加速器(二)加速管课件.ppt

医用电子直线加速器加速管系统,2022/12/11,2,电子直线加速器的基本工作原理：在“高压脉冲调制系统”的统一协调控制下，一方面，微波源向加速管内注入微波功率，建立起动态加速电场；另一方面，电子枪向加速管内适时发射电子。只要注入的电子与动态加速电场的相位和前进速度（行波）或交变速度（驻波）都能保持一致，那么，就可以得到所需要的电子能量。如果被加速后的电子直接从辐射系统的“窗口”输出，就是高能电子射线，若为打靶后输出，就是高能X线。,2022/12/11,3,产生射线,2022/12/11,4,2022/12/11,5,2022/12/11,6,2022/12/11,7,2022/12/11,8,驻波加速过程,电子注入,t=0时刻,2022/12/11,9,驻波加速过程,2022/12/11,10,驻波加速过程,2022/12/11,11,驻波加速过程,2022/12/11,12,驻波加速过程,2022/12/11,13,驻波加速过程,2022/12/11,14,驻波加速过程,-,2022/12/11,15,驻波加速过程,2022/12/11,16,驻波加速过程,2022/12/11,17,驻波加速过程,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,2022/12/11,18,驻波加速过程,2022/12/11,19,驻波加速过程,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,e-,腔中电压,0,-,+,2022/12/11,20,驻波加速过程,2022/12/11,21,驻波加速过程,2022/12/11,22,驻波加速过程,-,2022/12/11,23,驻波加速过程,2022/12/11,24,中高能机,低能机,2022/12/11,25,2022/12/11,26,2022/12/11,27,2022/12/11,28,加速管,14MeV驻波加速管,2022/12/11,29,主要内容,1、加速管的作用2、加速管的分类3、加速管的工作原理4、常见医用电子直线加速器中的加速管5、加速管的工作环境6、电子枪,2022/12/11,30,1 加速管的作用,加速管是医用电子直线加速器的关键部件。 加速管将从电子枪注入的电子在微波电场的作用下加速到高能量，输出成电子束或打靶产生X射线，用于治疗患者。,2022/12/11,31,2 加速管的分类,根据加速电子的方式的不同，加速管分为行波加速管和驻波加速管两种 。常见的加速管有： 行波加速管 代表厂商：Elekta公司 驻波加速管 轴耦合加速结构： 代表厂商：新华医疗 边耦合加速结构 代表厂商：Varian公司 一个行走一个停留 行波:就是波从波源向外传播 驻波:波在一个空间中来回反射,2022/12/11,32,2022/12/11,33,3 加速管的工作原理,3.1 电子在电场中受力，获得能量,Va：电压D：极间距E：电场强度EVaDFeEWFD=eVa,2022/12/11,34,3 加速管的工作原理,3.2 由于电压受到限制，不能得到高能量 临床用的最多的电子束能量为： 6MeV W e Va e 电量 1.6 10-19 库仑 若要获得6MeV的高能电子需要电压： Va = W e = 6 106 1.6 10-19 V = 3.75 1025 V 显然无法实现。,2022/12/11,35,3 加速管的工作原理,3.3 电场随电子运动模型,电子在存在加速电场的加速缝隙(D)中加速；该机构与电子以相同的速度前进，电子持续获得能量。,2022/12/11,36,2022/12/11,37,3 加速管的工作原理,3.4 电子的质量限制 同样以临床用的最多的电子束能量6MeV为例 电子的静止质量为 9.10 10-31 g 在电场力的作用下很快达到亚光速， 而使某系统同步达到亚光速是不可能的。,2022/12/11,38,3 加速管的工作原理,3.5.1 电磁波加速电子 电磁波的传播速度可以达到光速。 电磁波的本质是交变电（磁）场。 若电子一直处于加速电场，与电磁波同步前进，则电子持续获得能量。 