MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ UNG THƯ

Năng lượng mà cácelectron 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 Bộ cung cấp năng lượng và đ

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 loạithiết bị chủ yếu tại nhiều trung tâm xạ trị Về nguyên tắc, không có giớihạn 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 củachùm 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 độchính xác cao

8 Vì việc điều trị thường luôn phải kéo dài trong một số buổi, qua mộtvài 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 vụđược số lượng lớn bệnh nhân khi đã chi ra một khoản tiền rất lớn

Các máy gia tốc sử dụng trong lâm sàng ngày nay được kế thừa sựnghiên 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 nhữngthiết kế hoạt động khác nhau Dù có những khác nhau về kiểu dáng cấutạo, song nhưng nguyên tắc yêu cầu trong điều trị nêu trên luôn được tuânthủ

Tuy nhiên, về mặt công nghệ gia tốc cơ bản là không thay đổi trongnhững năm qua, nhưng có những thay đổi mang tính nhảy bậc trong ứngdụng là công nghệ tin học được sử dụng vô cùng hữu hiệu để kiểm soátliều lượng, thay đổi kích thước, hình dạng các chùm tia, trong việc điều trịtừng bệnh nhân

Công tác đo và chuẩn liều bức xạ trong điều trị cũng được cải tiến vànâng cao độ chính xác theo tiêu chuẩn quy định chung của quốc tế Tất cảđều 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 củathiết 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 lắptrên thân máy - đó là tổ hợp phát sóng siêu cao tần và điều biến tần số phátxung

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

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.

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 giatốc Các mũi tên chỉ sự tương tác qua lại của các bộ phận chức năng vớinhau Ngoài ra, một số bộ phận phụ khác không thể hiện trong hồ sơ gồmcó: tổ hợp điều khiển máy, hệ thống khóa liên động, hệ thống làm nguội vàchân 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

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 cácelectron có vận tốc cao được phun vào ống dẫn sóng tăng tốc cùng mộtthời 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 cácelectron 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

Bộ cung cấp năng

lượng và điều biến

xung

Nguồn cung cấp sóng siêu cao tần

Chùm Tia

không đổi của nguồn sóng cao tần Ngay cả những máy gia tốc năng lượng

thấp, thì công suất đòi hỏi cũng đến vài Megwatts (MW), nhưng vì yếu tốsinh nhiệt và những hạn chế khác mà các nguồn sóng cao tần công suấthiện nay không thể hoạt động được ở mức công suất lớn một cách liên tục,

và cũng không thể làm nguội ống dẫn sóng để tránh tiêu phí năng lượng

được Tuy nhiên nếu được tạo thành xung thì công suất cao, thì năng lượng

trung bình có thể chấp nhận được để cung cấp cho các xung electron vànhững xung này có thể được gia tốc đến năng lượng cần thiết Độ dài xung

Repetition Frequency) là 250Hz

Chùm electron được gia tốc có xu hướng bị phân kỳ, một phần do lựctương tác (lực đẩy) Coulomb, nhưng chủ yếu là do lực điện trường trong

cấu trúc ống dẫn sóng có thành phần xuyên tâm Tuy nhiên sự phân kỳ này

có thể khắc phục và các electron được hội tụ trở lại theo quỹ đạo thẳng khi

ta sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục Điện trường này là do cáccuộn dây nam châm cung cấp và đương nhiên phải đồng trục với ống dẫnsóng Ngoài ra còn có các cuộn lái tia phụ được sử dụng để dẫn chùmelectron sao cho khi xuất hiện từ ống tăng tốc sẽ chuyển động theo đúng

hướng và vị trí yêu cầu Các hệ thống lái tia & từ trường hội tụ được chỉ ra

trong hình 2

Khi máy được sử dụng theo chế độ phát tia-X, thì chùm electron đượchướng vào 1 bia, ở đó các electron bị hãm lại và phát ra tia-X bằng hiệu

