医用电子直线加速器的原理探讨与防护分析

焦鹏飞

【摘要】现代医学上最常用的肿瘤放射治疗设备是医用电子直线加速器，由于医用电子直线加速器所取得的疗效十分显著，使得它在肿瘤放射治疗中扮演起了主导者的角色。通过对医用电子直线加速器在正、异常情况下的辐射危害分析，以确保发生的随机性效应概率在可控制的范围内，保证放射工作人员免受确定性效应的影响。

【关键词】医用电子直线加速器；原理；防护

0.引言

医用电子直线加速器在能够产生高能X射线的同时也能够产生高能电子束，临床中无论是X射线还是电子束都能够对患者病灶进行照射。它的特点与好处是拥有巨大的输出能量、操作简便、具有良好的均匀性、可调照射野广、疗效可观的同时也能最大限度地降低副作用，这使得它在肿瘤放射治疗领域得到广泛的使用。

1.医用电子直线加速器基本结构及工作原理

现代在医学里得到广泛使用的医用电子加速器主要行波电子直线加速器和驻波电子直线加速器两种。行波电子直线加速器和驻波电子直线加速器主要都是由五大系统构成的，它们分别是加速系统、应用系统、剂量检测系统、控制系统以及恒温水冷却和充气系统，两者的区别具体体现在两者的具体结构上。

（1）作为医用电子直线加速器的核心系统，加速系统的构成成份是加速管、微波功率源、微波传输系统、电子注入系统、高压脉冲调制系统与束流和偏转系统等。

加速管的构成包括电子枪、加速结构、引出系统、离子泵几部分。通过阴、阳两极间的高压电场的作用，电子枪会产生具有一定的初始动能的电子通过阴极中心孔道进入到加速腔。行波或驻波电磁场是微波功率在耦合波导馈入的作用下产生的，并且在引出系统的作用下将电子束引出。加速管较短的低能机主要以直射式为主；而加速管较长的中、高能机则多以带偏转磁铁的偏转式引出系统为主。由于必须维持加速管的真空状态的要求，使得真空系统会采用离子泵来吸收气体。

微波功率源的频率范围介于2998MHz与2856MHz之间。在低能的条件下功率源通多采用磁控管，在高能条件下则多采用速调管。这是因为速调管比磁控管高能机在高峰值RF脉冲功率的要求下更加具有可靠性。

传输波导是微波传输系统主要构成部分。隔离器被用于行波传输系统中吸收反向传输的微波来起到保护微波功率源的作用。而由于驻波传输系统具有较强的反射功率，使得系统的隔离器件必须采用环流器。

电子注入系统是由电子枪、导向线圈和预聚焦线圈三部分所构成的。电子枪的作用是发射电子，被安装于电子枪和加速管两者间的导向线圈和预聚焦线圈的作用则是使得电子枪所发射的电子在注入加速管后的散射角达到足够小。

高压脉冲调制系统包括了高压直流电源、脉冲形成网络、自动电压控制电路、开关电路和脉冲变压器五个部分，主要被用于产生具有一定波形和频率的脉冲高压供于微波功率源所使用。

束流和偏转系统由束流偏转磁铁或扫描磁铁、对中线圈、聚焦线圈所组成。对电子束进行限制、偏转、聚焦作用的是系统中的磁场。加速管外安装能产生使电子产生径向聚焦力的轴向磁场的聚焦线圈的目的是消除电子束同种电荷的斥力和径向电场对电子的散焦作用所带来的影响。

（2）应用系统包括由电子引出窗、均整器、x射线靶、光栅、初级准直器、限光筒、附件架、电离室、散射箔、光野灯和反射镜、光距灯和屏蔽块组成的治疗头、机架及治疗床三部分。

