2 MeV-X 波段小焦點(diǎn)加速管的研制及應(yīng)用

王愛(ài)濤，孟超，康達(dá)，陳富寶

山東新華醫(yī)療器械股份有限公司 （山東淄博 255086）

隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)、準(zhǔn)確、高效、實(shí)用的放射治療技術(shù)愈來(lái)愈得到各腫瘤研究機(jī)構(gòu)及專家們的重視。術(shù)中放射治療技術(shù)和小型化加速器歷經(jīng)多年的摸索和實(shí)踐，已經(jīng)體現(xiàn)出了不可替代的優(yōu)越性[1]。

加速器的小型化代表了行業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。美國(guó)Accuray 公司的Cyberknife（射波刀）機(jī)器人加速器，美國(guó)Intraop Medical 公司的Mobetron 移動(dòng)式術(shù)中放射治療加速器，意大利 Hitesys 公司的NOVAC 系列術(shù)中放射治療加速器，以及近年來(lái)日本三菱推出的O-ring--C 波段加速器等設(shè)備的共同特點(diǎn)就是“小”。以上加速器的核心部件加速管采用了不同于常規(guī)S 波段的X 或C 波段加速管。目前，常規(guī)醫(yī)用加速器基本都是在S 波段工作。理論上，諧振頻率越高，則加速單元的尺寸越小。20 世紀(jì)末，X 波段功率源的研制成功使得X 波段加速管開始進(jìn)入人們的視野。如果采用9 300 MHz 的X 波段微波作為功率源，那么加速單元的尺寸只有S 波段的1/4左右，小巧的外形將會(huì)給X 波段加速管帶來(lái)廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。例如，Cyberknife、Mobetron 等設(shè)備未來(lái)可以用作血液放射治療加速器、消毒滅菌類加速器以及工業(yè)用便攜式探傷、檢測(cè)加速器等。

基于以上需求，我們研制了一款2 MeV-X 波段小焦點(diǎn)加速管。本研究主要介紹X 波段加速管的設(shè)計(jì)情況、腔體精密機(jī)械加工、微波冷測(cè)與調(diào)諧技術(shù)、整管電真空工藝、高功率測(cè)試等內(nèi)容，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 設(shè)計(jì)情況

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)加速電子方式的不同，加速管分為行波加速結(jié)構(gòu)和駐波加速結(jié)構(gòu)兩種。目前，國(guó)際上應(yīng)用較多的駐波加速結(jié)構(gòu)包括邊耦合結(jié)構(gòu)和軸耦合結(jié)構(gòu)[4]。其中，邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)是目前最常用的一種駐波加速結(jié)構(gòu)，其耦合腔位于加速腔外壁的外側(cè)，通過(guò)耦合孔與加速腔相連。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為耦合腔與加速腔的中心軸線分開，加速腔可以充分優(yōu)化，加速效率高，且耦合腔與加速腔的外壁均易于接近，便于對(duì)耦合腔與加速腔進(jìn)行擠壓調(diào)諧；缺點(diǎn)是非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，加工、裝配、焊接工藝復(fù)雜，徑向尺寸大，不利于安置聚焦線圈。軸耦合駐波加速結(jié)構(gòu)的耦合腔位于2個(gè)加速腔之間，耦合腔中心軸線與加速腔中心軸線重合一致，通過(guò)耦合孔與加速腔相連。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，裝配、焊接方便，且徑向尺寸小，有利于安置聚焦線圈；缺點(diǎn)是耦合腔占用了加速腔的軸向空間，加速腔不能充分優(yōu)化，耦合腔不易接近，不便于對(duì)耦合腔進(jìn)行擠壓調(diào)諧，且在電真空釬焊時(shí)極易引起形變。

X 波段的中心頻率為9 300 MHz，腔體尺寸小，對(duì)頻率的變化更為敏感，較常規(guī)的S 波段（2 998 MHz）對(duì)加工工藝的要求更高[5]。因此，從加工工藝以及指標(biāo)的可及性考慮，我們最終選擇采用邊耦合駐波加速結(jié)構(gòu)?；谀芰靠烧{(diào)技術(shù)對(duì)加速管束流可控的要求，電子槍選用三極柵控電子槍。同時(shí)，我們結(jié)合現(xiàn)有X 波段加速器功率源、環(huán)流器等關(guān)鍵微波元器件的發(fā)展現(xiàn)狀，制訂了2 MeV-X 波段小焦點(diǎn)加速管的整體設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表1。

表1 2 MeV-X 波段小焦點(diǎn)加速管的整體設(shè)計(jì)方案

1.2 加速管物理設(shè)計(jì)與腔型優(yōu)化

運(yùn)用二維Parmela 和三維CST 軟件對(duì)加速管進(jìn)行物理設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)X 波段功率源的使用現(xiàn)狀，我們選用了中國(guó)電科集團(tuán)第12研究所的VE2093磁控管作為功率源，峰值功率為1.0 MW。加速管要求輸出劑量率>30 cGy/（min·m），根據(jù)美國(guó)輻射防護(hù)委員會(huì)（National Committee on Radiation Protection，NCRP） 的NCRP-51號(hào) 報(bào) 告 附 錄E[6]可知，打靶的平均束流強(qiáng)度應(yīng)>78 μA。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，設(shè)計(jì)加速管相速為0.7‥0.7‥0.7‥0.8‥0.8‥0.95……0.999，腔鏈品質(zhì)因數(shù)為7 900左右。

