加速器原理和结构

放 09 20
1.
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
能量过滤器（能量狭缝）的原理
放 09 20
磁场
me v R= qB
疗
电子束真空通道 冷却水通道 能量适中电子
备 设
低能电子
质 量 培 证 保
高能电子
训 班
270°消色散偏转磁铁
放 09 20 疗
e电子能谱分布
磁场
备 设 质 量 培 证 保 训 班
低能电子
质 量 培 证 保 训 班
国内外主要加速器性能指标对比
放 09 20
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
1.医用电子直线简介 2.主机系统 3.辐射系统 4.控制系统 5.常见故障 6.其他基本参数的调整
放 09 20
疗
备 设
质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统
放 09 20
¾ 系统组成 ¾ 加速管 ¾ 真空系统 ¾ 剂量系统 ¾ AFC系统 ¾ 脉冲调制器 ¾ 微波传输系统
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2主体系统—AFC系统
放 09 20
+12V 7 8 U1 3 2 C4 6 LM318 R5 4 1 5 -12V C1R2 R9 +12V 7 8 R6 U2 3 6 2 LM318 4 1 -12V R21 5 C6 C3 R10
AFC1
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—电子加速器原理2
放 09 20 疗 备 设
驻波
质 量 培 证 保 训 班
驻波
放 09 20
•
单周期π/2模具有最大的模式间隔，具有最大的群速度，因此 工作稳定性最好。不过它有半数腔不激励，它只起功率耦合的 作用，因此整个结构的分流阻抗很低。
疗
备 设
质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—系统组成2
放 09 20
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
2、主机系统—加速管1
放 09 20
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
2、主机系统—电子加速器原理1
放 09 20 疗 备 设 质 量
U
• eU • 微波电场
培 证 保 训 班
2、主机系统—行波加速器原理1
医用电子直线加速器 原理与结构
田新智 tianxz@neusoft.com 2009.6
放 09 20
疗
备 设
质 量 培 证 保 训 班
1.医用电子直线简介 2.主机系统 3.辐射系统 4.控制系统 5.常见故障 6.其他基本参数的调整
放 09 20
疗
备 设
质 量 培 证 保 训 班
1.医用电子直线简介 2.主机系统 3.辐射系统 4.控制系统 5.常见故障 6.其他基本参数的调整
疗
备 设
质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—系统组成1
¾ 加速管及束流输运系统
z z z z z 电子枪 加速管、输入（出）耦合器及波导窗组件 靶、引出窗及偏转盒 真空泵组件 聚焦、对中及偏转线圈
¾ 微波功率源及传输系统
z高压脉冲调制器
放 09 20
z磁控管/速调管(S波段,2～5MW)
z高功率微波传输系统(环流器/隔离器、取样波导、软波导及吸收负载等 ）
培 证 保
训 班
2、主体系统—能量控制
改变微波输入功率 ① 调制器PFN电压 ② RF功率源输出（激励）功率 2. 改变加速管束流负载 ① 栅控电子枪栅极电压 ② 栅控脉冲同步相位 ③ 栅控电子枪的注入电压 缺点：这些方法只能在较小的范围内改变电子的能量，超过了这个范围，电子的能 谱性能马上就下降了 3. 使RF频率源失谐或部分加速腔失谐 缺点：这种方法会使系统的稳定性变差 4. 利用能量开关 ① 所谓“能量开关”技术，就是在加速管的群聚段和主加速段之间的某个耦合 腔中插入一个调节机构，通过调节其参数使主加速段的加速场强可以在大 范围内变化。 ② 优点： ) 射束能谱宽度减小。这样就允许在偏转系统中使用更窄的能量缝，提 高能量的稳定性和能谱特性。 ) RF场相位变化对电子注能量的影响变小。 ) 建立RF加速场所需的RF脉冲功率降低，有利于微波源的设计。
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—电子枪 2
放 09 20 疗 备 设 质 量
Wf0 Wf
阴极灯丝功率Ｗｆ与阴极发射电流关系图
^
1. 2. 3. 4.
Ik
^
I k0
5. 6.
