医用直线加速器原理

医用直线加速器原理内容1、医用直线加速器原理2、微波系统3、束流系统3、MLC系统低能加速器类型放射治疗X射线及电子线：电子直线加速器，电子回旋加速器，电子感应加速器质子及重离子：等时性回旋加速器，同步加速器，直线加速器医学成像PET(PositronEmissionTomography)：小型回旋加速器MV成像：电子直线加速器TheEraofRFLinearAccelerators

☺ThefirstlinearelectronacceleratorwasinstalledatHammersmithHospital,England,in1952,(8MeV)☺Firstorientablelinearaccelerator—theorthotron(1954,4MeV)脉冲调制器脉冲变压器磁控管驻波加速管靶380VAC10kV电子枪44kV11kV微波脉冲X射线电子束团

电子直线加速器结构行波直线加速器原理圆波导管传播的TM01型模电磁波的电场分布盘荷波导加速管在圆波导周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠这些膜片的反射作用，可使中孔部分传播的电磁场相位传播速度慢下来。甚至慢到光速以下，以实现对电子的同步加速。这种加速结构是一种慢波结构，常称为盘荷波导加速管。设行波电场的强度为EZ，处于波峰上的电子，经L距离后，获得的能量为医用行波电子直线加速器相运动电子相对波的相位不严格同步，就会产生电子相对波相位的运动—相运动单位距离上电子的能量增益平衡相位

s相位会聚任务的提出及聚束器的作用从电子枪注入的电子在相位上(即在360°内)是均匀分布的。电子枪注入的脉冲波形馈入的微波功率在加速管中激励起的电磁场振荡的波形相振荡曲线不同相位入射的电子相振荡的情况不同相位入射的电子能量增长曲线电子在行波加速管中，不断相聚的形象描述外加螺线管磁场的聚焦作用电子在纵向聚焦磁场作用下

做螺旋线运动螺线管磁场外加聚焦磁场一般取值

Bz0

0.15T行波加速管结构---盘荷波导相速度与盘荷波导几何尺寸的关系调整盘荷波导加速管几何尺寸可以控制波在其中传播的速度-相速度。影响相速度的关键尺寸是(b-a)。驻波加速器原理驻波微波电场的形成及驻波加速盘荷波导加速管两端接短路路面（金属短路板），微波在两短路面间来回反射，如果加速管的长度合适，各反射波和入射波相位一致，相互加强，则在管内能形成驻波。p模工作的驻波腔链场分布的示意图向前行波和向后行波合成驻波的示意图驻波加速结构与行波加速结构相比，在能量增益方面的好处驻波加速结构中可利用的微波功率可有所提高。在行波结构中，终端的微波功率的消耗在终端吸收负载上；在驻波结构中，由于终端短路剩余功率全部反射，只要相位合适，多次反射的功率可对加速有贡献。驻加速结构，可利用的功率提高的因子。边耦合驻波加速结构三十多年间，美瓦里安公司、德国西门子、日本三菱和我国北京医疗器械研究所等生产的医用加速器都采用边耦合驻波加速结构。

美国瓦里安公司Clinac-4医用加速器4MeV边耦合驻波加速管的剖面图双周期磁轴耦合驻波加速结构△自上世纪七十年代后期，加拿大，中国（清华大学），俄罗斯，印度都在发展双周期磁轴耦合驻波加速结构。△清华大学和信息产业部电子第十二研究所合作为广东威达医疗器械股份有限份司及山东新华医疗器械股份有限公司提供上述加速管壹佰多根，从事生产医用加速器壹佰多台。没有边腔，结构简单，加工焊接方便边耦合驻波加速管驻波加速腔链的窄带工作特性驻波加速腔链具有很高的Q值（～15000），是一个窄带（点频）工作部件，微波功率源发出的微波频率必须和腔链严格调谐，否则不能馈入腔链，而被向源方反射，工作带宽只有±20kHz。驻波加速器必须配有良好的频率自动控制系统（AFC）一驻波加速管驻波比随频率变化曲线无载品质因数或纵向运动相聚过程，聚束器和行波加速器相类似，驻波加速器也需要聚束器来完成相聚过程。一个相对理想的聚束器，它能将尽量宽相位范围注入的电子参与聚束过程，并能将它们聚到波峰附近，使电子有尽量高的能量增益。和行波加速器相比，驻波加速管中加速场强要高得多，因此只用1～3个聚束腔就可以完成相聚过程（即聚束器由1～3个聚束腔组成）。由于电子在驻波加速管中相振荡不充分，所以俘获系数比较低，一般只有30%以下。聚束器Varian的4MeV驻波加速管某国产6MeV驻波加速管曾经采用过的聚束器，它两个聚束腔组成横向运动为了提高驻波加速管的分流阻抗，一般驻波加速腔中间的束流通道孔只有5～10毫米，而驻波加速管长0.3～1.5米。而注入的电子束直径1～3毫米，还会有3～5°的散角，因此没有特殊措施，束流会丢失。减少束流横向丢失的措施：外加纵向聚焦磁场（即外加聚焦线圈）充分利用驻波加速腔的电透镜聚焦作用电子束负角注入技术：最佳负注入角-2°～-4°电子直线加速器的工作特性主要输入参数（工作参数）：微波功率，微波频率，（束流负载）主要输出参数（性能参数）：束流能量，输出辐射强度主要工作特性：负载特性—束流负载的变化对输出参数的影响，功率特性—微波功率的变化对输出参数的影响；频率特性—微波频率的变化对输出参数的影响。

