一种用于医疗加速器栅控电子枪阴极的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:王小霞

  介绍一种用于移动术中放疗电子直线加速器中栅控电子枪阴极的设计、研制、发射性能测试及其在该加速器中的应用情况。基于栅控电子枪低蒸发、高可靠、长寿命的设计要求,研制出了钨基底平均孔度为21.6%、浸渍311 主要单一相铝酸盐、覆Os-W 膜浸渍覆膜钡钨阴极。测试结果表明: 该阴极在工作温度950℃,直流发射电流密度5.8 A/cm2 ,在1000℃,脉冲宽度10 μs,脉冲发射电流密度24.1 A/cm2 ,工作温度950℃,直流支取3.0 A/cm2, 14000 h 寿命发射稳定。该阴极制备栅控电子枪在医疗加速器中获得成功应用。

  术中放疗(IORT) 就是在手术中切除恶性肿瘤组织后,对于非根除性肿瘤,术中给予肿瘤和残留病变及可能产生转移、复发部位一次性大剂量照射。术中显露的组织血供应良好,因此对放疗更加敏感。对不能切除或不能完全切除的肿瘤可以起到有效的姑息作用,明显提高患者生存率和生存质量,清楚微小转移灶降低瘤床肿瘤残存的机会。移动术中放疗加速器就是能在手术过程中把放疗设备移动进入手术室,治疗完后移走的放射治疗系统。

  加速管是移动术中放疗电子加速器的核心部件,它将磁控管或速调管产生的大功率微波能量转换为高能量的电子束,电子束再轰击靶产生X 射线,利用X 射线或直接用电子线对病灶区进行辐照治疗,杀死病灶细胞组织,达到治疗作用。电子枪是加速管的心脏,为加速管中提供电子束,在几万伏的脉冲高压下,向靶材方向发射电子束。在加速器工作过程中,电子枪发射出具有一定能量、一定流强、一定束流直径和发射角的电子束流注入到加速管中。该电子束的方向和强度可以通过调节电子枪结构控制。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为电子注参量的好坏,直接影响到加速管输出射线品质的好坏。

  电子枪一般由电子的发射极—阴极、电子注形状的成形极—聚焦极和电子的加速引出极—阳极三部分组成。栅控电子枪是在二极电子枪设计中设置比阳极更接近阴极的栅极来控制注电流,达到以小的功率控制大的注电流的电子枪。

  阴极是电子枪的关键部件之一,它决定电子枪的发射能力和寿命。加速管电子枪阴极要求具有足够的发射电流密度、较长寿命及较高的工作可靠性,而栅控电子枪除了上述要求外还要求阴极具有较低的蒸发率及较低的阴极工作温度。在栅控电子枪工作过程中,阴极蒸发率越大,蒸散到栅极上的活性物质Ba 就越多。阴极工作温度越高,离阴极只有零点几毫米距离的栅极的温度也会随之升高,栅极表面活性Ba 的增多及温度的升高将导致栅发射电流急剧增大,栅发射越大电子枪失效的可能性就越大。本文主要介绍用于医疗加速器栅控电子枪的一种低温、高可靠、长寿命覆膜浸渍钡钨阴极的设计、研制,测试了该阴极的发射性能,并采用该阴极制备栅控电子枪在放疗加速器上进行调试。

  1、医疗加速器栅控电子枪阴极的设计

  钡钨阴极是由能产生金属Ba 的活性物质和作为载体的钨海绵体组成。覆膜钡钨阴极的结构如图1 所示,主要由钨海绵基体、发射材料及覆膜层组成。它的工作机理是: 发射材料中还原出来的Ba沿着钨海绵的小孔道不断扩散到阴极表面,形成钡的单原子层,从而得到以钨为基底的Ba-O-W 型体系降低钨基体的逸出功,获得大的发射电流密度。而阴极工作期间Ba 的损耗可以得到基体钨海绵中含Ba 发射材料源源不断的补充,可以长时间地维持高的发射电流密度。覆膜层的作用: 一是由于铂族金属具有富集氧的特性,氧对Ba 的化学吸附使得铂族金属膜表面富集了含Ba 的发射体;二是由于覆膜层表面多孔的微观结构在阴极激活后形成柱状蜂房结构的发射面,从而增加了阴极表面钡浓度及空间分布的均匀性,使得阴极表面有效发射面积扩大,降低阴极表面的整体逸出功,提高阴极发射电子的能力。由于铂族属的晶体结构不同,从而对BaO 的吸附作用引发的逸出功的变化不一样,所以铂族金属覆膜阴极性能存在差异。因此,影响覆膜浸渍钡钨阴极发射性能的主要因素为钨海绵基体、发射材料及覆膜层。

覆膜钡钨阴极结构图

图1 覆膜钡钨阴极结构图( 右为局部放大示意图)

