医用直线加速器原理

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t (m 1)T (m 0,1,2,......) 2
医学物理
•电子群聚 •脉冲工作
多腔磁控管的基本工作原理
医学物理
医学物理
磁控管的使用
脉冲磁控管振荡器的工作稳定性 1.管子打火问题
•突然改变磁控管工作状态 •管内放气
老练的作用: 1) 提高真空度 2) 纯化阴极 3) 改变发射的不均匀
医学物理
T 0.5C
医学物理
• 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
束流偏转系统
医学物理
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)]
医学物理
导向线圈的位置及结构
医学物理
• 90º偏转
• 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 1 e4 L 1 的因子。
医学物理
P Po Poe 4L Poe 8L Po(1 e 4L )1
band
(GHz)
(cm)
(GHz)
L
0.39-1.55 76.9-19.3 1.30
S
1.55-5.20 19.4-5.8
3.00
C
3.90-6.20 7.7-4.8
5.45
X
6.20-10.90 4.8-2.8
9.38

医学物理
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
医学物理
边耦合驻波加速管
医学物理
• 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
f f

Hale Waihona Puke 100KH Z 3000MH Z
医学物理
医用回旋加速器
医学物理
医学物理
回旋加速器原理
近似条件下的同步
2 m
qeBz

kTrf
K=1, 3, 5…...
医学物理
相位移动及极限能量
•回旋加速器极限能量 —回旋加速器加速能量的提高受到被加速粒子质量相 对论性增加的限制
m m0
1
v2 c2
Tc

2 m
qeBz
带电粒子在被加速的过程中,其质量越来越大。在轴向磁场 一定的情况下,从而导致其回旋周期越来越长。
医用直线加速器原理
医学物理
课程内容
• 医用直线加速器原理 • 微波原理 • 射线准直系统系统 • 高压系统 • 控制系统 • 运动系统 • 辅助系统
医学物理
电磁波谱
医学物理
带电粒子加速器简介
什么是带电粒子加速器? “带电粒子加速器是用人工方法借助于各
种不同形态的电场,将各种不同种类的带电 粒子加速到较高能量的电磁装置。”
• 其它
– 返波管 – 行波管 – 回旋管
医学物理
微波产生
医学物理
磁控管的基本构造及工作原理
医学物理
多腔磁控管的基本构造
医学物理
•能量输出装置
医学物理
磁钢
医学物理
•调频机构 •冷却
医学物理
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
r m0v eH
2n (n 0,1,2,......) N
E q
早期直线加速器的概念
医学物理
带电粒子在磁场中的运动
N
•恒定磁场不能加速或加速电子
•磁场的作用:改变电子传输方向
聚焦

压缩束团等
S
•随时间变化的磁场,产生感应电
场,可以加速电子-感应加速器
医学物理
劳伦斯与回旋加速器
美国科学家劳伦斯受R.Wideroe的启发,1929年发明了回旋加 速器。1932年,美国Ernest Orlando Lawrence 建成1.22MeV 的回旋加速器。
医学物理
医用同步加速器
医学物理
医用直线加速器
医学物理
电子直线加速器
• 发展的条件:二次大战中,高功率微波源及雷达技术的迅速发展
1) 行波型电子直线加速器
二战后,大约十个小组独立发明和研究射频电子直线加 速器 领先的两个小组: ( 1 ) D.D.Fry 领 导 , 英 , TRE 研 究 所 , 1946 年 11 月 建 成 , 0.5MeV (2)W.W.Hansen 领导,美,Stanford 大学,1947年建成,
3 105
• 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)
医学物理
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.
能量增益
医学物理
• 驻波加速结构的能量增益可
提高
(1

e4倍)
1 2
如 L则 0 2
(1 e4 )1 1.8,
1 e4

1 2
1.34
即可获得的能量增益提高了
34%。
• 若 t 值小,即驻波加速结构 比较短时,在能量增益方面 的好处就较明显。
We eEz L 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
医学物理
行波加速管结构
•前端束流孔径由大变小,盘片间距由小变大-聚束段 •后面的束流孔径、盘片间距保持不变-光速段
医学物理
微波电场加速电子
+
++
谐振腔 TM010模
医学物理
•微波频率为3GHz,即电场在 1s内,方向变化30亿次
– 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
医学物理
向前行波和向后行 波合成驻波的示 意图
医学物理
医学物理
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
医学物理
相位移动
由于粒子质量相对论增长,导致粒子的回旋周期 增大,从而粒子所在的加速相位移动。
Tc=Trf Tc>Trf Tc<Trf
V(f )=Vacos(f )
V(f )=Vacos(f )
医学物理
f=w t
f=w t
谐振加速原理
Tc

