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1、2023/3/171本次课的主要内容1、加速管的作用2、加速管的分类3、加速管的工作原理4、常见医用电子直线加速器中的加速管5、加速管的工作环境6、电子枪第1页/共76页2023/3/1721 加速管的作用 加速管是医用电子直线加速器的关键部件。加速管将从电子枪注入的电子在微波电场的作用下加速到高能量，输出成电子束或打靶产生X射线，用于治疗患者。电能 微波系统 微波 加速管 低能电子流 电子枪 高能电子束高能X射线 重金属 靶高能电子束第2页/共76页2023/3/1732 加速管的分类 根据加速电子的方式的不同，加速管分为行波加速管和驻波加速管两种。常见的加速管有：行波加速管 代表厂商：El
2、ekta公司 驻波加速管 轴耦合加速结构：代表厂商：新华医疗 边耦合加速结构 代表厂商：Varian公司第3页/共76页2023/3/1743 加速管的工作原理3.1 电子在电场中受力，获得能量e-+VaDVa：电压D：极间距E：电场强度EVaDFeEWFD=eVa第4页/共76页2023/3/1753 加速管的工作原理3.2 由于电压受到限制，不能得到高能量 临床用的最多的电子束能量为：6MeV W e Va e 电量 1.6 10-19 库仑 若要获得6MeV的高能电子需要电压：Va=W e=6 106 1.6 10-19 V =3.75 1025 V 显然无法实现。第5页/共76页202
3、3/3/1763 加速管的工作原理3.3 电场随电子运动模型电子在存在加速电场的加速缝隙电子在存在加速电场的加速缝隙(D)(D)中加速；中加速；该机构与电子以相同的速度前进，电子持续获得能量。该机构与电子以相同的速度前进，电子持续获得能量。第6页/共76页2023/3/1773 加速管的工作原理3.4 电子的质量限制 同样以临床用的最多的电子束能量6MeV为例 电子的静止质量为 9.10 10-31 g(0.51 MeV/c2)在电场力的作用下很快达到亚光速，而使某系统同步达到亚光速是不可能的。第7页/共76页2023/3/1783 加速管的工作原理3.5.1 电磁波加速电子 电磁波的传播速度
4、可以达到光速。电磁波的本质是交变电（磁）场。若电子一直处于加速电场，与电磁波同步前进，则电子持续获得能量。行波加速模型。第8页/共76页2023/3/1793 加速管的工作原理3.5.2 行波加速 W=e Ez L W：电子所获得的能量Ez：行波加速电场强度，L：加速管长度电子一直处于电场的波峰上，增加加速单元的数目，则电子的加速能量可以线性增加。第9页/共76页2023/3/17103 加速管的工作原理3.5.2 行波加速 冲浪第10页/共76页2023/3/17113 加速管的工作原理3.5.3 慢波结构盘荷波导 电子在电场中受力，获得能量行波加速原理的核心是电子速度和行波相速之间必须满足
5、同步条件：V(z)Vp(z)相速度是波的相位传播速度，是一种状态的传播速度。相速度可以大于光速。电子的速度不可能大于光速。微波在盘荷波导中传播时，相速度可以等于甚至小于光速。调整盘荷波导的尺寸可以 控制微波在盘荷波导中传播的 相速度。2aDt2b第11页/共76页2023/3/17123 加速管的工作原理3.5.4 行波加速结构第12页/共76页2023/3/17133 加速管的工作原理3.5.5 斯坦福直线加速器中心的 SLAC第13页/共76页2023/3/17143 加速器的工作原理3.6.1 驻波加速原理 在一系列双圆筒电极之间，分别接上频率相同的交变电源；在加速缝中，加速电场的幅值随
6、时间交变，频率f0和圆筒电极缝隙之间距离D满足一定关系；D=V/2f0 若D取5cm，v近似为光速，则fa等于3000MHz。这样高频率的高压不可能用电线传输。要实现这种加速模型只能在一个谐振腔列(链)中完成。第14页/共76页2023/3/17153 加速器的工作原理3.6.2 驻波加速模型 将加速管在左右两端适当位置放置短路面，形成一种电磁振荡的驻波状态，加速管结构中所有的腔体都谐振在一个频率上，相邻两腔间的距离为D，而腔间电场相位差刚好为180o，即腔间电场刚好方向相反。接近光速c的电子在一个腔的渡越时间t=D/c 等于管中电磁场振荡的半周期，因此电子的飞越时间刚好和加速电场更换方向时间
