加速器原理和结构

医用电子直线加速器原理与结构田新智[e-mail]2009.61.1.医用电子直线简介医用电子直线简介2.2.主机系统主机系统3.3.辐射系统辐射系统4.4.控制系统控制系统5.5.常见故障常见故障6.6.其他基本参数的调整其他基本参数的调整1.1.医用电子直线简介医用电子直线简介2.2.主机系统主机系统3.3.辐射系统辐射系统4.4.控制系统控制系统5.5.常见故障常见故障6.6.其他基本参数的调整其他基本参数的调整不同厂家的几款加速器1、医用电子直线加速器的简介--分类医用电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子，并使其具有直线轨道的一种装置，加速后的电子直接或经转换为X射线后供放射治疗用.医用电子直线加速器按其能量范围分为低、中、高三类。18~254~18~25(6~7档)6高能14~16100~9004~14~16(5~6档)6中能-------------50~6006低能剂量率cGy/min@m能量MeV剂量率cGy/min@m能量MV电子e射线X射线医用电子直线加速器分类18~254~18~25(6~7档)6高能14~16100~9004~14~16(5~6档)6中能-------------50~6006低能剂量率cGy/min@m能量MeV剂量率cGy/min@m能量MV电子e射线X射线医用电子直线加速器分类≤10001、医用电子直线加速器简介--基本组成11、医用电子直线加速器简介--基本组成2微波功率源及其传输系统高压脉冲调制器电子枪真空电源线圈电源辅助系统控制系统机械系统辐射系统主机系统加速管偏转中高能医用电子直线加速器z加速管横放z有对中和偏转系统zx双光子，e多能档工作模式z微波源用磁控管或速调管低能医用电子直线加速器z加速管直立z无偏转系统z单能x线模式z微波源用磁控管11、医用电子直线加速器简介、医用电子直线加速器简介----基本组成基本组成44国内外主要加速器性能指标对比1.1.医用电子直线简介医用电子直线简介2.2.主机系统主机系统3.3.辐射系统辐射系统4.4.控制系统控制系统5.5.常见故障常见故障6.6.其他基本参数的调整其他基本参数的调整2、主机系统¾系统组成¾加速管¾真空系统¾微波传输系统¾剂量系统¾AFC系统¾脉冲调制器22、主机系统、主机系统——系统组成系统组成11z电子枪z加速管、输入（出）耦合器及波导窗组件z靶、引出窗及偏转盒z真空泵组件z聚焦、对中及偏转线圈¾加速管及束流输运系统¾微波功率源及传输系统z磁控管/速调管(S波段,2～5MW)z高压脉冲调制器z高功率微波传输系统(环流器/隔离器、取样波导、软波导及吸收负载等）22、主机系统、主机系统——系统组成系统组成222、主机系统—加速管12、主机系统—电子加速器原理1U•eU•微波电场2、主机系统—行波加速器原理1行波ZE行波电子在行波电场作用下，速度不断增加，要求行波电场的传播速度也同步增加，以对电子施加有效的作用。显然，若同步条件遭到破坏，场就不能对电子施加有效的加速，如果电子落入减速相位，电子还会受到减速。怎么办？-采用慢波结构来控制和解决这个问题！2、主机系统—电子加速器原理2驻波驻波•单周期π/2模具有最大的模式间隔，具有最大的群速度，因此工作稳定性最好。不过它有半数腔不激励，它只起功率耦合的作用，因此整个结构的分流阻抗很低。驻波1.为了保持π/2模的优点，又能提高分流阻抗，人们研究了许多改进驻波加速结构的方法。2.有人提出把工作在π/2模腔链中的耦合腔加以压缩，而延长加速腔，只要两者谐振频率保持一致，则腔链仍显示π/2模工作特性。而由于加速腔得以延长，分流阻抗提高了。腔链由两种结构周期不同的腔体组成，而变成双周期结构。3.美国LASL的E．k．Knapp等人进一步提出把耦合腔从束流轴线上移开，放在加速腔的外边，加速腔的外壁上有耦合孔和耦合腔(称为边腔)耦合，相邻的加速腔通过耦合(边)腔相互耦合在一起；而相邻的加速腔之间的中孔只起束流通道作用，而不起功率耦合作用。