蘇紅森 陳 俊 劉 鵬*

微波技術(shù)在醫(yī)用電子直線加速器加速管中的應(yīng)用

蘇紅森①陳 俊②劉 鵬①*

目的：了解和掌握微波技術(shù)在醫(yī)用電子加速器加速管中的應(yīng)用。方法：介紹醫(yī)用電子加速器、行波加速管和駐波加速管的原理及構(gòu)成，并對(duì)兩種加速管的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定系統(tǒng)及傳輸系統(tǒng)等進(jìn)行比較。結(jié)果：駐波加速管具有較高的效率，加速管與電子槍較短，結(jié)構(gòu)緊湊，但對(duì)脈沖調(diào)制器、自動(dòng)穩(wěn)頻、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及微波傳輸系統(tǒng)均具有較高要求，而行波加速管雖然效率較低，但能譜好，能量調(diào)節(jié)較容易。結(jié)論：目前兩種加速管均在電子直線加速器上得到應(yīng)用，了解微波技術(shù)在醫(yī)用電子加速器中的應(yīng)用，更易于掌握醫(yī)用電子加速器。

醫(yī)用電子直線加速器；行波加速管；駐波加速管；微波；電子加速

[First-author’s address]Department of Biomedical Engineering, the 181stHospital of Chinese People’s Liberation Army, Guilin 541002, China.

醫(yī)用電子直線加速器是用于腫瘤放射治療的微波電子直線加速器(Microwave electron linear accelerator)，是電子從微波電磁加速場(chǎng)中獲得能量并沿直線軌道加速運(yùn)動(dòng)。醫(yī)用電子直線加速器是現(xiàn)代治療惡性腫瘤的最主要的放療設(shè)備之一，在惡性腫瘤的放射治療中起主導(dǎo)作用[1]。

1 醫(yī)用電子直線加速器的構(gòu)成

醫(yī)用電子直線加速器由加速管、微波功率源、微波傳輸系統(tǒng)、電子注入系統(tǒng)、脈沖調(diào)制系統(tǒng)、束流系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、恒溫水冷卻系統(tǒng)以及電源分配、控制及應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成[2]。直線加速器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 電子直線加速器的系統(tǒng)構(gòu)成

在電子直線加速器系統(tǒng)中加速管是其重要的組成部分，并且為最復(fù)雜的系統(tǒng)，是電子直線加速器的核心技術(shù)。電子直線加速器加速管按照加速方式可分為行波加速管和駐波加速管[3]。

2 加速管的原理及構(gòu)成

2.1 行波加速管

電子直線加速器的最基本原理是電子只能在加速縫隙D中得到加速，其平均電場(chǎng)強(qiáng)度為Ez=Va/D，通過(guò)加速縫所獲得能量為eVa(如圖2所示)。

圖2 同步加速電子的模型

若使加速得以持續(xù)，則需令電子一直處于縫隙中，即一直受到加速電場(chǎng)。而某種形態(tài)的電場(chǎng)能夠以光速比擬的速度向前運(yùn)動(dòng)[4]。雷達(dá)技術(shù)中的圓波導(dǎo)管可以激勵(lì)起一種具有縱向分量的電磁場(chǎng)(TM01模)，并可用來(lái)加速電子，其電磁場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 TM01模電磁場(chǎng)沿圓波導(dǎo)管傳播電場(chǎng)分布

TM01模電磁場(chǎng)在圓波導(dǎo)管內(nèi)傳播時(shí)，波的相速度大于光速。利用這種電場(chǎng)來(lái)同步加速電子，則必須將在圓波導(dǎo)管中傳播的TM01模的電磁場(chǎng)的相速度慢下來(lái)[5]?；谶@種理論研制出了盤荷波導(dǎo)加速管，在圓波導(dǎo)中周期性插入帶中孔的圓形模片，依靠模片的反射作用使中孔部分中傳播的電磁場(chǎng)相位傳播速度慢下來(lái)，甚至為光速以下以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的同步加速，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

圖4 盤荷波導(dǎo)加速管結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 顯示，在軸線附近能夠提供一個(gè)沿Z軸直線加速電子的電場(chǎng)，只要此形態(tài)的電場(chǎng)沿Z軸傳播速度始終與電子速度同步，該電場(chǎng)能不斷推著電子沿Z軸前進(jìn)。這就是盤荷波導(dǎo)加速管和行波加速管的原理。其中，Ez為加速電場(chǎng)強(qiáng)度，L為電子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度，電子所獲得的能量是W=e·Ez·L。

