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1、加速器概论,田新智 沈阳东软医疗系统有限公司,辐射的几个概念,标称能量 深度吸收剂量曲线（曲线） 照射野（定义） 吸收剂量 吸收剂量率（图1、图2）,GB15213-94,医用电子加速器性能及试验方法 国家计量检定规程（JJG589-2001） 正常治疗距离 标准试验条件 深度剂量曲线 射野,电子直线加速器原理,eU,U,微波电场,行波加速器原理,Z,E,行波加速器原理,1. 同步加速条件： 2. 盘荷波导：慢波 3. 加速相位：相振荡,色散,聚束段,俘获系数,束团 4. 聚焦线圈：洛伦兹力 （B0.15T） 5. 加速场强：正比于P的开方 6. 衰减系数：单位长度损耗的微波功率 7. 分流系
2、数：单位长度损耗的微波功率所能建立的加速场强的平方（50-60M/m） 8. 束流负载系数： 9. 填充时间：0.4-0.6s,行波加速器理,举例：L=170cm,E0=58kV/m,ZT=58M/m P0=1.22MW,I=140mA,=0.0025/cm We=6.8MeV,驻波加速器原理,Z,E,驻波加速器原理,1. 微波利用率提高 2. 类型（边耦合、轴耦合） 3. 工作于1/2模（图1、图2） 4. 谐振回路与外回路耦合度：c 5. Q值：高Q值，窄带工作 6. 建场时间：常,驻波加速器原理,能量： X射线剂量(cGy/min.m) 电子线剂量： 平均流强(s)： c：耦合系数,驻波
3、加速器原理,L=0.33m,ZS=85M/m,c=1.3 s=0,P0=2.2MW,=4s,F=250/s I=100mA，VS=6.56MW， JXS=1200cGy/min.m,行波与驻波加速器比较,1.微波效率 2.长度 3.脉冲宽度 4.频率特性 5.能谱（消色差系统） 6.电子枪 7.水冷系统 8.微波传输系统,束流传输系统,聚焦线圈 导向线圈 偏转线圈,加速管的工作特性与相关设计,调节能量及剂量的方式（仿真线电压，电子枪流强，重复频率） 脉冲宽度（4s，0.5-1%稳定度） 稳频电路（20kHz） 水冷系统（ 0.5-1） 测量系统（电压、电流、电磁兼容问题） 其它（如时序等）,微
4、波系统,组成：高功率微波源、微波传输系统 微波源： 磁控管（自激振荡器） 速调管（微波放大器） 传输系统： 功率馈入系统（波导窗） 隔离系统（四端环流器） 测量信号（入射波、反射波）,磁控管,自激振荡 组成：灯丝、阴极、阳极、谐振腔、磁铁、能量引出、调频机构、水冷 空间三场作用：恒定电场 恒定磁场 微波电场 结构,MG5193磁控管,1. 电子回轰 灯丝电压自动控制 待机状态：半压 预置状态：全压 出束时根据功率调整 2kW-半压 2.8kW-0压,MG5193磁控管,2. 工作参数 B=0.155T U=45kV I=110A P=2.6MW f=2998MHz,(功率调变曲线),MG519
5、3磁控管,3. 频率牵引 （磁场H及阳极电流I恒定，负载VSWR=1.5，反射相位0-2变化，引起其f的变化，选择良好的输出接口，有反射波隔离器件） 4. 电子频移 （磁场恒定，电流变化1A，引起的f变化，所以要求脉冲电压顶部变化小于1%） 5. 温度影响 50kHz/ -要求有水冷系统，而且在加高压之前水压、流量、温度等需正常。 -AFC系统,MG5193磁控管,6. 频率的稳定性 AFC-稳定频率的慢变化 7. 监控系统 阳极电流、水温、水流量、入射波测量、反射波测量、灯丝电压 8. 防止打火,MG5193磁控管,速调管,微波功率放大器，需微波激励源 增益高，输出功率大 稳定性好，寿命长
6、脉冲电压高（100kV） 设备庞大，配有专门的油箱,速调管,组成： 电子枪、输入腔、飘移管道、RF谐振腔、输出管道及波导窗、收集极、真空钛泵、聚焦线圈（图） 原理： 电子发射、速度调制、飘移管道（群聚）、RF谐振,微波传输线、器件,电磁波分类（f逐渐增加，逐渐减少） 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 软X射线 硬X射线 射线,微波传输线、器件,微波分类,医用电子直线加速器工作于S波段 术中放疗加速器工作于X波段,微波传输线、器件,电磁波传输特性： 自由空间中无损TEM波， 特征量-、f、T、 有损媒质中衰减TEM波,微波传输线、器件,微波传输的特点: 趋肤效应、辐射效应、延时效应更加明显
