介紹一種用于移動術中放療電子直線加速器中柵控電子槍陰極的設計、研制、發射性能測試及其在該加速器中的應用情況。基于柵控電子槍低蒸發、高可靠、長壽命的設計要求，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。測試結果表明: 該陰極在工作溫度950℃，直流發射電流密度5.8 A/cm² ，在1000℃，脈沖寬度10 μs，脈沖發射電流密度24.1 A/cm² ，工作溫度950℃，直流支取3.0 A/cm²， 14000 h 壽命發射穩定。該陰極制備柵控電子槍在醫療加速器中獲得成功應用。

　　術中放療(IORT) 就是在手術中切除惡性腫瘤組織后，對于非根除性腫瘤，術中給予腫瘤和殘留病變及可能產生轉移、復發部位一次性大劑量照射。術中顯露的組織血供應良好，因此對放療更加敏感。對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量，清楚微小轉移灶降低瘤床腫瘤殘存的機會。移動術中放療加速器就是能在手術過程中把放療設備移動進入手術室，治療完后移走的放射治療系統。

　　加速管是移動術中放療電子加速器的核心部件，它將磁控管或速調管產生的大功率微波能量轉換為高能量的電子束，電子束再轟擊靶產生X 射線，利用X 射線或直接用電子線對病灶區進行輻照治療，殺死病灶細胞組織，達到治療作用。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，向靶材方向發射電子束。在加速器工作過程中，電子槍發射出具有一定能量、一定流強、一定束流直徑和發射角的電子束流注入到加速管中。該電子束的方向和強度可以通過調節電子槍結構控制。真空技術網(http://shengya888.com/)認為電子注參量的好壞，直接影響到加速管輸出射線品質的好壞。

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

　　陰極是電子槍的關鍵部件之一，它決定電子槍的發射能力和壽命。加速管電子槍陰極要求具有足夠的發射電流密度、較長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，陰極蒸發率越大，蒸散到柵極上的活性物質Ba 就越多。陰極工作溫度越高，離陰極只有零點幾毫米距離的柵極的溫度也會隨之升高，柵極表面活性Ba 的增多及溫度的升高將導致柵發射電流急劇增大，柵發射越大電子槍失效的可能性就越大。本文主要介紹用于醫療加速器柵控電子槍的一種低溫、高可靠、長壽命覆膜浸漬鋇鎢陰極的設計、研制，測試了該陰極的發射性能，并采用該陰極制備柵控電子槍在放療加速器上進行調試。

　　1、醫療加速器柵控電子槍陰極的設計

　　鋇鎢陰極是由能產生金屬Ba 的活性物質和作為載體的鎢海綿體組成。覆膜鋇鎢陰極的結構如圖1 所示，主要由鎢海綿基體、發射材料及覆膜層組成。它的工作機理是: 發射材料中還原出來的Ba沿著鎢海綿的小孔道不斷擴散到陰極表面，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 發射材料源源不斷的補充，可以長時間地維持高的發射電流密度。覆膜層的作用: 一是由于鉑族金屬具有富集氧的特性，氧對Ba 的化學吸附使得鉑族金屬膜表面富集了含Ba 的發射體;二是由于覆膜層表面多孔的微觀結構在陰極激活后形成柱狀蜂房結構的發射面，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射面積擴大，降低陰極表面的整體逸出功，提高陰極發射電子的能力。由于鉑族屬的晶體結構不同，從而對BaO 的吸附作用引發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射性能的主要因素為鎢海綿基體、發射材料及覆膜層。

圖1 覆膜鋇鎢陰極結構圖( 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射能力、鋇的蒸發率、壽命及抗中毒能力。一般來說，陰極孔度越大發射物質浸漬越多陰極的發射能力越大，但孔度太大陰極的蒸發率也隨之成倍增加。圖2 給出了陰極溫度為1050℃，浸漬411 鋁酸鹽鋇鎢陰極蒸發率隨鎢基體孔度的變化，從圖中很明顯看出，當鎢基體孔度從12%增加到26% 時，陰極蒸發率增加了10 倍以上，而當孔度超過24% 時，蒸發率隨孔度變化從線性增加過渡到指數增加，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%) 的鎢海綿在發射物質的浸漬方面會增加工藝難度，在壽命過程中也易引起活性物質Ba 通道的堵塞，陰極中毒時也需要更長的時間重新激活，所以本文設計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率的關系

　　1. 2、發射材料( 活性物質)

　　鋇鎢陰極的發射源是BaO 及其所產生的活性Ba，陰極在進入真空器件之前如何保護堿土氧化物不變質是解決浸漬鋇鎢陰極發射性能的關鍵，為此目的發展了鋁酸鹽、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間短、表面發射較均勻、發射穩定、有一定的耐離子轟擊能力、壽命長，而且陰極制備工藝穩定、易成型等特點，因此鋁酸鹽鋇鎢陰極在真空器件中得到最為廣泛的應用。鋁酸鹽的發射性能( 所制備陰極的發射、蒸發、壽命) 與制備鋁酸鹽的原始配比( BaO:CaO:Al2O3) 及燒結后鋁酸鹽的相成分有關。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，陰極發射電流越大，但陰極蒸發率同時也會增加，而CaO 的增加會大大降低陰極的蒸發率，但陰極的發射電流也會隨之下降，具體選擇哪種配比的鋁酸鹽根據實際需要而定。同一配比的鋁酸鹽燒結合成鹽的相成分也會影響陰極的性能。根據的前期研究結果，相同配比的主要相為Ba5CaAl4O12的鋁酸鹽具有較好的發射、蒸發及壽命綜合性能。結合醫療加速器柵控電子槍低工作溫度、低蒸發、高可靠的的特點，因此，本文設計311主要相為Ba5CaAl4O12的鋁酸鹽作為該陰極的發射材料。

　　1. 3、覆膜層

　　在鋁酸鹽鋇鎢陰極表面蒸上一層Os、Ir 或Re 膜，能使發射電流顯著增加幾倍。因此，在發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℃ ，于是蒸發率也相應降低約一個數量級。覆膜層成分、膜層厚度及膜的均勻性、致密度都會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由于膜層與鎢基底互擴散而導致發射性能衰減的問題。膜層厚度主要影響陰極發射性能及壽命，當膜層厚度大于0.3 μm 時，陰極發射性能穩定，而當膜層厚度超過0.6 μm 后，陰極活性急劇下降。相對于大功率微波器件，醫療加速器柵控電子槍陰極發射電流要求并不是很高，脈沖發射10A/cm²左右，考慮到陰極長壽命及高可靠，本文設計0.3 ～ 0.5 μm 的Os-W 膜層作為陰極覆膜層。

　　3、結論

　　基于移動術中放療加速器醫療加速器對柵控電子槍工作電壓高、束流大、高可靠性的要求，本文主要對一種18 MeV 加速管柵控電子槍陰極進行了設計并研制。設計出適合該柵控電子槍陰極的鎢海綿孔度、鋁酸鹽成分及相結構及膜層成分及厚度，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℃，直流發射5.8 A/cm²，1000℃，脈沖寬度10 μs，發射電流密度24.1 A/cm²，脈沖寬度100 μs，發射電流密度18.8 A/cm²。壽命初期試驗表明該陰極在950℃，直流支取3 A/cm2的電流密度，壽命近14000 h 發射基本穩定，試驗還在繼續。真空技術網(http://shengya888.com/)認為采用該陰極制備18 MeV 柵控電子槍已裝入廣東中能移動術中放療加速器中進行調試，性能完全滿足加速器設計要求，并且工作穩定可靠。