医用回旋加速器C靶结构分析与使用管理

刘 健 张晓军 李云钢 付华平 陈英茂

随着正电子发射计算机断层显像/CT(positronemission tomography/CT，PET/CT)在全国范围的日趋普及，以及PET/CT在更多领域的应用，常规的氟18-氟代脱氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)已不能满足临床应用，大量的碳11(11C)标记药物在临床得到了更广泛的应用[1-2]。医用回旋加速器作为PET/CT的配套设备，主要用于生产放射性核素标记各类显像剂，而C靶是其生产11C核素的重要标配系统。本研究以SUMITOMO HM-20S型医用回旋加速器(日本住友重机械工业株式会社)为例，阐述C靶的结构、工作原理、常见故障以及C靶的使用管理。

1 医用回旋加速器C靶系统

靶系统是完成特定核反应产生相应核素的装置。C靶系统生成11C核素，所以又称C靶。C靶为气体靶，填充气体为N2与O2的混合气体，其中O2含量为0.5%。该系统主要包含气体填充装置、C靶体、水冷系统和氦(He)冷系统[3]。

1.1 气体填充装置

气体填充装置主要包括N2和O2混合气瓶、减压阀及电磁阀等。C靶在填充时，打开自动填充系统，电磁阀打开，将减压阀预设值最低压力为1.58 MPa的N2和O2混合气填充到靶体中，C靶填充完毕。

1.2 C靶体

1.2.1 C靶体结构

C靶体是直接插入到真空腔壁槽内，通过快速夹钳压紧固定。靶室与真空腔之间有真空膜和靶膜两层膜，且真空膜与靶膜是相互独立的，可单独拆卸，卸下靶体，则不会影响真空。C靶体结构见图1。

1.2.2 C靶体组装

C靶体在维护后组装，是一项重要工作。靶体的组装主要是C靶靶膜的安装，C靶组件经超声清洗，待靶体组件干燥后，将O圈放入靶体的凹槽内，把裁剪好的靶膜放在上面，压上法兰，力度均匀的拧紧6颗螺丝，使靶腔不漏气；然后将靶体插入到真空腔壁槽内，用快速夹钳压紧固定，连接好水冷、He冷和靶体充气的快插接头。

图1 医用回旋加速器C靶体结构

1.2.3 C靶体安装注意事项

C靶体安装前，仔细检查是否清洗干净；靶膜在安装好后，要注意检漏；多次更换靶膜后，靶体螺丝老化，拧紧螺丝时注意力度。

1.2.4 C靶体工作机制

C靶体检漏过后，即可运行加速器。C靶内填充的为含有0.5%的O2的高纯N2气。C靶填充满时靶内的压力为1.58 MPa，轰击时的压力为1.93～4 MPa。为防止轰击C靶时产生大量的热，使靶膜破裂，在开始运行加速器时，同时打开He冷和水冷系统，对靶体进行冷却。当C靶填充完，离子源和射频系统启动完成后，即可点击轰靶。此时，束流通过引出系统，经过C靶前的真空膜和C靶的靶膜后轰击氮氧混合气，进行核反应。核反应式为:14N+1H→11C+α，产生正电子核素11C。11C核素产量根据需要分别轰击5～30 min，然后通过管道传输至合成模块处进行药物合成。

1.3 He冷却系统

He冷却系统主要是打靶期间对真空窗和靶窗的真空膜和靶膜进行冷却。He气在靶膜和真空膜之间高速循环，使膜间产生的热能快速地经过He气传送至热交换器并由二级冷却水将热量带出[3-4]。He冷循环系统见图2。

图2 He冷循环系统

1.3.1 He冷却系统结构

HM-20S型回旋加速器为A、B两侧8个靶位(图2)，每个靶位均配有阀门。当使用所选靶位时，对侧相同位置阀门同时开启。整个循环系统为密闭系统，压力超过限定压力时，互锁报错，此时不能正常运行。

1.3.2 He冷却系统工作机制

启动加速器前，首先选择靶位，然后选择对应靶位的阀门和对侧相应靶位阀门为常开状态。开启加速器时，He冷循环同时开启，打开阀门⑨，排除干净循环系统内残存气体，关闭阀门⑨，打开阀门①、阀门⑩、He压缩机、A侧靶和B侧靶所有阀门，进行一个检查循环，压力表的压力保持在0.14 MPa，流量计显示流量正常后，关闭阀门①和未选靶位相应阀门，He冷循环正式进入工作状态(图2)。循环系统内压力＜0.12 MPa时，打开阀门①进行补充He气，使压力保持在0.12～0.14 MPa。

