医用电子加速器的基本原理PPT.ppt

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1、加速器概论,田新智沈阳东软医疗系统有限公司,辐射的几个概念,标称能量深度吸收剂量曲线（曲线）照射野（定义）吸收剂量吸收剂量率（图1、图2）,GB15213-94,医用电子加速器性能及试验方法国家计量检定规程（JJG589-2001）正常治疗距离标准试验条件深度剂量曲线射野,电子直线加速器原理,eU,U,微波电场,行波加速器原理,Z,E,行波加速器原理,1.同步加速条件：2.盘荷波导：慢波3.加速相位：相振荡,色散,聚束段,俘获系数,束团4.聚焦线圈：洛伦兹力（B0.15T）5.加速场强：正比于P的开方6.衰减系数：单位长度损耗的微波功率7.分流系数：单位长度损耗的微波功率所能建立的加速场强的平

2、方（50-60M/m）8.束流负载系数：9.填充时间：0.4-0.6s,行波加速器理,举例：L=170cm,E0=58kV/m,ZT=58M/m P0=1.22MW,I=140mA,=0.0025/cm We=6.8MeV,驻波加速器原理,Z,E,驻波加速器原理,1.微波利用率提高2.类型（边耦合、轴耦合）3.工作于1/2模（图1、图2）4.谐振回路与外回路耦合度：c5.Q值：高Q值，窄带工作6.建场时间：常,驻波加速器原理,能量：X射线剂量(cGy/min.m)电子线剂量：平均流强(s)：c：耦合系数,驻波加速器原理,L=0.33m,ZS=85M/m,c=1.3s=0,P0=2.2MW,=4

3、s,F=250/sI=100mA，VS=6.56MW，JXS=1200cGy/min.m,行波与驻波加速器比较,1.微波效率2.长度3.脉冲宽度4.频率特性5.能谱（消色差系统）6.电子枪7.水冷系统8.微波传输系统,束流传输系统,聚焦线圈导向线圈偏转线圈,加速管的工作特性与相关设计,调节能量及剂量的方式（仿真线电压，电子枪流强，重复频率）脉冲宽度（4s，0.5-1%稳定度）稳频电路（20kHz）水冷系统（0.5-1）测量系统（电压、电流、电磁兼容问题）其它（如时序等）,微波系统,组成：高功率微波源、微波传输系统微波源：磁控管（自激振荡器）速调管（微波放大器）传输系统：功率馈入系统（波导窗）隔

4、离系统（四端环流器）测量信号（入射波、反射波）,磁控管,自激振荡组成：灯丝、阴极、阳极、谐振腔、磁铁、能量引出、调频机构、水冷空间三场作用：恒定电场 恒定磁场 微波电场 结构,MG5193磁控管,1.电子回轰灯丝电压自动控制待机状态：半压预置状态：全压出束时根据功率调整2kW-半压2.8kW-0压,MG5193磁控管,2.工作参数B=0.155TU=45kVI=110AP=2.6MWf=2998MHz,(功率调变曲线),MG5193磁控管,3.频率牵引（磁场H及阳极电流I恒定，负载VSWR=1.5，反射相位0-2变化，引起其f的变化，选择良好的输出接口，有反射波隔离器件）4.电子频移（磁场恒定

5、，电流变化1A，引起的f变化，所以要求脉冲电压顶部变化小于1%）5.温度影响50kHz/-要求有水冷系统，而且在加高压之前水压、流量、温度等需正常。-AFC系统,MG5193磁控管,6.频率的稳定性AFC-稳定频率的慢变化7.监控系统阳极电流、水温、水流量、入射波测量、反射波测量、灯丝电压8.防止打火,MG5193磁控管,速调管,微波功率放大器，需微波激励源增益高，输出功率大稳定性好，寿命长脉冲电压高（100kV）设备庞大，配有专门的油箱,速调管,组成：电子枪、输入腔、飘移管道、RF谐振腔、输出管道及波导窗、收集极、真空钛泵、聚焦线圈（图）原理：电子发射、速度调制、飘移管道（群聚）、RF谐振,

6、微波传输线、器件,电磁波分类（f逐渐增加，逐渐减少）无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 软X射线 硬X射线 射线,微波传输线、器件,微波分类,医用电子直线加速器工作于S波段术中放疗加速器工作于X波段,微波传输线、器件,电磁波传输特性：自由空间中无损TEM波，特征量-、f、T、有损媒质中衰减TEM波,微波传输线、器件,微波传输的特点:趋肤效应、辐射效应、延时效应更加明显,不能用任何形状传输线来传输；微波元器件中电场、磁场共同存在，相互依托,没有单独的R、L、C等集中元件；测量参数不能用R、U、I等表示，而是f、P、等效阻抗等参数，普通放大器件不在适合，而用磁控管、速调管,微波传输线、器件,微

