MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ UNG THƯ

NGUYÊN LÝ MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ UNG THƯ
*************************************
MỞ ĐẦU
Máy gia tốc được ứng dụng trong lâm sàng từ đầu những năm 1950,
hoặc bằng các chùm electron hoặc các chùm tia-X và đã trở thành một loại
thiết bị chủ yếu tại nhiều trung tâm xạ trị. Về nguyên tắc, không có giới
hạn trong công nghệ chế tạo máy gia tốc với năng lượng của electron,
ngoại trừ bản thân cấu trúc chiều dài tăng tốc của thiết bị. Giới hạn năng
lượng chùm electron hiệu dụng đạt được trong thực tế lâm sàng nằm trong
phạm vi từ 4 - 40 MeV.
Với mục đích ứng dụng trong lâm sàng, các loại máy gia tốc cần thiết
kế sao cho thoả mãn một số những tiêu chuẩn, yêu cầu chủ yếu như sau:
1. Chùm tia bức xạ phải được xác định rõ năng lượng và thay đổi được
về các kích thước.
 2. Liều lượng bức xạ phải đồng đều bên trong chùm tia.
3. Liều lượng của thiết bị phát ra phải ổn định không chỉ trong mỗi giai
đoạn điều trị mà ổn định trong suốt thời gian sử dụng của thiết bị.
4. Yêu cầu 3 ngụ ý rằng về năng lượng, cường độ vị trí và hướng của
chùm tia-X hay electron phải được kiểm soát trong điều trị.
5. Liều lượng bức xạ phân bố trên bệnh nhân phải được đo đạc một
cách chính xác.
6. Chùm tia bức xạ phải điều chỉnh và thay đổi được theo bất kỳ hướng
và vị trí nào trên bệnh nhân.
7. Để thực hiện việc hướng chùm tia vào đúng vị trí bệnh nhân, thì hệ
thống giường điều trị phải chuyển động được theo ba chiều với độ
chính xác cao.
8. Vì việc điều trị thường luôn phải kéo dài trong một số buổi, qua một
vài tuần nên thiết bị phải hoạt động ổn định và chính xác cao. Độ ổn
định là hết sức quan trọng trong mục đích điều trị, để có thể phục vụ
được số lượng lớn bệnh nhân khi đã chi ra một khoản tiền rất lớn
mua sắm thiết bị.

9. An toàn và ổn định về cơ khí cũng là một thông số hết sức quan
trọng.
Công nghệ phát vi sóng sử dụng cho rada trước và trong chiến tranh thế
giới lần thứ II cũng chính là cơ sở cho việc chế tạo nguồn phát sóng siêu
cao tần hoạt động trong các máy gia tốc.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

1


Các máy gia tốc sử dụng trong lâm sàng ngày nay được kế thừa sự
nghiên cứu, cải tiến mạnh mẽ trong suốt hơn 30 năm qua và đã khẳng định
được giá trị và vai trò của loại thiết bị này. Ngày nay có một số hãng, ở
một vài nước trên thế giới sản xuất máy gia tốc điều trị ung thư theo những
thiết kế hoạt động khác nhau. Dù có những khác nhau về kiểu dáng cấu
tạo, song nhưng nguyên tắc yêu cầu trong điều trị nêu trên luôn được tuân
thủ.
Tuy nhiên, về mặt công nghệ gia tốc cơ bản là không thay đổi trong
những năm qua, nhưng có những thay đổi mang tính nhảy bậc trong ứng
dụng là công nghệ tin học được sử dụng vô cùng hữu hiệu để kiểm soát
liều lượng, thay đổi kích thước, hình dạng các chùm tia, trong việc điều trị
từng bệnh nhân.
Công tác đo và chuẩn liều bức xạ trong điều trị cũng được cải tiến và
nâng cao độ chính xác theo tiêu chuẩn quy định chung của quốc tế. Tất cả
đều nhằm mục đích điều trị bệnh nhân với hiệu quả nhất.

I. GIỚI THIỆU CHUNG

Về ý nghĩa của thuật ngữ "gia tốc" thì đó là một loại thiết bị tăng tốc
chùm điện tử (các electron) cho đến một giá trị năng lượng nào đó theo yêu
cầu đặt ra (từ một đến vài chục Mev). Phạm vi của tài liệu này chỉ giới hạn
về máy gia tốc trong điều trị ung thư. Hình 1 chỉ ra 3 bộ phận chính của
thiết bị gia tốc loại này. Hình 1(a) là toàn bộ phần máy chính với ống dẫn
sóng tăng tốc, hệ thống phát chùm tia và giường điều trị. Hình 1(b) là tổ
hợp điều khiển máy đặt ngoài phòng điều trị. Hình 1(c) là các chi tiết lắp
trên thân máy - đó là tổ hợp phát sóng siêu cao tần và điều biến tần số phát
xung.

Hình.1(a). Hình ảnh chung của một loại máy gia tốc năng lượng thấp.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

2


Hình 1(b). Tổ hợp điều khiển và hệ thống theo dõi bệnh nhân.

Hình 1(c). Nguồn cao áp và bộ điều biến xung lắp trên thân máy.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

3

Bộ cung cấp năng
lượng và điều biến
xung
Nguồn cung cấp
sóng siêu cao tần
Súng điện tử
(Electron Gun)

Hệ thống tăng tốc chùm electron

Đầu máy
điều trị

Hệ thống hội tụ từ
trường và lái tia
Chùm Tia

Hình 2. Sơ đồ khối minh hoạ các bộ phận chức năng của máy gia tốc.

Hình 2 là sơ đồ khối của một số chức năng chính của tổ hợp máy gia
tốc. Các mũi tên chỉ sự tương tác qua lại của các bộ phận chức năng với
nhau. Ngoài ra, một số bộ phận phụ khác không thể hiện trong hồ sơ gồm
có: tổ hợp điều khiển máy, hệ thống khóa liên động, hệ thống làm nguội và
chân không v.v...
Các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ súng điện tử, được điều
chế thành các xung và phun vào buồng tăng tốc. Đó là cấu trúc dẫn sóng
mà trong đó năng lượng dùng cho electron dược lấy từ bộ phát sóng siêu
cao tần (với tần số khoảng 3000 MHz - bước sóng 100mm). Bức xạ vi
sóng được cung cấp dưới dạng các xung ngắn, khoảng một vài µsec (micro
giây) và được phát ra dưới dạng các xung điện áp cao, khoảng 50 KV từ bộ

điều chế xung đến máy phát vi sóng. Cấu trúc này thường là "van"
Magnetron. Ở một số máy phát năng lượng cao, người ta dùng "van"
Klystron.
Súng electron và nguồn vi sóng được tạo thành xung để sao cho các
electron có vận tốc cao được phun vào ống dẫn sóng tăng tốc cùng một
thời điểm. Hệ thống ống dẫn sóng và súng electron được hút chân không
dưới áp suất thấp để tạo ra sự chuyển động tự do, tránh va chạm giữa các
nguyên tử khí suốt dọc chiều dài chuyển động của chúng. Chính tại thời
điểm này, các electron được tạo thành các xung. Năng lượng mà các
electron có được từ nguồn cung cấp sóng cao tần trong ống dẫn sóng tùy
thuộc vào biên độ của điện trường, có nghĩa là phụ thuộc vào công suất
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

