介紹一種用于移動(dòng)術(shù)中放療電子直線加速器中柵控電子槍陰極的設(shè)計(jì)、研制、發(fā)射性能測(cè)試及其在該加速器中的應(yīng)用情況。基于柵控電子槍低蒸發(fā)、高可靠、長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求，研制出了鎢基底平均孔度為21.6%、浸漬311 主要單一相鋁酸鹽、覆Os-W 膜浸漬覆膜鋇鎢陰極。測(cè)試結(jié)果表明: 該陰極在工作溫度950℃，直流發(fā)射電流密度5.8 A/cm² ，在1000℃，脈沖寬度10 μs，脈沖發(fā)射電流密度24.1 A/cm² ，工作溫度950℃，直流支取3.0 A/cm²， 14000 h 壽命發(fā)射穩(wěn)定。該陰極制備柵控電子槍在醫(yī)療加速器中獲得成功應(yīng)用。

　　術(shù)中放療(IORT) 就是在手術(shù)中切除惡性腫瘤組織后，對(duì)于非根除性腫瘤，術(shù)中給予腫瘤和殘留病變及可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)部位一次性大劑量照射。術(shù)中顯露的組織血供應(yīng)良好，因此對(duì)放療更加敏感。對(duì)不能切除或不能完全切除的腫瘤可以起到有效的姑息作用，明顯提高患者生存率和生存質(zhì)量，清楚微小轉(zhuǎn)移灶降低瘤床腫瘤殘存的機(jī)會(huì)。移動(dòng)術(shù)中放療加速器就是能在手術(shù)過程中把放療設(shè)備移動(dòng)進(jìn)入手術(shù)室，治療完后移走的放射治療系統(tǒng)。

　　加速管是移動(dòng)術(shù)中放療電子加速器的核心部件，它將磁控管或速調(diào)管產(chǎn)生的大功率微波能量轉(zhuǎn)換為高能量的電子束，電子束再轟擊靶產(chǎn)生X 射線，利用X 射線或直接用電子線對(duì)病灶區(qū)進(jìn)行輻照治療，殺死病灶細(xì)胞組織，達(dá)到治療作用。電子槍是加速管的心臟，為加速管中提供電子束，在幾萬伏的脈沖高壓下，向靶材方向發(fā)射電子束。在加速器工作過程中，電子槍發(fā)射出具有一定能量、一定流強(qiáng)、一定束流直徑和發(fā)射角的電子束流注入到加速管中。該電子束的方向和強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)電子槍結(jié)構(gòu)控制。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為電子注參量的好壞，直接影響到加速管輸出射線品質(zhì)的好壞。

　　電子槍一般由電子的發(fā)射極—陰極、電子注形狀的成形極—聚焦極和電子的加速引出極—陽(yáng)極三部分組成。柵控電子槍是在二極電子槍設(shè)計(jì)中設(shè)置比陽(yáng)極更接近陰極的柵極來控制注電流，達(dá)到以小的功率控制大的注電流的電子槍。

　　陰極是電子槍的關(guān)鍵部件之一，它決定電子槍的發(fā)射能力和壽命。加速管電子槍陰極要求具有足夠的發(fā)射電流密度、較長(zhǎng)壽命及較高的工作可靠性，而柵控電子槍除了上述要求外還要求陰極具有較低的蒸發(fā)率及較低的陰極工作溫度。在柵控電子槍工作過程中，陰極蒸發(fā)率越大，蒸散到柵極上的活性物質(zhì)Ba 就越多。陰極工作溫度越高，離陰極只有零點(diǎn)幾毫米距離的柵極的溫度也會(huì)隨之升高，柵極表面活性Ba 的增多及溫度的升高將導(dǎo)致柵發(fā)射電流急劇增大，柵發(fā)射越大電子槍失效的可能性就越大。本文主要介紹用于醫(yī)療加速器柵控電子槍的一種低溫、高可靠、長(zhǎng)壽命覆膜浸漬鋇鎢陰極的設(shè)計(jì)、研制，測(cè)試了該陰極的發(fā)射性能，并采用該陰極制備柵控電子槍在放療加速器上進(jìn)行調(diào)試。

　　1、醫(yī)療加速器柵控電子槍陰極的設(shè)計(jì)

