使中孔部分傳播的電磁場(chǎng)相位傳播速度慢下來(lái)。甚至慢到光速以下，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的同步加速。這種加速結(jié)構(gòu)是一種慢波結(jié)構(gòu)，常稱為盤(pán)荷波導(dǎo)加速管。設(shè)行波電場(chǎng)的強(qiáng)度為EZ ， 處于波峰上的電子，經(jīng) L 距離后，獲得的能量為行波加速管結(jié)構(gòu)前端束流孔徑由大變小，盤(pán)片間距由小變大聚束段后面的束流孔徑、盤(pán)片間距保持不變光速段微波電場(chǎng)加速電子+諧振腔 TM010模微波頻率為3GHz，即電場(chǎng)在1s內(nèi)，方向變化30億次電

6、子電場(chǎng)幅值為負(fù)時(shí)，得到加速；電場(chǎng)為正，電子減速一個(gè)微波周期一個(gè)電子束團(tuán)微波在光滑波導(dǎo)中的傳輸速度大于光速，必須采用慢波結(jié)構(gòu)相運(yùn)動(dòng)電子相對(duì)波的相位不嚴(yán)格同步，就會(huì) 產(chǎn)生電子相對(duì)波相位的運(yùn)動(dòng) 相運(yùn)動(dòng)單位距離上電子的能量增益平衡相位 s相位會(huì)聚任務(wù)的提出及聚束器的作用從電子槍注入的電子在相位上 (即在360內(nèi)) 是均勻分布的。電子槍注入的脈沖波形饋入的微波功率在加速管中激勵(lì)起的電磁場(chǎng)振蕩的波形相振蕩曲線不同相位入射的電子相振蕩的情況不同相位入射的電子能量增長(zhǎng)曲線電子在行波加速管中，不斷相聚的形象描述外加螺線管磁場(chǎng)的聚焦作用 電子在縱向聚焦磁場(chǎng)作用下做螺旋線運(yùn)動(dòng)駐波加速結(jié)構(gòu)磁軸耦合駐波加速結(jié)構(gòu)耦合腔變

7、薄提高加速梯度微波傳輸通過(guò)邊上的耦合孔（腰子孔）；束流孔徑只是電子的通道，對(duì)微波截止。分流阻抗高，RF聚焦性能好。工作于p/2模，耦合腔場(chǎng)強(qiáng)為0邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)三十多年間，美瓦里安公司、德國(guó)西門(mén)子、日本三菱和我國(guó)北京醫(yī)療器械研究所等生產(chǎn)的醫(yī)用加速器都采用邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)。駐波加速管結(jié)構(gòu) 美國(guó)瓦里安公司Clinac-4醫(yī)用加速器4MeV邊耦合駐波加速管的剖面圖Varian 6MV加速管駐波加速器原理駐波微波電場(chǎng)的形成及駐波加速盤(pán)荷波導(dǎo)加速管兩端接短路路面（金屬短路板），微波在兩短路面間來(lái)回反射，如果加速管的長(zhǎng)度合適，各反射波和入射波相位一致，相互加強(qiáng)，則在管內(nèi)能形成駐波。 p 模工作的駐波腔

8、鏈場(chǎng)分布的示意圖 向前行波和向后行波合成駐波的示意圖駐波加速結(jié)構(gòu)與行波加速結(jié)構(gòu)相比， 在能量增益方面的好處駐波加速結(jié)構(gòu)中可利用的微波功率可有所提高。在行波結(jié)構(gòu)中，終端的微波功率的消耗在終端吸收負(fù)載上；在駐波結(jié)構(gòu)中，由于終端短路剩余功率全部反射， 只要相位合適，多次反射的功率可對(duì)加速有貢獻(xiàn)。駐加速結(jié)構(gòu)，可利用的功率提高 的因子。能量增益駐波加速結(jié)構(gòu)的能量增益可提高 倍 如 則 即可獲得的能量增益提高了34%。若 t 值小，即駐波加速結(jié)構(gòu)比較短時(shí)，在能量增益方面的好處就較明顯。駐波加速結(jié)構(gòu)的腔型還可以優(yōu)化，使其分流阻抗明顯高于行波結(jié)構(gòu)。雙周期磁軸耦合駐波加速結(jié)構(gòu) 自上世紀(jì)七十年代后期，加拿大，中國(guó)

