瓦里安加速器核心的特点

瓦里安医用直线加速器的特点加速器核心部件1.核心结构核心结构是指产生射线的几个高频高压真空部件，包括：A.微波源－产生3GHz频率（每秒30亿个脉冲）的大功率微波，是电子加速的策动源，主要采用磁控管震荡器或速调管放大器；B.电子枪－发射电子，供加速管对电子进行加速加能；是数字化控制加速器的关键部件；C.加速管－也有称“波导管”，用于对由电子枪发出的电子，在微波振荡的控制下进行加速增能，以达到所需的电子能量。(1)速调管和磁控管的差别大功率磁控管震荡器在早期的雷达系统中发挥了重要作用，为雷达技术的顺利发展和二次大战的胜利作出了重要贡献。在功率为兆瓦级以下时，磁控管能达到较好的性能，并能满足对其物理尺寸和轻便性的要求。因此，磁控管仍可应用于军用机载、移动雷达系统中。但磁控管在高功率运行时，未能表现出高效率、高增益和高稳定性。在现代大功率远程雷达中，已找不到磁控管的踪影。瓦里安公司于1937年发明的微波速调管，在近六十年的雷达应用中被证实，具有高的平均和峰值功率、高增益、高效率、高稳定性和低噪声，在兆瓦级或更高的输出功率时，具有很好的性能表现。在中能和高能医用直线加速器中，微波源的输出功率一般达到五兆瓦以上。此时，磁控管的缺点主要在高功率时出现：1)自激谐波。由于磁控管为“自激震荡式微波发生器”，同时施职发生微波和放大微波的功能。在较大功率的运行状态下，易产生谐波震荡，使微波频率和输出不稳定，导致加速器的输出束流不稳定，影响治疗；2)频率稳定性差。在磁控管中，是用谐振腔内的马达的旋转来调节微波输出频率。由于马达的驱动存在有时间延迟误差和旋转定位误差，因此，磁控管对微波频率的稳定性的精确控制能力较差。3)功率容量低。在产生为高能电子加速所需的微波功率方面，由于磁控管的工作效率低，输出容量较难胜任大功率的要求，无法胜任临床上采用高能电子线的治疗；4)寿命短。在大功率输出工作时，磁控管的运行寿命只有1000至4000工作小时左右，经常需要更换，导致设备的维护成本上升，和影响疗程的安排实施。因此，磁控管微波源只适用于低能单光子的医用直线加速器。一般具有十几兆伏能量输出的加速器，应该采用速调管来作为微波源，以满足大功率运行条件下对高性能和长寿命的要求。速调管实际上是一个高效率和高稳定性的微波功率放大器。只要输入很低功率的微波信号，速调管就能将该微波放大到兆瓦级的输出功率。很低功率的微波来源于“微波震荡器”。瓦里安将该“微波震荡器”设计成固态电路形式，应用现代微波固态电路技术和电子反馈控制技术，使微波震荡器输出的微波具有非常稳定的震荡幅度和频率。瓦里安公司于三十年代开发的该“放大器与震荡器分离”的技术原理，直接影响了现代无线电通讯技术中的“本振－谐振－选频”基本原理的建立，是对整个现代电子技术发展的重要贡献。在医用直线加速器中采用速调管后，微波震荡器与功率放大器分离，各自实现最佳性能，从而达到了高输出功率、高稳定性，高效率、和长寿命的目的。瓦里安Clinac2100SC，2100C/D、2300C/D等中能、高能医用直线加速器中的速调管，是集中了瓦里安公司发明速调管以来六十年的多项专利技术和军工生产经验而制造的，束电流小，而功率输出的效率最高，具有5.5MW的功率容量，在长时间高能状态下运行时，仍然能表现出优异的性能。(2)加速管核心结构中的加速管，是用来对电子进行加速，以获得所需的电子能量。评价一个加速管的最重要的指标是加速效率及运行平稳性。瓦里安公司的V.A.Vaguine博士于1977年发明了目前加速效率最高的“交插边耦合型”加速管，称为“第三代驻波加速结构”。