用電磁仿真軟件計(jì)算得到每個(gè)腔的有效分路阻抗，則駐波加速管的加速腔鏈可等效為圖1模型。

圖1 駐波加速管的加速腔鏈等效模型

根據(jù)基爾霍夫定律[7]，第n個(gè)耦合回路的方程為：

根據(jù)回路參量L、C、M、R與可測(cè)微波參量單腔頻率ω、品質(zhì)因數(shù)Q、腔間耦合系數(shù)k、單位長(zhǎng)度的分路阻抗Z、腔長(zhǎng)D之間的關(guān)系，可以將公式（1）簡(jiǎn)化為：

1.3 最佳耦合度的選取

假設(shè)到達(dá)饋電窗的功率為P0，則進(jìn)入加速管中的功率為：

其中，E0為加速結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)強(qiáng)幅值。

當(dāng)加速管中有束流時(shí)，等效電路為圖2。

圖2 帶束流負(fù)載的腔體等效諧振電路

其中，ZS=Z×T×T，為加速管的有效分路阻抗，T為加速管渡越因子，Ф為束流在射頻場(chǎng)中占據(jù)的等效位相。

腔型優(yōu)化后，整管渡越因子約為0.78，計(jì)算整管有效分路阻抗為112 MΩ/m，加速管入口處功率約為0.7 MW，注入束流420 mA，代入公式（8）可得，最佳耦合度為1.6。

2 腔體精密機(jī)械加工

X波段小焦點(diǎn)加速管的工作頻率（9 300 MHz）遠(yuǎn)高于常規(guī)S 波段加速管（2 998 MHz），尺寸更是只有其四分之一，見(jiàn)圖3。由于尺寸較小，X 波段小焦點(diǎn)加速管對(duì)加工精度和腔體表面光潔度的要求較S 波段加速管更高。經(jīng)測(cè)算，腔體尺寸每變化0.01 mm，X 波段腔體頻率的變化較S 波段大十幾倍，變化更為敏感。

圖3 S 波段與X 波段腔體尺寸對(duì)比

X 波段加速管腔體從無(wú)氧銅棒料開始到完成合格的腔體，中間需經(jīng)過(guò)十幾道工序，而影響其加工精度及表面光潔度的環(huán)節(jié)主要包括：腔體精車裝卡時(shí)的變形，線切割時(shí)有機(jī)溶液對(duì)腔體表面的氧化，加速腔笑口人工去刺時(shí)工藝的一致性，數(shù)控車床的機(jī)械加工精度。因此，需要對(duì)現(xiàn)在的工藝進(jìn)行優(yōu)化修正，針對(duì)裝卡卡盤重新設(shè)計(jì)軟爪，并在現(xiàn)有加工工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝提升，需要進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)見(jiàn)圖4。

圖4 需要進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)

3 微波冷測(cè)與調(diào)諧技術(shù)

微波冷測(cè)與調(diào)諧是加速管研制過(guò)程中非常重要的工序，直接決定加速管的各項(xiàng)微波參數(shù)。由于X 波段加速管腔體尺寸較小，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)天線探針尺寸及定位精度均很敏感。為此，我們專門制定了冷測(cè)探針和活塞來(lái)完成腔體的冷測(cè)。同時(shí)，在調(diào)腔過(guò)程中，由于管壁較薄、腔鏈長(zhǎng)度較長(zhǎng)，調(diào)腔過(guò)程很容易引起腔鏈的形變，最終導(dǎo)致腔鏈彎曲變形。為此，我們還專門制作了調(diào)腔擠壓工具，最終完成了整管的調(diào)諧。整管通帶曲線見(jiàn)圖5，整管場(chǎng)分布曲線見(jiàn)圖6。

圖5 整管通帶曲線

圖6 整管場(chǎng)分布曲線

4 整管電真空工藝

腔體經(jīng)過(guò)微波冷測(cè)與調(diào)諧后，便進(jìn)入了電真空的制作環(huán)節(jié)。整管的電真空工藝是成管的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括腔體與耦合器的高溫釬焊、有機(jī)溶液清洗、退火熱處理及電子槍、波導(dǎo)窗等元器件的氬弧焊與高溫排氣等。X 波段加速管的腔型對(duì)焊接的溫度、焊料的選擇均很敏感，需精心制定電真空工藝，最終焊接完成的加速管見(jiàn)圖7。

圖7 2 MeV-X 波段加速管

5 高功率測(cè)試

加速管制作完成后，采用我們搭建的X 波段高功率實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行熱測(cè)，測(cè)試方法和工裝部分參考了GB/T 20129-2015《無(wú)損檢測(cè)用電子直線加速器》[8]，主要測(cè)試指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 高功率熱測(cè)數(shù)據(jù)

6 應(yīng)用前景

目前，我們研制的這款2 MeV-X 波段小焦點(diǎn)加速管已成功應(yīng)用于工業(yè)CT 無(wú)損探傷檢測(cè)，由于采用了小焦點(diǎn)設(shè)計(jì)，其空間分辨率達(dá)到了5 LP/mm。另外，用加速器替代天然放射源也是一個(gè)趨勢(shì)，如代替頭部伽馬刀的X 波段立體定向加速器放療系統(tǒng)、內(nèi)照射電子束放療系統(tǒng)等，本研究成果稍加改進(jìn)就可以滿足此要求。因此，該加速管不論在放射治療加速器領(lǐng)域還是工業(yè)無(wú)損探傷檢測(cè)領(lǐng)域，均具有良好的市場(chǎng)前景。