  1. 1、钨海绵基体

  钨基体是Ba 的载体和通道,所以它的孔度( 空隙体积与钨海绵体体积之比) 和孔的直径以及均匀性都影响到阴极的发射能力、钡的蒸发率、寿命及抗中毒能力。一般来说,阴极孔度越大发射物质浸渍越多阴极的发射能力越大,但孔度太大阴极的蒸发率也随之成倍增加。图2 给出了阴极温度为1050℃,浸渍411 铝酸盐钡钨阴极蒸发率随钨基体孔度的变化,从图中很明显看出,当钨基体孔度从12%增加到26% 时,阴极蒸发率增加了10 倍以上,而当孔度超过24% 时,蒸发率随孔度变化从线性增加过渡到指数增加,所以,除非特殊需要,一般钡钨阴极都选择24% 以下的孔度的钨海绵。而本文中研制阴极为栅控电子枪阴极,要求阴极蒸发率越低越好,所以选择较低孔度的钨海绵。由于太小孔度( 一般小于18%) 的钨海绵在发射物质的浸渍方面会增加工艺难度,在寿命过程中也易引起活性物质Ba 通道的堵塞,阴极中毒时也需要更长的时间重新激活,所以本文设计20% ~ 22% 孔度的钨海绵作为阴极的钨基底。

基体钨海绵孔度与阴极蒸发率的关系

图2 基体钨海绵孔度与阴极蒸发率的关系

  1. 2、发射材料( 活性物质)

  钡钨阴极的发射源是BaO 及其所产生的活性Ba,阴极在进入真空器件之前如何保护碱土氧化物不变质是解决浸渍钡钨阴极发射性能的关键,为此目的发展了铝酸盐、钨酸盐、钪酸盐等各种钡的难融盐。由于用铝酸盐制成的钡钨阴极激活时间短、表面发射较均匀、发射稳定、有一定的耐离子轰击能力、寿命长,而且阴极制备工艺稳定、易成型等特点,因此铝酸盐钡钨阴极在真空器件中得到最为广泛的应用。铝酸盐的发射性能( 所制备阴极的发射、蒸发、寿命) 与制备铝酸盐的原始配比( BaO:CaO:Al2O3) 及烧结后铝酸盐的相成分有关。常见的铝酸盐配比主要有612、512、532、311、411 等,这些配比的铝酸盐制备的阴极性能各具特色。总体来说,配比中BaO 的含量越大,阴极发射电流越大,但阴极蒸发率同时也会增加,而CaO 的增加会大大降低阴极的蒸发率,但阴极的发射电流也会随之下降,具体选择哪种配比的铝酸盐根据实际需要而定。同一配比的铝酸盐烧结合成盐的相成分也会影响阴极的性能。根据的前期研究结果,相同配比的主要相为Ba5CaAl4O12的铝酸盐具有较好的发射、蒸发及寿命综合性能。结合医疗加速器栅控电子枪低工作温度、低蒸发、高可靠的的特点,因此,本文设计311主要相为Ba5CaAl4O12的铝酸盐作为该阴极的发射材料。

  1. 3、覆膜层

  在铝酸盐钡钨阴极表面蒸上一层Os、Ir 或Re 膜,能使发射电流显著增加几倍。因此,在发射能力和抗中毒能力相近的情况下,同不覆膜阴极相比,覆膜阴极的工作温度约降低100℃ ,于是蒸发率也相应降低约一个数量级。覆膜层成分、膜层厚度及膜的均匀性、致密度都会影响覆膜钡钨阴极的性能。覆膜层的成分主要有Os、Ir、Ru、Re 单元膜,Os-Re、Os-W、Os-W-Re等合金膜,合金膜在一定程度上改善了阴极支取大电流时由于膜层与钨基底互扩散而导致发射性能衰减的问题。膜层厚度主要影响阴极发射性能及寿命,当膜层厚度大于0.3 μm 时,阴极发射性能稳定,而当膜层厚度超过0.6 μm 后,阴极活性急剧下降。相对于大功率微波器件,医疗加速器栅控电子枪阴极发射电流要求并不是很高,脉冲发射10A/cm2左右,考虑到阴极长寿命及高可靠,本文设计0.3 ~ 0.5 μm 的Os-W 膜层作为阴极覆膜层。

  3、结论

  基于移动术中放疗加速器医疗加速器对栅控电子枪工作电压高、束流大、高可靠性的要求,本文主要对一种18 MeV 加速管栅控电子枪阴极进行了设计并研制。设计出适合该栅控电子枪阴极的钨海绵孔度、铝酸盐成分及相结构及膜层成分及厚度,研制出钨基底平均孔度为21.6%、浸渍311 主要单一相铝酸盐、覆Os-W 膜浸渍覆膜钡钨阴极。该阴极在工作温度950℃,直流发射5.8 A/cm2,1000℃,脉冲宽度10 μs,发射电流密度24.1 A/cm2,脉冲宽度100 μs,发射电流密度18.8 A/cm2。寿命初期试验表明该阴极在950℃,直流支取3 A/cm2的电流密度,寿命近14000 h 发射基本稳定,试验还在继续。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为采用该阴极制备18 MeV 栅控电子枪已装入广东中能移动术中放疗加速器中进行调试,性能完全满足加速器设计要求,并且工作稳定可靠。

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