Ｗｆ＜Ｗｆ０，对阴极发射电子 不利； Ｗｆ>Ｗｆ０，对阴极发射电子 几乎无贡献； Ｗｆ越高，灯丝寿命越短； 厂家提供给用户加速管的灯丝 功率Ｗ值；用户自己也可以做 实验找到此工作点； 维护人员要时时保证此最佳工 作点； 有些机器在指标允许的情况下 可以适当降低Ｗｆ值，延长加 速管的寿命。
放 09 20
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
2、主体系统—AFC系统（工作原理说明）
由矢量合成图我们可以看出来，当入射波V1和反射波V2的幅值相等但相位差为 90°时，|V1+V2|=|V1-V2|，我们设定它为谐振状态；但当幅值相等的V1和 V2的相位差小于90°时，|V1+V2|>|V1-V2|，而当幅值相等的V1和V2的相位 差大于90°时，|V1+V2|<|V1-V2|，也就是说它们之间有一个差值，我们设定 它为失谐状态。这样我们完全可以利用这一差值来监控和跟踪微波频率和中心 频率之间的偏移。这就是锁相环频率控制系统（AFC）的基本原理。
4
疗
7 3 2
采保信号
C9
8
An+ Aout AnNuLL
8 7
R16
6 2 OP-07 R30
R33 C14
备 设
AFC2
C2
R8
R32 1 R13 R12 -12V 2 U7A 13
C7
4
AFC误差显示 R28
10
6
R27
2 6 3 OP-07 R24 R29
LM747 9
8
D2 D1
R23
+12V
•
放 09 20
疗
备 设 质 量 培 证 保 训 班
放 09 20
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
磁控管的工作特性及负载特性
输出功率 (MW) 磁场 ( m T )
阳极电压 ( kV )
阳极电流 ( A )
频率变化 ( MHz )
放 09 20
疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
磁控管振荡器的频率稳定
C5
R1
R11 C8 R21 +12V U3 6 1 3 5 LM318 12 13 14 2
U?
R3
&
பைடு நூலகம்
采样保持
+12V 11 6
R18
R23 +12V C12 3 7 1 8 U5
+5V R31
Ch
4 1
5
R4 -12V
R15
NuLL AD585
4
-12V R17 C11
R7
C10 R22 C13
溅射离子泵放电电流与压强的关系曲线
疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主体系统—微波传输系统
干负 载
波导窗
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软波导 钛泵
四（三）端 环流器
4口 水负载 2口 3口
1口
弯波导
直波导
疗 备 设
方圆转换
加速管
质 量 培 证 保 训 班
磁控管
2、主体系统—微波传输系统
放 09 20
疗
备 设
疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
驻波
放 09 20 疗 备 设 质 量
1.
2.
3.
为了保持π/2模的优点，又能提高分流阻 抗，人们研究了许多改进驻波加速结构的 方法。 有人提出把工作在π/2模腔链中的耦合腔 加以压缩，而延长加速腔，只要两者谐振 频率保持一致，则腔链仍显示π/2模工作 特性。而由于加速腔得以延长，分流阻抗 提高了。腔链由两种结构周期不同的腔体 组成，而变成双周期结构。 美国LASL的E．k．Knapp等人进一步提出 把耦合腔从束流轴线上移开，放在加速腔 的外边，加速腔的外壁上有耦合孔和耦合 腔(称为边腔)耦合，相邻的加速腔通过耦 合(边)腔相互耦合在一起；而相邻的加速 腔之间的中孔只起束流通道作用，而不起 功率耦合作用。这样加速腔长度扩展了一 倍，从而有可能获得最大的分流阻抗。这 是有名的边耦合驻波加速结构。
100~900
≤1000
训 班
1、医用电子直线加速器简介--基本组成1
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
1、医用电子直线加速器简介--基本组成2
主机系统
放 09 20
电子 枪
线圈电源 偏转 加速管
疗
微波功率源及其传输系 统
备 设
辅助系统
真空电 源
高压脉冲调制器
质 量 培 证 保 训
小半影 良好的影像
质 量 培 证 保 训 班
2、主体系统—其他偏转系统原理和结构
90°非消散色偏转
治疗野严重不对称
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保
单消色散270°偏转
