Tài liệu Tìm hiểu, thực hiện quy trình commissioning máy gia tốc tuyến tính đơn năng unique 6mv, varian tại bệnh viện k3 tân triều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THANH BÌNH TÌM HIỂU, THỰC HIỆN QUY TRÌNH COMMISSIONING MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH ĐƠN NĂNG UNIQUE 6MV, VARIAN TẠI BỆNH VIỆN K3 TÂN TRIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THANH BÌNH TÌM HIỂU, THỰC HIỆN QUY TRÌNH COMMISSIONING MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH ĐƠN NĂNG UNIQUE 6MV, VARIAN TẠI BỆNH VIỆN K3 TÂN TRIỀU Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀM NGUYÊN BÌNH Hà Nội – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này, em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô thuộc Khoa Vật lý cũng như quý thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân, trường ĐHKHTN- ĐHQGHN đã có công dậy dỗ và truyền đạt những kiến thức chuyên môn khoa học cũng như những kiến thức và kỹ năng trong cuộc sống trong suốt khoảng thời gian em học tập dưới mái trường. Xin gửi lời cám ơn tới tập thể Khoa Vật lý xạ trị, Bệnh viện K Hà nội, là đơn vị mà tôi đang công tác, đã tạo điều kiện tốt nhất về thời gian và cơ sở vật chất để tôi hoàn thiện luận văn này. Tôi cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới TS. Đàm Nguyên Bình, thuộc đơn vị Y học hạt nhân, Bệnh viện Quân đội 108 đã tận tình hướng, chỉ bảo và đinh hướng khoa học để tôi có thể hoàn thiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả những người bạn đã luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ rất tôi trong suốt thời gian tham gia học tập và hoàn thiện luận văn và xin gửi lời tri ân tới gia đình đã luôn ở bên cạnh và ủng hộ tôi để có cơ hội được học tập nâng cao chuyên môn, nghiệp vụ và hoàn thiện tốt nhất cho luận văn này. Hà nội, tháng 10 năm 2017 Nguyễn Thanh Bình MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 Chương I................................................................................................................ 3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Unique 6MV ......................... 3 1.1 Các bộ phận chính của hệ thống máy gia tốc đơn năng Unique 6MV 3 1.2. Các thành phần chính lắp đặt trong cấu trúc khung cố định máy như sau: ......................................................................................................................... 4 1.2.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần RF: ( Magnetron):. ..................................... 4 1.2.2 Ống dẫn sóng:............................................................................................... 4 1.2.3 Mạch RF:. .................................................................................................... 4 1.2.4 . Hệ thống làm mát:. ..................................................................................... 4 1.3 Các thành phần chính trong giàn thân máy quay: ..................................... 4 1.3.1 Ống gia tốc: ................................................................................................... 4 1.3.2 Súng điện tử:. ............................................................................................... 4 1.3.3 Từ trường uốn:. ............................................................................................ 4 1.3.4 Đầu máy điều trị:. ......................................................................................... 