医用回旋加速器工作状态下束流稳定性分析

徐绪党，刘 标，李殿富，杨 伟

南京医科大学第一附属医院 核医学科，江苏 南京 210029

医用回旋加速器工作状态下束流稳定性分析

徐绪党，刘 标，李殿富，杨 伟

南京医科大学第一附属医院 核医学科，江苏 南京 210029

目的分析医用回旋加速器两种工作状态下加速束流的基本特征；监测加速器在较高负荷运行条件下的束流稳定性。方法利用高纯氢气作为离子源气体，分别自加速末端提取单、双束流，测试两种条件下离子源电流、引出束流及加速环境的真空度随时间的变化趋势。结果真空腔的真空度、离子源电流及准直器电流在双束流测试时变化幅度相对较大，两种测试条件下，真空度及离子源呈缓慢递增趋势，准直器电流呈缓慢递减趋势，60min后趋于稳定。结论正常工作状态下，单束流比双束流轰靶的束流稳定性强，且两种条件下束流最终处于较稳定的工作状态。应优先选择单束流工作模式。

医用回旋加速器；准直器；束流；稳定性；测试用Dummy靶

0 前言

医用回旋加速器作为一种大型医用设备近几年来在临床科研实践中得到了较多的应用，它主要用来生产不同类型的正电子核素，如18F、15O、13N、11C等。加速器正常工作状态时离子源气体电离为等离子体，经振荡射频提取加速粒子并进入加速轨道，在加速D电极及外加磁场的共同作用下加速，加速后在适当的位置安置碳萃取膜将加速粒子引出加速轨道，进而轰击靶体实现相关核反应[1-2]。当前，回旋加速器的临床应用为医院核医学学科的发展提供了有利的促进作用，利用其生产的正电子核素可以合成多种类型的正电子显像药物以适应临床检查及科研的需要，从而使得分子核医学的研究变得更为方便。在日常工作中要实现以上目的必须保证加速器运行的稳定性，其中最直接的指标便是其工作状态下加速束流的稳定性。束流加速时加速环境的真空度要求较高，一般不得低于10-5mbar数量级；束流的提供系统，即离子源必须气流稳定，离子源气体必须电离充分，以满足足够的加速离子供给；加速离子的引出端准直器电流越小，表明离子束越窄，系统的离子聚焦效果越好，且准直器电流的变化情况可反映加速离子束的稳定状况。 本研究通过对加速器离子源引出的单、双束流进行检测，实现对其在工作状态下束流稳定性进行系统分析。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备

医用回旋加速器PETtrace(GE Medical System)，测试用Dummy靶。

1.2 方法

1.2.1 实验参数设置

单束流轰靶条件下设定引出束流为75μA，双束流轰靶时两靶的引出束流均为35μA；单束流轰靶测试时间为4.0h，双束流轰靶测试时间为2.0h；偏转磁场电流均设定为435.1A，束流加速电极电压37.0kV，两加速电极压差为1.5kV；射频腔射频发射功率13.3kW，反馈功率0.2kW；离子源气体选择高纯氢气（气体纯度大于99.999%），供气流量设定为5.0mL/min。

1.2.2 实验方法

高纯氢气自离子源处电离，使其处于等离子态，利用射频系统的高频振荡电压将H+自离子源提取并加速，在加速末端通过碳膜将H+萃取[3]。分别检测单双束流引出轰靶的实时参数，两种情况下选择不同时刻检测并记录离子源电流强度、引出点上下准直器的电流强度及真空腔真空度；单束流轰靶每间隔10～20min记录1次各实验参数；双束流轰靶每间隔5～10min记录1次各实验参数。

2 结果

2.1 单束流轰靶条件下诸参数的变化特征（见表1）

表1 单束流轰靶条件下束流的相关测试参数

2.2 双束流轰靶条件下诸参数的变化特征（见表2）

表2 双束流轰靶条件下束流的相关测试参数

两种测试条件下诸参数随实验时间的增加，数值均有不同程度的变化。比较测试的前120min，单束流测试条件下加速离子加速环境的真空度变化较小（13.0-14.4）×10-6mbar，双束流条件下真空度变化略大（13.0-17.0）×10-6mbar。两测试条件下离子源电流值都呈缓慢增加的趋势，两者的变化幅度相当，双束流情况下变化相对略大；随测试时间的递增，两种情况下上下准直器电流值都呈缓慢递减的趋势，且测试1h后上下准直器电流之和趋向稳定，但双束流条件下，束流在两测试准直器的电流分配差异较大。

