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| 医用回旋加速器结构组成和性能分析 |
| 2011-07-16 |
医用回旋加速器是目前核医学领域结构最复杂、 涉及学科最多、技术要求极高的大型设备。其组成主 要包括：磁场系统、射频(RF)系统、离子源系统、束 流提取系统、靶系统、真空系统、冷却系统、控制系 统等。
磁场系统
磁场系统主要由上下磁轭、磁铁、磁场线圈、线 圈电源等构成。其作用是提供偏转力约束离子在磁场 中按一定轨道弯曲运动。磁场采用深谷设计，即每一 磁极含有4个磁嵴与4个磁谷（相邻磁嵴之间的区域称 为磁谷），如图3所示。磁嵴的磁场强度比磁谷高，这 样的深谷设计对束流粒子在加速的中心层面提供了强 聚焦力，引导粒子返回中心层面，产生高的束流。通 常医用回旋加速器的磁极为径向扇行4峰4谷，峰场场 强可达1 9特斯拉，谷场可达0 35特斯拉，磁体线圈的 电流在200～500安不等，线圈采用空心铜导管通以冷却 水实现高效率的冷却，线圈产生磁场通过磁轭形成环路。
射频(RF)系统
回旋加速器的射频系统主要由高频加速电极、高 频共振线（谐振腔）和高频功率源三部分构成。其作用 为离子提供加速所必需的高频电压，是回旋加速器中 最重要的组成部分之一。它的工作状况对于加速器的 性能有很大的影响，一个好昀高频系统应在工作频率 可调且工作负载等条件变化的情况下具有高度的稳定 性，包括高达101量级的频率稳定度和好于5×10_4的 电压稳定度。
离子源系统
医用回旋加速器使用的离子源均为负氢型离子源， 此类离子源的最大优点是加速后高能粒子束流最终的 引出效率高，几乎可达100%，缺点是获得高强度H- 离子的难度较大。
负氢离子形成的机理比较复杂，主要是通过离解 吸附和分离复合过程形成。离解吸附是等离子体内部 形成负离子的主要过程，对于氢分子这一过程为：
e+H2 -*H2- -*H- +Ho
在分离复合过程中，H-离子是由热灯丝发射的高 能电子在弧压加速下与H：分子（或H原子）相互碰撞产生的。碰撞后的分子处于高能激发态，激发态 的H2+与leV的电子作用产生H_、H。，此反应称为分 离复合反应：
H2+e -*H2+
H2' +e (ley)—}H- Ho
这种反应的几率较小，再加上离子源放电腔必须 通入氢气，内部的真空度不会太高，H-与残余气体碰 撞很易丢失电子，这正是难以获取高强度H-离子束的 原因。
医用回旋加速器常用的离子源类型是冷阴极PIG 离子源．主要由一对阴极和阳极、电 源、真空室、束流引出缝(slit)、维持放电的磁场等组成。 冷阴极PIG离子源比较复杂，检修和更换必须由经过 专门培训的人员进行，使用较长时间后会有杂物进入 真空室影响高频电压的稳定性。
束流提取系统
束流提取系统的作用是将加速到一定能量的粒子 束流引到靶体上，与装载的靶料产生核反应。由于医用 回旋加速器使用的均是H-离子源，所以引出系统相对 简单，仅使用一块很薄的碳膜，当H-离子束流经过碳 膜时，被剥去两个电子，形成H+离子流，结果是其受 到的磁场作用力相反，束流就会偏向预定的线路射向 靶体。