ứng Bremstralung Trên đầu máy điều trị gồm có một số bộ phận kiểm soát

liều lượng, tạo hình dạng và sự đồng đều chùm tia theo mục đích điều trị.Các detector kiểm soát liều lượng cũng là một trong những thành phần của

hệ thống an toàn trong chuỗi khoá liên động

Khi chùm tia electron được sử dụng trực tiếp cho điều trị, nó được phát

ra từ một hệ chân không, qua một cửa sổ nhỏ vào đầu máy điều trị, và tại

đó được tán xạ hay quét theo từ trường để tạo ra các diện rộng theo yêu

cầu các trường chiếu trong điều trị Chùm electron được kiểm soát giống

như chùm tia-X trên đầu máy điều trị

Một số máy gia tốc được thiết kế riêng cho việc phát các chùm tia-X,

đa số các máy khác là loại 2 mục đích với đầu máy có thể phát ra 2 loại

bức xạ, tia -X hoặc electron Trong trường hợp này, thiết bị được thiết kế

đặc biệt cả về điện lẫn cơ khí để cho phép thay đổi từ phương thức điều trịnày sang phương thức điều trị khác

Đầu máy còn được lắp đặt một số thiết bị như hệ thống đèn báo kíchthước và hướng chùm tia, thước khoảng cách (cơ khí và quang học), gương

phản xạ phục vụ công tác đặt bệnh nhân v.v Đối với phương thức điều trịbằng chùm electron, đầu máy còn được lắp thêm các applicator phụ vàocollimator

Trong quá trình hoạt động, bia phát tia-X phải được làm nguội Việc

quan, còn nước được làm nguội ra ngoài không khí (trong một số trườnghợp 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 chùmtia bức xạ với nhau

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

H ình 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

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 tiaphù hợp với tư thế bệnh nhân trong điều trị được chỉ ra trên hình 3 Đơngiản nhất của một trong 3 cách này (hình 3 trên) là ống dẫn sóng được cấutạo sao cho trục trung tâm của chùm tia điều trị trùng với trục chuyển động

của chùm electron Nói cách khách, các electron được tăng tốc có thểchuyển 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 độngquay, cần máy được gắn ống dẫn sóng và điều trị Nếu khoảng cách giữacần máy và trục trung tâm của chùm tia điều trị ít nhất bằng một nửa chiềudài bệnh nhân thì chùm tia bức xạ có thể hướng đến bất kỳ một vị trí nàocủa 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 trụcquay 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 hỏichùm electron từ ống dẫn sóng phải uốn một góc 90o (hoặc 270o) lên biatia-X hay cửa sổ nhỏ bằng một từ trường uốn Một số máy có cấu tạo ốngdẫn sóng loại này Đặc điểm của thiết kế này là làm cho khả năng giữ đượcbán 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 thườngđược 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 độdòng 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 đồngthời tại thời điểm bắt đầu xung sóng cao tần và vì thế năng lượng là mộthằng số của xung và tỷ lệ với P Tuy nhiên, ở một số máy năng lượngcao, công suất sóng cao tần dư thừa tại thời điểm cuối gia tốc sẽ được phảnhồi lại theo pha để làm tăng thêm công suất lối vào, và do đó làm tăngthêm công suất trong ống dẫn sóng theo các bước phù hợp với thời giantạm nghỉ của vi sóng qua buồng tăng tốc và các (yếu tố) phần tử phản hồi

1 Để ổn định sự hoạt động, tần số phải được điều chỉnh một cách rất

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 giớihạn tối ưu Đây là giới hạn chấp nhận được khi thiết bị sử dụng chùmelectron vì dòng electron được tăng tốc chỉ cần một lượng rất nhỏ so vớiyêu cầu trong chế độ dòng phát tia-X Nói cách khác, tần số vi sóng khácnhau có thể được sử dụng để lựa chọn các mức năng lượng khác nhau củaelectron 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 điềukiện 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 khoảngthời 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 sửdụng loại súng điện tử 3 cực Kết quả là electron tăng tốc sẽ chỉ diễn ratrong 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 làmviệc ở tần số nhất định Năng lượng của các electron được gia tốc phụthuộc 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 đópha 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 cóthể được sử dụng để thay đổi năng lượng của electron Tuy nhiên, các máygia 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), thìviệc làm tăng phổ của nó sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng trong việc lái

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 thểthực hiện hiện bằng bộ chuyển đổi năng lượng vi sóng để giảm điện trườnggia tốc ở phần năng lượng cao của ống dẫn sóng Tại vùng này, biên độcủa các sóng đứng sẽ được giảm, nhưng các electron đang chuyển độngvới một tốc độ tương đối sẽ vấn tiếp tục đến mỗi khoang (cộng hưởng) vớipha 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 trườngtrung bình sẽ tác động vào một electron và vì thế năng lượng đã nhận đượckhi 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 củachùm electron tăng, vì thế năng lượng electron sẽ giảm đi

