Tải bản đầy đủ

QUY TRÌNH NGHIỆM THU, KIỂM CHUẨN máy GIA tốc xạ TRỊ SIEMENS PRIMUS

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------

-------

NGUYỄN TỰ CƯỜNG

QUY TRÌNH NGHIỆM THU, KIỂM CHUẨN MÁY GIA
TỐC XẠ TRỊ SIEMENS - PRIMUS

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TRẦN KIM TUẤN

-------------------


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Mở đầu

Theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới( WHO), tỷ lệ tử vong trên thế giới do
bệnh ung th rất cao. Hằng năm có khoảng gần 10 triệu trờng hợp mắc ung th và
trên
8 triệu ngời đã chết do bệnh này. ở Việt Nam, mỗi năm ớc tính có khoảng 150.000
ca ung th mới và trên 50.000 ca tử vong. Và một thực trạng đáng buồn là tỉ lệ các
trờng hợp mắc ung th mới đang không ngừng gia tăng với con số đáng báo động[4].
Có 3 liệu pháp chính để điều trị bệnh ung th : phẫu thuật, xạ trị và điều trị bằng
hóa chất. Xạ trị là phơng pháp dùng bức xạ ion hóa có năng lợng thích hợp để
tiêu diệt tế bào ung th. Tùy từng loại ung th và giai đoạn bệnh khác nhau mà ngời
ta có thể dùng một trong ba phơng pháp hoặc phối hợp các phơng pháp trên với
nhau. Có thể nói, xạ trị đã đợc áp dụng trên 70% các loại bệnh ung th.
Máy gia tốc đợc ứng dụng trong lâm sàng từ đầu những năm 1950 và đã trở
thành một loại thiết bị chủ yếu tại nhiều trung tâm xạ trị. ở Việt Nam, việc ứng dụng
máy gia tốc trong lĩnh vực y tế mới đợc áp dụng vào đầu những năm 2000 ở một số
bệnh viện lớn nh: Bệnh viện K trung ơng, Bệnh Viện Chợ Rẫy, Trung tâm Ung
Bớu Thành phố Hồ Chí Minh... Nh vậy, có thể nói ứng dụng máy gia tốc trong y tế
ở nớc ta là một lĩnh vực còn khá non trẻ nhng chỉ sau khoảng cha đầy 10 năm
phát triển,
đến nay chúng ta có khoảng 17 máy gia tốc xạ trị đã và đang đợc triển khai. Nếu so
sánh với khuyến cáo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) : 1triệu dân/ 1 thiết bị xạ trị thì
rõ ràng là việc ứng dụng máy gia tốc trong y tế ở nớc ta dù đã bắt đầu phát triển
nhng vẫn cha đáp ứng đợc nhu cầu thực tế và tiềm năng phát triển và ứng dụng
lĩnh vực này ở nớc ta là rất lớn. Hiện tại, xạ trị ở Việt Nam mới chỉ đáp ứng đợc
trên 10% bệnh ung th.
Hệ thống máy gia tốc sau khi hoàn thành việc lắp đặt trớc khi đa vào sử dụng
điều trị cần một qui trình kỹ thuật quan trọng và bắt buộc là Kiểm chuẩn và đo liều vật
lý Commisioning. Công việc này do các Kỹ s Vật lý đảm trách và nó quyết định
1


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ
đến sự chuẩn xác và các thông số vật lý đợc sử dụng trong suốt thời gian sử dụng thiết
bị.

2


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Kiểm chuẩn và nghiệm thu kỹ thuật máy gia tốc xạ trị là một quá trình thử


nghiệm, kiểm tra các đặc tính cơ học và đo đạc liều lợng của một máy gia tốc nhằm
đảm bảo máy hoạt động một cách bình thờng và đáp ứng đợc các yều cầu kỹ thuật
trong xạ trị. Quá trình này bao gồm cả việc thu nhận, lu giữ các thông tin, thông số về
liều lợng, các số liệu về liều sâu phần trăm, các bản đồ đồng liều... đợc lu giữ
trong máy tính để dùng cho việc lập kế hoạch điều trị sau này.
Đồ án với đề ti Qui trình kiểm chuẩn, nghiệm thu máy gia tốc xạ trị SiemensPrimus nhằm mục đích tìm hiểu qui trình nghiệm thu, kiểm chuẩn máy gia tốc nói
chung và máy gia tốc do hãng Siemens sản xuất nói riêng, làm sáng tỏ hơn một qui
trình quan trọng và khá phức tạp này trớc khi đa máy gia tốc vào vận hành điều trị
bệnh nhân.

