醫(yī)用電子直線加速器的工作原理與維修保養(yǎng)

龔睿

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院資產(chǎn)管理處 （云南昆明 650032）

醫(yī)用電子直線加速器是腫瘤放射治療的主要設(shè)備，可根據(jù)微波加速電子方式的不同分為行波加速器和駐波加速器[1]。目前，國(guó)際上流行的是以醫(yī)科達(dá)公司為代表的行波直線加速器和以瓦里安公司為代表的駐波直線加速器。隨著我國(guó)醫(yī)療事業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)用電子直線加速器在各大、中城市醫(yī)院的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及[2]。該設(shè)備系統(tǒng)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求極高，所以要求維修人員必須深入了解其工作原理、熟悉各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理、正確規(guī)范地進(jìn)行維修保養(yǎng)，才能使其更好地為患者服務(wù)。本研究主要介紹醫(yī)用電子直線加速器的工作原理與維修保養(yǎng)方法，供同行參考。

1 工作原理

醫(yī)用電子直線加速器的工作原理：在加速管內(nèi)建立電磁場(chǎng)，電子注入加速管后，在微波電磁場(chǎng)的作用下不斷加速，并以接近光速的速度出束。

注入加速管的微波是以行波和駐波兩種方式建立加速電場(chǎng)的，因此，加速器分為行波加速器和駐波加速器。

1.1 行波加速的原理

行波是指在加速管內(nèi)一直沿著軸線方向單向傳播，到達(dá)加速管末端而不被反射回來(lái)的電磁波（被吸收負(fù)載吸收）。行波電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向是隨時(shí)間和空間交替變化的。在同一時(shí)刻，沿加速管軸線不同位置的電場(chǎng)方向有的與加速運(yùn)動(dòng)的方向一致，有的則相反。電場(chǎng)隨時(shí)間以波的形式向前傳播。由圖1可知，行波在不斷向前傳播的過(guò)程中，行波電場(chǎng)不斷給電子以加速的力，這時(shí)波在前進(jìn)，電子也在前進(jìn)，而行波電場(chǎng)又是隨時(shí)間和距離交替變化的。在這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)滿足同步加速條件時(shí)，電子在行波電場(chǎng)的作用下速度越來(lái)越快，與不斷加快的電子的速度保持相等。這樣電子能始終受到一個(gè)加速電場(chǎng)的作用力。當(dāng)電子速度逐漸趨近光速時(shí)，波也以接近光速的速度前進(jìn)。如果配合得合適，可以使電子對(duì)于波的相位始終維持在波峰附近，在整個(gè)加速過(guò)程中，電子始終停留在波峰上。

圖1 行波電場(chǎng)沿加速管隨時(shí)間、空間的變化

1.2 駐波加速的原理

駐波是前進(jìn)波和反射波同步疊加合成的一種波。與行波相比，駐波的包絡(luò)線是原地不動(dòng)的，包絡(luò)內(nèi)的點(diǎn)隨時(shí)間從正到最大值到零又到負(fù)的最大值，成周期性的變化。

1.2.1 模式π/2結(jié)構(gòu)的基本思想

將在模式π/2只起耦合作用的腔，從束流軸線上移開(kāi)，移到加速腔的邊上，耦合腔留下來(lái)的空間為加速腔所擴(kuò)展，加速腔通過(guò)邊孔和耦合腔耦合。其結(jié)構(gòu)即有模式π 的效率，又有模式π/2的穩(wěn)定性。由于這種邊耦合駐波結(jié)構(gòu)分流阻抗高、穩(wěn)定性好、尺寸公差要求松，因此很快即被應(yīng)用，做成合適的電子結(jié)構(gòu)，使電子駐波加速器的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段。

1.2.2 模式π/2駐波加速的原理

由圖2可知，1#腔中的電場(chǎng)隨時(shí)間逐漸從小到大，而方向又正好合適加速電子時(shí)，2#腔電場(chǎng)的方向卻是減速的，但稍后，當(dāng)1#腔的電場(chǎng)隨時(shí)間變到負(fù)值時(shí)（減速方向），2#腔的電場(chǎng)方向變得正好合適加速電子。因此，可以設(shè)想，如果讓電子在1#腔中的電場(chǎng)由負(fù)變正的瞬間（場(chǎng)強(qiáng)正是加速方向）注入其中，電子在前進(jìn)時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)不斷增加，電子不斷獲得能量，場(chǎng)強(qiáng)到達(dá)峰值時(shí)，電子也正好到達(dá)腔的中央。其后，電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)開(kāi)始下降，電子在后半腔中飛行，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)開(kāi)始由正變負(fù)時(shí)，電子正好飛出此腔進(jìn)入下一腔。此時(shí)，2#腔的場(chǎng)強(qiáng)正好由負(fù)變正，電子在2#腔中又能繼續(xù)加速獲得能量。如果可以實(shí)現(xiàn)以上安排，則電子可以不斷獲得能量，此即駐波加速的原理。

