医用电子直线加速器的射束偏转系统
作者：杨绍洲 杨光 沈庆贤 康立丽
单位：杨绍洲 杨光 沈庆贤(第一军医大学 南方医院仪器科, 广东 广州 510515)；康立丽(第一军医大学 生物医学工程系, 广东 广州 510515)
关键词：电子直线加速器；偏转系统；消色差
中国医学物理学杂志000301 摘要: 医用电子直线加速器可以分为直射型直线加速器和偏转型直线加速器。本文比较系统地介绍了加速器射束偏转系统的类型和特点,包括非消色差、单消色差和双消色差偏转系统,重点是介绍各种类型偏转系统的特点及其对射束性能的影响。
中图分类号: R318.6 文献标识码: A 文章编号: 1005-202X(2000)03-0129-03
The beam bend magnet system of medical electron accelerator
, 百拇医药
YANG Shao-zhouYANG GuangSHEN Qing-xianKANG Li-li
(Department of Equipment,NangFang Hospital,Guangzhou 510515 China)
Abstract Medical electron linear accelerators LINACS can be divided into straight ahead and bent beam types .This paper discusses several design of bent magnet and its feature including nonachromatic single achromatic and double achromatic bend magnet systems. The emphasis is on their feature and their effect on beam performance.
, http://www.100md.com
Key words
Key wordselectron linear accelerator bend magnet system achromatic
引言
现代医用电子直线加速器按射束运动轨道可以分为直射型直线加速器和偏转型直线加速器1。偏转型直线加速器一般采用射束偏转系统以实现等中心旋转,射束偏转系统是直线加速器的关键部件之一,本文简要介绍医用电子直线加速器中常用的一些偏转系统的结构和特点。
(1) 直射型直线加速器
等中心直射型直线加速器是一种产生低能X线的加速器,射束不需要偏转系统,直接对着治疗靶区。这种类型机器使用的加速管长度很短,一般是25～35 cm。这种加速管要求特性阻抗很高,加速管中必须维持高强度的电场,具有较高的能量梯度,约20 MeV/m。电子枪和X线靶结构长度也要求紧凑短小,以减小机架360°旋转时的等中心高度。
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(2) 偏转型直线加速器
等中心偏转型直线加速器的加速管接近水平,长度一般是1～2.5 m。磁偏转系统使射束偏转90°或270°,然后穿过电子输出窗或轰击X线靶。实现偏转的磁铁组件和漂移空间叫做射束传输系统。医用电子直线加速器的射束传输系统主要由偏转磁铁组成,它除了实现偏转外,还对电子束起到消色差和聚焦的作用。
加速管中电子束流具有一定的能量分布,称为“色差”
(2)。消色差就是要将原来具有一定能量分布的电子偏转到同一焦点。偏转系统根据消除色差的能力不同可分为非消色差、单消色差和双消色差偏转系统。非消色差偏转系统是指具有色差的电子束偏转后的束流轨迹发生色散,使焦点变大；单消色差偏转系统是指具有色差的电子束偏转后的束流输送到同一焦点位置,但进入焦点的角度不同,经过焦点后射束分散；双消色差偏转系统指具有色差的电子束偏转后的束流垂直输送到同一焦点,经过焦点后射束保持平行。现在人们所说的消色差偏转系统一般是指双消色差偏转系统,把单消色差偏转系统列入非消色差偏转系统范围[3]。
, 百拇医药
1 非消色差偏转磁系统