4 1.4 Chi tiết các thành phần chính của hệ thống máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị. ........................................................................................................... 4 1.4.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần Magnetron: .................................................. 4 1.4.2 Ống dẫn sóng. ............................................................................................... 6 1.4.3 Mạch RF: ...................................................................................................... 8 1.4.4 Hệ thống làm mát........................................................................................ 10 1.4.5 Súng điện tử ............................................................................................... 11 1.4.5 Đầu máy điều trị.......................................................................................... 15 1.5 Sự tạo thành chùm tia photon. ...................................................................... 15 1.5.1 Bia tia X ...................................................................................................... 15 1.5.2 Bộ lọc phẳng chùm tia................................................................................ 17 1.5.3 Buồng Ion hóa. [5] ..................................................................................... 18 1.5.4 Bộ chỉ thị vị trí chùm tia. ............................................................................ 20 1.5.5 Hệ thống lọc nêm. ....................................................................................... 21 1.5.6 Hệ thống chuẩn trực định dạng chùm tia ( primary and secondary collimator)............................................................................................................ 22 1.5.7 Bộ chuẩn trực đa lá ( MLC). ...................................................................... 24 Chương 2: ............................................................................................................ 25 2.1 Tổng quan ...................................................................................................... 25 2.2 Quy trình commissioning là gì? .................................................................... 26 2.3 Một số khái niệm được dùng trong quy trình commissioning. ................ 26 2.3.1 Liều sâu phần trăm – PDD ........................................................................ 26 2.3.2 Vùng cân bằng điện tích ( build-up region). .............................................. 27 2.3.3 Đường cong đồng liều ( Isodose Curves) ................................................... 27 2.3.4 Đường mô tả hình dạng phân bố chùm tia bức xạ ( Dose/ Beam Profile) 28 2.3.5 Hệ số tán xạ ngược ( Backscatter Factor - BF). ........................................ 28 2.3.6 Tỷ số mô không khí (TAR) .......................................................................... 28 2.3.7 Tỷ số mô phantom ( TPR) và tỷ số mô cực đại ( TMR) ............................ 29 2.3.8 Hệ số tán xạ collimator ( Sc/ CSF) ............................................................ 29 2.3.9 Hệ số tán xạ phantom ( Sp / PSR) .............................................................. 29 2.3.10 Hệ số liều tương đối ( hệ số liều đầu ra )- RDR (OF) ............................. 