Sự phụ thuộc của năng lượng vào cường độ dòng của chùm là quantrọng nhất, khi những dòng lớn các electron được sử dụng để tạo ra cácchùm 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

tia-X 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 đườngcong hình 4

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 liềuyêu cầu trong điều trị thường ở mức 200 - 500 cGy/phút tại khoảng cách1m Vì bức xạ được phát ra dưới dạng các xung ngắn, từ 2 - 4 µs, côngsuất trung bình của chùm tia được xác định bằng cường độ dòng của chùmelectron 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 mỗixung lên đến hàng trăm miliampe (mA)

Sự khác nhau lớn giữa cường độ dòng của chùm electron có thể gây ranhững 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 giờđược 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 nhiềuhãng sản xuất khác nhau, qua nhiều năm kinh nghiệm về thương mại, buônbán, rõ ràng là không có loại máy nào vượt trội hơn loại máy nào Vì cácmáy 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 ởmức 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

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 đầykhác 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 làđiều phải cân nhắc khi lựa chọn mua thiết bị Cả hai loại sóng đứng vàsóng ngang đều đem đến cùng hiệu quả ứng dụng

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 cấutrúc ghép nối này không thể tuyệt đối kín khít, do vậy toàn bộ hệ thốngphải đặt trong thùng chân không Mà việc dùng thùng chân không ngoài làmột điều bất lợi cả về kích thước lẫn trọng lượng Ngoài ra, điều bất lợinữa là khó tránh được dòng cao tần sinh ra tại các vách ngăn Tất cả nhữngbất 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 tùytheo yêu cầu năng lượng của electron

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 hệthống phát sóng cao tần luôn hoạt động ổn định theo công suất đặt ra Đốivới các máy gia tốc dùng trong nghiên cứu, hoạt động với công suất rấtcao, 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 phátsóng cao tần hoặc là Magnetron, hoặc là Klystron Với năng lượng cácchùm electron khoảng 10 Mev, thì Magnetron hoạt động ở công suất từ 2,5

- 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 Magnetronhay Klystron làm nguồn công suất cho ống dẫn sóng Mà việc lựa chọn chủyếu 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 cóthể 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 caotần công suất vào buồng tăng tốc

năng dưới dạng năng lượng tần số sóng vô tuyến RF Các electron chuyểnđộng 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 đódòng 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 khảnăng tạo ra năng lượng cực đại 2 MW (trung bình 2 MW) dạng xung, với

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" (hình6.7) 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 cáckhoang tạo thành những bó electron và bẫy chúng, được nối với một hệthống (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 tốcnày chuyển động qua ống lái, chúng sẽ được tăng tốc nhanh hơn, sao chotại 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 ốngdẫn 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

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 vớiyêu 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, cònKlystron 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

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 nhiệtcân 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 củathân máy thì tần số phát sẽ phụ thuộc vào hướng quay của bộ phận này Sựphụ thuộc tuy là nhỏ nhưng lại gây ra sự thay đổi đáng kể về tần số, vì ảnh

Vì hai lý do đó, tần số của Magnetron phải được khống chế và điềukhiển 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 đượclựa chọn này phải được khống chế và điều chỉnh với độ chính xác cỡ vàiKHz

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 hệthống được khống chế nhiệt độ bằng một hệ thống nước làm nguội Tần sốtrong 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 ramột tín hiệu lớn hơn khoang có tần số thấp và ngược lại Lối vào của bộ bùtrừ gồm 2 kênh, một kênh khuếch đại xung và một kênh chỉnh lưu Cáckênh 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 bằngviệc 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 xácđịnh được các vị trí của đầu dò để qua đó xác định được các tần số cộnghưởng 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 sốlựa chọn sẽ khống chế năng lượng các chùm electron nên trong thực tế, sựlựa chọn tần số chính là sự lựa chọn năng lượng electron tương ứng Côngsuất ra của mạch này sẽ được sử dụng để khống chế mạch tần số và đượcchuẩn hoá thành các giá trị sai khác nhau cỡ vài KHz trong giải tần đãchọn

