医用电子直线加速器电子枪工作原理与故障排除

陈俊

【摘 要】电子枪是医用电子直线加速器中的重要部件之一，医用电子直线加速器的射线指标好坏直接受电子枪产生的电子注的好坏影响。文章主要介绍了医用电子直线加速器电子枪的工作原理和2例常见故障的分析与排除。

【关键词】医用电子直线加速器；电子枪；原理；故障

【中图分类号】R197.39 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）09-0073-03

医用电子直线加速器是现代医学上的一种对恶性肿瘤进行放射治疗的主要装置，电子枪是医用电子直线加速器的电子源，电子枪产生的电子注注入加速管中产生治疗所需的加速器电子束。电子枪是加速器中的重要部件之一，医用电子直线加速器的射线指标的好坏直接受电子枪产生的电子注的好坏影响，一台加速器的使用寿命也直接影响电子枪的寿命，而电子枪的寿命又主要取决于它的阴极。当电子枪阴极损坏时，加速管就会停止工作。所以，了解电子枪及其阴极的工作原理对维修及维护加速器非常重要。

1 电子枪的结构及工作原理

1.1 電子枪的基本结构与分类

（1）按电子注的形状分类的不同，电子枪可以分为以下3种类型（如图1所示）：①平行注电子枪；②轴对称收敛电子注球型电子枪；③平面对称收敛电子注圆柱形电子枪。医用电子直线加速器所用的电子枪一般均为轴对称收敛电子注电子枪。

（2）按电极数分类，电子枪可以分为二极枪和三极枪2种。这2种电子枪均由电子的发射极即阴极、电子注形状的限制极即聚焦极和电子的加速引出极即阳极组成。二极枪的结构如图2所示。三级枪利用栅极控制原理，在二极枪的设计基础上，增加一个控制极（栅极）。利用设置栅极来控制电子注流的电子枪称为栅控枪或三级枪，其结构如图3所示。

在电子枪工作时，当阴极受到加热，电子从阴极发射出来，在聚焦极或栅极作用下，将与由阳极和电子注本身的空间电荷建立的静电场发生作用，形成具有一定形状、密度的电子注，从阳极的小孔射出，进入加速器的加速管，经加速管加速、偏转、均整后形成治疗所需的射线束。

1.2 电子枪的基本参数

电子枪的基本参数如下。①导流系数：它表征电子注空间电荷的大小；②注腰：它表征电子注中截面积半径最小的处的半径；③面积压缩比：它是阴极面积与注腰截面积之比，也是注腰平均电流密度与阴极的发射平均电流密度之比；④射程：它表征电子枪阳极头部到注腰之间的距离；⑤层流：电子注的层流性是一个定性的概念，它对于电子注的流通率、散焦有较大的影响。

1.3 强流电子枪

加速管对电子枪要求其发射的电子注必须具有良好的层流性，还要求其发射的电子注具有一定的注入流强、注入电压及足够的射程、一定的注入角和注腰半径等。

（1）球型二极电子枪：这类电子枪的设计，首次获得成功的是用皮尔斯方法设计的电子枪，称为皮尔斯枪。它利用形状简单的二极管的阴极与阳极之间的电子流来形成电子注。轴对称收敛电子注球型电子枪，设有2个同心球面形成的球形二极管[如图1的（b）所示]。这种球形二极管中，电子沿着半径方向做直线运动。

（2）栅控电子枪，一般是在二极枪设计的基础上，增加一个控制极即栅极。当栅极对阴极加上一个不大的负电压（截止偏压VCO）时，使阴极发射截止。栅控电子枪的作用是控制、调节电子枪的发射电流，进而达到稳定加速器的流强，改变加速器的能量的目的。而且，控制栅极的电压要求是一个不是很大的正电压，能够轻易地控制电子注流的形成。这样相对于球型二极电子枪，栅控电子枪的阳极电压就不需要变化，可以采用一个固定的直流高压，不需要脉冲调压来改变阳极电压，这样对于阳极的直流高压电源就要求不高，电路的设计简单、容易实现。

人们加设的控制极，通常有3种形式，它们分别是孔栅枪、针栅枪、网栅枪（如图4所示）。

目前，医用加速器使用最多的是网栅枪。对栅控枪的设计，通常是先按照二极枪的设计方法，设计1只二极枪，然后根据计算给出的等势面形状，在其1%～3%范围内的某一等势面上，放置栅网来获得栅控枪。由于栅网是放置在距离阴极很近的地方（如图5所示），它受到阴极加热和电子轰击的影响，导致栅极处于较高的温度下，并有可能产生热发射（特别是当阴极发射物质蒸发到栅网上时）。同时，栅网在受到阴极电子回轰时要产生二次发射，这2种电子都将影响电子注的形状。在设计和材料选择上要考虑到这些情况，减少对电子注的影响。在网栅枪栅极的材料选择上，可以选择逸出功较大的耐热金属（钼、钨和钛），同时可选用金或石墨等材料，镀在栅网表面，用于降低栅网的二次发射。此外，高温下的栅网容易变形，而阴极容易蒸发，二者均将影响电子注的性能，因此尽可能地采用低温阴极。

