1、医学物理医用直线加速器原理医学物理课程内容 医用直线加速器原理 微波原理 射线准直系统系统 高压系统 控制系统 运动系统 辅助系统医学物理电磁波谱医学物理带电粒子加速器简介什么是带电粒子加速器? “带电粒子加速器是用人工方法借助于各种不同形态的电场，将各种不同种类的带电粒子加速到较高能量的电磁装置。”医学物理带电粒子在静电场中的加速QQ医学物理带电粒子加速器的基本组成1. 带电粒子源2. 带电粒子加速器装置3. 加速带电粒子的功率源系统及其他辅助系统4. 束流引出及应用系统医学物理 带电粒子加速器原理 直流高压电场加速 1. 高压倍压加速器 2. 静电加速器 3. 串列静电加速器F=dp/dt
2、=qEE = r/e0qE医学物理 早期直线加速器的概念医学物理NS带电粒子在磁场中的运动恒定磁场不能加速或加速电子磁场的作用：改变电子传输方向 聚焦 压缩束团等随时间变化的磁场，产生感应电场，可以加速电子感应加速器医学物理 劳伦斯与回旋加速器 美国科学家劳伦斯受R.Wideroe的启发，1929年发明了回旋加速器。1932年，美国Ernest Orlando Lawrence 建成1.22MeV的回旋加速器。医学物理医用回旋加速器医学物理医学物理回旋加速器原理2rfzmkTqeBK=1, 3, 5.近似条件下的同步医学物理相位移动及极限能量回旋加速器极限能量 回旋加速器加速能量的提高受到被加
3、速粒子质量相对论性增加的限制0221mmvc2czmTqeB 带电粒子在被加速的过程中，其质量越来越大。在轴向磁场一定的情况下，从而导致其回旋周期越来越长。医学物理相位移动Tc=TrfTcTrfTcTrff=w tV(f)=Vacos(f)f=w tV(f)=Vacos(f) 由于粒子质量相对论增长，导致粒子的回旋周期增大，从而粒子所在的加速相位移动。医学物理谐振加速原理rfckTqeBmT2改变磁场随 r 增大等时性回旋加速器加速电场的周期随粒子质量增大稳相加速器倍频系数随粒子质量增大电子回旋加速器医学物理实芯磁铁圆型加速器发展所受限制cmvrqeB3g Wcr轨道半径磁铁重量医学物理举例
4、* 芝加哥大学170英寸稳相加速器磁场系统示意图34504.324004500(4.5)2400102400000pcgpgWM eVDWWM eVG eVW米吨若即吨吨怎么办？环形轨道加速器！医学物理 质子同步加速器 平衡轨道半径R恒定 轨道磁场随粒子能量增加而增大 加速电场频率随粒子速度加快而增大 质子的静止能量 938MeVWe（质子动能）=1 GeVg（相对论能量）= We/E0+1=2.066b（相对论速度）= sqrt(g2-1)/g =0.8751医学物理医用同步加速器医学物理医用直线加速器医学物理 电子直线加速器 发展的条件：二次大战中，高功率微波源及雷达技术的迅速发展1) 行
5、波型电子直线加速器& 二战后，大约十个小组独立发明和研究射频电子直线加 速器& 领先的两个小组： （1）D.D.Fry 领导，英，TRE研究所，1946年11月建成，0.5MeV （2）W.W.Hansen 领导，美，Stanford 大学，1947年建成，1.7MeV医学物理医用行波电子直线加速器医学物理380V AC44kV11kV 电子直线加速器结构医学物理行波加速海滩匹配的吸收负载电子与微波同步（慢波）无反射波医学物理* 寻找有纵向电场分量定向传播电磁波 * 圆波导中01TM模场相位传播速度 PvC * 要能有效加速电子，必须把01TM模的相位传播速度慢下来 * 盘荷波导慢波结构 圆波
6、导中的TM01模式医学物理盘荷波导加速管 在圆波导周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠这些膜片的反射作用，可使中孔部分传播的电磁场相位传播速度慢下来。甚至慢到光速以下，以实现对电子的同步加速。这种加速结构是一种慢波结构，常称为盘荷波导加速管。设行波电场的强度为EZ ， 处于波峰上的电子，经 L 距离后，获得的能量为WeELez医学物理行波加速管结构前端束流孔径由大变小，盘片间距由小变大聚束段后面的束流孔径、盘片间距保持不变光速段医学物理微波电场加速电子+谐振腔 TM010模微波频率为3GHz，即电场在1s内，方向变化30亿次电子电场幅值为负时，得到加速；电场为正，电子减速一个微波周期一个电子束团微
