醫(yī)用直線加速器原理

醫(yī)用直線加速器原理內(nèi)容1、醫(yī)用直線加速器原理2、微波系統(tǒng)3、束流系統(tǒng)3、MLC系統(tǒng)低能加速器類型放射治療X射線及電子線：電子直線加速器，電子回旋加速器，電子感應(yīng)加速器質(zhì)子及重離子：等時(shí)性回旋加速器，同步加速器，直線加速器醫(yī)學(xué)成像PET(PositronEmissionTomography)：小型回旋加速器MV成像：電子直線加速器TheEraofRFLinearAccelerators

?ThefirstlinearelectronacceleratorwasinstalledatHammersmithHospital,England,in1952,(8MeV)?Firstorientablelinearaccelerator—theorthotron(1954,4MeV)脈沖調(diào)制器脈沖變壓器磁控管駐波加速管靶380VAC10kV電子槍44kV11kV微波脈沖X射線電子束團(tuán)

電子直線加速器結(jié)構(gòu)行波直線加速器原理圓波導(dǎo)管傳播的TM01型模電磁波的電場分布盤荷波導(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相位傳播速度慢下來。甚至慢到光速以下，以實(shí)現(xiàn)對電子的同步加速。這種加速結(jié)構(gòu)是一種慢波結(jié)構(gòu)，常稱為盤荷波導(dǎo)加速管。設(shè)行波電場的強(qiáng)度為EZ，處于波峰上的電子，經(jīng)L距離后，獲得的能量為醫(yī)用行波電子直線加速器相運(yùn)動(dòng)電子相對波的相位不嚴(yán)格同步，就會(huì)產(chǎn)生電子相對波相位的運(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的聚焦作用電子在縱向聚焦磁場作用下

做螺旋線運(yùn)動(dòng)螺線管磁場外加聚焦磁場一般取值

Bz0

0.15T行波加速管結(jié)構(gòu)---盤荷波導(dǎo)相速度與盤荷波導(dǎo)幾何尺寸的關(guān)系調(diào)整盤荷波導(dǎo)加速管幾何尺寸可以控制波在其中傳播的速度-相速度。影響相速度的關(guān)鍵尺寸是(b-a)。駐波加速器原理駐波微波電場的形成及駐波加速盤荷波導(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回反射，如果加速管的長度合適，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模工作的駐波腔鏈場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加速有貢獻(xiàn)。駐加速結(jié)構(gòu)，可利用的功率提高的因子。邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)三十多年間，美瓦里安公司、德國西門子、日本三菱和我國北京醫(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)。

美國瓦里安公司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（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)。沒有邊腔，結(jié)構(gòu)簡單，加工焊接方便邊耦合駐波加速管駐波加速腔鏈的窄帶工作特性駐波加速腔鏈具有很高的Q值（～15000），是一個(gè)窄帶（點(diǎn)頻）工作部件，微波功率源發(fā)出的微波頻率必須和腔鏈嚴(yán)格調(diào)諧，否則不能饋入腔鏈，而被向源方反射，工作帶寬只有±20kHz。駐波加速器必須配有良好的頻率自動(dòng)控制系統(tǒng)（AFC）一駐波加速管駐波比隨頻率變化曲線無載品質(zhì)因數(shù)或縱向運(yùn)動(dòng)相聚過程，聚束器和行波加速器相類似，駐波加速器也需要聚束器來完成相聚過程。一個(gè)相對理想的聚束器，它能將盡量寬相位范圍注入的電子參與聚束過程，并能將它們聚到波峰附近，使電子有盡量高的能量增益。和行波加速器相比，駐波加速管中加速場強(qiáng)要高得多，因此只用1～3個(gè)聚束腔就可以完成相聚過程（即聚束器由1～3個(gè)聚束腔組成）。由于電子在駐波加速管中相振蕩不充分，所以俘獲系數(shù)比較低，一般只有30%以下。聚束器Varian的4MeV駐波加速管某國產(chǎn)6MeV駐波加速管曾經(jīng)采用過的聚束器，它兩個(gè)聚束腔組成橫向運(yùn)動(dòng)為了提高駐波加速管的分流阻抗，一般駐波加速腔中間的束流通道孔只有5～10毫米，而駐波加速管長0.3～1.5米。而注入的電子束直徑1～3毫米，還會(huì)有3～5°的散角，因此沒有特殊措施，束流會(huì)丟失。減少束流橫向丟失的措施：外加縱向聚焦磁場（即外加聚焦線圈）充分利用駐波加速腔的電透鏡聚焦作用電子束負(fù)角注入技術(shù)：最佳負(fù)注入角-2°～-4°電子直線加速器的工作特性主要輸入?yún)?shù)（工作參數(shù)）：微波功率，微波頻率，（束流負(fù)載）主要輸出參數(shù)（性能參數(shù)）：束流能量，輸出輻射強(qiáng)度主要工作特性：負(fù)載特性—束流負(fù)載的變化對輸出參數(shù)的影響，功率特性—微波功率的變化對輸出參數(shù)的影響；頻率特性—微波頻率的變化對輸出參數(shù)的影響。