3


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ
Chơng I.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động MáY GIA TốC xạ trị

I. Các thành phần chính của một máy gia tốc xạ trị
Các thành phần hoạt động chính của một máy gia tốc xạ trị thờng đợc
chia thành 5 hệ thống sau: (1) Súng điện tử, (2) hệ thống tần số vô tuyến, (3) hệ thống
thiết bị phụ trợ, (4) hệ thống vận chuyển chùm tia, và (5) hệ thống theo dõi và chuẩn
trực chùm tia.
Súng điện tử là một nguồn sản sinh ra các electron. Hệ thống tần số vô tuyến đợc
sử dụng để gia tốc các hạt, bao gồm một vài thành phần chính nh: (1) nguồn vô tuyến.
Nguồn này có thể là nguồn magnetron hoặc một bộ phận lái tần số vô tuyến kết hợp với
một klytron, (2) một bộ điều chế phát ra các xung có công suất cao và chu kỳ ngắn để
vận hành súng điện tử và hệ thống phát tần số vô tuyến, (3) một số khối điều khiển,
định thời cho bộ điều chế, (4) ống dẫn sóng gia tốc, trong đó electron đợc gia tốc, và
(5) một circulator cho phép truyền công suất vô tuyến chỉ từ nguồn tới ống dẫn sóng gia
tốc nhng không theo hớng ngợc lại.

Hệ thống phụ trợ bao gồm một hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh
nớc, hệ thống nén khí, hệ thống chất điện môi bằng gas để truyền vi sóng từ bộ phát
tần số vô tuyến tới ống dẫn sóng gia tốc và bảo vệ ngăn bức xạ dò. Hệ thống vận

chuyển chùm electron trong chân không từ ống dẫn sóng gia tốc tới bia hoặc lá tán xạ,
kết hợp với thiết bị lái từ trờng và các thiết bị hội tụ. Hệ thống chuẩn trực và theo

dõi chùm tia đợc đặt đầu điều trị, cung cấp hình dạng và theo dõi chùm tia X hoặc
chùm electron lâm sàng.
Sơ đồ khối của một máy gia tốc xạ trị đợc minh hoạ ở hình 1. Sơ đồ này cho thấy
các thành phần và mối liên hệ giữa các bộ phận, tuy nhiên, có sự khác nhau đáng kể
giữa các máy tuỳ thuộc vào động năng của chùm electron cuối cùng cũng nh thiết kế
đặc biệt của nhà sản xuất.

4


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 1: Sơ đồ khối của một máy gia tốc xạ trị
Chiều dài của ống dẫn sóng gia tốc phụ thuộc vào động năng chùm electron cuối
cùng và thay đổi từ 30cm ở 4 MeV tới 150cm ở 25 MeV. Tại các mức năng lợng
electron megavolt, các photon theo hiệu ứng phát bức xạ hãm tạo ra trong bia tia X đạt
đến giá trị đỉnh phía trớc và chùm photon đợc tạo ra theo hớng của chùm
electron
đợc tạo đập vào bia. Tất nhiên sự liên quan giữa ống dẫn sóng và gia tốc với bệnh
nhân trong các cấu hình điều trị đồng tâm.
Trong cấu hình đơn giản và thông thờng nhất, nh minh hoạ ở hình 2(a), súng
điện tử và bia tia X đợc xếp thẳng hàng trực tiếp với sự đồng tâm của máy gia tốc để
tránh phải dùng hệ thống vận chuyển chùm tia. Chùm photon thẳng suốt từ đầu đến
cuối đợc tạo ra và nguồn tần vô tuyến cũng đợc gắn trong dàn quay.

5


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 2: Cấu trúc của các máy gia tốc xạ trị đồng tâm: (a) chùm tia đi thẳng: súng
điện tử và bia đợc gắn cố định vào ống dẫn sóng gia tốc; (b) ống dẫn sóng gia tốc
trong dàn quay song song với trục đồng tâm, các điện tử đợc bia qua hệ thống
vận chuyển chùm tia; (c) ống dẫn sóng gia tốc trong khung đỡ dàn quay.
Tuy nhiên vì lý do thực tế, đờng đồng tâm của máy gia tốc tuyến tính không
vợt quá 130cm phía trên phòng điều trị khoảng cách từ nguồn tới tâm u trên trục
(SAD) thờng là 100cm. Nh vậy rõ ràng là trong cấu hình này, chiều dài của ống
dẫn sóng gia tốc bị hạn chế ở 30cm, tơng ứng với động năng của electron là 4 hoặc 6
MeV với súng điện tử và bia cố định đợc gắn với ống dẫn sóng gia tốc, do đó không
đòi hỏi sự vận chuyển chùm tia hay đa ra sự lựa chọn xạ trị bằng electron .
ống dẫn sóng gia tốc đối với các mức năng lợng electron trung bình (8 tới 15
MeV) và cao (15 tới 30 MeV) hiển nhiên sẽ rất dài nếu gần đờng ống đồng tâm trực
6


