医用电子直线加速器的技术应用与研究

管 吉 杨树欣 管 叶 高 磊 杨 震 詹宁波

医用电子直线加速器的技术应用与研究

管 吉①杨树欣①管 叶②高 磊①杨 震①詹宁波①

目的：分析研究医用电子直线加速器的设计原理，定性、定量地解析研究加速器的技术关键，深入探索加速器的核心细节。方法：应用总分类的逻辑思路，从国内肿瘤情势的分布、行业的需求及放射治疗设备本身的技术发展，研究分析医用加速器的工作原理、技术应用、设计细节。结果：医用电子加速器电子的获得、微波加速及内部环境支撑，其核心是微波类型的应用，而且加速管的结构至关重要。结论：驻波电子直线加速器较行波电子直线加速器的发展晚，是由于稳定的加速电子结构和技术不成熟所致。巧妙的新型边耦合加速结构，为加速器的研究提供了技术支持与保障。

放射治疗设备；医用电子直线加速器；设计；技术维护

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, The No.302 Military Hospital, Beijing100039, China.

据统计，恶性肿瘤是我国城市居民最主要的死亡原因之一。放射治疗、化学药物治疗和手术治疗是现阶段肿瘤治疗的三大手段。1932年北京医学院附属医院最早在我国用深部X射线治疗机开展肿瘤放射治疗；1958年中国医学科学院肿瘤医院建立并筹建了新中国的放射治疗科[1]。放射治疗学科的发展除与放射物理学和放射生物学的发展有关外，还与放射治疗设备的不断发展和完善分不开。用于放射治疗所需的设备主要包括放射线束产生装置、模拟定位机、治疗计划系统以及其他各种附件等。

1 医用电子加速器概述

兆瓦级的脉冲大功率振荡管-磁控管的研制成功，使得科技人员对微波的认识不断加深，也使得控制技术不断完善。研究人员充分注意到电子加速本身具有鲜明的特点，即一经加速，电子的速度随即可达到光速，而电磁波在真空中的传播速度也等于光速，二者相一致，使得利用直线传播的微波电场加速电子成为可能。加速器就是利用电磁场将带电粒子加速到较高能量的装置。加速器是一门多专业交叉融合的综合性学科，涉及到加速器物理和众多高尖技术，包括射频微波、电磁场、电源、超高真空、精密机械、电子学、计算机及网络、自动控制、束流诊断、辐射防护以及低温超导等。加速器可利用被加速后的高能粒子轰击不同材料的靶物质，产生次级粒子，如X射线、中子和介子束等[2]。

目前，医用加速器按照加速的粒子不同，可分为医用电子加速器、医用质子加速器、医用重离子加速器及中子加速器等。质子加速器和重离子加速器有其各自的特点，质子加速器与离子加速器有时又统称为强子加速器[3]。

2 医用电子加速器原理设计与研究

2.1 电子直线加速器的分类与现状

随着电子直线加速器的迅速发展，医用电子直线加速器得到迅猛发展，其技术不断完善，运行更加可靠[4]。从4～8 MeV中低能医用电子直线加速器已发展到18～25 MeV高能电子直线加速器；从生产单一行波医用电子直线加速器，发展到行波和驻波同时生产的医用电子直线加速器。医用电子加速器又分为医用电子直线加速器、医用电子感应加速器及医用电子回旋加速器[5]。医用电子直线加速器按照加速电子的微波电场的不同，可分为医用行波电子直线加速器，医用驻波电子直线加速器。医用电子直线加速器按照所产生的辐射能量可分为高能加速器和低能加速器，低能加速器通常只提供一种能量的X射线，能量为4～6 MV，高能加速器除提供低能X射线外，还提供高能X射线和5～6 MV档能量的电子辐射。按粒子的加速轨道形状可分为直线加速器和回旋加速器；按被加速后粒子能量的高低可分为低能加速器(能量＜1000 MeV)、中能加速器(100～1000 MeV)、高能加速器(1000～100 000 000 MeV)和超高能加速器(＞1000 GeV)；按加速电场所在的频段可分为静电加速器、高频加速器和微波加速器[6]。目前在放射治疗中使用最多的是电子直线加速器。

