[转帖]医用回旋加速器

随着医疗技术的不断进步，人们生活水平的不断提高，PET/CT作为一种对于肿瘤的早发现、早治疗有着极大优势的新型医疗设备不断被国内各大医院引进。PET/CT通过分析放射性示踪剂（即带正电子的放射性核素标记的葡萄糖）在人体内的分布情况来判断有无肿瘤以及肿瘤的良恶性，从而达到分子级显像。而带正电子的放射性核素则由医用回旋加速器来生产。

1  回旋加速器的原理

1．1  回旋加速器的理论基础

　　一个荷电q、质量m的带电粒子在恒定磁场B中以速度v在与磁场垂直的平面上运动，将受到磁场洛仑兹（Lorentz）力FL=vBq的作用而作圆周运动。

　　设曲率半径为r，则离心力F₀为：F0=mv²/r

　　当平衡状态时：F_L =F₀，即vBq= mv²/r

　　由此可得：

　　可以看出，在恒定的磁场中运动的既定的带电粒子，其回旋角频是一个常数，与粒子本身所具有的速度无关，这一规律称为拉摩定律，它就是回旋共振加速方案可行性的重要依据。

　　离子源在电场的作用下开始运动，在磁场的作用下发生偏转，结果运动的带电粒子就沿着一定的轨道运动。在非相对论范围内，整个加速过程中的粒子回旋角频ωc保持不变，因此粒子的回旋周期Tc和频率fc也将保持不变：

 

　　为了实现共振加速，要求高频频率frf或周期Trf与粒子回旋频率fc或周期Tc之间应满足如下相等或成奇整数倍的关系：

 

　　这就是共振加速的必要条件。

1．2  回旋加速器的工作原理

　　医用回旋加速器的制造厂商很多，包括GE、CTI、EBCO、IBA、NNK/牛津、日本的Steel Works（现在仅在日本供应）等。这些回旋加速器可以进行多种分类：可以根据束流数量分为单束流回旋加速器与双束流回旋加速器，也可以根据加速离子的电性分为正离子回旋加速器与负离子回旋加速器，还可以根据加速离子运动平面分为立式回旋加速器与卧式回旋加速器等。CTI公司生产的RDS111型回旋加速器属于立式双束流（可选配单束流或者双束流）负离子回旋加速器。负离子在回旋加速器中加速的原理如图一所示。离子源系统产生的氢负离子（离子源）在离子源偏压（通常14-15kV）作用下被推至离子源通道并进入加速区域。在加速区域，负离子束流在磁场（D型盒）的作用下不断发生偏转，在高频作用下不断得到获得能量而加速。由前面所述的拉摩定律可知，束流要以固定角速度运动，在速率增加后，其运动半径也随之增大，故而束流的运动轨迹就变成了一种类螺旋形。当束流到达提取半径后也就获得了足够的能量与速度。获得加速的负离子束流通过碳膜即提取膜时，其与氢核结合松散的两个电子被剥离，结果束流从负电性变成正电性，它所受到的磁场的作用力的方向也发生了改变，于是带正电荷的束流转向出口飞行并轰击靶，产生带正电的放射性核素。根据 PET/CT检查的需要选择不同的靶原料就能产生相应的放射性核素，如15N2为生产1502的原料，14N2和1602为生产11C的原料等。

 

 

2  回旋加速器的基本结构

　　这里以CTI公司（已被西门子公司收购）生产的RDS111为例，介绍回旋加速器的基本结构（不含热室部分）。

2．1  磁场系统

　　磁场系统包括上下磁扼、线路极片、磁场线圈、磁场电源等，其作用就是提供偏转力使束流维持在上下磁极之间中心平面的准环形轨迹上。磁场线圈安装于上下磁扼之间，它产生的磁场受不锈钢磁扼和磁极的引导至上下磁极之间的小狭缝，束流即在此加速。磁场并非匀场，而是采用深谷设计，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之为磁谷），磁嵴的磁场强度为磁谷的27倍，这样加速的束流在到达提取半径期间就交替暴露于磁嵴与磁谷中。当束流通过每一个磁嵴区域时，由于强磁场的影响，束流明显弯曲，然而在磁谷区域时，束流接近于一笔直的路径飞向下一个磁嵴区。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，产生高的束流引出效率。

2．2  射频（RE）系统

　　射频系统包括监测与控制元件、频率合成器、中级放大器、RE电源振幅器、共轴透射线、祸合网络和D型盒结构（又叫共振器）等，其作用就是对D型盒提供一交替的高电压电势，并将能量转至H-离子。D型盒结构包含4个半径方向延伸向离子源的D型盒。束流每到达或者离开一个D型盒时会因为受到吸引或者排斥而得到能量加速一次，束流在每一轨迹要经过4个D型盒各一次，因而共得到8次加速。随着束流以这种方式得到能量，其轨道半径逐渐增加，这种轨迹被称为准螺旋形。当束流到达提取半径时，其能量也将达到预定能量。正常工作时，射频频率自动受RF，控制元件调整以维持D型盒结构的共振。

2．3  离子源系统

　　离子源系统包括潘宁离子源（PIG离子源）、ARC电源、偏向电源与氢气流量控制器等。潘宁离子源产生负氢离子，在正常操作中不需要进行调试或干预性操作。潘宁离子源含有2个担电极（阴极），位于中心层面上下；1个中空的圆柱型阳极，位于两个阴极之间。阴阳极之间的电势差可达2，000伏。该电势差用于电离氢气形成等离子浓聚体。进入离子源的氢气流量由电子质流控制器调控以与变化的离子源和加速器运行条件相匹配。等离子体的电源（或ARC）由电流调节的开关型电源提供，在正常运行时，控制系统调节离子源的ARC电流以维持期望的靶电流。

