医用电子直线加速器
医用电子直线加速器(Medical Electronic Linear 加速器)是利用微波电场，将沿直线加速电子到较高的能量应用于医学临床的装置。
世界上首台医用电子直线加速器于1953年在英国投入使用后，促使世界各国开始从事研制各种加速器。中国自1973年开始也陆续从国外引进医用电子直线加速器，并于20世纪70年代展开对该仪器的研发工作。1975至1995年间，引进中、高能机和国产低能机的发展，使中国医用加速器的拥有量呈逐年增长趋势。由于医用电子直线加速器与其他放疗设备相比具有无需永久放射源、射线能量高、剂量准确、均匀性和对称性好等优点，近20年来在临床肿瘤治疗中发挥着越来越重要的作用，可用于各种肿瘤的远距离外照射放射治疗。
医用电子直线加速器的基本构造包括电子枪、微波系统、束流传输系统、稳频、温控及充气系统、真空系统、高压脉冲调整系统、辐射系统、剂量监测系统、机械系统和控制系统。该仪器根据能量差异可分为低能、中能和高能加速器；按加速管工作原理方式可划分为行波型和驻波型；按照X射线能量档位划分可分为单光子、双光子和多光子。此外，该类仪器也存在辐射、高温、电击、气体泄漏危害人体等危险。
历史
放射线的发现始于19世纪末。进入20世纪以前，放射治疗已用于临床，并有治愈浅层癌的记载。当时由于不了解射线的危害性质，导致了多年来在诊断和治疗方面一些不适当的过量照射，造成了一些不应有的损伤。1913年库吉利X射线管的出现，到1920年200千伏的X线装置已供使用，开始了深部X射线治疗。1913年在加州理工学院应用一个25英尺长的多端X射线管已达700kV，到30年代末一出现百万伏的管子，因而进入了应用远距离治疗机的新阶段。1931至1932年由Lawrence和Livingston建成了第一台回旋加速器，到了1940年发展成直线加速器，能产生兆伏级的X线和电子束。之后，速调管技术的发展和应用开启了直线加速器运用于临床的新时代。
1953年，英国Hammersmith亿元首先安装使用英国Vickers公司研制的MV级加速器，成为了当时世界上最早治疗肿瘤的第一台加速器。由于英国EEV公司电真空器件迅速发展，促使世界经济发达的国家从事研制各种加速器。中国自1973年解放军301医院由日本东芝引进中国首台医用电子直线加速器开始，许多大型中国医学科学院肿瘤医院又陆续引进了荷兰菲利普（飞利浦）公司、德国西门子股份公司（Siemens）、美国Varian公司、日本东芝（Toshiba）公司和三菱集团（Mitsubishi）公司的产品。同时，国家科委还组织北京、南京、上海三支专业技术队伍，开展了研制国产医用加速器的攻关会战，在20世纪70年代中期先后研制成功BJ-10、ZJ-10行波型医用直线加速器，又通过10多年奋战，北京医疗器械研究所于20世纪80年代末开始小批量生产能量为4MV的BJ-4型低能驻波医用加速器。同时，上海核子仪器厂也开始生产能量为10MeV的ZJ-10型中能加速器。20世纪990年代初，北京医疗器械研究所研制出了BJ-6型机器。而几乎同时段，广东威达公司与清华大学、电子部12所合作，开始批量生产WDVE6型低能驻波加速器。在1975至1995年间，引进中、高能机和国产低能机的发展，使中国医用加速器的拥有量呈逐年增长趋势。
据1997年末不完全统计，中国共拥有医用加速器300台左右。其中Varian公司产品所占比例最大，约为24%。北京医疗器械研究所产品位居第二，约为22%。由于医用电子直线加速器与其他放疗设备相比具有无需永久放射源、射线能量高、剂量准确、均匀性和对称性好等诸多优点，近20年来在临床肿瘤治疗中发挥着越来越重要的作用。