7、波在光滑波导中的传输速度大于光速，必须采用慢波结构医学物理相运动 电子相对波的相位不严格同步，就会 产生电子相对波相位的运动 相运动 单位距离上电子的能量增益 平衡相位 ssinezsdWeEdz医学物理相位会聚任务的提出及聚束器的作用 从电子枪注入的电子在相位上 (即在360内) 是均匀分布的。电子枪注入的脉冲波形馈入的微波功率在加速管中激励起的电磁场振荡的波形医学物理相振荡曲线不同相位入射的电子相振荡的情况医学物理不同相位入射的电子能量增长曲线医学物理电子在行波加速管中，不断相聚的形象描述医学物理外加螺线管磁场的聚焦作用 Fe VBe医学物理电子在纵向聚焦磁场作用下做螺旋线运动医学物理驻波
8、加速结构磁轴耦合驻波加速结构耦合腔变薄提高加速梯度微波传输通过边上的耦合孔（腰子孔）；束流孔径只是电子的通道，对微波截止。分流阻抗高，RF聚焦性能好。工作于p/2模，耦合腔场强为0医学物理边耦合驻波加速结构 三十多年间，美瓦里安公司、德国西门子、日本三菱和我国北京医疗器械研究所等生产的医用加速器都采用边耦合驻波加速结构。医学物理驻波加速管结构 美国瓦里安公司Clinac-4医用加速器4MeV边耦合驻波加速管的剖面图Varian 6MV加速管医学物理驻波加速器原理 驻波微波电场的形成及驻波加速 盘荷波导加速管两端接短路路面（金属短路板），微波在两短路面间来回反射，如果加速管的长度合适，各反射波和
9、入射波相位一致，相互加强，则在管内能形成驻波。 p 模工作的驻波腔链场分布的示意图医学物理 向前行波和向后行波合成驻波的示意图医学物理医学物理驻波加速结构与行波加速结构相比， 在能量增益方面的好处 驻波加速结构中可利用的微波功率可有所提高。 在行波结构中，终端的微波功率的消耗在终端吸收负载上； 在驻波结构中，由于终端短路剩余功率全部反射， 只要相位合适，多次反射的功率可对加速有贡献。 驻加速结构，可利用的功率提高 的因子。141Le4481(1)LLLooooPPP eP ePe 医学物理能量增益 驻波加速结构的能量增益可提高 倍 如 则 即可获得的能量增益提高了34%。 若 t 值小，即驻波
10、加速结构比较短时，在能量增益方面的好处就较明显。 驻波加速结构的腔型还可以优化，使其分流阻抗明显高于行波结构。142(1)e14142 (1)1.8,11.34ee02L医学物理双周期磁轴耦合驻波加速结构 自上世纪七十年代后期，加拿大，中国（清华大学），俄罗 斯，印度都在发展双周期磁轴耦合驻波加速结构。 清华大学和信息产业部电子第十二研究所合作为广东威达医疗器械股份有限份司及山东新华医疗器械股份有限公司提供上述加速管壹佰多根，从事生产医用加速器壹佰多台。没有边腔，结构简单，加工焊接方便医学物理边耦合驻波加速管医学物理 频率特性 行波加速管的频率特性 由于盘荷波导是一个带通的强烈色散部件,在一定
11、频率范围内的微波功率是能馈入行波加速管的,但频率变化相速变化失去同步电子相对波滑相能量下降(甚至不能加速) 一般医用行波加速器要求频率稳定度控制在 这涉及到AFC系统及冷却水温控制系统(ATC)稳定度( DT 0.51.0C)BJ-10医用行波加速器的频率特性曲线51003103000ZZfKHfMH医学物理驻波加速管的频率特性 由于驻波加速腔链具有很高的Q值,是一个窄带(点频)工作部件,频率的微小变化都影响馈入的功率,从而影 响束流能量.下式给出频率变化对束流能量的变化.222 (2-166)LooVfQVffVfVL- 5ZxZ式中 Q- 外观品质因数 6000 60K HJ如 = 2.