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

tiếp, bởi vậy chúng đợc đặt trong dàn quay song song với trục quay của đàn quay,
hoặc trong khung đỡ của dàn quay. Sau đó, một hệ thống vận chuyển chùm tia đợc sử
dụng để dẫn chùm electron từ ống dẫn sóng gia tốc tia X nh đợc minh hoạ ở hình

2 (b) và (c). Nguồn trong hai cấu hình này thờng đợc gắn trong khung đỡ dàn quay.
II. Các mođun chính và các thành phần của nó trong máy gia tốc tuyến tính.
Các máy gia tốc tuyến tính hiện đại gồm một số các mođun và các thành phần chính.
Các mođun chính trong máy gia tốc tuyến tính bao gồm dàn quay, khung đỡ, buồng điều
khiển và giờng điều trị. Một số máy còn có tủ điều chế.

Hình 3 xác định các thành phần chính chứa trong khung đỡ và dàn quay của máy gia
tốc tuyến tính năng lợng cao. Khung đỡ đợc bắt chặt xuống sàn và dàn quay có thể
về hai phía trên khung đỡ. Cấu trúc gia tốc đợc đặt trong dàn quay, quay quanh trục
nằm ngang đợc cố định bởi khung đỡ.
Các thành phần chính chứa trong khung đỡ nh sau:

1. Klystron (hoặc magnetron): là một loạt các khoang vi sóng đặt trên đỉnh để
chứa dầu cách ly và cung cấp một nguồn vi sóng để gia tốc các electron .

2. ống dẫn sóng: mang nguồn công suất vi sóng này tới cấu trúc gia tốc trong giàn
quay.

3. Circulator: một thiết bị đợc đa vào ống dẫn sóng gia tốc để cách ly
klytron khỏi các sóng vi ba phản xạ lại từ cấu trúc gia tốc.

4. Hệ thống làm mát nớc: sẽ làm mát các thành phần khác nhau bằng cách giải
phóng năng lợng nhiệt và thiết lập sự ổn định nhiệt độ và vận hành đối với cấu trúc gia
tốc.
Các thành phần chính trong dàn quay là:

1. Cấu trúc gia tốc: một loạt các khoang vi sóng đợc cấp năng lợng bởi nguồn
vi sóng đợc cung cấp bởi klystron qua ống dẫn sóng.

2. Súng điện tử : (hoặc catốt): Cung cấp nguồn electron đa vào ống dẫn sóng.

7


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 3: Sơ đồ mặt cắt một máy gia tốc tuyến tính năng lợng cao cho xạ trị
(các thành phần bên trong chứa trong khung đỡ và dàn quay)
3. Từ trờng uốn: uốn các electron phát ra từ cấu trúc gia tốc quanh một
đờng vòng nhằm hội tụ chùm electron trên bia để tạo ra các tia X hoặc sử
dụng chùm electron trực tiếp cho điều trị.

4. Đầu điều trị: bao gồm thiết bị định dạng và theo dõi chùm tia.
5. Bộ chặn chùm tia: nhằm giảm các yêu cầu về che chắn phòng đối với chùm tia
tán xạ từ bệnh nhân và có thể kéo ra từ phía chân dàn quay.

6. Tủ điều chế: chứa các thành phần phân bố và điều kiện nguồn điện sơ cấp tới
tất cả các vị trí của máy từ các kết nối, cung cấp các xung cho việc phun chùm tia và
cho phát công suất vi sóng.

7. Bàn điều khiển (hình 4) là trung tâm hoạt động của máy gia tốc tuyến tính. Nó
cấp xung định thời để khởi động mỗi xung bức xạ. Nó theo dõi các số hoạt động chính
của máy gia tốc tuyến tính, bao gồm cả liệu điều trị cho mỗi bệnh nhân. Việc điều trị sẽ
không thể tiến hành khi các thông số điều trị vợt quá giới hạn đã đợc thiết lập trớc.

