医用直线加速器原理
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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
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。
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
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
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。
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
Байду номын сангаас 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
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
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。”
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
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
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，
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
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
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
•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
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
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。
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
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
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。
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
Байду номын сангаас 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
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
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。”
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
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
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，
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
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
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
•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