医用电子直线加速器——结构原理2016.10.11内容概况 概述、基本结构与工作原理加速管系统微波系统电子发射系统高压脉冲调制系统真空系统2概述 加速器-带电粒子加速器带电粒子（如电子、质子等）• 在电场中受到电场力作用，速度增加、能量提高；• 在磁场中改变运动方向。实质为加能器：相对论原理，任何粒子的速度只能无限接近光速而永远不能超过光速E = mc2=−− ( )其中E为加速能量，E 为静止能量，v为粒子速度，C为光速03医用加速器分类 按加速粒子类型分电子加速器• 电子直线加速器：输出光子\电子，能量可调，治疗方式多样灵活，新技术发展快• 电子回旋加速器：具有直线加速器的所有特点，磁偏转控制电子击靶方向，可以产生不同强度的X射线，具有X/E调强/调能功能。机器复杂质子/重粒子加速器：布拉格峰 加速路径：直线 、回旋 用途：治疗用加速器（直线、回旋）为PET提供诊断核素的加速器（回旋加速器）4医用电子直线加速器 电子直线加速器是利用微波技术加速电子并且具有直线运动轨道的加速装置。 加速器的加速方式 ：行波加速方式• 加速电场与被加速电子一起向前移动-行波加速器• 医科达（ELEKTA)加速器为代表驻波加速方式• 建立多级交变电场，电子分段加速-驻波加速器• 瓦里安(Varian ），西门子（Simens ）5电子直线加速器基本工作原理 在高压脉冲调制系统的统一协调控制下，一方面，“微波源”向加速管内注入微波功率，建立起动态加速电场 ；另一方面，“电子枪”向加速管内适时发射电子。电子与动态电场的相位和前进速度（行波）或交变速度（驻波）保持一致加速，得到需要的电子能量。 加速后的电子从偏转和辐射系统的窗口输出，为高能电子射线；若打靶后输出，为高能X线。6组成功能 核心三部件：加速管系统：加速电子能量微波系统：产生、传输微波，控制微波频率于治疗范围电子发射系统：控制电子的发射数量、角度、速度、时机； 八大辅助系统1. 高压脉冲调制系统2. 真空系统• 保持电子运动区域和加速管内的高度真空状态（避免电子氧化烧坏；电子与空气碰撞损失能量；极间打火）3. 束流控制系统• 电子束聚焦、对中、偏出；4. 辐射系统• 均整输出电子或对电子束进行X转换和均整输出；5. 温度自动控制系统• 对加速管、微波源、聚焦线圈、导向线圈、偏转线圈和X靶等产热部件保持恒温；6. 机械系统7. 电气控制、安全保护8. 计算机网络7 概述、基本结构与工作原理加速管系统微波系统电子发射系统高压脉冲调制系统真空系统8加速管 加速管也叫： 加速结构（Accelerator Structure ） 加速波导（Accelerator Waveguide) 按照加速原理分为 ： 行波（traveling wave ）加速管 驻波（standing wave ）加速管9行波加速方式 电子加速理论基础：电子在电场中会被加速• 静态电场，获得能量为eV，a具有能量极限• 交变电场加速电场与被加速电子同步向前运动，可以持续加速，提高能量。*金属筒内电压相等，内电场为0 ，电子只能在加速缝D中得到加速。因此提出若能使上图系统一起与电子运动，使电子始终处于D中就可以一直加速，把这种加速原理叫做“行波加速原理”。 问题：电子质量很轻，几十KeV加速后，电子速度就接近光速，而宏观的系统运动是不可能达到光速，如何持续提高能量？10微波加速 雷达应用中发现，微波在圆波导管中可以激励起一种具有纵向分量的电场（TM01 ）,可以用来加速电子；其电场分布如图所示: 但是该电场在圆波导管中传播“相速度”大于光速 ；要想利用该电场来同步加速电子，必须降低电场传播的相速度。使电子速＜光速＜ V电子速度=V ＜光速pp相速度指恒定相位点或相位面沿传输方向移动的速度aθb11行波加速电场的建立 改进:在圆波导管中周期性的插入带中孔的圆形膜片，改变斜射波与反射波的合成条件，使电磁场的相速度慢下来，实现对电子的同步加速，称其为:• 盘荷波导加速管（disk-loaded-waveguide ）相邻盘荷间行波电场相反为π模原理、结构简单=相速度接近光速，加工精度要求高12行波加速原理的核心 电子速度和行波相速必须满足同步条件13 在加速过程中，波在前进，电子也在前进，它们相互独立又是相互联系，当同步条件得到满足时，场给电子以加速力，电子从场中获得能量，反之，同步加速条件受到破坏，电子落入减速相位，则电子把自身能量交换给场。14 在同步加速过程中，电子在行波场的作用下速度越来越快，而行波场传播速度按设计越来越快，当电子速度逐渐接近光速时，波的速度可设计为等于光速，维持电子一直处于波峰附近。在这个意义上，电子好像骑在波峰附近前进，不断获得能量。