行波加速模型。,2022/12/11,39,3 加速管的工作原理,3.5.2 行波加速 W= e Ez L,W：电子所获得的能量Ez：行波加速电场强度，L：加速管长度电子一直处于电场的波峰上，增加加速单元的数目，则电子的加速能量可以线性增加。,2022/12/11,40,3 加速管的工作原理,3.5.2 行波加速 冲浪,2022/12/11,41,3 加速管的工作原理,3.5.3 慢波结构盘荷波导 电子在电场中受力，获得能量。行波加速原理的核心是电子速度和行波相速之间必须满足同步条件：V(z)Vp(z) 相速度是波的相位传播速度，是一种状态的传播速度。相速度可以大于光速。 电子的速度不可能大于光速。 微波在盘荷波导中传播时， 相速度可以等于甚至大于光速。 调整盘荷波导的尺寸可以 控制微波在盘荷波导中传播的 相速度。,2022/12/11,42,2022/12/11,43,3 加速管的工作原理,3.5.4 行波加速结构,2022/12/11,44,3 加速管的工作原理,3.5.5 斯坦福直线加速器中心的 SLAC,2022/12/11,45,2022/12/11,46,2022/12/11,47,1,2,3,返回,退出,2022/12/11,48,3 加速器的工作原理,3.6.1 驻波加速原理 在一系列双圆筒电极之间，分别接上频率相同的交变电源；在加速缝中，加速电场的幅值随时间交变， 频率f0和圆筒电极缝隙之间距离D满足一定关系； D = V/2f0 若D取5cm，v近似为光速，则fa等于3000MHz。这样高频率的高压不可能用电线传输。 要实现这种加速模型只能在一个谐振腔列(链)中完成。,2022/12/11,49,2022/12/11,50,3 加速器的工作原理,3.6.2 驻波加速模型 将加速管在左右两端适当位置放置短路面，形成一种电磁振荡的驻波状态， 加速管结构中所有的腔体都谐振在一个频率上，相邻两腔间的距离为D，而腔间电场相位差刚好为180o，即腔间电场刚好方向相反。 接近光速c的电子在一个腔的渡越时间t=D/c 等于管中电磁场振荡的半周期，因此电子的飞越时间刚好和加速电场更换方向时间一致，从而能持续加速。 这种加速模型常称为驻波加速。,2022/12/11,51,3 加速器的工作原理,3.6.2 驻波,2022/12/11,52,3.6.3 驻波加速过程,3 加速器的工作原理,电子注入,t=0时刻,2022/12/11,53,3.6.3 驻波加速过程,3 加速器的工作原理,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,0t1/2 T,2022/12/11,54,3.6.3 驻波加速过程,3 加速器的工作原理,t=1/2T,2022/12/11,55,3 加速器的工作原理,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,1/2 TtT,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,56,3 加速器的工作原理,t=T,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,57,3.6.3 驻波加速过程,3 加速器的工作原理,2022/12/11,58,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,-,2022/12/11,59,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,60,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,61,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,2022/12/11,62,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,63,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,e-,腔