醫用電子直線加速器的技術應用與研究

管 吉 楊樹欣 管 葉 高 磊 楊 震 詹寧波

醫用電子直線加速器的技術應用與研究

管 吉①楊樹欣①管 葉②高 磊①楊 震①詹寧波①

目的：分析研究醫用電子直線加速器的設計原理，定性、定量地解析研究加速器的技術關鍵，深入探索加速器的核心細節。方法：應用總分類的邏輯思路，從國內腫瘤情勢的分布、行業的需求及放射治療設備本身的技術發展，研究分析醫用加速器的工作原理、技術應用、設計細節。結果：醫用電子加速器電子的獲得、微波加速及內部環境支撐，其核心是微波類型的應用，而且加速管的結構至關重要。結論：駐波電子直線加速器較行波電子直線加速器的發展晚，是由于穩定的加速電子結構和技術不成熟所致。巧妙的新型邊耦合加速結構，為加速器的研究提供了技術支持與保障。

放射治療設備；醫用電子直線加速器；設計；技術維護

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, The No.302 Military Hospital, Beijing100039, China.

據統計，惡性腫瘤是我國城市居民最主要的死亡原因之一。放射治療、化學藥物治療和手術治療是現階段腫瘤治療的三大手段。1932年北京醫學院附屬醫院最早在我國用深部X射線治療機開展腫瘤放射治療；1958年中國醫學科學院腫瘤醫院建立并籌建了新中國的放射治療科[1]。放射治療學科的發展除與放射物理學和放射生物學的發展有關外，還與放射治療設備的不斷發展和完善分不開。用于放射治療所需的設備主要包括放射線束產生裝置、模擬定位機、治療計劃系統以及其他各種附件等。

1 醫用電子加速器概述

兆瓦級的脈沖大功率振蕩管-磁控管的研制成功，使得科技人員對微波的認識不斷加深，也使得控制技術不斷完善。研究人員充分注意到電子加速本身具有鮮明的特點，即一經加速，電子的速度隨即可達到光速，而電磁波在真空中的傳播速度也等于光速，二者相一致，使得利用直線傳播的微波電場加速電子成為可能。加速器就是利用電磁場將帶電粒子加速到較高能量的裝置。加速器是一門多專業交叉融合的綜合性學科，涉及到加速器物理和眾多高尖技術，包括射頻微波、電磁場、電源、超高真空、精密機械、電子學、計算機及網絡、自動控制、束流診斷、輻射防護以及低溫超導等。加速器可利用被加速后的高能粒子轟擊不同材料的靶物質，產生次級粒子，如X射線、中子和介子束等[2]。

目前，醫用加速器按照加速的粒子不同，可分為醫用電子加速器、醫用質子加速器、醫用重離子加速器及中子加速器等。質子加速器和重離子加速器有其各自的特點，質子加速器與離子加速器有時又統稱為強子加速器[3]。

2 醫用電子加速器原理設計與研究

2.1 電子直線加速器的分類與現狀

隨著電子直線加速器的迅速發展，醫用電子直線加速器得到迅猛發展，其技術不斷完善，運行更加可靠[4]。從4～8 MeV中低能醫用電子直線加速器已發展到18～25 MeV高能電子直線加速器；從生產單一行波醫用電子直線加速器，發展到行波和駐波同時生產的醫用電子直線加速器。醫用電子加速器又分為醫用電子直線加速器、醫用電子感應加速器及醫用電子回旋加速器[5]。醫用電子直線加速器按照加速電子的微波電場的不同，可分為醫用行波電子直線加速器，醫用駐波電子直線加速器。醫用電子直線加速器按照所產生的輻射能量可分為高能加速器和低能加速器，低能加速器通常只提供一種能量的X射線，能量為4～6 MV，高能加速器除提供低能X射線外，還提供高能X射線和5～6 MV檔能量的電子輻射。按粒子的加速軌道形狀可分為直線加速器和回旋加速器；按被加速后粒子能量的高低可分為低能加速器(能量＜1000 MeV)、中能加速器(100～1000 MeV)、高能加速器(1000～100 000 000 MeV)和超高能加速器(＞1000 GeV)；按加速電場所在的頻段可分為靜電加速器、高頻加速器和微波加速器[6]。目前在放射治療中使用最多的是電子直線加速器。

近10余年，電子計算機的發展已深入到各個領域，且應用于醫用電子直線加速器，進一步提高了電子直線加速器運行的可靠性和治療的準確性，使操作既簡單又安全。同時，計算機驗證系統、適形治療系統、故障檢索系統以及遠程通訊系統等先進技術已在電子直線加速器中得到應用。

2.2 電子直線加速器的加速原理解析

(1)加速電場及電子能量的獲得。帶電粒子加速器是用人工方法借助不同形態的電場，將各種不同種類的帶電粒子加速到更高能量的電磁裝置，常稱為“粒子加速器”，簡稱“加速器”。電子直線加速器是利用微波電磁場加速電子并且具有直線運動軌道的加速裝置[7]。電子直線加速器的加速方式有兩種：行波加速方式和駐波加速方式(如圖1所示)。