Một số motor cỡ nhỏ điều chỉnh đầu dò điều hưởng trong Magnetroncần 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 Điềunày tránh được trạng thái tới hạn của các bộ dao động Bộ phận khống chế

này được gọi là "bộ điều chỉnh tần số tự động" - AFC (Automatic

tạo xung bằng các đầu dò và các bộ đảo pha Bộ đảo pha thường được làmbằng 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 ốngdẫn sóng Bằng việc thay đổi vị trí chất điện môi trong ống dẫn sóng, phacủa 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 tínhiệu điểm cuối phía trái của pha sẽ đối ngược với tín hiệu của điểm cuốiphía 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"

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 đượccấp 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 địnhhướng 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

tạo ra tín hiệu "0" tại lối ra Nếu năng lượng ở lối vào không cộng hưởngvới sóng đứng, bộ so pha sẽ phát ra tín hiệu âm hoặc dương để điều chỉnhmức tần số lối vào bộ dao động đến giá trị cộng hưởng Biên độ độ xung racủa 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 thuđược 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 lượngchùm electron theo ý muốn Tín hiệu từ bộ so pha cũng có thể cho biết tần

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

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 độngcủa bộ điều biến xung trong hệ thống phát cao tần Magnetron Chức năngchủ 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

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 sửdụng 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 vàđiện áp qua nó sẽ dao động tăng gấp 2 lần điện áp cung cấp Khi điện áp

được đốt nóng bằng điện áp cao, nó sẽ phóng điện từ mạch PFN, tạo ra

của hệ PFN Nếu một thành phần điên áp cao trên cuộn thứ cấp của biến ápxung giảm xuống, thì trở kháng trên cuộn sơ cấp sẽ giảm theo Điều này sẽgây ra việc đảo xung điện áp truyền qua PFN Chức năng của "diode biến

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 địnhtrước, nó sẽ được sử dụng để ngắt máy phát xung điều khiển Thyratron, và

sẽ bảo vệ được mạch cao áp quá tải

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 khimột xung dương nào đó tác động vào lưới điều khiển của nó Sự dẫn sẽdừng lại khi điện áp Anode, được cấp từ PFN bị giảm xuống thấp hơn

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 chỉnhbằng 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 điệntrở R7 Rv Tín hiệu qua RV được sử dụng để điều chỉnh điện áp xung Khitín hiệu này đạt đến giới hạn đã định, bộ điều biến xung điện áp sẽ tạo mộttrở 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

chu kỳ tiếp sau Giá trị điện áp biến đổi trên PFN có thể được xác lập bằngcách sử dụng biến trở Rv

Việc cung cấp năng lượng cho Magnetron được mô tả trên hình 13

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

IV NGUYÊN LÝ TẠO CHÙM TIA ELECTRON [5]

(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 electronphóng 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 ápcho 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 cóđiện 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 máygia 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 nungtrực tiếp đơn giản nhất là một sợi dây bằng Vonfram xoăn ốc thẳng, bố trí

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 điềuchỉnh cường độ chùm tia Còn khi sử dụng chùm electron, nếu cường độchùm tia nhỏ đến mức không đáng kể thì suất liều được khống chế bằngviệc điều chỉnh cường độ dòng Cả 2 hai cơ chế này có thể thực hiện vớiloại cathode nung trực tiếp Việc điều chỉnh dòng sợi đốt có thể được sửdụng để làm ổn định năng lượng hay suất liều của máy Sự thay đổi cơ chếhoạt động giữa chế độ điều trị tia - X và chùm electron cũng được thựchiện 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 tiếthơn

Việc lựa chọn cathode đốt trực tiếp hay gián tiếp tùy thuộc vào nhucầu, 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 giántiếp có tuổi thọ lâu dài hơn nhiều Trong thực tế sử dụng, tuổi thọ của cả 2loại 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 cathodemới 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 súngelectron và ống dẫn sóng đồng bộ trong một hệ thống và đã được hút chânkhông 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 độchùm electron, và do đó có thể dùng loại cathode nung gián tiếp mà vẫnđảm bảo việc điều chỉnh nhanh cường độ chùm electron

Sự phân bố năng lượng và điều khiển súng electron được minh họatrên 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 nănglượng 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

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 bảorằng 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 sovới đất ở mức điện áp cathode và phải cấp nguồn qua hệ thống biến ápthích 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 mộtyếu 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

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 điệntrường 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 vàsúng 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 láimột cách chủ động qua hệ thống và điều này được thực hiện bằng các sửdụng 2 cuộn dây lưỡng cực vuông góc, tạo thành các cặp cuộn lái tia vàxắp 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 mộtcách 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 cáchliên 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.