这样加速腔长度扩展了一倍，从而有可能获得最大的分流阻抗。这是有名的边耦合驻波加速结构。2、主机系统—加速管2（行波加速与驻波加速）2、主机系统—加速管•要使管体和靶更好的散热冷却，水系统的正常有效工作是至关重要的。因此定期检查水系统，经常更换水源，清洗水箱，检查水压等工作就显得重要了。2、主机系统—皮尔斯二极电子枪2、主机系统—皮尔斯栅控电子枪•对栅控枪的设计，通常是先按二极枪的设计方法，设计一只二极枪，然后根据计算给出的等位面形状，在其1％--3％范围内的某一等位面上，放置栅网来获得栅控枪。•栅网必然会截获一部分阴极发射电流，因此栅控枪极注电流将小于无栅时发射的电流，于是在设计无栅极应时需适当增大导流系数。μμPSPgg)1(+=Wf0Wf^Ik0^Ik阴极灯丝功率Ｗｆ与阴极发射电流关系图1.Ｗｆ＜Ｗｆ０，对阴极发射电子不利；2.ＷｆＷｆ０，对阴极发射电子几乎无贡献；3.Ｗｆ越高，灯丝寿命越短；4.厂家提供给用户加速管的灯丝功率Ｗ值；用户自己也可以做实验找到此工作点；5.维护人员要时时保证此最佳工作点；6.有些机器在指标允许的情况下可以适当降低Ｗｆ值，延长加速管的寿命。2、主机系统—电子枪22、主体系统—能量控制1.改变微波输入功率①调制器PFN电压②RF功率源输出（激励）功率2.改变加速管束流负载①栅控电子枪栅极电压②栅控脉冲同步相位③栅控电子枪的注入电压缺点：这些方法只能在较小的范围内改变电子的能量，超过了这个范围，电子的能谱性能马上就下降了3.使RF频率源失谐或部分加速腔失谐缺点：这种方法会使系统的稳定性变差4.利用能量开关①所谓“能量开关”技术，就是在加速管的群聚段和主加速段之间的某个耦合腔中插入一个调节机构，通过调节其参数使主加速段的加速场强可以在大范围内变化。②优点：)射束能谱宽度减小。这样就允许在偏转系统中使用更窄的能量缝，提高能量的稳定性和能谱特性。)RF场相位变化对电子注能量的影响变小。)建立RF加速场所需的RF脉冲功率降低，有利于微波源的设计。磁场冷却水通道电子束真空通道高能电子低能电子能量适中电子能量过滤器（能量狭缝）的原理emvRqB=高能电子低能电子e-电子能谱分布磁场270°消色散偏转磁铁2、主体系统—聚焦、导向、电子透镜和偏转盒2、主体系统—偏转磁铁¾270°偏转角度,3区域,统一的极间空隙,消色散,偏转磁场¾±3%能量狭缝¾能量的单一性¾安装的独立性¾斑点小•小半影•良好的影像2、主体系统—其他偏转系统原理和结构90°非消散色偏转治疗野严重不对称单消色散单消色散270270°°偏转偏转ΔΔ==±±10%10%2、主体系统—真空系统（钛泵1）溅射离子泵放电电流与压强的关系曲线2、主体系统—微波传输系统四（三）端环流器磁控管水负载1口3口2口4口弯波导方圆转换干负载直波导加速管软波导波导窗钛泵2、主体系统—微波传输系统2、主体系统—微波传输系统（隔离器）微波源—磁控管和速调管MG6090微波源—磁控管（磁铁）•对低功率磁控管一般采用永久磁铁(铝镍钴,钕铁硼,钐钴)•中功率磁控管采用电磁铁。•磁场的方向与磁控管的阴极轴平行。磁控管的工作特性及负载特性阳极电压(kV)阳极电流(A)频率变化(MHz)磁场(mT)输出功率(MW)1．慢变化•频率慢变化发生在脉冲与脉冲之间，而脉冲内的频率基本上是一致且稳定的。频率慢变化可以用自动频率控制系统(AFC系统)来稳定。磁控管振荡器的频率稳定2．快变化•在一个脉冲内发生的频率变化，•阳极电流波动；•调制器脉冲前沿、后沿的上升和下降的速率太慢。2、主体系统—AFC系统2、主体系统—AFC系统（工作原理说明）由矢量合成图我们可以看出来，当入射波V1和反射波V2的幅值相等但相位差为90°时，|V1+V2|=|V1-V2|，我们设定它为谐振状态；但当幅值相等的V1和V2的相位差小于90°时，|V1+V2||V1-V2|，而当幅值相等的V1和V2的相位差大于90°时，|V1+V2||V1-V2|，也就是说它们之间有一个差值，我们设定它为失谐状态。