圖2 駐波電場(chǎng)沿加速管隨時(shí)間、空間的變化

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

醫(yī)用電子直線加速器由8個(gè)系統(tǒng)組成，即1加速管、2微波功率傳輸系統(tǒng)、3電子槍及束流系統(tǒng)、4真空系統(tǒng)、5應(yīng)用系統(tǒng)、6調(diào)制柜、7水冷系統(tǒng)、8運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 加速管

加速管是電子直線加速器的核心，可分為行波加速管和駐波加速管[3]。

行波加速管是一段盤(pán)荷波導(dǎo)，由在一段光滑的盤(pán)型波導(dǎo)上周期性地放置具有中孔的圓形膜片組成，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)慢波結(jié)構(gòu)。

駐波加速管是由一系列相互耦合的諧振腔組成，在邊耦合駐波結(jié)構(gòu)的加速管中，不起加速作用的耦合腔從束流經(jīng)過(guò)的軸線上移至軸線外，在束流經(jīng)過(guò)的路徑上都是加速腔，此種加速管加速效率高，平均場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)140 kV/m。

2.2 微波功率傳輸系統(tǒng)

微波功率傳輸系統(tǒng)主要由隔離器、取樣波導(dǎo)、波導(dǎo)窗、輸入輸出耦合器、終端吸收負(fù)載、頻率自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)組成，主要作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都符合技術(shù)要求的微波，并將其有效地送入加速管，對(duì)電子進(jìn)行加速。

2.3 電子槍及束流系統(tǒng)

電子槍的主要作用是向加速管發(fā)射電子。行波加速器的電子槍一般采用鎢、釷鎢等作陰極材料，而駐波加速器的電子槍由于真空要求較高而用氧化物陰極。電子槍和加速管焊為一體。

束流系統(tǒng)又分偏轉(zhuǎn)磁鐵和聚焦線圈。偏轉(zhuǎn)磁鐵主要是使從加速管出來(lái)的電子按要求的角度偏轉(zhuǎn)，可偏轉(zhuǎn)90°或270°。聚焦線圈的主要作用是使電子束流聚焦，以提高電子的加速效率。

2.4 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是為了使電子能量在加速器中不因和空氣分子碰撞而損失。為了提高加速管及波導(dǎo)管內(nèi)高頻電場(chǎng)的擊穿強(qiáng)度，整個(gè)加速系統(tǒng)要維持高真空。行波加速器的真空系統(tǒng)一般是半可拆卸式的，靜態(tài)真空可達(dá)133.322×10-7Pa。駐波加速管的真空是全密封結(jié)構(gòu)，不可拆卸，靜態(tài)真空高達(dá)133.322×10-8Pa 以上，一般用油散離子泵來(lái)維持。

2.5 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)主要包括控制臺(tái)、照射頭和治療床。照射頭里裝有X 線靶、準(zhǔn)直器、散射膜、均整器、電離室、上下光欄等，以便提供照射野內(nèi)滿意的均勻度及所需各種類(lèi)型的照射。

2.6 調(diào)制柜

調(diào)制柜包括兩部分：一部分是電源分電系統(tǒng)，將配電柜送來(lái)的380 V 市電根據(jù)加速器各部分對(duì)電源的不同要求經(jīng)變壓或穩(wěn)壓處理后分配到相應(yīng)的部分；一部分是脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（pulse forming network，PFN），即將PFN 產(chǎn)生的脈沖高壓送到速調(diào)管上，對(duì)微波進(jìn)行功率放大。

2.7 水冷系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)外循環(huán)冷卻加速器內(nèi)的各種發(fā)熱部件，如加速管、偏轉(zhuǎn)磁鐵、磁控管（速調(diào)管）、X 線靶。2.8 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括照射頭、射束上下?lián)鯄K、機(jī)架、治療床等，通過(guò)這些部件的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成治療任務(wù)。

3 整體結(jié)構(gòu)

3.1 駐波加速器的整體結(jié)構(gòu)

駐波加速器由控制臺(tái)、調(diào)制柜、立柱、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、治療床等部件組成，見(jiàn)圖4。

圖4 駐波加速器的整體結(jié)構(gòu)