29 2.3.11 Hệ số truyền qua wedge (WF) ................................................................. 30 2.3.12 Góc nêm. ................................................................................................... 30 2.3.13 Kích thước trường chiếu xạ...................................................................... 30 2.4 Quét thu nhận dữ liệu chùm photon. .......................................................... 30 2.4.1 Tiêu chuẩn đánh giá chùm tia photon 6MV theo IAEA .......................... 30 2.4.2 Đặc tính chùm tia photon 6MV theo bảng chi tiết kỹ thuật của nhà sản suất. ...................................................................................................................... 31 2.5 Đo lường thu nhận dữ liệu chùm photon. ................................................. 33 2.5.2 Yêu cầu dữ liệu chùm tia cho PDD và profile đối với các dạng trường chiếu ..................................................................................................................... 33 2.5.2.1 Liều sâu phần trăm - PDD...................................................................... 33 2.5.2.2 Profile chùm tia. ...................................................................................... 34 2.5.2.3 Dữ liệu các liều điểm chùm photon ....................................................... 35 Chương 3 ............................................................................................................. 36 3.1 Mô tả thiết bị................................................................................................. 36 3.1.1 Máy gia tốc Unique 6MV Varian ............................................................... 36 3.1.2 Hệ thống thiết bị đo liều. ............................................................................ 37 3.1.3 Các bước tiến hành đo lường ghi nhận kết quả. ...................................... 38 3.1.4 Kết quả đo dữ liệu chùm Photon. .............................................................. 40 3.1.4.1 Liều sâu phần trăm trường chiếu mở. ................................................... 40 3.1.4.2 Liều sâu phần trăm trường chiếu có wedge........................................... 42 3.1.4.3 Profile trường chiếu mở. ........................................................................ 46 3.1.4.4 Profile trường chiếu wedge. .................................................................... 47 3.1.4.5 Nhóm dữ liệu đo theo điểm. .................................................................... 51 3.1.5 Kiểm tra tính chính xác kết quả quy trình commissioning ................... 54 3.1.5.1Chuẩn bị trang thiết bị thực hiện. ........................................................... 55 3.1.5.2.2Đo kiểm tra lập kế hoạch trên TPS và liều thực tế máy phát tia: ....... 57 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 62 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH – VIỆT STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Tiếng Anh Gantry Stationary structure Treatment couch Megnetron Linac Bremsstralung Servo Wedge Beam Limited Device Isodose curves Collimator Commissioning Buil-up Region Beam Profile Output factor Symmetry Flatness Isocenter Pen. Left - Right Tray Factor Block Factor Measured Dose Reading Test Pattern Square Field Rectangular Field Tiếng Việt Giàn thân máy quay Cấu trúc cố định của máy Giường điều trị Thiết bị tạo sóng cao