醫(yī)用電子直線加速器電子槍工作原理與故障排除

陳俊

【摘 要】電子槍是醫(yī)用電子直線加速器中的重要部件之一，醫(yī)用電子直線加速器的射線指標(biāo)好壞直接受電子槍產(chǎn)生的電子注的好壞影響。文章主要介紹了醫(yī)用電子直線加速器電子槍的工作原理和2例常見故障的分析與排除。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)用電子直線加速器；電子槍；原理；故障

【中圖分類號】R197.39 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）09-0073-03

醫(yī)用電子直線加速器是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上的一種對惡性腫瘤進(jìn)行放射治療的主要裝置，電子槍是醫(yī)用電子直線加速器的電子源，電子槍產(chǎn)生的電子注注入加速管中產(chǎn)生治療所需的加速器電子束。電子槍是加速器中的重要部件之一，醫(yī)用電子直線加速器的射線指標(biāo)的好壞直接受電子槍產(chǎn)生的電子注的好壞影響，一臺加速器的使用壽命也直接影響電子槍的壽命，而電子槍的壽命又主要取決于它的陰極。當(dāng)電子槍陰極損壞時，加速管就會停止工作。所以，了解電子槍及其陰極的工作原理對維修及維護(hù)加速器非常重要。

1 電子槍的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電子槍的基本結(jié)構(gòu)與分類

（1）按電子注的形狀分類的不同，電子槍可以分為以下3種類型（如圖1所示）：①平行注電子槍；②軸對稱收斂電子注球型電子槍；③平面對稱收斂電子注圓柱形電子槍。醫(yī)用電子直線加速器所用的電子槍一般均為軸對稱收斂電子注電子槍。

（2）按電極數(shù)分類，電子槍可以分為二極槍和三極槍2種。這2種電子槍均由電子的發(fā)射極即陰極、電子注形狀的限制極即聚焦極和電子的加速引出極即陽極組成。二極槍的結(jié)構(gòu)如圖2所示。三級槍利用柵極控制原理，在二極槍的設(shè)計基礎(chǔ)上，增加一個控制極（柵極）。利用設(shè)置柵極來控制電子注流的電子槍稱為柵控槍或三級槍，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在電子槍工作時，當(dāng)陰極受到加熱，電子從陰極發(fā)射出來，在聚焦極或柵極作用下，將與由陽極和電子注本身的空間電荷建立的靜電場發(fā)生作用，形成具有一定形狀、密度的電子注，從陽極的小孔射出，進(jìn)入加速器的加速管，經(jīng)加速管加速、偏轉(zhuǎn)、均整后形成治療所需的射線束。

1.2 電子槍的基本參數(shù)

電子槍的基本參數(shù)如下。①導(dǎo)流系數(shù)：它表征電子注空間電荷的大??；②注腰：它表征電子注中截面積半徑最小的處的半徑；③面積壓縮比：它是陰極面積與注腰截面積之比，也是注腰平均電流密度與陰極的發(fā)射平均電流密度之比；④射程：它表征電子槍陽極頭部到注腰之間的距離；⑤層流：電子注的層流性是一個定性的概念，它對于電子注的流通率、散焦有較大的影響。

1.3 強(qiáng)流電子槍

加速管對電子槍要求其發(fā)射的電子注必須具有良好的層流性，還要求其發(fā)射的電子注具有一定的注入流強(qiáng)、注入電壓及足夠的射程、一定的注入角和注腰半徑等。

（1）球型二極電子槍：這類電子槍的設(shè)計，首次獲得成功的是用皮爾斯方法設(shè)計的電子槍，稱為皮爾斯槍。它利用形狀簡單的二極管的陰極與陽極之間的電子流來形成電子注。軸對稱收斂電子注球型電子槍，設(shè)有2個同心球面形成的球形二極管[如圖1的（b）所示]。這種球形二極管中，電子沿著半徑方向做直線運(yùn)動。

（2）柵控電子槍，一般是在二極槍設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加一個控制極即柵極。當(dāng)柵極對陰極加上一個不大的負(fù)電壓（截止偏壓VCO）時，使陰極發(fā)射截止。柵控電子槍的作用是控制、調(diào)節(jié)電子槍的發(fā)射電流，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定加速器的流強(qiáng)，改變加速器的能量的目的。而且，控制柵極的電壓要求是一個不是很大的正電壓，能夠輕易地控制電子注流的形成。這樣相對于球型二極電子槍，柵控電子槍的陽極電壓就不需要變化，可以采用一個固定的直流高壓，不需要脈沖調(diào)壓來改變陽極電壓，這樣對于陽極的直流高壓電源就要求不高，電路的設(shè)計簡單、容易實現(xiàn)。