治疗头起到使所投射的辐射达到放射治疗的特殊要求的作用。对电子线治疗模式进行选定时，加速器会自动移开“x射线靶”，使“窗”在对准电子束之后电子线能够直接从窗口引出。由于束流直径只有3 mm的窄束射线不能达到临床治疗的要求，使得所引出的电子束必须展开变成散射状束流。造成了在对选定电子线治疗模式进行选定时，加速器在自动移走均整块的同时，也会把与电子束能量相适应的金属散射箔移到窗口下。在散射箔的散射作用下电子束变成散射状束流并且在典铃声检测、次级准直器和电子束限光筒的准直限束作用后到达病变位置。因为输出的电子射线仍具有容易散射的特点，为了使输出端口直接与患者皮肤接触，达到降低周围组织的射线受量来对正常组织进行保护的目的，要求电子束限光筒尽量比较长。

治疗床能全方位移动，包括了旋转运动。目前医用电子直线加速器的运动系统采用的是机架、辐射头及治疗床三者的旋转轴线交于一点的等中心原则，此系统的中心误差范围是±2mm。

（3）剂量监测系统包括了电离室、监测剂量仪及信号放大器。由若干片极所组成的电离室是辐射系统的一部分，监测辐射野内相互垂直的两个方向的均整度和监测辐射的吸收剂量的都有两对干片，监测辐射的能量变化的则只有一片。系统中对剂量给定进行保证的是剂量联锁装置。

（4）控制系统不仅有电源；还有包括水压、水温、水流、高压过载、微波功率源打火等各种保护在内的连锁保护；包括自动均整度控制、自动剂量率控制、自动楔形过滤器控制、自动频率控制、弧形旋转控制在内的自动控制；包括待机、预定、准备、出束等状态的程序控制的正常治疗在内的程序控制。

（5）冷却系统的作用是带走热量，从而使机器的工作温度能够维持在所需范围内。加速管、偏转磁铁线圈、聚焦线圈、微波功率源、靶、隔离器及吸收负载等在工作时都会产生一定的热量。

2.医用电子直线加速器的防护分析

(γ·n)反应是指X射线或电子束打在靶材料产生的韧致辐射与被射物质相互作用而产生中子的化学效应，由医用电子直线加速器中的电子枪所产生的电子先经微波加速波导管完成加速，然后在偏转磁场形成电子束并从电子窗口射出到金属钨靶的过程会伴随着大量高能X射线的产生，所产生的高能X射线便会发生(γ·n)反应，(γ·n)反应的发生伴随着臭氧的出现，而且臭氧产量与加速器输出束流的强弱成正比。由此可见，加速器所产生的X射线、中子射线及臭氧是医用电子直线加速器对环境造成的污染的头号杀手。

针对医用电子直线加速器对环境造成的污染，主要有以下几种防护方法：

2.1辐射防护

无论是穿透力较强的X射线、中子射线还是臭氧浓度增高都对人们的健康造成威胁。因此，为避免环境受射线和臭氧的污染，必须降低射线排放。

2.2屏蔽防护

土建设计时必须对治疗室进行全方位的有效的屏蔽防护计算以确保各重要机房的辐射吸收剂量在国家允许范围内。

2.3通风

臭氧可在加速器电离辐射与空气介质的作用下产生，感生放射性气体13N也可伴随着高能量X射线的产生而出现，通风系统的作用就为避免治疗室及其周围环境空气质量受其影响。通风设计要求周围其它区域的压力高于存在感生放射性气体和臭氧气体的区域的空气压力，目的是阻止有害气体的扩散。

2.4时间、距离两种防护

在加速器结束出束后等待30s-3min再进入机房对患者进行摆位是很有必要的，射线会随着时间的延长进行衰减；而距离防护则是遵循射线衰减与距离遵循平方反比定律，射线也会随着距离的增加而进行衰减。

3.总结

当医用电子直线加速器在正常工作时，必须确保从事放射性工作的人员避免确定性效应，严格控制随机性效应发生的概率在控制范围内。增强放射治疗工作人员安全意识及完善配备防护设施都能有效减少照射发射事故的发生，加速器拥有良好的屏蔽设计和多重监控、联锁系统对其正常、安全运行是十分重要的。[科]

【参考文献】

［１］张秀文,张永寿,郑庆海,汪鹏飞,李岩,宋天一. 医用电子直线加速器基本原理与职业防护[J].2012,(4).

［２］张晶,王建军,唐绪兴.医用电子直线加速器污染因素、辐射防护及辐射安全管理[J].2011,(2).