加速器(二)加速管

1、2022-3-912022-3-92022-3-92电子直线加速器的基本工作原理：电子直线加速器的基本工作原理：在在“高压脉冲调制系统高压脉冲调制系统”的统一协调控制下，一方的统一协调控制下，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态加速电场；另一方面，电子枪向加速管内适时发射电子。只要注入的电子与动态加速电场的相发射电子。只要注入的电子与动态加速电场的相位和前进速度（行波）或交变速度（驻波）都能位和前进速度（行波）或交变速度（驻波）都能保持一致，那么，就可以得到所需要的电子能量。保持一致，那么，就可以得

2、到所需要的电子能量。如果被加速后的电子直接从辐射系统的如果被加速后的电子直接从辐射系统的“窗口窗口”输输出，就是高能电子射线，若为打靶后输出，就是出，就是高能电子射线，若为打靶后输出，就是高能高能X X线。线。2022-3-92022-3-93产生射线产生射线2022-3-92022-3-942022-3-92022-3-952022-3-92022-3-96电子枪电子枪加速腔加速腔靶靶e-2022-3-92022-3-97电子枪电子枪加速腔加速腔靶靶e-2022-3-92022-3-98驻波加速过程驻波加速过程腔中电腔中电压压0-+电子注入电子注入t=0时刻时刻e-2022-3-92022-

3、3-99驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+0t1/2 T2022-3-92022-3-910驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+t=1/2T2022-3-92022-3-911+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+1/2 TtT驻波加速过程驻波加速过程2022-3-92022-3-912e-腔中电压腔中电压0-+t=T驻波加速过程驻波加速过程2022-3-92022-3-913驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+2022-3-92022

4、-3-914驻波加速过程驻波加速过程-+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电腔中电压压0-+2022-3-92022-3-915驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+2022-3-92022-3-916驻波加速过程驻波加速过程e-腔中电腔中电压压0-+2022-3-92022-3-917驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电腔中电压压0-+2022-3-92022-3-918驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+2022-3-92022-3-919驻波加速过程驻波加速过程+-

5、+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电腔中电压压0-+2022-3-92022-3-920驻波加速过程驻波加速过程e-腔中电腔中电压压0-+2022-3-92022-3-921驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+2022-3-92022-3-922驻波加速过程驻波加速过程-+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电腔中电压压0-+2022-3-92022-3-923驻波加速过程驻波加速过程+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+2022-3-924中高能机中高能机低能机低能机2022-3-9252022-3-9262022-3-9

6、272022-3-928加速管加速管l14MeV驻波加速管 2022-3-92022-3-9291 1、加速管的作用、加速管的作用2 2、加速管的分类、加速管的分类3 3、加速管的工作原理、加速管的工作原理4 4、常见医用电子直线加速器中的加速管、常见医用电子直线加速器中的加速管5 5、加速管的工作环境、加速管的工作环境6 6、电子枪、电子枪2022-3-92022-3-9301 1 加速管的作用加速管的作用 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

7、束或打靶产生用下加速到高能量，输出成电子束或打靶产生X X射线，射线，用于治疗患者。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2022-3-92022-3-9312 2 加速管的分类加速管的分类 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驻波加速管两种 。常见的加速管有：。常见的加速管有： 行波加速管行波加速管 代表厂商：代表厂商：ElektaElekta公司公司 驻波加速管驻波加速管 轴耦合加速结构：轴耦合加速结构： 代表厂商：新华医疗代表厂商：新华医疗 边耦合

8、加速结构边耦合加速结构 代表厂商：代表厂商：VarianVarian公司公司 一个行走一个停留一个行走一个停留 行波行波: :就是波从波源向外传播就是波从波源向外传播 驻波驻波: :波在一个空间中来回反射波在一个空间中来回反射 2022-3-92022-3-9322022-3-92022-3-9333 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.1 3.1 电子在电场中受力，获得能量电子在电场中受力，获得能量e-+VaDVa：电压：电压D：极间距：极间距E：电场强度：电场强度EVaDFeEWFD=eVa2022-3-92022-3-9343 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.2 3.2 由于