圖1 顯示，電子只能在加速縫隙D中得到加速。設想加速系統能與電子相同的速度前進運動，電子一直處于加速縫中則加速能夠持續[8]。研究人員提出了圓波導管中可激勵一種具有縱向分量的電場，以用來加速電子；但磁場在圓波導管中傳播的相速度大于光速；要想利用該電場來同步加速電子，需設法使磁場傳播的相速度慢下來[9]。在圓波導管中周期性插入帶中孔的圓形膜片，依靠膜片的反射作用，使電磁場傳播的相速度慢下來，實現對電子的同步加速。這種波導管被稱為盤荷波導(disk-1oaded waveguide)加速管，取圓形膜片對波導管加載之意[10]。

(2)駐波加速原理分析。駐波電子直線加速器較行波電子直線加速器的發展晚，其原因是穩定的加速電子的結構和技術不成熟。1964年美國Los A1amos科學實驗室研制成功了一種新的駐波加速結構-邊耦合加速結構，為駐波加速原理的應用提供了技術基礎[11]。美國瓦里安公司首先將邊耦合加速結構應用于制造小型電子直線加速器，此后醫用駐波電子加速器得到迅速的發展，并將此技術應用于高能醫用電子直線加速器。無論哪種駐波加速結構，均可視為系列以一定方式耦合起來的諧振腔鏈，在諧振腔軸線上有可使電子通過的中孔，在腔中建立起隨時間振蕩的軸向電場，軸上電場的大小和方向隨時間交變，而這種振蕩的包絡線均為原地不動，故稱為駐波。軸線上的中孔既是束流通道又是實現腔間耦合的耦合孔，因每個腔內場大小及方向隨時間交變，而出現場強最大值和零值的地方不隨時間變化[12](如圖2所示)。

圖2 盤荷波導形成的駐波加速場分布

圖2 顯示，加速管結構中所有腔體都諧振在一個頻率上，相鄰兩腔間的距離為D，腔間電場相位差為電子在一個腔飛躍的時間t＝D/c，等于加速管中電磁場振蕩的半周期，電子的飛躍時間與加速電場更換方向時間一致，從而能持續加速。這種加速模型被稱為駐波加速[13]。

(3)行波加速原理分析。醫用行波電子直線加速器的核心是行波加速管，之所以能加速電子是因為其不但具有電場的縱向分量，而且是慢波，能將電磁波的相位傳播速度慢至光速，甚至光速以下[14]。在盤荷波導中微波電磁場以波的形式沿軸線方向(Z軸)向前傳播(如圖3所示)。

圖3 盤荷波導中電子相對于波的位置示意圖

行波加速原理的核心是電子速度和行波相速之間滿足同步條件，即Vp(Z)≈V(Z)電子在行波電場作用下速度不斷增加，要求行波電場的傳播速度也同步增加，以對電子施加有效的作用。若同步條件被破壞，電場則不能對電子施加有效的加速，如電子落入減速相位，電子會受到減速[15]。沿加速管電子的動能呈線性增長，但電子速度很快(接近光速)，因此當加速能量＞2 MeV的電子時，行波電場的速度不變(等于光速)，即用結構均勻的盤荷波導即可持續加速電子，從而簡化了盤荷波導管的設計和加工。行波電場的強度和方向隨時間和軸上的位置交變。行波加速是在行波電場不斷向前傳播的過程中，行波電場不斷給電子以加速力。在動態過程中電子能夠受到電場的加速作用，只有當電子落入加速相位時才能受到加速。若電子相對行波場落入減速相位，電子則失去能量[16](如圖4所示)。

圖4 電子相對于行波電場的相位關系圖

2.3 行波加速技術的解決方法

(1)通過改變盤荷波導的尺寸，尤其是改變皺折深度可控制行波電場傳播速度Vp(Z)，使之與電子速度V(Z)同步，從而實現行波加速。在同步加速過程中，當電子速度逐漸接近光速時波的速度可設計為等于光速，維持電子始終處于波峰附近，不斷獲得能量。

(2)行波加速管結構-盤荷波導微波在盤荷波導中傳播的速度(相速度)與盤荷波導內徑(b)和金屬膜片孔徑(a)之差(b-a)、膜片孔徑、膜片的間距以及膜片厚度(h)等相關，可通過調節其尺寸來控制相速度以滿足同步加速的條件。因此，一根特定的加速管是針對一定的工作頻率來設計加工調整的。當此頻率的微波功率饋入該加速管后，在其中所激勵起的行波電場其相速度Vp(Z)會按設計要求增長，滿足Vp(Z)≈V(Z)條件。如果饋入盤荷波導加速管的微波工作頻率偏離所設計的頻率，其傳播的相速度會發生變化，影響電子直線加速器的工作。

