直线加速器物理-Pa
直线加速器物理-Part2
Ez
是粒子在z处的时间， t=0的粒子初始位置可 以是间隙中的任意位 2 置，相应的相位为。
0
2
z
选择
E z 0 z
的位置作为粒子的起始位置，
即令间隙的电中心处 z = 0。
假设初始束流为连续束流，能量为W0，速度为0，在 经过聚束器后束流的能量被调制，能量增益为：
T
Lb / 2
Lb / 2
E (0, z ) cost ( z )dz
Lb / 2 Lb / 2
E (0, z )dz
把电场改写成sin形式，则经过聚束器后相位为的粒 子与相位为0的粒子相比，速度的变化为
W 0 3 m0c 2 0 0
qE0TLb max 2 3 m0c 0 0
A kV V A V s Hz
Triode 2 ~120 6.4 5.5 50 500 3.0 625
能量回收型直线加速器（ERL） 对电子枪的要求： （1）高平均电流 在俄罗斯的低频常温装置BINP上，得到20mA的电子束流，在美国 JLAB的1.3GHz光阴极、超导ERL设备上已经得到9.1mA的束流。高 平均电流，就要求加速器必须工作在CW（Continuous Wave）模式， 或者长脉冲模式。100mA的平均流强成为当前研制ERL的目标。 （2）短脉冲、低发射度的电子枪 与储存环同步辐射光源相比，ERL能够产生高品质的电子束流，即脉 冲长度短至ps、亚ps量级，归一化发射度可小于2 mmmrad。现在已 经运行的BINP－ERL装置和JAERI－ERL装置采用的是热阴极直流高 压枪，束流发射度在30 mmmrad左右，JLAB－ERL装置采用的光阴 极高压直流注入系统，束流品质得到极大提高，束流发射度减小到10 mmmrad以下。正在设计中的ERL装置，束流发射度的设计目标均在 1 mmmrad左右。 ERL: Energy Recovery Linac
加速器原理-第6章
（3）加速腔 这是直线加速器的主体， 它将由高频功率源输入的能 量有效地转换成适宜于离子 加速的高额电场。根据加速离子的种类、能量范围等 的不同要求，发展了各种适用的加速器。 加速腔腔筒通常由低碳钢或不锈钢的钢—铜复合 板做成，也可通过在钢板内壁上镀以较其趋肤深度厚 得多的紫铜，以减少高频功率的损耗。腔筒及加速结 构均用水冷却。腔筒又是一个真空容器，它使加速结 构及离子束都处在高真空中。加速腔中还有频率调谐 装置、高频功率馈送装置及高频信号提取等装置。
mc
2
m0 c
而粒子运动速率的变化规律为
vs c c 1 ( 0 ) 2
1
2
0
1 2
1/ 2
随着能量的增加vs逐步趋于光速。
0 2 c 1 ( ) 0 W
1/ 2
为了实现行波电场对粒子的同步加速，就要求行 波的轴向行进速度vz随时与被加速的同步粒子速度vs保 持相等。即
要将微波功率传输到加速波导还要求有微波传输系 统。它包括隔离器、精合器、真空窗、吸收负载等微波 元件。这些部件应能承受额定功和驻波比小。 （5）真空系统 它一般由钛离子泵机组及真空检测、控制等装置组 成。以建立和维持加速波导、束流输运管道及部件中的 高真空，加速波导中真空度一般应忧于1.3×10-3Pa～ 6.7×10-5Pa 。 （6）聚焦系统 它包括建立纵向磁场的螺线管、磁四极透镜组，及 其电源与稳定、调节系统，以提供电子束所需的横向聚 焦。
（8）束流检测系统 它安装在束流输运管道各处，以测员束流的流强、 剖面、发射度、能散等。为调机和保证加速器的正确工 作状态提队根据。 （9）控制系统 它管理和控制加速器运行的各个步骤及保护装置， 并对以上加速器的各系统参量进行监测、显示及调整。 控制系统的中枢是控制台，大多是计算机化的系统。 （10）束流输出系统 它的任务是将从加速腔出来的束流输运到实验工作 区。主要由输运管道，偏转、分析磁铁、开关磁铁及聚 焦、束测部件组成。
第十讲直线加速器
L/ 4 Ezmdz
L
/4
cosd
/4
L/2
L/4
2 sin /4
/ 4
L
0.9
相运动特点
Ea
eVa cos eVs s
s
T Ts
横向散焦问题： 当非同步粒子加速相位（速度相位）为负时，即它们 进入加速电场时，受时间散焦区的影响，产生横向散 焦作用
解决方法： 1 阿尔法瑞兹法，用钨网膜放置于漂移管入口，改变 电场分布，有利于聚焦； 2 漂移管中放置四极透镜
能量调频方式
盘荷尺寸(a和b)虽然一般固定不变，但当增 大微波频率时，对该盘荷来说，皱褶深度相 对增大，导致相速度减小。故一般采用微波 调频的方式来改变相速度，从而调节最终粒 子加速能量
相运动特点
Ea
rf ,t
eVa cos eVs s
s
T Ts
Ea
z
s
s
非同步粒子能自动稳相之条件：
rf ,z s
对于光滑波导，满足
rf ,z
c
cos
p rf ,z c
c 1 ( kc )2
k
为了慢波以加速电子，则有
p rf ,z
c c 1 ( kc )2
k
kc为虚数，令kc＝iKc
Ez Ez0 J0 (iKcr) cos(rf t kz z)
零阶虚贝赛尔函数
2.28
1
1.266
J0 ( x)
fc 2 k 2 b
c
2
2.405 b
fc
c
g
慢波原理
如输电线路过长，可将线路视为负载。 如50Hz交流电的波长达6000km
线间距
线半径
直线加速器物理Part(精品)
力学行为。以这三个广义坐标和三个广义动量作为坐标轴，且相 互垂直，这样构成的抽象空间称为六维束流相空间，粒子在某一 时刻的运动状态可由相空间中的一点（相点）来表示，随着时间 的推移，相点在相空间中描绘出的曲线称为相轨迹。
含有N个粒子的束流的运动状况，可由相空间中与之对应的分布 于某一区域的N个相点代表，该区域的图形称为束流相图，该区 域边界包围的体积称为束流相体积。
1
L f
L f2
L2 f2
2L L2
f
1 L f
