第三节　医用回旋加速器

正电子示踪剂是实施PET/CT检查的先决条件，这些示踪剂大多使用¹¹ C、¹³ N、¹⁵O和¹⁸ F等正电子核素进行标记。由于这些核素的半衰期较短，必须在较短的时间内标记合成为适宜的正电子显像剂。而要生产示踪剂中的放射性核素，医用回旋加速器是必需设备，起着至关重要的作用。

1929年，劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958年，美国物理学家）提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。1931年，他和他的学生利文斯顿（MS Livingston）一起，研制了世界上第一台回旋加速器。1938年，托马斯（L.H.Thomas）的研究，解决了相对论及横行聚焦的问题，为后来的等时性回旋加速器奠定了基础：磁场沿方位角周期性变化，使加速粒子沿平衡轨道受到一个方位角周期性变化的磁场力，以维持轴向运动的稳定。同时，磁场沿粒子轨道一周的平均值也随半径逐渐增强，满足等时性场的要求。随后回旋加速器的研制与开发应用得到了较快的发展。1955年，首台医用回旋加速器在伦敦的Hammer-Smith医院安装，并首先应用于医学研究。在其后的几十年里，医用回旋加速器得到了迅速发展，并逐渐适合在医院“就地”安装用于生产。

医用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。

一、医用回旋加速器的基本原理与结构

不同型号、不同厂家的回旋加速器结构也各有不同，但它们的基本组成相同，一般都是由磁场系统、真空系统、离子源系统、提取系统、诊断系统、靶系统和冷却系统等主系统组成。

在回旋加速器中心部位的离子源经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电极盒（简称D型盒）中运动。D型盒与高频振荡电源相连为加速粒子提供交变的电场。在磁场和电场的作用下，被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。设粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁场强度为B的磁感线，粒子受到垂直于v和B得洛伦兹（Lorentz）力F_L的作用，该力为：

粒子轨道的曲率半径r由离心力和F_L之间的平衡状态来确定，即

由公式2可得粒子的速度v为

根据公式2和动能方程，粒子产生的动能E为

在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v₁，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dees间隙（gap）内按螺旋轨道飞行。经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dees电极盒，此后，粒子在该Dees电极盒从一边飞到等电势的另一边。每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈数成比例。被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出进入靶照射材料原子核。

现代医用回旋加速器虽然体积不大，但其结构严密紧凑，能生产临床所需要的多种放射性核素。下面以RDSEclipse型回旋加速器（图1-3）为例分别讲述一下各系统的功能。

RDS Eclipse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下文所述。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。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¹⁵ N₂为生产¹⁵O₂的原料，为生产¹⁸ F的原料等。

磁场系统包括上下磁轭、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轭之间，它产生的磁场受不锈钢磁轭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。

射频系统包括监测与控制元件、频率合成器、中级放大器、RF电源振幅器、共轴透射线、耦合电路和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。

离子源系统包括PIG离子源、ARC电源、偏向电源与氢气流量控制器等。PIG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。PIG离子源含有2个钽电极（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2000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。

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。RDSEclipse型加速器在真空室打开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。

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单一核素成为可能。

RDSEclipse型加速器靶系统包括一个集合准直器，一个可容纳2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2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。

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。

加速器运行中要产生大量的热，必须及时排除RDSEclipse型回旋加速器对靶窗采用He冷却，而对其他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。

RDSEclipse型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1gpm。

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。

RDSEclipse型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。RDSEclipse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土，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，使与氢原子或其他元素发生中子俘获而产生次级射线减少。该屏蔽系统移动简便轻松，方便调试和维修。

RDSEclipse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，其他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。RDSEclipse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。

二、医用回旋加速器的运行与维护

回旋加速器虽然在PET中心起着至关重要的作用，但是由于回旋加速器涉及放射物理、放射化学、医学工程、药物药效学等各方面知识，机器结构比较复杂，设备价格及运行成本都十分昂贵；如果平时对设备维护不利则故障发生率就会很高。目前国内医用回旋加速器的数量在不断增加，这些加速器能否发挥预期的作用，关键问题是加速器的稳定性和使用的方便性，以及加速器的寿命问题，而这些问题往往都与回旋加速器的维护水平直接相关。

现代的医用回旋加速器多已实现标准化、模块化，自动化程度比较高。运行和维护相对比较简单。但是回旋加速器毕竟还是许多不同设备的集成，其中涉及了许多学科和技术领域，属于结构复杂、技术含量比较高的医疗设备。而且就目前我国各个医院的情况来看，在回旋加速器的运行和维修方面采取的方式也各不相同，多数医院是由厂家负责维修。但从实际工作来看，医院工作人员掌握一定的维护保养知识与技能，对于保证回旋加速器的正常工作和开机率有着不可替代的作用。下面就医用回旋加速器运行和维护中比较常见普遍的问题做下简要介绍：