这一发明是对加速器理论和技术的重要贡献。该型加速管的加速效率非常突出，最高能量梯度达到583KeV/cm，最大场强接近200MV/m。参见下表：三代驻波加速结构比较有效分流阻抗k/m最高能量梯度keV/cm工作能量梯度keV/cm发明者第一代：单周期结构4410029.5MIT第二代：双周边耦结构78197145LASL第三代：交插边耦结构83583400VARIANMIT:麻省理工学院LASL:美国洛斯阿拉莫斯科学实验室VARIAN:美国瓦里安公司瓦里安的该型加速管是所有加速管类型中加速效率最高的，也是长度最短的。只有瓦里安的加速器才安装有该类型的加速管。采用“交插边耦合型”结构的加速管有什么好处呢？1)加速管内加速间隙中的单位距离的电场场强越高，电子的迁移速度越快，那么在单位距离内，电子所获得的能量就越大，以满足高能输出的要求。2)由于加速效率高，缩短加速管的长度后，仍然能够提高电子能量；同时可以减少加速管的耦合腔的数量，使高能射线的输出平稳性得到增强，输出波束的能量梯度更加集中，束流更加平稳。在瓦里安的Clinac600C型低能单光子加速器中采用的该型加速管结构，由于加速效率高，加速管的长度大大缩短（只有30cm长），可以把加速管直接安装于射线中轴上，不需要磁偏转系统，从而减少了系统的复杂性，提高了射线输出效率和运行的可靠性。3)因为在一个相同功率的微波脉冲策动下，电子通过该加速管时所获得的能量较通常有很大的增加，故微波功率的利用率得到较大的提高，有利于减轻对速调管的功率容量要求，（因此在相同射线能量输出的情况下，瓦里安速调管的功率输出较其他厂家为低），使速调管从容地输出更大的功率容量来应付大剂量和长时间运行的需要，有利于延长加速管和速调管的使用寿命。但高能量梯度的加速管对真空的要求相应地提高了。由举世闻名的瓦里安真空泵来维持加速管内的真空，确保加速管内的真空度始终超过10-7Torr，保证电子束在通过高能量梯度的加速管时，损失的能量最少。高真空度和高稳定性的真空泵，是瓦里安高能量梯度加速管达到设计运行指标的关键保证之一。该“交插边耦合型”结构的加速管的加工工艺极其严格和复杂。全世界只有瓦里安公司以其专利制造技术实现了批量生产能力，专供瓦里安加速器安装使用。(3)电子枪电子枪是核心结构中的一个非常重要的真空部件。电子枪用来发射电子，供加速管对电子进行加速。瓦里安加速器使用的电子枪的与众不同之处在于：1)真正数字化控制。瓦里安的电子枪为三极管结构。其中一个电极为控制栅极。由计算机控制系统对该栅极上脉冲时序进行调控，可以很方便地快速调节输出剂量率和波束的开关。这对于动态适形照射是非常重要的。这一“电子枪数字化伺服”系统，是加速器全数字化控制的核心。目前，全世界只有瓦里安公司实现这一重要功能。2)电子枪的电子发射阴极为平面型饱和钍钨电极，使输出的电子束具有非常对称的横向分布。由于采用饱和电解性的电极材料，具有较强的抗电解（抗老化）作用。最近，瓦里安公司又发明了电子束“backheating”技术，实现了电极材料对电解作用的“自免疫”能力，使电子枪具有很长的使用寿命。3)另外一个重要特点是，为可拆卸式，即可与加速管分离。只需简单地操作，即能方便快速地更换电子枪，有效地减少了维修时间和维修成本。总之，上述的这三个核心部件：微波源、加速管和电子枪，在技术和性能上的优劣，将决定整个加速器的技术水平、运行可靠性和使用寿命，以及加速器的临床适应性，也决定了用户的投资可靠性。