BEPC直线加速器连接储存环的输运线公共段FODO结构 CSNS储存环连接靶站输运线的FODO结构
周期结构的稳定条件
假设一个周期的传输矩阵为M。经过n个周期的传输后，粒子的
坐标变为
xx'end
M
n
x x'
in
设V1和V2是M的本征向量，1和2为相应的本征值，则
Bn
cos(t
2n
Lc
z
0 )
上式表示Ez场由一系列波数和相速各不相同的空间谐波分量组成，波
数和相速分别为
kn
2n
Lc
v pn
kn
取出谐波数n＝1的空间谐波，相速Vp1与粒子速度相同，
Ez (0, z,t)
B1 cos(t
2
Lc
z 0)
（d）
对于0模、基波加速情况，相速vp1与粒子速度v同步，忽略在一 个周期中粒子速度的变化，有
dpx dz
dz dt
vz
dpx dz
vz
d( pz x') dz
vz ( pz x'' pz ' x')
直线加速器物理-Part4
因此Zeff比Zs更能表述驻波加速结构的效率。
对质子直线加速器，加速效率与加速间隙的几何尺 寸和质子速度相关，因此从低能加速到高能，需要 在不同的能量段采用不同的加速结构，以提高加速 效率。
sin(g ) T g
质子直线加速器常用的加速结构
Energy
0.045 -- 3.0 MeV 3.0 -- 100 MeV 100 -- 1000 MeV
原10MeV段 9.68 60 50-100 1,2,5,12.5 7.27 1.55-2.08 -35 ~ -30 0.6 1.13 6-8
< ±0.6%
35MeV整机 35.51 60 50-100 1,2,5,12.5 21.83 1.65-2.18 -40 ~ -25 2.8 4.89 6-8
可以得到每个模的群速：
d vg 0 dk d vg a kc Lc / 2 dk
0模和模
/2模
因此/2模的群速最大，能量传递也最快，这对于克服强流加速器中 的束流负载效应及瞬态微扰都是有利的。 /2模所有反向谐波的相速与粒子运动速度相反，对粒子的能量增益 没有贡献，全部损耗在腔壁上，分路阻抗最小，只相当于行波结构 的一半； 模处在通带的边缘，正向谐波和反向谐波的相速相同，对粒子的加 速均有贡献，与行波结构的分路阻抗相当，具有最大的分路阻抗；
• 结构紧凑、体积小、使用方便
• 正负离子均可加速，应用广泛
DESY – RFQ-1
四杆型（Four – Rod） RFQ
Four – Vane RFQ at IHEP ( 3.5 MeV )
漂移管型直线加速器（DTL－Drift Tube Linac）
束流在经过间隙时加速（Ez>0），当Ez<0时在束流进入漂移管内。周期 长度为
直线加速器原理 高中动画物理
直线加速器原理高中动画物理直线加速器是一种利用电磁场加速带电粒子的装置。
其原理是利用电场和磁场对粒子进行引导和加速，使其在直线轨道上获得高能量。
直线加速器的基本组成包括加速器腔体、高频电源、加速电极、聚束磁铁和检测装置等。
当粒子进入加速器腔体后，先通过高频电源产生的电场加速，再通过聚束磁铁的磁场进行聚束，最后在加速电极的作用下获得更高的能量。
具体而言，直线加速器的工作过程如下：1.加速器腔体：加速器腔体是一个真空密封的金属管道，用于提供稳定的工作环境。
粒子在其中运动，避免与空气分子碰撞而损失能量。
2.高频电源：高频电源主要用于产生电场，为粒子提供初始的动能。
电源产生的交变电场会使粒子在电场作用下加速。
电场的大小和方向会根据粒子的电荷性质和运动轨迹进行调整，以便精确控制粒子的加速过程。
3.加速电极：加速电极是直线加速器中的关键部分，由多个金属楔型电极组成。
当粒子通过时，电极施加的电场将加速粒子，使其获得更高的能量。
电场的强度和极性会随着粒子的位置和速度变化，以保证粒子能够稳定地在直线轨道上加速。
4.聚束磁铁：聚束磁铁主要用于控制粒子的轨道，使其保持在直线加速器的中心线上。
磁铁的磁场可以通过粒子的静电荷或者电流对其施加洛伦兹力从而改变粒子的运动轨迹。
通过合理调整磁场的强度和方向，可以实现粒子的聚束和稳定加速。
5.检测装置：检测装置用于监测粒子的能量、速度和位置等参数。
常用的检测方法包括电子学闪烁计数器、微菲涅尔荧光屏、能谱仪等。
检测装置记录和分析粒子的运动信息，以验证加速器的正常运行和精确控制。
直线加速器的加速原理可以通过牛顿力学和电磁学理论来解释。
粒子在电场和磁场的作用下受力，根据牛顿第二定律F=ma可以得出加速度与受力之间的关系。
在直线加速器中，电场和磁场的分布和强度可以通过数学方法进行优化，以达到粒子加速和聚束的目的。
直线加速器的应用十分广泛。
在科学研究领域，直线加速器可用于研究粒子物理学、原子核物理学、高能物理学等领域的问题。
直线加速器
直线加速器案例：医用直线加速器是当代医学界中的一类高精度设备,涉及机械、电子及高能物理等学科的知识,仪器的复杂程度很高.该设备是一放射治疗设备,是目前有效治疗肿瘤的手段之一,所以对设备的工作、运行条件要求很高。
相关章节：1-1 质点运动的描述；3-6 功能原理机械能守恒定律；14-3 狭义相对论的时空观；相关知识点：参考系质点；机械能守恒定律；长度的收缩；原理：（1）图为直线加速器的意图。
（2）如图所示，金属圆管为加速管（又称漂移管），总共有N+1个。
每个漂移管的长度依次递增，排列在奇数或偶数位置的漂移管分别与高频振荡器的两端相连。
带电粒子（重离子或电子）只是处在两管之间的间隙中时才受到电场的加速作用。
在漂移管中，由于为等电势区，电场强度为零，带电粒子在其中作匀速直线运动。
为使粒子在两管的间隙中能得到不断的加速，漂移管长度的设计有严格的要求。