Δ=±10%
训 班
2、主体系统—真空系统（钛泵1）
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
放 09 20
医用电子 直线加速器 分类
低能 中能 高能
放 09 20
X 射线
剂量率
cGy/min@m
电子e射线
能量 MeV 剂量率
cGy/min@m
14~16 6 18~25
疗
能量 MV 6 6
备 设
------4~14~16 (5~6 档 )
------
50~600
质 量
培 证 保
4~18~25 ( 6~7 档 )
辐射系统
控制系统 机械系统
班
1、医用电子直线加速器简介--基本组成4
低能医用电子直线加速器 z 加速管直立 z 无偏转系统 z 单能x线模式 z 微波源用磁控管
中高能医用电子直线加速器 z 加速管横放 z 有对中和偏转系统 z x双光子，e多能档工作模式 z 微波源用磁控管或速调管
放 09 20 疗 备 设
放 09 20
1．慢变化
• 频率慢变化发生在脉冲与脉冲之间，而脉冲内的频率基本上是
一致且稳定的。频率慢变化可以用自动频率控制系统(AFC系统) 来稳定。
疗
备 设
2．快变化
• • •
在一个脉冲内发生的频率变化， 阳极电流波动； 调制器脉冲前沿、后沿的上升和下降的速率太慢。
质
量
培 证 保
训 班
2、主体系统—AFC系统
1 7
R26
R25
AFC误差信号
同方公司AFC电路原理图
12
质
8 5
-5V
-15V 4 3 14
+15V
量
U7B 7
U6
LM747
培 证 保
训 班
2、主体系统—剂量监测系统
z 放射治疗对剂量检测系统的要求： 安全性、准确性和长期稳定性。 z 安全性配备两个独立的剂量检测通道和 一个时间保护通道。 z 准确性主要用重复性和线性指标来表征。 z 长期稳定性主要用日稳定性和周稳定性指标来表征。
高能电子
2、主体系统—聚焦、导向、电子透镜和偏转盒
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主体系统—偏转磁铁
¾
¾ ¾ ¾ ¾
270°偏转角度, 3区域, 统一 的极间空隙, 消色散, 偏转磁 场 ± 3% 能量狭缝 能量的单一性 安装的独立性 斑点小
• •
放 09 20 疗 备 设
培 证 保
训 班
2、主机系统—加速管2（行波加速与驻波加速）
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—加速管
• 要使管体和靶更好的散热冷却，水系统的正常有效工作是至关重 要的。因此定期检查水系统，经常更换水源，清洗水箱，检查水 压等工作就显得重要了。
放 09 20
疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—皮尔斯二极电子枪
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
2、主机系统—皮尔斯栅控电子枪
• •
Pμg = (1 + S g ) Pμ
对栅控枪的设计，通常是先按二极枪的设计方法，设计一只二极枪，然后根据计算给出的等 位面形状，在其1％--3％范围内的某一等位面上，放置栅网来获得栅控枪。 栅网必然会截获一部分阴极发射电流，因此栅控枪极注电流将小于无栅时发射的电流，于是 在设计无栅极应时需适当增大导流系数。
质
量
培 证 保
训
班
2、主体系统—微波传输系统（隔离器）
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训 班
微波源—磁控管和速调管
放 09 20 疗 备 设 质 量 培 证 保 训
MG6090
班
微波源—磁控管（磁铁）
对低功率磁控管一般采用永久磁 铁(铝镍钴,钕铁硼,钐钴) • 中功率磁控管采用电磁铁。 • 磁场的方向与磁控管的阴极轴平 行。
放 09 20
疗
备 设
质 量 培 证 保 训 班
不同厂家的几款加速器
放 09 20
疗
备 设
质
量
培 证 保
训
班
1、医用电子直线加速器的简介--分类
医用电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子，并使其具有直线轨道的一 种装置，加速后的电子直接或经转换为X射线后供放射治疗用. 医用电子直线加速器按其能量范围分为低、中、高三类。
放 09 20
E
疗 备 设 质 量
行波 Z
培 证 保 训 班
行波
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，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。怎么办？-采用慢波结构来控制和解决这个 问题！