早期的等中心治疗系统采用90°非消色差偏转磁铁。图1是90°双极偏转磁铁对能量为E0±△E(图1a),或径向偏移量为△X (图1b),或发散角为△θ (图1c)的入射电子束的偏转效果。低、中、高能量的轨迹分别如图1a中的l、c、h轨迹所示。这种偏转系统只能将轴上的单能量射束偏转到X线靶点,入射电子束能量的改变将使射束在X线靶产生位置和角度偏移,进而使治疗野不对称。可以通过减小偏转磁铁半径、限制射束的发射度和能量度、稳定影响射束能量的参数或采用二次聚焦来减轻这种发散效果。然而,尽管采取这些措施,电子束能量的改变、入射角度和位置的变化仍会使治疗野产生严重的不对称性。
图1 90°非消色差偏转系统
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图2 270°单消色差偏转系统
图2是一种270°均匀场单消色差偏转系统,能量相差±10%的平行电子束通过偏转系统后都能够被聚焦在X线靶点。然而由于偏转磁场是均匀的,射束平均能量的改变将会使射束打在靶上的角度发生改变,进而改变X线野的对称性,在高能X线档更严重。
非消色差偏转系统的主要优点是治疗机头结构简单、机架等中心低。主要缺点是:由于电子注具有一定的能谱分布,偏转后的束流的轨迹发生色散,打在靶上的斑点半径增大、呈椭圆形,影响照射质量和效率；当束流进入偏转系统的入射位置、角度和能量发生变化时,都会使射束性能变差,照射野的均整性难以保证,需要一套自动均整系统进行校正,这样增加偏转系统的复杂性。
2 消色差偏转系统
2.1 消色差偏转系统的特点
, 百拇医药 为了减小加速器能谱平均能量改变引起的照射野均整度下降,大多数直线加速器采用了270°消色差偏转系统。考虑到物和象的放大因素,组成电子束的每根电子线通过偏转后的特性必须与偏转前一样,而与它们的能量无关。当放大倍数为“1”时,这种效果相当于直接将加速管的输出端放在X线靶上,且与X线射束中轴重合。除了偏转、消色差和聚焦作用外,270°消色差偏转系统对束流波动有自动补偿作用,大大降低了对均整系统的要求。
消色差偏转系统的主要缺点是偏转系统结构复杂,等中心位置较高。
2.2 消色差偏转系统的类型
2.2.1 双曲磁极气隙的对称270°偏转系统
图3是早期的消色差偏转系统,结构非常简单,适合于医用直线加速器。它是由Enge设计的,由于通过其中的电子看起来好象是从入射面反射出来,所以也叫做“磁镜”。所有0°入射的电子经过270°偏转后汇聚在一点,与其能量无关,不存在色散。如果在对称面d1～d2处安放能量缝S1和S2,该系统可以对能量不同的电子进行很好地聚焦。然而,这种偏转磁铁磁极面的制造精度要求很高。为了更容易地设计,采用了局部楔形和阶梯变化的磁极气隙偏转系统。
, 百拇医药
图 3双曲磁极气隙的偏转系统
2.2.2 磁极气隙局部倾斜的对称270°偏转系统
图4是消色差镜象传输射束的另一种方法,由一块带有一个梯度区和两个均匀区的磁铁构成。它将入射动量不同、侧向位移和发散角度不同的电子束进行聚焦,在出射面形成光学特性相似的电子束。其入射极面角度α1和出射极面角度α2可以调整,使得在d1～d2截面处单能射束的横向和纵向聚焦效果最佳。另外,磁铁的两个可调极提供了调整径向场梯度大小的功能,动量高的电子通过高场区,动量低的电子通过低场区。通过调整α3控制径向梯度,使不同能量的电子束在X线靶重新汇聚成一点,而且该点处射线的分布与入射面的分布相同。这种偏转系统的特点是在垂直和平行加速管方向上偏转系统的尺寸均可做得较小,梯度磁场对射束空间特性的调整能力较强,但梯度场区的设计和加工比较复杂,Siemens Mevatron机器使用了这种类型的偏转系统。
, 百拇医药
图4 磁极气隙局部倾斜的270°偏转系统
2.2.3磁极气隙阶梯变化的对称270°偏转系统
图5是消色差镜象传输射束的又一种改进方法。假设轨迹在半径ρ01的均匀低场宽磁极气隙区偏转49°；在半径ρ02的均匀高场窄磁极气隙区偏转172°；然后轨迹再次在半径ρ01的均匀低场磁宽极气隙区偏转49°。通过相同的磁场时,高能射线的轨迹比低能的长,所以不同动量的射线在安放了能量缝的对称面处分开。磁铁的入射/出射极面与射束成45°。为了留有足够的空间安装对边缘磁场进行修整的磁场夹(magnetic field clamp)、入射束准直器、出射束窗和X线靶,必须适当选择阶梯磁铁的位置和高/低能量场的比率,使物平面和象平面与入射/出射极面之间有一定的距离。
