临床放射治疗设备：第三章 微波功率源和传输元件

1、第三章 微波功率源和传输元件 加速器中产生和传输兆瓦级射频功率的常用微波器件，主要加速器中产生和传输兆瓦级射频功率的常用微波器件，主要 包括速调管、磁控管和各种波导元件。包括速调管、磁控管和各种波导元件。 医用电子直线加速器一般工作在医用电子直线加速器一般工作在S波段，常用频率为波段，常用频率为 2998MHz（波长（波长10cm）和）和2856MHz（波长（波长10.5cm)。 由于微波源产生峰值功率的容量近似与波长的平方成正比，由于微波源产生峰值功率的容量近似与波长的平方成正比， 所以工作在波长短的波段（如所以工作在波长短的波段（如X波段，波长约波段，波长约3cm）可以减少）可以减少 加速

2、管的长度，但波长越短，要求器件尺寸越小，这样限制加速管的长度，但波长越短，要求器件尺寸越小，这样限制 了器件了器件RF功率容量。功率容量。 医用加速器的医用加速器的RF功率源主要有磁控管和速调管两种功率源主要有磁控管和速调管两种 通常在低能时用磁控管，高能时用速调管。通常在低能时用磁控管，高能时用速调管。 速调管比磁控管更适合提供高能机所需的高峰值速调管比磁控管更适合提供高能机所需的高峰值RF脉冲功脉冲功 率。率。 这是因为在速调管内电子的发射、谐振腔与电子束间相互作这是因为在速调管内电子的发射、谐振腔与电子束间相互作 用以及电子束功率的分配相对独立，磁控管则集中在一个小用以及电子束功率的分配

3、相对独立，磁控管则集中在一个小 体积范围里进行。体积范围里进行。 磁控管本身能够振荡，并通过自动频率控制系统，调整磁磁控管本身能够振荡，并通过自动频率控制系统，调整磁 控管的频率调节杆的位置，使磁控管的工作频率与加速管的控管的频率调节杆的位置，使磁控管的工作频率与加速管的 固有频率一致。固有频率一致。 速调管只用做放大器，其频率由速调管只用做放大器，其频率由RF驱动器决定。驱动器决定。 第一节 速调管 速调管是速度调制管的简称，由速调管是速度调制管的简称，由Varian兄弟在兄弟在1937年发明的。年发明的。 速调管是利用电子渡越时间效应，对电子注速调管是利用电子渡越时间效应，对电子注(ele

4、ctron bunch)进行速度调制，进而获得密度调制的一种微波功率进行速度调制，进而获得密度调制的一种微波功率 放大管，它将电子注直流能量转换为微波能量放大管，它将电子注直流能量转换为微波能量。 速调管类型：速调管类型： 按工作方式分为脉冲速调管和连续波速调管；按工作方式分为脉冲速调管和连续波速调管； 按管子的电子注数分为单注速调管和多注速调管；按管子的电子注数分为单注速调管和多注速调管； 按结沟特点分为内腔速调管和外腔速调管；按结沟特点分为内腔速调管和外腔速调管； 按电子运动方式分为按电子运动方式分为直射式速调管直射式速调管和反射速调管。直射式速调管利用直和反射速调管。直射式速调管利用直

5、线运动的电子来交换能量，可分为双腔速调管和多腔速调管，其主要用线运动的电子来交换能量，可分为双腔速调管和多腔速调管，其主要用 途是用作功率放大器或振荡器。反射速调管利用在排斥场中返转的电子途是用作功率放大器或振荡器。反射速调管利用在排斥场中返转的电子 交换能量，常用于小功率微波振荡的反射速调管器。交换能量，常用于小功率微波振荡的反射速调管器。 一、双腔速调管 电子枪：产生具有一定速度的电子枪：产生具有一定速度的 均匀电子束。它由阴极、聚焦均匀电子束。它由阴极、聚焦 极和加速极组成。极和加速极组成。 输入谐振腔输入谐振腔(input cavity)，或，或 聚束腔或群聚腔聚束腔或群聚腔(bunc

