14MeV医用同源双模中能电子直线加速管的研制

宋瑞英 贺守波 汪 鹏



14MeV医用同源双模中能电子直线加速管的研制

宋瑞英 贺守波 汪 鹏

（上海联影医疗科技有限公司 上海 201807）

医用同源双模中能电子直线加速管是影像引导放射治疗技术(Image Guide Radiation Therapy, IGRT)中的核心部件，为确保放射治疗直线加速器能够提供稳定和高品质的成像射束、双光子模式治疗射束以及多档电子射束，上海联影医疗科技有限公司研制了基于一种新型的能量开关技术的14MeV医用双模驻波加速管。采用束流动力学程序Parmela对加速管整管的横向聚焦和纵向聚束进行了动力学设计分析，为优化加速管腔体几何结构提供了指标要求，最终利用电磁场仿真软件Superfish及CST (Computer Simulation Technology)优化腔体结构设计并得到了最优的微波参数。模拟计算结果表明，该加速管总长1.3m，采用边耦合双周期p/2驻波结构，工作频率2.998GHz，其输出束流能量可以实现多档可调，成像模式可输出低于3MV的光子，治疗束可输出具有6MV和10MV两档的光子及4档能量电子束（最高能量可达14MeV）。完成加工后，冷测结果与设计值符合得比较好，下一步将进行高功率微波老练。

医用中能电子直线加速管，能量开关，影像引导放射治疗技术，成像束，高剂量率

我国是人口大国，受老龄化、环境污染和生活方式改变等影响，我国癌症人口每年以约260万人的速度递增。作为癌症治疗利器的医用直线加速器，在我国的百万人口配置率远低于世界卫生组织公布的国际水平。据估算，我国需要再新增约4000台加速器才可能缓解目前设备严重不足的状态。加速器的严重不足极大影响了患者的治疗，大城市医院人满为患，不少放疗单位居然单机每天的工作时间超过12h，依然无法满足患者的需求。近年来，由于医用加速器整体研发水平不高，我国医院每年采购的加速器90%以上为进口，特别是需求旺盛的15MV以下双光子机，几乎都是进口产品。随着三维调强治疗技术的兴起，放疗对于X线能量的要求主要集中在6MV和10MV上，因此能够提供以上能量的加速器就可以满足目前放疗几乎所有临床需求，不再追求15MV以上的能量。

进口产品除了提供先进的治疗技术外，都配置了影像引导系统(Imaging Guide Radiation Therapy, IGRT)。IGRT就是在治疗前通过进行2D/3D的患者体位成像纠正患者的摆位，提高治疗的准确度。现在机架与加速器机头正交位安装千伏级别的影像设备，但是增加了设备的成本，也与实际治疗野存在一定的误差值。使用外挂成像设备的主要原因是因为直线加速管目前只能输出治疗用的高能X线射束，而高能X线射束对于成像效果非常差，影响了IGRT的精确程度，也增加了患者的剂量。

目前包括美国瓦里安、英国医科达等公司都在致力于同源双模加速管的研发，既能提供低能级的成像束，又能提供高能级的治疗束。研发一种中能加速器，既能提供更低能级的影像束以提高成像质量和减小正常组织的被辐射量，又能满足各种治疗能量需要，无疑将打破现有进口影像引导直线加速器的市场格局，成为我国影像引导直线加速器赶超进口产品的一次重大机遇。

本文研究的是一种支持高质量成像束和高剂量率治疗束的中能加速管，加速管输出束流模式的切换，采用了多级能量开关技术来保证影像束，多档治疗束的束流品质，相对于传统的直接改变微波功率或注入电子束流大小的方法，具有能谱更优、剂量更高、更稳定等优点。

研制过程的主要工作内容包括：加速管的设计，包括束流动力学分析、能量开关的设计、加速腔的高频优化和束流传输系统的设计等。

1 加速管整体介绍

采用了双周期边耦合驻波加速结构[1−2]，其设计方法及加工焊接等工艺都在已研制成功的6MV低能加速管上得到了验证[3]。根据市场需求，最终确定此加速管的设计指标如下：