中电压,0,-,+,2022/12/11,64,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,65,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,66,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,-,2022/12/11,67,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程,2022/12/11,68,2022/12/11,69,2022/12/11,70,3 加速器的工作原理,3.6.3 驻波加速过程 海狮传球,2022/12/11,71,3 加速器的工作原理,3.6.4 轴耦合结构和边耦合结构 根据耦合腔的位置不同，驻波加速管分为轴耦合加速管和边耦合加速管： 轴耦合加速管:耦合腔位于束轴上,2022/12/11,72,3 加速器的工作原理,3.6.5 轴耦合结构和边耦合结构 边耦合加速管：耦合腔位于加速腔的外边,2022/12/11,73,2022/12/11,74,3 加速器的工作原理,3.6.6 轴耦合与边耦合的区别,2022/12/11,75,3 加速器的工作原理,3.6.7 驻波结构和行波结构的对比从临床使用角度看，两种结构的加速管没有区别。驻波加速管的微波利用效率高于行波加速管。低能加速管，驻波结构在长度上有明显的优势。 对于高能加速管该优势不明显。驻波加速结构的使用条件比行波加速结构高。 脉冲调制器和微波源、频率稳定系统、偏转剂量分布系统、微波传输系统、电子枪、稳控系统。,2022/12/11,76,2022/12/11,77,4 常见医用电子直线加速器中的加速管,行波加速管 代表厂商：Elekta公司驻波加速管 轴耦合加速结构： 代表厂商：新华医疗 边耦合加速结构 代表厂商：Varian公司,2022/12/11,78,5 加速管的工作环境,2022/12/11,79,6 电子枪,电子枪是加速管的电子注入器；它发射出具有 一定能量、 一定流强、 一定束流直径、 一定发射角 的电子束流注入到加速管。,2022/12/11,80,6 电子枪,6.1 电子枪的结构 6.1.1 二极枪 阴极 阳极 聚焦结构6.1.2 三极枪（栅控电子枪） 阴极 栅极 阳极 聚焦结构,2022/12/11,81,6 电子枪,6.2 电子枪的原理 6.2.1 二极枪,2022/12/11,82,2022/12/11,83,6 电子枪,6.2 电子枪的原理 6.2.2 三极枪栅极偏压抑制发射,2022/12/11,84,2022/12/11,85,6 电子枪,6.2 电子枪的原理 6.2.3 三极枪栅极脉冲触发发射,2022/12/11,86,6 电子枪,6.3 电子枪的阴极6.3.1 热阴极原理：热电子发射6.3.2 阴极的材料 足够的发射电流密度 较低的工作温度 强电场下发射稳定 常温下蒸散小纯金属阴极：钨、铼薄膜阴极：覆钍钨阴极氧化物阴极： 碱土金属氧化物 储备式阴极： 钡钨阴极,2022/12/11,87,6 电子枪,6.3.3 回轰气体分子电离后正离子轰击阴极表面，严重的回轰能够破坏阴极结构，影响阴极寿命。可拆卸电子枪由于真空度较差，回轰尤其严重。良好的真空度环境可以保证阴极的使用寿命，较差的真空度环境会明显降低阴极的发射能力，缩短阴极的使用寿命。,2022/12/11,88,6 电子枪,6.3.4 阴极激活和阴极中毒 阴极中毒：有害气体如氟、水气、氯、CO、SO2等接触热状态的阴极，会影响阴极材料发射能力。 轻度中毒经过重新激活，可以恢复发射能力。 严重中毒将使阴极永久失去发射能力。 冷状态阴极暴露在大气环境中，需要激活以后才能够使用。可拆卸电子枪，每次更换以后都需要进行阴极激活。 阴极激活：阴极激活分为电流激活和热激活。 电流激活是在加热阴极的同时，逐步提高阴极电压，支取发射电流的过程。 热激活是指短时间适当提高阴极温度的过程。一般在电流激活效果不明显的情况下使用。,2022/12/11,89,6 电子枪,6.4 栅极 栅控电子枪一般是在二极枪的设计基础上，增加栅极。 