7、波线频率特性,10M30m,100M3m,1000M30cm,10G3cm,100G3mm,任意双线,平行双线,同轴线,波导管,微带线,介质波导,微波传输线、器件,加速器中采用的微波传输元件：同轴线（小功率测量）波导（大功率微波传输）选择传输线、元器件时注意：功率容量、衰减大小、频率特性、尺寸等金属面对微波相当于光的反射镜绝缘材料对微波相当于光的透射镜,微波传输线、器件,波导传输特性 空心金属管-减少了辐射损耗、热损耗、高频介质损耗 不能传输TEM波-只能传输TE、TM 矩形波导中一般传输TE10 圆形波导中一般传输TM01 圆方转换波导中一般传输TE11,微波传输线、器件,微波传输线、器件,

8、传输线的状态参量：电压反射系数=(R-r)/(R+r)电压驻波比（VSWR）R/r=(1+|)/(1-|)功率反射系数P式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数等于0，驻波比为1。这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。=1，=0，P=0（行波状态、传输线与负载匹配）=1.2，=0.1，P=1%=1.5，=0.2，P=4%,微波传输线、器件,1.1/4阻抗倒转性2.1/2阻抗周期性,全反射传输线工作状态-驻波,微波传输线、器件,微波传输线的功率特性最大传输功率与波导尺寸、工作频率、允许的最大电场强度有关；提高耐受电场强度的方法：充

9、SF6气体（0.15-0.18MPa）,微波传输线、器件,传输元件的作用定向传输-弯波导、角波导、扭波导分配与合成-E-T分支、H-T分支功率调配-衰减器、移相器阻抗匹配-吸收负载、阻抗匹配器定向耦合-定向耦合器、波导桥隔离去耦-隔离器、环流器真空密封-波导窗、波导三通,微波传输线、器件,注意事项：1.防止波导系统打火2.防止发生反射3.选择元器件要考虑功率容量、电压驻波比4.四端环流器要考虑功率、工作频带、反向隔离系数、正向衰减系数5.波导窗陶瓷纯度要高、功率、电压驻波比6.监控参数（气压等）,脉冲调制器,向微波功率源提供脉冲电源MG5193磁控管（U=45kV，I=110A，5s，Pout

10、=2.6MW，Pin=6MW）,脉冲调制器,主要参数：脉冲功率PM 调制器效率M 脉冲重复频率FM 脉冲波形 脉冲前沿、脉冲后沿c、脉冲的顶部波动系数G 脉冲宽度 占空比 平均功率,脉冲调制器,脉冲调制器,线形调制器组成电路（按主要元件分）：直流高压电源、充电电感（充电变压器）充电二极管、仿真线、闸流管 脉冲变压器,脉冲调制器,线形调制器组成电路（按功能分）：充电电路、放电电路、反峰电路 阻尼电路、稳幅电路（低Q电路）截尖峰电路、匹配电路 灯丝供电电路、脉冲变压器、控制电路,脉冲调制器,仿真线（脉冲形成网络PFN）,充电电缆、等效电感电容链型结构、分立电感电容仿真线匹配情况：匹配、正失配、负失

11、配,脉冲调制器,L,L,L,L,L,C,C,C,C,C,脉冲形成网络（PFN）,特性阻抗,脉冲调制器,充电回路,脉冲调制器,充电回路,脉冲调制器,放电回路,脉冲调制器,放电回路脉冲变压器等效阻抗RH（磁控管）匹配时RH=输出功率最大，而且波形最理想,脉冲调制器,闸流管（CX1159、CX1140）灯丝 阴极 阳极 栅极,脉冲调制器,反峰电路,脉冲调制器,反峰电路（负载打火时保护）,脉冲调制器,阻尼电路（削尾电路）,脉冲调制器,RC削尖峰电路,脉冲调制器,稳幅电路（低Q电路）,脉冲调制器,脉冲变压器 升高电压 实现阻抗匹配 改变输出电压极性 隔离调制器与负载之间的直流电位,脉冲调制器,脉冲变压器要点 铁芯-高导磁材料、体积要小、损耗要小 变比不能太大-减少分布电容 充油-提高耐压 磁控管灯丝有悬浮高压 同时给电子强提供电压,脉冲调制器,脉冲调制器,保护充电过载-主闸流管连通、重复频率过高反峰过载-磁控管打火、微波系统打火、加速管 打火、元件故障联锁,脉冲调制器,定型调制器要点,结构形式供电系统方案高压直流电源方式重要元器件的选择其它形式的调制器,