醫(yī)用電子加速器

1、醫(yī)用電子加速器,歷史回顧,最早是在1932年提出。1937年，1MV Van de Graaff靜電加速器； （美國的波士頓huntington醫(yī)院） 1943提出電子感應(yīng)加速器。1949年，20MV 感應(yīng)加速器；（高能X射線，高能電子束）（美國Urbana醫(yī)院）（我國70年代初） 1944年V.I.veksler 提出電子回旋加速器。70年代初，22MeV 回旋加速器。（瑞典） 1946年提出行波直線加速器

2、。1952年，8MV 直線加速器。（英國Hammersmith醫(yī)院）（我國首臺醫(yī)用10MV直線加速器于1978年誕生）,電子感應(yīng)加速器,電子感應(yīng)加速器的基本結(jié)構(gòu)是一個抽有真空的環(huán)形真空盒，位于上下兩個電磁鐵構(gòu)成的鐵極內(nèi)電磁鐵上的激勵線圈通以公頻或三倍頻的正弦波電壓。被加速的電子以幾十keV的初始能量進入軌道。,電子直線加速器,直線加速器是最早發(fā)明的一種諧振式加速器，人們?yōu)榱丝朔邏杭铀倨魉龅降睦щy，探索了使帶電粒子連續(xù)多次通過一個電壓

3、不很高的加速電場來獲得高能的方法。1928年威德羅（Widroe）建成了第一個直線諧振加速度。,當(dāng)正離子經(jīng)過加速間隙 a處時，間隙間的高頻電場正好使它加速，隨后離子進入漂移管，高頻電場也正好變換極性（漂移管內(nèi)電場=0），當(dāng)離子到達間隙b,時又正好被加速，這樣經(jīng)過幾個加速間隙所獲得的總動能為,( 是離子通過加速間隙中心時，加速電壓的相角),( 是離子通過加速間隙中心時，加速電壓的相角),這種直線加速器的漂移管長度 隨能

4、量 增大而加長，使整個裝置變得非常龐大.縮短加速器長度的途徑是提高高頻電壓的頻率，第二次世界大戰(zhàn)后，超高頻微波技術(shù)的發(fā)展，使之成為可能。,(一) 加速原理,加速管實際上是一個微波波導(dǎo)管，由一組圓柱形的諧振腔組成，每個諧振腔的直徑為10cm，長度為2.5cm～5cm。建立的電磁場為TM010波，電場沿軸向分布，磁場沿橫向分布。,采用微波電場把電子加速到高能的裝置。要求微波的相位變化要與電子的速度同步匹配，即要求電磁波電場分量的相位變

5、化在電子到達時必須指向前進的方向。,圖4-15 射頻電子直線加速器中加速電場的建立 (a) 行波加速 (b)駐波加速,振動頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加時，就產(chǎn)生駐波。 駐波形成時，空間各處的介質(zhì)點或物理量只在原位置附近做振動，波停駐不前，而沒有行波的感覺，所以稱為駐波。形成駐波時，各處介質(zhì)質(zhì)點或物理量以不同的振幅振動。振幅最大處叫波腹，振幅最小處即看上去靜止不動

6、處叫波節(jié)。相鄰兩個波節(jié)或波腹之間的距離是半個波長。 波在介質(zhì)中傳播時不斷向前推進，故稱行波,圖4-16 射頻電子直線加速器加速原理,假設(shè)有一電子e在t1時刻處于A點，電子正好處于電場加速力的作用下，開始向前運動。 至t2時刻電子到達B點，此時由于電波也“向前”移動（實際上是電場在各點的幅值隨時間的變化）,(a) 行波加速,行波加速,電子在t2時刻，正好又處于加速電場的作用下。如果波的移動速度和電子的運

7、動速度一致，那么電子將持續(xù)受到電場的加速。但由于這種波的傳播速度（相速度）大于光束，即永遠大于電子的運動速度，為此必須將波速減慢。在波導(dǎo)管內(nèi)加上許多圓盤狀光欄，改變圓盤間的距離可以改變波的傳播速度（相速度）。,這種以圓盤光欄為負荷來減慢行波相速的波導(dǎo)管稱為“盤荷波導(dǎo)管”。在開始階段，由于電子的速度較小，因此間距小些，使波的傳播速度慢些，隨著電子速度的增加，慢慢增加間距，使波速也隨之加快并到達光速，之后保持間距不變。這種波稱為行波，利用這

8、種波加速電子的加速器稱為行波電子直線加速器,駐波加速,適當(dāng)調(diào)節(jié)反射波的相位和速度，可以產(chǎn)生駐波。利用駐波來加速電子的直線加速器稱為駐波電子直線加速器。,駐波的產(chǎn)生,圖4-16 射頻電子直線加速器加速原理,(b)駐波加速,t1時刻電子受到電場的作用向前加速運動；t2時刻電場處處為零，電子此時并不加速；t3時刻電場正好反向，但電子已經(jīng)運動,到它的后半周，又處于加速電場作用下得到加速；t4時刻電場由反向恢復(fù)到零，電子不被加速,在t1和t2時刻