tần Máy gia tốc tuyến tính Bức xạ hãm Mạch đáp ứng tín hiệu Nêm lọc Thiết bị định dạng chùm tia Đường cong đồng liều Ống chuẩn trực chùm tia Quy trình vận hành thiết bị để chấp thuận đưa máy vào sử dụng điều trị lâm sàng Vùng cân bằng điện tích Hình dạng chùm tia Hệ số liều đầu ra Tính đối xứng chùm tia Tính bằng phẳng chùm tia Vị trí đồng tâm Vùng bán dạ trái - phải Hệ số truyền qua khay Hệ số truyền qua Block Liều đo được Số đếm ghi nhận bằng liều lượng kế Mẫu kiểm tra Trường chiếu vuông Trường chiếu chữ nhật DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chú giải Chữ viết tắt Chú giải MLC Multileaf Collimator Asym Asymmetry W Wedge FS Field Size WF Wedge Field W15R Wedge 15 Right side at Out side OF Open Field W30Out Wedge 30 thin end at Out side OFs Output Factors W45IN Wedge 45 thick end at Out side ATP Acceptant test procedure FWHM Field With Half Max PDD Percentage Depth Dose CAT Custormor Acceptance Test BSF Back Scatter Factor AT Acceptance Test TMR Tissue Maxium Ratio Cal Dose Calculator Dose CSF -Sc Collimator Scatter Factor AAA Anisotropic Analytical Algorithm SPF - Sp Scatter Phantom Factor PBC RDR - OFs Relative Dose Ratio APW15L20 International Commission on Radiation Units and Measurements LAO International Atomic Energy Agency LPO Pencil Beam Convolution Anterior Post Wedge15 Left side at Out side ICRU IAEA Dmax, D5, D10, D20 Dose at Zmax, 5, 10, 20cm Left Anterior Oblique Left Post Oblique RL Right Left Qi R100, R80, R50 Beam Quality Dx Dose value at user selected depth Depth at Zmax, 80%, 50% %diff Different Percentage SSD Source Skin/ Surface Distance DW Dynamic Wedge MLC Trans MLC Transmission DANH MỤC CÁC HÌNH STT Hình 1.1 Hình1.4.1 Hình 1.4.2a Hình 1.4.2b Hình 1.4.3a Hình 1.4.3b Hình 1.4.3c Hình 1.4.5 Hình 1.4.6a Hình 1.4.6b Hình 1.5.1a Hình 1.5.1b Hình 1.5.2 Hình 1.5.3 Hình 1.5.5 Hình 1.5.6 Hình 1.5.7 Hình 2.3.2 Hình 2.3.6 Hình 2.3.7 Hình 2.4.2 Hình 2.5.2.1 Hình 2.5.2.2 Hình 3.1.1a Hình 3.1.1b Hình 3.1.2 Hình 3.1.3 Hình 3.1.4.1a Hình 3.1.4.1b Hình 3.1.4.1c Hình 3.1.4.2a Hình 3.1.4.2b Hình 3.1.4.2c Hình 3.1.4.3 Hình 3.1.4.4a Hình 3.1.4.4b Hình 3.1.4.2a Hình 3.1.5.2.1 Nội dung Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc tuyến tính Bộ cung cấp sóng RF- Magnetron Mô hình ống gia tốc Minh họa chuyển động sóng đứng Vị trí mạch RF trong máy gia tốc tuyến tính Bộ chuyển 4 cổng Minh họa hoạt động bộ chuyển bốn cổng Minh họa súng điện tử được gắn ở đầu lối vào ống gia tốc Sơ đồ của ba hệ thống uốn chùm electron Uốn chùm tia góc 90 độ trong mặt phẳng quỹ đạo của electron Mô tả chi tiết cấu hình thiết bị trong đầu máy Gia tốc Bia tia X Mô tả bộ lọc phẳng chùn tia theo hướng nhìn nguồn - đích Buồng ion hóa kiểm soát chùm tia Các nêm vật lý Sơ đồ mô tả bộ định dạng chùm tia Mô tả chi tiết vị trí và cấu hình bộ chuẩn trực đa lá MCL Mô hình mô tả vùng cân bằng điện tích Mô hình thiết lập phép đo ghi nhận TAR Mô hình thiết lập phép đo ghi nhận TMR Mô tả đường profile chùm photon với FS 10x10 Mô tả phép đo PDD Mô tả phép đo Profile Máy Gia tốc Varian Unique Sơ đồ khối mô tả kích thước hình dạng ngoài của máy Giao diện phần mềm MEPHYSTO Navigator Mô tả thiết bị Kết quả đo PDD với FS tiêu chuẩn 10X10cm2 Phân tích kết quả đo PDD trường chiếu mở Trang 1 3 4 5 7 7 8 9 11 13 14 15 16 16 19 20 22 27 28 29 32 33 35 36 37 38 39 40 41 Đường cong mô tả liều sâu phần trăm với các FS khác nhau 41 2 42 Kết