8


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Bên cạnh các mođun và thành phần chính còn có một số hệ thống phụ trợ, bao
gồm: hệ thống phụ trợ, bao gồm: hệ thống chân không và áp lực nớc, điều khiển nhiệt
độ, tự động điều khiển tần số (AC), theo dõi và điều kiện bức xạ.

Hình 4: Bàn điều khiển máy gia tốc tuyến tính gồm có một hoặc nhiều máy tính
và các thiết bị hiển thị. Tại bàn điều khiển, các nhà trị liệu khởi động theo dõi và điều
khiển việc điều trị. Các màn hình hiển thị quan sát bệnh nhân và máy gia tốc. Hệ thống
lu trữ, kiểm tra theo dõi các thông số điều trị bệnh nhân.
III. ống dẫn sóng gia tốc
ống dẫn sóng là cấu trúc kim loại đợc rút hết hoặc điền đầy khí, có hình chữ
nhật hoặc tròn đợc sử dụng để truyền sóng vi ba. Sự truyền sóng vi ba qua ống dẫn
sóng tuân theo phơng trình Maxwell và các điều kiện biên tại các bờ kim loại, trong
đó, các thành phần tiếp tuyến của điện trờng và các thành phần pháp tuyến của từ
trờng là bằng 0. Loại ống dẫn sóng đơn giản nhất là ống kim loại hình trụ đợc rút
hết
điện đầy bằng chất điện dung môi đồng nhất, ví dụ: SF6 hoặc freon (freon là chất làm
lạnh dùng trong các thiết bị làm lạnh).
Các ống dẫn sóng đồng nhất có ý nghĩa rất quan trọng trong các hệ thống thông
9


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ
tin và cũng đợc sử dụng trong máy gia tốc tuyến tính để truyền công suất vi sóng từ

10


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

nguồn tần số vô tuyến tới ống dẫn sóng gia tốc. Tuy nhiên, các ống dẫn sóng đồng nhất
đơn giản không đợc sử dụng để gia tốc các điện tử trong máy gia tốc tuyến tính. Ta
biết rằng, vận tốc pha vpha là vận tốc của các mẫu điện trờng (electric field patterms),
trong một ống dẫn sóng đồng nhất vợt quá c, là vận tốc ánh sáng chân không, Vpha > c.
Do điều kiện cần thiết để gia tốc hạt trong máy gia tốc tuyến tính là vận tốc hạt Vhạt
phải bằng vận tốc Vpha, Vhạt = Vpha và vận tốc hạt không thể vợt quá c, nên rõ ràng sự
gia tốc không thể thực hiện đợc khi
Vpha>c.
Các loại ống dẫn sóng phức tạp hơn, gọi là ống dẫn sóng tải (loadedwaveguides)
có thể thu đợc từ các ống dẫn sóng đồng nhất bằng cách thêm vào các lỗ thủng
(perturbation) dọc theo mẫu điện trờng. Loại ống dẫn này đợc sử dụng trong
trờng hợp bộ phát và bộ khuếch đại tần số cao và để gia tốc điện tử trong máy gia
tốc tuyến
tính.
Loại ống dẫn sóng tải đơn giản nhất thu đợc từ một ống dẫn sóng hình trụ đồng
nhất bằng cách thêm vào một số các đĩa với các lỗ tròn tại tâm đặt dọc theo ống. Các
đĩa này chia ống dẫn sóng thành một loạt các khoang hình trụ, các khoang này tạo
thành cấu trúc cơ bản của ống dẫn sóng gia tốc. Hầu hết các máy gia tốc tuyến tính
dùng trong y tế hiện nay thông thờng có đờng kính khoảng 10cm và chiều dài
2,5
đến 5cm. Các khoang này dùng cho hai mục đích: (1) để ghép nối với phân bố công
suất vi sóng giữa các khoang liền kề và (2) cung cấp mẫu điện trờng thích hợp với vpha
< c để gia tốc các electron.
Các mode truyền sóng đợc phân loại bởi các mẫu trờng mà chúng thiết lập
bên trong ống dẫn sóng. Có hai mode cơ bản: điện trờng ngang (TE), và ngợc
lại, nếu
điện trờng hoàn toàn là từ trờng ngang (TM). Do đó, chỉ có mode TM là thích hợp
để
gia tốc các điện tử một cách hiệu quả trong một ống dẫn sóng gia tốc đĩa chịu tải (dik11


ViÖn VËt lý Kü thuËt – LuËn ¸n th¹c sÜ
loaded accelerating waveguide).