图5 磁极气隙阶梯变化的270°偏转系统
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2.2.4 Varian型偏转系统
图6 显示的是Brown 提出的270°偏转系统,用于Varian Clinac 18系列加速器。系统由三块独立90°均匀双极扇形磁铁M1、M2、M3组成,中间由漂移管连接。极间的磁阻提供了一个磁场相对较小的区域,电子通过时受到的磁力较小。这种系统是消色差的,因为在输出面上,空间发散和偏移量均为零。被能量缝阻挡电子是一种漏辐射源,但是这种韧致辐射不是指向等中心,不直接对病人曝光。这种偏转系统的特点是电子束轨道位置调整比较方便,但垂直于加速管方向上的偏转系统尺寸比较大,需要将X线靶位置上提,在真空区内加设靶驱动机构,使结构和制造工艺较复杂。
图6 Varian型偏转系统
2.2.5 ACEL偏转系统
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ACEL偏转系统也叫均匀磁极气隙的非对称270°偏转系统,是Hutcheon等设计的,如图7所示。这种设计有利于减少270°轨迹的高度,可以满足医用加速器等中心的需要。这种偏转系统由两块均匀磁铁及漂移段组成,第一个偏转193°,第二个偏转77°。这种偏转系统的特点是垂直加速管方向上偏转系统尺寸可以相当小,设计时可根据需要自由调整漂移段的长度,通常需要在加速管和偏转系统之间安放一对反对称四极磁透镜来调整输入束的空间参数。
图7 ACEL型偏转系统
2.2.6 Philips型偏转系统
Philips型偏转系统也叫三扇形均匀磁极气隙的非对称112.5°偏转系统,如图8所示。SL25加速器使用这种偏转系统,该机器采用鼓形机架,它比安装在机柜式机架有更多的水平空间。加速管波导可以通过治疗室墙壁附近的机架支撑轴承伸展出去,加速管可以做得比较长(2.5 m),可以沿轴向安装扇形磁铁。这样通过90°左右的偏转就可以得到消色差的效果,而不需要270°偏转。
, 百拇医药
该系统由两块小于50°的均匀扇形磁铁、一块大于90°的均匀磁铁以及漂移段组成。第一块扇形磁铁为正向45°,第二块为反向45°,第三块为112.5°。加速管和入射束偏离中轴22.5°,扇形极面的形状符合校正二次色差。这种偏转系统的特点是纵向偏转尺寸长而垂直方向尺寸小,适合于滚筒式加速器机架结构使用,同时具有等中心高度低,光学聚焦性能好的优点。加速电子在这种系统中的轨迹呈波浪形,所以也称滑雪式偏转系统(4)。
2.2.7 等时性偏转系统
等时性(isochronous)偏转系统也称为均匀磁极气隙的对称180°偏转系统,如图9所示。Therac 25加速器使用这种系统将射束反转180°。等时设计可以避免电子注通过偏转磁场时产生发散,以便获得足够的束电流,保证在X模式时电子注通过能量缝后仍有足够的剂量率。中心轨迹分别偏转-60°、+115°、 +35°至对称面,然后+35°、+115°、-60°返回加速管轴。所有的电子同时穿过偏转系统,与它们入射时的偏移量、 发散度、能散度无关；在出口处,每根电子线的偏移和发散度与入射时相同。可以调整磁铁的位置使电子注返回加速场时处于所要求的相位。这种改变返回电子注相位的方法可以用于控制输出射束的能量。这种偏转系统的结构和聚焦特性调整比较复杂。
, 百拇医药
图8 滑雪式偏转系统
图9 等时性偏转系统
作者简介:杨绍洲(1969-),男,广东潮州人,南方医院仪器科工程师,生物医学工程专业硕士。
参考文献:
[1] 伍锦泉,石登正,梁少华.SL-18医用电子直线加速器结构原理的分析与应用[J].医疗装备,1999,12(3):6.
[2] 周平,俗荣利,等.一种270消色差偏转磁铁的研制.第四届全国医用加速器会议论文集[C].黄山:中国物理学会粒子加速器分会、中国癌症研究基金会,1997.116.
[3] C.J.Karzmark,Craig S.Nunan, Eiji Tanabe. Medical Electron Accelerators[M].NewYork:McGRAW-HILL,INC.,1993.123.