1) 可工作于输出成像束或多档能量治疗束两种模式；

2) 成像模式可输出低于3MV的光子；

3) 治疗束可输出具有6MV和10MV两档光子；

4) 电子能量4档，分别为6MeV、9MeV、12MeV和15MeV；

5) 6MV和10MV的治疗束最大剂量率为600MU·min−1。

根据能量、剂量率及机架旋转的需求，功率源选用英国E2V公司的MG7095磁控管，其峰值功率为3.1MW，工作频率范围为2993‒3003MHz。基于多种工作模式对电子枪发射电流变化较大的需求，电子枪选用可拆卸的栅控三极枪。受限于磁控管的峰值功率及腔体场强过大增加打火风险，设计总管长1.3m，共53个谐振回路，工作于p/2模式，主模两侧的模式间隔大于2MHz。能量开关可实现包括减速模式的多档能量调变。

为了缩短项目开发周期，在研发初期，把中能管与能量开关的设计研制独立开来。设计并加工了一套能量开关及驱动控制，焊接到已经研发成功的低能加速管上验证其可行性。同时也设计并加工了一根不带能量开关的中能加速管，进行基本工作模式的验证。

2 不带能量开关加速管的理论设计及测试

2.1 束流动力学设计

基于Parmela对加速管整管的横向聚焦及纵向聚束进行了分析。由于要在功率源磁控管输出功率有限的情况下，实现输出剂量率600MU·min−1的目标，加速管长度设计成1.3m以减少腔体功率损耗，这样带来的弊端就是俘获率会降低，所以在加速管外面增加了聚焦线圈。结合束流动力学设计，采用Poisson优化得到聚焦线圈的纵向磁场和径向梯度场如图1所示[4−6]。动力学设计以光子能量档6MV为基准，用能量开关调变能量来保证10MV、3MV光子线及各能量档电子线工作模式时的剂量率及束流品质。经过优化，设计的3个聚束腔的相速比约为0.5:0.7:0.7，场强比约为1.23:1.18:1.18，采用Superfish[7]和CST优化各个加速腔结构，最后得到整管的单位长度有效分路阻抗约为110MW·m−1，品质因数约17000， 渡越时间因子0.84，束流所处等效相位−34°。束流平均能量为6MeV时的电子束能谱、束斑及相空间分布如图2所示。

图1 聚集线圈轴线上的纵向磁场和径向梯度场 Fig.1 Longitudinal and radial field on the axis of solenoid.

图2 束流相空间(a, b)、束斑(c)及能谱(d) Fig.2 Beam phase space (a, b), spot size(c) and energy spectrum(d).

2.2 束流负载及耦合度选取

束流通过加速腔能够激励感应场，其感应场可分解为与加速场相位平行的有功分量和与加速场垂直的无功分量。前者吸收功率，注入功率不变时使加速管腔压下降；后者引起加速结构的频移，所以加速管要一个失谐角来补偿。

如图3所示，束流负载等效为电流源b，它能激励加速腔产生感应场。

图3 考虑束流负载时的腔体谐振等效电路[7]Fig.3 Parallel equivalent circuit for cavity with beam loading effect[7].

功率源的输出功率为：

式中：c为腔体损耗；b为束流在腔上感应电压的幅值；c为腔内的净腔压；为束流加速相位，也即c与束流间的夹角。

反射功率最小时，最佳耦合度0=1+(ssin)/c=1+b/c，失谐角满足tan0=−(0−1)/(0+1) tan，各电压间的相位关系如图4 所示（对文献[7]内的图进行了修正），横坐标为电压实部，纵坐标为电压虚部。整理得失谐角为：

图4 考虑束流负载及失谐角时各电压间的相位关系图 Fig.4 Voltage phasor diagrams with beam loading and the angle by which the cavity is detuned.