quả đo PDD với FS tiêu chuẩn 10X10cm , W15 Phân tích kết quả đo PDD trường chiếu có Wedge 43 Đường cong mô tả liều sâu phần trăm với trường chiếu có wedge 44 46 Đường profile với trường chiếu mở kích thước 10x10cm 2 Đường Profile với W15 48 Đường Profile với W60 49 Đường profile trường chiếu W15, FS 10x10 50 Sơ đồ bố trí phép đo chuẩn liều máy 55 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung Bảng 2.4.2 Đặc tính chùm bức xạ photon 6MV 31 Bảng 3.1.4.1 Kết quả phân tích đường PDD chùm photon 6MV … 40 Bảng 3.1.4.2 Bảng kết quả ghi nhận các giá trị dữ liệu profile chùm tia với FS 10x10 và W15 42 Bảng 3.1.4.2a Bảng kết quả xử lý đường profile chùm tia với W15 44 Bảng 3.1.4.2b Bảng kết quả xủa lý đường profile chùm tia với W30 44 Bảng 3.1.4.2c Bảng kết quả xủa lý đường profile chùm tia với W45 45 Bảng 3.1.4.2d Bảng kết quả xủa lý đường profile chùm tia với W60 45 Bảng 3.1.4.3a Bảng ghi nhận kết quả profile trường chiếu mở FS 10x10 Bảng ghi nhận kết quả profile trường chiếu mở FS 10x10 xử lý trong exel Bảng ghi nhận kết quả profile trường chiếu mở FS 20x20 xử lý trong exel 46 Bảng 3.1.4.3b Bảng 3.1.4.3c Trang 47 47 Bảng 3.1.4.5.2a Bảng dữ liệu đường Profile với FS 10x10 tại ở các độ sâu khác nhau và W15 Bảng dữ liệu hệ số suất liều đầu ra của máy với trường chiếu mở tại d10 Bảng dữ liệu hệ số suất liều đầu ra của máy với trường chiếu W15 Bảng 3.1.4.5.2b Bảng dữ liệu hệ số suất liều đầu ra của máy với trường chiếu W60 52 Bảng3.1.4.5.3a Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua wedge 53 Bảng 3.1.4.4 Bảng 3.1.4.5.1 51 51 51 Bảng 3.1.4.5.3b Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua MLC 54 Bảng 3.1.4.5.3c 54 Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua Tray Bảng 3.1.4.5.3d Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua Block Bảng so sánh kết quả đối chiếu liều phát tia thực tế và liều Bảng 3.1.5.2.2a lập kế hoạch trên TPS đơn trường chiếu Bảng so sánh kết quả đối chiếu liều phát tia thực tế và liều Bảng 3.1.5.2.2b lập kế hoạch trên TPS trường chiếu tổ hợp 54 65 66 LỜI MỞ ĐẦU Năm 1949 Newberry đã tiến hành nghiên cứu và phát triển máy gia tốc tuyến tính theo yêu cầu của một trung tâm xạ trị tại nước Anh. Sau đó ba năm, máy gia tốc tuyến tính đầu tiên 8MV đã được đưa vào lắp đặt và sử dụng trong điều trị lâm sàng tại Bệnh viện Hammersmith, nằm ở phía tây của Luân Đôn từ cuối năm 1952 và “ XẠ TRỊ - RADIOTHERAPY ” đã sớm trở thành một phương thức điều trị ung thư hữu hiệu tại nhiều trung tâm xạ trị ở nhiều nước trên thế giới (1,2). Tại Việt Nam, việc ứng dụng máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị ung thư được đưa vào áp dụng điều trị lâm sàng thường quy từ đầu những năm 2000 tại Bệnh viện K trung ương, đặt nền móng cho ngành xạ trị ung thư sử dụng trang thiết bị tiên tiến đầu tiên tại Việt Nam. Trong khoảng một vài thập niên phát triển sau đó, một loạt các Bệnh viện lớn nhỏ như Bệnh viện Bạch Mai, Viện 108, Ung bướu TP. Hồ Chí Minh… trang bị các máy gia tốc xạ trị nhằm đáp ứng số lượng bệnh nhân ung bướu ngày càng tăng tại Việt nam. Đặc biệt là 5 năm trở lại đây, khi mà số trung tâm xạ trị, Bệnh viện vệ tinh có khoa xạ trị, kèm số lượng trang thiết bị xạ trị đặc biệt phát triển “nóng”. Sau hơn nửa thế kỷ phát triển, máy gia tốc tuyến tính ứng dụng trong y tế mang trong mình tổ hợp của nhiều ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại phức tạp, kèm