醫用回旋加速器系統維護與保養策略分析探討

陳澤龍，陳自謙，許尚文，肖慧，鐘群，付麗媛

聯勤保障部隊第九〇〇醫院（原南京軍區福州總醫院） 醫學影像中心，福建 福州 350025

引言

醫用回旋加速器用于醫院生產正電子放射性核素，主要有C、N、O、F等組成生命的基本元素的同位素，這些同位素與不同的藥物前體結合最終合成PET/CT檢查需要的正電子藥物[1]。隨著PET/CT檢查技術的廣泛普及，PET/CT檢查的獨特優勢也為臨床醫生普遍接受，PET/CT檢查的需求不斷增加，這就需要有穩定、足量、能夠滿足不同檢查需求的正電子放射性藥物的支持。實現這一重要支持的主要設備就是醫用回旋加速器[2]，并且隨著PET/MR在臨床上的使用[3-4]，醫用回旋加速器的作用將更加凸顯。如何保證醫用回旋加速器的平穩運行，保證正電子放射性核素產量穩定，降低設備故障率、提高開機率成為一項重要的工作，這就要求做好醫用回旋加速器的系統維護和保養。

醫院使用的回旋加速器屬于小型回旋加速器，其加速的粒子能量較低，例如GE PETtrace回旋加速器加速氫核能量為16.4 MeV，但是醫用回旋加速器的運行包含了水、電、氣的協同運作，系統復雜精細[5]，需要操作者的精心維護，做好質量控制，才能夠保證設備的正常運行，根據質量控制的周期和性質，可將其分為日常維護和保養、階段性維護和保養以及不定期維護和保養。

1 日常維護和保養

回旋加速器系統結構復雜，根據功能不同可細分為靶系統、離子源系統、真空系統、水冷系統、射頻系統、磁場系統、萃取系統、診斷系統和自屏蔽系統；設備運行過程中涉及作為離子源氣體的氫氣、傳送靶水和冷卻用的氦氣等；設備各個系統正常運行需要復雜精密的電子控制柜以及射頻高壓電路等正常工作，因此日常維護和保養對于保證回旋加速器的正常運行十分重要。

1.1 機房的溫度和濕度要求

日常維護最基本的一項工作是保持機房的溫度和濕度在合適的范圍內，溫度保持在20℃～22℃，相對濕度保持在50%～55%，合適的溫濕度環境可使電子線路和機械裝置更好的運行，不易損壞[6]。同時機房環境保持整潔，設備表面沒有灰塵。PETtrace回旋加速器自屏蔽體內充滿硼酸溶液用于吸收熱中子，硼酸溶解度隨溫度降低而減小，機房溫度過低可導致硼酸溶液中硼酸結晶析出[7]，析出物與水混合成糊狀從自屏蔽體上方蓋板縫隙向上滲出，漫延到自屏蔽體邊沿可沿自屏蔽體外壁下行，如果析出發生在靶面板上方則滲出物下行可能損壞靶面板上閥門、電子線路和機械裝置。

1.2 放射性核素傳送管道維護

回旋加速器生產的放射性核素經由管道傳送到化學合成器，氣態核素由不銹鋼管道傳送，液態核素由特氟龍管道傳送。特氟龍管道具有化學性質穩定、摩擦系數低、抗黏性優良的特點[8]，適合傳送高純度的靶水，但是由于核素輻射的長期作用造成管道內壁對液體的吸附作用增強，導致液體傳送速度減慢體積減小，嚴重時液體滯留管道內無法傳送。因此每2～3周應做液體傳送檢測，按靶水注入1.6 mL計，在我院場地測得傳送時間應為22～23 s，接收到的液體應為1.39～1.41 mL，傳送時間過長和液體量減少提示管道耗損需更換；同時每日核素生產結束傳送到化學合成器時應觀察核素傳送速度和接收的量，傳送速度減慢接收的核素的量減少也需要考慮更換管道。液態核素從靶室出來進入傳送管道之前經過一次過濾，過濾裝置核心是一片孔徑為10 μm的圓形濾片，可濾去靶水中的雜質，濾片黏附雜質過多也可影響靶水傳送，一般生產20次左右需要更換。

1.3 高純氦氣的使用管理

PETtrace回旋加速器利用高純氦氣將靶水經由管道傳送到化學合成器。高純氦氣用氣瓶儲存，除了在用的氦氣瓶，應多備一瓶氦氣備用，當氣瓶輸出壓力低于所需壓力時可及時更換氣瓶。氣瓶輸出壓力由減壓閥控制，減壓閥應定期校正，確保實際輸出壓力與顯示壓力一致。

