醫用回旋加速器工作狀態下束流穩定性分析

徐緒黨，劉 標，李殿富，楊 偉

南京醫科大學第一附屬醫院 核醫學科，江蘇 南京 210029

醫用回旋加速器工作狀態下束流穩定性分析

徐緒黨，劉 標，李殿富，楊 偉

南京醫科大學第一附屬醫院 核醫學科，江蘇 南京 210029

目的分析醫用回旋加速器兩種工作狀態下加速束流的基本特征；監測加速器在較高負荷運行條件下的束流穩定性。方法利用高純氫氣作為離子源氣體，分別自加速末端提取單、雙束流，測試兩種條件下離子源電流、引出束流及加速環境的真空度隨時間的變化趨勢。結果真空腔的真空度、離子源電流及準直器電流在雙束流測試時變化幅度相對較大，兩種測試條件下，真空度及離子源呈緩慢遞增趨勢，準直器電流呈緩慢遞減趨勢，60min后趨于穩定。結論正常工作狀態下，單束流比雙束流轟靶的束流穩定性強，且兩種條件下束流最終處于較穩定的工作狀態。應優先選擇單束流工作模式。

醫用回旋加速器；準直器；束流；穩定性；測試用Dummy靶

0 前言

醫用回旋加速器作為一種大型醫用設備近幾年來在臨床科研實踐中得到了較多的應用，它主要用來生產不同類型的正電子核素，如18F、15O、13N、11C等。加速器正常工作狀態時離子源氣體電離為等離子體，經振蕩射頻提取加速粒子并進入加速軌道，在加速D電極及外加磁場的共同作用下加速，加速后在適當的位置安置碳萃取膜將加速粒子引出加速軌道，進而轟擊靶體實現相關核反應[1-2]。當前，回旋加速器的臨床應用為醫院核醫學學科的發展提供了有利的促進作用，利用其生產的正電子核素可以合成多種類型的正電子顯像藥物以適應臨床檢查及科研的需要，從而使得分子核醫學的研究變得更為方便。在日常工作中要實現以上目的必須保證加速器運行的穩定性，其中最直接的指標便是其工作狀態下加速束流的穩定性。束流加速時加速環境的真空度要求較高，一般不得低于10-5mbar數量級；束流的提供系統，即離子源必須氣流穩定，離子源氣體必須電離充分，以滿足足夠的加速離子供給；加速離子的引出端準直器電流越小，表明離子束越窄，系統的離子聚焦效果越好，且準直器電流的變化情況可反映加速離子束的穩定狀況。 本研究通過對加速器離子源引出的單、雙束流進行檢測，實現對其在工作狀態下束流穩定性進行系統分析。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗設備

醫用回旋加速器PETtrace(GE Medical System)，測試用Dummy靶。

1.2 方法

1.2.1 實驗參數設置

單束流轟靶條件下設定引出束流為75μA，雙束流轟靶時兩靶的引出束流均為35μA；單束流轟靶測試時間為4.0h，雙束流轟靶測試時間為2.0h；偏轉磁場電流均設定為435.1A，束流加速電極電壓37.0kV，兩加速電極壓差為1.5kV；射頻腔射頻發射功率13.3kW，反饋功率0.2kW；離子源氣體選擇高純氫氣（氣體純度大于99.999%），供氣流量設定為5.0mL/min。

1.2.2 實驗方法

高純氫氣自離子源處電離，使其處于等離子態，利用射頻系統的高頻振蕩電壓將H+自離子源提取并加速，在加速末端通過碳膜將H+萃取[3]。分別檢測單雙束流引出轟靶的實時參數，兩種情況下選擇不同時刻檢測并記錄離子源電流強度、引出點上下準直器的電流強度及真空腔真空度；單束流轟靶每間隔10～20min記錄1次各實驗參數；雙束流轟靶每間隔5～10min記錄1次各實驗參數。

2 結果

2.1 單束流轟靶條件下諸參數的變化特征（見表1）

表1 單束流轟靶條件下束流的相關測試參數

2.2 雙束流轟靶條件下諸參數的變化特征（見表2）

表2 雙束流轟靶條件下束流的相關測試參數

兩種測試條件下諸參數隨實驗時間的增加，數值均有不同程度的變化。比較測試的前120min，單束流測試條件下加速離子加速環境的真空度變化較小（13.0-14.4）×10-6mbar，雙束流條件下真空度變化略大（13.0-17.0）×10-6mbar。兩測試條件下離子源電流值都呈緩慢增加的趨勢，兩者的變化幅度相當，雙束流情況下變化相對略大；隨測試時間的遞增，兩種情況下上下準直器電流值都呈緩慢遞減的趨勢，且測試1h后上下準直器電流之和趨向穩定，但雙束流條件下，束流在兩測試準直器的電流分配差異較大。

3 討論

醫用回旋加速器屬于醫院大型設備，在目前的醫院運行設備中它的購置成本及運行投入都是首屈一指的。該設備系統組成復雜，工作條件苛刻，其任何子系統稍有故障便會影響整臺設備的正常運行。因此，日常工作中密切監測各子系統的運行參數并及時調整，對于保障設備的正常工作降低故障率顯得尤為重要。對于加速器運行參數的監測最直觀的指標是加速束流的動態特征，同時加速器的束流穩定性關系著加速器的所有子系統[4-5]，因此對其穩定性的監測也可間接反映加速器的整體穩定性，這是本實驗的意義所在。