在盤荷波導(dǎo)中微波電磁場(chǎng)以波的形式沿Z軸方向向前傳播，行波電場(chǎng)在軸線附近具有軸向分量，可對(duì)電子施加軸向作用力，電子處于軸線附近并相位合適時(shí)可不斷受到行波電場(chǎng)的加速作用而增加能量，電子直線加速器的行波加速管原理在于此，其核心是電子的速度和行波的相速之間必須同步：即Ve(z)＝Vp(z)。處于平衡相位附近的電子圍繞平衡相位做穩(wěn)定的相運(yùn)動(dòng)，始終處于電磁波的加速相位而不斷獲得能量。采用盤荷波導(dǎo)可減少波的相速度，盤片的孔徑、高度、厚度及距離等參數(shù)決定波導(dǎo)的特性。通過(guò)改變盤荷波導(dǎo)的尺寸，尤其是皺折深度(b-a)可控制行波電場(chǎng)傳播Vp(z)，使之與電子速度Ve(z)同步，從而實(shí)現(xiàn)行波加速[7]。

2.2 駐波加速管

在系列雙圓筒電極之間分別連接頻率相同的交變電源，如果該頻率fa與雙圓筒電極之間距離D滿足的關(guān)系，則電子得以持續(xù)加速。如在加速管兩端適當(dāng)?shù)奈恢梅胖枚搪访?，使微波在腔體內(nèi)形成電磁振蕩的駐波狀態(tài)，軸向電場(chǎng)的大小和方向隨時(shí)間交變，若電子的飛越時(shí)間剛好與加速電場(chǎng)更換的方向時(shí)間一致則能持續(xù)加速，這種模型稱為駐波加速[8](如圖5所示)。

圖5 時(shí)變電場(chǎng)按直線連續(xù)加速電子的模型

行波加速管中的微波是向單方向傳播的，微波在終端被匹配負(fù)載所吸收，而駐波加速管的兩端不接匹配負(fù)載而是短接路面，使微波終端反射，所反射的微波沿電子加速的反方向前進(jìn)；若加速管結(jié)構(gòu)的始端放置短路面，其反射功率在始端再次被反射，如加速管的長(zhǎng)度合適，則反射波與入射波的相位一致，加強(qiáng)了入射波，在加速管內(nèi)形成駐波。駐波加速管的加速段是由系列相互耦合的諧振腔鏈組成，在諧振腔鏈中心開(kāi)孔使電子通過(guò)，在腔中建立交變高頻場(chǎng)。在駐波場(chǎng)的作用下電子沿軸線方向不斷加速前進(jìn)，能量不斷提高[9]。

如圖6所示，圖中顯示了π/2模式駐波加速管兩個(gè)相反方向傳播的微波所形成的駐波，前向和反射電場(chǎng)在t1和t3疊加，在t2處相互抵消場(chǎng)強(qiáng)為0。而幅度的變化如圖7所示。

圖6 駐波的形成過(guò)程圖

圖7 相反方向傳播的駐波幅度變化示意圖

假設(shè)在t1時(shí)刻則1號(hào)腔處于加速半周，2號(hào)腔處于減速半周；在t3時(shí)刻則1號(hào)腔處于減速半周，2號(hào)腔處于加速半周。如果腔的長(zhǎng)度合適電子在不同時(shí)刻進(jìn)入每個(gè)腔體都處于加速半周，其電子均可得到不斷加速[10]。

3 行波加速管與駐波加速管的比較

在現(xiàn)代醫(yī)用電子直線加速器中行波加速管和駐波加速管均在使用，西門子Primus H電子直線加速器使用的是駐波加速管，醫(yī)科達(dá)Synergy電子直線加速器使用的是行波加速管，其兩種加速管的差別如下。

3.1 加速管的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不同

駐波加速管的長(zhǎng)度在1 m左右；行波加速管的長(zhǎng)度＞2 m。由于行波加速管中的電磁場(chǎng)的建立只需1次傳輸即可完成，而駐波則通過(guò)在加速管內(nèi)來(lái)回反射而建立，因此行波加速管的建場(chǎng)時(shí)間較短，在建場(chǎng)的時(shí)間內(nèi)電子不能加速，輸入功率被浪費(fèi)。行波加速管的微波利用率較高，在行波加速管中的微波剩余功率在終端被吸收，而駐波加速管由于來(lái)回反射其所需的微波輸入功率較小[11]。