theo đó là “ sản phẩm ” đầu ra của nó là “ vô hình” sẽ là thách thức không nhỏ đối với bất kỳ ai muốn tìm hiểu và khai thác sử dụng nó an toàn và hiệu quả cho mục đích chăm sóc và điều trị cho con người. Đặc biệt là đối với Việt Nam, nơi mà chưa có một trung tâm đào tạo chính quy nào trên toàn lãnh thổ Việt Nam có nội dung chương trình đào tạo đáp ứng tiêu chuẩn đào tạo về ngành khoa học máy gia tốc và vật lý trong y tế theo tiêu chuẩn của IAEA. Việc đưa vào sử dụng điều trị lâm sàng trên cơ thể con người với trang thiết bị có công nghệ hiện đại và phức tạp như vậy là cả một vấn đề lớn đối với một 1 cơ sở xạ trị. Nhất là khi bằng mắt thường chúng ta không thể nào thấy được hình dáng của chùm bức xạ photon. Chính vì vậy, đây là lý do mà tôi lựa chọn đề tài luận văn “ tìm hiểu về quy trình commissioning”, với mong muốn được tìm hiểu “ đặc điểm đặc trưng ” của chùm photon, làm cơ sở xây dựng các chương trình đảm bảo an toàn và chất lượng trong điều trị ung thư. Luận văn được trình bày ba nội dung. Nội dung thứ nhất là giới thiệu tổng quan về nguyên lý cấu tạo máy gia tốc tuyến tính. Phần thứ hai tìm hiểu về quy trình và những nội dung cần thực hiện trong khi thực hiện quy trình. Phần cuối luận văn đánh giá kết quả thực hiện của quy trình. 2 Chương I Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Unique 6MV 1.1 Các bộ phận chính của hệ thống máy gia tốc đơn năng Unique 6MV (3,4) H G S Giàn T Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc tuyến tính Về cơ bản máy gia tốc đơn năng 6MV Unique cũng như các máy gia tốc tuyến tính khác ứng dụng trong xạ trị ung thư gồm các thành phần chính sau: ( H - Head): Đầu máy điều trị, ( G - Gantry): giàn thân máy quay được quanh trục 1800 theo chiều ngược hoặc thuận chiều kim đồng hồ, (S-Stationary Structure): Cấu trúc khung cố định thân máy và (T- Treatment Couch): Giường điều trị. Khung cố định thân máy được cố định chặt xuống sàn phòng điều trị và giàn thân máy quay được gắn cố định vào khung cố định và có thể quay theo chiều thuận và ngược chiều kim đồng hồ 1800. Cấu trúc gia tốc được đặt trong giàn thân máy quay, và được quay quanh trục nằm ngang và được cố định bởi khung cố định máy. 3 1.2 . Các thành phần chính lắp đặt trong cấu trúc khung cố định máy như sau: 1.2.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần RF: ( Magnetron): được cố định ở trên đỉnh bên trong cấu trức giàn cố định thân máy, nó là một bộ dao động và tạo ra sóng RF. Kết quả này thu được là do sự kết hợp tương tác giữa lực điện trường và lực từ trường. Magnetron bao gồm một cathode hình trụ được bao xung quanh bởi một anode nhiều khoang. 1.2.2 Ống dẫn sóng: mang nguồn công suất vi sóng tới cấu trúc gia tốc trong giàn thân máy quay. 1.2.3 . Mạch RF: Gồm ống dẫn sóng cao tần và bộ chuyển 4 cổng: Sóng RF được tạo ra từ Magnetron được dẫn qua ống dẫn sóng cao tần. Mạch chuyển 4 cổng cho phép sóng RF đi từ Magnetron tới ống dẫn sóng 1 chiều, ngăn các sóng phản xạ làm ảnh hưởng tới nguồn sóng RF ban đầu. 1.2.4 . Hệ thống làm mát: Làm mát hệ thống máy gia tốc bằng cách giải phóng năng lượng nhiệt và thiết lập sự ổn định nhiệt độ và vận hành đối với cấu trúc gia tốc và tạo chùm bức xạ photon. 