9、（清華大學(xué)），俄羅 斯，印度都在發(fā)展雙周期磁軸耦合駐波加速結(jié)構(gòu)。 清華大學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)部電子第十二研究所合作為廣東威達(dá)醫(yī)療器械股份有限份司及山東新華醫(yī)療器械股份有限公司提供上述加速管壹佰多根，從事生產(chǎn)醫(yī)用加速器壹佰多臺(tái)。沒(méi)有邊腔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工焊接方便邊耦合駐波加速管 頻率特性行波加速管的頻率特性由于盤(pán)荷波導(dǎo)是一個(gè)帶通的強(qiáng)烈色散部件,在一定頻率范圍內(nèi)的微波功率是能饋入行波加速管的,但頻率變化相速變化失去同步電子相對(duì)波滑相能量下降(甚至不能加速)一般醫(yī)用行波加速器要求頻率穩(wěn)定度控制在這涉及到AFC系統(tǒng)及冷卻水溫控制系統(tǒng)(ATC)穩(wěn)定度( DT 0.51.0C)BJ-10醫(yī)用行波加速器的頻率特性曲線

10、駐波加速管的頻率特性由于駐波加速腔鏈具有很高的Q值,是一個(gè)窄帶(點(diǎn)頻)工作部件,頻率的微小變化都影響?zhàn)伻氲墓β?從而影 響束流能量.下式給出頻率變化對(duì)束流能量的變化.因此一般駐波加速器的頻率穩(wěn)定度要求達(dá)到.日本三菱公司ML-4M醫(yī)用駐波電子直線加速器的頻率特性曲線束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)束流傳輸系統(tǒng)束流傳輸系統(tǒng)的主要組成:電子槍 ，聚焦線圈，導(dǎo)向線圈，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（90偏轉(zhuǎn)，270偏轉(zhuǎn)）， 靶（電子窗）導(dǎo)向線圈的位置及結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)方案90偏轉(zhuǎn)270偏轉(zhuǎn)均勻磁場(chǎng)的270消色差偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)270整體式偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)清華大學(xué)參加研制的，北京醫(yī)療器械研究所，廣東威達(dá)醫(yī)療股份公司生產(chǎn)的14MeV醫(yī)用駐波加速器上采用。滑雪式270消色

11、差三磁鐵偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)南京大學(xué)研制成功上述系統(tǒng)并應(yīng)用于16MeV醫(yī)用電子直線加速器上270 偏轉(zhuǎn)磁鐵型，消色差系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)劑量空間分布的影響微波系統(tǒng)微波Wave LengthX射線與可見(jiàn)光微波的不同波段微波是指在電磁波譜中波長(zhǎng)在 1cm 到 100 cm 的部分.FrequencyFrequencyWavelength Center Frequency band(GHz)(cm)(GHz)L0.39-1.5576.9-19.31.30S1.55-5.2019.4-5.83.00C3.90-6.207.7-4.85.45X6.20-10.904.8-2.89.381.2 微波的產(chǎn)生常用的微波功率源磁

12、控管：微波振蕩源速調(diào)管：微波放大器其它返波管行波管回旋管微波產(chǎn)生磁控管的基本構(gòu)造及工作原理多腔磁控管的基本構(gòu)造能量輸出裝置磁鋼調(diào)頻機(jī)構(gòu)冷卻 多腔磁控管的基本工作原理幾個(gè)重要概念：臨界狀態(tài)型振蕩同步條件 多腔磁控管的基本工作原理電子群聚脈沖工作 磁控管的使用脈沖磁控管振蕩器的工作穩(wěn)定性突然改變磁控管工作狀態(tài)管內(nèi)放氣磁控管的燈絲預(yù)熱不足、陽(yáng)極電流過(guò)大提高真空度純化陰極改變發(fā)射的不均勻2.陽(yáng)極電壓、磁場(chǎng)和負(fù)載變化對(duì)磁控管工作的影響 老練的作用：1.管子打火問(wèn)題3.溫度變化對(duì)磁控管工作的影響 磁控管的使用磁控管振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題慢變化快變化Principle of Klystrons束流限制裝置ML

13、C系統(tǒng)MLC系統(tǒng)Upper Jaw ReplacementElektaLeavesUpper Mini DiaphragmLower DiaphragmLower Jaw Replacement外置MLC -VarianPositioning Mechanism / PrecisionMLC Design Leaf EndsMLC Design Rounded Leaf EndsTransmission SummaryLeaf Travel -ElektaLeaf Travel - VarianAcceptance Testing, Commissioning and Quality Assu

14、ranceAlignment of Mechanical and optical axesLeaf position calibration, leaf travel characteristics, as a function of collimator and gantry positionFollower jaw calibrationTransmission characteristicsInterlocksField shaping software, data transfer, reproduction of standard shapesDosimetric comparison with treatment planning system參考文獻(xiàn)Peter