9、电压受到限制，不能得到高能量由于电压受到限制，不能得到高能量 临床用的最多的电子束能量为：临床用的最多的电子束能量为： 6MeV6MeV W W e e Va Va e e 电量电量 1.6 1.6 10 10-19-19 库仑库仑 若要获得若要获得6MeV6MeV的高能电子需要电压：的高能电子需要电压： Va = W Va = W e = 6 e = 6 10 106 6 1.6 1.6 10 10-19 -19 V V = 3.75 = 3.75 10 1025 25 V V 显然无法实现。显然无法实现。2022-3-92022-3-9353 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.3 3

10、.3 电场随电子运动模型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。2022-3-92022-3-9362022-3-92022-3-9373 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.4 3.4 电子的质量限制电子的质量限制 同样以临床用的最多的电子束能量同样以临床用的最多的电子束能量6MeV6MeV为例为例 电子的静止质量为电子的静止质量为 9.10 9.10 10 10-31-31 g g 在电场力的作用下很快达到亚光速，在电场力的作用下

11、很快达到亚光速， 而使某系统同步达到亚光速是不可能的。而使某系统同步达到亚光速是不可能的。2022-3-92022-3-9383 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.1 3.5.1 电磁波加速电子电磁波加速电子 电磁波的传播速度可以达到光速。电磁波的传播速度可以达到光速。 电磁波的本质是交变电（磁）场。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。续获得能量。 行波加速模型。行波加速模型。2022-3-92022-3-9393 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.2 3.5.2 行

12、波加速行波加速 W= e W= e E Ez z L L W：电子所获得的能量：电子所获得的能量 Ez：行波加速电场强度，：行波加速电场强度， L：加速管长度：加速管长度 电子一直处于电场的波峰上，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增加加速单元的数目，则电子的加速能量可以线性增加。加。2022-3-92022-3-9403 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.2 3.5.2 行波加速行波加速 冲浪2022-3-92022-3-9413 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.3 3.5.3 慢波结构慢波结构盘荷波导盘荷波导 电子在电场中受力，

13、获得能量。行波加速原理的核心是电子在电场中受力，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同步条件：电子速度和行波相速之间必须满足同步条件：V(z)V(z)Vp(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。相速度可以大于光速。 电子的速度不可能大于光速。电子的速度不可能大于光速。 微波在盘荷波导中传播时，微波在盘荷波导中传播时， 相速度可以等于甚至大于光速。相速度可以等于甚至大于光速。 调整盘荷波导的尺寸可以调整盘荷波导的尺寸可以 控制微波在盘荷波导中传播的控制微波在盘荷波导中传播的 相速

14、度。相速度。2aDt2b2022-3-92022-3-9422022-3-92022-3-9433 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.4 3.5.4 行波加速结构行波加速结构2022-3-92022-3-9443 3 加速管的工作原理加速管的工作原理3.5.5 3.5.5 斯坦福直线加速器中心的斯坦福直线加速器中心的 SLACSLAC2022-3-92022-3-9452022-3-92022-3-9462022-3-92022-3-947123返回退出为了避免不断增加速器的长度，为了避免不断增加速器的长度，19301930年劳伦斯年劳伦斯提出建造回旋加速器的建议。提出建造回旋加速器

15、的建议。 中国科技大学的电子同步加速器：中国科技大学的电子同步加速器： 电子经直线加速器后达到的最终能量是电子经直线加速器后达到的最终能量是200200MeVMeV； 直线加速器的长度为直线加速器的长度为3535米；米； 为了防护加速电子的电磁辐射，直线加速器建在坑道中；为了防护加速电子的电磁辐射，直线加速器建在坑道中； 采用的加速设备是是微波功率源。采用的加速设备是是微波功率源。北京高能物理研究所的直线加速器：北京高能物理研究所的直线加速器： 电子能量提高到电子能量提高到1.11.1GeVGeV； 直线加速器长度为直线加速器长度为204204米。米。 电子能量提高到电子能量提高到5050Ge