4.2.2 Các cuộn hội tụ

Khi các electron được gia tốc qua ống dẫn, chúng luôn có xu hướng bị

phân kỳ Có một thành phần nhỏ xuyên tâm, và mỗi một electron riêng lẻ

đều có cùng điện tích sẽ đẩy nhau Khi các electron đạt đến một xunglượng nào đó thì hiệu ứng phân kỳ ở các lực này sẽ giả đi Lực xuyên tâm

do các điện trường gây ra vẫn không đổi, nhưng xung lương chùm tia tăng

và ổn định hơn làm cho sự phân kỳ giảm dần liên tục Một điều nữa là khi

các electron đạt gần đến tốc độ của lực hấp dẫn từ trường, thì bản thân mỗi

một electron tạo nên chùm tia sẽ chống lại các lực phân kỳ Điện trườnghội tụ được cung cấp bởi một loạt các cuộn dây, và tác dụng của các cuộndây này lên các electron (hình 17) Tuy nhiên, trong thực tế, các cuộn dây(solenoid) không gây ra sự hội tụ tại bất kỳ điểm nào ở bên trong hoặcngoài của bản thân các cuộn dây đó Hình 6.17 chỉ ra 2 electron phân kỳ

trên đoạn chuyển động ban đầu trong trường chuyển động của cuộn dây

Electron ở bên trên sẽ chuyển động theo đường xoắn ốc cùng chiều kim

đồng hồ Cả hai electron này chuyển động cùng pha và cùng tần số quay,

vì vậy sau mỗi một vòng, sẽ có một thời điểm tiếp tuyến với trục và cácelectron sẽ được hội tụ Điểm hội tụ chính xác phụ thuộc vào cường độ

điện trường, vào tốc độ của các electron và sóng cao tần (thành phần liênquan đến điện trường xuyên tâm), và tất cả phụ thuộc vào chiều dài của

buống tăng tốc

Hình 17 Giải thích sự phân kỳ trong trường của cuộn dây.

Các cuộn dây hội tụ đồng trục với ống dẫn sóng và vỏ nước làm nguộicủa nó (đương nhiên phải cấu tạo bằng vật liệu không có từ tính) Điện

trường tăng lên tại phía đầu năng lượng thấp của ống dẫn sóng có thể được

cung cấp bằng cách tăng thêm số vòng dây trên một đơn vị chiều dài tại

đầu này, hoặc tăng số cuộn dây được phân bố trên một hàng dọc theo trục

mỗi cuộn cung cấp cùng một điện trường theo cùng một hướng Trong

trường hợp này, dòng điện trong từng cuộn dây, và do đó điện trường của

nó trong mỗi phần của ống dẫn sóng có thể điều khiển một cách riêng rẽ Với các điện trường lái tia ban đầu, điện trường hội tụ thực hiện 2 chức

năng có liên quan, nó ngăn dòng electron khỏi sự phân kỳ và đập vào ống

dẫn sóng và lái chùm electron theo tiết diện có kích thước như yêu cầu tạimột điểm xác định trong ống dẫn sóng Trị số chính xác của dòng điệntrong các cuộn dây được xác định theo kinh điển và cần phản ổn định rất

cao, đồng thời phải được kiểm soát sao cho máy gia tốc sẽ phải ngắt khi

xảy ra sự quá giới hạn dòng Nếu không sẽ xảy ra sự thay đổi bất thường

về sự phân bố liều lượng bên trong chùm bức xạ hiệu dụng, bởi sẽ có sựxuất hiện ngoài ý muốn các tia-X sinh ra do các electron đập vào buồngdẫn sóng

4.2.3 Các phương pháp uốn chùm tia

Đối với các máy gia tốc hoạt động với các mức năng lượng electron lớnhơn 6 Mev, thì ống tăng tốc không thể bố trí với trục trung tâm của chùmtia điều trị Vì nếu làm như vậy, sẽ làm cho máy cấu tạo với độ cao củađiểm đồng tâm không thể chấp nhận được Giải pháp ở đây là cần phải lắp

của cần máy, để cho chùm electron phải được uống đúng vào bia tia-Xhay cửa sổ chùm electron Có nhiều cách thực hiện vấn đề này, song nói

chung đều nằm trong 3 loại góc uốn chủ yếu dưới đây

Góc uốn 90 o

Thuật ngữ "góc uốn 90o" không thực hiện theo đúng nghĩa đen của nó,

mà được sử dụng để mô tả sự uốn chùm tia với bất kỳ góc nào gần giới hạn

(a) (b)