12


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 5: Mẫu điện trờng chạy và sự phân bố điện tích tại một khoảng thời gian
trong một mặt phẳng chứa trục của ống dẫn sóng hình trụ: (a) ống dẫn sóng đồng nhất
và (b) ống dẫn sóng đĩa tải (dik-loaded)
Hình 5 minh hoạ các mẫu điện trờng chuyển và sự phân bố điện tích (a) đối với
một ống dẫn sóng đồng nhất và (b) một ống dẫn sóng đĩa tại một khoảng thời gian
trong một mặt phẳng chứa trục của ống hình trụ này sẽ đợc gia tốc bởi điện trờng
chuyển động, tuy nhiên chúng có thể theo dạng điện trờng chỉ trong hình (b) đối với
Vpha < c.
Hai loại ống dẫn sóng gia tốc đã đợc phát triển cho máy gia tốc điện trên là: cấu
trúc sóng chạy và cấu trúc sóng đứng. Chúng đợc minh hoạ tơng ứng trên lợc
đồ

hình 6 (a) và (b).
Trong cấu trúc sóng chạy, sóng vi ba đi vào ống dẫn sóng từ phía súng
điện tử và truyền năng lợng cao đến cuối ống dẫn sóng, nơi nào mà chúng ta
bị hấp thụ không bị phản xạ hoặc phản hồi lại đầu của ống dẫn sóng g ia tốc.
Nh minh hoạ ở hình 5 (b ), biểu thị một cấu trúc chạy , trong một cấu trúc sống
chạy chỉ một lợng bốn khoang là thích hợp tại một thời điểm để gia tố c
điện tử, cung cấp điện trờng theo hớng truyền sống.
13


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 6: Sơ đồ (a) ống dẫn sóng gia tốc chạy và (b) ống dẫn sóng gia tốc sóng dừng. Sóng
điện tử vế ở bên trái, tiếp xúc với ống dẫn sóng gia tốc.
Trong cấu trúc sóng đứng, tại mỗi đầu của ống dẫn sóng gia tốc đợc giới hạn
bằng một đĩa dần phản hồi công suất vì sóng với sự thay đổi pha
/2, kết quả là sự tập
hợp các sóng đứng trong ống dẫn sóng. Trong cấu hình này, tại tất cả các thời điểm,
mọi khoang chắn đều không mang điện trờng nên không tạo nên sự khuyếch đại năng
lợng điện tử. Do đó, các khoang này chỉ làm việc nh các khoang nối ghép và có thể
chuyển dịch ra khỏi mép của ống dẫn sóng nên làm giảm đáng kể kích thớc ống dẫn
sóng (khoảng 50%), nh minh hoạ ở sơ đồ hình 6 (b). Nối ghép ở mép ống đợc
thực hiện bởi nối ghép dẫn qua các khe ngoại biên giữa các khoang liền kề. Tại cuối
mỗi xung RF, sự dao động trong hệ thống sóng đứng suy giảm qua sự mất mát trong
nối ghép. Các điện tử trong các khoang nối ghép. Các điện từ đợc gia tốc bởi thành
phần sóng đứng chạy theo hớng truyền điện tử. Sự nối ghép tiết kiệm chiều dài là
rất cần thiết đối với các ống dẫn sóng gia tốc 4 và 6 MeV, các ống này đợc ngăn
trong cấu hình truyền thẳng, nh minh hoạ ở hình 2(a). Ngợc lại với ống dẫn sóng
chạy, trong ống dẫn sóng đứng nguồn vi sóng RF có thể đợc cung cấp ở bất kỳ
điểm thuận lợi
14