4


khụng i ca ngun súng cao tn. Ngay c nhng mỏy gia tc nng lng
thp, thỡ cụng sut ũi hi cng n vi Megwatts (MW), nhng vỡ yu t
sinh nhit v nhng hn ch khỏc m cỏc ngun súng cao tn cụng sut
hin nay khụng th hot ng c mc cụng sut ln mt cỏch liờn tc,
v cng khụng th lm ngui ng dn súng trỏnh tiờu phớ nng lng
c. Tuy nhiờn nu c to thnh xung thỡ cụng sut cao, thỡ nng lng
trung bỡnh cú th chp nhn c cung cp cho cỏc xung electron v
nhng xung ny cú th c gia tc n nng lng cn thit. di xung
thụng thng l 4às v dao ng vi tn s lp li (PRF - Pulsse
Repetition Frequency) l 250Hz.
Chựm electron c gia tc cú xu hng b phõn k, mt phn do lc
tng tỏc (lc y) Coulomb, nhng ch yu l do lc in trng trong

cu trỳc ng dn súng cú thnh phn xuyờn tõm. Tuy nhiờn s phõn k ny
cú th khc phc v cỏc electron c hi t tr li theo qu o thng khi
ta s dng mt in trng hi t ng trc. in trng ny l do cỏc
cun dõy nam chõm cung cp v ng nhiờn phi ng trc vi ng dn
súng. Ngoi ra cũn cú cỏc cun lỏi tia ph c s dng dn chựm
electron sao cho khi xut hin t ng tng tc s chuyn ng theo ỳng
hng v v trớ yờu cu. Cỏc h thng lỏi tia & t trng hi t c ch ra
trong hỡnh 2.
Khi mỏy c s dng theo ch phỏt tia-X, thỡ chựm electron c
hng vo 1 bia, ú cỏc electron b hóm li v phỏt ra tia-X bng hiu
ng Bremstralung. Trờn u mỏy iu tr gm cú mt s b phn kim soỏt
liu lng, to hỡnh dng v s ng u chựm tia theo mc ớch iu tr.
Cỏc detector kim soỏt liu lng cng l mt trong nhng thnh phn ca
h thng an ton trong chui khoỏ liờn ng.
Khi chựm tia electron c s dng trc tip cho iu tr, nú c phỏt
ra t mt h chõn khụng, qua mt ca s nh vo u mỏy iu tr, v ti
ú c tỏn x hay quột theo t trng to ra cỏc din rng theo yờu
cu cỏc trng chiu trong iu tr. Chựm electron c kim soỏt ging
nh chựm tia-X trờn u mỏy iu tr.
Mt s mỏy gia tc c thit k riờng cho vic phỏt cỏc chựm tia-X,
a s cỏc mỏy khỏc l loi 2 mc ớch vi u mỏy cú th phỏt ra 2 loi
bc x, tia -X hoc electron. Trong trng hp ny, thit b c thit k
c bit c v in ln c khớ cho phộp thay i t phng thc iu tr
ny sang phng thc iu tr khỏc.
u mỏy cũn c lp t mt s thit b nh h thng ốn bỏo kớch
thc v hng chựm tia, thc khong cỏch (c khớ v quang hc), gng
phn x phc v cụng tỏc t bnh nhõn v.v... i vi phng thc iu tr
bng chựm electron, u mỏy cũn c lp thờm cỏc applicator ph vo
collimator.
Trong quỏ trỡnh hot ng, bia phỏt tia-X phi c lm ngui. Vic

lm ngui c thc hin bng nc tun hon xung quanh cỏc chi tit liờn
N. X. K.

Nguyên lý Máy Gia tốc & những khía cạnh Vật-lý trong Xạ trị Ung thư

5


quan, còn nước được làm nguội ra ngoài không khí (trong một số trường
hợp người ta dùng nước làm nguội nước).
Để thực hiện được việc điều trị bệnh nhân một cách thuận tiện, thiết bị
gồm có các hệ thống cơ khí chuyển động như cần máy và hệ thống giường
điều trị. Các hệ thống này cùng nằm trong sự kiểm soát an toàn bằng một
chuỗi khoá liên động từ điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm
tia bức xạ với nhau.

Hình 3. Ba phương pháp khác nhau cấu tạo quỹ đạo electron của máy gia tốc.

Hình trên: Cấu tạo ống dẫn sóng có trục trung tâm của chùm tia điều trị trùng
với trục chuyển động của chùm electron.
Hình giữa: Ống dẫn sóng truyền trên phần cần máy song song với trục qua AB
và chùm tia electron phải uốn quanh một góc xấp xỉ 90o hoặc 270o đến bia tia -X
Hình dưới: Ống dẫn sóng cố định và có khớp nối chân không với hệ chuyển động
của chùm tia qua các khớp xoay.

Có 3 cách cấu tạo cơ khí của thiết bị được sử dụng để hướng chùm tia
phù hợp với tư thế bệnh nhân trong điều trị được chỉ ra trên hình 3. Đơn
giản nhất của một trong 3 cách này (hình 3 trên) là ống dẫn sóng được cấu
tạo sao cho trục trung tâm của chùm tia điều trị trùng với trục chuyển động
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

6


của chùm electron. Nói cách khách, các electron được tăng tốc có thể
chuyển động thẳng đến bia tia-X lắp trực tiếp ngay trên lối ra của đầu máy.
Hệ thống cơ khí của máy gia tốc có thân máy gắn với các chuyển động
quay, cần máy được gắn ống dẫn sóng và điều trị. Nếu khoảng cách giữa
cần máy và trục trung tâm của chùm tia điều trị ít nhất bằng một nửa chiều
dài bệnh nhân thì chùm tia bức xạ có thể hướng đến bất kỳ một vị trí nào
của bệnh nhân khi nằm ngửa.
Từ trục quay đến điểm cuối cùng của mặt cắt BC (hình 3 trên) được xác
định chủ yếu bằng khoảng cách từ nguồn đến trục quay (SAD) và thường
là 100 cm (cũng là chiều dài của ống dẫn sóng). Điều này có liên quan đến
năng lượng electron và tính hiệu quả của máy gia tốc. Độ cao của trục
quay AB được thiết kế phù hợp với tư thế và vị trí (bình thường) thoải mái
của bệnh nhân khi điều trị và thao tác của nhân viên. Độ cao lý tưởng là
1,2 m, đôi khi cao hơn một chút để có chiếu quay và chiếu từ dưới (sàn)
lên.
Hình (giữa) là một dạng khác của ống dẫn sóng. Thiết kế này đòi hỏi
chùm electron từ ống dẫn sóng phải uốn một góc 90o (hoặc 270o) lên bia
tia-X hay cửa sổ nhỏ bằng một từ trường uốn. Một số máy có cấu tạo ống
dẫn sóng loại này. Đặc điểm của thiết kế này là làm cho khả năng giữ được
bán kính quay ở mức 1,25 m và thân máy có thể quay dễ dàng với góc
360o.
Hình 3 (dưới) là một loại ít được sử dụng. Vì hệ thống này cần có ba
điện trường để dẫn chùm electron ra đầu máy điều trị. Loại này thường
được sử dụng trong các Microtron.

II. ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG GIA TỐC ELECTRON
Năng lượng phát ra của chùm tia từ máy gia tốc phụ thuộc vào một số
yếu tố như công suất xung lối vào (P); tần số nguồn vi sóng và cường độ
dòng của chùm electron (sẽ thảo luận kỹ ở phần sau). Một số tính chất của
ống dẫn sóng có ảnh hưởng đến năng lượng của chùm tia, chẳng hạn như
độ dài ống dẫn sóng và tổng trở của nó v.v...
2.1. Máy gia tốc sóng ngang
Trong hầu hết các máy gia tốc, mức công suất tại đỉnh đạt được đồng
thời tại thời điểm bắt đầu xung sóng cao tần và vì thế năng lượng là một
hằng số của xung và tỷ lệ với P . Tuy nhiên, ở một số máy năng lượng
cao, công suất sóng cao tần dư thừa tại thời điểm cuối gia tốc sẽ được phản
hồi lại theo pha để làm tăng thêm công suất lối vào, và do đó làm tăng
thêm công suất trong ống dẫn sóng theo các bước phù hợp với thời gian
tạm nghỉ của vi sóng qua buồng tăng tốc và các (yếu tố) phần tử phản hồi.
Tốc độ sóng trong gia tốc sóng ngang phụ thuộc chủ yếu vào tần số vi
sóng và 2 hệ quả liên quan thực tế như sau:
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

7


1. Để ổn định sự hoạt động, tần số phải được điều chỉnh một cách rất
chính xác.
2. Những thay đổi dù rất nhỏ về tần số có thể được sử dụng để tạo ra sự
biến đổi lớn về năng lượng của electron.
Mối quan hệ giữa electron ban đầu và tốc độ sóng trong ống dẫn tăng
tốc sẽ luân đổi vị trí trên mặt sóng. Vì quan hệ giữa vị trí (hay pha) xác
định cường độ từ trường tăng tốc electron, nên năng lượng cuối cùng các

electron được tăng tốc sẽ bị thay đổi. (Đôi khi lên đến một vài MeV).
Khi năng lượng electron được thay đổi theo cách này, (thay đổi tần số vi
sóng) tính hiệu quả của hệ thống thay đổi một cách nhanh chóng khỏi giới
hạn tối ưu. Đây là giới hạn chấp nhận được khi thiết bị sử dụng chùm
electron vì dòng electron được tăng tốc chỉ cần một lượng rất nhỏ so với
yêu cầu trong chế độ dòng phát tia-X. Nói cách khác, tần số vi sóng khác
nhau có thể được sử dụng để lựa chọn các mức năng lượng khác nhau của
electron cho phù hợp khi điều trị bằng chùm electron. Còn với trường hợp
sử dụng phát tia-X thì năng lượng của electron cần phải đạt được ở điều
kiện tần số tối ưu.
2.2. Gia tốc sóng đứng
Với gia tốc sóng ngang, năng lượng tỷ lệ với công suất sóng cao tần P.
Tuy nhiên, trong trường hợp này năng lượng (công suất) đỉnh trong các
khoang gia tốc không xảy ra một cách đồng thời, vì chúng cần một khoảng
thời gian nhất định để các sóng đứng đạt được đến biên độ cực đại.
Khoảng thời gian này kéo dài khoảng 1µs, là quãng thời gian mà electron
không được tăng tốc một cách hiệu quả. Vấn đề này có thể khắc phục được
bằng cách làm chậm lại việc phun các electron vào buồng tăng tốc nếu sử
dụng loại súng điện tử 3 cực. Kết quả là electron tăng tốc sẽ chỉ diễn ra
trong khoảng một thời gian 3µs cuối cùng của độ dài xung 4µs, gây nên sự
hao phí năng lượng nếu sử dụng nguồn sóng RF.
Gia tốc sóng đứng là một hệ thống cộng hưởng tần số cao và chỉ làm
việc ở tần số nhất định. Năng lượng của các electron được gia tốc phụ
thuộc chủ yếu vào biên độ dao động của sóng đứng, và vào pha của các
chùm electron. Biên độ lại phụ thuộc vào năng lượng vi sóng, trong khi đó
pha dao động có thể sai khác nhau bằng cách thay đổi năng lượng của các
electron tại lối vào của hệ thống từ súng điện tử. Hai sự khác nhau này có
thể được sử dụng để thay đổi năng lượng của electron. Tuy nhiên, các máy
gia tốc sóng đứng được thiết kế hoạt động ở một mức năng lượng cụ thể,
những thay đổi lớn về mức năng lượng dẫn đến sự giảm đáng kể cường độ

chùm tia và làm tăng phổ của electron. Mặc dù việc giảm cường độ chùm
tia không là vấn đề gì lắm (chừng nào nó đạt đến giá trị cao thích hợp), thì
việc làm tăng phổ của nó sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng trong việc lái

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

8


và điều khiển làm lệch chúng (sẽ thảo luận kỹ vấn đề này ở phần hệ thống
lái chùm tia).
Sự hoạt động một cách tối ưu với nhiều năng lượng khác nhau có thể
thực hiện hiện bằng bộ chuyển đổi năng lượng vi sóng để giảm điện trường
gia tốc ở phần năng lượng cao của ống dẫn sóng. Tại vùng này, biên độ
của các sóng đứng sẽ được giảm, nhưng các electron đang chuyển động
với một tốc độ tương đối sẽ vấn tiếp tục đến mỗi khoang (cộng hưởng) với
pha thích hợp.
2.3. Năng lượng và cường độ dòng của chùm electron
Đối với loại máy gia tốc sóng ngang hoạt động ở một (nguồn vi sóng)
tần số cố định, biên độ điện trường sẽ bị suy giảm khi (sóng) truyền qua
ống dẫn sóng. Tốc độ suy giảm tùy thuộc vào tổng trở của mỗi đơn vị
chiều dài, mà dọc theo nó năng lượng lối vào xác định độ lớn của năng
lượng được truyền cho các electron tăng tốc. Nói cách khác, tốc độ sẽ suy
giảm sẽ phụ thuộc vào dòng của chùm electron. Kết quả là điện trường
trung bình sẽ tác động vào một electron và vì thế năng lượng đã nhận được
khi chuyển động qua hệ thống sẽ bị giảm đi do dòng của chùm electron
tăng lên.
Đối với loại gia tốc sóng đứng, biên độ điện trường là không đổi trên

suốt chiều dài ống dẫn sóng, biên độ đó phụ thuộc vào sự cân bằng giữa
năng lượng sóng nạp vào hệ và sự tiêu hao trong hệ thống ống dẫn sóng
mà gồm cả phần năng lượng truyền cho chùm electron. Một lần nữa, mức
điện trường tác động lên một electron sẽ giảm khi cường độ dòng của
chùm electron tăng, vì thế năng lượng electron sẽ giảm đi.
Sự phụ thuộc của năng lượng vào cường độ dòng của chùm là quan
trọng nhất, khi những dòng lớn các electron được sử dụng để tạo ra các
chùm tia-X. Quan hệ giữa cường độ dòng của chùm năng lượng electron
và công suất của chùm tia-X thể hiện ở hai hệ quả:
Khi năng lượng electron không đổi, công suất ra của chùm tia-X tỷ lệ
với cường độ dòng của chùm electron.
Hiệu quả tạo ra chùm tia -X là một hàm của năng lượng, nó giảm nhanh theo sự
giảm của năng lượng.

Thoạt đầu, hiệu quả thứ nhất vượt trội hơn và công suất của chùm tiaX tăng theo cường độ dòng của chùm electron. Nhưng khi năng lượng
giảm, công suất ra sẽ chỉ đạt đến giá trị cực đại được xác định như đường
cong hình 4.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

9


Hình 4. Quan hệ giữa cường độ, năng lượng của chùm electron và
công suất ra của chùm tia-X trong máy gia tốc.