（3）问题1：已知f为振荡频率，V n是粒子通过第n+1个漂移管的速度，则第L n+1个漂移管的长度是多少？答：L n+1=V n t=V n/2f（4）问题2：设入射离子的能量是E0,，经过n个间隙的加速后离子在第n+1个漂移管的能量是多少？（离子质量为m0，速度为V n）答：根据能量守恒定律E n=E0+neZV0=m0c2/√1-(V n/c)2（5）问题3：若该装置为初速度为0 的匀直线加速器，则漂移管之间长度之比应为多少？答：1:3:5.....(2n+1)（6）问题4：若离子的初始速率为v0，给间隙添加一个大小为U的电场，则离子进入第二个漂移管的速率是多少？答：根据能量守恒可得mv02/2=mv2/2+eUv=√v02-2qU/m（7）问题5：静止时看离子直线加速器的长为L，经直线加速器加速后的电子相对其静止的惯性系看直线加速器的总长L，是多少？答：根据洛伦兹变换式可得L，=L√1-β2。
直线加速器
Precise全数字直线加速器双模式的数字化加速器，提供宽范围的X线和电子线能量，充分满足放射治疗外照射的临床需要。
具有如下详述的特征和配置：1.0射线束能量Precise数字化加速器具有无可匹敌的多能量可定制性：2档X射线能量（4~15MV）和9档电子线能量（4~22MeV）2.0 Precise全数字直线加速器主机系统包含如下特性：独特设计的滚筒式机架直线加速器-由强劲的刚性结构带来的高度可靠性和稳定性-开放的机架结构，便于维修，需维护的重要部件均分布在易于接近的位置-最低的等中心高度（124cm），具有最优的临床可用性-最大的等中心到治疗头的净空间距离45cm高效能的行波加速管-行波加速管二十年无条件保用-允许较低的电压梯度，对行波加速管的真空要求低，使电子枪等部件可快速拆卸并易于更换大功率FasTraQ磁控管：-专门的紧凑型微波功率源，5MW功率输出，具有快速调谐的能力-快速的束流切换特性<0.1秒-提供24个月的保用期独有的滑雪式偏转系统：-完全的消色散系统，并维持射束的对称性-伺服控制的三极磁偏转系统-精确的靶点聚焦，极佳的半影可单独拆卸更换灯丝的电子枪-电子枪伺服系统反应快速，确保束流能量的精度-易于更换，维护费用低六通道开放式结构的电离室-最新型超薄壁陶瓷材料电离室-自动校正KTP（温度、湿度、气压），监测射线的剂量、对称性和平坦度-具有长期的高灵敏和高稳定性，适合精确的伺服控制射线束流-重复精度：+/-0.5%-线性精度：+/-1%-2-10MU时的线性精度对保证IMRT的放疗精度尤其重要-旋转（运动束流）投照时的稳定性：±1%-分辨率：0.1MU运动系统-用于操纵治疗头、机架及病人床的运动-手控盒可操纵加速器的所有动作-治疗头上有四个控制钮，可操纵治疗头的所有运动-治疗床两边各有一个控制板，可操纵床的所有运动-所有运动都是无线调速安全连锁系统-通过硬件限位和软件防碰撞二种方式，确保病人和操作人员的安全真空系统-维持加速管和电子枪的真空状态-在加速器中有效使用离子泵，有助于减少能源消耗，保护环境，并维持高的开机率水冷系统（内循环）-保证加速器的频率稳定，进而保证能量的稳定-用于加速器的热交换3.0 直线加速器控制系统Desktop Pro核心控制系统特点如下：-全新的第三代全集成、全数字控制系统，用于Elekta的全数字直线加速器-确保更为平顺的流程工作方式，有效地提高治疗病人的周转率-基于Windows平台的图形用户界面，易学习和使用-模块化软件结构，配置安装各种功能模块，满足不同的临床治疗模式的需要-便利的系统可升级能力。
医用直线加速器系统技术规格要求
系统架构：支持C/S 系统架构
13.3.1.3
操作系统：支持X86硬件架构的网络操作系统
13.3.1.4
数据库：关系数据库微软SQL Server
13.3.2
放疗数据库应用软件：建立和运行于上述服务器数据库系统平台上的应用软件和用户界面程序。病人治疗数据，包括文字资料和治疗计划数据，集中存储在服务器数据库中，联网工作站之间信息资源共享。
13.3.2.1
用户权限管理：用户权限集中管理
13.3.2.2
电子病历软件功能：配备应用软件系统，对病人数据、治疗计划的浏览功能
13.3.2.2.1
病人基础资料管理：实现病人基础ADT数据的录入
13.3.2.2.2
登记：患者原始数据录入，快速检索患者资料、医嘱、治疗安排等相关信息
13.3.2.2.3
11.2
系统要求及参数
12.2.1
系统应能将上述数据以数字化方式存储，并能与其他计算机系统通过网络进行相关的数据传输。
12.2.2
系统能进行CT模拟、全自动影像融合与配准、头颈部及体部肿瘤高精度放射治疗，能够进行逆向调强治疗计划设计。
12.2.3
系统应完全遵从DICOM标准，以实现医学影像共享
12.2.4
Smart Sequencing® 约束子野执行的优化，使step-and-shoot子野更有效：子野更少，最低的MU跳数。
12.3.4.2.8
子野形状优化（SSO）能够改善计划的质量和子野执行效率
12.3.5
计算方式
12.3.5.1
能提供三种不同的光子线剂量算法
*12.3.5.2
光子线蒙卡XVMC算法：精确度等于蒙卡金标准，比常规蒙卡快20~30倍。
直线加速器
微波功率源来激励加速腔.直线加速器的加速电场有行波和驻波两类.由于电子即使在低能时也接近光速，大部分电子直线加速器取行波加速方式，采用盘荷波导结构.在行波加速腔内装有环形金属盘片，用以减慢电磁波的相速.适当调整盘片的位置和圆孔的直径，即能使行波的相速度与粒子同步而持续加速.质子和重离子直线加速器则一般取驻波加速方式，采用带漂移管的谐振腔结构.适当选择漂移管的尺寸和位置，使轴向电场不满足加速要求时，粒子处在漂移管内受到屏蔽作用，而在通过漂移管间隙时得到加速.离子质量愈大，通常荷质比就愈小，相同能量下的速度也愈低，工作频率也就愈低，从而加速器的尺寸就愈大.直线加速器具有束流强度高、能量可逐节增加等优点，缺点是需要昂贵的高频、微波功率源.低能直线加速器在医疗和工业辐照中广泛应用，而中、高能直线加速器则在核物理和粒子物理研究中占有重要地位，并且是高能同步加速器和储存环、对撞机性能优良的注入器.
