醫用電子直線加速器的工作原理與維修保養

龔睿

昆明醫科大學第一附屬醫院資產管理處 （云南昆明 650032）

醫用電子直線加速器是腫瘤放射治療的主要設備，可根據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，國際上流行的是以醫科達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。隨著我國醫療事業的快速發展，醫用電子直線加速器在各大、中城市醫院的應用已經相當普及[2]。該設備系統多、結構復雜、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、熟悉各系統的結構和工作原理、正確規范地進行維修保養，才能使其更好地為患者服務。本研究主要介紹醫用電子直線加速器的工作原理與維修保養方法，供同行參考。

1 工作原理

醫用電子直線加速器的工作原理：在加速管內建立電磁場，電子注入加速管后，在微波電磁場的作用下不斷加速，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一直沿著軸線方向單向傳播，到達加速管末端而不被反射回來的電磁波（被吸收負載吸收）。行波電磁場的強度和方向是隨時間和空間交替變化的。在同一時刻，沿加速管軸線不同位置的電場方向有的與加速運動的方向一致，有的則相反。電場隨時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程中，行波電場不斷給電子以加速的力，這時波在前進，電子也在前進，而行波電場又是隨時間和距離交替變化的。在這一運動過程中，當滿足同步加速條件時，電子在行波電場的作用下速度越來越快，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加速電場的作用力。當電子速度逐漸趨近光速時，波也以接近光速的速度前進。如果配合得合適，可以使電子對于波的相位始終維持在波峰附近，在整個加速過程中，電子始終停留在波峰上。

圖1 行波電場沿加速管隨時間、空間的變化

1.2 駐波加速的原理

駐波是前進波和反射波同步疊加合成的一種波。與行波相比，駐波的包絡線是原地不動的，包絡內的點隨時間從正到最大值到零又到負的最大值，成周期性的變化。

1.2.1 模式π/2結構的基本思想

將在模式π/2只起耦合作用的腔，從束流軸線上移開，移到加速腔的邊上，耦合腔留下來的空間為加速腔所擴展，加速腔通過邊孔和耦合腔耦合。其結構即有模式π 的效率，又有模式π/2的穩定性。由于這種邊耦合駐波結構分流阻抗高、穩定性好、尺寸公差要求松，因此很快即被應用，做成合適的電子結構，使電子駐波加速器的發展進入一個新的階段。

1.2.2 模式π/2駐波加速的原理

由圖2可知，1#腔中的電場隨時間逐漸從小到大，而方向又正好合適加速電子時，2#腔電場的方向卻是減速的，但稍后，當1#腔的電場隨時間變到負值時（減速方向），2#腔的電場方向變得正好合適加速電子。因此，可以設想，如果讓電子在1#腔中的電場由負變正的瞬間（場強正是加速方向）注入其中，電子在前進時，場強不斷增加，電子不斷獲得能量，場強到達峰值時，電子也正好到達腔的中央。其后，電場的場強開始下降，電子在后半腔中飛行，當場強開始由正變負時，電子正好飛出此腔進入下一腔。此時，2#腔的場強正好由負變正，電子在2#腔中又能繼續加速獲得能量。如果可以實現以上安排，則電子可以不斷獲得能量，此即駐波加速的原理。

圖2 駐波電場沿加速管隨時間、空間的變化

2 系統結構

醫用電子直線加速器由8個系統組成，即1加速管、2微波功率傳輸系統、3電子槍及束流系統、4真空系統、5應用系統、6調制柜、7水冷系統、8運動系統，見圖3。

圖3 系統結構

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荷波導，由在一段光滑的盤型波導上周期性地放置具有中孔的圓形膜片組成，其實質上是一個慢波結構。

駐波加速管是由一系列相互耦合的諧振腔組成，在邊耦合駐波結構的加速管中，不起加速作用的耦合腔從束流經過的軸線上移至軸線外，在束流經過的路徑上都是加速腔，此種加速管加速效率高，平均場強可達140 kV/m。

2.2 微波功率傳輸系統

微波功率傳輸系統主要由隔離器、取樣波導、波導窗、輸入輸出耦合器、終端吸收負載、頻率自動穩定系統組成，主要作用是產生一個頻率和相位都符合技術要求的微波，并將其有效地送入加速管，對電子進行加速。

2.3 電子槍及束流系統

電子槍的主要作用是向加速管發射電子。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。

束流系統又分偏轉磁鐵和聚焦線圈。偏轉磁鐵主要是使從加速管出來的電子按要求的角度偏轉，可偏轉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

真空系統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管內高頻電場的擊穿強度，整個加速系統要維持高真空。行波加速器的真空系統一般是半可拆卸式的，靜態真空可達133.322×10-7Pa。駐波加速管的真空是全密封結構，不可拆卸，靜態真空高達133.322×10-8Pa 以上，一般用油散離子泵來維持。