人們加設(shè)的控制極，通常有3種形式，它們分別是孔柵槍、針柵槍、網(wǎng)柵槍（如圖4所示）。

目前，醫(yī)用加速器使用最多的是網(wǎng)柵槍。對柵控槍的設(shè)計，通常是先按照二極槍的設(shè)計方法，設(shè)計1只二極槍，然后根據(jù)計算給出的等勢面形狀，在其1%～3%范圍內(nèi)的某一等勢面上，放置柵網(wǎng)來獲得柵控槍。由于柵網(wǎng)是放置在距離陰極很近的地方（如圖5所示），它受到陰極加熱和電子轟擊的影響，導(dǎo)致柵極處于較高的溫度下，并有可能產(chǎn)生熱發(fā)射（特別是當(dāng)陰極發(fā)射物質(zhì)蒸發(fā)到柵網(wǎng)上時）。同時，柵網(wǎng)在受到陰極電子回轟時要產(chǎn)生二次發(fā)射，這2種電子都將影響電子注的形狀。在設(shè)計和材料選擇上要考慮到這些情況，減少對電子注的影響。在網(wǎng)柵槍柵極的材料選擇上，可以選擇逸出功較大的耐熱金屬（鉬、鎢和鈦），同時可選用金或石墨等材料，鍍在柵網(wǎng)表面，用于降低柵網(wǎng)的二次發(fā)射。此外，高溫下的柵網(wǎng)容易變形，而陰極容易蒸發(fā)，二者均將影響電子注的性能，因此盡可能地采用低溫陰極。

1.4 電子槍的陰極

電子槍陰極發(fā)出的電子形成電子注，陰極是電子槍的關(guān)鍵部件之一，它決定電子槍的發(fā)射能力和壽命。陰極是一種固體，當(dāng)把陰極加熱到一定的溫度時，其中一部分電子的能量就足以克服表面勢的壁壘逃逸出體外進(jìn)入真空，這樣的發(fā)射叫做熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射體被稱為熱陰極。熱陰極分為直熱式、間熱式2種。直熱式陰極多半采用純金屬作陰極材料（鎢絲、鎢錸絲、釷鎢絲），加熱電流直接通過陰極，加熱溫度大于2 500 ℃。間熱式陰極分為轟擊型和加熱型2種，采用薄膜陰極、儲備式陰極、間熱式陰極，加熱溫度大于1 000 ℃。

適用于加速管電子槍陰極的必要條件：①足夠的發(fā)射電流強(qiáng)度；②較低的工作溫度；③能抵抗離子的回轟；④在強(qiáng)電場下發(fā)射穩(wěn)定；⑤發(fā)射的活性物質(zhì)，在正常工作溫度下，蒸散盡量小；⑥抗中毒性能強(qiáng)，且中毒后易于恢復(fù)；⑦陰極在冷狀態(tài)下暴露于空氣中，能夠復(fù)用；⑧陰極壽命長。

現(xiàn)代的直線加速器要求陰極具有更優(yōu)良的性能：大的發(fā)射電流和發(fā)射密度、抗離子轟擊、陰極不打火、耐高壓、抗中毒及結(jié)構(gòu)牢固、便于加工、制備簡單等。目前，醫(yī)用直線加速器電子槍應(yīng)用較多的陰極是浸漬鋇鎢陰極，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。它是由能產(chǎn)生金屬鋇的活性物質(zhì)和作為載體的鎢海綿體組成的。

1.5 電子槍的應(yīng)用于維護(hù)

電子槍陰極不能長時間暴露在空氣中，在空氣中它會吸附空氣中的CO2、O2、H2O等氣體，從而損失陰極中的自由鋇。所以，在電子槍安裝完成后，必須進(jìn)行除氣、激活。

現(xiàn)場更換電子槍陰極后必須進(jìn)行除氣，一般情況下是與加速管除氣同時進(jìn)行，達(dá)到額定的真空度5×10-4 Pa。緩慢增加熱子功率，進(jìn)行陰極的分解。接著進(jìn)行陰極激活，使陰極表面形成活性物質(zhì)。激活分為電流激活和熱激活，電流激活是在陰極加熱達(dá)到工作溫度時，逐步加上陽極電壓，支取發(fā)射電流，使發(fā)射電流相應(yīng)增加；熱激活是在陰極工作溫度的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)靥岣哧帢O溫度，閃爍3～5 min，再退回到工作溫度。一般來說，更換電子槍陰極后都需要同時進(jìn)行電流激活和熱激活。