性能參數(shù)加速能量式中I---脈沖束流強(qiáng)度（A）

A、B是依賴于加速器結(jié)構(gòu)的系數(shù)式中P---饋入微波功率（MW）

a---依賴于加速器結(jié)構(gòu)的系數(shù)輸出電子線輻射劑量率電子輻射由直接被加速的電子束通過金屬散射后產(chǎn)生，電子輻射劑量Je可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

工作特性負(fù)載特性原東芝公司生產(chǎn)的4MeV駐波加速管的束流負(fù)載曲線功率特性由于加速管中的所建立的場強(qiáng)與饋入功率的平方根成正比,所以,加速能量大體上也與功率的平方根成正比,可用下式估算:一4MeV駐波加速器功率特性的模擬計(jì)算曲線頻率特性行波加速管的頻率特性由于盤荷波導(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＝0.5～1.0oC)BJ-10醫(yī)用行波加速器的頻率特性曲線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）]

聚焦線圈行波加速器中需磁場值的簡單計(jì)算聚焦線圈的結(jié)構(gòu)3.2導(dǎo)向線圈導(dǎo)向線圈的位置及結(jié)構(gòu)

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)半徑與偏轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）B滿足偏轉(zhuǎn)方案90o偏轉(zhuǎn)相同能量，不同橫向位置的電子束的90o偏轉(zhuǎn)方案270o偏轉(zhuǎn)均勻磁場的270o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270o偏轉(zhuǎn)磁鐵型，消色差系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對劑量空間分布的影響微波系統(tǒng)WaveLength電磁波譜X射線與可見光微波的不同波段微波是指在電磁波譜中波長在1cm到100cm的部分.Frequency Frequency Wavelength CenterFrequencyband (GHz) (cm) (GHz)L 0.39-1.55 76.9-19.3 1.30S 1.55-5.20 19.4-5.8 3.00C 3.90-6.20 7.7-4.8 5.45X 6.20-10.90 4.8-2.8 9.38…1.2微波的產(chǎn)生常用的微波功率源磁控管：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)造不同的陽極及其振蕩系統(tǒng)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)π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、陽極電流過大提高真空度純化陰極改變發(fā)射的不均勻2.陽極電壓、磁場和負(fù)載變化對磁控管工作的影響

老練的作用：1.管子打火問題3.溫度變化對磁控管工作的影響PrincipleofKlystronsTheKlystronisinitselfisaminiatureelectronaccelerator.

Thefilamentboilselectronsofthecathode.TheelectronsareacceleratedbytheDCpowersupplytotheanode.Thevelocity(orenergy)oftheelectronsismodulatedbytheinputRF.Theelectronsdrifttotheanode.Becauseofthevelocitymodulation,someelectronsaresloweddown,somearespeededup.

Iftheoutputcavityisplacedattherightplace,theelectronswillbunchupattheoutputcavitywhichwillexciteahighintensityRFfieldintheoutputcavity.

Klystronsneedaminimumof2cavitiesbutcanhavemoreforlargergain.

Akly