1.4 加速器冷卻系統的維護

加速器采用兩級水冷，一級水冷系統和二級水冷系統均需不定期補水，保證水流管道的壓力和流量。AERMEC水冷系統水流壓力約為0.1 MPa；SwedeWater水冷系統水流壓力應不低于40 kPa，水量不能低于指示水位的最低點，同時可配備一個加壓泵，當管路中壓力下降時往管路中充氣增加壓力[9]。加速器系統控制單元和射頻電子柜采用風冷，通風口用濾網過濾除塵，濾網需經常清洗保持干凈利于通風。

2 階段性維護和保養

回旋加速器利用電場和磁場的作用，在真空腔體內將帶電粒子不斷加速，粒子達到一定能量后被引出至靶系統上相應靶位，轟擊靶室里的物質從而產生正電子放射性核素。真空腔體內的高真空由兩級真空泵支持，第一級為機械泵，第二級為油擴散泵。帶電粒子由離子源氣體在離子源中電離產生，離子源氣體為H2，產生的待加速粒子為H-粒子，H-粒子加速到一定能量后經碳膜剝離掉兩個電子成為H+粒子，H+粒子被引導至相應靶位轟擊靶室內物質。

2.1 18F離子液體靶的維護

PETtrace回旋加速器有六個靶位，最常用的靶是18F離子高產靶，用于生產18F放射性核素。18F靶和靶體內銀質靶室如圖1所示。束流經過兩片Havar合金膜進入靶室轟擊富氧水生成18F離子，Havar合金的成分主要有Co、Cr、Fe、Ni、W、Mo等[10]，有一定使用壽命，束流轟擊一段時間后需要更換。更換Havar膜時需將整個靶從靶位上取下，放置在專用的靶體固定面板上。Havar膜經過長時間的束流轟擊，膜片具有很高的輻射劑量當量，瞬時輻射劑量率可達數個毫希沃特[11]，拆開靶體后可迅速將膜片放入鉛回收罐內；銀質靶室用無水乙醇浸泡并置于超聲濾洗器中清洗，頑固污漬可用丙酮清除，拆開后的靶體也做類似清洗。清洗晾干后的靶體和銀靶室即可和新的耗材一起重新組裝，新的耗材如圖2所示，主要包含兩片Havar合金膜、金屬和橡膠密封圈。

圖1 靶體和銀質靶室

圖2 靶維護用耗材

靶的維護十分重要，靶膜長期不更換可引起靶膜的突然破裂。束流轟擊過程中靶室內壓力大約400 psi，可導致靶膜突然破裂，破裂的靶膜和靶室內的液體將同時被吸入真空腔內，液體和靶膜碎片隨機分布，可引起真空腔內短路。同時靶膜具有很高的輻射劑量當量，不易清理。靶的維護周期一般為半年，同樣生產條件下18F放射性核素的產量持續減少時提示靶需要維護。

2.2 真空系統維護和保養

PETtrace回旋加速器真空系統初級泵和次級泵使用普發機械泵和油擴散泵。機械泵對擴散泵抽真空，機械泵也對真空腔預抽真空，真空壓力達70 Pa；擴散泵油加熱完成后開啟高真空閥門對真空腔抽真空，高速噴射的油蒸汽將真空腔內的氣體分子帶到前級由前級機械泵抽走，油蒸汽冷凝回流，擴散泵可使真空壓力達到10-5Pa[12]。機械泵使用一年左右需更換泵油，可從泵體上的觀察窗查看油的顏色和油面位置，油位低于標準線或者油的顏色變深呈棕色則需更換泵油。更換機械泵油需完全關閉真空系統，然后拆下機械泵，放置在一定高度的工作平臺上，旋開泵體觀察窗面底部螺塞排出廢油，廢油排凈后旋緊螺塞，再從泵體頂部加油孔注入新的泵油。擴散泵使用數年后（5年左右）泵油變質泵體內太臟會延長達到正常工作真空度的時間，極限真空度也會惡化，甚至達不到需要的真空度，這時需要清洗擴散泵和換油。可拆下擴散泵，取出噴射系統，倒出被氧化變質的油；噴射系統分拆開用丙酮清洗，頑固油垢要擦除，清洗晾干后倒入新的擴散泵油，再將擴散泵裝配起來。檢測擴散泵真空度的皮拉尼規管管頭因受擴散泵油蒸汽污染，管頭內濾器需經常拆下來用丙酮清洗[13]。

