2 MeV-X 波段小焦点加速管的研制及应用

王爱涛，孟超，康达，陈富宝

山东新华医疗器械股份有限公司 （山东淄博 255086）

随着放射治疗技术的不断发展，先进、准确、高效、实用的放射治疗技术愈来愈得到各肿瘤研究机构及专家们的重视。术中放射治疗技术和小型化加速器历经多年的摸索和实践，已经体现出了不可替代的优越性[1]。

加速器的小型化代表了行业的一个发展方向。美国Accuray 公司的Cyberknife（射波刀）机器人加速器，美国Intraop Medical 公司的Mobetron 移动式术中放射治疗加速器，意大利 Hitesys 公司的NOVAC 系列术中放射治疗加速器，以及近年来日本三菱推出的O-ring--C 波段加速器等设备的共同特点就是“小”。以上加速器的核心部件加速管采用了不同于常规S 波段的X 或C 波段加速管。目前，常规医用加速器基本都是在S 波段工作。理论上，谐振频率越高，则加速单元的尺寸越小。20 世纪末，X 波段功率源的研制成功使得X 波段加速管开始进入人们的视野。如果采用9 300 MHz 的X 波段微波作为功率源，那么加速单元的尺寸只有S 波段的1/4左右，小巧的外形将会给X 波段加速管带来广阔的应用前景[2-3]。例如，Cyberknife、Mobetron 等设备未来可以用作血液放射治疗加速器、消毒灭菌类加速器以及工业用便携式探伤、检测加速器等。

基于以上需求，我们研制了一款2 MeV-X 波段小焦点加速管。本研究主要介绍X 波段加速管的设计情况、腔体精密机械加工、微波冷测与调谐技术、整管电真空工艺、高功率测试等内容，现报道如下。

1 设计情况

1.1 整体设计方案

根据加速电子方式的不同，加速管分为行波加速结构和驻波加速结构两种。目前，国际上应用较多的驻波加速结构包括边耦合结构和轴耦合结构[4]。其中，边耦合驻波加速结构是目前最常用的一种驻波加速结构，其耦合腔位于加速腔外壁的外侧，通过耦合孔与加速腔相连。该结构的优点为耦合腔与加速腔的中心轴线分开，加速腔可以充分优化，加速效率高，且耦合腔与加速腔的外壁均易于接近，便于对耦合腔与加速腔进行挤压调谐；缺点是非轴对称结构，加工、装配、焊接工艺复杂，径向尺寸大，不利于安置聚焦线圈。轴耦合驻波加速结构的耦合腔位于2个加速腔之间，耦合腔中心轴线与加速腔中心轴线重合一致，通过耦合孔与加速腔相连。该结构的优点是轴对称结构，装配、焊接方便，且径向尺寸小，有利于安置聚焦线圈；缺点是耦合腔占用了加速腔的轴向空间，加速腔不能充分优化，耦合腔不易接近，不便于对耦合腔进行挤压调谐，且在电真空钎焊时极易引起形变。

X 波段的中心频率为9 300 MHz，腔体尺寸小，对频率的变化更为敏感，较常规的S 波段（2 998 MHz）对加工工艺的要求更高[5]。因此，从加工工艺以及指标的可及性考虑，我们最终选择采用边耦合驻波加速结构。基于能量可调技术对加速管束流可控的要求，电子枪选用三极栅控电子枪。同时，我们结合现有X 波段加速器功率源、环流器等关键微波元器件的发展现状，制订了2 MeV-X 波段小焦点加速管的整体设计方案，见表1。

表1 2 MeV-X 波段小焦点加速管的整体设计方案

1.2 加速管物理设计与腔型优化

运用二维Parmela 和三维CST 软件对加速管进行物理设计，同时结合目前国内X 波段功率源的使用现状，我们选用了中国电科集团第12研究所的VE2093磁控管作为功率源，峰值功率为1.0 MW。加速管要求输出剂量率>30 cGy/（min·m），根据美国辐射防护委员会（National Committee on Radiation Protection，NCRP） 的NCRP-51号 报 告 附 录E[6]可知，打靶的平均束流强度应>78 μA。经过优化，设计加速管相速为0.7‥0.7‥0.7‥0.8‥0.8‥0.95……0.999，腔链品质因数为7 900左右。