(b): Vuông góc với quỹ đạo electron

Các electron xuất hiện từ ống tăng tốc, đi vào ống dẫn sóng và vào một tổ

photon, thì từ trường lưỡng cực này có thể là một nam châm vĩnh cửu,

nhưng thông thường một điện trường cho phép sử dụng với các mức nănglượng khác nhau của electron Cường độ từ trường được lựa chọn để uốn

một cách chính xác chùm electron theo yêu cầu của năng lượng giữa ốngdẫn sóng và trục chùm tia điều trị Bán kính cong của chùm tia hoạt động

như một phổ kế năng lượng Năng lượng của các electron càng cao thì phổ

càng nhỏ hơn đối với các electron năng lượng thấp Do vậy cần phải giữ ổn

định cho cả điện trường và năng lượng electron một cách thật chính xác

Trên hình 19 cho thấy nếu một electron chuyển động theo quãng đường dài

hơn, sẽ bị uốn cong nhiều hơn (đường chấm chấm) trong điện trường, còn

electron chuyển động theo quãng đường ngắn hơn sẽ bị uốn cong ít hơn

(đường liền nét)

Hai electron được minh họa (hình 6.19 trên) sẽ được hội tụ tại một điểm

mà chúng sẽ rời hệ từ trường và chuyển động theo các đường phân kỳ Cho

nên, điều quan trọng là phải luôn luôn đảm bảo sao cho chùm tia được lái

một cách chính xác vào buồng uốn cong, đúng theo cả vị trí và hướng

Góc uốn 270 0

Mục đích của hệ thống uốn chùm tia một góc 270o là thực hiện việc láichùm electron một cách lý tưởng khi đập vào bia (tia- X) hay qua cửa sổ

(chùm tia electron) cùng một điểm, cùng một hướng và độc lập với năng

lượng của chúng Hình 19 (dưới-b) minh họa một trong những mô hình hệ

thống uốn 270o của Enge chế tạo năm 1963

Ở đây, chùm electron chuyển động theo cùng một đường trong điệntrường được cung cấp bởi một nam châm điện (hình 19, dưới-b)

Khi một electron chuyển động trong điện trường nó sẽ đi theo đườngcong và độ uốn cong phụ thuộc vào năng lượng của nó và cường độ điện

trường đó Điện trường và quỹ đạo các electron đối xứng nhau qua đuờng

AB (hình 19 dưới-a) Trong nửa quỹ đạo đầu tiên, tất cả các electron bịlệch đi 135o, nhưng tán xạ dọc theo AB, tùy theo năng lượng của chúng

Trong nửa quỹ đạo sau, các electron đảo vị trí trong điện trường làm lệch

để xuất hiện trên cùng một điểm và chuyển động theo cùng một hướng

Sự thay đổi về cường độ điện trường được lựa chọn sao cho toàn bộ quỹ

đạo phải có cùng hình dạng để cho các electron với bất kỳ năng lượng nào

cũng sẽ qua trên các quỹ đạo qua mặt phẳng giữa của khoảng trống nam

châm Nói cách khác, điện trường có tác dụng hội tụ chùm tia tại mặt

phẳng trung tâm (hình 19, dưới- b)

Góc uốn 112.5 o

Cả 2 hệ uốn (90o và 270o) vừa nêu trên đều không phải là lý tưởng Hệuốn 90o thì tán xạ, còn hệ 270o thì cần phải cần độ cao tăng lên của đầumáy thì mới giải quyết được vấn đề này

Hệ thống uốn 112,5o (như hình 20) khắc phục được 2 hạn chế nêu trên

Hệ thống này gồm có 3 phần mà các electron sẽ đi qua và được uốn Phầnthứ nhất làm lệch các electron một góc 45o và đóng vai trò như một khối

phổ kế: các electron có năng lượng lớn hơn sẽ được làm lệch một góc nhỏ

góc lớn hơn 45o Sau đó, các electron sẽ đi vào hệ thống uốn thứ hai và

cũng được làm lệch 45o, nhưng theo hướng ngược lại Trong quá trình này

các electron sẽ bắt đầu được hội tụ Phần uốn cuối cùng với một góc 112,5o

sẽ hoàn thiện việc hội tụ năng lượng, sao cho toàn bộ các electron sẽ xuấthiện tại cùng một điểm và chuyển động theo cùng một hướng

Hệ thống uốn này được gọi là uốn hình "chữ chi" (Slalom) Chùm tia

4.3 HỆ THỐNG HOÀN CHỈNH GIA TỐC CHÙM ELECTRON

Hình 21 Sơ đồ khối của hệ thống máy gia tốc hoàn chỉnh.