6、her)：输输 入的微波激励信号在此腔激励入的微波激励信号在此腔激励 起高频振荡，建立高频电场，起高频振荡，建立高频电场， 并对穿过腔隙的电子束进行速并对穿过腔隙的电子束进行速 度调制度调制。 其结构一般采用金属谐振腔，其结构一般采用金属谐振腔， 腔的中心是两个栅网，电子从腔的中心是两个栅网，电子从 栅网通过。栅网对电子的捕获栅网通过。栅网对电子的捕获 数量很小，可以认为对电子是数量很小，可以认为对电子是 “透明透明”的，电子可以自由穿的，电子可以自由穿 过。过。 漂移空间：也称渡越空间漂移空间：也称渡越空间(drifttube)。它是一个金属。它是一个金属 筒，空间内没有高频电场和磁场。已被

7、速度调制的电筒，空间内没有高频电场和磁场。已被速度调制的电 子束在此空间内实现由速度调制到密度调制，由均匀子束在此空间内实现由速度调制到密度调制，由均匀 的电子束变成一串串疏密交变的电子束团，也叫电子的电子束变成一串串疏密交变的电子束团，也叫电子 注。注。 输出谐振腔输出谐振腔(output cavity)的结构与输入谐振腔一样，的结构与输入谐振腔一样， 在两个栅网间实现了电子与高频场的能量交换。放大在两个栅网间实现了电子与高频场的能量交换。放大 之后的高频能量从这里耦合输出。之后的高频能量从这里耦合输出。 收集极（收集极（collector）的主要作用是收集能量交换之后）的主要作用是收集能量

8、交换之后 的电子，构成直流通路。的电子，构成直流通路。 双腔速调管的基本原理双腔速调管的基本原理 1从速度调制到密度调制从速度调制到密度调制 假设从电子枪阴极发射的电子受到直流加速电压假设从电子枪阴极发射的电子受到直流加速电压V0 的作用，则根据能量守恒定律，可以得到均匀电子束到达的作用，则根据能量守恒定律，可以得到均匀电子束到达 输入谐振腔栅网时的速度输入谐振腔栅网时的速度v0： 0 2 0 2 1 eVmv 其中，其中，m=9.15610 -31 kg,e=1.60210-19q。 所以电子到达栅网时的速度所以电子到达栅网时的速度v0为为 0 5 00 1095. 5 2 VV m e v

9、 如果加在栅网上的调制信号为如果加在栅网上的调制信号为u1 = V1sint1，t1为电子通为电子通 过两栅网之间中心的时刻，且是小信号调制，即过两栅网之间中心的时刻，且是小信号调制，即VlV0。 同时假设电子的初速度为零，电子间的相互作用力可以忽同时假设电子的初速度为零，电子间的相互作用力可以忽 略，栅网边缘场的不均匀效应可以忽略，在不考虑栅网间略，栅网边缘场的不均匀效应可以忽略，在不考虑栅网间 距离的情况下，能量守恒关系为距离的情况下，能量守恒关系为 )sin( 2 1 110 2 tVVemv 1 0 1 0 sin1t V V vv 即 1101 2 1 0 sin)sin 2 1 1

10、 (tvvt V V vv 展开得 电子注以均匀速度进入高频隙缝之后，受到高频电压的速电子注以均匀速度进入高频隙缝之后，受到高频电压的速 度调制，离开栅网时，除了具有平均速度外，还叠加了一度调制，离开栅网时，除了具有平均速度外，还叠加了一 项正弦交变的速度分量。项正弦交变的速度分量。 电子在漂移空间运动的时间电子在漂移空间运动的时间空间图（时空图）：空间图（时空图）： 定性描述电子由速度调制变成密度调制的过程。定性描述电子由速度调制变成密度调制的过程。 纵坐标纵坐标Z Z表示电子离开输入腔的距离，表示电子离开输入腔的距离， 横坐标横坐标t t代表时间。代表时间。 图上每条直线代表不同时刻离开输

11、入腔电子的位移和时间关系，图上每条直线代表不同时刻离开输入腔电子的位移和时间关系， 直线的斜率表示电子的速度。直线的斜率表示电子的速度。 电子枪的电子是连续发射的，所以它们输入和离开谐振 腔的相位也是连续变化的。 图中横轴的1，2，3，4，5点表示离开输入腔的不同种 类的电子，它们对应调制电压的时刻为t1，t2，t3，t4， t5 。 1、3、5类电子进入栅网中心的瞬时场强为零，不受高频场的调制作用，速度 保持不变，在时空图上具有相同的斜率； 2类电子在调制电压最大负值时进入栅网，受到最大的减速场作用，速度下降最 快，直线斜率最小； 4类电子在调制电压最大正值时进入栅网，受到最大的加速场作用，

