内离子源小型回旋加速器的调试

何小中，庞 健，赵良超，马超凡，杨兴林，魏 涛，杨 振，龙继东，杨国君，李成刚，董 攀，李 勤，王 韬，秦 玲，王敏鸿，张开志，石金水

（中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900）

正电子发射计算机断层成像（PET）是一种利用短寿命（半衰期一般小于2h）正电子核素标记的显像剂进行体内生物分子代谢显像和受体显像的方法［1-2］。现已广泛用于多种疾病的诊断与鉴别诊断、病情判断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面。全身氟代葡萄糖（18F-FDG）代谢PET 显像目前已成功应用于肿瘤诊断和分期，对肿瘤治疗产生了重要影响。PET 显像已经成为新世纪医学的热点之一。PET 设备主要分为两大部分，一部分是PET显像仪，另一部分为生产正电子核素的小型回旋加速器。

小型回旋加速器通过将质子（或氘离子等）加速到几MeV 至数十MeV 的能量轰击到靶材上，通过（p，n）等核反应生产正电子放射性核素。加速器的能量越高、流强越高，能够生产的正电子放射性核素种类越多，产量也越高，但对应的技术难度和成本也越高。综合考虑同位素药物产量、成本等因素，中国工程物理研究院流体物理研究所于2007年底开始研制能量为11MeV、平均流强为50μA 的小型质子回旋加速器样机。本工作对该加速器进行调试，从而使各部件和整机达到设计参数。

1 紧凑型回旋加速器总体设计参数

紧凑型回旋加速器的主体构成及径向聚集等时性回旋加速器磁极的形状如图1所示。氢负离子（或其他离子）从离子源中发射出来，经过Dee型盒的加速间隙，由于加速间隙间存在加速射频电场，氢负离子得到加速，并且由于轴向磁场（一般由如图1b 所示的等时性磁铁产生）的存在，氢负离子进行回旋运动，到达Dee型盒的下一个加速间隙，此时射频加速电场再次对氢负离子进行加速，氢负离子不停地得到加速，最终达到一定的能量，并到达引出半径，经过一层薄的碳膜，将氢负离子的两个电子剥离掉，从而使粒子在磁场中的回旋方向发生改变，得以引出。

图1 回旋加速器的主体构成（a）及磁极的形状（b）Fig.1 Main component of cyclotron（a）and magnet pole shape（b）

可将小型回旋加速器细分为离子源、磁铁、高频腔、高频功率源、中心区、引出系统、真空、控制等分系统。

根据总体束流参数（11 MeV、50μA）的需要设定各分系统的主要设计参数，如表1所列。负氢离子束流由离子源产生，经过中心区加速后，约1／9即110μA 被射频场俘获，能得到后续有效加速，由于系统真空度优于1mPa，加速过程中由于氢负离子碰撞到残留分子造成的束流损失小于50%，因此最终引出的束流能达到50μA。束流能量11 MeV 则由磁铁和高频腔的设计保障，高频腔使得束流每回旋1圈能量增加约140keV，这样随着束流的不断加速，其回旋半径不断增大，最终引出半径达39cm 时达到引出能量11 MeV。

表1 回旋加速器的主要设计参数Table 1 Main design parameters of cyclotron

2 磁铁等时性调谐

等时性磁铁采用深谷结构，如图2 所示。通过对磁铁中的16根镶条进行尺寸迭代调谐，实现磁场的等时性分布。共经过4轮次调谐，调谐后磁铁的闭轨周期T 与半径R 的关系如图3所示。由图3可知，磁场分布的等时性精度优于±0.2%。在42kV 射频电压下，积分相移约为±9°［3］。

图2 等时性磁铁结构示意图Fig.2 Schematic of isochronism magnet structure

图3 闭轨周期与半径的关系Fig.3 Cycling period vs radius after tuning of maget

3 高频加速腔

高频加速腔的结构如图4所示。高频加速腔采用单侧短路设计，具有较高的高频效率。根据计算结果，如果达到100%理论品质因数Q，则在5.6kW 射频功率下，可达到42kV 射频电压。实际测量的Q 值为理论值的60%。在该Q 值下，对应42kV 射频电压的高频功率约为10kW，而高频功率源最大可输出15kW，因此可达到42kV 的射频电压。

图4 高频加速腔三维模型Fig.4 3D model of RF cavity

4 离子源

采用自加热潘宁负氢离子源，其实物照片如图5所示。在4～10sccm 气流量条件下，通过中心区后，在半径60 mm 处，负氢离子流强可达到100～160μA。考虑约1／9 的俘获效率，离子源负氢离子流强可超过1mA。

图5 潘宁负氢离子源实物照片Fig.5 Picture of H- PIG internal ion source

5 整机调试

在整机调试中，首先采用内靶测量不同半径下的束流强度。发现半径为60～380 mm时，质子束的传输效率高达95%。而负氢离子束的传输效率则较低，且随半径增加并非单调衰减。负氢离子束流强度与半径的非单调关系，很可能是由内靶上的二次电子倍增效应所致。因此重新设计了双层C 型内靶结构，如图6所示，以抑制内靶上的二次电子。采用新的内靶，重新对负氢离子束的传输效率进行测量。在两种不同的真空抽速下，负氢离子束流传输效率如图7所示，在约2 000L／s的真空抽速下，束流传输效率约为33%；在约4 000L／s的真空抽速下，束流传输效率约为58%。

图6 抑制二次电子倍增效应的双层C型内靶Fig.6 C-shaped double layer internal target for suppressing multipacting effect

图7 不同抽速下负氢离子束流的传输效率Fig.7 Transmission efficiency of H-beam at various pumping speeds

在整机调试中发现，磁场加载后和离子源加载后，与单独的高频加载相比，高频耐压都显著变差。带束条件下，高频未能实现连续波加载，最高可在80%的占空比下工作。

在低占空比下，采用二极磁铁对束流能量进行了测量。结果显示，引出质子束的能量为（11.8±0.8）MeV。在低占空比下，采用LSO晶体，对引出质子束的束斑进行了测量。结果显示，水平方向的尺寸略大于铅垂方向的尺寸，约60%的束流在直径10mm 区域之内。

最终在70%占空比下，整机的引出质子束平均流强达51μA。引出碳膜至靶的束流传输效率为60%～80%。束流轰击H218O 靶材2h，靶上平均流强为33μA。

近期采用调试后的参数进行18F 同位素生产，18F产量达65.49GBq（1.77Ci）。

［1］ OLLINGER J M，FESSLER J A.Positron emission tomography［J］.IEEE Signal Processing Magazine，1997，14（1）：43-55.

［2］ 潘中允.PET 诊断学［M］.北京：人民卫生出版社，2005：15-16.

［3］ 魏涛，杨国君，何小中，等.正电子发射成像回旋加速器磁铁设计与测试［J］.强激光与粒子束，2012，24（9）：2 193-2 197.WEI Tao，YANG Guojun，HE Xiaozhong，et al.Magnet design and test of positron emission tomography cyclotron［J］.High Power Laser and Particle Beams，2012，24（9）：2 193-2 197（in Chinese）.