7、, 不能用任何形状传输线来传输； 微波元器件中电场、磁场共同存在，相互依托, 没有单独的R、L、C等集中元件； 测量参数不能用R、U、I等表示，而是f、P、等效阻抗等参数，普通放大器件不在适合，而用磁控管、速调管,微波传输线、器件,微波线频率特性,10M 30m,100M 3m,1000M 30cm,10G 3cm,100G 3mm,任意双线,平行双线,同轴线,波导管,微带线,介质波导,微波传输线、器件,加速器中采用的微波传输元件： 同轴线（小功率测量） 波导（大功率微波传输） 选择传输线、元器件时注意： 功率容量、衰减大小、频率特性、尺寸等 金属面对微波相当于光的反射镜 绝缘材料对微波相当于
8、光的透射镜,微波传输线、器件,波导传输特性 空心金属管-减少了辐射损耗、热损耗、高频介质损耗 不能传输TEM波-只能传输TE、TM 矩形波导中一般传输TE10 圆形波导中一般传输TM01 圆方转换波导中一般传输TE11,微波传输线、器件,微波传输线、器件,传输线的状态参量： 电压反射系数=(R-r)/(R+r) 电压驻波比（VSWR）R/r=(1+|)/(1-|) 功率反射系数P 式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数等于0，驻波比为1。这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。 =1，=0，P=0（行波状态、传输线与负载匹配）
9、=1.2，=0.1，P=1% =1.5，=0.2，P=4%,微波传输线、器件,1. 1/4阻抗倒转性 2. 1/2阻抗周期性,全反射传输线工作状态-驻波,微波传输线、器件,微波传输线的功率特性 最大传输功率与波导尺寸、工作频率、允许的最大电场强度有关； 提高耐受电场强度的方法： 充SF6气体（0.15-0.18MPa）,微波传输线、器件,传输元件的作用 定向传输-弯波导、角波导、扭波导 分配与合成-E-T分支、H-T分支 功率调配-衰减器、移相器 阻抗匹配-吸收负载、阻抗匹配器 定向耦合-定向耦合器、 波导桥 隔离去耦-隔离器、环流器 真空密封-波导窗、波导三通,微波传输线、器件,注意事项：
10、1. 防止波导系统打火 2. 防止发生反射 3. 选择元器件要考虑功率容量、电压驻波比 4. 四端环流器要考虑功率、工作频带、反向隔离系数、正向衰减系数 5. 波导窗陶瓷纯度要高、功率、电压驻波比 6. 监控参数（气压等）,脉冲调制器,向微波功率源提供脉冲电源 MG5193磁控管（U=45kV，I=110A，5s， Pout=2.6MW，Pin=6MW）,脉冲调制器,主要参数： 脉冲功率PM 调制器效率M 脉冲重复频率FM 脉冲波形 脉冲前沿、脉冲后沿c、脉冲的顶部波动系数G 脉冲宽度 占空比 平均功率,脉冲调制器,脉冲调制器,线形调制器组成电路（按主要元件分）： 直流高压电源、充电电感（充电
11、变压器） 充电二极管、仿真线、闸流管 脉冲变压器,脉冲调制器,线形调制器组成电路（按功能分）： 充电电路、放电电路、反峰电路 阻尼电路、稳幅电路（低Q电路） 截尖峰电路、匹配电路 灯丝供电电路、脉冲变压器、控制电路,脉冲调制器,仿真线（脉冲形成网络PFN）,充电电缆、等效电感电容链型结构、分立电感电容仿真线 匹配情况：匹配、正失配、负失配,脉冲调制器,L,L,L,L,L,C,C,C,C,C,脉冲形成网络（PFN）,特性阻抗,脉冲调制器,充电回路,脉冲调制器,充电回路,脉冲调制器,放电回路,脉冲调制器,放电回路 脉冲变压器等效阻抗RH（磁控管） 匹配时RH=输出功率最大，而且波形最理想,脉冲调制
12、器,闸流管（CX1159、CX1140） 灯丝 阴极 阳极 栅极,脉冲调制器,反峰电路,脉冲调制器,反峰电路（负载打火时保护）,脉冲调制器,阻尼电路（削尾电路）,脉冲调制器,RC削尖峰电路,脉冲调制器,稳幅电路（低Q电路）,脉冲调制器,脉冲变压器 升高电压 实现阻抗匹配 改变输出电压极性 隔离调制器与负载之间的直流电位,脉冲调制器,脉冲变压器要点 铁芯-高导磁材料、体积要小、损耗要小 变比不能太大-减少分布电容 充油-提高耐压 磁控管灯丝有悬浮高压 同时给电子强提供电压,脉冲调制器,脉冲调制器,保护 充电过载-主闸流管连通、重复频率过高 反峰过载-磁控管打火、微波系统打火、加速管 打火、元件故障 联锁,脉冲调制器,定型调制器要点,结构形式 供电系统方案 高压直流电源方式 重要元器件的选择 其它形式的调制器,