医用电子直线加速器的工作原理与维修保养
2020-09-18龚睿
龚睿
昆明医科大学第一附属医院资产管理处 （云南昆明 650032）
医用电子直线加速器是肿瘤放射治疗的主要设备，可根据微波加速电子方式的不同分为行波加速器和驻波加速器[1]。目前，国际上流行的是以医科达公司为代表的行波直线加速器和以瓦里安公司为代表的驻波直线加速器。随着我国医疗事业的快速发展，医用电子直线加速器在各大、中城市医院的应用已经相当普及[2]。该设备系统多、结构复杂、精度要求极高，所以要求维修人员必须深入了解其工作原理、熟悉各系统的结构和工作原理、正确规范地进行维修保养，才能使其更好地为患者服务。本研究主要介绍医用电子直线加速器的工作原理与维修保养方法，供同行参考。
1 工作原理
医用电子直线加速器的工作原理：在加速管内建立电磁场，电子注入加速管后，在微波电磁场的作用下不断加速，并以接近光速的速度出束。
注入加速管的微波是以行波和驻波两种方式建立加速电场的，因此，加速器分为行波加速器和驻波加速器。
1.1 行波加速的原理
行波是指在加速管内一直沿着轴线方向单向传播，到达加速管末端而不被反射回来的电磁波（被吸收负载吸收）。行波电磁场的强度和方向是随时间和空间交替变化的。在同一时刻，沿加速管轴线不同位置的电场方向有的与加速运动的方向一致，有的则相反。电场随时间以波的形式向前传播。由图1可知，行波在不断向前传播的过程中，行波电场不断给电子以加速的力，这时波在前进，电子也在前进，而行波电场又是随时间和距离交替变化的。在这一运动过程中，当满足同步加速条件时，电子在行波电场的作用下速度越来越快，与不断加快的电子的速度保持相等。这样电子能始终受到一个加速电场的作用力。当电子速度逐渐趋近光速时，波也以接近光速的速度前进。如果配合得合适，可以使电子对于波的相位始终维持在波峰附近，在整个加速过程中，电子始终停留在波峰上。
图1 行波电场沿加速管随时间、空间的变化
1.2 驻波加速的原理
驻波是前进波和反射波同步叠加合成的一种波。与行波相比，驻波的包络线是原地不动的，包络内的点随时间从正到最大值到零又到负的最大值，成周期性的变化。
1.2.1 模式π/2结构的基本思想
将在模式π/2只起耦合作用的腔，从束流轴线上移开，移到加速腔的边上，耦合腔留下来的空间为加速腔所扩展，加速腔通过边孔和耦合腔耦合。其结构即有模式π 的效率，又有模式π/2的稳定性。由于这种边耦合驻波结构分流阻抗高、稳定性好、尺寸公差要求松，因此很快即被应用，做成合适的电子结构，使电子驻波加速器的发展进入一个新的阶段。
1.2.2 模式π/2驻波加速的原理
由图2可知，1#腔中的电场随时间逐渐从小到大，而方向又正好合适加速电子时，2#腔电场的方向却是减速的，但稍后，当1#腔的电场随时间变到负值时（减速方向），2#腔的电场方向变得正好合适加速电子。因此，可以设想，如果让电子在1#腔中的电场由负变正的瞬间（场强正是加速方向）注入其中，电子在前进时，场强不断增加，电子不断获得能量，场强到达峰值时，电子也正好到达腔的中央。其后，电场的场强开始下降，电子在后半腔中飞行，当场强开始由正变负时，电子正好飞出此腔进入下一腔。此时，2#腔的场强正好由负变正，电子在2#腔中又能继续加速获得能量。如果可以实现以上安排，则电子可以不断获得能量，此即驻波加速的原理。
图2 驻波电场沿加速管随时间、空间的变化
2 系统结构
医用电子直线加速器由8个系统组成，即1加速管、2微波功率传输系统、3电子枪及束流系统、4真空系统、5应用系统、6调制柜、7水冷系统、8运动系统，见图3。
图3 系统结构
2.1 加速管
加速管是电子直线加速器的核心，可分为行波加速管和驻波加速管[3]。
行波加速管是一段盘荷波导，由在一段光滑的盘型波导上周期性地放置具有中孔的圆形膜片组成，其实质上是一个慢波结构。
驻波加速管是由一系列相互耦合的谐振腔组成，在边耦合驻波结构的加速管中，不起加速作用的耦合腔从束流经过的轴线上移至轴线外，在束流经过的路径上都是加速腔，此种加速管加速效率高，平均场强可达140 kV/m。
2.2 微波功率传输系统
微波功率传输系统主要由隔离器、取样波导、波导窗、输入输出耦合器、终端吸收负载、频率自动稳定系统组成，主要作用是产生一个频率和相位都符合技术要求的微波，并将其有效地送入加速管，对电子进行加速。
2.3 电子枪及束流系统
电子枪的主要作用是向加速管发射电子。行波加速器的电子枪一般采用钨、钍钨等作阴极材料，而驻波加速器的电子枪由于真空要求较高而用氧化物阴极。电子枪和加速管焊为一体。
束流系统又分偏转磁铁和聚焦线圈。偏转磁铁主要是使从加速管出来的电子按要求的角度偏转，可偏转90°或270°。聚焦线圈的主要作用是使电子束流聚焦，以提高电子的加速效率。
2.4 真空系统
