2) вакуум (+)
3) газ SF6
4) фреон
В медицинском линейном ускорителе ускоряющий волновод представляет собой герметичную высокочастотную структуру, внутри которой поддерживается высокий вакуум. В него от магнетрона или клистрона подаётся СВЧ-энергия, формирующая бегущую или стоячую электромагнитную волну. Электроны, поступающие от электронной пушки, синхронно взаимодействуют с продольной составляющей электрического поля и приобретают кинетическую энергию.
Вакуум необходим для увеличения средней длины свободного пробега электронов и предотвращения их столкновений с молекулами газа. При наличии воздуха или другого газа возникают рассеяние электронов, ударная ионизация, поглощение СВЧ-энергии и риск электрического пробоя с образованием плазменного разряда. Кислород дополнительно обладает высокой химической активностью, а SF6, несмотря на хорошие электроизоляционные свойства и применение в отдельных высоковольтных устройствах, не является рабочей средой ускоряющего волновода. Фреоны также не используются для заполнения ускоряющей структуры.
Состояние вакуумной системы непосредственно влияет на стабильность ускорения и воспроизводимость параметров электронного пучка. Повышение давления может привести к СВЧ-пробоям, отражению мощности, срабатыванию защитной автоматики и прекращению импульса ускорения. Поэтому вакуум контролируется измерительными датчиками и входит в систему межблокировок медицинского линейного ускорителя.
| Среда или режим | Взаимодействие с электронным пучком и СВЧ-полем | Пригодность для ускоряющего волновода |
|---|---|---|
| Высокий вакуум | Минимальное число столкновений, низкие потери энергии, сохранение заданной фазовой синхронизации | Штатная рабочая среда |
| Атмосферный воздух | Короткая длина свободного пробега, ионизация, рассеяние электронов и выраженные диэлектрические потери | Непригоден; высок риск электрического пробоя |
| Кислород | Поддерживает ионизационные процессы и может способствовать окислению конструкционных материалов при разряде | Не применяется как наполнитель |
| SF6 | Электроотрицательный газ с высокой электрической прочностью, но при наличии газа сохраняются столкновения и возможность газового разряда | Используется в некоторых высоковольтных изоляционных системах, но не в вакуумной ускоряющей структуре |
| Фреоны | Газовая среда с дополнительными СВЧ-потерями и риском разряда; не обеспечивает условий для безгазового прохождения электронов | Для ускорения электронов не применяются |
| Повышение остаточного давления | Увеличиваются вероятность дугового пробоя, нестабильность мощности и потери электронного пучка | Признак неисправности или нарушения герметичности, требующий защитного отключения |
Вакуум не ускоряет электроны непосредственно, а создаёт физические условия для эффективной передачи им энергии электромагнитного поля. Низкое давление обеспечивает стабильную работу резонансных ячеек и предотвращает разрушительные газовые разряды. Контроль вакуума является частью технического и радиационного обеспечения безопасности эксплуатации ускорителя. Следовательно, именно вакуум является принципиально необходимой средой внутри ускоряющего волновода.