[4] 冯宁远,谢虎臣,等.实用放射治疗物理学[M].北京:北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社,1998.33.
收稿日期:1999-08-16, 百拇医药
单位：杨绍洲 杨光 沈庆贤(第一军医大学 南方医院仪器科, 广东 广州 510515)；康立丽(第一军医大学 生物医学工程系, 广东 广州 510515)
关键词：电子直线加速器；偏转系统；消色差
中国医学物理学杂志000301 摘要: 医用电子直线加速器可以分为直射型直线加速器和偏转型直线加速器。本文比较系统地介绍了加速器射束偏转系统的类型和特点,包括非消色差、单消色差和双消色差偏转系统,重点是介绍各种类型偏转系统的特点及其对射束性能的影响。
中图分类号: R318.6 文献标识码: A 文章编号: 1005-202X(2000)03-0129-03
The beam bend magnet system of medical electron accelerator
, 百拇医药
YANG Shao-zhouYANG GuangSHEN Qing-xianKANG Li-li
(Department of Equipment,NangFang Hospital,Guangzhou 510515 China)
Abstract Medical electron linear accelerators LINACS can be divided into straight ahead and bent beam types .This paper discusses several design of bent magnet and its feature including nonachromatic single achromatic and double achromatic bend magnet systems. The emphasis is on their feature and their effect on beam performance.
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Key words
Key wordselectron linear accelerator bend magnet system achromatic
引言
现代医用电子直线加速器按射束运动轨道可以分为直射型直线加速器和偏转型直线加速器1。偏转型直线加速器一般采用射束偏转系统以实现等中心旋转,射束偏转系统是直线加速器的关键部件之一,本文简要介绍医用电子直线加速器中常用的一些偏转系统的结构和特点。
(1) 直射型直线加速器
等中心直射型直线加速器是一种产生低能X线的加速器,射束不需要偏转系统,直接对着治疗靶区。这种类型机器使用的加速管长度很短,一般是25～35 cm。这种加速管要求特性阻抗很高,加速管中必须维持高强度的电场,具有较高的能量梯度,约20 MeV/m。电子枪和X线靶结构长度也要求紧凑短小,以减小机架360°旋转时的等中心高度。
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(2) 偏转型直线加速器
等中心偏转型直线加速器的加速管接近水平,长度一般是1～2.5 m。磁偏转系统使射束偏转90°或270°,然后穿过电子输出窗或轰击X线靶。实现偏转的磁铁组件和漂移空间叫做射束传输系统。医用电子直线加速器的射束传输系统主要由偏转磁铁组成,它除了实现偏转外,还对电子束起到消色差和聚焦的作用。
加速管中电子束流具有一定的能量分布,称为“色差”
(2)。消色差就是要将原来具有一定能量分布的电子偏转到同一焦点。偏转系统根据消除色差的能力不同可分为非消色差、单消色差和双消色差偏转系统。非消色差偏转系统是指具有色差的电子束偏转后的束流轨迹发生色散,使焦点变大；单消色差偏转系统是指具有色差的电子束偏转后的束流输送到同一焦点位置,但进入焦点的角度不同,经过焦点后射束分散；双消色差偏转系统指具有色差的电子束偏转后的束流垂直输送到同一焦点,经过焦点后射束保持平行。现在人们所说的消色差偏转系统一般是指双消色差偏转系统,把单消色差偏转系统列入非消色差偏转系统范围[3]。
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1 非消色差偏转磁系统