12、速度最快， 直线斜率也最大。 各类电子在漂移空间运动到某一距离时，有些直线相交于一点，表示电子在这 里群聚（聚束）。 直线以直线以3类电子为中心群聚，故类电子为中心群聚，故3类电子被称为群聚中心；类电子被称为群聚中心； 直线，以直线，以1类或类或5类电子为中心发散，故称它们为散开中心。类电子为中心发散，故称它们为散开中心。 如果把输出谐振腔设计在如果把输出谐振腔设计在 处，那么在输出腔观察到处，那么在输出腔观察到 的电子束就成为随时间忽密忽疏变化的密度调制的电子注的电子束就成为随时间忽密忽疏变化的密度调制的电子注 了。这就是电子在漂移空间内由调制变成密度调制的过程。了。这就是电子在漂移空间内由

13、调制变成密度调制的过程。 lZ 2电子群聚参数电子群聚参数 假设电子注在假设电子注在t1时刻通过两栅网之间中时刻通过两栅网之间中 心，在心，在t2时刻通过输出腔隙中心，则有时刻通过输出腔隙中心，则有 1 2 0 1 0 11 0 1 0 1 110 12 sin)sin1 ( sin t v lv v l tt v v v l t tvv l tt 1 2 0 1 0 12 sin t v lv v l tt 0 v l 0 1 0 0 1 0 2 0 1 2 v vM v v v lv X 令 ， 我们得到双腔速调管的相位方程： 1102 sintXtt 0：漂移空间的直流渡越角，表示群聚中

14、心速度为v0的 那类电子通过漂移空间所需的渡越角。 X：群聚参数，表征电子群聚程度的参数。 上式说明了电子通过输出腔时的相位与输入腔相位的 关系， 群聚参数对群聚的影响群聚参数对群聚的影响 X=0。相位关系是一条直线，直 线的斜率为k = 1，表明在时间间 隔内通过输入腔的那些电子，将 在与相同的时间间隔内到达输出 腔，电子在漂移空间内没有发生 相对位移，渡越角都是0，电子 没有发生群聚现象。 10 k 12 tt 1 t 0X1，电子发生散开现，电子发生散开现 象。象。X值越大，曲线偏离直线的程度越大。值越大，曲线偏离直线的程度越大。 X1。这时出现了。这时出现了“超越现象超越现象”。 例如

15、，曲线出现了多值情况，例如，曲线出现了多值情况， a，b，c三个不同时刻通过输入三个不同时刻通过输入 腔的电子，在同一时刻通过输出腔的电子，在同一时刻通过输出 腔，这表明电子流内一定发生了腔，这表明电子流内一定发生了 “超越现象超越现象”。在曲线斜率。在曲线斜率k0 的一段内，按的一段内，按1、2、3先后次序通先后次序通 过输入腔的电子，通过输出腔的过输入腔的电子，通过输出腔的 次序变成次序变成3、2、1，即产生了，即产生了“超超 越现象越现象”。 3电子注与输出腔的能量交换电子注与输出腔的能量交换 当疏密交变的电子通过输出腔的谐振腔隙缝时，将在腔体内感应出当疏密交变的电子通过输出腔的谐振腔隙

16、缝时，将在腔体内感应出RF电流，在速电流，在速 调管产生调管产生RF输出功率。输出功率。 当电子注接近栅极当电子注接近栅极1时，栅极时，栅极1中的自由电子被排斥。被排斤的电子从栅极中的自由电子被排斥。被排斤的电子从栅极1流向流向 栅极栅极2，形成从栅极，形成从栅极2流向栅极流向栅极1的的RF位移电流，流经回路负载，形成相应的感应位移电流，流经回路负载，形成相应的感应 电压。它将在两个栅极间建立相应的排斥电场，使电子减速运动。动能减小，转电压。它将在两个栅极间建立相应的排斥电场，使电子减速运动。动能减小，转 变为微波能量。变为微波能量。 当电子注接近珊极当电子注接近珊极2时，产生相反的电流。当一