编辑本段直线加速器历史
1928年E.维德罗提出加速原理。早期利用频率不太高的交变电场加速带电粒子，1946年后利用射频微波来加速带电粒子。在柱形金属空管（波导）内输入微波，可激励各种模式的电磁波，其中一种模式沿轴线方向的电场有较大分量，可用来加速带电粒子。为了使沿轴线运行的带电粒子始终处于加ห้องสมุดไป่ตู้状态，要求电磁波在波导中的相速降低到与被加速粒子运动同步，这可以通过在波导中按一定间隔安置带圆孔的膜片或漂移管来实现。电子的质量很小，几兆电子伏 中国科学院高能物理研究所35MeV质子直线加速器的加速腔的能量时，电子的速度已接近光速，带圆孔的膜片装置适用于加速电子；质子或离子的质量较大，其速度较低，常采用带漂移管的装置。1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米，电子能量高达22吉电子伏，脉冲电子流强约80毫安，平均流强为48微安。
直线加速器的主要部件学习笔记
直线加速器的主要部件学习笔记201301202013-01-20 17:34:13| 分类：直线加速器| 标签：直线加速器|举报|字号大中小订阅加速管安装方式有竖向和横向低能直线加速器无中和偏转系统放射治疗中使用的粒子加速器包括医用电子直线加速器医用电子回旋加速器医用质子回旋加速器医用质子同步加速器医用重离子同步加速器医用质子直线加速器二战结束后，人们发现雷达技术中的圆波导管，在其中可以激励起一种具有纵向分量的电场（TM01模），它可以用来加速电子微波系统一般采用频率为3GHz左右的微波，波长10cm微波系统的组成：磁控管、耦合器、波导、波导窗、移相器、隔离器、衰减器等。
在磁控管和加速管之间的波导内充有SF6。
磁控管磁控管一般由阴极、阳极、磁铁、能量输出装置、调频机构、冷却组成。
磁控管的阳极相对于阴极处于高电位，起收集电子的作用，实际上它还是自激振荡系统。
阳极上面开了许多圆孔和槽缝，每一个圆孔就是一个圆柱形谐振腔，可等效为一个LC振荡回路，每个腔通过槽缝相互耦合，整个系统则等效为一个耦合腔链当磁控管自激振荡建立起来时，在阳极和阴极之间的内腔区域出现交变电场相互作用，交换能量。
最后由能量输出将能量输出。
电子在作用空间同时受三个场的作用：1.恒定电场：将阳极电源能量转化为电子的动能2.恒定磁场：使电子旋转运动产生交变电磁场，通过激励耦合腔产生微波。
3.微波电场：使电子减速，电子的动能进一步转化为微波能。
波导波导是空心的金属管，通常由黄铜、无氧铜或者铝等材料制成。
电磁波被屏蔽在金属管内，空心波导内没有导体，减少了趋肤效应引起的热损耗，又避免了高频介质损耗，因此波导管在高功率微波的传输中得到广泛的应用。
波导内充有一定气压的惰性气体以防止高功率微波再传输波导内发生电场击穿。
我们机器使用的SF6束流传输系统由聚焦系统、对中系统及偏转系统组成。
聚焦线圈：利用其磁场力约束电子束流在加速过程中，在横向方向上始终靠近加速腔链中心轴线附近，保证电子束流顺利通过束流孔道，而不会因横向散开打到束流孔道壁上损失掉。
医用直线加速器技术参数
常规电子线最大剂量率：≥1000MU/min 剂量监测系统 电离室结构：多通道平面型电离室。有多对完全独立的监测电极，分别 用于监测剂量、能量、束流准直特性和照射野的对称性。 电离室构造特点：真空密封型 电离室校正：不需校正温度、压力等参数 设备安全连锁系统：具有完善的安全联锁自动装置。 射线对称度的安全连锁：射线的纵向和横向对称度参数超过下述数值， 则启动连锁，纵向对称性不小于 2%，横向对称性不小于 2% 剂量率伺服连锁：X 线和电子线的剂量率均具有反馈伺服控制机制，使 该设备能对 X 线和电子线的剂量率进行连锁控制 机械运动系统 机架旋转角度：≥±185 度，顺时针和逆时针方向 机架旋转精度：≤0.3 度 机架旋转分辨率：≤0.1 度 机架结构：机架结构为中心轴承式 TAD 距离：100 ± 0.2cm 机架等中心精度：≤0.5mm 半径球体,投标方需出示技术白皮书说明 等中心高度：≥128cm 准直器系统：具有上下共两对可独立移动准直器，可用于偏野照射和相 邻野的衔接应用 准直器旋转范围：≥±175 度，顺时针和逆时针方向 准直器旋转精度：≤0.5 度 准直器旋转重复精度：≤0.3 度 准直器旋转分辨率：≤0.1 度 上，下准直器厚度：上，下准直器厚度均≥7cm 上独立准直器移动范围：–10cm ～ +20cm 下独立准直器移动范围：–2cm ～ +20cm 上准直器位移精度：≤±2mm 下准直器位移精度：≤±1mm 光射野一致性：≤1.5mm（0cm*0cm-40cm*40cm） 前指针范围：75-110cm 前指针分辨率：2mm 前指针精度：≤±1mm 独立准直器的自动复位：当选择使用对称模式时，上下两对独立准直器 系统能自动复位成对称位置 机架防碰撞模式： 具备机械防碰撞模式 具备光学防碰撞模式 4 自由度治疗床
直线加速器
直线加速器
