肿瘤放射物理学-物理师资料-4.3 电子直线加速器

治疗头（与治疗 有关的重要附属 设备）
扩大和均匀射野
对X射线治疗，
在射线路径上加
均整器；
对电子束治疗， 输出剂量由薄壁穿射电离室监测，其优点
换成散射片
可以减少电子束中的X射线污染和能量损失。
（二）X射线、电子束的能量
目前市场上主要有三种机型： （1） 低能单光子（4～6MV）直线加速器 （2）低能单光子（6MV）带电子束直线加速器 （3）（中）高能单（双）光子带电子束直线加速器
驻波形成时，空间各处的介质点或物理量只在原位置附近做 振动，波停驻不前，而没有行波的感觉，所以称为驻波。形成 驻波时，各处介质质点或物理量以不同的振幅振动。振幅最大 处叫波腹，振幅最小处即看上去静止不动处叫波节。相邻两个 波节或波腹之间的距离是半个波长。
行波加速
假设有一电子e在t1时刻处 于A点，电子正好处于电场加 速力的作用下，开始向前运动。 至t2时刻电子到达B点，此时 由于电磁波也“向前”移动 （实际上是电场在各点的幅值 随时间的变化）,电子在t2时 刻，正好又处于加速电场的作 用下。
三、电子直线加速器
电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子并且具有直线运 动轨道的加速装置。
• 直线加速器是最早发明的一种谐振式加速器，人们为了克 服高压加速器所遇到的困难，探索了使带电粒子连续多次 通过一个电压不很高的加速电场来获得高能的方法。1928 年威德罗（Widroe）建成了第一个直线谐振加速器。
医用电子加速器
1932年提出。1937年，1MV Van de Graaff静电加速器； （美国）
1943年提出。1949年，20MV 感应加速器；（高能X射线， 高能电子束）（美国）（我国70年代初）
1944年提出。70年代初，22MeV 回旋加速器。（瑞典） 1946年提出。1952年，8MV 直线加速器。（英国）（我国 78年）
在t1和t2时刻之间，由于电场由正向零变化（即幅值变小） 而相位不变，此时位于t1，t2间的电子仍然受着加速场的作 用而累增其能量，在其它时刻的电子也与此类似。
这种加速器由于利用了行波的反射波，因此功率消耗比 行波的要小，所以得到同样能量的加速器其长度可以进一步 缩短，这在医疗上是理想的，因此近年来有较大的发展，但 其制造工艺较复杂，成本较高。
（3）准直器 X射线要经过两级准直才到达治
疗部位。 一级准直器位于加速管电子
引出窗口下、大小固定不变，为X射 线、电子束所共用。
二级准直器是可变的。
（四）束流的监测
电子经引出窗→（X线靶）→一级准直→均整或散射或扫描 的（X射线和电子束） →监测电离室→二级或三级准直器→ （电子线限光筒）→患者
如果波的移动速度和电子的运动速度一致，那么电子将持 续受到电场的加速。但由于这种波的传播速度（相速度）大 于电子的运动速度，为此必须将波速减慢。在波导管内加上 许多圆盘状光栏，改变圆盘间的距离可以改变波的传播速度 （相速度）。
这种以圆盘光栏为负荷来减慢行波相速的波导管称为“盘荷波导 管”。在开始阶段，由于电子的速度较小，因此间距小些，使波 的传播速度慢些，随着电子速度的增加，慢慢增加间距，使波速 也随之加快并到达光速，之后保持间距不变。这种波称为行波， 利用这种波加速电子的加速器称为行波电子直线加速器。
足以完全吸收入射的高能电子。 X射线均整器：4～20MV 范围
的X射线，使在治疗距离处得到大约 35～40cm大小的满足一定平坦度和 对称性要求的治疗用射野。均整器 常用铅制作。
（2）电子束的扩散 直接引出的电子束大约为直径
3mm的笔形束，必须经散射片将其 扩散到满足一定均匀性的治疗射野 范围。
散射片通常用铜或铅制成，其 厚度选择应使绝大多数电子被散射 而不是产生轫致辐射。
加速管实际上是一个微波波导管，由一组圆柱形的谐振 腔组成，每个谐振腔的直径为10cm，长度为2.5cm～5cm。 建立的电磁场为TM010波(横磁波)，电场沿轴向分布，磁 场沿横向分布。
波在介质中传播时不断向前推进，故称行波
振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波 叠加时，就产生驻波。
临床经验证明，约80％的深部肿瘤 6MV X射线可满足要 求，对某些较深部位（如腹部）的肿瘤，使用较高能量的X射 线（如16～18MV）。
高能电子源自文库适合治疗较浅的偏体位肿瘤，其电子能量以4～ 20MeV范围较好,靶区后缘深度1～6cm。
（三）束流的均整、扩散及准直
（1）X射线的均整 靶材料为钨、铂金等，厚度要
驻波加速
驻波的产生 适当调节反射波的相位和速度，可以产生驻波。利用驻波来加速 电子的直线加速器称为驻波电子直线加速器。
t1时刻电子受到电场的作用向 前加速运动；t2时刻电场处处 为零，电子此时并不加速；t3 时刻电场正好反向，但电子已 经运动到它的后半周，又处于 加速电场作用下得到加速；t4 时刻电场由反向恢复到零，电 子不被加速。
• 这种直线加速器的漂移管长度 随能量Wn增大而加长，使 整个装置变得非常庞大.缩短加速器长度的途径是提高高 频电压的频率，第二次世界大战后，超高频微波技术的发 展，使之成为可能。
（一）加速原理
采用微波电场把电子加速到高能的装置。要求微波的相 位变化要与电子的速度同步匹配，即要求电磁波电场分量 的相位变化在电子到达时必须指向前进的方向。
典型的医用行波电子直线加速器
工作原理：脉冲调制器从外部电源获得能量并转换为脉冲宽度为 几微秒、电压几十千伏的脉冲，同时加到磁控制管（或速调管） 和电子枪。电子枪中的电子经阳极和阴极间的脉冲负高压（45kV 左右）的作用进入加速管。
与此同时，磁控管或 速调管经波导管将高 功率的微波送入加速 管，电子束被加速到 所需要的能量后，经 过偏转磁铁偏转，直 接引出（电子束治疗） 或打靶（X射线治疗）。
沿着直线排列一串金属圆筒 形电极（称为漂移管），奇 数和偶数电极分别接到高频 电源的两个输出端上
当正离子经过加速间隙 a处时，间隙间的高频电场正好使它加 速，随后离子进入漂移管，高频电场也正好变换极性（漂移管 内电场=0），当离子到达间隙b时又正好被加速，这样经过几个 加速间隙所获得的总动能为
(φ是离子通过加速间隙中心时， 加速电压的相角)