结构
基本构造
医用电子直线加速器是一种比较复杂的大型医用设备，涉及诸多学科和技术，基本结构主要有电子枪、微波系统、束流传输系统、稳频、温控及充气系统、真空系统、高压脉冲调整系统、辐射系统、剂量监测系统、机械系统、控制系统。
电子枪
电子枪是产生、加速及会聚高能量密度电子束流的装置，它发射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的电子束(又称电子注)。电子枪是电子发射系统的核心器件，电子注参数的好坏直接影响到加速管质量的高低。加速管对电子枪除要求其发射的电子注必须具有很好的层流外，还要求其发射的电子注具有一定的注入流强、注入电压、足够的射程以及一定的注入角和注腰半径等。
微波系统
电子直线加速器的微波系统由微波功率源和微波传输系统组成。微波源提供加速管建立加速场所需的射频功率，医用电子直线加速器一般采用S波段2998 MHz或2856 MHz的微波频率。作为微波源使用的有磁控管和速调管。行波医用电子直线加速器和低能驻波医用电子直线加速器使用磁控管作为微波功率源。磁控管是微波自激振荡器，体积小、重量轻、工作电压低，但其工作频率易漂移，因此需采用自动稳频系统，提高频率稳定度。中高能驻波医用电子直线加速器使用速调管作为功率源。速调管是微波功率放大器，可以提供更高的微波输入功率，但是其设备体积大，工作电压高，需要配置有低功率的微波激励源来驱动。虽然其工作频率比较稳定，但也需自动调频系统使其与负载变化保持一致。
束流传输系统
束流传输系统是为了电子在加速过程中的束流聚焦、束流导向和束流偏转移除而设置的自动控制系统。它可分为聚焦系统、导向系统和偏转系统三部分。
稳频、温控及充气系统
微波系统的附属系统有自动稳频系统，自动温控系统和波导股份充气系统。微波自动稳频系统是为了协调微波源与加速管之间电磁振荡频率一致的重要环节。电子直线加速器应用的自动稳频系统一般有4种基本结构形式：石英晶振型、单腔型、双腔型和锁相型。自动控温系统也是医用电子直线加速器中重要的组成部分，因为在医用电子直线加速器中，有许多的部件在工作时都要发出不同的热量，而这些部件只有在恒温条件下才能保证稳定工作。温度控制方式一般采用水循环强制冷却自动恒温系统。波导股份充气系统是指给微波传输系统充以一定压强的特定气体的一套装置。充气的目的是为了增加波导管内气体分子的密度，以缩短气体分子的平均自由程，从而提高波导管的击穿强度阈值。防止微波功率传输时可能发生的波导股份管内打火现象。
真空系统
真空系统可以保持电子运动区域和加速管内的高度真空状态，一方面可以防止电子枪阴极中毒、钨丝材料的热子或灯丝氧化，另一方面可以避免加速管内放电击穿，还可以减少电子与残余气体的碰撞损失。
高压脉冲调整系统
在使用微波电场加速电子的加速器中，为了得到尽可能高的加速电场，瞬时微波功率很大，达到MW量级，因此微波源都是脉冲工作的。脉冲调制器是向这种微波源提供脉冲功率的电源，其工作原理是利用储能放电的原理形成高压脉冲，经脉冲调制器将该电压进一步放大后供微波功率源使用。
辐射系统
辐射系统的作用是按照需要对电子束进行X线转换和均整输出，或直接均整后输出电子射线，并对输出的X线或电子射线进行实时监测和限束照射。辐射头的基本结构：加速管安装在辐射头的上部，紧贴加速管引出窗的是靶，接下来分别是初级准直器、束流均整过滤器或散射箔、电离室、辐射野光学模拟系统、一对上准直器、一对下准直器、附件盘。
剂量监测系统