1.4 水冷系统

水冷系统分一级水冷和二级水冷两部分，一级水冷主要用于冷却二级水冷的循环水。加速器靶体冷却由二级水冷负责(图3)。

图3 靶体水冷循环系统

1.4.1 水冷系统结构

加速器各系统的水冷系统为二级水冷，循环的冷却水为去离子水，冷却水通过不锈钢球阀，流量控制器分配各路用水量，冷却水的温度、水阻和水流量等信号用于各相关设备的控制及安全联锁[5]。

1.4.2 水冷系统工作机制

水冷系统处于连续工作状态，流经每一个靶体。靶体散热需水冷的水流量大，流量计的水流变小后，相应连锁装置会出现报错，查找原因，解决问题后，恢复运行。

2 医用回旋加速器C靶使用管理

回旋加速器的C靶属高频率使用部件，每周使用10～15次。维护好C靶是保证药物合成的重要前提。

2.1 操作人员培训

回旋加速器应由核医学科物理和放射化学专业人员使用管理。经过专业培训，并考试合格，了解有关制度、规则和要求，具有独立处理发生预警情况的能力，才准许操作回旋加速器。使用管理人员应全面了解加速器工作原理及可能发生的各种情况，加强对回旋加速器的使用管理[6-8]。

2.2 健全使用管理制度

回旋加速器属复杂大型设备，应设置专人管理和操作。C靶使用中出现的小问题和小故障应当能及时解决，回旋加速器日常尚有其他靶体运行，因此内部故障一般只能周末维修维护。

建立使用登记本(卡)，对开机情况、使用情况和出现的问题进行详细登记，可为C靶维修保养提供完整的技术资料[9-11]。

回旋加速器坚持进行日检查、周维护和定期(2次/年)进行预防性维护，巡查中及时发现问题和解决问题；厂商工程师定期(1次/年)进行维护保养。C靶日常使用中严格按照表格要求填写，即:机房温度和湿度、水冷流量及压力和温度、He冷气瓶压力、氢气瓶压力、混合气体压力、靶膜和真空膜使用次数，减少故障率。

保持厂商工程师联系，及时得到厂商工程师指导，是降低停机率的有力保证。

2.3 机房环境

(1)机房温度保持在(19±2)℃，C靶运行中会释放大量的热，环境温度过高，会加重设备的散热负担。散热变差，产量下降，靶膜和真空膜易破裂。

(2)相对湿度为30%～60%，湿度过大，C靶在轰击时，会使放射气体中水含量过大，合成捕获效率变差，同时缩短设备电子元器件寿命。

(3)每周进行一次大扫除，使用吸尘器和拖把，禁用扫把，保持机房干净。

(4)机房保持良好的通风，有利于设备正常运行。C靶为气体靶，当靶发生泄漏后，可快速通过通风系统，将靶放射性气体排出机房。

2.4 放射防护

(1)中子和γ射线辐射。回旋加速器加速质子轰击填充氮氧混合气的C靶体，发生14N(p，α)11C反应，在生产11C的同时，尚产生α粒子和γ光子，γ射线穿透屏蔽墙可对加速器周围环境和人群产生辐射。C靶运行产生高能的γ射线，会使回旋加速器内部结构材料活化，产生多种核素，因此在加速器刚停止轰击C靶后进入机房的人员易造成辐射危害[12]。

(2)安装防护装置。为防止轰击C靶过程中人员误入机房，防护门和加速器安装连锁装置，只有防护门关闭加速器才能启动。机房入口处设置警示标志灯，机房墙壁上设置γ射线报警探头，在启动加速器轰击C靶时警示标志灯亮起，γ射线剂量超过阈值时，探头发出警报[13-14]。

(3)提高使用管理人员放射防护意识。C靶使用管理和维修人员，应遵循时间、距离和屏蔽防护3要素。因此，C靶出现故障时，需24 h或更长时间的衰变后才能维修，C靶维修时应在铅L形屏风后进行，减少对身体的影响。

3 医用回旋加速器C靶系统故障分析

3.1 核素产量下降

由于11C半衰期比较短，核素产量下降影响较大，即使增加打靶时间也难以弥补。导致核素产量下降的主要原因有填充靶压过低、气瓶气体水分含量过高、靶膜低压不漏高压漏和束流位置未在靶心4个方面。

3.1.1 填充靶压过低

混合气气瓶压力过低时，填充进靶体的气体压力会相应降低。HM-20S型的C靶为气体高压靶，当气体压力过低时，生产的核素产量下降。此情况需调节混合气气瓶上的减压阀，使填充气体的压力达到预设值，若气压仍达不到，则更换新的混合气瓶。

