医用回旋加速器束流损失率的温度调节

杨 伟，刘 标，丁其勇，李天女，孙 晋，徐绪党

0 引言

医用回旋加速器作为生产正电子核素的有力工具，可以通过不同核反应形式生产多种正电子核素，进而合成具有不同显像功能的正电子药物，以满足正电子发射计算机体层成像（PET）检查的需要。该设备由近10个子系统组成，各子系统之间采取“连锁”设计，其正常运行需要各子系统功能都处于正常状态且要求相互协调[1-4]。束流诊断系统是其最重要的子系统之一，该系统保证加速粒子的正常加速，进而完成相关核反应；粒子加速过程最大的问题之一是尽量减少束流的损失[5]。笔者通过改变粒子加速环境的温度，观察温度对束流损失的影响，并通过调整磁场系统的励磁电流以“弥补”温度因素的影响，以使束流损失达到最小。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

医用回旋加速器PETtrace（美国GEmedicalsystem），98%的高纯富氧水H2O18（常熟，华益埃索托普公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同温度下束流损失的测试方法

在机房相对湿度保持30%的条件下，以434.5 A作为磁场励磁电流的测试点；加速器2个Dee电极的电压分别设定为35 kV与36.5 kV，加速真空腔的真空度保持在1.3×10-5mbar（1mbar=100Pa），自离子源引出束流强度为15μA的粒子流（通过离子源引出口的探针探测），在室温环境温度15～25℃范围内进行测试，每次测试至少隔日进行，以保证加速器真空腔的温度接近机房温度。通过检测剥离碳膜上的束流值，计算损失率。

1.2.2 不同温度下确定磁场最佳励磁电流的方法

具体方法是：在系统励磁电流出厂设定值基础上，先向上微调励磁电流值0.2～0.5 A，启动束流诊断系统观察碳膜的束流值。如果损失降低，则继续向上微调0.2～0.5 A，并记录下损失值，直至出现微调后损失值不降反增，则在此温度下磁场最佳励磁电流就是最后微调前一次的测试值。如果束流损失增大，则用同样的方法向下微调，记录损失值，逐步找到最佳电流值。有时根据具体情况也可以0.1 A的幅度微调，以使其值更加精确。

2 结果

2.1 不同温度下束流损失的测试结果（不作励磁电流校正补偿）

每一温度下测试10次，碳膜束流及束流损失率以平均值±标准差表示（±s），具体测试结果见表1。

表1 不同温度下的束流损失（±s，n=10）

表1 不同温度下的束流损失（±s，n=10）

温度/℃ 引出束流/μA 碳膜束流/μA 束流损失率/%15 15 01.77±0.09 88.2±0.63 16 15 02.49±0.13 83.4±0.86 17 15 02.73±0.13 81.8±0.89 18 15 03.78±0.15 74.8±0.98 19 15 05.44±0.12 63.7±0.78 20 15 07.00±0.13 53.3±0.89 21 15 08.12±0.12 45.9±0.82 22 15 10.16±0.13 32.3±0.84 23 15 10.87±0.22 27.5±1.48 24 15 09.76±0.13 34.9±0.84 25 15 09.03±0.19 39.8±1.30

在本实验测试条件下，束流在温度较低条件下的损失率较大，在15～23℃束流损失呈递减趋势，在23℃时束流损失降到最低，束流损失率在（27.5±1.48）%；当温度超过23℃时，束流损失又有增大趋势，即该实验条件设备运行的最佳温度为23℃。但由于PETtrace型回旋加速器出厂设置的束流损失率允许的最大值是80%，故满足设备正常工作的温度可以是18～25℃。

2.2 不同温度下磁场励磁电流的最佳值

根据该测试方法获得的某一温度下的磁场励磁电流不是一个固定值，而是一个波动较小的取值范围（数值波动小于0.2 A）。相对于430 A以上的励磁电流而言，该波动非常微小，故此处取平均值作统计，见表2。

通过励磁电流校正测试发现：励磁电流在温度相对较低时适度下调、温度升高时适度上调，才能达到束流损失尽量小的目的。温度每升高1℃，励磁电流上调幅度为0.3～0.5 A，励磁电流校正后，束流损失率在25.3%～35.3%之间，比设备出厂设定的最大值80%的损失许可有了较大幅度提升。

3 讨论

医用回旋加速器的正常运行依赖于合适的机房温度与湿度，以保证其各子系统的协调工作。但如何量化束流损失与温度的相关性是本研究最关心的问题。当然，这种量化不是绝对意义上的，只是一种变化趋势的对应，目的在于探索减小束流损失的一种方法，提高设备运行效率，实现其正常运行的有效质控。

表2 不同温度下磁场励磁电流最佳值与束流损失的关系（x，n=10）

该测试研究发现：回旋加速器束流损失的大小与其运行环境的温度有明显的相关性。究其原因，笔者认为有以下3个方面：（1）当温度高时（或者是加速器运行时间较长时），磁场励磁线圈的温度升高，线圈的电阻增大，磁感应强度减弱，从而导致磁场系统的有效磁通量降低，这种磁场的变化会引起回旋加速器加速半径的改变和加速轨道的偏离，从而导致束流损失的增大[6-7]；当温度较低时，线圈的物理属性变化相反，但导致的结果类似。（2）由于PETtrace的磁铁结构成螺旋扇形，该设计使加速轨道所处的磁场强度也随方位角的调整变化而产生轴向聚焦力。当磁感应强度明显变化时会导致磁场的径向及轴向分量的变化，进而导致束流聚焦能力变弱，束流发散[8]。（3）发散的粒子束流与加速器真空腔的碰撞机会增加，引起束流损失。

在回旋加速器出厂时，磁场的励磁电流已考虑到受温度变化的影响，也进行了有效“补偿”设计。所以，PETtrace型加速器的磁场励磁电流可以在基准工作值上下2 A进行机动调整。但是，这种调整是相对有限的，即束流损失率允许的最大值不能超过80%。因此，当温度波动明显时，这种“补偿”机制便不能奏效。这种情况下需手动校正，才能保证设备的顺利启动，如表1中15～17℃的运行环境就需要人为干预励磁电流值。

综上所述，回旋加速器加速束流的温度依赖性较强，须严格控制加速器机房的温度，以保证设备的安全有效运行。

[1] 潘中允.PET诊断学[M].北京：人民卫生出版社，2005：31-32.

[2] 张虎军，杨勤，向艳，等.医用回旋加速器的基本原理与组成[J].医疗卫生装备，2007，28（11）：59-60.

[3] 朱虹，方可元.医用回旋加速器结构性能分析与技术进展[J].中国医疗器械信息，2011，17（4）：20-26.

[4] 陈泽龙.医用回旋加速器生产正电子核素的质量控制[J].医疗卫生装备，2008，29（4）：101-104.

[5] 徐绪党，刘标，李殿富，等.医用回旋加速器工作状态下束流稳定性分析[J].中国医疗设备，2011，26（3）：15-17.

[6] 阿.伯.格林别格.加速器物理基础[M].京华，译.北京：人民教育出版社，1961：60-66.

[7] 陈佳洱.加速器物理基础[M].北京：原子能出版社，1993：146-154.

[8] 马季晓，刘秀杰，何作祥.实用临床核医学[M].北京：中国原子能出版社，2012：810-811.