早期的等中心治疗系统采用90°非消色差偏转磁铁。图1是90°双极偏转磁铁对能量为E0±△E(图1a),或径向偏移量为△X (图1b),或发散角为△θ (图1c)的入射电子束的偏转效果。低、中、高能量的轨迹分别如图1a中的l、c、h轨迹所示。这种偏转系统只能将轴上的单能量射束偏转到X线靶点,入射电子束能量的改变将使射束在X线靶产生位置和角度偏移,进而使治疗野不对称。可以通过减小偏转磁铁半径、限制射束的发射度和能量度、稳定影响射束能量的参数或采用二次聚焦来减轻这种发散效果。然而,尽管采取这些措施,电子束能量的改变、入射角度和位置的变化仍会使治疗野产生严重的不对称性。
图1 90°非消色差偏转系统
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图2 270°单消色差偏转系统
图2是一种270°均匀场单消色差偏转系统,能量相差±10%的平行电子束通过偏转系统后都能够被聚焦在X线靶点。然而由于偏转磁场是均匀的,射束平均能量的改变将会使射束打在靶上的角度发生改变,进而改变X线野的对称性,在高能X线档更严重。
非消色差偏转系统的主要优点是治疗机头结构简单、机架等中心低。主要缺点是:由于电子注具有一定的能谱分布,偏转后的束流的轨迹发生色散,打在靶上的斑点半径增大、呈椭圆形,影响照射质量和效率；当束流进入偏转系统的入射位置、角度和能量发生变化时,都会使射束性能变差,照射野的均整性难以保证,需要一套自动均整系统进行校正,这样增加偏转系统的复杂性。
2 消色差偏转系统
2.1 消色差偏转系统的特点
, 百拇医药 为了减小加速器能谱平均能量改变引起的照射野均整度下降,大多数直线加速器采用了270°消色差偏转系统。考虑到物和象的放大因素,组成电子束的每根电子线通过偏转后的特性必须与偏转前一样,而与它们的能量无关。当放大倍数为“1”时,这种效果相当于直接将加速管的输出端放在X线靶上,且与X线射束中轴重合。除了偏转、消色差和聚焦作用外,270°消色差偏转系统对束流波动有自动补偿作用,大大降低了对均整系统的要求。
消色差偏转系统的主要缺点是偏转系统结构复杂,等中心位置较高。
2.2 消色差偏转系统的类型
2.2.1 双曲磁极气隙的对称270°偏转系统
图3是早期的消色差偏转系统,结构非常简单,适合于医用直线加速器。它是由Enge设计的,由于通过其中的电子看起来好象是从入射面反射出来,所以也叫做“磁镜”。所有0°入射的电子经过270°偏转后汇聚在一点,与其能量无关,不存在色散。如果在对称面d1～d2处安放能量缝S1和S2,该系统可以对能量不同的电子进行很好地聚焦。然而,这种偏转磁铁磁极面的制造精度要求很高。为了更容易地设计,采用了局部楔形和阶梯变化的磁极气隙偏转系统。
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图 3双曲磁极气隙的偏转系统
2.2.2 磁极气隙局部倾斜的对称270°偏转系统
图4是消色差镜象传输射束的另一种方法,由一块带有一个梯度区和两个均匀区的磁铁构成。它将入射动量不同、侧向位移和发散角度不同的电子束进行聚焦,在出射面形成光学特性相似的电子束。其入射极面角度α1和出射极面角度α2可以调整,使得在d1～d2截面处单能射束的横向和纵向聚焦效果最佳。另外,磁铁的两个可调极提供了调整径向场梯度大小的功能,动量高的电子通过高场区,动量低的电子通过低场区。通过调整α3控制径向梯度,使不同能量的电子束在X线靶重新汇聚成一点,而且该点处射线的分布与入射面的分布相同。这种偏转系统的特点是在垂直和平行加速管方向上偏转系统的尺寸均可做得较小,梯度磁场对射束空间特性的调整能力较强,但梯度场区的设计和加工比较复杂,Siemens Mevatron机器使用了这种类型的偏转系统。
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图4 磁极气隙局部倾斜的270°偏转系统
2.2.3磁极气隙阶梯变化的对称270°偏转系统
图5是消色差镜象传输射束的又一种改进方法。假设轨迹在半径ρ01的均匀低场宽磁极气隙区偏转49°；在半径ρ02的均匀高场窄磁极气隙区偏转172°；然后轨迹再次在半径ρ01的均匀低场磁宽极气隙区偏转49°。通过相同的磁场时,高能射线的轨迹比低能的长,所以不同动量的射线在安放了能量缝的对称面处分开。磁铁的入射/出射极面与射束成45°。为了留有足够的空间安装对边缘磁场进行修整的磁场夹(magnetic field clamp)、入射束准直器、出射束窗和X线靶,必须适当选择阶梯磁铁的位置和高/低能量场的比率,使物平面和象平面与入射/出射极面之间有一定的距离。
图5 磁极气隙阶梯变化的270°偏转系统