第二次世界大战结束后，军用技术转为民用，使放疗设备出现了戏剧性的变化。
被限制发展雷达微波设备的德国利用交变磁场对电子的作用开发了感应加速器分支，而英、美等国却充分利用雷达技术发展了行波和驻波直线加速器。
随着高能核物理学的发展，还建造了功率大、能量高的粒子回旋加速器和巨型高能直线加速器，以宏大的设备，研究原子的微观世界。
一、电子直线加速器的基本结构和系统
电子直线加速器是指电子被加速径迹成直线，按微波传输的特点电子直线加速器又分为行波和驻波直线加速器两类。
图1-4-7展示了直线加速器的基本结构和系统，它包括：电子枪、微波功率源（磁控管或速调管）、波导管（隔离器、RF监测器、相移器、RF吸收负载、RF 窗）、DC直流电源（射频发生器、脉冲调制器、枪发射延时电路）、真空系统（真空泵）、伺服系统（聚焦线圈、对中线圈）、偏转系统（偏转室、偏转磁铁）、剂量监测系统、治疗机头、治疗床等。
二、电子在直线加速器中的加速过程
电子被加速的过程分三个阶段：一是电子枪发射初始速度大约为0﹒45倍光速的电子，并被注入加速管；二是聚束段（Bunching Section）电子被持续稳定的加速，速度和能量不断地提升；第三阶段称谓相对论段，当光子接近光速c（300，000，000m/s）时，电子从微波中按相对论方式获取能量，这时电子的速度不再增长，而依质能转换规律使质量不断增加。
例如电子能量从1MeV增至5MeV时，速度仅增长
6%，即由0.94c升至0.996c，而能量却提升了五倍。
高频直线加速器物理
6. 姚充国，电子直线加速器，科学出版社，1986.
7. 王书鸿、罗紫华、罗应雄，质子直线加速器原理，原子能出版社，1986.
II
1. Introduction
1.1 Essential Properties of the RF Linacs
Charged particles can be resonantly accelerated, along an almost linear orbit, by an rf electric field. This accelerating facility is called rf linac. The rf accelerating field is either a traveling wave provided by the loaded waveguides, or a standing wave by the loaded cavities. RF linac has the following features, compared with other types of accelerator: ♦ RF linacs have no difficulties with the beam injection (into the linac) and ejection (from the linac ), compared with the circle/ring-type accelerators. ♦ RF linac can accelerate the charged particles from low energy (a few keV) to very high energy, does not like dc high-voltage accelerator which has the dc voltage breakdown limitation, and does not like electron ring-type accelerator which has a beam energy loss limitation caused by the synchrotron radiation. ♦ It can provide a high current (or high intensity) beam with strong transverse focusing and adiabatic longitudinal bunching. ♦ It can work at a pulsed mode with any duty factor in principle, and at a CW mode. ♦ It can be designed, installed and commissioned section by section. ♦ It is mostly equipped by rf accelerating structures, not easy to be operated/maintained with high stability/reliability, and its construction/operation costs per unit beam power are expensive compared with circle/ring accelerators.