1.3 Các thành phần chính trong giàn thân máy quay: 1.3.1 Ống gia tốc: một loạt các khoang vi sóng được cấp năng lượng bởi nguồn vi sóng được cung cấp bởi Magnetron qua ống dẫn sóng. 1.3.2 Súng điện tử: Cung cấp nguồn electron đưa vào ống dẫn sóng. 1.3.3 Từ trường uốn: uốn chùm electron phát ra từ cấu trúc gia tốc quanh một đường vòng nhằm hội tụ chùm electron trên bia để tạo ra các tia X hoặc sử dụng chùm electron trực tiếp cho điều trị. 1.3.4 Đầu máy điều trị: gồm các thiết bị định dạng và kiểm soát chùm tia theo mục đích điều trị. 1.4 Chi tiết các thành phần chính của hệ thống máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị. 1.4.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần Magnetron: 4 Hình 1.4.1 : Bộ cung cấp sóng RF- Magnetron Magnetron được đặt ở phía trên đỉnh của khung giàn cố định thân máy. Về bản chất, magnetron là một thiết bị tạo ra sóng siêu vi hay sóng cao tần như sóng viba trong lò vi sóng. Nó hoạt động như một bộ dao động công suất cao, tạo ra các xung vi sóng trong thời gian vài micro giây và với tốc độ lặp lại vài trăm xung mỗi giây. Tần số của vi sóng trong mỗi xung là khoảng 3.000 MHz. Các magnetron có cấu tạo hình trụ, có một cathode ở trung tâm và một anode ở phía ngoài với các khoang cộng hưởng chế tạo từ các miếng đồng rắn. Không gian giữa cathode và anode được hút chân không. Các cathode được làm nóng bởi một dây tóc bên trong và các electron được tạo ra bởi sự phát xạ nhiệt. Một từ trường tĩnh được đặt vuông góc với mặt phẳng của mặt tiết diện cắt ngang của khoang và một xung điện trường DC( dòng điện một chiều) được đặt vào giữa cathode và anode. Các electron phát ra từ catốt được gia tốc về phía cực dương do tác động của các xung điện trường DC. Dưới ảnh hưởng đồng thời của từ trường, các electron chuyển động dưới dạng xoắn ốc phức tạp về phía các khoang cộng hưởng, tỏa năng lượng dưới dạng sóng viba. Các xung vi sóng viba được tạo ra, được dẫn đến cấu trúc gia tốc thông qua ống dẫn 5 sóng. Thông thường, magnetron hoạt động ở công suất từ 2 MW để cung cấp năng lượng cho máy gia tốc năng lượng thấp (6 MV hoặc ít hơn). Mặc dù trước đây hầu hết các máy gia tốc năng lượng cao hơn 6MV phải sử dụng nguồn phát sóng dạng klystron, vừa là bộ dao động tạo sóng cao tần vừa là bộ khuếch đại làm tăng năng lượng của nguồn sóng RF, tuy nhiên ngay nay công nghệ cho phép các máy gia tốc năng lượng cao tới 25 MeV đã được thiết kế có thể sử dụng magnetron cho công suốt điện khoảng 5 MW. 1.4.2 Ống dẫn sóng. Ống dẫn sóng được dùng để truyền sóng cao tần tới cấu trúc gia tốc chùm điện tử, nó có cấu tạo là một loạt các ống rỗng liên kết với nhau dạng hình trụ. Ống dẫn sóng được lấp đầy Sulphur hexafluride ( SF6 ), là loại chất khí trơ không độc hại. SF6 hội tụ rất nhiều những ưu điểm như là một chất khí cách điện, không độc, không cháy và được đặc trưng bởi một loạt những đặc tính làm mát, cho phép loại trừ các tia lửa điện do sự tuyền năng lượng cao của sóng RF, do đó hạn chế tối đa sự mất nặng lượng khi truyền sóng RF tới cấu trúc gia tốc. Tại điểm cuối của khoang ống dẫn sóng là một đĩa ô xít nhôm Al2O3 trong một ống bọc ngoài bằng đồng cho phép sóng RF truyền qua nhưng vẫn cách ly loại bỏ được chất khí lấp đầy trong ống dẫn sóng RF khỏi môi trường chân không trong cấu trúc gia tốc. Hình 1.4.2a : Mô hình ống gia tốc 6 Cấu trúc ống gia tốc sóng đứng dùng trong máy Unique cho phép sóng di chuyển đến cuối ống dẫn sóng, và phản xạ ngược lại bằng các đĩa phản xạ. Khi sóng tới và sóng phản xạ dịch chuyển ngược chiều nhau, tác động lẫn nhau và hình thành một sóng mới – loại sóng đứng. (1) Hình 1.4.2b: Minh