2.5 應用系統

應用系統主要包括控制臺、照射頭和治療床。照射頭里裝有X 線靶、準直器、散射膜、均整器、電離室、上下光欄等，以便提供照射野內滿意的均勻度及所需各種類型的照射。

2.6 調制柜

調制柜包括兩部分：一部分是電源分電系統，將配電柜送來的380 V 市電根據加速器各部分對電源的不同要求經變壓或穩壓處理后分配到相應的部分；一部分是脈沖形成網絡（pulse forming network，PFN），即將PFN 產生的脈沖高壓送到速調管上，對微波進行功率放大。

2.7 水冷系統

水冷系統通過內外循環冷卻加速器內的各種發熱部件，如加速管、偏轉磁鐵、磁控管（速調管）、X 線靶。2.8 運動系統運動系統包括照射頭、射束上下擋塊、機架、治療床等，通過這些部件的運動來完成治療任務。

3 整體結構

3.1 駐波加速器的整體結構

駐波加速器由控制臺、調制柜、立柱、旋轉機架、治療床等部件組成，見圖4。

圖4 駐波加速器的整體結構

3.2 加速器加速電子的工作過程

醫用電子直線加速器加速電子的工作過程如下：由控制臺觸發器產生的觸發脈沖觸發調制器，使其產生一系列負的脈沖高壓加到速調管的陰極，速調管將射頻脈功率源產生的微波進行放大，經過波導系統將微波送到加速管中，并在加速管中產生所需的加速電場；同時，來自電子槍的電子經過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，在微波電場的作用下加速電子；被加速的電子經過加速管中的聚焦線圈聚焦后進入偏轉磁鐵，在偏轉磁鐵中，電子束經過270°的偏轉，經過0.1 mm 厚的鈦窗打到鎢靶上產生X 線；經過閃射膜、均整器，再經過準直器、精準過濾器、電離室及鉛門，射到躺在治療床上的患者的病灶上，完成整個出束治療過程；如將靶和散射膜移開，就產生治療用的電子線。

4 醫用電子直線加速器的維修與保養

由于醫用電子直線加速器是由多個系統組成的大型精密醫療設備，它對輸出劑量的精確度、射線的平坦度、對稱性和穩定性都有極嚴的要求[4]。無論哪一個系統故障都可能危及患者的生命安全或對設備本身產生嚴重的損壞。因此，維修人員必須嚴格按照廠家提供的維修手冊中的有關規定進行維修保養[5]，雖然不同機型、不同廠家的規定有所不同，但一般可按以下幾條進行：（1）每天治療前，維修人員必須按有關規定，測試相關指標，測試合格后，簽字交操作人員進行治療；（2）每周必須有1 d 的停機檢修時間，根據操作人員反映的情況進行檢查修理，然后由專門負責劑量的物理人員對輸出劑量進行校正調整；（3）每月對各系統進行檢查，對各個輸出能量指標進行檢查調整；（4）每季度必須進行例行檢查，按照廠家維修手冊規定的例行檢查項目進行檢查調整；（5）每半年必須更換內循環水、除濕劑和一些易損零件，對運動部分緊固，加潤滑油，并對各輸出能量的能量深度、對稱性、平坦度等中心進行檢查調整；（6）由于加速器是靠離子泵來維持真空的，停電時離子泵即停止工作，長時間停電可能導致整個真空系統的破壞，因此，維修人員應及時處理，停電時間最長不能超過24 h；（7）當設備出現故障時，控制臺一般可顯示故障大概范圍，維修人員可以根據此信息確定故障系統，進行分析處理；（8）當遇到設備不出束又無故障顯示時，維修人員可根據設備有關的標準參數或波形進行測試，首先判斷故障的大概部位及系統，逐漸分析判斷，直至查出具體故障元件。

5 小結

醫用電子直線加速器是一種技術復雜的故障率較高的大型醫療設備，是多學科的綜合體，涉及核物理、放射物理、超高真空、精密加工、脈沖、自動控制、計算機、電子學等多種學科的技術，對精度要求極高。因此，維修人員必須具備深厚的專業知識、豐富的工作經驗、高度負責的工作精神，熟悉加速器各系統的工作原理，遵守嚴格規范的維修保養制度，將設備調試到最佳工作狀態，以保證設備安全可靠地為患者服務

［參考文獻］

［1］ 管吉，楊樹欣，管葉，等.醫用電子直線加速器的技術應用與研究[J].中國醫學裝備，2014，11（7）：24-26.

［2］ 許鋒，陳薇薇.醫用直線加速器技術簡述[J].中國醫療設備，2011，26（4）：85-86，32.

［3］ 周懷恒，陳雄，楊康基.醫用直線加速器的基本結構和日常保養[J].醫療裝備，2016，29（3）：80-81.

［4］ 王杰，張玉海，王康，等.醫用直線加速器的設備維護及治療安全[J].中國醫療設備，2012，27（6）：20-22.

［5］ 李亮，陳勇，徐鈺梅，等.Varian23EX 醫用直線加速器故障分析與維修策略探究[J].醫療裝備，2016，29（2）：66-67.