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小；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、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，進而達到穩(wěn)定加速器的流強，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)射電流強度；②較低的工作溫度；③能抵抗離子的回轟；④在強電場下發(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，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

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，必須進行除氣、激活。

現(xiàn)場更換電子槍陰極后必須進行除氣，一般情況下是與加速管除氣同時進行，達到額定的真空度5×10-4 Pa。緩慢增加熱子功率，進行陰極的分解。接著進行陰極激活，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”Precise加速器開機治療時常常報“2R Err”或“2T Err”。

故障分析與排除：進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Precise加速器開機治療時報“Dose rate err”，設(shè)備無法出束。

故障分析與排除：進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，將機架旋轉(zhuǎn)到180°，用廠家原配的固定支架固定機架，防止拆卸電子槍后，機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%氮氣。將塑料袋接入加速器真空維修閥接口處，打開真空維修閥，慢慢使袋子中的氮氣加入到加速管中，當(dāng)加速管吸入的氮氣壓力達到平衡后，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)整到正常或調(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，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到要求后，方可施加燈絲電流，逐步提高燈絲電流直至達到額定電流。更換燈絲后出束先出電子線，后出X線。

參 考 文 獻

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]