15 行 波电 场 沿 加 速 管 轴向 随 时 间 的 变 化 规 律16 加速管纵向行波特征λλab17 电子在行波加速管内加速（能）过程：电子刚注入到加速器时，动能约10-40kev ，速度约0.17-0.37c ；加速到1-2Mev时，速度约0.94-0.98c ，后面能量增加，速度增加缓慢；当能量大于2Mev时，电子速度约0.99 c ，电场波速不变等于光速，能量增加。18自动稳相原理 滑相：理论上行波相速度可与被加速电子同步，实际上，严格同步不可能，电子速度比电场略快或略慢。相对同步，绝对滑相。 注入到加速管的电子初速度很难与行波初速度相同 注入时间有先后，不可能同时注入到同一相位上：聚束器设置 加速过程中，不可能一直绝对相同理论表明：只有电子在相位在1/2 π——π范围内才可能获得“自动稳相加速”效果。19相聚束原理与相聚束器 相聚束：电子的注入频率不可能跟上行波电场变化速度，在一个电子注入脉冲内有几万次的电磁振荡，电子均匀分布在行波的每一个相位上，而对只有1/4加速相位，需要根据自动稳相原理设置聚束器。一般位于加速器起始部，聚束段，将注入的电子通过相聚束形成一个个电子束团，合理调节平衡相位位置，速度逐渐增加，进入主加速段后，能量持续增加。电子捕获系数：70% - 80%20行波加速管结构 是一段盘荷波导，即在一段光滑的圆形波导管中按一定的规律放置具有中间束孔流的圆形盘片，起到减低行波相速度的作用，实质为一慢波结构。 基于行波电场与加速电子同步的特点，行波盘荷波导加速管一般可以设计成前、后两段： 预加速段（聚束段）：前段设置的盘荷距离较近、激励的行波电场相速度较慢，以满足电子初始速度较慢时的同步加速条件；初始段还对对注入加速管的电子进行相位聚束； 主加速段：当电子能量达到2MeV时，由于其速度接近光速，行波电场的相速度则不用再增加，让其等于光速，结构均匀的盘荷波导就可以持续加速电子。21行波加速管结构主要参数 盘荷波导的几何尺寸是行波加速管技术关键，它根据需要的微波频率和行波电场相速度确定（ cm数量级） 波导管的内径、盘片的厚度、孔径和间距等参数决定了行波电磁场的场强幅值及相速度沿加速管的分布规律。波导内径与膜孔径差值会影响行波电场相速度，越大，相速度越慢；越小，相速度越快。 膜片孔径2a （一般选择0.1~0.13波长）依赖于电场场强(电场梯度）越高，孔径越小；但过小时色散严重，稳频困难。 膜片间距d 对行波电场强度影响大，越远电强越低；越近微波功耗大，存在最佳距离：每个相波长有3~4个模片，并受工作模式（π/2模为1/4相波长，2/3模为1/3相波长。 模片厚度t 对相速度影响小，一般为2~6mm厚（取决于机械强度和高频电击穿强度）是首先确定的参数22行波加速管主要特性 主要功能：将微波能量转换为电子束能量 1 色散特性 存在不同相速度(允许额定功率一定范围、多次随机反射)的行波电场同时向前传输的特性,行波加速管固有特性，尽量减小。在a值固定时，微波波长越小色散越弱。 2 微波功率转换转换为电子束流输出能量（40% ）+加速管壁消耗能量（50% ）+剩余（10% ）加速管转换效率：加速管输出电子束流携带能量/馈入微波功率（能量） 3电场强度在加速方向按指数规律衰减 ，末端能量增益低（主要缺点），需加长加速管。23行波加速器构成示意图 从微波功率源发出的微波功率经过波导传输系统反馈到加速器 ，建立 起行波加速场 ，通过控制电子的速度保持同步 ，电子就像骑在行波峰上 ， 随行波一起同步前进 ，不断得到加速。行波的剩余功率通过输出耦合器 被水负载吸收。盘片的中央圆孔是微波和电子束的通道。24行波加速的缺点 基于盘荷波导行波加速管 行波缺点一：电场强度指数衰减：单位长度上平均能量增益较低，总体长度长，体积大（滚筒型结构） 行波缺点二：末端10%微波功率浪费25驻波加速方式 理论模型：交流动态电场“接力型”加速方式一系列圆筒电极之间，分别外接相同频率电源，并合理调整该频率与缝隙间距离，可使电子持续加速。26 驻波的特征27 驻波加速管28 改进：就是加速管的末端不接匹配负载，而接短路面，使微波在终端反射，所反射的微波沿电子加速的反方向前进，如果加速结构的始端也放置短路面，那上述的反射功率在始端再次被反射，如果加速管的长度合适，则反射波和入射波相位一致，加强了入射波，在加速管内形成驻波状态。 单位长度加速能量大幅增加，加速管长度短。 体积小：支臂型结构29驻波电场的建立 驻波电场建立 由正向行波和反向行波形成 同步加速条件 ：相邻加速腔电场强度大小和方向一直交替更换，电子一直处于加速相位，电子能量持续增加。=电子渡越一个腔体的时间等于电场强度方向的变换时间，即驻波振荡的半周期正向反向行波共同组成，对微波频率要求高，单频电场不与被加速电子同步前进，不存在滑相现象，不需自动稳相问题加速过程会流失电子，无聚束功能，有散焦作用，俘获效率低至30%• 解决办法：通过提高电子初始速度接近光速，主要是加速能量加速管单色结构，但输出电子为高能量的散束流。• 解决