16、VGeV的加速器；的加速器； 直线加速器长度达直线加速器长度达3 3公里多。公里多。美国斯坦福大学直线加速器：美国斯坦福大学直线加速器：2022-3-92022-3-9483 3 加速器的工作原理加速器的工作原理3.6.1 3.6.1 驻波加速原理驻波加速原理 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，加速电场的幅值随时间交变，缝中，加速电场的幅值随时间交变， 频率频率f f0 0和圆筒电极缝隙之间距离和圆筒电极缝隙之间距离D D满足一定关系；满足一定关系； D = V/2fD = V/2f0 0 若若D D取取5

17、cm5cm，v v近似为光速，则近似为光速，则fafa等于等于3000MHz3000MHz。这样高频率的高压不。这样高频率的高压不可能用电线传输。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要实现这种加速模型只能在一个谐振腔列( (链链) )中完成。中完成。2022-3-92022-3-9492022-3-92022-3-9503 3 加速器的工作原理加速器的工作原理3.6.2 3.6.2 驻波加速模型驻波加速模型 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，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

18、率上，相邻两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腔间的距离为D D，而腔间电场相位差刚好为，而腔间电场相位差刚好为180180o o，即腔间电场，即腔间电场刚好方向相反。刚好方向相反。 接近光速接近光速c c的电子在一个腔的渡越时间的电子在一个腔的渡越时间t=D/ct=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一致，从而能持续加速。好和加速电场更换方向时间一致，从而能持续加速。 这种加速模型常称为驻波加速。这种加速模型常称为驻波加速。2022-3-92022-3-9513 3 加速器的

19、工作原理加速器的工作原理3.6.2 3.6.2 驻波驻波2022-3-92022-3-9523.6.3 3.6.3 驻波加速过程驻波加速过程3 3 加速器的工作原理加速器的工作原理e-腔中电压腔中电压0-+电子注入电子注入t=0时刻时刻2022-3-92022-3-9533.6.3 3.6.3 驻波加速过程驻波加速过程3 3 加速器的工作原理加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压0-+0t1/2 T2022-3-92022-3-9543.6.3 3.6.3 驻波加速过程驻波加速过程3 3 加速器的工作原理加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压

20、腔中电压0-+t=1/2T2022-3-92022-3-9553 3 加速器的工作原理加速器的工作原理+-+-+-+-+-+-+-+-e-腔中电压腔中电压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-2022-3-92022-3-91074 4 偏转系统偏转系统4.2 4.2 偏转系统分类偏转系统分类 9090度偏转系统：度偏转系统： 早期医用电子直线加速器中使用，有色差。目前已被早期医用电子直线加速器中使用，有色差。目前已被270270度和滑雪式偏转系统取代。度和滑雪式偏转系统取代。 270270度偏转系统：度偏转系统：

21、目前普遍采用的一种偏转方式，具有一定能散度的集中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。性和稳定性。 滑雪式偏转系统：滑雪式偏转系统： 另一种常用的偏转方式，偏转角度略大于另一种常用的偏转方式，偏转角度略大于9090度，具有消度，具有消色差功能。色差功能。2022-3-92022-3-91084 4 偏转系统偏转系统4.3 904.3 90度偏转系统度偏转系统 e-18MeV=18MeV 单磁铁中的电子色散单磁铁中的电子色散2022-3-92022-3-91094 4 偏

22、转系统偏转系统4.4 2704.4 270度偏转系统度偏转系统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2022-3-92022-3-91104 4 偏转系统偏转系统4.4 2704.4 270度偏转系统度偏转系统BABAAB2022-3-92022-3-91114 4 偏转系统偏转系统4.5 滑雪式偏转系统 由三块均匀扇形磁场构成，

23、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2022-3-92022-3-91124 4 偏转系统偏转系统4.6 4.6 偏转系统的安装和调整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