3.1.2 气瓶气体水分含量过高

由于模块的11C捕获是使用loop环浸泡在液氮中进行捕获，当混合气体气瓶水分含量过高时，会使水汽在loop中结冰，堵塞管线，11C气体不能通过。此情况需更换新的混合气瓶。

3.1.3 气体泄漏

回旋加速器在填充靶的压力下检测，无泄漏报错，但在运行过程中，碳靶的压力会随时间增长，靶体压力呈阶梯下降，表现为靶膜低压下气体无泄漏，高压下气体泄漏，通常此情况一般为连接靶体和管路之间的阀门出现了泄漏，更换阀门问题就能解决。

3.1.4 束流位置未在靶心

回旋加速器长时间使用后，射频位置会产生轻微变化，此时可造成照射时不能照射在靶心。此情况在回旋加速器使用一段时间后应适当调节准直器位置来调整束流位置，保证加速器在最好的工作状态。

3.2 靶膜破损

C靶属高压靶，靶膜破损比较常见。加速器打靶过程中，靶膜破损，会造成靶体内的气体泄漏到空气中，此时γ射线辐射监测报警仪会提示报警[13-14]。靶膜破损后需要24 h或更长时间的衰变，才能卸下靶体进行靶膜的更换。造成靶膜破损的主要原因有束流挡板开启时预设电流过大、水冷效率低靶压过高和维护时间到期3个方面。新旧靶膜比较见图4。

图4 新旧靶膜比较图

3.2.1 束流挡板开启时预设电流过大

回旋加速器准备完成后，需打开束流挡板进行照射。设备参数为提前预设，当预设电流过大时，瞬间束流过大，靶内压力升高，造成靶膜破损。此情况需修正预设参数，把束流挡板打开时的电流改小。

3.2.2 水冷效率低靶压过高

水冷系统长时间使用后，会造成管道内径变小，这样流速会相应变低，此时就不能有效起到冷却作用，使靶内压力一直处于增高状态，最后造成靶膜破损。此情况需在加入内循环水时应当使用去离子水，使用一段时间后应当进行必要的配件更换和维护。

3.2.3 维护时间到期

回旋加速器的C靶靶膜一般都有使用寿命，使用寿命到期后，应注意及时更换靶膜，此时若不进行更换，很容易造成靶膜破损，从而使工作或实验无法进行。

3.3 He冷却系统故障

3.3.1 循环未打开

回旋加速器各项均启动后，此时加速器的束流挡板显示“NOT READY”(没有准备好)的提示，He冷却系统循环未打开，加速器进入自我保护状态，此时就不能打开束流挡板进行照射。此情况一般均为加速器控制柜断电后引起，需手动打开He冷却系统的控制界面，点击WASH按钮，将He冷却系统WASH一遍，然后再点击CIRCULATE(循环)，He冷却系统就可工作。

3.3.2 系统漏气

He冷却系统漏气，会造成压力过低，此时就不能有效地冷却C靶系统，在进行C靶照射时，靶压快速升高，造成靶膜破损。此情况一般先进行He冷却循环系统的漏气检测，找到漏点进行维修，然后再进行漏气检测，直至循环压力正常为止，He冷却系统可正常循环。

3.4 水冷系统故障

3.4.1 冷却水循环系统堵塞

冷却水循环系统堵塞一般指内循环水管路堵塞，内循环水主要进行靶体冷却，管路尤其是接头部分使用时间过长后会产生堵塞，使冷却水的流量下降，无法满足靶体冷却，轻则造成产量下降，重则C靶压力升高，靶膜破损。此情况先检查接头位置，更换接头，然后再检查管道，进行管道更换。

3.4.2 水冷机故障

水冷机主要是外循环水，外循环水是冷却内循环水系统。气温升高时，水冷机故障率增加，主要为散热不够，或压力过大造成压缩机管道破裂。一般此情况，需先清理室外散热风机，保持散热风机的清洁，使风机散热效率更高；管道破裂一般表现为氟利昂泄露，使水冷机压力表显示失压，这样就只能停机，进行管道更换。

4 结语

回旋加速器结构复杂，各系统之间相互关联，任何一处出现问题，均影响设备正常运行。靶系统是完成特定核反应装置，也是最容易出问题的系统，需操作维护工程师，熟悉和了解设备的系统结构及工作原理，科学使用管理，及时排除一般性故障，短时间内使设备恢复正常运行。