(3)相速度與盤荷波導幾何尺寸的關系是一個重要參量。盤荷波導幾何尺寸主要包括波導內徑(b)、膜片孔徑(a)、膜片間距(D)及膜片厚度(h)等。其中，膜片厚度(h)對相速度影響不靈敏。通過合理設計膜片機械應力強度以及膜片內孔圓弧倒角附近高頻電擊穿強度來限定膜片的厚度。在確定盤荷波導尺寸時膜片厚度是可選擇的參量，可從設計原理上解決相速度問題(如圖5所示)。 3 結語

圖5 盤荷波導幾何尺寸

隨著精確放射治療技術的迅速發展，加速器需求不斷增加，對于大型質子加速器的研究近年來趨于發展高潮，但是相對電子類型加速器較為落后；加速器家族的各類設備優點各不相同，電子類加速器是目前使用最廣泛的。隨著我國散裂中子源的建設、質子和(或)重離子治療項目得到越來越多的重視以及加速器驅動的次臨界系統方面的發展，加速器的發展迎來了很好的發展機遇。在研究醫用電子直線加速器的過程中發現合理的設計技術模式，會提高加速器設備的使用價值，延長設備使用壽命，有效降低設備故障率，保證臨床服務的順利進行，從而保障腫瘤治療的質量。

[1]張明.電子直線加速器控制系統的相關研究[D].南京大學，2012.

[2]徐文俊.基于PLC的電子槍控制系統研制[D].南京大學，2012.

[3]趙云.基于微納金屬線柵的光纖傳感器[D].南京大學，2012.

[4]過國忠，過敏敏.我國成功研制S波段電子直線加速器[N].科技日報，2011-05-23.

[5]李斌.低電壓磁控管的設計[D].電子科技大學，2011.

[6]張志強，鐘勇，于曉娟，等.速調管信道調諧技術的研究[C].中國電子學會真空電子學分會第十八屆學術年會論文集，2011.

[7]陳佳洱.加速器物理基礎[M].北京：原子能出版社，1993.

[8]劉海旭.速調管非對稱雙間隙輸出腔及輸出回路研究[D].廣東工業大學，2011.

[9]羅小為.新型電子直線加速器改良與測試[D].中國科學技術大學，2010.

[10]謝家麟.加速器與科技創新[M].北京：清華大學出版社，2000.

[11]柘江.醫用電子直線加速器的自動頻率控制系統設計[D].南京理工大學，2011.

[12]程敬海.放射治療設備[D].上海理工大學醫療器械學院，2009.

[13]趙明華，林國強，鐘少鵬，等.上海光源150 MeV電子直線加速器的設計與調試[J].中國物理，2008(S1)：244-246.

[14]李冬.10 MeV緊湊型回旋加速器高頻功率源的設計與實現[D].華中科技大學，2011.

[15]張秀文，張永壽，鄭慶海，等.醫用電子直線加速器基本原理與職業防護[J].中國醫學裝備，2012，9(4)：18-22.

[16]史海如，周紅艷.5.5 MW工業輻照用速調管[C].中國電子學會真空電子學分會第十八屆學術年會論文集，2011.

Application and research on medical electron linear accelerator technology

GUAN Ji, YANG Shu-xin, GUAN Ye, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):24-26.

Objective:The most effective means of treating malignant tumor is to effective and reasonable use medical accelerator, which is the invention and application of the greatest human at present. The analysis of the design principle of medical electron linear accelerator, the technical details of the qualitative and quantitative analysis of the accelerator, let us explore the core details of accelerator. Methods: Application logic thinking score, from tumor form of distribution to the needs of the industry and the development of the equipment itself, to study the working principle, medical accelerator technology, design details. Thus for daily work, whether it is design or technical repair, can find inspiration from, we can in-depth system learn accelerator treatmentResults: The technology point of order a masterstroke, medical electron accelerator from electronic access to microwave accelerated to the internal environment, the core is the application of microwave type, but also is of vital importance of the accelerating tube, the structure behind the support and application technique, which is to explore a microscopic world, reveal the mystery behind the huge monster for us. Conclusion: The development of standing wave electron linear accelerator is traveling wave electron linear accelerator is later, and not withstanding wave accelerating electron ideas and theories come late, but stable accelerator structure and electronic technology has not mature. A new edge coupled acceleration ingenious structure, solve problems for the application of the principle of standing wave accelerator. Provide technical support and guarantee for the research and progress of accelerator.

Radiation therapy equipment; Medical electron linear accelerator; Design; Technical maintenance

1672-8270(2014)07-0024-03

R812

A

管吉，男，(1990- )，本科學歷，技師。解放軍第302醫院醫學工程保障管理中心，從事醫療設備維修和質量控制管理工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.008

2014-01-16

①解放軍第302醫院醫學工程保障管理中心 北京 100039

②解放軍總醫院門診眼科 北京 100853