这样我们完全可以利用这一差值来监控和跟踪微波频率和中心频率之间的偏移。这就是锁相环频率控制系统（AFC）的基本原理。32615874U1LM31832615874U2LM31832615874U3LM3186710589U7BLM7473261874U5OP-073261874U6OP-07C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R15R16R17R18R21R21R22采保信号R23C13R23R24R25R262112314134U7ALM747D1D2R27R28AFC误差显示R29R30R31R32+5V-5VR33C14AFC误差信号+12V-12V-12V+12V+12V-12V+12V+12V-12V+12V-12V+15V-15VAFC1AFC2&An-1An+2NuLL3NuLL54Ch7Aout8611121314采样保持U?AD585同方公司AFC电路原理图2主体系统—AFC系统z放射治疗对剂量检测系统的要求：安全性、准确性和长期稳定性。z安全性配备两个独立的剂量检测通道和一个时间保护通道。z准确性主要用重复性和线性指标来表征。z长期稳定性主要用日稳定性和周稳定性指标来表征。2、主体系统—剂量监测系统2、主体系统—剂量系统•主要包括：电离室、直流高压电源（一般为负几百伏）、检测电路等•主要作用：电离室提供了表征辐射线强度的信号，并通过检测电路的处理转换成吸收剂量信号。医用电子直线加速器必须配备两个独立的剂量通道和一个时间保护通道。2、主体系统—剂量系统•工作方式：采用电流-电压转换（I-V）、电压-频率转换（V-F）、计数器分频和计数的方式来完成剂量的监测记录功能。•系统构成：控制计算机；隔离/缓冲处理电路；信号测量电路；备用剂量计数表；控制计算机；隔离/缓冲处理电路；信号测量电路；备用剂量计数表2、主体系统—剂量系统•前置放大电路的作用•完成电流到电压的转换。考虑到信号源阻抗高、弱电流的特点，前置放大电路应选用具有高输入阻抗、低温度漂移特性的放大器（如AD515、AD547等），以减小测量误差。•前置放大电路的作用是将电离室的电离电流转换成电压信号，即I-V转换。放大器的输出电压：u0=-iR*Rf（iR=uC/R1）；或u0=-uC（Rf/R1）。2、主体系统—剂量系统•程控放大器：–由于电离室对不同的能量和射线类型的响应有所不同，故需设置程控放大器（增益可调节放大电路），用以适应不同挡位的需求。–程控放大器一般由放大器、电位器和可程控开关组构成.。–控制机根据不同的工作挡位，利用程控开关自动选择预定的、阻值不同的电位器，从而构成了放大倍数不同的放大电路。–放大倍数由机器的最大剂量率和输出电压的对应关系确定，例如10V对应1000MU/min。2、主体系统—剂量系统•电压-频率转换：–考虑到剂量监测系统的精度和稳定性要求，电压-频率（V-F）转换电路应采用精密转换器件和电路。–电压（剂量率）与频率的对应关系根据精度要求和可实现的计数频率范围（如1kHz/V）来确定。2、主体系统—脉冲调制器2、主体系统—脉冲调制器(原理图）2、主体系统—治疗床1.1.医用电子直线简介医用电子直线简介2.2.主机系统主机系统3.3.辐射系统辐射系统4.4.控制系统控制系统5.5.常见故障常见故障6.6.其他基本参数的调整其他基本参数的调整3、辐射系统z加速管z防护室z靶z初级准直器z公转驱动组件z束流均整过滤组件z电离室z自动楔形过滤器z模拟灯及反射镜组件z上光阑z下光阑z附件盘9辐射头的作用9辐射头组成均整器光阑剂量系统楔形块和异形块射线放疗初级准直锥射野指示系统控制和保护系统治疗床3、辐射系统—结构组成①保证辐射束的均匀性和对称性要求②将辐射束限制在一定的区域内③提供临床需要不同尺寸的辐射野。④常规治疗对辐射野几何形状的要求–常规放射