根据栅极形式的不同，栅控枪分为： 孔栅枪、针栅枪、网栅枪 医用电子加速器使用最多的是网栅枪。 栅极的材料应选用逸出功比较大，耐热的材料如钼、钨、钛等，并在表面涂金或石墨等降低二次发射的材料，使栅极的热发射尽量的低。为了降低栅极截止电压的临界值，需要栅极距离阴极尽量的近；然而栅极在高温下容易变形，阴极容易蒸发，二者均会影响到电子注的性能；从这个角度出发，三极枪设计时，应尽可能选用低温阴极。,2022/12/11,90,6 电子枪,6.5 电子枪的应用与维护6.5.1 行波和驻波加速管的电子枪 行波加速管的电子枪 行波加速管场强低，所需的注入电压高电子枪高度在1020cm，比较大。 驻波加速管的电子枪： 驻波加速管场强较高，所需电子初始能量低，电子枪高度仅3cm左右，体积小。,2022/12/11,91,6 电子枪,6.5.2 可拆卸电子枪 电子枪的运输一般在真空或充氮的环境中进行，装架过程应在干燥、洁净的环境中尽快完成，然后马上抽真空，激活； 应尽量减少电子枪的阴极暴露在空气中的时间。 应确认真空环境合格后再进行电子枪的激活。6.5.3 电子注导向和聚焦 有些电子枪和加速管对接后需要对注入加速管的电子注进行导向和聚焦，该内容将在导向系统和聚焦系统中做详细介绍。,2022/12/11,92,6 电子枪,6.5.4 电子枪电源 二极枪的电源 二极枪的电子注发射，仅需要一个高压负脉冲即可，该脉冲由脉冲调制器和磁控管需要的电源一起产生，不需要专门的电源。 三极枪的电源 三极枪需要设计专用的栅控枪电源，结构复杂： 需要提供一个可控的阴极负高压Vk， 在Vk上悬浮的阴极热子的电源VF， 在Vk上悬浮的一个更负的栅极偏压Vg， 在需要枪发射时在栅极上加一个正的触发脉冲，通过调节脉冲幅值和Vk来达到调节电子枪发射的目的。 栅控电子枪的上电需要遵循特定的顺序： 接通偏压 灯丝预热 接通阴极负高压 接通栅极脉冲,束流传输系统,2022/12/11,94,束流传输系统由聚焦系统、导向系统和偏转系统构成。主要内容包括： 电场力和洛伦兹力 聚焦系统 导向系统 偏转系统 磁铁电源 线包冷却,2022/12/11,95,1电场力和洛伦兹力,电子e在场强为E的电场中受到电场力FE的作用： FE = eE 电子e在磁感应强度为B的磁场中运动，速度为v，受到洛伦兹力的作用FB： FB = e v B F的方向垂直于v和B所构成的平面，符合右手螺旋关系。 F只改变e的运动方向，不改变v，故F不作功。,2022/12/11,96,2 聚焦系统,聚焦系统主要作用： 使加速束流在加速过程中，不致因受射频电磁场作用而散开，以及受到束流内部电子之间的空间电荷作用力而散开，或因外部杂散磁场作用而偏离轨道，使加速束流能最终顺利的打靶或引出。,2022/12/11,97,2 聚焦系统,2.1 加速管中电子的横向运动 对于行波加速管： 在聚束段电子束受到行波电磁场的横向作用力，趋于发散。在加速段行波电磁场的横向作用力和纵向作用力相互抵销。电子间的空几周内电荷作用力很小，可以忽略。 对于驻波加速管： 电子束在驻波场中，受到电磁场联合作用力，会获得聚焦效果。在聚束段电子束负角注入，会受到散焦力和减速力，为抵消散焦力，驻波加速管的电子枪会采用负角注入技术。 在聚束段使电子相对于驻波场相位滞后，也可以取得较好聚焦的目的。（相位聚焦效应）,2022/12/11,98,2 聚焦系统,2.2 聚焦系统的应用 对于行波加速管： 需要在加速管外套螺线管线圈，磁场强度应包含在临界磁场的取值范围内。 临界磁场的取值范围由加速管设计计算得出。 对于驻波加速管： 由于电子束负角注入技术和相位聚焦效应的使用， 短的驻波加速管（4、6MV）无需外加聚焦线圈， 长的驻波加速管也只需要在聚束段加很小的聚焦磁场或不加聚焦磁场。,2022/12/11,99,2 聚焦系统,2.3 电子在聚焦磁场中的聚焦运动 聚焦系统的核心结构是安装在加速管聚焦区域的螺线管线包。 电子束流在加速电场和聚焦磁场的作用下进行螺旋会聚运动。