7、一致，从而能持续加速。这种加速模型常称为驻波加速。第15页/共76页2023/3/17163 加速器的工作原理3.6.2 驻波第16页/共76页2023/3/17173.6.3 驻波加速过程3 加速器的工作原理e-腔中电压0-+电子注入t=0时刻第17页/共76页2023/3/17183.6.3 驻波加速过程3 加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压0-+0t1/2 T第18页/共76页2023/3/17193.6.3 驻波加速过程3 加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压0-+t=1/2T第19页/共76页2023/3/17203 加速器的工作原理
8、+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压0-+1/2 Tt18MeV 0 E=18MeV-E18MeV 磁场向纸方向磁场边缘5cm磁场影响能量的效果e-第66页/共76页2023/3/17674 偏转系统4.2 偏转系统分类 90度偏转系统：早期医用电子直线加速器中使用，有色差。目前已被270度和滑雪式偏转系统取代。270度偏转系统：目前普遍采用的一种偏转方式，具有一定能散度的集中电子束经偏转后仍是集中电子束，可以保持辐射分布的对称性和稳定性。滑雪式偏转系统：另一种常用的偏转方式，偏转角度略大于90度，具有消色差功能。第67页/共76页2023/3/17684 偏转系统4.3 90度偏转系
9、统 e-18MeV=18MeV 单磁铁中的电子色散第68页/共76页2023/3/17694 偏转系统4.4 270度偏转系统e-e-有效的能量聚焦点 有效的能量聚焦点 P2P1用磁极替代倒像透镜 e-磁极面磁极对电子束的聚焦效果 e-e-需要的透镜有效的能量聚焦点 有效的能量聚焦点 电子注 P2P190倒像透镜的矫正效果 简单透镜2f2f点光源聚焦点点光源二倍焦距时的聚焦效果磁极面梯度场中不同能量的偏转 梯度场高能部分低能部分第69页/共76页2023/3/17704 偏转系统4.4 270度偏转系统BABAAB第70页/共76页2023/3/17714 偏转系统4.5 滑雪式偏转系统 由三
10、块均匀扇形磁场构成，第一块为正向偏转45，第二块为反向偏转45，第三块为正向偏转112，整体偏转112。虚拟45边界两个电子的聚焦点同样能量e-e-磁极对电子束的聚焦效果4545BABAAB滑雪式磁偏转系统第71页/共76页2023/3/17724 偏转系统4.6 偏转系统的安装和调整 电子束偏转需要在真空环境中进行，电子束偏转的轨迹包络在真空偏转盒结构中，为了保证输出束流的剂量分布满足临床要求，需要调整射束从偏转系统引出的方向和位置，因此对偏转系统的安装方位需要进行调整，偏转盒结构脆弱，不能受力，调整需谨慎，建议在厂家工程师的指导下进行。第72页/共76页2023/3/17735 磁铁电源
11、聚焦系统、导向系统和偏转系统其核心的部件均为不同结构的电磁铁线包，该线包依靠电流产生磁场工作，电流比较大。不同的加速器聚焦和导向系统的电流不同。同一台加速器的不同能量档位的电流不同。要求磁铁的电源为大功率电流源，电流输出稳定，可以调整，主要关注的性能指标：电流稳定度 响应时间 控制精度 调整范围第73页/共76页2023/3/17746 线包冷却 聚焦系统、导向系统和偏转系统的电磁铁线包通过大电流，由于欧姆损耗会产生大量的热量，进而产生一系列的不利影响，因此需要一套冷却系统将产生的热量带出。线包的冷却一般采用水冷方式。冷却不好会导致线包温升过大，改变线包的阻抗，严重时会损坏线包。一般设置温度传感器检测线包的温度，在温度过高时切断线包电流。在系统运行时需关注系统电磁铁线包的冷却情况，对于水冷系统，要保证有足够的水流量。第74页/共76页2023/3/1775答疑时间第75页/共76页2023/3/1776感谢您的观看！第76页/共76页