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

nào của ống dẫn sóng gia tố, thờng trực tiếp trong một khoang nối ghép, nh minh
hoạ ở hình 6 (b).
Không có loại ống dẫn sóng nào trong hai loại trên là có u điểm hơn hẳn loại kia.
Mặt khác, sự nối ghép cạnh của các khoang này trong các cấu trúc sóng đứng rút ngắn
chiều dài của ống dẫn sóng đáng kể so với cấu trúc sóng chay. Hơn nữa, trong cấu trúc
sóng đứng biên độ điện trờng không đổi, trong khi hệ thống sóng chạy, biên độ điện
trờng bị suy giảm khi sóng truyền từ súng điện tử đợc gia tốc. Bởi vậy, đối với mức
năng lợng đỉnh vi sóng cần thiết nhất định (thờng là 2,5 MW), một cấu trúc cao hơn
(thờng là 20 MeV/m) so với cấu trúc chạy (thờng là 5 MeV/m).
Các mức công suất cao hơn sẽ tạo ra MeV/m cao hơn. Mặt khác, cấu trúc sóng
dừng đòi hỏi công suất RF trung bình cao hơn (thờng là 25%) so với cấu trúc sóng
chạy vì cần có thời gian lấy đầy cần thiết để tạo ra đợc sống đứng ổn định trong ống
dẫn sóng gia tốc electron.
IV. Súng điện tử
Có hai loại súng điện tử đợc sử dụng làm nguồn điện tử trong các máy gia tốc
xạ trị: diode và triode. Nh đợc trình bày trong hình 7 , cả hai loại đều chứa
cathode
đợc đốt nóng và anốt đợc đục lỗ, nối đất, trong súng điện tử ba cực còn có một
lới.
Các điện tử đợc phát ra từ các cathode nung nóng, hội tụ thành một chùm tia hình bút
chì bằng một điện cực hội tụ cong và đợc gia tốc về phía anode đục lỗ, đi qua đó để đi
vào ống dẫn sóng gia tốc. Cathode bị nóng lên trực tiếp hoặc gián tiếp và chúng làm
cho các diện tích nằm trong một vùng bị giới hạn thoát ra khỏi vùng giới hạn đó. Sự lựa
chọn này phụ thuộc vào tiêu chí thiết kế đặc biệt với chùm điện tử cần đạt trong ống
dẫn sóng gia tốc.

15


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 7: Sơ đồ khối của hai súng điện tử (a) loại hai cực (b) loại ba cực.Súng điện tử
đợc đặt tiếp xúc với ống dẫn sóng gia tốc sóng
đứng.
Trờng tĩnh điện đợc sử dụng để gia tốc điện tử trong súng điện tử hai cực,
đợc cung cấp trực tiếp bộ điều chế xung dới dạng một xung âm tới cathode.
Trong súng
điện tử ba cực , cathode đợc giữ ở điện thế âm tĩnh (thờng là -20 kV), đợc
quyết
định bởi năng lợng điện tử cần thiết ban đầu. tại lối vào ống dẫn sóng. Nh đã
biết, các điện tử phun vào cần phải đáp ứng điều kiện bắt giữ. Ví dụ, chiếm đợc năng
lợng
đủ lớn, để đợc gia tốc một trờng RF không đợc điều chế. Lới của súng ba
cực thờng đợc giữ ở điện áp âm hiệu quả với cathode để ngắt dòng điện tới
anode. Sự phun điện tử vào ống dẫn sóng gia tốc đợc điều khiển bằng xung cung cấp
cho bộ phát vi sóng. Điện áp trong khoảng -150V tới +180V tơng ứng với điện áp
cathode đặt vào lới để điều khiển dòng súng điện tử. Tại điện áp -150V, không có
điện tử nào tới đợc anode. Tuy nhiên, khi điện thế cathode trở nên dơng hơn, súng
điện tử bắt đầu cung cấp điện cathode trở nên dơng hơn, súng điện tử bắt đầu cung
cấp điện tử cho ống dẫn sóng gia tốc, điện áp dơng lớn hơn trên lới sẽ tơng ứng
với điện áp cathode, dòng của súng điện từ sẽ lớn hơn..
V. Nguồn phát công suất vô tuyến
16


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ
Các điện tử đợc gia tốc trong ống dẫn sóng gia tốc bằng cách truyền năng
lợng từ các trờng RF công suất cao, các trờng này đợc thiết lập trong ống dẫn
sóng gia tốc bởi các bức xạ vi sóng. Bức xạ này đợc tạo ra bởi các bộ phát tần số vi
sóng, đó là

17


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

magnetron và klystron: các thiết bị này sử dụng sự gia tốc giảm tốc điện tử trong chân
không để tạo tra các trờng RF công suất cao. Cả hai đều sử dụng sự phát xạ nhiệt của
điện tử khối cathode nung nóng và gia tốc điện tử về phía anode trong một trờng tĩnh
điện dạng xung, tuy nhiên nguyên tắc thiết kế chúng thờng khác nhau Magnetron là
một nguồn RF công suất lớn cần để gia tốc điện tử, tron khi đó klystron là một bộ
khuyếch đại công suất thấp đợc tạo ra bởi một bộ tạo dao động RF và thờng đợc
nhắc đến nh là RF driver.