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2.2.4 Varian型偏转系统
图6 显示的是Brown 提出的270°偏转系统,用于Varian Clinac 18系列加速器。系统由三块独立90°均匀双极扇形磁铁M1、M2、M3组成,中间由漂移管连接。极间的磁阻提供了一个磁场相对较小的区域,电子通过时受到的磁力较小。这种系统是消色差的,因为在输出面上,空间发散和偏移量均为零。被能量缝阻挡电子是一种漏辐射源,但是这种韧致辐射不是指向等中心,不直接对病人曝光。这种偏转系统的特点是电子束轨道位置调整比较方便,但垂直于加速管方向上的偏转系统尺寸比较大,需要将X线靶位置上提,在真空区内加设靶驱动机构,使结构和制造工艺较复杂。
图6 Varian型偏转系统
2.2.5 ACEL偏转系统
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ACEL偏转系统也叫均匀磁极气隙的非对称270°偏转系统,是Hutcheon等设计的,如图7所示。这种设计有利于减少270°轨迹的高度,可以满足医用加速器等中心的需要。这种偏转系统由两块均匀磁铁及漂移段组成,第一个偏转193°,第二个偏转77°。这种偏转系统的特点是垂直加速管方向上偏转系统尺寸可以相当小,设计时可根据需要自由调整漂移段的长度,通常需要在加速管和偏转系统之间安放一对反对称四极磁透镜来调整输入束的空间参数。
图7 ACEL型偏转系统
2.2.6 Philips型偏转系统
Philips型偏转系统也叫三扇形均匀磁极气隙的非对称112.5°偏转系统,如图8所示。SL25加速器使用这种偏转系统,该机器采用鼓形机架,它比安装在机柜式机架有更多的水平空间。加速管波导可以通过治疗室墙壁附近的机架支撑轴承伸展出去,加速管可以做得比较长(2.5 m),可以沿轴向安装扇形磁铁。这样通过90°左右的偏转就可以得到消色差的效果,而不需要270°偏转。
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该系统由两块小于50°的均匀扇形磁铁、一块大于90°的均匀磁铁以及漂移段组成。第一块扇形磁铁为正向45°,第二块为反向45°,第三块为112.5°。加速管和入射束偏离中轴22.5°,扇形极面的形状符合校正二次色差。这种偏转系统的特点是纵向偏转尺寸长而垂直方向尺寸小,适合于滚筒式加速器机架结构使用,同时具有等中心高度低,光学聚焦性能好的优点。加速电子在这种系统中的轨迹呈波浪形,所以也称滑雪式偏转系统(4)。
2.2.7 等时性偏转系统
等时性(isochronous)偏转系统也称为均匀磁极气隙的对称180°偏转系统,如图9所示。Therac 25加速器使用这种系统将射束反转180°。等时设计可以避免电子注通过偏转磁场时产生发散,以便获得足够的束电流,保证在X模式时电子注通过能量缝后仍有足够的剂量率。中心轨迹分别偏转-60°、+115°、 +35°至对称面,然后+35°、+115°、-60°返回加速管轴。所有的电子同时穿过偏转系统,与它们入射时的偏移量、 发散度、能散度无关；在出口处,每根电子线的偏移和发散度与入射时相同。可以调整磁铁的位置使电子注返回加速场时处于所要求的相位。这种改变返回电子注相位的方法可以用于控制输出射束的能量。这种偏转系统的结构和聚焦特性调整比较复杂。
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图8 滑雪式偏转系统
图9 等时性偏转系统
作者简介:杨绍洲(1969-),男,广东潮州人,南方医院仪器科工程师,生物医学工程专业硕士。
参考文献:
[1] 伍锦泉,石登正,梁少华.SL-18医用电子直线加速器结构原理的分析与应用[J].医疗装备,1999,12(3):6.
[2] 周平,俗荣利,等.一种270消色差偏转磁铁的研制.第四届全国医用加速器会议论文集[C].黄山:中国物理学会粒子加速器分会、中国癌症研究基金会,1997.116.
[3] C.J.Karzmark,Craig S.Nunan, Eiji Tanabe. Medical Electron Accelerators[M].NewYork:McGRAW-HILL,INC.,1993.123.
[4] 冯宁远,谢虎臣,等.实用放射治疗物理学[M].北京:北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社,1998.33.
收稿日期:1999-08-16, 百拇医药