2.4. Biên độ dòng của chùm electron
Khi máy gia tốc được sử dụng ở chế độ phát chùm tia-X thì suất liều

yêu cầu trong điều trị thường ở mức 200 - 500 cGy/phút tại khoảng cách
1m. Vì bức xạ được phát ra dưới dạng các xung ngắn, từ 2 - 4 µs, công
suất trung bình của chùm tia được xác định bằng cường độ dòng của chùm
electron trong 1 xung, và bằng tần số lặp lại xung. Tần số lặp lại khoảng
vài trăm xung trong 1 giây, cường độ dòng của chùm electron trong mỗi
xung lên đến hàng trăm miliampe (mA).
Sự khác nhau lớn giữa cường độ dòng của chùm electron có thể gây ra
những bất lợi đối với chùm tia-X điều trị bệnh nhân. Một hệ thống khoá
liên động tinh vi được sử dụng để luôn đảm bảo rằng máy không bao giờ
được hoạt động ở chế độ dòng lớn hoặc nhỏ quá.
2.5. So sánh giữa máy gia tốc sóng ngang và sóng đứng.
Vì cả hai loại này vẫn còn đang được tiếp tục chế tạo, mặc dù có nhiều
hãng sản xuất khác nhau, qua nhiều năm kinh nghiệm về thương mại, buôn
bán, rõ ràng là không có loại máy nào vượt trội hơn loại máy nào. Vì các
máy gia tốc hệ sóng đứng, các electron được tăng tốc trong một điện
trường với biên độ không đổi, còn điện trường sóng ngang lại biến đổi trên
chiều dài của ống dẫn sóng, nên loại sóng đứng tạo ra các chùm electron
có năng lượng cao hơn. Điều này có nghĩa là với cùng một chiều dài tăng
tốc của ống dẫn sóng, thì hệ thống sóng đứng có một lợi thế nhất định.
Trong thực tế, lợi điểm này được áp dụng cho loại máy gia tốc hoạt động ở
mức năng lượng một vài MeV, và dùng cho loại như hình 3(a). Đối với
năng lượng 4 hoặc 5 MeV thì buồng tăng tốc loại này trở nên quá dài. Hệ
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

10


thống máy này thuộc loại như hình 3(b). Vì sự khác nhau về chiều dài

tăng tốc giữa hệ thống gia tốc sóng ngang và sóng đứng không còn là vấn
đề, cho nên nếu bán kính buồng tăng tốc như nhau thì gia tốc sóng ngang
lại có ưu thế hơn.
Cả hai loại công nghệ gia tốc đều có yêu cầu như nhau về năng lượng
vi sóng cực đại để đạt được cùng một năng lượng electron, nhưng năng
lượng trung bình của loại sóng đứng sẽ cao hơn bởi vì thời gian lấp đầy
khác nhau đã nêu ở trên. Với 2 loại gia tốc cùng năng lượng 6 MeV thì loại
sóng ngang có thể hoạt động ở mức điện áp công suất Magnetron 2 MW,
nhưng loại sóng đứng đòi hỏi mức công suất của Magnetron là 2,5 MW.
Theo quan điểm thiết kế kỹ thuật thì những khác nhau giữa hai loại là
rất quan trọng, nhưng theo quan điểm sử dụng thì các tính chất của chùm
electron là hoàn toàn như nhau. Bởi thế những khác nhau đó không phải là
điều phải cân nhắc khi lựa chọn mua thiết bị. Cả hai loại sóng đứng và
sóng ngang đều đem đến cùng hiệu quả ứng dụng.
2.6. Cấu trúc ống dẫn và gia tốc sóng [4]
Có 3 yêu cầu chính mà cấu trúc ống dẫn và tăng tốc sóng cần phải thoả
mãn, đó là:
- Độ dẫn sóng tốt.
- Độ chính xác về kích thước
- Độ ổn định cấu trúc cao
Yêu cầu thứ nhất được đáp ứng bằng việc ứng dụng đồng nguyên chất
làm vật liệu truyền và dẫn sóng. Hai yêu cầu sau đòi hỏi độ bền cơ khí ở
mức độ cao, kể cả độ dãn nở nhiệt của hệ thống.
Có 3 phương pháp chế tạo được sử dụng. Loại cấu trúc ghép các đĩa,
hình 5(a) được chế tạo gồm hàng loạt chi tiết ghép nối nhau, hình 5(b). Khi
sử dụng, ống dẫn sóng cần phải đặt dưới chế độ chân không cao. Loại cấu
trúc ghép nối này không thể tuyệt đối kín khít, do vậy toàn bộ hệ thống
phải đặt trong thùng chân không. Mà việc dùng thùng chân không ngoài là
một điều bất lợi cả về kích thước lẫn trọng lượng. Ngoài ra, điều bất lợi
nữa là khó tránh được dòng cao tần sinh ra tại các vách ngăn. Tất cả những

bất lợi này có thể khắc phục được bằng cách hàn kín các chi tiết với nhau,
sao cho chính bản thân ống dẫn sóng là một buồng chân không cao.
Kích thước đường kính ngoài của một ống gia tốc sóng vào khoảng 15
cm (kể cả vỏ chứa nước làm nguội), chiều dài tăng tốc khoảng 1-3 m tùy
theo yêu cầu năng lượng của electron.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

11


Hình 5. (Hình a): Cấu trúc ống dẫn sóng ngang cùng với vỏ nước làm nguội.
(Hình b): Cấu trúc ống dẫn sóng đứng.

III. NGUỒN CUNG CẤP SÓNG CAO TẦN
3.1. Những yêu cầu về nguồn sóng cao tần
Các máy gia tốc điện tử thường hoạt động ở giải tần số 3000 MHz.
Người ta cũng chế tạo được các máy hoạt động ở tần số cao gấp 3 lần tần
số nói trên. Về mặt lý thuyết, nên sử dụng tần số cao hơn sẽ có lợi là giảm
được kích thước buồng tăng tốc và do đó có thể chế tạo được các máy gia
tốc gọn gàng hơn. Nhưng điều khó khăn là làm thế nào để chế tạo được hệ
thống phát sóng cao tần luôn hoạt động ổn định theo công suất đặt ra. Đối
với các máy gia tốc dùng trong nghiên cứu, hoạt động với công suất rất
cao, ở dải tần số thấp (1000 MHz) lại tỏ ra thành công.
Các máy gia tốc dùng trong điều trị ung thư thường sử dụng nguồn phát
sóng cao tần hoặc là Magnetron, hoặc là Klystron. Với năng lượng các
chùm electron khoảng 10 Mev, thì Magnetron hoạt động ở công suất từ 2,5
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

12


- 3 MW. Công suất yêu cầu cao hơn nữa khi năng lượng chùm electron cao
hơn. Khi đó Magnetron phải hoạt động với công suất 5 MW và Klystron
hoạt động ở mức 7 MW.
Về nguyên tắc, không có sự khác nhau trong việc lựa chọn Magnetron
hay Klystron làm nguồn công suất cho ống dẫn sóng. Mà việc lựa chọn chủ
yếu tùy thuộc vào yêu cầu năng lượng sử dụng và giá thành mỗi loại.