V.1. Magnetron.
Magnetron là một ống chân không hai cực với cathode hình trụ đợc bao quanh
bởi một anode này gồm một mảnh đối xứng các khoang cộng hởng dợc nối
ghép chặt, nh hình minh hoạ ở hình 8. Các khoang này dao động theo phơng thức
cơ bản ở một tần số xác đinh theo hớng thiết kế. Tất cả thiết bị đợc đặt trong một
từ trờng
đồng nhất đợc cung cấp bởi các c ực của nam châm cố định. Cathode hình trụ đợc
nung nóng bởi một sợi đốt và các điện tử phát ra sự phân bố điện tích thêm vào, sự phân
bố điện tích này tạo ra một điện trờng của tần số vi sóng giữa mỗi phần của anode.
Dới ảnh hởng của điện trờng và từ trờng, các điện tử đi theo đờng xoắn
ốc từ annode. Sự dao động của các khoang anode. Sự dao động của các khoang anode
cộng hởng tạo nên sự gia tốc và giảm tốc các điện tử, nhóm chúng thành cụm và
chuyển tới
60% động năng vào công suất vi sóng. Đầu ra đợc đa vào một trong các khoang
để nối ghép công suất RF vi sóng từ nguồn magnetron tới ống dẫn sóng để ống
này truyền công suất tới ống dẫn sóng gia tốc.
Công suất đỉnh đợc tạo ra từ nguồn magnetron đợc xác định bởi sự xuất phát xạ
điện tử cathode có thể đợc tạo ra từ magnetron. Tuy nhiên, anode cần phải đợc làm
lạnh bằng nớc và sức nóng làm ăn mòn anode sẽ làm hạn chế công suất trung bình cần
đợc phát
magnetron.

ra

từ

một

nguồn

18


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

Hình 8 : Một ống công suất vi sóng magnetron.
V.2. Klystron
Klystron hoạt động nh một bộ khuyếch đại công suất vô tuyến (RF), giống nh
magnetron, sử dụng sự gia tốc điện tử để tạo ra sóng vi ba với mức công suất đỉnh là 7
MV hoặc cao hơn. Các điện tử đợc tạo ra từ sợi cathode nung nóng và đợc gia tốc
về phía các khoang tiếp đất bằng cách đặt một xung điện áp âm và cathode. Xung này
phát ra từ bộ điều chế và các điện tử đợc gia tốc đi qua hai khoang cộng hởng
nh minh hoạ ở hình 9.
Khoang đầu tiên là khoang tạo búi lại (buncher cavity), khoang này đợc kích
thích bằng một tạo dao động công suất thấp (RF driver), khoang này đợc kích thích
bằng một bộ tạo dao động công suất thấp (RF driver) và khoang thứ hai là khoang bẫy
điện tử (catcher cavity), khoang này phát ra nguồn RF công suất đợc tạo ra trong
klytron.
Khi điện tử đi qua lỗ hổng trong khoang tạo búi lại, chúng hoặc là đợc gia tốc
hoặc đợc giảm tốc bởi từ trờng RF dao động đợc phát ra bởi RF driver. Do đó,
một dòng điện tử đều đặn đợc biến đổi thành một dòng điện tử với một tần số
đợc xác định bởi tần số cộng hởng của khoang tạo bởi điện tử. Nếu khoang bẫy
điện tử có cùng tần số cộng hởng với khoang tạo búi điện tử và các điện tử này sẽ
truyền năng
19


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

lợng của chúng một cách hiệu quả tới trờng RF của khoang bẫy điện tử. Phần động
năng còn lại của điện tử đợc đa ra trực tiếp vào nơi xử lý năng lợng thừa chùm
tia, hầu hết trong số đó đợc chuyển thành bức xạ hãm, bức xạ này có thể gây nguy
hiểm. Do đó cần có một lớp chắn để bảo vệ khỏi bức xạ này, các ống

klystron cần

đợc tạo ra bởi klystron đợc chuyển tới ống dẫn sóng gia tốc qua một ống truyền nén
áp lực.