靶系统
加速器靶系统是指能提供靶料发生核反应，并能 将核反应产物（靶产物）高效率传输到合成器的部件。 在目前的医用小能量回旋加速器中根据靶产物的不 同其所用的靶料也不同，进而靶的结构也就各不相同。
如果按靶产物来分通常有F 靶、N 靶、C 靶；按靶物质 的状态来分则可以分为气体靶和液体靶及固体靶。一 个完整的靶系统应包括靶体、准直器、靶膜、管路阀 门及靶支持单元。
真空系统
回旋加速器的真空系统主要由真空腔、真空泵、 真空计及控制部分组成，不同的生产厂家使用的真空 设施也不尽相同，但通常为机械泵、油扩散泵、低温 冷凝泵和涡轮分子泵。在待机状态下，一般应保持在 10-5pa 级真空度，运行时10-3pa 级，个别厂家特有的 技术在运行时真空度也可达10-4pa 级。良好的真空度 可以减少加速的粒子与空气分子碰撞而产生能量损失， 也可以保障射频系统的稳定工作。
冷却系统
冷却系统主要包括水冷却、风冷却及氦冷却。 水冷主要由一级水冷和二级水冷组成。一级水冷 为常规的水冷机组，根据运行需求，需要常年制冷； 二级水冷为加速器内循环结构，此部分对水的电导率 要求较高，通常都使用去离子水，主要用于冷却磁体、 射频、离子源、靶体，所产生的热量交换给一级水冷 系统带走，以达到系统降温的目的。 风冷主要是应用于集成电路板、电源以及射频系 统，这些地方不便于使用水冷，主要使用风扇和压缩 空气。
氦冷却则是应用于加速器开机过程中，其结构组 成主要由氦压缩机、热交换器、流量计、压力传感器 组成。
控制系统
控制系统采用PLC 方式，使用人性化的组态软 件，操作简单。在软件控制界面上，可以独立地操作 控制加速器的每个子系统，而且加速器每个重要的运 行参数，系统都有即时反馈。有些参数还可以通过记 录的趋势图查看一段时间前的读数，这些便于了解系 统的工作状态以及进一步地优化调整。再者所有安全 联锁都由控制系统集中处理，并纳入到加速器步序操 作的条件，最大限度地保证了设备和人身的安全。另 外，系统还备有紧急开关，紧急情况下可迅速切断电源， 停止工作。同时对于外界突然断电，通常系统可自动 恢复真空系统、水冷系统以及相关电源的运行，最大 限度地保证机器不受突然断电的影响。部分系统还可 以通过英特网, 实现远程诊断与控制。
自屏蔽系统
现代回旋加速器大多具有备选的自屏蔽系统。自 屏蔽系统采用含有对伽马射线有效挡阻的高效材料( 如 铅等)，同时在离子源部位周边还增加了可以吸收中子 的防辐射材料。自屏蔽系统将回旋加速器生产过程中 产生的各种射线完全隔离在屏蔽体内。工作状态下在 距离自屏蔽体表面1m 处测得的辐射剂量低于10μSv/ h。如选购自屏蔽系统，可省去加速器机房建造的特殊 苛刻要求，可保证加速器机房中的放射性在安全水平， 便于工作人员、维修人员必要时入室操作。但自屏蔽 系统成本较高，可酌情考虑。
气体系统
回旋加速器需要很多种气体以满足不同需要。一 般场地都需要单独备有一个气瓶间，加速器、靶体 及化学合成系统所需的各种气体分别装在相应气瓶内， 通过管道通到相应位置。气体系统通常可在国内另行 选购.