近10余年，电子计算机的发展已深入到各个领域，且应用于医用电子直线加速器，进一步提高了电子直线加速器运行的可靠性和治疗的准确性，使操作既简单又安全。同时，计算机验证系统、适形治疗系统、故障检索系统以及远程通讯系统等先进技术已在电子直线加速器中得到应用。

2.2 电子直线加速器的加速原理解析

(1)加速电场及电子能量的获得。带电粒子加速器是用人工方法借助不同形态的电场，将各种不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置，常称为“粒子加速器”，简称“加速器”。电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子并且具有直线运动轨道的加速装置[7]。电子直线加速器的加速方式有两种：行波加速方式和驻波加速方式(如图1所示)。

图1 显示，电子只能在加速缝隙D中得到加速。设想加速系统能与电子相同的速度前进运动，电子一直处于加速缝中则加速能够持续[8]。研究人员提出了圆波导管中可激励一种具有纵向分量的电场，以用来加速电子；但磁场在圆波导管中传播的相速度大于光速；要想利用该电场来同步加速电子，需设法使磁场传播的相速度慢下来[9]。在圆波导管中周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠膜片的反射作用，使电磁场传播的相速度慢下来，实现对电子的同步加速。这种波导管被称为盘荷波导(disk-1oaded waveguide)加速管，取圆形膜片对波导管加载之意[10]。

(2)驻波加速原理分析。驻波电子直线加速器较行波电子直线加速器的发展晚，其原因是稳定的加速电子的结构和技术不成熟。1964年美国Los A1amos科学实验室研制成功了一种新的驻波加速结构-边耦合加速结构，为驻波加速原理的应用提供了技术基础[11]。美国瓦里安公司首先将边耦合加速结构应用于制造小型电子直线加速器，此后医用驻波电子加速器得到迅速的发展，并将此技术应用于高能医用电子直线加速器。无论哪种驻波加速结构，均可视为系列以一定方式耦合起来的谐振腔链，在谐振腔轴线上有可使电子通过的中孔，在腔中建立起随时间振荡的轴向电场，轴上电场的大小和方向随时间交变，而这种振荡的包络线均为原地不动，故称为驻波。轴线上的中孔既是束流通道又是实现腔间耦合的耦合孔，因每个腔内场大小及方向随时间交变，而出现场强最大值和零值的地方不随时间变化[12](如图2所示)。

图2 盘荷波导形成的驻波加速场分布

图2 显示，加速管结构中所有腔体都谐振在一个频率上，相邻两腔间的距离为D，腔间电场相位差为电子在一个腔飞跃的时间t＝D/c，等于加速管中电磁场振荡的半周期，电子的飞跃时间与加速电场更换方向时间一致，从而能持续加速。这种加速模型被称为驻波加速[13]。

(3)行波加速原理分析。医用行波电子直线加速器的核心是行波加速管，之所以能加速电子是因为其不但具有电场的纵向分量，而且是慢波，能将电磁波的相位传播速度慢至光速，甚至光速以下[14]。在盘荷波导中微波电磁场以波的形式沿轴线方向(Z轴)向前传播(如图3所示)。

图3 盘荷波导中电子相对于波的位置示意图

行波加速原理的核心是电子速度和行波相速之间满足同步条件，即Vp(Z)≈V(Z)电子在行波电场作用下速度不断增加，要求行波电场的传播速度也同步增加，以对电子施加有效的作用。若同步条件被破坏，电场则不能对电子施加有效的加速，如电子落入减速相位，电子会受到减速[15]。沿加速管电子的动能呈线性增长，但电子速度很快(接近光速)，因此当加速能量＞2 MeV的电子时，行波电场的速度不变(等于光速)，即用结构均匀的盘荷波导即可持续加速电子，从而简化了盘荷波导管的设计和加工。行波电场的强度和方向随时间和轴上的位置交变。行波加速是在行波电场不断向前传播的过程中，行波电场不断给电子以加速力。在动态过程中电子能够受到电场的加速作用，只有当电子落入加速相位时才能受到加速。若电子相对行波场落入减速相位，电子则失去能量[16](如图4所示)。