剂量监测系统由剂量监测电离室、剂量监测电路组成。电子直线加速器最为广泛使用的剂量监测仪是永久性安装在加速器里的透射电离室剂量仪。电离室位于辐射系统之内，安装在均整滤过器或散射箔与光子线的次级准直器之间，由若干片极片构成，其中有两对用于监测辐射野内相互垂直的两个方向的均整度，有一片用于监测辐射的能量变化，有两片用于检测辐射的吸收剂量。多数使用平板电离室，其大小应覆盖整个治疗射野，少数使用指形电离室。其功能是监测X射线、电子束的剂量率、积分剂量和射野的对称性、平坦度。
机械系统
机械系统是医用电子直线加速器的支撑机构，由基座、旋转机架、辐射头、治疗床等结构组成。现代医用电子直线加速器采用等中心原则的运动系统，即机架、辐射头及治疗床三者的旋转轴线交于一点，该点称为等中心，要求中心误差在±2mm以内。
控制系统
控制系统由以下几部分组成：①各种电源。②连锁保护：包括水流、水温、水压、高压过载、微波功率源打火等各种保护。③自动控制：包括自动频率控制、自动剂量率控制、自动均整度控制、自动楔形过滤器控制、弧形旋转控制等。④正常治疗的程序控制：包括待机、预置、准备、出束、晨检等几种状态的程序控制。⑤安全连锁：保证设备安全的安全连锁、控制射线的安全连锁等。⑥安全接地和干扰屏蔽：电屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽等。
工作原理
医用电子直线加速器是指电子束在微波电场的作用下，直线地通过加速管系统，能量不断增加的一种装置。它有两种基本形式，行波型和驻波型。以行波电子直线加速器为例，其主要加速部件是加速管，加速电场是加速管内的行波电场，加速的粒子是电子。
电子加速原理
微波的特性和波导管
微波是指无线电中波长最短的一个波段。其频率为3X108至3X1011Hz，对应的波长范围是1米至1毫米，它具有类似光波的性质，照射到一般物体上会发生显著的反射。由于波长很短微波的传输线必须采用专用的微波元件，例如波导管、谐振腔等。微波的振荡器、放大器和检波器也必须采用调速管、磁控管和行波管等微波元件。波导管是指一根能传递微波的空心金属管，有矩形波导管和圆形波导管两种，都是由紫铜或黄铜管经精密加工制成的。微波在它的内表面反射而传播，类似声波通过空心管子的传播，使用波导管传播微波能减少损耗和提高功率容量。
电子在行波电场中的运动
当原型波导管上加上一定频率的微波，就会产生一束特殊的电磁波，沿着波导管传播，它的电场方向沿着波导管的轴向。为了使电子在波导管中一直处于有效的加速状态，即使电子不断地从行波电磁场中获得能量，要求波导管中行波的相速度（相速度就是波峰的传播速度）与电子的运动速度保持相同。在波导管中，注入电子的初速度通常为0.4C（C是光速）。这就要求在波导管的入口处（电子注入处），行波相速度控制在0.4C附近，这样才能把电子放在行波的波峰上，使其跟着行波的传播而被轴向电场加速。随着电子的被加速，波导管内行波的相速度也应相应地增大，以适应加速的需要。这就是说，只要行波相速度保持与电子的速度相同，即所谓同步，则波导管中的电子就能“骑”在波峰上跟着行波一起向前运动，并不断得到加速，直到电子从加速管的尾部射出为止，此时电子速度已接近光速。
工作过程
仪器工作时，主控制柜上的触发器发生脉冲信号，将调制器上的闸流管处罚，产生一系列负脉冲高压，加到磁控管的阴极和电子枪的阴极上。这时磁控管发生振荡，其产生的微波功率，经转换波导股份，隔离器和输入耦合器等部件馈送至行波加速管，进而在加速管内建立起轴向电场的电磁波。该波沿加速器的轴线传播同时，来自电子枪的电子束经过短焦距透镜和对中电感线圈的聚焦和对中作用，以一定的初速注入到加速管的轴向上，并在轴向微波电场的作用下得到加速。被加速到一定能量的电子束通过输出耦合器，经对中线圈的对中作用，以正确的角度进入偏转磁铁中，电子束偏转90°后穿过0.1mm厚的钛窗达到3mm厚的金靶上，便能产生高能X射线。如果将金靶移开（机内设有抽靶机将金靶自动抽离），并将场准器换成0.3mm厚的铜散射箔，便能产生所需能量的电子射线。