2 典型故障與分析

2.1 故障現(xiàn)象1

“醫(yī)科達(dá)”Precise加速器開機(jī)治療時常常報“2R Err”或“2T Err”。

故障分析與排除：進(jìn)入加速器的工程師模式，觀察6 M模式下的劑量率情況，調(diào)整“Gun I ctrl”和“Gun aim I”數(shù)值，劑量率達(dá)到要求穩(wěn)定后，觀察未出現(xiàn)故障報警，存儲數(shù)據(jù)后加速器工作正常。過了2周后又出現(xiàn)相同的故障，經(jīng)過同樣的處理后設(shè)備正常工作了1周，又出現(xiàn)相同的故障。此時分析是由于加速器使用一段時間后，電子槍燈絲發(fā)射電子能力下降，導(dǎo)致輸出劑量率不穩(wěn)定，加速器報警。通知廠家更換電子槍燈絲后故障排除。

2.2 故障現(xiàn)象2

醫(yī)科達(dá)Precise加速器開機(jī)治療時報“Dose rate err”，設(shè)備無法出束。

故障分析與排除：進(jìn)入加速器的工程師模式，在“Over Machine Item”中選中“Ctrl T”選項，旁路所有連鎖。在6 M模式下出束，設(shè)備無計劑量輸出，調(diào)整“Gun I ctrl”數(shù)值至8時設(shè)備才有劑量輸出（原來的設(shè)定值是7.8，一般該設(shè)定值改變幅度不大），輸出劑量率很低，只有原來劑量率的20%，同時設(shè)備也報“2R Err”或“2T Err”。

根據(jù)上面的電子槍工作原理可以知道，電子槍發(fā)射電子的量嚴(yán)重不足，而且發(fā)射電子的角度存在偏差，導(dǎo)致加速管輸出的電子不足，劑量率下降，加速器的電子槍燈絲存在問題。接著檢查電子槍，將機(jī)架旋轉(zhuǎn)到180°，用廠家原配的固定支架固定機(jī)架，防止拆卸電子槍后，機(jī)架失去平衡自動旋轉(zhuǎn)。關(guān)閉鈦泵電源，用一個干凈的塑料袋，在袋子內(nèi)充入干燥與潔凈的99.999%氮?dú)狻⑺芰洗尤爰铀倨髡婵站S修閥接口處，打開真空維修閥，慢慢使袋子中的氮?dú)饧尤氲郊铀俟苤?，?dāng)加速管吸入的氮?dú)鈮毫_(dá)到平衡后，關(guān)閉真空維修閥，打開電子槍燈絲外罩。此時發(fā)現(xiàn)，電子槍的燈絲圓盤已經(jīng)傾斜，出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。通知廠家更換電子槍燈絲后故障排除。

3 小結(jié)

根據(jù)加速器電子槍燈絲原理可以知道，電子注是由電子槍的鋇鎢合金燈絲陰極加熱后發(fā)出的，長期使用后容易受到溫度、真空度的影響，變形、老化后致使陰極發(fā)射電子的能力下降，加速器的劑量率下降。在日常的加速器使用過程中，對于加速器電子槍平時應(yīng)注意以下幾點。

（1）電子槍的穩(wěn)定易受外界影響，加速管的真空度對電子槍的影響最大。

（2）電子槍的燈絲由金屬合金材料制成，易老化，使用一段時間后需要更換。

（3）一般電子槍燈絲老化需要更換是有前兆的，X線的劑量率下降，而電子線的劑量率上升，一般通過調(diào)整電子槍參數(shù)很難調(diào)整到正?；蛘{(diào)整正常一段時間后又很快出現(xiàn)劑量率下降。

（4）更換燈絲時要注意保護(hù)，盡量防止電子槍部件與空氣接觸，防止電子槍陰極吸附空氣后中毒，同時造成加速管抽真空困難。

（5）更換電子槍燈絲抽真空達(dá)到要求后，方可施加燈絲電流，逐步提高燈絲電流直至達(dá)到額定電流。更換燈絲后出束先出電子線，后出X線。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]