　　鋇鎢陰極是由能產(chǎn)生金屬Ba 的活性物質(zhì)和作為載體的鎢海綿體組成。覆膜鋇鎢陰極的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由鎢海綿基體、發(fā)射材料及覆膜層組成。它的工作機(jī)理是: 發(fā)射材料中還原出來的Ba沿著鎢海綿的小孔道不斷擴(kuò)散到陰極表面，形成鋇的單原子層，從而得到以鎢為基底的Ba-O-W 型體系降低鎢基體的逸出功，獲得大的發(fā)射電流密度。而陰極工作期間Ba 的損耗可以得到基體鎢海綿中含Ba 發(fā)射材料源源不斷的補(bǔ)充，可以長(zhǎng)時(shí)間地維持高的發(fā)射電流密度。覆膜層的作用: 一是由于鉑族金屬具有富集氧的特性，氧對(duì)Ba 的化學(xué)吸附使得鉑族金屬膜表面富集了含Ba 的發(fā)射體;二是由于覆膜層表面多孔的微觀結(jié)構(gòu)在陰極激活后形成柱狀蜂房結(jié)構(gòu)的發(fā)射面，從而增加了陰極表面鋇濃度及空間分布的均勻性，使得陰極表面有效發(fā)射面積擴(kuò)大，降低陰極表面的整體逸出功，提高陰極發(fā)射電子的能力。由于鉑族屬的晶體結(jié)構(gòu)不同，從而對(duì)BaO 的吸附作用引發(fā)的逸出功的變化不一樣，所以鉑族金屬覆膜陰極性能存在差異。因此，影響覆膜浸漬鋇鎢陰極發(fā)射性能的主要因素為鎢海綿基體、發(fā)射材料及覆膜層。

圖1 覆膜鋇鎢陰極結(jié)構(gòu)圖( 右為局部放大示意圖)

　　1. 1、鎢海綿基體

　　鎢基體是Ba 的載體和通道，所以它的孔度( 空隙體積與鎢海綿體體積之比) 和孔的直徑以及均勻性都影響到陰極的發(fā)射能力、鋇的蒸發(fā)率、壽命及抗中毒能力。一般來說，陰極孔度越大發(fā)射物質(zhì)浸漬越多陰極的發(fā)射能力越大，但孔度太大陰極的蒸發(fā)率也隨之成倍增加。圖2 給出了陰極溫度為1050℃，浸漬411 鋁酸鹽鋇鎢陰極蒸發(fā)率隨鎢基體孔度的變化，從圖中很明顯看出，當(dāng)鎢基體孔度從12%增加到26% 時(shí)，陰極蒸發(fā)率增加了10 倍以上，而當(dāng)孔度超過24% 時(shí)，蒸發(fā)率隨孔度變化從線性增加過渡到指數(shù)增加，所以，除非特殊需要，一般鋇鎢陰極都選擇24% 以下的孔度的鎢海綿。而本文中研制陰極為柵控電子槍陰極，要求陰極蒸發(fā)率越低越好，所以選擇較低孔度的鎢海綿。由于太小孔度( 一般小于18%) 的鎢海綿在發(fā)射物質(zhì)的浸漬方面會(huì)增加工藝難度，在壽命過程中也易引起活性物質(zhì)Ba 通道的堵塞，陰極中毒時(shí)也需要更長(zhǎng)的時(shí)間重新激活，所以本文設(shè)計(jì)20% ～ 22% 孔度的鎢海綿作為陰極的鎢基底。

圖2 基體鎢海綿孔度與陰極蒸發(fā)率的關(guān)系

　　1. 2、發(fā)射材料( 活性物質(zhì))