Hình 9: Sơ đồ mặt cắt của một klytron
V.3. So sánh giữa magnetron và klsytron
Lựa chọn magnetron và klystron khi nguồn công suất vô tuyến trong máy gia tốc
tuyến tính đôi khi là bất kỳ. Nói chung, các máy gia tốc tuyến tính năng lợng thấp (48 MeV) thờng có xu hớng dùng nguồn magnetron, nguồn này hoạt động tại
mức công suất đỉnh là 3MV. Nếu so sánh với klystron thì magnetron nhỏ hơn, vận
20


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ
hành ở

21


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

điện áp thấp hơn, không cần một tín hiệu RF driver ở đầu vào. Magnetron có thể đợc
gắn ngay trên dàn quay gần với ống dẫn sóng gia tốc, tạo nên sự truyền công suất từ
nguồn tần số vô tuyến (RF) tới ống dẫn sóng gia tốc tơng đối đơn giản. Một điểm nữa
của magnetron so với klystron là giá thành thấp hơn nhng chúng lại kém ổn định hơn.
Mặt khác, klystron thờng đợc sử dụng với các máy gia tốc năng lợng
cao, trong đó các mức năng lợng đỉnh là 5 MW hoặc hơn cần để gia tốc điện tử. Tuy
nhiên, khi so sánh với magnetron, klystron to hơn, vận hành ở điện áp cao hơn, cần
một tín hiệu đầu vào RF driver và cần đợc gắn trong một bể chứa dầu cách ly. Các
đặc điểm này khiến cho klystron không thể gắn lên dàn quay và cần đợc đặt trong
khung đỡ giá quay đợc đặt trong khung đỡ giàn quay. Một khớp nối RF quay đợc
nối liền giữa dàn quay với khung đỡ dàn quay đợc dùng để truyền công suất vi sóng
từ klystron tới ống dẫn sóng gia tốc trong dàn quay.
Công suất RF cần để gia tốc điện tử tới các mức năng lợng MeV thờng vào
khoảng vài MW, hiển nhiên là tránh sự hoạt động liên tục của máy gia tốc. Tuy
nhiên,
chu kỳ công suất

là 10-4 tới 10-3 là hiệu quả để tạo ra dòng chùm điện tử cần thiết

nhằm đạt tới suất liều phonton vào khoảng vài trăm cGy/phút ở máy gia tốc tuyến tính
đồng tâm.
VI. Vận chuyển chùm electron
Hệ thống vận chuyển chùm electron theo một hớng hẹp ống dẫn đợc hút chân
không và từ trờng uốn, chúng đợc sử dụng để vận chuyển chùm tia điện tử từ ống
dẫn sóng gia tốc tới bia tia X hoặc tới cửa sổ ra đối với xạ trị bằng chùm electron.
Tuy nhiên còn hai thành phần nữa là cuộn lái tia và cuộn hội tụ đợc lắp đặt trong ống
dẫn sóng, chúng cũng thờng đợc nối với hệ thống vận chuyển chùm electron.

VI.1. Cuộn lái tia
Các điện tử khi đi qua buồng tăng tốc dới ảnh hởng của điện trờng sóng
cao tần sẽ không chuyển đổi một cách chính xác dọc theo trục đợc bởi vì một mặt
do không có sự hoàn hảo về buồng gia tốc và súng điện tử, mặt khác do tác động của
các
22


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ

điện từ trờng ngoài khác nhau từ trờng của trái đất, các thành phần cấu trúc khác
của thiết bị, thậm chí của các công trình xây dựng.
Do ảnh hởng của tác động đó, chùm điện tử phải đợc lái một cách chủ động
qua hệ thống và điều này đợc thể hiện bằng cách sử dụng 2 cuộn dây lỡng cực
vuông góc và tạo thành các cặp cuộn lái tia đợc sắp xếp nh trên hình 10. Sau khi
các điện tử
đợc gia tốc gần đến năng lợng cực đại thì một cặp cuộn lái thứ hai đợc sử dụng
để
hớng dẫn chùm tia chính xác vào bia tia - X hoặc cửa sổ mỏng.

Hình 10: Bộ phận phát chùm tia
Cả hớng và vị trí của chùm tia đập vào bia tia- X sẽ ảnh hởng đến phân bố liều
lợng trong chùm tia. Để ổn định sự phân bố liều lợng này thì nguồn cung cấp năng
lợng cho các cuộn lái tia phải đợc đạt giá trị tối u và sau đó phải đợc khống
chế một cách liên tục bằng những tín hiệu chuẩn từ một phần tử cảm biến đặc biệt
trong bức xạ. Nguyên lý này đợc điều khiển bằng một hệ thống chế ngoài để điều
23


Viện Vật lý Kỹ thuật Luận án thạc sĩ
chỉnh sự không đồng nhất của chùm tia.

24


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×