根据以上的束流动力学计算，举例6MV模式的情况：=−34°，=120mA，c=6/cos=7.24MV，s=140MW，可得到：加速腔损耗c=c2/s= 0.37MW，b=ccos=0.72 MW。考虑实际加工腔体表面光洁度及腔体调谐导致的边腔损耗等因素，c取0.44MW，所以最佳耦合度：

0=1+b/c=2.64 (3)

此时无反射功率，功率源输出功率为g=c+b=1.16MW。实测0等于14000，所以L=0/(1+)=3846，=3.90016×10−5，由此可得到功率源的驱动频率要低于加速腔的谐振频率约0.12MHz。考虑束流负载时的建场时间为=(2L)/0=0.41ms。

综合各个模式束流负载情况后选取波导耦合口处的耦合度为2.1。中能加速管最终的主要设计参数为：运行频率2998MHz；运行模式p/2；加速长度1.3m；束流孔直径5mm；0=17000；eff= 110 MW·m−1；渡越时间因子0.84；输入耦合度2.1；靶电流@6MV，600 MU·min−1，150mA；靶电流@10MV，600MU·min−1，40mA。

2.3 加工及测试

鉴于低能管研制的成功经验[3]，中能管的加工比较顺利，选用的数控车床能够达到所需0.1mm粗糙度与5mm加工精度的要求，而且摸索出了一套测试指导加工的方法，加快了后续的冷测及调谐进

度。最后测得整管主模谐振频率为2997.6MHz，品质因数0=14000，主模相邻的模式间隔大于2MHz，阻塞带小于0.5MHz。用小球微扰法测得的轴线上场分布曲线如图5所示，前4个腔的场幅值比为0.35:1.26:1.26:0.96，与理论设计值1.23:1.18:1.18:1的误差在10%以内，基本满足各腔场比值要求。

加速管的真空系统、电子枪及输出窗采用可拆卸的密封结构，方便部件的更换，且可以不用进排气台，但抽真空要从大气开始，所需时间比较长，目前已经完成加热带烘烤除气，正在进行微波老练。

3 能量开关的设计及实验验证

3.1 实验腔物理设计

为更大幅度调整加速管的输出能量，同时保证束流良好品质，在中高能驻波加速管研发过程中，最有效的方法是采用微波能量开关技术[8−9]。所谓能量开关技术，是一种改变加速管内电磁场分布的方法。它是在保持加速管聚束段场分布不变的前提下，改变其下游主加速段内的加速电场场强，从而在大范围改变加速管出口能量的同时尽最大可能保证其能谱不变，这样就允许在偏转系统中使用更窄的能量选择缝，最终提高医用电子直线加速器整机的剂量率。

本研究首先在已研制成功的6MV同源双模加速管上验证能量开关的设计。图6表示能量开关在两种不同工作模式下的加速管内轴向电场分布情况。其中，能量开关位于边耦合腔体内，它通过调节该边耦合腔内电磁场的对称性来改变能量开关所在边耦合腔与相邻的主加速腔之间的耦合系数，从而改变了微波功率馈入到下一个主加速腔内的电场强度。

图6 能量开关第一、第二工作模式时的轴向电场分布情况 Fig.6 Electric field along the beam line for the first and the second modes of energy switch.

为保证在能量开关的调节下加速管继续稳定运行，在能量开关设计过程中，兼顾了模式间隔、功率损耗以及整管阻塞带的选定。由于能量开关与所在加速管边耦合腔连接处存在微波辐射问题，需要考虑设计良好的高频接触或者特殊的1/4波长扼流结构。鉴于能量开关在实际工作时存在大量的机械往复运动，所以能量开关在设计时采用了能够承受450°高温的波纹管结构作为过渡连接件。

3.2 实验腔初步测试

为测试能量开关的6MV低能加速管是一个具有5个半加速腔、5个耦合腔的边耦合驻波加速管， 其中能量开关单元放置在低能加速管的中部，位于沿着束流方向上第4个加速腔和第5个加速腔之间的边耦合腔内，这样在能量开关调变作用下，加速管输出能量将有较大的改变，易于高功率测试验证。在低能管上主要待验证的一是能量开关的机械设计是否存在打火问题，二是能量开关是否能得到期望的场分布。

对6MV低能管进行微波冷测，测试能量开关在两种工作模式下电场在轴向上的强度幅值分布，结果如图7所示。可以看出，微波冷测结果与理论设计吻合较好。

图7 能量开关在第一、第二种模式下加速管电场在轴向上强度幅值分布情况 Fig.7 Amplitude of electric field along the waveguide beam line for the first and the second modes of energy switch.