Hình 6.21 là sơ đồ khối về hệ thống hoàn chỉnh của máy gia tốc Một

Magnetron điều khiển hệ sóng ngang với nguồn cung cấp sóng cao tần

tuần hoàn qua 4 hệ thống ghép ngoại vi Bộ điều biến Magnetron được

điều khiển để tạo ra tần số vi sóng và tối ưu trong ống dẫn sóng

V ĐẦU MÁY ĐIỀU TRỊ

Hình 22 mô tả đơn giản mô hình của một máy điều trị Collimator sơcấp thường được cấu tạo bằng khuôn thép bọc chì hay một loại hợp kimbằng đồng, Vonfram hoặc bằng kim loại nặng Đôi khi người ta còn dùnguran nghèo làm chất bảo vệ phóng xạ

Bộ phận lọc phẳng chùm tia, tức là tạo sự phân bố liều lượng đồng nhấtcủa chùm tia-X được lắp tại phía cuối của collimator sơ cấp Hệ thốngkiểm soát chùm tia (Monitor) cũng được lắp cố định tương ứng Hệ thốngkiểm soát chùm tia là một cặp buồng ion hoá để kiểm soát liều lượng, và

sự phân bố liều lượng trên một trường chiếu Loại đầy máy này có bia

tia-X, collimator sơ cấp, bộ phận lọc phẳng trường chiếu và hệ thống kiểm

soát chùm tia có thể được lắp cố định và vững chắc trên khung chính củamáy gia tốc Các thành phần chính của đầu tia-X, gồm các collimator xác

định hình dạng chùm tia có thể tháo, lắp được Các bộ giá đỡ lọc nêm, hệ

thống ánh sáng trường chiếu cần lắp đặt để có thể quay quanh trục trungtâm của chùm tia Toàn bộ những chi tiết đó được bố trí trong một khung

cố định trên một cấu trúc quay với vòng bi lớn

Những collimator xác định chùm tia tháo lắp rời cũng được làm bằngchì, Vonfram hay hợp kim có mật độ tương đương và được sắp xếp theocặp sao cho các mặt phía trong của chúng chiếu lên mép của bia để làm

giảm kích thích vùng bán dạ Hệ thống này sẽ xác định một giới hạn thay

đổi liên tục của các trường chiếu vuông góc, mà kích thước cực đại củatrường chiếu được xác định bởi hình nón bên trong của collimator sơ cấp Kích thước hình học của vùng bán dạ có liên quan đến kích thước của

nguồn tia-X (điểm tiêu cự), thường vào khoảng 2mm Để giảm đến tốithiểu kích thước vùng bán dạ của chùm tia-X, các collimator xác địnhchùm tia càng gần với mặt da bệnh nhân càng tốt Nhưng cũng phải đảmbảo đủ khoảng trống từ mặt cuối collimator (cũng như các phụ kiện khác

có liên quan) đến da bệnh nhân Trong thực tế điều trị khoảng trống nàyđược yêu cầu từ 50 – 60 mm

Hình 22 Đầu máy điều trị và hướng chuyển động thẳng của chùm electron

5.1 Bia tia-X

Đối với mỗi mức năng lượng cho trước của electron thì phổ phát xạ

photon (tia-X) phụ thuộc vào số nguyên tử và bề dày của bia Độ dày của

bia được thể hiện bằng tầm chuyển động của electron bên trong bia Nănglượng photon trung bình sẽ lớn hơn trong trường hợp bia mỏng, vì nănglượng trung bình của electron tương tác do bức xạ hãm sẽ lớn hơn so với

quá trình xảy ra trong bia có độ dày lớn hơn, song suất liều của chùm tia

-X lại nhỏ hơn Tác giả có tên Podgorsak và cộng sự (1975) đã tiến hànhnhiều thí nghiệm về phẩm chất chùm tia và suất liều tương ứng trên cácloại bia bằng những vật liệu khác nhau và đã kết luận rằng, đối với cácmức năng lượng electron đến 10 Mev thì một bia dày làm bằng Vonfram