93直线加速器系统讲义PPT课件
18
第二章 充电电路
§2.1 引言
一 基础知识
二 充电电路的组成
三 充电电路的种类
四 直流充电电路
五 五 充电电路应满足的要求
§2.2 RLC直流谐振充电电路
一 充电电路的等效电路 二 等效电路分析
三 等待充电电路
19
§2.1 引言
一 基础知识
二 1 交流电路的基本表示式
损耗在理想状态下是零。其意义是电感中只有
磁场能量和外部能量转换过程，电感本身不
消耗功率。
1T PT0 IU(s
i2 nt)dt0
27
4 电容中的交流电
i +q -q u
1）电容具有储存电荷作用
C q u
（2-16）
dq Cdu
2）交变的电流在流过电容时： i dq dt
将式（2-17）代入（2-18）得：
的电源电压后，处于等待状态。 • 当有一低压脉冲加到开关管（闸流管）的栅极上时，开
关管则导通。 • 传输线通过开关管向负载放电。 • 负载上得到一高压脉冲，其宽度由传输线长度决定。
6
§1.2 脉冲调制器的技术要求
一 基本参数
1. 脉冲功率（ PM ）
P MU MIM
2. 调制器的效率( M )
M P 出 P 入
设i Ims int
将式（2-12）代入式（2-11）得：
（2-11） （2-12）
u L di dt
LI m cos t
LI
m sin(
t
)
2
Um
sin (
t
2
)
（2-13）
25
直线加速器与粒子加速
直线加速器与粒子加速近代科技的发展使得粒子加速技术越来越重要。
而直线加速器是一种广泛运用于粒子加速的装置。
本文将探讨直线加速器的原理和应用，并展望其未来发展的可能性。
一、直线加速器的原理直线加速器是一种利用电场和磁场加速带电粒子的装置。
其基本原理是通过电场在一直线管道中加速带电粒子，而后利用磁场对其进行聚束，最终加速粒子到高速。
其关键部件主要包括加速管道、电场和磁场控制系统。
加速管道是直线加速器的核心组成部分，通常采用金属或陶瓷材料制成。
在管道内，通过电场的施加，带电粒子将获得加速力，从而不断增加速度，直到达到所需的能量。
电场和磁场控制系统用于控制带电粒子在加速过程中的方向和速度。
电场通过在加速管道中施加电势差，使带电粒子受到电场力，从而加速。
而磁场则用于对带电粒子进行聚束，防止其偏离预期轨道。
二、直线加速器的应用直线加速器的应用广泛，涵盖了许多领域。
以下是其中几个常见的应用领域。
1. 粒子物理研究直线加速器在粒子物理研究中起着至关重要的作用。
例如，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就是采用了直线加速器技术。
通过将带电粒子加速到极高能量，并使其在对撞点相互碰撞，科学家们可以观察到微观世界更深层次的结构和现象。
2. 医学诊断与治疗直线加速器在医学领域中被广泛应用于诊断和治疗。
在放射治疗中，直线加速器可以用来产生高能量的射线，用于治疗癌症等疾病。
它可以通过集束化的粒子流束向病变组织发射高能粒子，精确杀灭癌细胞，减少对健康组织的损害。
3. 材料研究与分析直线加速器也可以用于材料研究和分析。
通过将带电粒子加速到高速，然后使其与待研究的材料发生碰撞，科学家们可以观察和分析材料的结构和性质。
这种技术在材料科学、化学和生物学等领域中有着广泛的应用。
三、直线加速器的未来发展随着科学技术的不断进步，直线加速器在未来有着更广阔的发展前景。
1. 高能加速器的发展未来，直线加速器的主要发展方向之一是提高加速能力和粒子能量。
电子直线加速器的工作原理 ppt课件
ppt课件
12
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) (2-3)
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， 电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。
其初始速度v(0)就很难保证做到和设计加工好的加速管的初始相速度 绝对相等,另一方面从电子枪注入到加速管的电子，器注入时刻是有先后 的，不可能注入到同一相位上。此时无论是电子比波快还是电子跟不上波，
电子相对于波的相位就存在滑动，我们称之为“滑相”，这种滑相也就 被称为相运动。
将相运动控制在允许的范围内，使电子在这相位范围内往返地滑动，
所以式（2-9）也常常表示 成：
v
(z)
p
（2-10）
ppt课件
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由式2-10，我们可以改变盘荷波导的尺寸，特别是皱
折深度（b-a）可以控制行波电场传播速度
，
使之v与p 电(z子) 速度 v(z) 同步，从而实现行波加速。
如图2-11，用海浪和冲浪运动员来形象比喻行波电场
和电子。
根据狭义相对论，电子速度V和动能满足下列
关系
v c
1 (
m0 c 2
2
)
W m0 c2
（2-4）。
式中 m0c2为电子静止能量0.511MeV，W为电子动
能，c为光速，
e
v
c
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13
根据式（2-4），电子速度约为v=0.17~0.37c;当加速 到1~2MeV时，电子速度就达到v=0.94~0.98c ，如前
直线加速器综合参数9[1].6
![直线加速器综合参数9[1].6](https://img.taocdn.com/s3/m/3e6ff0fea76e58fafbb00372.png)
X射线最大剂量建成深度（SSD=100cm 10X 10cm射野）6MV 1.5±0.15cm;
15MV:2.7± 0.15cm
1.2.6
X射线百分深度剂量（水下10cm,TSD=100cm 10X 10cm射野）：6MV67%± 1.0%;
10MV74%± 1.0%;
15MV77%± 1.0%
1.1.6
加速器内部的计算机控制体系应具有临床应用模式，特殊治疗应用模式，拍片 模式，物理模式和维修模式。
1.1.7
电子枪可单独拆卸，便于维修。
1.2
X射线束特性
1.2.1
X射线能量6MV、8MV 10MV 15M。选两档（或具有更多档位）
1.2.2
射野尺寸：1X1cm至40X40cm连续可调（SSD=100cm
1.6
机械运动系统
1.6.1
机架旋转度360度以上，顺时针和逆时针方向，误差不大于0.5度。
1.6.2
TAD距离：100 ±0.2cm
1.6.3
等中心精度：＜1mm#径球体
1.6.4
等中心高度：＜130cm
1.7
进口治疗床
1.7.1
床体结构：要求运行平稳，噪音小，结构合理，精度高，刚度好，升降范围大
2.3.11
