医用回旋加速器系统维护与保养策略分析探讨

陈泽龙，陈自谦，许尚文，肖慧，钟群，付丽媛

联勤保障部队第九〇〇医院（原南京军区福州总医院） 医学影像中心，福建 福州 350025

引言

医用回旋加速器用于医院生产正电子放射性核素，主要有C、N、O、F等组成生命的基本元素的同位素，这些同位素与不同的药物前体结合最终合成PET/CT检查需要的正电子药物[1]。随着PET/CT检查技术的广泛普及，PET/CT检查的独特优势也为临床医生普遍接受，PET/CT检查的需求不断增加，这就需要有稳定、足量、能够满足不同检查需求的正电子放射性药物的支持。实现这一重要支持的主要设备就是医用回旋加速器[2]，并且随着PET/MR在临床上的使用[3-4]，医用回旋加速器的作用将更加凸显。如何保证医用回旋加速器的平稳运行，保证正电子放射性核素产量稳定，降低设备故障率、提高开机率成为一项重要的工作，这就要求做好医用回旋加速器的系统维护和保养。

医院使用的回旋加速器属于小型回旋加速器，其加速的粒子能量较低，例如GE PETtrace回旋加速器加速氢核能量为16.4 MeV，但是医用回旋加速器的运行包含了水、电、气的协同运作，系统复杂精细[5]，需要操作者的精心维护，做好质量控制，才能够保证设备的正常运行，根据质量控制的周期和性质，可将其分为日常维护和保养、阶段性维护和保养以及不定期维护和保养。

1 日常维护和保养

回旋加速器系统结构复杂，根据功能不同可细分为靶系统、离子源系统、真空系统、水冷系统、射频系统、磁场系统、萃取系统、诊断系统和自屏蔽系统；设备运行过程中涉及作为离子源气体的氢气、传送靶水和冷却用的氦气等；设备各个系统正常运行需要复杂精密的电子控制柜以及射频高压电路等正常工作，因此日常维护和保养对于保证回旋加速器的正常运行十分重要。

1.1 机房的温度和湿度要求

日常维护最基本的一项工作是保持机房的温度和湿度在合适的范围内，温度保持在20℃～22℃，相对湿度保持在50%～55%，合适的温湿度环境可使电子线路和机械装置更好的运行，不易损坏[6]。同时机房环境保持整洁，设备表面没有灰尘。PETtrace回旋加速器自屏蔽体内充满硼酸溶液用于吸收热中子，硼酸溶解度随温度降低而减小，机房温度过低可导致硼酸溶液中硼酸结晶析出[7]，析出物与水混合成糊状从自屏蔽体上方盖板缝隙向上渗出，漫延到自屏蔽体边沿可沿自屏蔽体外壁下行，如果析出发生在靶面板上方则渗出物下行可能损坏靶面板上阀门、电子线路和机械装置。

1.2 放射性核素传送管道维护

回旋加速器生产的放射性核素经由管道传送到化学合成器，气态核素由不锈钢管道传送，液态核素由特氟龙管道传送。特氟龙管道具有化学性质稳定、摩擦系数低、抗黏性优良的特点[8]，适合传送高纯度的靶水，但是由于核素辐射的长期作用造成管道内壁对液体的吸附作用增强，导致液体传送速度减慢体积减小，严重时液体滞留管道内无法传送。因此每2～3周应做液体传送检测，按靶水注入1.6 mL计，在我院场地测得传送时间应为22～23 s，接收到的液体应为1.39～1.41 mL，传送时间过长和液体量减少提示管道耗损需更换；同时每日核素生产结束传送到化学合成器时应观察核素传送速度和接收的量，传送速度减慢接收的核素的量减少也需要考虑更换管道。液态核素从靶室出来进入传送管道之前经过一次过滤，过滤装置核心是一片孔径为10 µm的圆形滤片，可滤去靶水中的杂质，滤片黏附杂质过多也可影响靶水传送，一般生产20次左右需要更换。