真空系统是为了使电子能量在加速器中不因和空气分子碰撞而损失。为了提高加速管及波导管内高频电场的击穿强度，整个加速系统要维持高真空。行波加速器的真空系统一般是半可拆卸式的，静态真空可达133.322×10-7Pa。驻波加速管的真空是全密封结构，不可拆卸，静态真空高达133.322×10-8Pa 以上，一般用油散离子泵来维持。
2.5 应用系统
应用系统主要包括控制台、照射头和治疗床。照射头里装有X 线靶、准直器、散射膜、均整器、电离室、上下光栏等，以便提供照射野内满意的均匀度及所需各种类型的照射。
2.6 调制柜
调制柜包括两部分：一部分是电源分电系统，将配电柜送来的380 V 市电根据加速器各部分对电源的不同要求经变压或稳压处理后分配到相应的部分；一部分是脉冲形成网络（pulse forming network，PFN），即将PFN 产生的脉冲高压送到速调管上，对微波进行功率放大。
2.7 水冷系统
水冷系统通过内外循环冷却加速器内的各种发热部件，如加速管、偏转磁铁、磁控管（速调管）、X 线靶。2.8 运动系统运动系统包括照射头、射束上下挡块、机架、治疗床等，通过这些部件的运动来完成治疗任务。
3 整体结构
3.1 驻波加速器的整体结构
驻波加速器由控制台、调制柜、立柱、旋转机架、治疗床等部件组成，见图4。
图4 驻波加速器的整体结构
3.2 加速器加速电子的工作过程
医用电子直线加速器加速电子的工作过程如下：由控制台触发器产生的触发脉冲触发调制器，使其产生一系列负的脉冲高压加到速调管的阴极，速调管将射频脉功率源产生的微波进行放大，经过波导系统将微波送到加速管中，并在加速管中产生所需的加速电场；同时，来自电子枪的电子经过电子透镜聚焦以一定的初速度（0.3～0.5 倍的光速）注入加速管的轴线上，在微波电场的作用下加速电子；被加速的电子经过加速管中的聚焦线圈聚焦后进入偏转磁铁，在偏转磁铁中，电子束经过270°的偏转，经过0.1 mm 厚的钛窗打到钨靶上产生X 线；经过闪射膜、均整器，再经过准直器、精准过滤器、电离室及铅门，射到躺在治疗床上的患者的病灶上，完成整个出束治疗过程；如将靶和散射膜移开，就产生治疗用的电子线。
4 医用电子直线加速器的维修与保养
由于医用电子直线加速器是由多个系统组成的大型精密医疗设备，它对输出剂量的精确度、射线的平坦度、对称性和稳定性都有极严的要求[4]。无论哪一个系统故障都可能危及患者的生命安全或对设备本身产生严重的损坏。因此，维修人员必须严格按照厂家提供的维修手册中的有关规定进行维修保养[5]，虽然不同机型、不同厂家的规定有所不同，但一般可按以下几条进行：（1）每天治疗前，维修人员必须按有关规定，测试相关指标，测试合格后，签字交操作人员进行治疗；（2）每周必须有1 d 的停机检修时间，根据操作人员反映的情况进行检查修理，然后由专门负责剂量的物理人员对输出剂量进行校正调整；（3）每月对各系统进行检查，对各个输出能量指标进行检查调整；（4）每季度必须进行例行检查，按照厂家维修手册规定的例行检查项目进行检查调整；（5）每半年必须更换内循环水、除湿剂和一些易损零件，对运动部分紧固，加润滑油，并对各输出能量的能量深度、对称性、平坦度等中心进行检查调整；（6）由于加速器是靠离子泵来维持真空的，停电时离子泵即停止工作，长时间停电可能导致整个真空系统的破坏，因此，维修人员应及时处理，停电时间最长不能超过24 h；（7）当设备出现故障时，控制台一般可显示故障大概范围，维修人员可以根据此信息确定故障系统，进行分析处理；（8）当遇到设备不出束又无故障显示时，维修人员可根据设备有关的标准参数或波形进行测试，首先判断故障的大概部位及系统，逐渐分析判断，直至查出具体故障元件。
5 小结
医用电子直线加速器是一种技术复杂的故障率较高的大型医疗设备，是多学科的综合体，涉及核物理、放射物理、超高真空、精密加工、脉冲、自动控制、计算机、电子学等多种学科的技术，对精度要求极高。因此，维修人员必须具备深厚的专业知识、丰富的工作经验、高度负责的工作精神，熟悉加速器各系统的工作原理，遵守严格规范的维修保养制度，将设备调试到最佳工作状态，以保证设备安全可靠地为患者服务
［参考文献］
［1］ 管吉，杨树欣，管叶，等.医用电子直线加速器的技术应用与研究[J].中国医学装备，2014，11（7）：24-26.
［2］ 许锋，陈薇薇.医用直线加速器技术简述[J].中国医疗设备，2011，26（4）：85-86，32.
［3］ 周怀恒，陈雄，杨康基.医用直线加速器的基本结构和日常保养[J].医疗装备，2016，29（3）：80-81.
［4］ 王杰，张玉海，王康，等.医用直线加速器的设备维护及治疗安全[J].中国医疗设备，2012，27（6）：20-22.
［5］ 李亮，陈勇，徐钰梅，等.Varian23EX 医用直线加速器故障分析与维修策略探究[J].医疗装备，2016，29（2）：66-67.
