直线加速器原理

Struggle

直线加速器(linac)是一种利用高频电磁波将电子等带电粒子通过加速管加速到高能的装置。
高能电子束本身可以用于治疗浅表肿瘤，也可以使其击中X线靶产生X射线，用于治疗深层肿瘤。

图1 医用直线加速器的框图，显示了主要部件和辅助系统（备注：调节能量狭缝可以仅允许没有损失能量的电子通过，防止了非弹性散射通过。）
图1是一种医用直线加速器的框图，显示了主要部件和辅助系统。

• 电源为脉冲调制器提供直流电（DC）电源；
  
• 调制器包括脉冲形成和一个称为氢闸流管的开关管。来自调制器的高压脉冲是持续几微秒的直流脉冲，这些脉冲被传送到微波功率源（磁控管或速调管），并同时传送到电子枪。
  
• 在磁控管或速调管中产生的脉冲微波通过波导系统注入到加速器管（行波加速管或驻波加速管）中。
  
• 在适当的瞬间，由电子枪产生的电子也被注入到加速器结构中。加速器结构由铜管组成，铜管的内部被不同孔径和间距的膜片或铜盘隔开。加速管被抽成高真空。
  
• 当电子以约50 keV的初始能量注入加速器结构时，电子与微波的电磁场相互作用。
  
• 电子通过类似于冲浪手的加速过程从正弦电场获得能量。当高能电子从加速管结构的出射窗出来时，它们呈直径约3毫米的笔形束形式。
  
• 在加速器管相对较短的低能直线加速器（最高6 MV）中，电子被允许直接行进并撞击X射线靶。但是，在高能量直线加速器中，加速管结构太长，因此，其水平放置或相对于水平放置成一定角度。然后，电子在加速管结构和靶之间弯曲适当的角度（通常约为90或270度）。电子束的精确弯曲是通过由偏转磁铁，聚焦线圈和其他组件组成的束流传输系统完成的。（备注：Elekta公司的加速器一般用行波加速管，Varian公司的一般用驻波加速管。大部分低能量加速器用磁控管，而高能量用速调管。）
  

直线加速器的设计有几种类型，但在放射治疗中使用的直线加速器都是通过频率在S波段微波（2,856 MHz）的行波或驻波来加速电子。行波加速器和驻波加速器的区别在于加速器结构的设计。在功能上，行波结构需要一个终端或 "虚拟 "负载来吸收结构末端的残余功率，从而防止向后反射波。另一方面，驻波结构在结构的两端提供了最大限度的反射波，使正向和反向的行波组合产生驻波。在驻波设计中，微波功率通过侧面耦合腔耦合到结构中，而不是通过波束孔隙耦合到结构中。因为轴向、波束传输腔和侧腔可以独立优化，这种设计往往比行波设计更有效，然而，它的成本较高，并且需要在电源和结构之间安装一个循环器（或隔离器），以防止反射到电源。
一、射频波的产生和传输：Production and transportof theRF wave

1.磁控管magnetron

磁控管是用来提供高频微波并将电子加速进入加速波导的装置。 首选用于<=6MV的较低能量约3000 MHZ的微波源。
磁控管由一个位于圆形腔体中间的阴极组成，当加热阴极时，该阴极通过热发射释放出电子。磁控管的两边是一个永磁体，永磁体用来产生一个轴向磁场，磁场方向垂直于电子的初始径向运动，这将会导致电子以环形轨迹即类似螺旋式而不是直线方式向阳极运动。
电子云受高电压和强磁场的影响，形成一个类似于转轮辐条的旋转图案（图8.4）。在圆形腔体的边缘周围间隔着圆柱形的谐振腔。当电子辐条通过空腔的开口时，它们会使金属中的自由电子在空腔内旋转（就像电荷排斥一样），先是单向旋转，然后是反向旋转；这种振荡会在空腔内诱导出共振的高频无线电场。然后通过天线提取产生的射频波。