3.2 加速器加速電子的工作過(guò)程

醫(yī)用電子直線加速器加速電子的工作過(guò)程如下：由控制臺(tái)觸發(fā)器產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖觸發(fā)調(diào)制器，使其產(chǎn)生一系列負(fù)的脈沖高壓加到速調(diào)管的陰極，速調(diào)管將射頻脈功率源產(chǎn)生的微波進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)系統(tǒng)將微波送到加速管中，并在加速管中產(chǎn)生所需的加速電場(chǎng)；同時(shí)，來(lái)自電子槍的電子經(jīng)過(guò)電子透鏡聚焦以一定的初速度（0.3～0.5 倍的光速）注入加速管的軸線上，在微波電場(chǎng)的作用下加速電子；被加速的電子經(jīng)過(guò)加速管中的聚焦線圈聚焦后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁鐵，在偏轉(zhuǎn)磁鐵中，電子束經(jīng)過(guò)270°的偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)0.1 mm 厚的鈦窗打到鎢靶上產(chǎn)生X 線；經(jīng)過(guò)閃射膜、均整器，再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器、精準(zhǔn)過(guò)濾器、電離室及鉛門(mén)，射到躺在治療床上的患者的病灶上，完成整個(gè)出束治療過(guò)程；如將靶和散射膜移開(kāi)，就產(chǎn)生治療用的電子線。

4 醫(yī)用電子直線加速器的維修與保養(yǎng)

由于醫(yī)用電子直線加速器是由多個(gè)系統(tǒng)組成的大型精密醫(yī)療設(shè)備，它對(duì)輸出劑量的精確度、射線的平坦度、對(duì)稱性和穩(wěn)定性都有極嚴(yán)的要求[4]。無(wú)論哪一個(gè)系統(tǒng)故障都可能危及患者的生命安全或?qū)υO(shè)備本身產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。因此，維修人員必須嚴(yán)格按照廠家提供的維修手冊(cè)中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行維修保養(yǎng)[5]，雖然不同機(jī)型、不同廠家的規(guī)定有所不同，但一般可按以下幾條進(jìn)行：（1）每天治療前，維修人員必須按有關(guān)規(guī)定，測(cè)試相關(guān)指標(biāo)，測(cè)試合格后，簽字交操作人員進(jìn)行治療；（2）每周必須有1 d 的停機(jī)檢修時(shí)間，根據(jù)操作人員反映的情況進(jìn)行檢查修理，然后由專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)劑量的物理人員對(duì)輸出劑量進(jìn)行校正調(diào)整；（3）每月對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行檢查，對(duì)各個(gè)輸出能量指標(biāo)進(jìn)行檢查調(diào)整；（4）每季度必須進(jìn)行例行檢查，按照廠家維修手冊(cè)規(guī)定的例行檢查項(xiàng)目進(jìn)行檢查調(diào)整；（5）每半年必須更換內(nèi)循環(huán)水、除濕劑和一些易損零件，對(duì)運(yùn)動(dòng)部分緊固，加潤(rùn)滑油，并對(duì)各輸出能量的能量深度、對(duì)稱性、平坦度等中心進(jìn)行檢查調(diào)整；（6）由于加速器是靠離子泵來(lái)維持真空的，停電時(shí)離子泵即停止工作，長(zhǎng)時(shí)間停電可能導(dǎo)致整個(gè)真空系統(tǒng)的破壞，因此，維修人員應(yīng)及時(shí)處理，停電時(shí)間最長(zhǎng)不能超過(guò)24 h；（7）當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制臺(tái)一般可顯示故障大概范圍，維修人員可以根據(jù)此信息確定故障系統(tǒng)，進(jìn)行分析處理；（8）當(dāng)遇到設(shè)備不出束又無(wú)故障顯示時(shí)，維修人員可根據(jù)設(shè)備有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)或波形進(jìn)行測(cè)試，首先判斷故障的大概部位及系統(tǒng)，逐漸分析判斷，直至查出具體故障元件。

5 小結(jié)

醫(yī)用電子直線加速器是一種技術(shù)復(fù)雜的故障率較高的大型醫(yī)療設(shè)備，是多學(xué)科的綜合體，涉及核物理、放射物理、超高真空、精密加工、脈沖、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)等多種學(xué)科的技術(shù)，對(duì)精度要求極高。因此，維修人員必須具備深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、豐富的工作經(jīng)驗(yàn)、高度負(fù)責(zé)的工作精神，熟悉加速器各系統(tǒng)的工作原理，遵守嚴(yán)格規(guī)范的維修保養(yǎng)制度，將設(shè)備調(diào)試到最佳工作狀態(tài)，以保證設(shè)備安全可靠地為患者服務(wù)

［參考文獻(xiàn)］

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