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医用电子直线加速器的基本结构和系统构成

发布时间:2015-06-11作者:器械科-转载
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一. 基本结构和系统构成

医用电子直线加速器是一种比较复杂的大型医疗设备,涉及到诸多学科和技术,如加速器物理,核物理,无线电,电工学,自动化控制,电磁学,微波技术,电真空,机械,精密加工,电子计算机,制冷,流体力学等。

不论是行波医用电子直线加速器,还是驻波医用电子直线加速器,不论是低能医用电子直线加速器,还是中高能医用电子直线加速器,尽管在结构上各有千秋,但基本组成是一致的。其主要由加速管,微波功率源,微波传输系统,电子枪,束流系统,真空系统,恒温水冷却系统,电源及控制系统,照射头,治疗床等组成。

加速管是医用电子直线加速器的核心部分,电子在加速管内通过微波电场加速。加速管主要有两种基本结构――盘荷波导加速管(如图2-1)和边耦合加速管(如图2-2)

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图2-1 盘荷波导加速管

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图2-2 边耦合加速管

盘荷波导加速管是由在一段光滑的圆形波导上周期性的放置具有中心孔的圆形膜片而组成,应用于行波医用电子直线加速器。盘荷波导实际是通过膜片给波导增加负载,是通过的微波速度减慢下来,是一种慢波结构,是直线加速器发展的关键技术。

边耦合加速管是由一系列相互耦合的谐振腔链组成,应用于驻波医用电子直线加速器。边耦合结构是把不能加速电子的腔移到轴线两侧,轴线上的腔都是加速腔,缩短了加速距离。由于驻波在加速管内所建立的电场强度提高,能达到140kv/cm,提高了加速效率。

微波功率源有两种,磁控管和速调管。行波医用电子直线加速器和低能医用电子直线加速器使用磁控管作为微波功率源。中高能驻波医用电子直线加速器使用速调管作为功率源。

微波传输系统主要包括隔离器,波导窗,波导,取样波导,输入输出耦合器,三端或四端环流器,终端吸收负载,频率自动稳频等组成。

电子枪为医用电子直线加速器提供被加速的电子。行波医用电子直线加速器的电子枪的阴极采用钨或钍钨制成,有直热式,间接式和轰击式三种加热方式。驻波医用电子直线加速器的电子枪由氧化物制成。

束流系统有偏转线圈,聚焦线圈等组成。控制束流的方向。提高束流的品质。

真空系统为被加速的电子不因与空气中的分子相碰而损失掉提供保证。一般使用离子泵保持医用电子直线加速器的运行真空。

恒温水冷却系统带走微波源等发热部件产生的热量。为保证整个系统恒温,恒温水冷却系统需要一定的水流压力和流量。

照射头和治疗床属于应用部分。

图2-3给出行波医用电子直线加速器一般结构示意图(SL75-20医用行波电子直线加速器),图2-4给出驻波医用电子直线加速器一般结构示意图(CL600C驻波医用电子直线加速器)。

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图2-3 行波医用电子直线加速器示意图

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图2-4 驻波医用电子直线加速器示意图

二. 医用电子直线加速器的原理

在两个极板间加上电压,就会在其间形成电场,由负极释放电子,电子就会

在电场的作用下,运动到正极,并且得到加速。要想得到高能电子,就要提高电场强度,也就是增加两个极板间的电压,电压过高会产生极板间放电,不能加速电子。另一种方法是使两个极板随着电子一起运动,仅电场始终加速电子,但电子的运动速度相当快,一经加速很快达到光速,利用机械方法不能使极板的运动速度与电子的运动速度保持一致。

微波是电磁场,包括电场和磁场,其在真空中的运动速度与光速一样。研究人员考虑利用微波加速电子。根据微波特性,在圆波导内,可以激励起一种TM01型的电磁波(图2-5),其具有轴向电场,但是此电磁波在圆波导内的传播速度大于光速。经过多年的研究,发现了慢波结构,在圆波导内周期性的放置带有孔的金属源盘膜片,增加了圆波导的负荷,使TM01电磁波的传输速度降低。此结构就是盘荷波导(图2-1)。

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图2-5 圆型示波管内TM01型电磁波

在盘荷波导中,TM01电磁波以波的形式沿轴线方向向前传播,此电磁波具有轴向分量,(图2-6)电子在轴线附近时,如果相位适合,就会不断得到轴向电场的加速作用,这就是行波加速原理。要满足此原理要求,就必须保持行波速度与电子速度一致,即同步条件。

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图2-6 圆型波导电磁场分布示意图

驻波加速原理基本一样,只是电磁波的形式不同,


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