在经过上百小时微波老练后，对带有能量开关的低能加速管进行初步的高功率载束测试。测试表明，在能量开关调变作用时，束流输出比较稳定，没有出现打火问题。采用铝吸收方法测得各模式的输出能量，初始模式0=6.15MeV，第一模式1=7.41 MeV，第二模式2=1.98 MeV。在只有两个腔体场强幅度增强的情况下，第一模式能量增加了20%，在中能加速管设计中，增加下游腔体个数的情况下可以达到能量增加40%的要求，从而满足医用加速器从成像射束到各治疗射束的对输出能量和高流强的需求。

接下来待加速管真空条件提高时，再对能量开关各工作模式的能量、能谱以及束斑等进行测量。

4 结语

目前已经完成了中能加速管的加工、焊接和排气，冷测结果与设计值吻合得较好，证明了设计方案的可行性。能量开关在成熟的低能加速管上验证，其初步测试与理论设计也符合较好，满足能量调变的需求。现正在进行中能加速管及带能量开关低能加速管的老炼，然后进行高重复频率的热测实验，根据测试结果进行设计优化，最后把中能加速管与能量开关结合，研制出符合市场新需求的医用中能加速管。

致谢 感谢上海联影医疗科技有限公司放疗事业部的加速管生产部门的辛苦付出，感谢测试组的大力支持，感谢系统组的帮助。

1 Aubin J S, Steciw S, Fallone B G. The design of a simulated in-line side-coupled 6 MV linear accelerator waveguide[J]. Medical Physics, 2010, 37(2): 466‒476

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GU Benguang. Medical accelerator[M]. Beijing: Science Press, 2004: 69‒110

3 宋瑞英. 低能加速管的研发报告[R]. 上海联影医疗有限公司放疗事业部, 2015
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4 闫继峰, 于金祥, 郭之虞. 具有铁磁回路的螺线管透镜的设计研究[J]. 原子能科学技术, 2004, 38(增): 70‒74
YAN Jifeng, YU Jinxiang, GUO Zhiyu. Design investigation on solenoid lens with ferromagnetic circuit[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2004, 38(Suppl): 70‒74

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9 Palmer D T. The next generation photo injector[D]. California: Stanford University,1998: 102‒103

上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目(No.201505-JD-B108-010)资助

Supported by Shanghai Zhangjiang National Innovation Demonstration Zone of the Special Development Fund (No.201505-JD-B108-010)

Development of a 14-MeV dual-mode congeneric mid-energy accelerating structure for medical electron linear accelerator

SONG Ruiying HE Shoubo WANG Peng

(Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd, Shanghai 201807, China)

Background: A dual-mode congeneric mid-energy accelerating waveguide for medical electron linac is a crucial device in imaging guided radiation therapy (IGRT) technology. Purpose: To ensure the linac producing stable and high quality beam bunches for both imaging and treatment beams, a 14-MeV side-coupled standing wave waveguide accelerator structure for medical accelerator based on a novel microwave energy switch technology was developed in Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd (UIH). Methods: First of all, the designs on the transverse focusing and the longitudinal bunching for the linac accelerating structure were generated using the beam dynamics simulation code Parmela to certify the optimization goal of the accelerating cavity structure which can be used in both dual-photon mode and multi-energy electron mode. Then the accelerating structure was designed and the optimized microwave parameters were obtained by using the electromagnetic code Superfish and the commercial software CST (Computer Simulation Technology). Results: A 1.3-m longp/2 mode standing-wave bi-periodic side-coupled accelerating wave-guide resonating at 2.998GHz was obtained. The accelerating structure can be adjusted to output both 3-MV imaging photon beam and dual-mode treatment photon beams, including 6-MV and 10-MV electron beam. In addition, multi-energy electron beams with maximum electron beam energy of 14MeV can be achieved. Conclusion: So far, the accelerating waveguide was machined and brazed completely. It is found that the numerical design shows very good agreement with the microwave cold test result. Recently, the frequency tuning is achieved accurately and the RF conditioning is in progress.

Medical mid-energy linac, Energy switch, IGRT, Imaging beam, High dose rate

SONG Ruiying, female, born in 1978, graduated from University of Science & Technology of China, engaged in the research and development of medical accelerator tube

TL274+.2

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050203

宋瑞英，女，1978年出生，2007年毕业于中国科学技术大学，现从事医用加速管的研发

2016-03-30，

2016-04-15