图2 磁控管的结构图2.速调管 klystron

速调管其实是一种射频放大器。射频波是由一个振荡器产生的。然后，该波进入一个由一系列谐振腔组成的装置。同时由电子枪产生的电子以与射频波同相位进入该装置。振荡的射频场会使在相位中早期到达的电子减慢或在相位中后期到达的电子加速，前面的电子速度慢。而后面的电子速度快，这样后面的电子就可以追赶上前面的电子，从而使电子聚集在一起，形成电子束。当电子束经过输出空腔时，会在输出空腔上激发出一个电压，同时电子会失去动能。空腔的激发发出一个射频波，当电子束到达的时间间隔等于射频波的一个周期时，电子束将其功率加到现有的射频波上。然后，射频功率就会离开速调管，失去了大量能量的电子就会被电子收集极吸收。速调管主要用在能量>6MV的加速器。

图3 速调管的结构图3.波导管 Waveguide

波导管是用于将射频波传输到加速结构上。波导管中含有六氟化硫(SF6)，SF6是一种惰性无毒绝缘气体，其气压大约是大气压的2倍。气体的存在使得射频波在介质中的传输效率更高；然而，由于射频波的高能量会产生电弧，而六氟化硫在熄灭电弧方面有很好的效果，因此可以阻止射频波向加速结构传输过程中功率的过度损耗。在波导管的末端是一个镶嵌在薄铜套中的氧化铝盘（Al2O3），它允许射频波通过，同时将充有气体的射频波导管与加速管中的真空隔离开来。
图4所示的结构为一条直线，但由于射频发生器相对于加速波导的位置，射频波导必须多次改变方向；这可能会导致一些反射波回射到射频发生器上。反射的射频波回射到射频发生器中，会使系统失谐。为了阻止这种情况的发生，在射频波导上安装了一个隔离器，即由铁氧体板组成的无源器件，沿着射频波导放置，它通过阻挡任何回波来保护射频发生器。

图4 波导管和磁控管（或速调管）和加速管结构连接图二、电子束的产生和加速 Productionand acceleration of the electron beam

1.电子枪Electron gun

电子是由加热后的阴极的热发射产生的；阴极杯产生的静电场将电子聚焦到阳极的一小部分。与千伏安机器中的阳极不同的是，直线加速器的阳极上有一个空穴，电子在这里被聚焦，所以电子没有击中阳极，而是通过空穴进入加速结构。
电子枪有两种基本类型：二极管和三极管。 在二极管电子枪中，施加到阴极的电压是脉冲式的，因此产生电子束，而不是连续的电子流。 三极管电子枪通过栅极来获得离散的电子束。三极管阴极具有恒定的电势，并且栅极的电压是脉冲式的。 当施加到栅极的电压为负时，电子将停止到达阳极。 当去除栅极电压时，电子将朝着阳极加速。因此，栅极可以控制进入加速结构的电子脉冲的频率。 阴极或栅极的脉冲由连接到射频功率发生器的调制器控制。

图 5 二极管和三极管电子枪示意图2.加速结构 Accelerating structure

加速结构的主要作用是加速电子，给电子提供能量，然后将能量转化为X射线
电子能否被正确放置在射频波上以获得最大的加速度这一点很重要，它发生在加速结构的聚束部分。如果我们考虑图6中的射频波上的电子束，它们都会从射频波上接收到能量，使它们被加速。位于位置1的电子束将接收到更大的加速度，导致它们追上电子束2。电子束3将收到较小的加速度，电子束1和2追上电子束3，直到最后所有电子束在波上的同一点合聚束在一起。
赋予电子的能量是以动能的形式存在，但随着电子的速度增加，相当一部分能量可以以质量增加的形式出现（见相对论变化和加速度）。这被称为 &#34;质量的相对性变化&#34;。由于能量和质量是等效的，可以互换，E=mc2；这仍可视为能量的增加。
根据加速的类型不同，可以使用两种不同类型的加速结构：行波和驻波。

