2 MeV-X 波段小焦點加速管的研制及應用

王愛濤，孟超，康達，陳富寶

山東新華醫療器械股份有限公司 （山東淄博 255086）

隨著放射治療技術的不斷發展，先進、準確、高效、實用的放射治療技術愈來愈得到各腫瘤研究機構及專家們的重視。術中放射治療技術和小型化加速器歷經多年的摸索和實踐，已經體現出了不可替代的優越性[1]。

加速器的小型化代表了行業的一個發展方向。美國Accuray 公司的Cyberknife（射波刀）機器人加速器，美國Intraop Medical 公司的Mobetron 移動式術中放射治療加速器，意大利 Hitesys 公司的NOVAC 系列術中放射治療加速器，以及近年來日本三菱推出的O-ring--C 波段加速器等設備的共同特點就是“小”。以上加速器的核心部件加速管采用了不同于常規S 波段的X 或C 波段加速管。目前，常規醫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 世紀末，X 波段功率源的研制成功使得X 波段加速管開始進入人們的視野。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，小巧的外形將會給X 波段加速管帶來廣闊的應用前景[2-3]。例如，Cyberknife、Mobetron 等設備未來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用便攜式探傷、檢測加速器等。

基于以上需求，我們研制了一款2 MeV-X 波段小焦點加速管。本研究主要介紹X 波段加速管的設計情況、腔體精密機械加工、微波冷測與調諧技術、整管電真空工藝、高功率測試等內容，現報道如下。

1 設計情況

1.1 整體設計方案

根據加速電子方式的不同，加速管分為行波加速結構和駐波加速結構兩種。目前，國際上應用較多的駐波加速結構包括邊耦合結構和軸耦合結構[4]。其中，邊耦合駐波加速結構是目前最常用的一種駐波加速結構，其耦合腔位于加速腔外壁的外側，通過耦合孔與加速腔相連。該結構的優點為耦合腔與加速腔的中心軸線分開，加速腔可以充分優化，加速效率高，且耦合腔與加速腔的外壁均易于接近，便于對耦合腔與加速腔進行擠壓調諧；缺點是非軸對稱結構，加工、裝配、焊接工藝復雜，徑向尺寸大，不利于安置聚焦線圈。軸耦合駐波加速結構的耦合腔位于2個加速腔之間，耦合腔中心軸線與加速腔中心軸線重合一致，通過耦合孔與加速腔相連。該結構的優點是軸對稱結構，裝配、焊接方便，且徑向尺寸小，有利于安置聚焦線圈；缺點是耦合腔占用了加速腔的軸向空間，加速腔不能充分優化，耦合腔不易接近，不便于對耦合腔進行擠壓調諧，且在電真空釬焊時極易引起形變。

X 波段的中心頻率為9 300 MHz，腔體尺寸小，對頻率的變化更為敏感，較常規的S 波段（2 998 MHz）對加工工藝的要求更高[5]。因此，從加工工藝以及指標的可及性考慮，我們最終選擇采用邊耦合駐波加速結構。基于能量可調技術對加速管束流可控的要求，電子槍選用三極柵控電子槍。同時，我們結合現有X 波段加速器功率源、環流器等關鍵微波元器件的發展現狀，制訂了2 MeV-X 波段小焦點加速管的整體設計方案，見表1。

表1 2 MeV-X 波段小焦點加速管的整體設計方案

1.2 加速管物理設計與腔型優化

運用二維Parmela 和三維CST 軟件對加速管進行物理設計，同時結合目前國內X 波段功率源的使用現狀，我們選用了中國電科集團第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），根據美國輻射防護委員會（National Committee on Radiation Protection，NCRP） 的NCRP-51號 報 告 附 錄E[6]可知，打靶的平均束流強度應>78 μA。經過優化，設計加速管相速為0.7‥0.7‥0.7‥0.8‥0.8‥0.95……0.999，腔鏈品質因數為7 900左右。

用電磁仿真軟件計算得到每個腔的有效分路阻抗，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

根據基爾霍夫定律[7]，第n個耦合回路的方程為：

根據回路參量L、C、M、R與可測微波參量單腔頻率ω、品質因數Q、腔間耦合系數k、單位長度的分路阻抗Z、腔長D之間的關系，可以將公式（1）簡化為：

1.3 最佳耦合度的選取

假設到達饋電窗的功率為P0，則進入加速管中的功率為：

其中，E0為加速結構中的場強幅值。

當加速管中有束流時，等效電路為圖2。

圖2 帶束流負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為束流在射頻場中占據的等效位相。

腔型優化后，整管渡越因子約為0.78，計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 腔體精密機械加工

X波段小焦點加速管的工作頻率（9 300 MHz）遠高于常規S 波段加速管（2 998 MHz），尺寸更是只有其四分之一，見圖3。由于尺寸較小，X 波段小焦點加速管對加工精度和腔體表面光潔度的要求較S 波段加速管更高。經測算，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 波段腔體尺寸對比

X 波段加速管腔體從無氧銅棒料開始到完成合格的腔體，中間需經過十幾道工序，而影響其加工精度及表面光潔度的環節主要包括：腔體精車裝卡時的變形，線切割時有機溶液對腔體表面的氧化，加速腔笑口人工去刺時工藝的一致性，數控車床的機械加工精度。因此，需要對現在的工藝進行優化修正，針對裝卡卡盤重新設計軟爪，并在現有加工工藝基礎上進行工藝提升，需要進行的技術改進見圖4。

圖4 需要進行的技術改進

3 微波冷測與調諧技術

微波冷測與調諧是加速管研制過程中非常重要的工序，直接決定加速管的各項微波參數。由于X 波段加速管腔體尺寸較小，測量數據對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探針和活塞來完成腔體的冷測。同時，在調腔過程中，由于管壁較薄、腔鏈長度較長，調腔過程很容易引起腔鏈的形變，最終導致腔鏈彎曲變形。為此，我們還專門制作了調腔擠壓工具，最終完成了整管的調諧。整管通帶曲線見圖5，整管場分布曲線見圖6。

圖5 整管通帶曲線

圖6 整管場分布曲線

4 整管電真空工藝

腔體經過微波冷測與調諧后，便進入了電真空的制作環節。整管的電真空工藝是成管的關鍵技術之一，主要包括腔體與耦合器的高溫釬焊、有機溶液清洗、退火熱處理及電子槍、波導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圖7。

圖7 2 MeV-X 波段加速管

5 高功率測試

加速管制作完成后，采用我們搭建的X 波段高功率實驗臺進行熱測，測試方法和工裝部分參考了GB/T 20129-2015《無損檢測用電子直線加速器》[8]，主要測試指標見表2。

表2 高功率熱測數據

6 應用前景

目前，我們研制的這款2 MeV-X 波段小焦點加速管已成功應用于工業CT 無損探傷檢測，由于采用了小焦點設計，其空間分辨率達到了5 LP/mm。另外，用加速器替代天然放射源也是一個趨勢，如代替頭部伽馬刀的X 波段立體定向加速器放療系統、內照射電子束放療系統等，本研究成果稍加改進就可以滿足此要求。因此，該加速管不論在放射治療加速器領域還是工業無損探傷檢測領域，均具有良好的市場前景。