Hình .6. Sơ đồ của Magnetron

Hình 7. Hình ảnh Klystron

Magnetron có cấu tạo gọn nhẹ hơn và hoạt động ở điện áp thấp, nên có
thể lắp trên thân máy quay. Còn Klystron có phần to, năng hơn và hoạt
động ở điện áp cao hơn, phải đặt trong thùng dầu cách điện và không lắp
trực tiếp trên thân máy được. Klystron đòi hỏi có khớp nối truyền sóng cao
tần công suất vào buồng tăng tốc.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

13

3.1.1. Magnetron
Thiết bị dao động tạo sóng cao tần công suất được gọi là Magnetron
(hình 6.6). Thiết bị này là một hình trụ, có các khoang cộng hưởng tạo
thành anode đặt ở vành ngoài. Thường thường, có 6 khoang cộng hưởng
như vậy, tạo thành từ các khối bằng đồng, đặc, bố trí xung quanh cathode
của Magnetron. Hệ từ trường tĩnh có cường độ mạnh B được đặt vuông
góc với mặt phẳng cắt ngang các khoang cộng hưởng. Một hệ điện trường
mạnh DC đặt vào giữa cathode. Các electron sẽ được chuyển động theo
những quỹ đạo phức tạp, xoắn về phía các khoang cộng hưởng, phát ra
năng dưới dạng năng lượng tần số sóng vô tuyến RF. Các electron chuyển
động qua khoảng trống trong khoang sẽ tương tác với điện trường cắt
ngang các khoang trống này. Dưới những điều kiện cho trước của cường
độ dòng và thế trên anode, các bộ cộng hưởng cao tần này được cảm biến
tại anode lối ra, được lồng trong mỗi khoang, và từ trong các khoang đó
dòng cao tần RF được cấp vào hệ dẫn sóng cao tần.
Magnetron dạng khoang lần đầu tiên được chế tạo như một máy phát
xung để sử dụng trong Rada. Tần số RF tại đài truyền chữ S có dải tần
2998 MHz và tạo ra chiều dài sóng trong không gian tự do 10 cm. Dải
sóng S điển hình được sử dụng trong các máy điều trị (10MeV) có khả
năng tạo ra năng lượng cực đại 2 MW (trung bình 2 MW) dạng xung, với
độ dài xung cỡ vài µsec và tần số lặp lại là hàng trăm xung/giây. Năng
lượng đỉnh cực đại trong các Magnetron thường dùng hiện nay vào cỡ 5
MW.
3.1.2. Klystron
Một "van" điều biến tốc độ, gồm khoang tạo thành những bó điện tử,
một không gian dẫn và một bẫy thu electron được gọi là "Klystron" (hình
6.7). Âm tiết đầu tiên của khái niệm này có nguồn gốc từ tiếng Hylạp,
tượng trưng cho sự phát sóng trên bờ biển, mô tả hiện tượng từng đám
electron ập đến bẫy ion.
Ngược với Magnetron, có chức năng như một bộ dao động sóng cao

tần, Klystron thì hoạt động như một bộ khuyếch đại tần số sóng vô tuyến
RF và được điều khiển bằng một bộ dao động sóng năng lượng thấp.
Thiết bị Klystron này có hai khoang cộng hưởng hoạt động như các
khoang tạo thành những bó electron và bẫy chúng, được nối với một hệ
thống (dẫn) lái. Các điện trường tĩnh hội tụ các electron thành từng chùm
khi chúng đi qua "van".
Các electron phát ra từ Cathode được điều tốc bằng một bộ tạo sóng vi
ba, cấp từ lối vào Klystron. Nếu bây giờ chùm electron đã được điều tốc
này chuyển động qua ống lái, chúng sẽ được tăng tốc nhanh hơn, sao cho
tại thời điểm nào đó của chùm electron này, các vùng khác sẽ tồn tại những
đám (bó) electron với mật độ khác nhau.
Sự hình thành các đám electron trong Klystron tương tự như trong ống
dẫn sóng. Sự phân cực các electron của Klystron theo cách mà khi những
đám electron chuyển động nhanh đến bẫy ion, chúng sẽ bị giảm tốc độ, và
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

14


theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, động năng của electron được truyền
đến điện trường dao động của sóng vi ba. Do vậy, sóng vi ba năng lượng
thấp được cung cấp tại lối vào các lá Klystron sẽ được khuếch đại hơn.
Klystron có thể tạo ra năng lượng các đỉnh sóng từ 5÷30 MW, lớn hơn
đáng kể so với Magnetron.
3.1.3. Ứng dụng của Magnetron và Klystron
Đặc tính của 2 loại này khác nhau trong công nghệ chế tạo và ứng dụng.
Khác nhau căn bản là Klystron được sử dụng trong các máy gia tốc yêu
cầu năng lượng electron vượt quá 20 MeV.

Magnetron với năng lượng đỉnh 5 MW dùng trong các máy gia tốc với
yêu cầu năng lượng dưới mức 20 MeV. Kích thước của Magnetron nhỏ,
gọn so với Klystron, cần dùng ít mạch điện hơn.
Magnetron tự tạo dao động không cần giai đoạn lái chùm tia, còn
Klystron cần phải có bộ dao động và hệ thống lái tia.
Klystron được lắp ghép không quay theo thân máy và ống dẫn sóng.
Điều này có lợi là không làm thay đổi tần số gây ra do thân máy. Tuy
nhiên, nó lại cần bộ ghép nối giữa Klystron và ống dẫn sóng.
Do kích thước nhỏ gọn, Magnetron có thể lắp ghép ngay trên thân máy
quay, giảm được bộ lắp ghép với tần số RF, song có thể làm thay đổi tần số
khi thân máy quay. Điều này có thể khắc phục được bằng cách ghép thêm
bộ điều chỉnh tần số.
Giá thành thay thế của Klystron cao hơn so với Magnetron, nhưng lại có
tuổi thọ dài hơn.
Cả Magnetron và Klystron được lắp thêm bộ điều chỉnh để có thể duy
trì sự dao động RF với tần số tối ưu. Để bù trừ cho thăng giáng do nhiệt
độ, đặc biệt là ở giai đoạn đầu mới vận hành, sử dụng của thiết bị. Thiết bị
bù trừ là một bộ phận của hệ thống điều chỉnh tần số tự dao động - AFC
(Automatic Frequency Control) để điều chỉnh các tín hiệu từ bộ cảm biến
tần số đặt trong ống dẫn sóng.
3.2. ĐIỀU KHIỂN BỘ PHÁT SÓNG CAO TẦN.
3.2.1. Điều khiển Magnetron
a. Điều chỉnh tần số
Đối với vị trí cố định của lõi nam châm P trong Magnetron, tần số phát
sẽ tùy thuộc vào nhiệt độ của hệ Anode và hướng xoay của Magnetron.
Mặc dù hệ anode của Magnetron được làm nguội bằng nước, nhưng nhiệt
cân bằng của nó lại phụ thuộc vào công suất trung bình mà nó phát ra.
Hiệu quả tỏa nhiệt có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi tần số.
Cũng tương tự như vậy, nếu Magnetron được lắp trên phần quay của
thân máy thì tần số phát sẽ phụ thuộc vào hướng quay của bộ phận này. Sự

phụ thuộc tuy là nhỏ nhưng lại gây ra sự thay đổi đáng kể về tần số, vì ảnh
hưởng đến sự phát xạ của Cathode, kéo theo ảnh hưởng đến hệ Anode.
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

15


Vì hai lý do đó, tần số của Magnetron phải được khống chế và điều
khiển liên tục. Như đã giải thích ở phần trước, ta có thể thu được các mức
năng lượng khác nhau của electron bằng cách thay đổi tần số vi sóng. Điều
cần thiết là Magnetron phải luôn hoạt động ở những giá trị tần số đã được
lựa chọn này phải được khống chế và điều chỉnh với độ chính xác cỡ vài
KHz.
Hệ thống điều khiển tần số Magnetron được chỉ ra trên hình 8.