提供调强逆向计划软件
2.3.12
调强放疗的逆向计划应具备Step&Shoot和Sliding Window两种调强方式
（三）
网络系统
3.1
网络硬件的基本要求
3.1.1
网络数据传输速度1000Mbps
3.1.2
网络物理连线材料，光纤电缆
3.1.3
网络协议TCP/IP
3.1.4
[整理](每年都给)全国医用设备资格考试 直线加速器物理师考试大纲
全国医用设备资格考试 直线加速器物理师考试大纲](https://img.taocdn.com/s3/m/8cc95d26cc7931b765ce15e2.png)
全国医用设备资格考试直线加速器物理师考试大纲来源：中国卫生人才评价网，和三者之间吸收剂量测量的技术要求，中低能X射线吸收剂量校准，高能电离辐射吸收剂量校准，Cλ、CE 方法， IAEA方法，ND的物理意义第五节测量剂量的其他方法量热法，化学剂量计，热释光剂量计，半导体剂量计，胶片剂量计第四章放射源与放射治疗机第一节放射源的种类与照射方式第二节近距离治疗用放射源1、镭-226源，铯-137源，钴-60源，铱-192源，碘-125源，锶-90源，锎-252源2、新型近距离治疗用放射源3、近距离治疗用放射源比较第三节 X射线治疗机特征辐射和韧致辐射，滤过板的作用，半价层，X射线机构造第四节钴 -60 治疗机钴-60γ射线的特点，钴-60 治疗机的一般结构，钴-60半影的种类及产生原因第五节医用加速器种类，加速原理，束流的均整、扩散及准直医用直线加速器、电子回旋加速器优缺点第六节多叶准直器MLC基本结构, MLC安装位置，MLC叶片的控制，MLC QA(QC)第七节重粒子治疗重粒子束治疗的优势，相对生物效应，氧增强比，质子束的剂量学特性，医用质子加速器应具备的基本条件，质子束传输及偏转，质子束的均整及准直，放射治疗用的轻离子均匀模体与人体之间的区别，曲面校正方法，组织不均匀性校正方法，组织界面的影响，组织补偿，组织填充物，组织补偿器第十一节乳腺切线照射剂量计算楔形板补偿第十二节 X( g ) 射线全身照射剂量学基本治疗模式，基本剂量学，照射技术，入射剂量，出射剂量，患者体中线剂量的均匀性，肺剂量，患者体内剂量计算，照射中的剂量监测第六章高能电子束剂量学第一节治疗电子束的产生散射箔作用，电磁偏转展宽电子束第二节电子束射野剂量学深度剂量曲线特点，百分深度剂量的影响因素，等剂量分布特点，射野剂量均匀性及半影，虚源，有效SSD，输出剂量第三节电子束治疗的计划设计能量和照射野的选择，斜入射校正，有效治疗深度，组织不均匀性校正，补偿技术，挡铅技术，照射野的衔接第四节电子束旋转治疗剂量学电子束旋转实现方法，深度剂量与能量选择，输出剂量的测量与计算，治疗设计步骤及方法第五节电子束全身皮肤照射照射技术，照射技术应符合的剂量学要求第六节术中照射剂量学术中照射概念，实施技术分类第七章近距离照射剂量学第一节近距离照射剂量学基本特点距离平方反比定律，剂量率效应第二节放射源的校准放射强度表示方法，放射源的校准第三节放射源周围的剂量分布放射源周围剂量分布的特点，剂量分布计算的传统方法，剂量分布计算的推荐方法第四节放射源的定位技术正交技术，立体—平移技术，立体变角技术第五节腔内照射剂量学经典方法:斯德哥尔摩系统、巴黎系统、曼彻斯特系统， ICRU系统，低、中、高剂量率的区别， ICRU剂量参考点第六节组织间照射剂量学巴黎系统，基本原则，步进源系统第七节管内照射剂量学参考点的选择第八节近距离照射的剂量优化几何优化的种类及比较 :相对于施源器的剂量优化;相对于剂量节制点的剂量优化，立体定向插值照射的剂量优化第八章治疗计划设计的物理原理和生物学基础第一节临床要求治疗比，治疗增益比，肿瘤致死剂量，正常组织耐受剂量EPID的位置验证功能，EPID的剂量验证功能第六节射野挡块及组织补偿低熔点铅 LML ， X(γ)线窄束、宽束在LML中线性衰减系数和半价层，全挡块，半挡块，挡块制作，热丝切割机，组织补偿器，剂量补偿器，组织补偿器制作步骤，补偿器计算模型，补偿器生成器第十章三维剂量计算模型和治疗方案优化第一节高能 X( g )射线的剂量计算模型射野剂量分布的数字表达，计算模型应考虑的物理因素，计算模型对不均匀性组织的处理方式，X(γ)线剂量计算模型的分类第二节高能电子束剂量计算模型经验模型，阵化扩散方程，多级散射理论模型，笔形束模型第三节治疗方案优化正、逆向计划设计概念，优化的目标函数和约束条件，优化算法分类第十一章调强适形放射治疗第一节适形放射治疗的分类及历史发展定义，分类第二节适形放射治疗的临床价值放射治疗在肿瘤治疗中的地位，物理因子对放射治疗的贡献，适形放射治疗的临床研究，适形放射治疗的临床价值第三节调强实现方式调强定义，物理补偿器，动态 MLC ，静态 MLC ，旋转调强，断层治疗，电磁扫描调强，独立准直器技术，调强治疗的验证第四节适形放射治疗对设备的要求第五节 X(γ)射线立体定向放射治疗X(γ)射线立体定向放射治疗的定义和分类， X(γ)射线立体定向放射治疗的实现方式，立体定向治疗系统的基本组成，立体定向治疗剂量学，剂量分布特点，靶点位置精确度，立体定向治疗的质量保证和质量控制，治疗方案的设计，立体定向适形放疗第十二章放射治疗的QA (QC)第一节执行 QA的必要性第二节靶区剂量的确定和对剂量准确性的要求第三节放射治疗过程及其对剂量准确性的影响第四节物理技术方面的质量保证1、治疗机等中心及指示装置，灯光与射野的一致性，射野平坦度和射野对称性，射线质(能量) ，射野输出剂量的校测，加速器剂量仪的工作特性，楔形板及治疗附件质量保证，机器参数检查频数2、近距离治疗的QA3、治疗计划系统的验收测试和常规QA4、体内剂量测量第五节 QA组织及内容部门内质量保证组织，部门内质量保证内容，一国之内的质量保证问题第十三章辐射防护第一节辐射来源及其水平本底辐射，人工辐射第二节辐射对人体健康的影响和对其危险性的估计确定性效应，随机效应第三节辐射防护的基本原则和标准辐射防护体系的三原则， ALAPA原则，剂量限值第四节外照射防护的基本方法时间、距离、屏蔽因素第五节放射治疗的机房防护机房的屏蔽设计，中子防护。
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Unit
BEPCII
EIMAC Y796
A
10
ns
1 (FWHM)
µm
14
Gun
kV
150200
Pulse / 3μs
V/A 6 8 / 5 7.5
V
0~250
Hz
50
200 kV
HV supply
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5
电子枪出口纵向束流分布 （150 KeV）
（2）短脉冲、低发射度的电子枪