　　鋇鎢陰極的發(fā)射源是BaO 及其所產(chǎn)生的活性Ba，陰極在進(jìn)入真空器件之前如何保護(hù)堿土氧化物不變質(zhì)是解決浸漬鋇鎢陰極發(fā)射性能的關(guān)鍵，為此目的發(fā)展了鋁酸鹽、鎢酸鹽、鈧酸鹽等各種鋇的難融鹽。由于用鋁酸鹽制成的鋇鎢陰極激活時(shí)間短、表面發(fā)射較均勻、發(fā)射穩(wěn)定、有一定的耐離子轟擊能力、壽命長(zhǎng)，而且陰極制備工藝穩(wěn)定、易成型等特點(diǎn)，因此鋁酸鹽鋇鎢陰極在真空器件中得到最為廣泛的應(yīng)用。鋁酸鹽的發(fā)射性能( 所制備陰極的發(fā)射、蒸發(fā)、壽命) 與制備鋁酸鹽的原始配比( BaO:CaO:Al2O3) 及燒結(jié)后鋁酸鹽的相成分有關(guān)。常見的鋁酸鹽配比主要有612、512、532、311、411 等，這些配比的鋁酸鹽制備的陰極性能各具特色。總體來說，配比中BaO 的含量越大，陰極發(fā)射電流越大，但陰極蒸發(fā)率同時(shí)也會(huì)增加，而CaO 的增加會(huì)大大降低陰極的蒸發(fā)率，但陰極的發(fā)射電流也會(huì)隨之下降，具體選擇哪種配比的鋁酸鹽根據(jù)實(shí)際需要而定。同一配比的鋁酸鹽燒結(jié)合成鹽的相成分也會(huì)影響陰極的性能。根據(jù)的前期研究結(jié)果，相同配比的主要相為Ba5CaAl4O12的鋁酸鹽具有較好的發(fā)射、蒸發(fā)及壽命綜合性能。結(jié)合醫(yī)療加速器柵控電子槍低工作溫度、低蒸發(fā)、高可靠的的特點(diǎn)，因此，本文設(shè)計(jì)311主要相為Ba5CaAl4O12的鋁酸鹽作為該陰極的發(fā)射材料。

　　1. 3、覆膜層

　　在鋁酸鹽鋇鎢陰極表面蒸上一層Os、Ir 或Re 膜，能使發(fā)射電流顯著增加幾倍。因此，在發(fā)射能力和抗中毒能力相近的情況下，同不覆膜陰極相比，覆膜陰極的工作溫度約降低100℃ ，于是蒸發(fā)率也相應(yīng)降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。覆膜層成分、膜層厚度及膜的均勻性、致密度都會(huì)影響覆膜鋇鎢陰極的性能。覆膜層的成分主要有Os、Ir、Ru、Re 單元膜，Os-Re、Os-W、Os-W-Re等合金膜，合金膜在一定程度上改善了陰極支取大電流時(shí)由于膜層與鎢基底互擴(kuò)散而導(dǎo)致發(fā)射性能衰減的問題。膜層厚度主要影響陰極發(fā)射性能及壽命，當(dāng)膜層厚度大于0.3 μm 時(shí)，陰極發(fā)射性能穩(wěn)定，而當(dāng)膜層厚度超過0.6 μm 后，陰極活性急劇下降。相對(duì)于大功率微波器件，醫(yī)療加速器柵控電子槍陰極發(fā)射電流要求并不是很高，脈沖發(fā)射10A/cm²左右，考慮到陰極長(zhǎng)壽命及高可靠，本文設(shè)計(jì)0.3 ～ 0.5 μm 的Os-W 膜層作為陰極覆膜層。

　　3、結(jié)論

　　基于移動(dòng)術(shù)中放療加速器醫(yī)療加速器對(duì)柵控電子槍工作電壓高、束流大、高可靠性的要求，本文主要對(duì)一種18 MeV 加速管柵控電子槍陰極進(jìn)行了設(shè)計(jì)并研制。設(shè)計(jì)出適合該柵控電子槍陰極的鎢海綿孔度、鋁酸鹽成分及相結(jié)構(gòu)及膜層成分及厚度，研制出鎢基底平均孔度為21.6%、浸漬311 主要單一相鋁酸鹽、覆Os-W 膜浸漬覆膜鋇鎢陰極。該陰極在工作溫度950℃，直流發(fā)射5.8 A/cm²，1000℃，脈沖寬度10 μs，發(fā)射電流密度24.1 A/cm²，脈沖寬度100 μs，發(fā)射電流密度18.8 A/cm²。壽命初期試驗(yàn)表明該陰極在950℃，直流支取3 A/cm2的電流密度，壽命近14000 h 發(fā)射基本穩(wěn)定，試驗(yàn)還在繼續(xù)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為采用該陰極制備18 MeV 柵控電子槍已裝入廣東中能移動(dòng)術(shù)中放療加速器中進(jìn)行調(diào)試，性能完全滿足加速器設(shè)計(jì)要求，并且工作穩(wěn)定可靠。