Hình 8. Sơ đồ khối của hệ AFC đối với một Magnetron điều chỉnh được.

Công suất ra của Magnetron được truyền vào ống dẫn sóng. Toàn bộ hệ
thống được khống chế nhiệt độ bằng một hệ thống nước làm nguội. Tần số
trong các khoang của ống dẫn sóng được điều hưởng sai khác nhau đôi
chút, hơi thấp hơn tần số đạt đến giới hạn mong muốn, thì tín hiệu từ các
khoang sẽ cân bằng. Nếu tần số quá cao, thì khoang có tần số cao sẽ tạo ra
một tín hiệu lớn hơn khoang có tần số thấp và ngược lại. Lối vào của bộ bù
trừ gồm 2 kênh, một kênh khuếch đại xung và một kênh chỉnh lưu. Các
kênh này sẽ phát tín hiệu "0" khi tần số giữa hai khoang cân bằng nhau.
Các tần số cộng hưởng của các khoang có thể tạo ra sự khác nhau bằng
việc thay đổi vị trí đầu dò điều hưởng tại mỗi khoang. Nếu các đầu dò điều
hưởng được ghép sao cho chúng luôn cùng chuyển động thì có thể xác

định được các vị trí của đầu dò để qua đó xác định được các tần số cộng
hưởng theo đúng yêu cầu. Những yêu cầu về các giá trị của tần số có thể
khống chế được bằng cách lựa chọn các mức điện áp thích hợp. Vì tần số
lựa chọn sẽ khống chế năng lượng các chùm electron nên trong thực tế, sự
lựa chọn tần số chính là sự lựa chọn năng lượng electron tương ứng. Công
suất ra của mạch này sẽ được sử dụng để khống chế mạch tần số và được
chuẩn hoá thành các giá trị sai khác nhau cỡ vài KHz trong giải tần đã
chọn.
Một số motor cỡ nhỏ điều chỉnh đầu dò điều hưởng trong Magnetron
cần có bộ phận khống chế phụ bên ngoài sao cho hệ thống được điều chỉnh
đến vị trí theo yêu cầu, hoặc là tỷ lệ với tín hiệu khống chế tần số. Điều
này tránh được trạng thái tới hạn của các bộ dao động. Bộ phận khống chế
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

16


này được gọi là "bộ điều chỉnh tần số tự động" - AFC (Automatic
Frequency Control).
b. Điều chỉnh pha.
Trong gia tốc sóng ngang, năng lượng electron có thể điều chỉnh bằng
cách sử dụng hệ thay đổi tần số để khống chế tốc độ sóng truyền. Tốc độ
này xác định mối quan hệ giữa các pha dao động tại đầu vào, đầu ra của
ống dẫn sóng. Trong hình 9, giới thiệu mạch so sánh pha, và một tín hiệu
được phát ra để điểu chỉnh tần số trong Magnetron đến giới hạn yêu cầu.
Theo sơ đồ hình 9, tín hiệu pha lối vào và lối ra của ống dẫn sóng được
tạo xung bằng các đầu dò và các bộ đảo pha. Bộ đảo pha thường được làm
bằng chất điện môi (vật liệu gốm) và được đặt song song với ống dẫn sóng

(hình 8) thì điện trường qua đó sẽ phụ thuộc vào vị trí của nó trong ống
dẫn sóng. Bằng việc thay đổi vị trí chất điện môi trong ống dẫn sóng, pha
của sóng sẽ chuyển động sẽ thay đổi theo.
Theo hình 6.8, về nguyên tắc, vị trí của bộ điều chỉnh pha, mà tại đó tín
hiệu điểm cuối phía trái của pha sẽ đối ngược với tín hiệu của điểm cuối
phía phải và tín hiệu "0" sẽ phát ra. Nói cách khác, ta có khả năng thiết lập
bộ đảo pha theo tín hiệu "0" tại điểm cuối của ống dẫn sóng. Nếu sự thay
đổi pha không đúng theo giá trị yêu cầu, tín hiệu lối ra có thể được sử dụng
để điều khiển Magnetron cho đến khi tần số của Magnetron thu được tín
hiệu "0".

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

17


Hình 9. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển pha ở lối ra, lối vào.

3.2.2. Điều khiển Klystron
Trong gia tốc sóng đứng, năng lượng vi sóng (sóng cao tần) phải được
cấp đúng theo tần số cộng hưởng của ống tăng tốc. Tại tần số cộng hưởng,
năng lượng phản xạ từ ống dẫn sóng đúng hệt theo pha của năng lượng lối
vào, và mối liên hệ này được sử dụng để điều chỉnh tần số lối vào.
Năng lượng tại lối vào của ống dẫn sóng được truyền qua bộ ghép định
hướng tạo xung cho năng lượng sóng vào và sóng phản xạ. Tín hiệu sóng
phản xạ được truyền qua bộ dịch chuyển pha (hình 10) được đặt ở chế độ
đổi pha 1800. Ở tần số cộng hưởng, hai tín hiệu đổi pha được so sánh và sẽ
tạo ra tín hiệu "0" tại lối ra. Nếu năng lượng ở lối vào không cộng hưởng

với sóng đứng, bộ so pha sẽ phát ra tín hiệu âm hoặc dương để điều chỉnh
mức tần số lối vào bộ dao động đến giá trị cộng hưởng. Biên độ độ xung ra
của tín hiệu pha sẽ phụ thuộc vào mức năng lượng mà hệ thống hoạt động.
Mức năng lượng này có thể điều chỉnh được theo các giá trị được chọn
trước để thay đổi năng lượng chùm electron được gia tốc. Vì vậy, ta sẽ thu
được xung lối ra của bộ so pha phù hợp với các mức năng lượng khác
nhau. Giải biên độ xung ra này được sử dụng để khống chế năng lượng
chùm electron theo ý muốn. Tín hiệu từ bộ so pha cũng có thể cho biết tần
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

18


số hoạt động của hệ trong trạng thái chuẩn của tín hiệu "0" hoặc đang ở
mức cao hay thấp so với tín hiệu "0" đó...

Klystron

Dao động lối
vào

Kiểm soát tần số

Bộ ghép định
hướng

Ống gia tốc
sóng đứng

Bộ đổi pha

Nhận biết pha

Chọn lọc năng
lượng
Electron

Hình 10. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tần số của Klystron

3.2.3. Bộ điều biến
Trong phần này sẽ trình bày một số nội dung ngắn gọn mô tả hoạt động
của bộ điều biến xung trong hệ thống phát cao tần Magnetron. Chức năng
chủ yếu của mạch điều biến là cung cấp các xung cao áp âm cho cathode
của "van" phát sóng cao tần. Nguyên lý cơ bản hoạt động của mạch được
trình bày trong hình 6.11.