与储存环同步辐射光源相比，ERL能够产生高品质的电子束流，即脉 冲长度短至ps、亚ps量级，归一化发射度可小于2 mmmrad。现在已 经运行的BINP－ERL装置和JAERI－ERL装置采用的是热阴极直流高 压枪，束流发射度在30 mmmrad左右，JLAB－ERL装置采用的光阴 极高压直流注入系统，束流品质得到极大提高，束流发射度减小到10 mmmrad以下。正在设计中的ERL装置，束流发射度的设计目标均在 1 mmmrad左右。
结构，在枪出口直接得到几个MeV的能量。不需要聚束器，不需要加速
组元进一步提高能量。但是系统复杂，造价高。非超导的阴极材料置于
超导枪内，超导部分与非超导部分需要严格隔离，阴极材料是否对超导
腔造成污染，提高流强就需要提高馈入的激光能量，是否会引起失超等
等一直是人们担心的问题。
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12
低频率（几百MHz）的常温微波枪，与超导微波枪相比，结构相对简 单，造价低，有诸多S波段和 L波段高频微波枪运行。因为频率低，微 波周期长，驱动激光可以长达几十个ps，几十个ps的电子束团感受到 近似直流高压的加速，可以极大的减小空间电荷效应的影响。同时与 高压直流枪相比，加速场梯度大，枪后不需要加速组元进一步加速。 但是常温微波电子枪需要在连续模式下运行，腔体的散热问题和高真 空如何实现、能否保持是此类电子枪的最大问题。
2.6 电子直线加速器的预注入器
电子直线加速器应用广泛： 作为同步加速器、同步辐射光源和正负电子对撞机的注入器； 放射性治疗用加速器； 正负电子直线对撞机。 所有这些电子直线加速器在开始部分都有一段预注入器作为整个直 线加速器的起始，预注入器虽然因机器的不同而有所不同，但结构 和功能都基本相同，通常是由电子枪和聚束系统组成。
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4
E-Gun for BEPCII-Linac
(high current and small emittance )
Parameters Cathode
Beam current Pulse length Emittance (norm.)
Accelerating voltage Heater volt. /current
JLAB: Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab)
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11
超导微波电子枪以德国的Rossendorf超导微波电子枪为代表。因为腔体
置于低温环境，可以保持高真空度。枪内加速梯度峰值已经实现20MV/m，
有利于对空间电荷效应的抑制，Rossendorf超导微波电子枪采用3.5cell
Units Specifications
Triode
A
2
kV
~120
V
6.4
A
5.5
V
50 500
s
3.0
Hz
625
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9
能量回收型直线加速器（ERL） 对电子枪的要求：
（1）高平均电流
在俄罗斯的低频常温装置BINP上，得到20mA的电子束流，在美国 JLAB的1.3GHz光阴极、超导ERL设备上已经得到9.1mA的束流。高 平均电流，就要求加速器必须工作在CW（Continuous Wave）模式， 或者长脉冲模式。100mA的平均流强成为当前研制ERL的目标。
ERL: EnergP：Budker Institute of Nuclear Physics，Russia
JAERI：Japan Atomic Energy Research Institute
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10
JLAB高压直流型电子枪
高压直流型电子枪，技术相对成熟，电子枪本身结构简单，可以获得非 常好的真空，GaAs阴极在此真空环境下可以有相对较长的寿命。但是加 速梯度低（<7MV/m）、场致发射、枪内打火、隔离陶瓷击穿、离子反轰 阴极一直是高压直流型电子枪待解决的问题。同时，因为加速梯度低， 为减小空间电荷效应引起的发射度增长，枪内电子脉冲必须足够长，这 就需要在电子枪后加聚束器压缩束团，而且需要利用加速组元进一步提 高束团能量。
预注入编辑器课件示意图
1
电子枪分类： 直流电子枪，脉冲电子枪（脉冲长度从1ns到几s ） 强流电子枪（安培量级），弱流电子强（毫安量级） 传统电子枪，新型电子枪（热阴极微波电子枪，光阴极微波电子枪， 极化束电子枪等）
BEPC电子枪：峰值流强4A，脉冲宽度2.5ns，重复频率12.5Hz。 BEPCII电子枪：峰值流强10A，脉冲宽度1ns，重复频率50Hz。
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2
电子枪基本原理一般都是加热阴极，使其发射电子，然后电子 在极间高压的作用下加速，通过阳极上的小孔射出。现在一般 比较常用的常规电子枪是栅控电子枪。在离阴极很近的地方安 装一个栅极，改变栅极调制电压可以很方便的调节枪电流，从 而获得陡峭的电流脉冲。
一般要求电子枪能够提供有一定聚束的，小发射度的，大流强的 束流。可使用EGUN程序模拟计算进行设计。
强流电子枪示意图
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3
导流系数Cp：
Cp
I V 3/2
其中I是电子注电流，V是注电压。
当电极形状一定时，在一般情况下，导流系数是一个常数，与 温度无关，导流系数的大小表示电子枪发射电子的能力强弱， 也反映了电子束空间电荷效应程度以及电子枪的结构和尺寸。
单位：P（泊，朴），P
强流：Cp>0.1 P 弱流：Cp0.1 P
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6
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7
BEPCII-Linac
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8
NSC KIPT 100MeV 100kW 电子直线加速器电子枪参数
Items
Type Beam Current（max） Anode Voltage Filament Voltage Filament Current Grid Bias Bunch length Repetition Rate (max)