9、之間，由于電場由正向零變化（即幅值變?。┒辔徊蛔?，此時位于t1，t2間的電子仍然受著加速場的作用而累增其能量，在其它時刻的電子也與此類似。 這種加速器由于利用了行波的反射波，因此功率消耗比行波的要小，所以得到同樣能量的加速器其長度可以進一步縮短，這在醫(yī)療上是理想的，因此近年來有較大的發(fā)展，但其制造工藝較復(fù)雜，成本較高。,典型的醫(yī)用行波電子直線加速器,工作原理：如下圖，脈沖調(diào)制器從外部電源獲得能量并轉(zhuǎn)換為脈沖寬度為幾微秒

10、、電壓幾十千伏的脈沖，同時加到磁控制管（或速調(diào)管）和電子槍。電子槍中的電子經(jīng)陽極和陰極間的脈沖負高壓（45kV左右）的作用進入加速管。與此同時，磁控管或速調(diào)管經(jīng)波導(dǎo)管將高功率的微波送入加速管，電子束被加速到所需要的能量后，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)，直接引出（電子束治療）或打靶（X射線治療）。 治療頭（與治療有關(guān)的重要附屬設(shè)備）,擴大和均勻射野 對X射線治療，在射線路徑上加均整器； 對電子束治療，換成散射片輸出劑量由薄壁穿

11、射電離室監(jiān)測，其優(yōu)點可以減少電子束中的X射線污染和能量損失。,治療頭（與治療有關(guān)的重要附屬設(shè)備）,（二）X射線、電子束的能量,目前市場上主要有三種機型： （1） 低能單光子（4～6MV）直線加速器 （2）低能單光子（6MV）帶電子束直線加速器 （3）（中）高能單（雙）光子帶電子束直線加速器 臨床經(jīng)驗證明，約80％的深部腫瘤 6MV X射線可滿足要求，對某些較深部位（如腹部）的腫瘤，使用較高能量的X射線（如16

12、～18MV）。 高能電子束適合治療較淺的偏體位腫瘤，其電子能量以4～20MeV范圍較好。靶區(qū)后緣深度1～6cm,圖4-19 醫(yī)用直線加速器治療頭,（三）束流的均整、擴散及準(zhǔn)直,（2）電子束的擴散 直接引出的電子束大約為直徑3mm的筆形束，必須經(jīng)散射片將其擴散到滿足一定均勻性的治療射野范圍。 散射片通常用銅或鉛制成，其厚度選擇應(yīng)使絕大多數(shù)電子被散射而不是產(chǎn)生軔致輻射。,（1）X射線的

13、均整,靶材料為鎢、鉑金等，厚度要足以完全吸收入射的高能電子。 X射線均整器：4～20MV 范圍的X射線，使在治療距離處得到大約35～40cm大小的滿足一定平坦度和對稱性要求的治療用射野。均整器常用鉛制作。,（3）準(zhǔn)直器 X射線要經(jīng)過兩級準(zhǔn)直才到達治療部位。 一級準(zhǔn)直器位于加速管電子引出窗口下、大小固定不變，為X射線、電子束所共用。 二級準(zhǔn)直器是可變的。,（四）束流的監(jiān)

14、測,電子經(jīng)引出窗→（X線靶）→一級準(zhǔn)直→均整或散射或掃描的（X射線和電子束） →監(jiān)測電離室→二級或三級準(zhǔn)直器→ （電子線限光筒）→患者 監(jiān)測電離室：由幾個或一個多電極電離室組成。多數(shù)使用穿射型平板電離室，其大小應(yīng)覆蓋整個治療射野，少數(shù)使用指形電離室。電離室的功能：是監(jiān)測X射線、電子束的劑量率、積分劑量和射野的對稱性。 驗收時和平時定期進行測量和校準(zhǔn)。,注意：測量和校對只對治療范圍

15、內(nèi)使用的劑量率有效。 超過此范圍時劑量儀不能跟隨劑量率的變化而出現(xiàn)錯誤計數(shù)，造成劑量不準(zhǔn)甚至是放射性事故。加速器制造廠家設(shè)定了超劑量率限位聯(lián)鎖，一旦機器輸出劑量率超出預(yù)先設(shè)定的范圍，聯(lián)鎖啟動，自動切斷高壓。醫(yī)院的物理師和工程師要每周檢查其功能，確保治療的安全進行。,（五）直線加速器的優(yōu)缺點,電子回旋加速器,電子回旋加速器因電子在位于電磁鐵極間的圓形真空盒內(nèi)作 圓周運動而得名。電子由電子源注入到加速諧振腔，它被磁控管通過隔離