1.4 电子枪的阴极

电子枪阴极发出的电子形成电子注，阴极是电子枪的关键部件之一，它决定电子枪的发射能力和寿命。阴极是一种固体，当把阴极加热到一定的温度时，其中一部分电子的能量就足以克服表面势的壁垒逃逸出体外进入真空，这样的发射叫做热电子发射。热电子发射体被称为热阴极。热阴极分为直热式、间热式2种。直热式阴极多半采用纯金属作阴极材料（钨丝、钨铼丝、钍钨丝），加热电流直接通过阴极，加热温度大于2 500 ℃。间热式阴极分为轰击型和加热型2种，采用薄膜阴极、储备式阴极、间热式阴极，加热温度大于1 000 ℃。

适用于加速管电子枪阴极的必要条件：①足够的发射电流强度；②较低的工作温度；③能抵抗离子的回轰；④在强电场下发射稳定；⑤发射的活性物质，在正常工作温度下，蒸散尽量小；⑥抗中毒性能强，且中毒后易于恢复；⑦阴极在冷状态下暴露于空气中，能够复用；⑧阴极寿命长。

现代的直线加速器要求阴极具有更优良的性能：大的发射电流和发射密度、抗离子轰击、阴极不打火、耐高压、抗中毒及结构牢固、便于加工、制备简单等。目前，医用直线加速器电子枪应用较多的阴极是浸渍钡钨阴极，其结构如图6所示。它是由能产生金属钡的活性物质和作为载体的钨海绵体组成的。

1.5 电子枪的应用于维护

电子枪阴极不能长时间暴露在空气中，在空气中它会吸附空气中的CO2、O2、H2O等气体，从而损失阴极中的自由钡。所以，在电子枪安装完成后，必须进行除气、激活。

现场更换电子枪阴极后必须进行除气，一般情况下是与加速管除气同时进行，达到额定的真空度5×10-4 Pa。缓慢增加热子功率，进行阴极的分解。接着进行阴极激活，使阴极表面形成活性物质。激活分为电流激活和热激活，电流激活是在阴极加热达到工作温度时，逐步加上阳极电压，支取发射电流，使发射电流相应增加；热激活是在阴极工作温度的基础上适当地提高阴极温度，闪烁3～5 min，再退回到工作温度。一般来说，更换电子枪阴极后都需要同时进行电流激活和热激活。

2 典型故障与分析

2.1 故障現象1

“医科达”Precise加速器开机治疗时常常报“2R Err”或“2T Err”。

故障分析与排除：进入加速器的工程师模式，观察6 M模式下的剂量率情况，调整“Gun I ctrl”和“Gun aim I”数值，剂量率达到要求稳定后，观察未出现故障报警，存储数据后加速器工作正常。过了2周后又出现相同的故障，经过同样的处理后设备正常工作了1周，又出现相同的故障。此时分析是由于加速器使用一段时间后，电子枪灯丝发射电子能力下降，导致输出剂量率不稳定，加速器报警。通知厂家更换电子枪灯丝后故障排除。

2.2 故障现象2

医科达Precise加速器开机治疗时报“Dose rate err”，设备无法出束。

故障分析与排除：进入加速器的工程师模式，在“Over Machine Item”中选中“Ctrl T”选项，旁路所有连锁。在6 M模式下出束，设备无计剂量输出，调整“Gun I ctrl”数值至8时设备才有剂量输出（原来的设定值是7.8，一般该设定值改变幅度不大），输出剂量率很低，只有原来剂量率的20%，同时设备也报“2R Err”或“2T Err”。

根据上面的电子枪工作原理可以知道，电子枪发射电子的量严重不足，而且发射电子的角度存在偏差，导致加速管输出的电子不足，剂量率下降，加速器的电子枪灯丝存在问题。接着检查电子枪，将机架旋转到180°，用厂家原配的固定支架固定机架，防止拆卸电子枪后，机架失去平衡自动旋转。关闭钛泵电源，用一个干净的塑料袋，在袋子内充入干燥与洁净的99.999%氮气。将塑料袋接入加速器真空维修阀接口处，打开真空维修阀，慢慢使袋子中的氮气加入到加速管中，当加速管吸入的氮气压力达到平衡后，关闭真空维修阀，打开电子枪灯丝外罩。此时发现，电子枪的灯丝圆盘已经倾斜，出现严重的变形。通知厂家更换电子枪灯丝后故障排除。

3 小结

根据加速器电子枪灯丝原理可以知道，电子注是由电子枪的钡钨合金灯丝阴极加热后发出的，长期使用后容易受到温度、真空度的影响，变形、老化后致使阴极发射电子的能力下降，加速器的剂量率下降。在日常的加速器使用过程中，对于加速器电子枪平时应注意以下几点。

（1）电子枪的稳定易受外界影响，加速管的真空度对电子枪的影响最大。

（2）电子枪的灯丝由金属合金材料制成，易老化，使用一段时间后需要更换。

（3）一般电子枪灯丝老化需要更换是有前兆的，X线的剂量率下降，而电子线的剂量率上升，一般通过调整电子枪参数很难调整到正常或调整正常一段时间后又很快出现剂量率下降。

（4）更换灯丝时要注意保护，尽量防止电子枪部件与空气接触，防止电子枪阴极吸附空气后中毒，同时造成加速管抽真空困难。

（5）更换电子枪灯丝抽真空达到要求后，方可施加灯丝电流，逐步提高灯丝电流直至达到额定电流。更换灯丝后出束先出电子线，后出X线。

参 考 文 献

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[责任编辑：陈泽琦]