束流在加速過程中要確保整個過程中加速粒子不發散，即加速粒子相對于平衡軌道作自由振蕩。這就要求在磁場的中心平面上，加速粒子所受到的洛倫茲力FL=ZeVB與其受到的離心力FC=mv2/r相等，從而保證粒子的加速過程處于平衡軌道。加速粒子處于平衡軌道的前提是保證加速粒子在軌道徑向（中心平面上粒子加速軌道的半徑方向）與軸向（與中心平面的垂直方向）的穩定性[6-8]。本實驗依據前蘇聯加速器專家阿?伯?格林別格所研究的加速束流的電磁聚焦理論成果[9]，即加速D形電極內的粒子所能達到的那部分空間的形狀從側面表現為“不對稱的扁梭形”(作者注)，通過檢測加速粒子引出時準值器電流的變化情況來評價加速粒子在最外圍加速軌道的空間形狀，從而實現衡量束流穩定性的目的。

通過實驗我們發現：小型醫用回旋加速器PETtrace在加速束流特性上表現出較佳的穩定性，離子源電流的增加反映離子源氣體電離為等離子態的能力，預示加速粒子密度的增加，從而保證充足的加速粒子自離子源的提取。準直器上電流的逐漸減小，反映了加速束流在加速過程中的良好聚焦，沒有出現較大程度的發散，這對于提高加速器靶區的核反應效率是極其有益的；對于雙束流轟靶時真空腔真空度的稍大變化，我們認為是由于雙束流比單束流引出粒子的數量上變化較大，從而引起加速粒子注入加速軌道的粒子密度出現相對大的波動造成的，但這種輕微的真空度變化不會對加速束流造成明顯的影響。

總之，加速器束流穩定性反映了加速器所有子系統的協調性及加速器的整體性能，日常工作中應加強對加速束流的檢測，及時發現問題并實施干預，并盡量采用單束流模式運行，這也是節約生產耗材的需要。尤其要重視加速器束流提取系統的準直器電流的檢測，避免出現大的波動以及上下準直器差異較大的現象，從而盡可能減少加速器故障率，使其更好地為臨床及科研服務。

[1]楊福家,王炎森,陸福全.原子核物理[M].第2版.上海:復旦大學出版社,2002:256-257.

[2]趙玉清.電子束離子束技術[M].第1版.西安:西安交通大學出版社,2002:30-35.

[3]陳佳洱.加速器物理基礎[M].第1版.北京:原子能出版社,1993:53-55.

[4]潘中允.PET診斷學[M].第1版.北京:人民衛生出版社,2005:27-35.

[5]范西江,金榕兵,張荷,等.回旋加速器工作參數的選擇[J].醫療設備信息,2004,19(4):46-47.

[6]黃振琳.基于磁場諧波計算回旋加速器平衡軌道[J].上海電機學院學報,2009,12(4):284-288.

[7]王海兵,陳英茂,尹吉林.回旋加速器技術探析及展望[J].中華核醫學雜志,2009,29(6):432-433.

[8]王穎,唐文偉,徐緒黨,等.醫用回旋加速器束流引出位置對液體靶工作效率的影響[J].中國醫療設備,2010,25(12):7-9.

[9]阿·伯·格林別格.加速器物理基礎[M].第1版.北京:人民教育出版社,1961:60-66.

Analysis about Cyclotron Beam Stability under Working Conditions

XU Xu-dang, LIU Biao, LI Dian-fu,YANG Wei
Department of Nuclear Medicine, The First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

TL54+2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.03.006

1674-1633(2011)03-0015-03

2010-09-29

2010-10-11

江蘇省社會發展計劃、醫藥高技術計劃項目（BS2007068）資助。

本文作者：徐緒黨，核醫學技師，現從事醫用回旋加速器的使用及性能評價等方面工作。

劉標，核醫學副主任技師，現從事核醫學影像設備檢測及核醫學新型顯像劑研制等方面工作。

作者郵箱：xuxudang@163.com

Abstract:ObjectiveTo analyze the working conditions of medical cyclotron to accelerate the two basic characteristics of the beam and to monitoring accelerator at a high load operating conditions of beam stability.MethodsUsing high purity hydrogen as the ion source gas, respectively, extracted from the odd and even accelerate the end of the beam, testing the ion source current under two conditions, beam extraction and acceleration of the vacuum environment, get the trend over time.ResultsThe vacuum chamber of the vacuum, the ion source current and collimators in dual beam test current amplitude are relatively larger,the two test conditions, the vacuum and was slowly increasing trend in the ion source, collimator current was slowly decreasing trend 60 minutes to stabilize.Conclusionnormal operation, the beam stability of the single beam is better than the dual-beam in bombing target, and the final two conditions of work in a more stable state; give priority to single-beam mode.

Key words:cyclotron; collimator; beam; stability; testing Dummy target