Hình 11. Nguyên lý hoạt động của mạch điều biến xung.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

19


Mạch chỉnh lưu 3 pha (cả 2 nửa chu kỳ) sử dụng các diode tạo ra điện
áp khoảng 10 KV qua tụ lọc C1. Điện áp này được chỉnh tại đầu nối đất của
mạch cao áp qua các điện trở R1, R2, là VHT. Điện áp Vi qua điện trở R3, C1

tỷ lệ với cường độ dòng điện của bộ cung cấp nguồn cao áp và được sử
dụng như một mạch điều khiển phụ. Nó sẽ ngắt công tắc 3 pha trong
trường hợp bị quá tải.
Mạch tạo xung PFN (Pulse Forming Network) được truyền từ cuộn cảm
L1 và Diode D1. Tại thời điểm này, đèn "van" T không có dòng chạy qua.
Trong điều kiện như vậy, PFN hoạt động như một mạch cộng hưởng và
điện áp qua nó sẽ dao động tăng gấp 2 lần điện áp cung cấp. Khi điện áp
đạt đến giá trị cực đại, Diod D1 sẽ kiềm chế lại. Khi đèn "van" (Thyratron)
được đốt nóng bằng điện áp cao, nó sẽ phóng điện từ mạch PFN, tạo ra
điện áp xung truyền qua cuộn dây sơ cấp biến áp T1. Độ dài xung thường
được sử dụng khoảng 3.6 µs.
Dòng cực đại của Thyratron khoảng 500 A và được điều chỉnh bằng
biến áp dòng Tc. Điện áp qua hệ PFN hoạt động theo chu kỳ nạp- phóng
như minh hoạ trên hình 12 (a). Nhịp xung phóng điện theo thời gian (độ
dài xung) được xác định bởi các thông số của PFN, và tần số xung được
xác định bằng các xung dương đặt vào lưới Thyratron. Trở kháng lối vào
đối với biến áp xung trong điều kiện có tải được làm phù hợp với trở kháng
của hệ PFN. Nếu một thành phần điên áp cao trên cuộn thứ cấp của biến áp
xung giảm xuống, thì trở kháng trên cuộn sơ cấp sẽ giảm theo. Điều này sẽ
gây ra việc đảo xung điện áp truyền qua PFN. Chức năng của "diode biến
đổi ngước D2" là dẫn dòng tổng hợp (không mong muốn) này xuống đất.

Hình 12. (a) Dạng sóng điện áp trên PFN khi phóng điện qua D1.
Hình 12. (b) Điện áp xung âm qua biến áp T1 (hình 6.11).

Khi điện áp hình thành qua trở R4 (hình 11) vượt quá giới hạn định
trước, nó sẽ được sử dụng để ngắt máy phát xung điều khiển Thyratron, và
sẽ bảo vệ được mạch cao áp quá tải.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

20


Các tín hiệu xung dương đặt vào lưới của Thyratron được lấy từ bộ tần
số lặp lại xung PRF (Pulse Repetition Frequeney). Thyratron sẽ dẫn khi
một xung dương nào đó tác động vào lưới điều khiển của nó. Sự dẫn sẽ
dừng lại khi điện áp Anode, được cấp từ PFN bị giảm xuống thấp hơn
ngưỡng hoạt động. Trở kháng của mạch phóng điện L1 D1 trở nên quá lớn
đối với mọi tín hiệu xảy ra trong quá trình phóng điện đó. Dạng xung điện
áp cao của biến áp xung được mô tả trên hình 12 (b) và được điều chỉnh
bằng các điện trở R5R6 được mô tả trên hình 11.
Để đảm bảo sự ổn định của bộ phát sóng cao tần, điện áp của mạch tạo
xung PFN phải được điều khiển. Điện áp đó được khống chế bằng các điện
trở R7 Rv. Tín hiệu qua RV được sử dụng để điều chỉnh điện áp xung. Khi
tín hiệu này đạt đến giới hạn đã định, bộ điều biến xung điện áp sẽ tạo một
trở kháng nhỏ song song với sự thay đổi điện cảm trên cuộn L1. Và khi
điều này xảy ra, việc nạp điện cộng hưởng trên mạch PFN bị dừng lại tức
khắc, và điện áp trên PFN sẽ được duy trì ở mức không đổi nhờ bộ biến
đổi trở kháng qua Diode D1 cho đến khi đèn "van" Thyratron hoạt động ở
chu kỳ tiếp sau. Giá trị điện áp biến đổi trên PFN có thể được xác lập bằng
cách sử dụng biến trở Rv.
Việc cung cấp năng lượng cho Magnetron được mô tả trên hình 13.

Hình 13. Các cuộn dây song song trên biến áp xung T1

Biến áp xung trên mạch điều biến là một biến áp tự động có các cuộn
dây song song và thường cung cấp mức điện áp xung 50 KV cho cathode

của Thyratrron.
Tóm lại, mạch biến áp có chức năng cung cấp các xung điện áp cho máy
phát cao tần. Và bộ phát tần số xung PRF được xác định bởi máy phát
xung mà nó điều khiển lưới của đèn van Thyratron.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

21


IV. NGUYÊN LÝ TẠO CHÙM TIA ELECTRON [5]
4.1. CÁC SÚNG ĐIỆN TỬ (súng electron)
Các loại súng điện tử 2 cực và 3 cực (diode và triode) được các hãng sản
xuất khác nhau sử dụng, có sự khác biệt lớn về những loại Cathode nhiệt.
Sau đây, giới thiệu về một vài súng điện tử dùng với diode và triode thông
dụng.
4.1.1. Các súng hai cực (diode)
Hệ thống dẫn sóng trong máy gia tốc thường hoạt động theo chế độ
nguồn điện 1 chiều và cathode của súng điện tử được bảo vệ bằng các vật
liệu thủy tinh hoặc sứ. Hệ thống bảo vệ này còn có chức năng như một
phần vỏ bọc chân không. Toàn bộ nguyên lý của hệ thống được trình bày
trên hình 6.14 (a).

(a)

(b)
Hình 14: (a): Súng điện tử 2 cực (súng diode)
Hình 14 (b): Súng điện tử 3 cực (triode)

Các electron nhiệt phát ra từ cathode được hội tụ tĩnh điện vào buồng
tăng tốc, nhờ hệ thống anode và cathode có độ cong. Cathode được phân
cực âm so với đất. Chùm electron được tạo thành bằng cách các electron
phóng qua một lỗ nhỏ trên anode. Sự phân phối năng lượng cung cấp cho
súng diode được chỉ ra trên hình 14 (a). Một biến áp xung cung cấp cao áp
cho súng điện tử và Magnetron trong các máy gia tốc sóng ngang gồm một
số cuộn dây mắc song song đồng thời cấp dòng đốt cathode cho cả súng
điện tử và Magnetron: dòng đốt này được điều chỉnh bằng các mạch có
điện áp gần với điện áp nối đất. Điện áp xung âm HT cấp cho súng
electron và cathode của Magnetron không cùng trị số với nhau. Nếu máy
gia tốc được thiết kế hoạt động với các chùm electron năng lượng thấp, thì
các xung được điều khiển từ Magnetron qua một bộ chia thế đơn giản.
Các cathode có thể nung trực tiếp hoặc gián tiếp. Loại cathode nung
trực tiếp đơn giản nhất là một sợi dây bằng Vonfram xoăn ốc thẳng, bố trí
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