2.3 離子源維護和保養

回旋加速器離子源采用內置式冷陰極潘寧離子源，由陰極、對陰極和陽極筒構成，裝配好的離子源如圖3所示。

圖3 PETtrace回旋加速器離子源

離子源氣體為高純氫氣時產生負氫離子。高純氫氣進入離子源，離子源陰極、對陰極和陽極間施加高壓放電電壓，氣體形成等離子體，同時采用徑向引出方式從陽極筒側壁縫隙引出負氫離子進入真空腔，負氫離子加速到一定能量后經剝離碳膜剝離掉兩個電子成為正離子并被引導到相應靶位[14]。由于電荷積聚導致擊穿放電使離子源內部表面產生金屬燒蝕，同時陽極筒引出縫隙逐漸變寬，造成離子源電流逐漸增大而弧電壓逐漸減小，離子源效率降低[15]。觀察回旋加速器核素生產過程當離子源弧電流明顯增加而電壓明顯下降則提示需要做離子源維護。離子源在真空腔內，排空真空腔內真空使壓力恢復到正常大氣壓值，打開真空腔卸下離子源。松開離子源體上兩顆長螺釘即可拆開離子源。PETtrace回旋加速器離子源分兩部分，一部分為氫離子源，一部分為氘離子源，一般只用氫離子源。離子源體表面附著金屬燒蝕形成的黑色斑塊，需刮擦清除；離子源體用無水乙醇清洗并用紗布擦拭干凈。廠家提供的離子源維護配件包含陽極筒和陰極以及陶瓷絕緣墊片，裝配新的陽極筒需注意陽極筒引出縫隙所在表面要與離子源體表面同在一個平面上，可用專用的工具進行校正。離子源體裝配好后裝回加速器真空腔，待真空腔抽真空到壓力為10-3Pa以下在不打開離子源電源的情況下開啟離子源氣體以5 sccm體積流速注入離子源，運行5～10 min以沖排附著的氣體雜質，減少離子源打火。離子源維護更新后觀察加速器生產時的參數可以發現相比維護前弧電流明顯減小電壓明顯增大。

2.4 碳剝離膜的更換

從離子源引出的氫負離子加速到一定能量以后經過碳剝離膜剝離掉兩個電子成為氫質子并進入相應靶位。PETtrace回旋加速器碳剝離膜裝載在一個圓形輪盤上，一個輪盤可裝載六片碳膜。輪盤被驅動裝置定位在回旋加速器粒子旋轉軌道最大半徑上，當粒子束流的能量達到所需的最大能量時，所有出現在碳膜區域的負離子束穿過碳膜，帶負電粒子的兩個約束松弛的外層電子被剝離。PETtrace系統自動檢測碳膜上的電流，當碳膜破裂或者達到設定的使用壽命時可自行切換新的碳膜，當切換到第六片碳膜時需進行碳膜更換，一般可與離子源維護同時進行，避免多次打開真空腔。更換碳膜時需拆下輪盤。

2.5 靶水過濾器的更換

回旋加速器18F離子靶生產核素結束以后靶水經由10 μm濾片過濾后進入傳送管道，濾片裝在一個專用過濾器內，使用一段時間后過濾器內會積存水垢，影響靶水傳送，需要更換過濾器。

2.6 自屏蔽體內硼酸溶液的維護

PETtrace回旋加速器自屏蔽體內充滿硼酸溶液，溶液揮發后液面下降導致液面傳感器浮子下降，浮子下降到一定程度系統報錯，核素不能生產同時屏蔽門無法開啟，因此應定期檢查屏蔽門硼酸溶液液面，液面下降時及時補水[16]。

3 不定期維護和保養

不定期維護和保養是指針對設備可能或者即將出現的問題進行的維護和保養，未雨綢繆防患于未然，避免設備停機。回旋加速器靶體采用水冷和氦冷雙重冷卻方法。氦氣冷卻系統利用氦氣壓縮機推動氦氣經由銅管和軟管到達靶體進行循環冷卻，軟管使用一段時間后材質逐漸變硬，顏色由無色逐漸變為淺黃色直至褐色，變質后的軟管很容易在端頭破裂導致氦氣泄露造成氦氣壓力不足從而核素生產中斷，因此當軟管呈褐色時需要更換軟管。氦氣壓縮機內隔膜和密封圈是橡膠材質，使用一段時間橡膠硬化也會導致氦氣泄露，需要更換橡膠隔膜和密封圈。水冷系統分兩級，一級水冷機采用AERMEC水冷機，當水冷機顯示壓縮機低壓信號時，需要檢測冷媒管道，確定沒有冷媒泄露則添加冷媒，如果檢查發現冷媒泄露則先焊補漏點再添加冷媒。支持真空系統各個閥門以及支持傳送靶水的三通閥切換的壓縮空氣由獨立的空氣壓縮機提供，空氣壓縮機故障將導致閥門無法開啟加速器無法運行。有油潤滑空氣壓縮機運行500 h需更換潤滑油，同時常備傳動皮帶以便及時更換。回旋加速器使用一定年限以后真空系統各種類型密封圈、壓縮空氣連接頭、二級水冷管路連接頭因為老化可能產生漏氣、漏水現象，需常備相應配件以便及時更換。

4 結語

一臺運行良好的回旋加速器需要操作者精心地維護，做好質量控制。操作者只有在做好設備的日常維護、階段性維護和不定期維護的基礎上，設備才能夠穩定運行，降低故障率，提高開機率。但是醫用回旋加速器系統龐大復雜，維護質控工作涉及方方面面，還有很多細致深入的工作需要不斷地總結探討。