họa chuyển động sóng đứng 7 Sóng đứng có các điểm cố định không bao giờ phải trải qua bất kỳ sự dịch chuyển nào gọi là các nút sóng. Các nút sóng là kết quả của sự giao thoa triệt tiêu nhau của hai sóng đang di chuyển, nghĩa là, hai sóng hủy nhau. Ở giữa mỗi hai nút liên tiếp nhau là các điểm trải qua sự dịch chuyển cực đại, được gọi là các phản nút. Phản nút là các điểm giao động qua lại lẫn nhau giữa các điểm dịch chuyển biên độ cực đại âm và dương. Phản nút là kết quả của một tổ hợp giao thoa tăng cường và giao thao giảm của hai sóng đang di chuyển và khi đó hai sóng hình thành lên sóng đứng hoàn thành một chu kỳ di chuyển, do đó sóng đứng có biên độ gấp 2 lần sóng di chuyển ban đầu. Hình 4 mô tả đặc trưng của dao động sóng đứng, các đường kẻ mô tả biên độ của của sóng tại các điểm theo thời gian. Các electrons đi vào một khoang tại điểm tối ưu trong chu kỳ sóng ( các khoang C và G tại điểm 1 và các khoang A và E tại điểm 2) sẽ thấy bản thân chúng được gia tốc. Khi sóng đứng là tổ hợp của hai sóng, hợp lực tác động lên electron sẽ lớn hơn. Chú ý rằng vì các nút sóng luôn cố định một chỗ, các khoang khác ( các khoang B, D và F ) luôn có từ trường bằng 0 và vì vậy chúng không đóng góp vào việc tăng tốc chùm điện tử. Về mặt thực hành các khoang chứa các nút sóng có thể được loại bỏ ra khỏi cấu trúc gia tốc, làm cho chiều dài tổng thể của ống dẫn sóng ngắn hơn. 1.4.3 Mạch RF: Mạch RF có cấu tạo gồm ống dẫn sóng kết nối với bộ chuyển 4 cổng. Khi nguồn sóng truyền qua ống dẫn sóng, nên không có sóng RF phản xạ trở lại nguồn cung ban đầu từ magnetron. Ống dẫn sóng được lấp đầy SF6 tại áp suất 25 psi, là chất điện môi tốt hơn không khí. Một bộ khớp xoay được đảm bảo cho hệ thống vận hành an toàn về cơ khí. Bộ chuyển bốn cổng có tác dụng ngăn chặn sóng vi ba phản xạ trở lại nguồn cấp ban đầu. Nguồn sóng phản xạ lại được dẫn tới cổng HP (High power load) tại đó sóng phản xạ bị triệt tiêu dưới dạng nhiệt. 8 Magnetron Bộ chuyển 4 cổng RF Circuit Ống dẫn sóng vi ba Bộ khớp xoay Hình 1.4.3a :Vị trí mạch RF trong máy gia tốc tuyến tính. Hình 1.4.3b :Bộ chuyển 4 cổng. 9 Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển 4 cổng: Sóng RF tới, bắt nguồn từ Magnetron đi qua cổng 1 ( cổng H) sẽ tách ra làm hai sóng đi theo hai nhánh A và B như trong hình. Hai sóng này có cùng tần số và pha sẽ được kết hợp lại thành một và đi qua cổng E. Đặc tính này dựa trên yếu tố hình học chữ T ( Cổng vào H và hai nhánh A, B tạo thành hình dạng chữ T) và tác dụng của trường điện từ. Bộ lọc pha được dùng để đảm bảo rằng hai sóng phải cùng pha khi chúng tái kết hợp. Hình 1.4.3c: Minh họa hoạt động bộ chuyển 4 cổng Hầu hết các sóng RF tới, thoát qua cổng số 2 ống dẫn sóng. Các sóng phản xạ RF, có nguồn gốc từ ống dẫn sóng, đi vào cổng 2 và được chuyển hướng đến cổng số 3. Cổng số 3 được kết nối với một tải công suất cao làm mát bằng nước; nguồn sóng phản xạ sẽ được tiêu tán dưới dạng nhiệt. 1.4.4 Hệ thống làm mát. Máy gia tốc cần hệ thống làm bởi các lý do sau - Làm tản nhiệt. - Duy trì cho bộ phận tạo sóng RF ổn định ở một nhiệt độ phòng ổn định. Hệ thống máy Varian Unique 6MV được làm mát bởi: - Một mạch nước cơ sở, có thể dẫn từ nguồn nước của bệnh viện đi theo hệ thống ống dẫn tới các bộ phận cần tản nhiệt. - Một mạch nước chạy kín bên trong hệ thống máy. - Bằng không khí ( nhiệt độ phòng máy luôn đảm bảo < 220 C). - Bằng dầu ( Magnetron) 10