技术进展
非匀强调变磁场技术
根据托马斯的磁场强度随方位角变化的AVF 原理， 现代回旋加速器除采用磁场沿方位角按一定规律周期 性变化的设计外，还应用线圈可调节磁激励设计，使 磁场强度沿方位角的平均值从中心随半径逐渐扩大而 增强，形成非匀强调变磁场，有利于维持加速粒子轴 向运动的稳定性，获得更大的束流和粒子能量。
外置离子源技术 这种外置多峰负氢离子源是由加拿大TRIUMF 国家实验室研制的，现应用于ACSI 公司各类型的医 用回旋加速器上，其结构如图5 所示，它主要包括 等离子体放电腔、10 对多峰永磁体、电子虚拟过虑器、 三电极引出系统、带有永磁约束的端盖、单或双灯 丝及灯丝座、氢气供气及气流量调节系统、电源系统、 水冷系统和控制系统等。等离子体放电腔是离子源 的本体，放电腔为直径98 mm、长150 mm 的圆柱形。
灯丝安装于等离子体放电腔之中，钽材料的灯丝电 加热而发射电子，实时监测灯丝与放电腔本体之间 的弧压，并反馈控制灯丝的电流，从而使弧流维持 在所需要的范围内。在引出的地电极上安装有紧凑 型的X-Y 导向磁铁，以及时地校正引出束流的方向。 该导向磁铁的特点是X-Y 方向磁场合理叠加、结构 十分紧凑，便于安装在离子源引出区等空间尺寸紧 张的区域。
还体现在靶体的结构设计上，早期的靶一般都是直立 靶体，束流比较集中，产生的热量难以迅速带走， 因此都是高压靶，所能承受的束流也比较小。现在的 靶体设计为倾斜式，束流可以与更大面积的靶 料反应，增加了核素产量的同时，也便于热量的散发， 这样的设计特别表现在固体靶技术上，倾斜的角度可 以达到5~12 度。 与PIG 离子源相比，外置离子源的亮度高，束 流纯度高，流强大，束流注入效率高，对真空腔的气 体负载小，操作简便，维护简单，无需专业人士维护， 不会对射频产生影响。
靶技术
对于实际生产的需求，18F 离子占据了绝大部分 的比例，相应的生产技术也得到了最快的改进。起初， PET 尚未得到广泛应用时，每天实际所做病人数量也 是寥寥无几，在氧-18 水价格高昂的时期，各厂家的 靶设计均是采用小容量靶体，一般在0.5~1.0ml，每次 开机生产，能够合成400~500 毫居的18F-FDG，即可满 足本单位的需求。随着PET/CT 检查人数的不断增加， 18F-FDG 的需求大大增加，催生了各个回旋加速器厂家 对靶的容量及18F 产量的升级，大多数厂家都把靶容量 升到了1.4~2.0ml，18F 的产量也可多达几个甚至十多 个居里，单次合成18F-FDG 就可超过5 居里。各厂家 在提高靶量的同时，也对靶的结构进行了很大的革新， 由最初的银质靶体发展到如今的钛、铌材质的合金靶。 众所周知，银的导热性能极好，这也是各厂家选用原 因之一，但银靶使用一断时间后，会发生氧化有银粉 脱落，容易堵塞传输管路及遮挡靶膜，需要定期时间 清洁维护，增加工作人员的辐射剂量，同时维护成本 也比较高。而钛、铌这类惰性金属正好可以克服银靶 的缺点，做到了靶体的免维护。另外，靶技术的发展
双束流轰击技术
在回旋加速器最大半径的不同位置上设置两个碳 膜提取装置，将质子( 或氘核) 同时引到两个不同的靶 体上，可以同时生产同一种正电子核素, 成倍提高正电 子核素产量，也可以根据不同核反应谱同时生产两种 正电子核素，大大提高回旋加速器的工作效率。
多核素生产技术
多种核素的生产主要集中在中能加速器上，通 常为20~30Mev 的能量，国内一些医院及机构也有一 些研究，但成熟的技术主要还是集中在国外，如IBA、 MDS NORDION。这类非常规的核素主要是由气体靶 或是固体靶技术得来，如62Zn、68Ga、124I 等，也可以 生产满足ECT 使用的单光子核素，如111In 、123I。特别 是近年来的ACSI 公司，利用固体靶技术，通过回旋加 速器直接生产出核医学中最常用的99mTc。 在医学不断发展的今天，医用回旋加速器的技 术发展已不再是仅仅满足生产常规正电子放射性的 需求，更是朝着核素的多样性、性能更加强大的方向进步。 |
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