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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.
Các thành phần chính lắp đặt trong cấu trúc khung cố định máy như sau: 1.1 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.2 Ống dẫn sóng: mang nguồn công suất vi sóng tới cấu trúc gia tốc trong giàn thân máy quay. 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. 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.3 Các thành phần chính trong giàn thân máy quay: 1.1 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.2 Súng điện tử: Cung cấp nguồn electron đưa vào ống dẫn sóng.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.4 Đầu máy điều trị: gồm các thiết bị định dạng và kiểm soát chùm tia theo mục đích điều trị.4 Chi tiết các thành phần chính của hệ thống máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần Magnetron: 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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. 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.
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.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.2a : Mô hình ống gia tốc 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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.2b: Minh họa chuyển động sóng đứng 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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.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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Magnetron Bộ chuyển 4 cổng RF Circuit Ống dẫn sóng vi ba Bộ khớp xoay Hình 1.3a :Vị trí mạch RF trong máy gia tốc tuyến tính.3b :Bộ chuyển 4 cổng. 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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.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.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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.5 Súng điện tử Có hai loại súng điện tử được sử dụng làm nguồn điện tử trong các máy gia tốc xạ trị: diode và triode.