如前文所述，回旋加速器的结构相对复杂，涉及的技术领域比较多，因此非常有必要对相关的技术人员进行系统的培训，使其了解回旋加速器的基本常识原理，熟悉机器运行的各个环节，熟练掌握基本操作。如果条件允许，最好到开展工作较长的回旋加速器中心学习一段时间。

医用回旋加速器包括了磁场系统、真空系统、离子源系统、提取系统、诊断系统、靶系统和冷却系统，因此需要电气、电子计算机等多方面的知识。而且在加速器的使用过程中，有些常规的维护是不可缺少的，如离子源的重建与维护，剥离碳膜的更换，靶系统的清洗与靶膜的更换等，这些都需要对操作人员进行专业培训。

每一个厂家的回旋加速器往往都有它的操作规程，操作规程是设备正常运行和工作人员安全的重要保证，因此建立健全合理的操作规程是必不可少的一项内容。

这个可以参考机器说明和厂家的建议，结合本单位具体情况制定并逐渐完善。

安全是我们开展医疗活动的首要问题，因此在使用回旋加速器的过程中首先要考虑的也是安全问题。人员的培训和操作规程的制定也是为了保证人员和设备的安全。结合回旋加速器本身的特点，有以下几个问题应该特别关注：

回旋加速器运行时放射性剂量很高（主要为中子和γ光子），所以在回旋加速器运行时，要确保屏蔽设施正常工作，监控仪器实时监控。现在的医用回旋加速器多有计算机控制的连锁装置，但是工作人员也要经常检查连锁装置是否工作正常。另外在回旋加速器的长期运行中，加速器的某些部件会被活化，尤其是活化后产生的长半衰期的放射性物质，因此回旋加速器机房内的剂量程度要定期检查，做到心中有数。放射性废弃物要按规定妥善处理。

医用回旋加速器都有高频（60～80MHz）设备、高压（20～35kV）设备、强磁场设备、强流（400A）设备、大型旋转和举升设备（如真空泵、水泵、防护门、磁铁液压举升装置等），这些设备的操作、维护和调试应由专业人员和受培训的工作人员操作，操作要严格按规程谨慎操作，维护时最好有两人或者以上的人在，并且要有保护性措施和应急预案。

医用回旋加速器价格一般都比较昂贵，因此在使用过程中应该设专门人员对设备进行定期检查、检修。检查时间、检查内容、检修结果和检修人员等都应有清楚的、可以查阅的记录。

回旋加速器的一些功能和性能在机器运行一段时间后会发生变化，虽然目前很多加速器的自动化程度已经很高，但是一些机器运行的参数仍然需要人为调整，以便使机器处于最佳工作状态。另外，为了便于及时的发现问题，还有机器故障后快速地找出问题所在，这些都需要在平时的工作中对一些关键参数做必要而完整的记录。

回旋加速器的备件一般分为以下几种类型：①消耗性的部件，如离子源阴极、剥离碳膜、靶膜等；②商品化部件，如去离子器、计算机模块、气体等；③特殊部件，不能直接从市场上买到的专用部件；④不易损坏的部件，如电磁体等。

对于消耗性部件或材料，我们应该根据工作的需要做备份，同时定期检查剩余备件数目。对于商品化的易损部件或价格较低的特殊部件应该存有备件，做到一旦有问题立即更换，减少停机时间。对于特殊部件以及依赖进口的关键部件这个就需要医院与厂家协调。

三、常用正电子核素的生产

核反应（nuclear reaction）是指一定能量的粒子轰击原子核并使其产生变化或产生新核的过程。用反应式表示为：

其中a为入射粒子（轰击粒子）。入射粒子可以是α粒子（α）、质子（p）、中子（n）、光子（γ）、氘核（d）或重离子（HI）等；A为轰击对象，即靶核；b为反应后的出射粒子；B为剩余核。

必须使轰击粒子和靶核的距离接近到核力作用范围之内，即小于10～14m的数量级，才能发生核反应。

核反应是生产放射性核素的重要途径。

¹⁸O（p，n）¹⁸ F

入射粒子：质子

靶核：¹⁸O

出射粒子：中子

生成核：¹⁸ F

使用质子加速器生产不加载体、用于亲核取代反应的[¹⁸ F]氟化物是目前生产¹⁸ F的最好方法。

¹⁴ N（p，α）¹¹ C

入射粒子：质子

靶核：¹⁴ N

出射粒子：α粒子

生成核：¹¹ C

目前最方便、最常用的生产¹¹C的核反应，靶气体材料使用纯度大于99.9995%的氮气。

¹⁶O（p，α）¹³ N

入射粒子：质子

靶核：¹⁶O

出射粒子：α粒子

生成核：¹³N

目前多用该核反应生产¹³N。

¹⁵N（p，n）¹⁵O

入射粒子：质子

靶核：¹⁵ N

出射粒子：中子

生成核：¹⁵O

该方法适用于质子加速器，但是靶材料¹⁵ N属于富集同位素，价格昂贵。

入射粒子：氘核

靶核：¹⁴N

出射粒子：中子

生成核：¹⁵O

¹⁴N在自然界中大量存在，但是必须使用氘核加速器。