分类
输出能量高低
医用电子直线加速器应用于放射治疗的射线束有X射线和电子束，根据其能量的不同，加速器可分为低能、中能和高能加速器。
低能加速器
低能加速器只生产X射线，能量为4MV或6MV。
中能加速器
中能加速器产生但能量X射线和多挡能量的电子束，一般为6MV或8MV X射线，和4至15MeV电子束。
高能加速器
产生2挡或3挡X射线和多挡能量电子束，一般X射线能量低挡为4MV或6MV，高档为15MV或18（22）MV X射线，和4至25MeV电子束。
加速管工作原理
按加速管工作原理方式划分，医用电子直线加速器有两种加速方式：行波加速方式和驻波加速方式。
行波加速方式
行波加速方式是在网波导中周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠这些膜片的反射作用，使中孔部分中传播的电磁场相位传播速度慢下来，甚至光速以下，以实现对电子的同步加速。这种波导股份管，称其为盘荷波导(加速管，取圆形膜片对波导管加载之意)。
驻波加速方式
驻波加速方式是在加速管在左右两端适与位置放置短路板，形成一种电磁振荡的驻波状态。加速管结构中所有的腔体都谐振在一个频率上，相邻两腔间的距离为D，而腔间电场相位差刚好为180°，即腔间电场刚好方向相反。
X射线能量档位
按照X射线能量的档位划分，医用电子直线加速器可以分为单光子、双光子和多光子。
特点
参考资料：
使用风险
辐射危险
医用电子直线加速器是一个强辐射源，能够产生每分钟数万至数十万拉德剂量率的高能电子线和X线；同时它又是一个大功率的微波功率源，它的脉冲调制器可产生数十千伏刀数百千伏的高频、高压脉冲。射线和微波都可能对附近的人员和设备产生危害：①加速器在大功率下工作时，及时加速管和电子枪丧失了工作能力，磁控管和闸流管仍能产生X线；②在大功率下测试微波的射频系统时，即使电子枪不在工作，也可能导致加速系统中产生暗流；③高压磁控管不仅从阴极而且从输出波导处都能发射很强的X线；④在传输大功率微波时，有的传输系统由于某种原因会有微波漏到空间，泄露达10MV·cm-2以上就将损害人体健康；⑤加速器照射头附近的剂量以及固定在照射头上的附件，可能被高能量光子束激活而产生放射性；⑥使用15MV以上X线的医用直线加速器将会带来产生中子污染的问题。
热危险
医用电子直线加速器的钛泵、电子枪、磁控管、速调管、闸流管、加速管、隔离器等主要器件，工作时都处于高温状态下，不可用手触摸，以免烫伤。
电危险
医用电子直线加速器带有数千伏至数百伏的高压器件，如钛泵、电子枪、磁控管、速调管、闸流管、高压脉冲变压器等。在这些电路周围工作时，应防止被高压电击伤。
其他危险
①部分加速器的波导管内充有气体，一旦严重泄漏会对人体健康造成危害，因此要定期检查波导管系统的漏气状况；②加速器工作时，治疗室内会有大量的臭氧产生，因而治疗室内要保持良好的通风，一般每小时换风6至10次；③某些厂商提供的大功率隔离器中含有氧化铍陶瓷，如果隔离器损坏，氧化铍粉尘被人体吸收，旧有中毒的可能性，造成呼吸系统疾病。
常见故障
医用电子直线加速器在使用过程中，会遇到一些常见的故障问题，这些常见的故障主要有以下几个方面：