图 6 电子束3.行波加速管 Travellingwave waveguide

在行波波导管中，射频波进入波导管的电子枪端，沿着波导管的长度行进，就像波浪向海滩传播一样，然后在加速结构的另一端离开。一旦射频波已经离开，它既可以反馈到加速结构的输入端，也可以被RF负载吸收。
波导管由一个空心的管子组成，其中含有类似垫圈的铜片，铜片中间有一个孔方便电子通过。由于铜的高导电性能，减少了结构中的功率损失。圆盘的作用还在于降低了波的传播速度，使波和电子的速度在波导的开始时就能达到匹配。随着波导向下移动，圆盘的间距越来越小，使得波的传播速度越来越快。
当行波沿波导管向下移动时，其电场在管和铜片中产生相应的电荷区域，如图7所示。 在时间t1进入腔B和F的电子束将经历加速；然后它们将依次移动到下一个空腔C和G，在时间t2，由于波也向前移动，电子束的极性发生了变化，并且再次被加速。这将沿着加速结构的长度继续，直到射频波消失。

图 7 行波4.驻波加速管 Standingwaveguide

在驻波加速管中，当行进波到达波导的末端时，行进波被反射片反射回来，向相反的方向反射。当原始的行进波和向相反方向运动的反射波相互干扰时，就形成了新的波型--驻波。驻波有固定的点，这些点永远不会发生任何位移，称为节点，是两个行进波的破坏性干扰的结果，也就是说，它们相互抵消。在每一个连续的节点之间的中间，都有一些发生最大位移的点叫反节点。反结点是在大的正位移和大的负位移之间来回摆动的点。反结点是两个行进波的建设性干扰和破坏性干扰混合作用的结果，当构成驻波的两个波完全相位时，产生的驻波的振幅是行进波的两倍。由于是驻波引起了电子的加速，所以驻波不一定要在加速结构的电子枪端进入波导。
驻波工作原理与行进波导基本相同，行波产生正负电荷的区域会吸引和排斥电子。图8显示了典型的驻波振荡，其中的线表示了在不同时间点的波幅。那些在驻波周期的最佳点进入腔体的电子（在时间点1处的腔体C和G，在时间点2处的腔体A和E）将被加速（图8.8）。 由于驻波是两个行波的合成，因此对电子的作用力将更大。请注意，由于节点始终位于固定位置，因此每个其他腔（腔B，D和F）始终处于零场，因此永远无法对电子束的加速做出贡献。 在实际应用中，包含节点的空腔可以移到加速结构的两侧，从而使加速波导的整体长度大大缩短。

图 8 驻波三、附件设备：Ancillaryequipment

1.水冷却系统Cooling system

加速波导需要一个稳定的工作温度。温度的变化会使加速波导的尺寸发生变化，从而影响其效率。射频发生器和X射线靶也需要冷却，通常由一个冷却系统为所有这些部件提供冷却。水泵使在这些结构周围的水不断循环，然后将水送入热交换器。
2.真空泵Vacuum pumps

离子泵在加速结构内维持约10-7托（“托”是真空压强单位）的真空度。这种高真空度可防止电子在穿过波导管时与气体分子发生碰撞而损失能量。 离子泵仅在10−3托以下的真空下才能有效工作，为了达到此压力，需要使用机械泵。离子泵仅仅对被两个电极之间的电位差吸引的离子起作用，这些离子被吸收材料所吸收，从而有效地从波导中去除离子。为了延长离子的轨迹，将离子泵置于磁场内。 这会导致离子朝电极方向螺旋移动，而不是沿直线移动，这一点很重要，因为原子进入离子泵的机会是随机的，延长离子路径会增加波导中任何气体原子进一步电离的机会。
聚焦线圈Focusing coils

在加速期间，电子趋向于发散，该趋势在波导的电子枪端最强。 造成这种情况的因素有两个：射频波本身径向分量很小以及电子彼此之间的静电排斥。围绕在波导管周围的聚焦线圈产生磁场，磁场产生的力线沿波导管纵向延伸，这些磁力线会阻止电子在加速时发散。
导向线圈Steering coils

加速结构可能包含一些瑕疵，这些瑕疵会影响电子在加速波导中的位置。 电子还将受到任何外部磁场（例如地球磁场）的影响，并且随着波导位置相对于这些磁场的变化时，电子可能会偏离其最佳轨迹，沿着波导的中心向下移动。导向线圈对电子施加电磁力，使它们保持在波导的中心。 电磁体成对放置，两个在x轴上，两个在z轴上，以控制这些平面中的任何偏差。 加速波导管的任一端都存在一组导向线圈。


转自：
放射治疗设备之直线加速器_电子

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