2．4  真空系统

　　真空系统包括真空室、排气泵、仪表和控制元件等。真空仪表和控制元件用于监测并显示真空室的压力以及在系统出现故障时对仪器起到保护作用。真空室需要连续不断地抽气以排除来源于离子源及真空室内表面的气体。真空系统的抽气由5个泵来共同完成：3个油扩散泵排除真空室的气体，另外一个油扩散泵排除来源于离子源剩余的氢气，还有一个机械泵（旋转的叶片泵）用于排除油扩散泵排放的废气，并维持油扩散泵出口的真空状态。当真空室被打开维修时，机械泵也用于启动真空室。真空系统通常要求每天24h不停地工作以保证这些残留的气体最少，加速器的性能最优化，这将有助于提高离子的提取效率，减少加速器内部的活化。CTI公司的RDS111在真空室打开2h后虽然效率有轻微的减少，但仍可运行当维修时或有提前通知的停电及停水时，需要手动关闭真空系统。

2．5  提取系统

　　提取系统包括一个或者两个束流提取器（选配）。其作用就是当H-通过碳提取膜时，剥离其与氢核结合松散的两个电子，从而使束流由负电性变成正电性。当配备两个束流提取器时，通过应用两个碳膜其中之一剥离一部分束流的电子，另一个碳膜剥离剩下束流的电子，那么束流能够一分为二分别打在两个靶上，从而使同时生产两种不同的核素或者同时生产大量的中一核素成为可能。

2．6  靶系统

　　RDS111靶系统包括一个集合准直器，一个可容纳8个靶的换靶装置和对应于每一个靶的靶体支持中元（TSU）。准直器是一个中心有一0．8cm直径孔的碳盘，能够耐受截取的束流产生的高温它安装于换靶装置入口处以保证相对均匀的束流剖面（理论上为Gaussiau型）通过靶的直径。换靶装置用于安装并选择靶体，由终端计算机进行控制。在单一束流线上能够安装8个独立的靶，不安装靶的位置一般放入法拉第杯，又称假靶换靶装置在电路上独立于加速器，允许测量照射束流强度，并用做控制系统的一个参数。靶支持中元模块安装在加速器旁的双层橱柜内。这些模块含有每个靶需要的控制与监测仪器、用于轰击的原料、阀门、管道、压力调节器等。

2．7  束流柱

　　不加高频时，离子以圆形轨迹运动，并被一固定的金属柱即束流柱所截取，这样聚集于束流柱上的离子电流可以由控制系统测定并显示，用于离子源的维护和处理故障。当加上高频时，被偏压引出的离子进入加速区，迅速被加速至通过束流柱外的轨道。

2．8  冷却系统

　　加速器运行中要产生大量的热，必须及时排除RDS111型回旋加速器对靶窗采用He冷却，而对其它位置产生的热则采用水冷却，包括磁极线圈、D极、扩散泵、靶体等。

　　RDS111回旋加速器的水冷却系统有两种工作模式：当“wakeup power”处于“开”的位置时，冷却水供给整个加速器系统的各个发热部件，此时，水流量大约为68gpm；当“wakeup power”处于“关”的位置时，只有扩散泵需要冷却水，其水流量约为1 gpm。

2．9  气体系统

　　回旋加速器的气体系统非常复杂，它需要很多种气体满足不同需要，包括用于原料的气体，如生产¹⁵O₂的原料¹⁵O₂、生产¹¹C的原料¹⁴N₂和¹⁶N₂等；用于气动阀开关的不同比例的混合空气；用于离子源的气体H₂；用于冷却的气体He；用于净化管道的气体Ar等。

2．10  屏蔽系统

　　RDS111加速器采用了良好的自屏蔽系统。该屏蔽系统位于加速器周围一圈，对各种形式的辐射都有效，包括快中子、瞬发高能射线以及活化物质产生的射线等。RDS111型回旋加速器屏蔽系统包括两层：内层和外层。内层是加入了铅、环氧化物、碳和硼化合物的高密度铸件，厚度为30cm。这层屏蔽降低中子超过1-2Mev的能量，吸收在靶中产生核反应引起的瞬发射线另外也吸收在屏蔽块中由于碰撞而产生的热中子。外层屏蔽是加入了聚乙烯、碳和硼化合物的混凝上，厚度为70cm。它主要通过与聚乙烯组分中的氢原子发生弹性碰撞来降低中子的能量，使其成为热中子，最后硼通过吸收中子，使与氢原子或其它元素发生中子俘获而产生次级射线减少。该屏蔽系统移动简中轻松，方便调试和维修。

2．11  控制系统

　　RDS111型回旋加速器，除了主电源、冷却系统、真空系统和屏蔽的移动外，其它部分都由计算机实现自动控制，并实行模块化，使操作步骤大为简化。在控制系统计算机的界面上可以独立地操作和控制每个子系统，且每改变一个参数，系统都有反馈值，便于了解系统的工作状态以及进一步的调整。更为重要的是，系统实现了一定的智能化，能够根据条件和环境的改变，自动地优化系统参数，使系统工作在最优的条件下，使生产的效率得以提高，并延长了机器的使用寿命。RDS111型回旋加速器设计了很多连锁保护装置，能有效防止意外情况的发生，即使是在加速器的调试和检修时，也不会因为失误而导致工作人员受到大剂量照射。