用电磁仿真软件计算得到每个腔的有效分路阻抗，则驻波加速管的加速腔链可等效为图1模型。

图1 驻波加速管的加速腔链等效模型

根据基尔霍夫定律[7]，第n个耦合回路的方程为：

根据回路参量L、C、M、R与可测微波参量单腔频率ω、品质因数Q、腔间耦合系数k、单位长度的分路阻抗Z、腔长D之间的关系，可以将公式（1）简化为：

1.3 最佳耦合度的选取

假设到达馈电窗的功率为P0，则进入加速管中的功率为：

其中，E0为加速结构中的场强幅值。

当加速管中有束流时，等效电路为图2。

图2 带束流负载的腔体等效谐振电路

其中，ZS=Z×T×T，为加速管的有效分路阻抗，T为加速管渡越因子，Ф为束流在射频场中占据的等效位相。

腔型优化后，整管渡越因子约为0.78，计算整管有效分路阻抗为112 MΩ/m，加速管入口处功率约为0.7 MW，注入束流420 mA，代入公式（8）可得，最佳耦合度为1.6。

2 腔体精密机械加工

X波段小焦点加速管的工作频率（9 300 MHz）远高于常规S 波段加速管（2 998 MHz），尺寸更是只有其四分之一，见图3。由于尺寸较小，X 波段小焦点加速管对加工精度和腔体表面光洁度的要求较S 波段加速管更高。经测算，腔体尺寸每变化0.01 mm，X 波段腔体频率的变化较S 波段大十几倍，变化更为敏感。

图3 S 波段与X 波段腔体尺寸对比

X 波段加速管腔体从无氧铜棒料开始到完成合格的腔体，中间需经过十几道工序，而影响其加工精度及表面光洁度的环节主要包括：腔体精车装卡时的变形，线切割时有机溶液对腔体表面的氧化，加速腔笑口人工去刺时工艺的一致性，数控车床的机械加工精度。因此，需要对现在的工艺进行优化修正，针对装卡卡盘重新设计软爪，并在现有加工工艺基础上进行工艺提升，需要进行的技术改进见图4。

图4 需要进行的技术改进

3 微波冷测与调谐技术

微波冷测与调谐是加速管研制过程中非常重要的工序，直接决定加速管的各项微波参数。由于X 波段加速管腔体尺寸较小，测量数据对天线探针尺寸及定位精度均很敏感。为此，我们专门制定了冷测探针和活塞来完成腔体的冷测。同时，在调腔过程中，由于管壁较薄、腔链长度较长，调腔过程很容易引起腔链的形变，最终导致腔链弯曲变形。为此，我们还专门制作了调腔挤压工具，最终完成了整管的调谐。整管通带曲线见图5，整管场分布曲线见图6。

图5 整管通带曲线

图6 整管场分布曲线

4 整管电真空工艺

腔体经过微波冷测与调谐后，便进入了电真空的制作环节。整管的电真空工艺是成管的关键技术之一，主要包括腔体与耦合器的高温钎焊、有机溶液清洗、退火热处理及电子枪、波导窗等元器件的氩弧焊与高温排气等。X 波段加速管的腔型对焊接的温度、焊料的选择均很敏感，需精心制定电真空工艺，最终焊接完成的加速管见图7。

图7 2 MeV-X 波段加速管

5 高功率测试

加速管制作完成后，采用我们搭建的X 波段高功率实验台进行热测，测试方法和工装部分参考了GB/T 20129-2015《无损检测用电子直线加速器》[8]，主要测试指标见表2。

表2 高功率热测数据

6 应用前景

目前，我们研制的这款2 MeV-X 波段小焦点加速管已成功应用于工业CT 无损探伤检测，由于采用了小焦点设计，其空间分辨率达到了5 LP/mm。另外，用加速器替代天然放射源也是一个趋势，如代替头部伽马刀的X 波段立体定向加速器放疗系统、内照射电子束放疗系统等，本研究成果稍加改进就可以满足此要求。因此，该加速管不论在放射治疗加速器领域还是工业无损探伤检测领域，均具有良好的市场前景。