Còn nếu năng lượng chùm electron lớn hơn, thì vật liệu bằng nhôm thường

được sử dụng để làm bia

5.2 Collimator sơ cấp và các Collimator xác định chùm tia

Độ dày của vật liệu che chắn thường làm bằng hợp kim pha chì và

những kim loại khác Độ dày thực tế của vật liệu được xác định bằng kinhnghiệm Sự sắp xếp cơ khí là khá phức tạp, vừa sao cho không làm giảm

chùm tia và đáp ứng mọi chuyển động của đầu máy, vừa không gây ra

vùng bán dạ phụ Vị trí của collimator phải đảm bảo độ chính xác tuyệt

đối Cần lưu ý rằng mặc dù mỗi collimator đều được gắn trong đầu máy,thường cách bia khoảng 35-40 cm, nhưng vị trí collimator được xem là vị

trí của hình chiếu của collimator lên mặt phẳng đồng tâm cách bia 100 cm

Để linh hoạt hơn, người ta sử dụng việc điều chỉnh các vị trí của từng

cặp trong 4 khối của collimator một cách độc lập nhau Mỗi một khối cóthể dịch chuyển từ trục trung tâm đến vị trí mở xa nhất, cách trục trung tâm

đến 20cm Việc thiết kế các collimator hoạt động độc lập nhau thườngkhông tương thích với những bộ phận làm chuẩn vùng bán dạ khi có những

liên kết cơ học của bộ phận này Việc áp dụng phổ biến nhất của các

collimator độc lập để tạo ra các trường chiếu một nửa (diện tích) hay 3/4

khi có một hay 2 mép của chùm tia trùng với trục của chùm tia Khi không

có sự phân kỳ của chùm tia dọc theo trục đó, ta có khả năng làm trung khítcác chùm tia từ các hướng khác nhau mà không cần phải quan tâm đến sựche khuất của chúng

5.2.3 Loại collimator đa (nhiều) lá (MLC)

Việc tạo ra các chùm tia bức xạ có hình dạng tùy ý (không phải làvuông góc) là cần thiết trong thực tế điều trị, để sao cho thể ích khối u

được chiếu xạ tập trung và giảm tối thiểu cho các mô lành xung quanh

Mặc dù hình dạng chùm tia khi sử dụng các khối che chắn đều dắn có ởhầu hết các máy điều trị, song việc tạo hình dạng tự động cho các chùm tia

là yêu cầu cao hơn đối với các máy hiện đại Hệ thống collimator đa lá

(MLC) đã được chế tạo để đáp ứng yêu cầu đó, (Jordan và Williams

-1994)

Hình 23 mô tả một cách đơn giản hệ MLC, nó gồm có 2 dãy nhiều láchuyển động đối xứng qua trục, mỗi một lá có thể định vị một cách độc lập

nhau Các lá có bề dày một cách hợp lý, đủ để bảo vệ còn 1% liều lường sơcấp, các phần tổ chức mô cần che chắn thường thường 7 cm, chiều ngangmỗi lá thường che khoảng 1 cm tại mặt phẳng trung tâm Vị trí chuyển

động và định vị của mỗi lá có độ sai số nhỏ hơn 1 mm Có nhiều cách chế

tạo hệ MLC, song thường là nằm trong 3 loại chủ yếu sau :

•Loại chỉ để làm chuẩn trục chùm tia (ngoài hình nón sơ cấp)

• Loại mà các lá lắp trên hệ ngoài độc lập đối với đầu máy thông

thường

• Loại nhiều lá và collimator phụ thay thế hoàn toàn đầu máy thông

thường

Hình 23 Biểu đồ đơn giản mô tả hệ MLC.

Loại MLC được mô tả ở đây gồm 2 dãy các lá bằng Vonfram và đượclắp bên trong đầu máy điều trị, ngay sát dưới lọc phẳng (filter) chùm tia vàchứa các nêm được điều khiển bằng động cơ, (hình 23) Các lá được điềukhiển bằng từng motor nhỏ, điện áp một chiều

Hình 24 Sơ đồ hệ Collimator gắn trên đầu máy điều trị.