3.2 頻率穩(wěn)定系統(tǒng)不同

由于結(jié)構(gòu)的不同，行波加速管可以有數(shù)個(gè)不同的工作頻率，而駐波加速管只有1個(gè)工作頻率，因此駐波加速管對(duì)頻率穩(wěn)定系統(tǒng)要求較高[12]。

3.3 微波傳輸系統(tǒng)不同

行波加速管是一種帶通器件，負(fù)載阻抗不變，反射少，傳輸系統(tǒng)上場(chǎng)分布均勻，對(duì)隔離器件要求低。而駐波加速管變阻抗負(fù)載，傳輸系統(tǒng)上場(chǎng)分布不均勻，需插入能吸收全部反射功率的環(huán)流器作為隔離器件，以防止微波返回造成微波功率發(fā)生器的破壞[13]。

3.4 電子槍不同

行波加速管由于加速場(chǎng)強(qiáng)較低，所需注入電子槍的高壓較高，注入管電壓為40～100 kV，槍高度較高為10～20 cm；駐波加速管的加速場(chǎng)強(qiáng)較高，所需注入電子槍的高壓較低，注入管電壓為1～10 kV，槍高度較高為3 cm左右[14]。

3.5 溫控系統(tǒng)不同

由于溫度變化使微波工作頻率會(huì)發(fā)生波動(dòng)，而駐波加速管對(duì)頻率穩(wěn)定要求較高，因此對(duì)溫控系統(tǒng)要求相對(duì)較高[15]。駐波加速管具有較高的效率，加速管與電子槍較短，且結(jié)構(gòu)緊湊，但對(duì)脈沖調(diào)制器、自動(dòng)穩(wěn)頻、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及微波傳輸系統(tǒng)等均有較高要求；而行波加速管雖然效率較低，但能譜好，能量調(diào)節(jié)較容易。西門子電子直線加速器的駐波加速管和電子槍為一體，如電子槍損壞則要更換整個(gè)加速管；醫(yī)科達(dá)電子直線加速器的電子槍可單獨(dú)更換[16-17]。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，行波加速管和駐波加速管均應(yīng)用于電子直線加速器上，只有了解清楚兩種加速管的基本原理和結(jié)構(gòu)，才能了解加速器的微波功率源、微波傳輸系統(tǒng)、電子注入系統(tǒng)、脈沖調(diào)制系統(tǒng)、束流系統(tǒng)及真空系統(tǒng)等其他部分是如何圍繞著加速管進(jìn)行設(shè)計(jì)，有助于對(duì)直線加速器的維護(hù)和使用。

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Application of microwave technology in the accelerating tube of medical electron linear accelerator

SU Hong-sen, CHEN Jun, LIU Peng// China Medical Equipment,2014,11(3):43-45.

Objective:To learn and master the application of microwave technology in medical electron linear accelerator tube.Methods:Introduced the structure and principle of medical electron linear accelerator, traveling wave accelerating tube and standing wave accelerating tube; compared the structure, stable system and transport system of traveling wave accelerating tube standing wave accelerating tube.Results:standing wave accelerating cube have higher efficiency, shorter accelerating cube and electron gun, but have higher demand for pulse modulator, automatic frequency stabilization, the deflection system and microwave transmission systems. Traveling wave accelerating cube have lower efficiency, but have better energy spectrum and easy to adjust.Conclusion:Both traveling wave accelerating cube and standing wave accelerating cube were used in medical electron linear accelerator nowadays, it's easy to master medical electron accelerator after knowing the application of microwave in medical electron linear accelerator.

Linear accelerator; Pulse modulator; Klystron

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.03.015

1672-8270(2014)03-0043-03

R812

A

2013-09-24

①解放軍第181醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 廣西 桂林 541002

②廣西壯族自治區(qū)人民醫(yī)院醫(yī)療器械科 廣西 南寧 530021

*通訊作者：liupeng2008gl@163.com

蘇紅森,男,(1979- ),本科學(xué)歷，主管技師。解放軍第181醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，廣州軍區(qū)醫(yī)學(xué)工程與衛(wèi)生裝備專業(yè)委員會(huì)委員，從事醫(yī)療器械維修及研究工作。