17、系列的电子注通过输出腔时，如时，产生相反的电流。当一系列的电子注通过输出腔时，如 果时间间隔等于谐振腔一个谐振周期，就会产生强烈的相互作用，形成果时间间隔等于谐振腔一个谐振周期，就会产生强烈的相互作用，形成RF功率输功率输 出。由于电子的能量传给谐振腔（动能转化为电磁能），速度减慢。所以，电子出。由于电子的能量传给谐振腔（动能转化为电磁能），速度减慢。所以，电子 束到达收集极时能量比它通过输入腔时低，其余的能量在收集极转化为热量。束到达收集极时能量比它通过输入腔时低，其余的能量在收集极转化为热量。 速调管中直流能量转化为微波能量经历了4个重要过 程： 电子枪发射的电子流在直流电压的作用下加速

18、运动，直流电能变成电子流的动能； 在外加微波信号的作用下，电子流在穿过输入 腔时受到速度调制； 通过漂移空间时，电子流由速度调制变成密度 调制，形成电子注； 在输出腔由于电流的感应效应，将电子的动能 转变成放大了的微波振荡的能量： 二、速调管的辅助装置 速调管系统所需要的辅助装置，包括电源、速调 管RF输入和输出的测量和控制电路、RF驱动器和 冷却系统。 1电源供应和输入、输出测量控制电路 大多数速调管的阳极和RF部分是连接在一起，里面抽成真空。这部分通常称为管 体，工作在地电位。这样做可以使速调管的输人输出连接器件（如波导）也工作 在地电位，易于与其他系统连接。同时，速调管的调谐机构也工作在

19、地电位，确 保了调谐时的人身安全。 加热电源使枪灯丝发热，对阴极加热，产生电子。阴极电源是一个负高压，一般 从速调管脉冲变压器抽头引出，经过整流之后得到，使电子能够向阳极加速运动。 栅极脉冲一般也是由脉冲变压器提供，控制电子的运动。偏转磁铁电源为速调管 提供轴向磁场。电路中采用束电流、电压、体电流和收集极电流测量表和过流保 护电路。这些参数可以传输到计算机，然后由控制计算机进行监测和联锁保护。 2射频驱动器 采用速调管作为微波功率源的直线加速器，必须用射频驱动器（RF driver）来产 生RF信号，然后由速调管进行功率放大，通过波导系统输送到加速管对电子进行 加速。射频驱动器是用于驱动大功率

20、速调管的小功率RF振荡源。对于医用直线加 速器，RF驱动器的峰值功率约300W，脉冲宽度12s。RF频率可以直接或远程 设置在不同的频率点。峰值功率可以通过程序控制。脉冲重复率（Pulse repetition rate，PRR）可以通过外部触发脉冲控制，脉冲宽度可调。频率稳定性 是直线加速器工作稳定性的最重要参数。与磁控管系统相比，速调管系统的频率 稳定性有了很大的提高，因为它的频率源和放大部分相互独立。 RF驱动器的示意图驱动器的示意图 包括电压控制振荡器（VCO)、倍频器、S波段锁相振荡器(PLO)、正-本征-负 （PIN）二极管调制器、S波段放大器和三极管放大器。VCO必须具有高的温

21、度稳定性（10-5 MHz/C)。S波段PLO锁相范围6MHz，可提供低噪声、稳定 的RF信号。PIN调制器用脉冲调制电路送来的调制脉冲（360Hz，12s）对 RF信号进行调制。然后通过三级S波段晶体放大电路放大到30dB(1W)。调制 脉冲再由三极管放大到55至57 dB（300500W)。在输出终端有隔离器防止外 负载变化引起的损坏。 第二节 磁控管 磁控管是直线加速器一种常用的微波功率源，特别是低能磁控管是直线加速器一种常用的微波功率源，特别是低能 直线加速器。直线加速器。 二极型磁控管：由二极型磁控管：由Arthur HullArthur Hull于于19131913年发明的年发明的