2m
qeB

k Trf
改变磁场随 r 增大
加速电场的周期随 粒子质量增大
医学物理
带电粒子在静电场中的加速
+Q -Q
医学物理
带电粒子加速器的基本组成
1. 带电粒子源 2. 带电粒子加速器装置 3. 加速带电粒子的功率源系统及其他辅助系统 4. 束流引出及应用系统
医学物理
带电粒子加速器原理
直流高压电场加速
F=dp/dt=q·E
·E = r/e0
医学物理
1. 高压倍压加速器 2. 静电加速器 3. 串列静电加速器
医学物理
医学物理
• 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
医学物理
微波系统
医学物理
微波
医学物理
Wave Length
X射线与可见光
医学物理
微波的不同波段
微波是指在电磁波谱中波长在 1cm 到 100 cm 的部分.
Frequency Frequency Wavelength Center Frequency
• 驻波加速结构的腔型还可 以优化,使其分流阻抗明 显高于行波结构。
双周期磁轴耦合驻波加速结构
没有边腔,结构简单,加工焊接方便
△ 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。
•磁控管的灯丝预热不足、阳极电流过大
2.阳极电压、磁场和负载变化对磁控管工作的影响 3.温度变化对磁控管工作的影响
医学物理
磁控管的使用
磁控管振荡器的频率稳定问题
1) 慢变化 2) 快变化
医学物理
医学物理
Principle of Klystrons
医学物理
束流限制装置
医学物理
MLC系统
医学物理
V V

2Q
2 L
f

fo
2

式中 Q L - 外观品质因数
6000
(2-166)

f fo
=
60K H Z 3000M H Z
= 2.0 10- 5时,则有
V V
3%

Jx = 9% J
• 因此一般驻波加速器的频率稳定度要求达到.
f 20KH Z fo 3000MH Z 时
医学物理
外加螺线管磁场的聚焦作用
F e Ve B
医学物理
电子在纵向聚焦磁场作用下 做螺旋线运动
医学物理
驻波加速结构
•耦合腔变薄提高加速梯度
加磁 速轴 结耦 构合
驻 波
•微波传输通过边上的耦合孔(腰子孔);束流孔径只是电子 的通道,对微波截止。分流阻抗高,RF聚焦性能好。
•工作于p/2模,耦合腔场强为0
医学物理
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。
医学物理
驻波加速管结构
美国瓦里安公司Clinac-4医用加速 Varian 6MV加速管
器4MeV边耦合驻波加速管的剖面图
医学物理
驻波加速器原理
• 驻波微波电场的形成及驻波加速
偏转方案
医学物理
• 270º偏转
均匀磁场的270º 消色差偏转系统
医学物理
• 270°整体式偏转 系统
医学物理
•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
医学物理
* 圆波导中TM01 模场相位传播速度 vP C * 要能有效加速电子,必须把TM01 模的相位传
播速度慢下来 * 盘荷波导——慢波结构
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。
•电子电场幅值为负时,得到加 + 速;电场为正,电子减速
•一个微波周期一个电子束团
•微波在光滑波导中的传输速度 大于光速,必须采用慢波结构
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
dWe dz
eEz sin s
• 平衡相位 s
倍频系数随粒子质 量增大
等时性回旋加速器 稳相加速器 电子回旋加速器
医学物理
实芯磁铁圆型加速器发展所受限制
轨道半径
rc

mv qeB
磁铁重量 Wg rc3
医学物理
举例
• * 芝加哥大学170英寸稳相加速器磁场系统示意图
Wp 450MeV Dc 4.3米 Wg 2400吨 若Wp 4500MeV (即4.5GeV ) Wg 2400 103吨 2400000吨
怎么办?
环形轨道加速器!
医学物理
质子同步加速器
• 平衡轨道半径R恒定 • 轨道磁场随粒子能量增加而增大 • 加速电场频率随粒子速度加快而增大
质子的静止能量 938MeV
We(质子动能)=1 GeV g(相对论能量)= We/E0+1=2.066 b(相对论速度)= sqrt(g2-1)/g =0.8751
1.7MeV
医学物理
医用行波电子直线加速器
医学物理
380V AC
电子束团
电子直线加速器结构
脉冲调制器
11kV 脉冲变压器
44kV
10kV 电子枪
磁控管
靶 X射线
医学物理
行波/驻波加速管
微波脉冲
医学物理
行波加速
海滩
无电匹 反子配 射与的 波微吸
波收 同负 步载 ( 慢 波 )
• • •
* 寻找有纵向电场分量定向传播电磁波 圆波导中的TM01模式
医学物理
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
医学物理
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
医学物理
不同相位入射的电子相振荡的情况
医学物理
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
MLC系统
医学物理
Upper Jaw Replacement
Elekta • Leaves • Upper Mini Diaphragm • Lower Diaphragm
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