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医用电子直线加速器速调管饱和的测试方法

  作者:wuyue  (wuyue_2184@163.COM)   来源:  更新日期:2009-05-31   浏览次数:

 

医用电子直线加速器速调管饱和的测试方法
The Procedure ofKlystron Saturation Test in an Electron Linear Accelerator

王振洲

( 成都军区昆明总医院医学工程科, 云南昆明650032)
〔文章编号〕1672- 8270( 2006) 05- 17- 03 〔中图分类号〕R445 〔文献标识码〕B


医用电子直线加速器是目前肿瘤放射治疗的主要设备。依微波功率源的不同, 可以将加速器分为两大类,一类采用磁控管作为微波功率源, 如美国瓦里安公司、德国西门子及国产中低能加速器, 医科达公司生产的所有加速器均采用磁控管作为微波功率源。另一类采用微波振荡源加速调管放大器构成微波功率源, 如美国瓦里安公司、德国西门子生产的高能加速器。速调管实际上是一个微波功率放大器。图1 是一个三腔速调管的功能和结构示意图, 输入( input) 信号来自于射频驱动器( RFdrive) , 输出( output) 的高功率微波通过波导经四端环流器后送入加速管中, 在其中建立起行波或驻波电磁场。
1 问题的由来
  剂量率不稳定是加速器常见的故障现象, 原因很多, 常见的原因是馈送到加速管中的微波功率不稳定,而这种不稳定的原因一般来讲与速调管的工作模式有关。在大多数采用速调管作为微波功率源的加速器如西门子Mevatron 77 型加速器中, 速调管工作于饱和状态而非线性状态, 图2 给出了一个多腔速调管的工作特性曲线( 输入与输出的关系) , 曲线A 代表各腔室同步调谐的情况, 在激励功率一定时, 速调管频带宽度最窄, 但功率增益最大。曲线B、C、D 代表各腔室不同程度非同步调谐的情况, 频带变宽, 但功率增益变小。出厂时, 射频驱动器( RF drive) 输出( 即速调管的RF INPUT) 功率设定在一定的值, 使速调管工作点位于饱和点( saturation point) , 通过改变加到速调管阴极上负高压的大小来改变速调管的放大倍数, 从而改变加速管中的微波场强, 以适应不同能量档的需要。如果由于RFdrive 输出功率过低, 不能使速调管工作于饱和区的话,那么只要RF drive 的输出稍有波动( 这种波动实际上不可避免) , 这种波动就会被放大, 导致微波功率不稳, 从而使输出剂量率发生波动。波动如过大, 剂量率连锁保护系统将起作用, 终止出束。
  RF drive 是一个低功率的微波信号源, 其输出信号加到速调管的输入端。RF drive 的中心振荡频率为2998.5MHz, 主模工作频率2992.5Mhz- 3001.5Mhz。射频输出峰值功率可调, 最大200W, 脉宽7 微秒( 3db 点处) , 内触发脉冲周期7 毫秒。在更换RF drive 后, 应测试速调管是否工作于饱和状态。现以Mevatron 77 型加速器为例, 结合我们多年来从事加速器安装及维修的经验, 介绍一下速调管饱和的测试方法。该机中所用速调管是法国汤母逊公司生产的四腔速调管, 型号为TH2066, 脉冲峰值功率7MW, 脉冲占空比为千分之一。在X 线模式下, 从加速管中出来的高能电子束打到X 线靶上时产生的电流脉冲( Beam I) 的幅度间接反映了从速调管输出端馈送到加速管中的射频功率的水平。在所有其它参数保持不变时, PFN- E 参数( 决定加到速调管阴极上的负高压大小, 从而决定了速调管输出射频功率的大小) 的最佳设置应当使Beam I 的波形为一个底部平坦的矩形波( 参阅图3) , 增大PFN- E, 将使这个负向束流脉冲的底部变凹( 参阅图4) , 即波形底部朝向基线, 而较低的PFN- E 设置将使束流脉冲的底部变凸
2 判断速调管是否工作于饱和状态的方法
  测试速调管是否工作于饱和状态的步骤如下:
 2.1 将控制台研究开关( Research Keyswitch) 置于ON状态, 剂量连锁旁路开关1、2 置于ON, 剂量伺服置于开环状态, 程序开关置于Normal 状态, AFC 打到自动状态。使用右侧钥匙开关将选择X 线, 能量15MV, 固定治疗模式, 预置剂量300cGy。
 2.2 出束, 用示波器监测Beam I 波形, 同轴电缆接头处接一个50 欧姆的匹配负载, 示波器纵轴每格置0.5 伏,横轴每格一微秒, 观察束流脉冲。如有必要, 调整PFN- E, 使脉冲波形处于如上所述状态, 记录PFN- E 参数电压值。关闭束流。
 2.3 将RF drive 转换到Test/Internal Trigger 状态, 记录功率输出指示。调节前面板上的衰减器使输出功率为50瓦。转到External Trigger 模式。
 2.4 出束, 观察束流脉冲波形。如没有变化发生, 重复步骤3, 将RF drive 的输出功率降低, 如脉冲变凸, 即中间变高, 两肩变低, 增大PFN- E, 使脉冲波形最佳, 即使脉冲波形底部变平。关闭束流。
 2.5 将RF drive 的输出功率增大5 瓦, 出束, 观察束流脉冲波形。如果脉冲变凹, 降低PFN- E, 使脉冲波形最佳, 即使脉冲波形底部变平。
 2.6 重复步骤5, 每次RF drive 的输出功率增大5 瓦, 直到看不出脉冲形状变化为止。将RF drive 的输出功率再额外增加5 瓦, 再次确认束流脉冲波形的形状没有发生变化。这就是使速调管产生饱和的正确的RF drive 输出功率。
 2.7 如果最终的PFN- E 编程电压与步骤2 中的记录值相同, 且最终的RF drive 输出功率的值与步骤3 所记录的值偏差在正负5 瓦之内, 那么, 速调管在测试以前就已经工作于饱和状态了。没有其它参数需要调整。
  最后, 有一点特别需要注意, 在任何重要的参数发生改变之后, 用户需要对加速器重新进行剂量学校准。
参考文献
  [1] 顾本广. 医用加速器. 科学出版社, 2003 年10 月第一版。
  [2] 西门子Mevatron 77 型加速器维修资料。


 

责任编辑:rtmax

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