22


như hình 14(a). Dòng electron đi vào ống dẫn sóng khi đó sẽ được điều
chỉnh bằng dòng của sợi đốt cathode và vì thế chính là nhiệt độ của nó. Với
cơ chế phát tia-X, khi cường độ chùm tia đủ lớn, thì năng lượng cực đại để
gia tốc chùm electron trong ống dẫn sóng được khống chế bằng cách điều
chỉnh cường độ chùm tia. Còn khi sử dụng chùm electron, nếu cường độ
chùm tia nhỏ đến mức không đáng kể thì suất liều được khống chế bằng
việc điều chỉnh cường độ dòng. Cả 2 hai cơ chế này có thể thực hiện với
loại cathode nung trực tiếp. Việc điều chỉnh dòng sợi đốt có thể được sử

dụng để làm ổn định năng lượng hay suất liều của máy. Sự thay đổi cơ chế
hoạt động giữa chế độ điều trị tia - X và chùm electron cũng được thực
hiện trên cơ sở thay đổi dòng đốt cathode.
Người ta cũng sử dụng loại cathode nung gián tiếp trong loại súng dùng
diode. Trường hợp này, không thể thực hiện việc thay đổi nhanh sự phát xạ
electron được, bởi lẽ bề mặt được đốt gián tiếp của sợi đốt có nhiệt dung
lớn hơn. Mặt khác, nó lại có thể đạt được sự phát xạ electron đủ lớn để ổn
định dòng electron trong ống dẫn sóng. Còn cường độ dòng được xác định
bởi điện áp đặt vào súng electron và độ mở của anode. Tuy nhiên, sự thay
đổi giữa chế độ điều trị với chùm tia - X và chùm electron thì khó điều tiết
hơn.
Việc lựa chọn cathode đốt trực tiếp hay gián tiếp tùy thuộc vào nhu
cầu, hay nói cách khác, nó tuỳ thuộc vào việc muốn thay đổi nhanh cường
độ chùm electron để ổn định năng lượng của dòng electron.
Loại cathode đốt trực tiếp phát sáng có sự hạn chế về thời gian sử dụng,
nó tuỳ thuộc vào nhiệt độ hoạt động. Về mặt lý thuyết thì loại cathode gián
tiếp có tuổi thọ lâu dài hơn nhiều. Trong thực tế sử dụng, tuổi thọ của cả 2
loại phụ thuộc vào hệ chân không tốt đến mức nào. Có một số máy gia tốc
đòi hỏi phải thay cathode của súng điện tử thường xuyên. Thời gian toàn
bộ để thay thế tùy thuộc vào thời gian bơm, hút chân không cho cathode
mới. Thông thường để thay một cathode loại phủ oxide mất khoảng 24 giờ,
còn với loại Vonfram có thể nhanh hơn.
Nói chung các nhà sản xuất thường phải cung cấp ít nhất tổ hợp súng
electron và ống dẫn sóng đồng bộ trong một hệ thống và đã được hút chân
không cao. Toàn bộ hệ thống chỉ phải thay thế khi cathode bị hư hỏng.
Tuổi thọ trung bình của hệ thống từ 5-10 năm.
4.1.2. Súng ba cực (triode).
Súng điện tử 3 cực, hình 14(b) sử dụng một lưới điều khiển cường độ
chùm electron, và do đó có thể dùng loại cathode nung gián tiếp mà vẫn
đảm bảo việc điều chỉnh nhanh cường độ chùm electron.

Sự phân bố năng lượng và điều khiển súng electron được minh họa
trên hình 15 (a). Ống dẫn sóng được cấp nguồn một chiều (DC) so với đất,
thông thường ở mức điện áp 20 KV, điện áp này được xác định bởi năng
lượng yêu cầu của electron. Lưới điều khiển thường được giữ ở mức vừa
đủ âm so với cathode để ngắt dòng anode, vì thế biên độ và thời gian của
các xung cường độ cấp vào ống tăng tốc được khống chế bởi xung điện áp
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

23


đặt vào lưới. Đương nhiên điện áp xung này phải đồng bộ với điện áp đặt
vào một máy phát cao tần (vi sóng). Với hệ thống này, ta có khả năng thay
đổi pha giữa sóng cao tần và các xung electron. Đối với trường hợp dùng
súng diode thì bắt buộc pha giữa sóng cao tần và các xung electron phải
chính xác như nhau. Lợi thế ở chỗ có sự chậm pha đôi chút trước khi phun
dòng electron sẽ cho phép máy gia tốc "lấp đầy" sóng cao tần và đảm bảo
rằng tất cả các electron sẽ được gia tốc cùng một mức năng lượng.
Mạch cung cấp và điều khiển điện lưới, hình 15 (b) phải có giá trị âm so
với đất ở mức điện áp cathode và phải cấp nguồn qua hệ thống biến áp
thích hợp. Năng lượng của các electron phun vào ống tăng tốc được xác
định bởi nguồn điện áp âm đặt vào cathode của súng electron.

Hình 15 (a): Sắp xếp hệ thống cung cấp dòng đốt cathode của loại súng( electron)
diode.
(b): Mạch cung cấp dòng đốt cathode (âm so với lưới) của súng (electron)
triode.

4.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CHÙM TIA
Hệ thống vận chuyển chùm tia bao gồm 3 yếu tố riêng biệt, mỗi một
yếu tố đều sử dụng các điện trường để khống chế quãng đường của chùm
tia khi chúng đi qua ống tăng tốc và được phân bố trên đầu máy điều trị.
Chùm electron phải được "lái" xuyên qua một nòng ống hẹp của buồng
tăng tốc và phải giữ sao cho càng gần với trục của ống càng tốt. Chùm
electron còn phải được hội tụ, ngăn ngừa sự phân kỳ và được duy trì ở tiết
diện hẹp. Rồi cuối cùng nó được "uốn" sao cho sẽ đập vào một bia (để phát
N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

24


chùm tia - X), hoặc thoát ra một cửa sổ mỏng trong hệ chân không (thu
được chính chùm electron đó điều trị).
4.2.1. Các cuộn lái tia
Các electron khi đi qua buồng tăng tốc, dưới ảnh hưởng của các điện
trường sóng cao tần sẽ không chuyển động một cách chính xác dọc theo
trục được, bởi vì có dự không hoàn hảo về cấu trúc giữa buồng tăng tốc và
súng electron, và vì tác động của các điện từ trường ngoài (như từ trường
trái đất, các phần cấu trúc khác của các thiết bị, thậm chí của các công
trình xây dựng v.v..)
Do ảnh hưởng của những tác động đó, chùm electron phải được lái
một cách chủ động qua hệ thống và điều này được thực hiện bằng các sử
dụng 2 cuộn dây lưỡng cực vuông góc, tạo thành các cặp cuộn lái tia và
xắp xếp như hình 16. Sau khi các electron đã được gia tốc gần đạt đến
năng lượng cực đại, thì một cặp cuộn lái tia thứ 2 được sử dụng để hướng
chùm tia một cách chính xác vào bia tia-X (hoặc cửa sổ electron).

Cả hướng và vị trí của chùm electron, khi nó đập vào bia tia-X một
cách mạnh mẽ, sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố liều lượng trong chùm tia. Để
đạt được sự ổn định của sự phân bố liều lượng này, thì nguồn cung cấp cho
các cuộn lái tia phải đạt đến giá trị tối ưu, sau đó được khống chế một cách
liên tục bằng những tín hiệu chuẩn, lấy từ một số phần tử cảm biến đặc biệt
ở trong trường bức xạ. Nguyên lý này được điều khiển bằng một bộ khống
chế ngoài - gọi là "servo control" để điều chỉnh sự không đồng nhất của
chùm tia.

Hình 16. Bố trí của các cuộn lái tia quanh buồng tăng tốc.

N. X. K.

Nguyªn lý M¸y Gia tèc & nh÷ng khÝa c¹nh VËt-lý trong X¹ trÞ Ung th­

25