图4 电子相对于行波电场的相位关系图

2.3 行波加速技术的解决方法

(1)通过改变盘荷波导的尺寸，尤其是改变皱折深度可控制行波电场传播速度Vp(Z)，使之与电子速度V(Z)同步，从而实现行波加速。在同步加速过程中，当电子速度逐渐接近光速时波的速度可设计为等于光速，维持电子始终处于波峰附近，不断获得能量。

(2)行波加速管结构-盘荷波导微波在盘荷波导中传播的速度(相速度)与盘荷波导内径(b)和金属膜片孔径(a)之差(b-a)、膜片孔径、膜片的间距以及膜片厚度(h)等相关，可通过调节其尺寸来控制相速度以满足同步加速的条件。因此，一根特定的加速管是针对一定的工作频率来设计加工调整的。当此频率的微波功率馈入该加速管后，在其中所激励起的行波电场其相速度Vp(Z)会按设计要求增长，满足Vp(Z)≈V(Z)条件。如果馈入盘荷波导加速管的微波工作频率偏离所设计的频率，其传播的相速度会发生变化，影响电子直线加速器的工作。

(3)相速度与盘荷波导几何尺寸的关系是一个重要参量。盘荷波导几何尺寸主要包括波导内径(b)、膜片孔径(a)、膜片间距(D)及膜片厚度(h)等。其中，膜片厚度(h)对相速度影响不灵敏。通过合理设计膜片机械应力强度以及膜片内孔圆弧倒角附近高频电击穿强度来限定膜片的厚度。在确定盘荷波导尺寸时膜片厚度是可选择的参量，可从设计原理上解决相速度问题(如图5所示)。 3 结语

图5 盘荷波导几何尺寸

随着精确放射治疗技术的迅速发展，加速器需求不断增加，对于大型质子加速器的研究近年来趋于发展高潮，但是相对电子类型加速器较为落后；加速器家族的各类设备优点各不相同，电子类加速器是目前使用最广泛的。随着我国散裂中子源的建设、质子和(或)重离子治疗项目得到越来越多的重视以及加速器驱动的次临界系统方面的发展，加速器的发展迎来了很好的发展机遇。在研究医用电子直线加速器的过程中发现合理的设计技术模式，会提高加速器设备的使用价值，延长设备使用寿命，有效降低设备故障率，保证临床服务的顺利进行，从而保障肿瘤治疗的质量。

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Application and research on medical electron linear accelerator technology

GUAN Ji, YANG Shu-xin, GUAN Ye, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):24-26.

Objective:The most effective means of treating malignant tumor is to effective and reasonable use medical accelerator, which is the invention and application of the greatest human at present. The analysis of the design principle of medical electron linear accelerator, the technical details of the qualitative and quantitative analysis of the accelerator, let us explore the core details of accelerator. Methods: Application logic thinking score, from tumor form of distribution to the needs of the industry and the development of the equipment itself, to study the working principle, medical accelerator technology, design details. Thus for daily work, whether it is design or technical repair, can find inspiration from, we can in-depth system learn accelerator treatmentResults: The technology point of order a masterstroke, medical electron accelerator from electronic access to microwave accelerated to the internal environment, the core is the application of microwave type, but also is of vital importance of the accelerating tube, the structure behind the support and application technique, which is to explore a microscopic world, reveal the mystery behind the huge monster for us. Conclusion: The development of standing wave electron linear accelerator is traveling wave electron linear accelerator is later, and not withstanding wave accelerating electron ideas and theories come late, but stable accelerator structure and electronic technology has not mature. A new edge coupled acceleration ingenious structure, solve problems for the application of the principle of standing wave accelerator. Provide technical support and guarantee for the research and progress of accelerator.

Radiation therapy equipment; Medical electron linear accelerator; Design; Technical maintenance

1672-8270(2014)07-0024-03

R812

A

管吉，男，(1990- )，本科学历，技师。解放军第302医院医学工程保障管理中心，从事医疗设备维修和质量控制管理工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.008

2014-01-16

①解放军第302医院医学工程保障管理中心 北京 100039

②解放军总医院门诊眼科 北京 100853