,2022/12/11,100,2 聚焦系统,2.4 短磁透镜,短磁透镜中的电子运动,凸透镜中的光路,2022/12/11,101,2 聚焦系统,2.5 聚焦系统的结构和安装 聚焦系统的线圈一般采用螺线管结构， 螺线管线包有长筒型线包和短饼型线包两种， 聚焦磁场的轴线要与加速管的轴线重合， 长筒型线包安装安装方便，但对安装精度要求较高， 短饼型线包多个线包组合使用，每个可以单独调整，安装难度大，对精度要求相对低一些。 为了放置聚焦系统的磁场干扰电子枪，需要在电子枪一端端面加磁屏蔽板。,2022/12/11,102,3 导向系统,导向系统作用： 由于电子枪、加速管和偏转系统等各部件存在加工误差和装配误差，电子束可能会稍稍偏离设计的束流中轴线，导致电子束无法正常加速，或产生的照射野均整度和对称性难以满足要求。需要束流导向系统纠正束流方向和位置上的偏差以满足整机设计指标。,2022/12/11,103,3 导向系统,3.1 导向系统的应用 导向系统的主要结构为两对螺线管线圈或马鞍形线圈， 分别用来在水平面和垂直面对束流进行导向， 一般在电子枪和加速管之间的漂移管加一组输入导向线圈用于引导电子束傍轴进入加速管。 在加速管出口和偏转系统之间的漂移管上安放一组输出导向线圈，用于引导束流进入偏转系统的方位。 导向线圈一般轴向长约几厘米，导向电流根据需要在零到设计最大值之间，根据需要调节。,2022/12/11,104,3 导向系统,3.2 导向原理 导向磁场的方向垂直于束流方向， 电子束在导向磁场中运动受到洛伦兹力的作用运动方向发生改变。,2022/12/11,105,4 偏转系统,中、高能加速器的加速管比较长，大体呈水平方向放置；从加速管引出的电子束。需经偏转后变成垂直方向的束流轰击靶和散射箔，变成需要的X射线或电子线。 低能加速器不需要偏转系统。,2022/12/11,106,4 偏转系统,4.1 磁偏转原理 电子垂直于磁场运动，受到洛仑兹力的作用。 能量为W的电子在磁感应强度为B的磁场中运动的半径为R： BR = （W（W + 20）1/2 /300 偏转磁场一般由电磁铁提供，根据需要偏转的电子束的能量，通过调整电磁铁的电流来调整电磁铁的磁场。,2022/12/11,107,4 偏转系统,4.2 偏转系统分类 90度偏转系统： 早期医用电子直线加速器中使用，有色差。目前已被270度和滑雪式偏转系统取代。 270度偏转系统： 目前普遍采用的一种偏转方式，具有一定能散度的集中电子束经偏转后仍是集中电子束，可以保持辐射分布的对称性和稳定性。 滑雪式偏转系统： 另一种常用的偏转方式，偏转角度略大于90度，具有消色差功能。,2022/12/11,108,4 偏转系统,4.3 90度偏转系统,2022/12/11,109,4 偏转系统,4.4 270度偏转系统,2022/12/11,110,4 偏转系统,4.4 270度偏转系统,2022/12/11,111,4 偏转系统,4.5 滑雪式偏转系统 由三块均匀扇形磁场构成，第一块为正向偏转45，第二块为反向偏转45，第三块为正向偏转112，整体偏转112。,滑雪式磁偏转系统,2022/12/11,112,4 偏转系统,4.6 偏转系统的安装和调整 电子束偏转需要在真空环境中进行，电子束偏转的轨迹包络在真空偏转盒结构中，为了保证输出束流的剂量分布满足临床要求，需要调整射束从偏转系统引出的方向和位置，因此对偏转系统的安装方位需要进行调整，偏转盒结构脆弱，不能受力，调整需谨慎，建议在厂家工程师的指导下进行。,2022/12/11,113,5 磁铁电源,聚焦系统、导向系统和偏转系统其核心的部件均为不同结构的电磁铁线包，该线包依靠电流产生磁场工作，电流比较大。不同的加速器聚焦和导向系统的电流不同。同一台加速器的不同能量档位的电流不同。 要求磁铁的电源为大功率电流源，电流输出稳定，可以调整，主要关注的性能指标： 电流稳定度 响应时间 控制精度 调整范围,2022/12/11,114,6 线包冷却,聚焦系统、导向系统和偏转系统的电磁铁线包通过大电流，由于欧姆损耗会产生大量的热量，进而产生一系列的不利影响，因此需要一套冷却系统将产生的热量带出。线包的冷却一般采用水冷方式。冷却不好会导致线包温升过大，改变线包的阻抗，严重时会损坏线包。一般设置温度传感器检测线包的温度，在温度过高时切断线包电流。在系统运行时需关注系统电磁铁线包的冷却情况，对于水冷系统，要保证有足够的水流量。,