22、 只适用于短波频率，并需要外部只适用于短波频率，并需要外部LCLC谐振电路。谐振电路。 腔型磁控管：由腔型磁控管：由BootBoot和和RandallRandall于于19401940年发明的年发明的 它实际上是一个阳极结构特殊的，并具有恒定磁场的二极它实际上是一个阳极结构特殊的，并具有恒定磁场的二极 管，管内没有栅极，利用阳极的特殊结构，使振荡槽路就安管，管内没有栅极，利用阳极的特殊结构，使振荡槽路就安 置在管内，省去了振荡回路的引线，并避免了外部的影响。置在管内，省去了振荡回路的引线，并避免了外部的影响。 与以前分裂阳极型（与以前分裂阳极型（split anode typesplit an

23、ode type）磁控管相比，输出）磁控管相比，输出 功率和工作频率有了很大的提高，功率和工作频率有了很大的提高， 速调管是一种线性注微波管，外形通常设计成直速调管是一种线性注微波管，外形通常设计成直 线型，所加磁场方向与电子运动方向是平行的，线型，所加磁场方向与电子运动方向是平行的， 电子流将其动能转换成微波能量。电子流将其动能转换成微波能量。 磁控管外形通常设计成圆形，所加直流磁场方向磁控管外形通常设计成圆形，所加直流磁场方向 与电子运动方向相互垂直，电子流将势能转换成与电子运动方向相互垂直，电子流将势能转换成 微波能量，所以磁控管是一种正交场微波管。微波能量，所以磁控管是一种正交场微波管

24、。 一、腔磁控管的基本构造 磁控管：现代使用的磁控管大部分是多腔磁控管，简称磁 控管。它可以工作在脉冲状态和连续波状态，在脉冲工作 状态下阳极施加的是高压脉冲，输出脉冲功率可以比平均 功率大近千倍。 医用直线加速器使用的多腔磁控管：一般由以下几部分组 成：阴极、阳极谐振系统、磁铁、能量输出系统、频率调 谐机构和冷却系统。 1阴极 磁控管的阴极位于磁控管的中央，由灯丝通电加热，使阴 极发射电子。 它与阳极共同形成作用空间。 脉冲磁控管要求阴极具有很高的脉冲发射能力，一般采用 圆柱形的旁热式氧化物阴极，其面积较大，脉冲值可达几 十甚至几百安培。 连续波磁控管要求阴极具有低的逸出功、低的工作温度和

25、较高的发射率，一般采用涂钍钨阴极。阴极质量的好坏不 仅影响磁控管的寿命，而且还影响输出功率和工作稳定性 ，当阴极表面二次电子发射系数不均匀或过小，就会引起 磁控管工作不稳定、打火和跳模。 2阳极谐振系统 阳极是环绕着阴极的一个大无氧铜块，上面开了若干 个圆孔和槽缝。每一个圆孔就是一个圆柱形谐振腔，它们 首尾相接对称排列，通过槽缝耦合，形成阳极谐振系统。 阳极谐振系统决定磁控管的工作频率和频率稳定性。谐振 腔的数目一般从6到80个不等，但必须是偶数，随着工作 频率的增高，腔数也相应增加。腔的形状有孔隙形、槽形 和扇形等。 正常工作时，阳极块和阴极之间的空间充满高倾交变电场 ，电子在此与其相互作用

26、，交换能量，故称这些空间为作 用空间。 3磁铁 磁控管工作时需要很强的磁场 在0.10.6T之间 磁场的方向与阴极轴平行 磁场可用永久磁铁或电磁铁两种形式产生 永久磁铁具有使用时不消耗功率、磁场可靠性和稳定性较高 的特点。 大功率的磁控管常采用永久磁铁，它可以单独使用，通过改 变极靴间距来调整磁场的大小；也可以把磁铁和阳极块做成 一体，形成包装式磁拧管。 中功率磁控管可采用电磁铁，例如Varian 600C/D采用电磁 铁来产生磁场，场强在0.145T左右。电磁铁的体积和重量较 大，还需要直流激励电源，但具有磁场强度调整方便的特点 4能量输出系统 磁控管产生的微波能量可以从任何一个腔输送出去。