3 讨论

医用回旋加速器属于医院大型设备，在目前的医院运行设备中它的购置成本及运行投入都是首屈一指的。该设备系统组成复杂，工作条件苛刻，其任何子系统稍有故障便会影响整台设备的正常运行。因此，日常工作中密切监测各子系统的运行参数并及时调整，对于保障设备的正常工作降低故障率显得尤为重要。对于加速器运行参数的监测最直观的指标是加速束流的动态特征，同时加速器的束流稳定性关系着加速器的所有子系统[4-5]，因此对其稳定性的监测也可间接反映加速器的整体稳定性，这是本实验的意义所在。

束流在加速过程中要确保整个过程中加速粒子不发散，即加速粒子相对于平衡轨道作自由振荡。这就要求在磁场的中心平面上，加速粒子所受到的洛伦兹力FL=ZeVB与其受到的离心力FC=mv2/r相等，从而保证粒子的加速过程处于平衡轨道。加速粒子处于平衡轨道的前提是保证加速粒子在轨道径向（中心平面上粒子加速轨道的半径方向）与轴向（与中心平面的垂直方向）的稳定性[6-8]。本实验依据前苏联加速器专家阿•伯•格林别格所研究的加速束流的电磁聚焦理论成果[9]，即加速D形电极内的粒子所能达到的那部分空间的形状从侧面表现为“不对称的扁梭形”(作者注)，通过检测加速粒子引出时准值器电流的变化情况来评价加速粒子在最外围加速轨道的空间形状，从而实现衡量束流稳定性的目的。

通过实验我们发现：小型医用回旋加速器PETtrace在加速束流特性上表现出较佳的稳定性，离子源电流的增加反映离子源气体电离为等离子态的能力，预示加速粒子密度的增加，从而保证充足的加速粒子自离子源的提取。准直器上电流的逐渐减小，反映了加速束流在加速过程中的良好聚焦，没有出现较大程度的发散，这对于提高加速器靶区的核反应效率是极其有益的；对于双束流轰靶时真空腔真空度的稍大变化，我们认为是由于双束流比单束流引出粒子的数量上变化较大，从而引起加速粒子注入加速轨道的粒子密度出现相对大的波动造成的，但这种轻微的真空度变化不会对加速束流造成明显的影响。

总之，加速器束流稳定性反映了加速器所有子系统的协调性及加速器的整体性能，日常工作中应加强对加速束流的检测，及时发现问题并实施干预，并尽量采用单束流模式运行，这也是节约生产耗材的需要。尤其要重视加速器束流提取系统的准直器电流的检测，避免出现大的波动以及上下准直器差异较大的现象，从而尽可能减少加速器故障率，使其更好地为临床及科研服务。

[1]杨福家,王炎森,陆福全.原子核物理[M].第2版.上海:复旦大学出版社,2002:256-257.

[2]赵玉清.电子束离子束技术[M].第1版.西安:西安交通大学出版社,2002:30-35.

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

[4]潘中允.PET诊断学[M].第1版.北京:人民卫生出版社,2005:27-35.

[5]范西江,金榕兵,张荷,等.回旋加速器工作参数的选择[J].医疗设备信息,2004,19(4):46-47.

[6]黄振琳.基于磁场谐波计算回旋加速器平衡轨道[J].上海电机学院学报,2009,12(4):284-288.

[7]王海兵,陈英茂,尹吉林.回旋加速器技术探析及展望[J].中华核医学杂志,2009,29(6):432-433.

[8]王颖,唐文伟,徐绪党,等.医用回旋加速器束流引出位置对液体靶工作效率的影响[J].中国医疗设备,2010,25(12):7-9.

[9]阿·伯·格林别格.加速器物理基础[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

江苏省社会发展计划、医药高技术计划项目（BS2007068）资助。

本文作者：徐绪党，核医学技师，现从事医用回旋加速器的使用及性能评价等方面工作。

刘标，核医学副主任技师，现从事核医学影像设备检测及核医学新型显像剂研制等方面工作。

作者邮箱：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