12、010时, 则有3%= 9% 3000M HJ 因此一般驻波加速器的频率稳定度要求达到.o20 f3000ZZfKHMH 时0.5TC 医学物理日本三菱公司ML-4M医用驻波电子直线加速器的频率特性曲线医学物理束流偏转系统医学物理束流传输系统 束流传输系统的主要组成:电子枪 ，聚焦线圈，导向线圈，偏转系统（90偏转，270偏转）， 靶（电子窗）医学物理导向线圈的位置及结构医学物理偏转方案 90偏转医学物理 270偏转均匀磁场的270消色差偏转系统医学物理 270整体式偏转系统清华大学参加研制的，北京医疗器械研究所，广东威达医疗股份公司生产的14MeV医用驻波加速器上采用。医学物理 滑雪式270
13、消色差三磁铁偏转系统南京大学研制成功上述系统并应用于16MeV医用电子直线加速器上医学物理 270 偏转磁铁型，消色差系统医学物理偏转系统对剂量空间分布的影响医学物理微波系统医学物理微波Wave Length医学物理X射线与可见光医学物理微波的不同波段医学物理1.2 微波的产生 常用的微波功率源 磁控管：微波振荡源 速调管：微波放大器 其它 返波管 行波管 回旋管医学物理微波产生医学物理磁控管的基本构造及工作原理医学物理多腔磁控管的基本构造医学物理能量输出装置能量输出装置医学物理磁钢磁钢医学物理调频机构调频机构冷却冷却医学物理 多腔磁控管的基本工作原理,.)2 , 1 , 0()21(mTmt
14、几个重要概念：临界状态型振荡同步条件eHvmr0,.)2 , 1 , 0(2nNn医学物理 多腔磁控管的基本工作原理电子群聚脉冲工作医学物理医学物理 磁控管的使用脉冲磁控管振荡器的工作稳定性突然改变磁控管工作状态管内放气磁控管的灯丝预热不足、阳极电流过大1)提高真空度2)纯化阴极3)改变发射的不均匀2.阳极电压、磁场和负载变化对磁控管工作的影响 老练的作用：1.管子打火问题3.温度变化对磁控管工作的影响医学物理 磁控管的使用磁控管振荡器的频率稳定问题1)慢变化2)快变化医学物理医学物理Principle of Klystrons医学物理束流限制装置医学物理MLC系统医学物理MLC系统医学物理U
15、pper Jaw ReplacementElekta Leaves Upper Mini Diaphragm Lower Diaphragm医学物理Lower Jaw Replacement医学物理外置MLC -Varian医学物理Positioning Mechanism / Precision医学物理MLC Design Leaf Ends医学物理MLC Design Rounded Leaf Ends医学物理Transmission Summary医学物理Leaf Travel -Elekta医学物理Leaf Travel - Varian医学物理Acceptance Testing,
16、Commissioning and Quality Assurance Alignment of Mechanical and optical axes Leaf position calibration, leaf travel characteristics, as a function of collimator and gantry position Follower jaw calibration Transmission characteristics Interlocks Field shaping software, data transfer, reproduction of
17、 standard shapes Dosimetric comparison with treatment planning system医学物理参考文献参考文献 Peter Metcalfe The Physics of Radiotherapy X-Rays from Linear Accelerators Faiz M. Khan The Physics of Radiation Therapy Timothy D. Solberg Field shaping, Design Characteristics and Dosimetry Issues 胡逸民胡逸民 肿瘤放射物理学肿瘤放射物理学 顾顾本广本广 医用加速器医用加速器 唐传祥唐传祥 带电粒子加速器原理带电粒子加速器原理