27、能 量输出系统将微波功率由谐振腔耦合到外负载。能量输出 系统由输出窗、耦合环、阻抗匹配器和传输线等组成，它 们可以采用同轴线型或波导型的结构，前者用于低功率结 构，后者用于高功率结构。输出装置必须保证功率匹配传 输和真空密封。 5频率调谐机构 由于加速管的工作频率很窄而磁控管的频率受很多 因素影响，为了得到最佳的束流输出，必须调整磁控管的 工作频率，它取决于谐振腔的等效电感、电容。用于改变 磁控管振荡频率的一整套装置叫做调谐机构，采用机械运 动的方法或电的方法改变谐振腔的电感或电容，可以调节 磁控管工作频率。前者称为机械调谐，后者称为电调谐。 如果是调节腔内调谐杆的位置来改变腔的电感称 为电感

28、调谐，如果是调节腔后两根凋谐杆的距离 来改变间隙电容则称为电容调谐。调整的范围一 般可以达到几兆赫对于波长较短的磁控管，改变 电感比较方便，而对于波长较长的磁控管，改变 电容比较方便。 6冷却系统 磁控管的工作效率只有50%左右，输入功率 有一半以热的形式消耗在阳极，必须采取适当的 冷却措施。根据功率的不同可以分别采用散热片 风冷、水冷和油冷。加速器的磁控管一般在阳极 壁上加有散热槽，用水进行冷却。 二、腔磁控管的基本原理 1电子在静态正交场中的运动 设一个无穷大的平面电极二极管。极间距离为d，阴极 和阳极间的电场为E，磁场为B，电场和磁场相互垂直， 形成静态正交场， 如果不考虑电子的初速度和

29、空间电荷的作用，那么电子将同 时受到电场力和洛仑兹力的作用。电场力始终保持不变，而 磁场力的大小和方向则因电子运动速度不同随时变化。电场 力的作用使电子做直线运动，磁场力使电子做圆周运动，圆 半径R为 m、e、v分别为电子的质量、电荷量和运动速度。这两种运 动的合成结果是摆线运功。 B E B v e m R 从速调管的工作原理知道，电子从直流高压电源获得能量，从速调管的工作原理知道，电子从直流高压电源获得能量， 然后经过电子的群聚过程，最后与高频场相互作用而转变成然后经过电子的群聚过程，最后与高频场相互作用而转变成 高频能量。高频能量。 高频振荡能量的产生和维持是通过电子为媒介的。高频振荡能

30、量的产生和维持是通过电子为媒介的。 对于正交场器件，希望电子发射后不直接打到阳极上去，而对于正交场器件，希望电子发射后不直接打到阳极上去，而 是在作用空间有一段徘徊运动的时间，便于电子群聚和能量是在作用空间有一段徘徊运动的时间，便于电子群聚和能量 交换。交换。 电子运动轨迹与外加电场和磁场的关系电子运动轨迹与外加电场和磁场的关系 在电场在电场E E确定后，滚动圆的半径确定后，滚动圆的半径R R随外加磁场随外加磁场B B的的 增大而减小。增大而减小。 电子运动轨迹的顶端与阳极相切的状态称为磁电子运动轨迹的顶端与阳极相切的状态称为磁 控管的控管的“临界状态临界状态”，此时的磁场称为，此时的磁场称为

31、“临临 界磁场界磁场”BcBc，阳极电流趋于零。，阳极电流趋于零。 当当B BcB Ey/B，即比没有高频 场时的速度快。而在B界面以右的BC区间内，电子受到高频场纵向分量的作 用，它与直流电场Ey的方向相反，所以B界面和D界面处高频场只有横向分量 ，纵向分量仍为Ey，所以电子的横向运动速度保持不变。由此可以看出电子 受到高频场纵向分量作用的结果是：B界面前后的电子均要向B界面靠拢，即 电子向前或向后偏移，则立刻受到高频场的作用，回到B界面位置上来。所以 电子在群聚中心的位置是稳定的。 D界面是散开中心，是最不稳定的地方，电子稍微偏移，就会趋向B界面。必 须注意，B界面是高频横向减速场最大的地方，D界面是高频横向加速场的地 方，所以说决定电子群聚的是高频电场的纵向分量，电子群聚中心在高频横 向减速场最大的地方。 群聚在B界面处的电子受到高频横向电场的减速作用，横向速度减小，使它受 到的电场力大于磁场力，电子加速向阳极运动。在电子向阳极运动时，磁场 力的方向又刚好使电子在横向加速，保持它在横向的平均移动速度不变，使 电子