性能参数加速能量式中I---脉冲束流强度（A）

A、B是依赖于加速器结构的系数式中P---馈入微波功率（MW）

a---依赖于加速器结构的系数输出电子线辐射剂量率电子辐射由直接被加速的电子束通过金属散射后产生，电子辐射剂量Je可用下面经验公式计算:

工作特性负载特性原东芝公司生产的4MeV驻波加速管的束流负载曲线功率特性由于加速管中的所建立的场强与馈入功率的平方根成正比,所以,加速能量大体上也与功率的平方根成正比,可用下式估算:一4MeV驻波加速器功率特性的模拟计算曲线频率特性行波加速管的频率特性由于盘荷波导是一个带通的强烈色散部件,在一定频率范围内的微波功率是能馈入行波加速管的,但频率变化→相速变化→失去同步→电子相对波滑相→能量下降(甚至不能加速)一般医用行波加速器要求频率稳定度控制在这涉及到AFC系统及冷却水温控制系统(ATC)稳定度(DT＝0.5～1.0ºC)BJ-10医用行波加速器的频率特性曲线驻波加速管的频率特性由于驻波加速腔链具有很高的Q值,是一个窄带(点频)工作部件,频率的微小变化都影响馈入的功率,从而影响束流能量.下式给出频率变化对束流能量的变化.因此一般驻波加速器的频率稳定度要求达到.日本三菱公司ML-4M医用驻波电子直线加速器的频率特性曲线束流传输系统束流传输系统的主要组成:[电子枪]，聚焦线圈，导向线圈，偏转系统（90°偏转，270°偏转），[靶（电子窗）]

聚焦线圈行波加速器中需磁场值的简单计算聚焦线圈的结构3.2导向线圈导向线圈的位置及结构

偏转系统偏转半径与偏转磁场强度（磁感应强度）B满足偏转方案90º偏转相同能量，不同横向位置的电子束的90º偏转方案270º偏转均匀磁场的270º消色差偏转系统270°整体式偏转系统清华大学参加研制的，北京医疗器械研究所，广东威达医疗股份公司生产的14MeV医用驻波加速器上采用。滑雪式270°消色差三磁铁偏转系统南京大学研制成功上述系统并应用于16MeV医用电子直线加速器上270º偏转磁铁型，消色差系统偏转系统对剂量空间分布的影响微波系统WaveLength电磁波谱X射线与可见光微波的不同波段微波是指在电磁波谱中波长在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微波的产生常用的微波功率源磁控管：微波振荡源速调管：微波放大器其它返波管行波管回旋管微波产生磁控管的基本构造及工作原理多腔磁控管的基本构造不同的阳极及其振荡系统能量输出装置磁钢调频机构冷却

多腔磁控管的基本工作原理几个重要概念：临界状态π型振荡同步条件

多腔磁控管的基本工作原理电子群聚脉冲工作

磁控管的使用脉冲磁控管振荡器的工作稳定性突然改变磁控管工作状态管内放气磁控管的灯丝预热不足、阳极电流过大提高真空度纯化阴极改变发射的不均匀2.阳极电压、磁场和负载变化对磁控管工作的影响

老练的作用：1.管子打火问题3.温度变化对磁控管工作的影响PrincipleofKlystronsTheKlystronisinitselfisaminiatureelectronaccelerator.

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

Iftheoutputcavityisplacedattherightplace,theelectronswillbunchupattheoutputcavitywhichwillexciteahighintensityRFfieldintheoutputcavity.

Klystronsneedaminimumof2cavitiesbutcanhavemoreforlargergain.

Akly