1.3 高纯氦气的使用管理

PETtrace回旋加速器利用高纯氦气将靶水经由管道传送到化学合成器。高纯氦气用气瓶储存，除了在用的氦气瓶，应多备一瓶氦气备用，当气瓶输出压力低于所需压力时可及时更换气瓶。气瓶输出压力由减压阀控制，减压阀应定期校正，确保实际输出压力与显示压力一致。

1.4 加速器冷却系统的维护

加速器采用两级水冷，一级水冷系统和二级水冷系统均需不定期补水，保证水流管道的压力和流量。AERMEC水冷系统水流压力约为0.1 MPa；SwedeWater水冷系统水流压力应不低于40 kPa，水量不能低于指示水位的最低点，同时可配备一个加压泵，当管路中压力下降时往管路中充气增加压力[9]。加速器系统控制单元和射频电子柜采用风冷，通风口用滤网过滤除尘，滤网需经常清洗保持干净利于通风。

2 阶段性维护和保养

回旋加速器利用电场和磁场的作用，在真空腔体内将带电粒子不断加速，粒子达到一定能量后被引出至靶系统上相应靶位，轰击靶室里的物质从而产生正电子放射性核素。真空腔体内的高真空由两级真空泵支持，第一级为机械泵，第二级为油扩散泵。带电粒子由离子源气体在离子源中电离产生，离子源气体为H2，产生的待加速粒子为H-粒子，H-粒子加速到一定能量后经碳膜剥离掉两个电子成为H+粒子，H+粒子被引导至相应靶位轰击靶室内物质。

2.1 18F离子液体靶的维护

PETtrace回旋加速器有六个靶位，最常用的靶是18F离子高产靶，用于生产18F放射性核素。18F靶和靶体内银质靶室如图1所示。束流经过两片Havar合金膜进入靶室轰击富氧水生成18F离子，Havar合金的成分主要有Co、Cr、Fe、Ni、W、Mo等[10]，有一定使用寿命，束流轰击一段时间后需要更换。更换Havar膜时需将整个靶从靶位上取下，放置在专用的靶体固定面板上。Havar膜经过长时间的束流轰击，膜片具有很高的辐射剂量当量，瞬时辐射剂量率可达数个毫希沃特[11]，拆开靶体后可迅速将膜片放入铅回收罐内；银质靶室用无水乙醇浸泡并置于超声滤洗器中清洗，顽固污渍可用丙酮清除，拆开后的靶体也做类似清洗。清洗晾干后的靶体和银靶室即可和新的耗材一起重新组装，新的耗材如图2所示，主要包含两片Havar合金膜、金属和橡胶密封圈。

图1 靶体和银质靶室

图2 靶维护用耗材

靶的维护十分重要，靶膜长期不更换可引起靶膜的突然破裂。束流轰击过程中靶室内压力大约400 psi，可导致靶膜突然破裂，破裂的靶膜和靶室内的液体将同时被吸入真空腔内，液体和靶膜碎片随机分布，可引起真空腔内短路。同时靶膜具有很高的辐射剂量当量，不易清理。靶的维护周期一般为半年，同样生产条件下18F放射性核素的产量持续减少时提示靶需要维护。

2.2 真空系统维护和保养

PETtrace回旋加速器真空系统初级泵和次级泵使用普发机械泵和油扩散泵。机械泵对扩散泵抽真空，机械泵也对真空腔预抽真空，真空压力达70 Pa；扩散泵油加热完成后开启高真空阀门对真空腔抽真空，高速喷射的油蒸汽将真空腔内的气体分子带到前级由前级机械泵抽走，油蒸汽冷凝回流，扩散泵可使真空压力达到10-5Pa[12]。机械泵使用一年左右需更换泵油，可从泵体上的观察窗查看油的颜色和油面位置，油位低于标准线或者油的颜色变深呈棕色则需更换泵油。更换机械泵油需完全关闭真空系统，然后拆下机械泵，放置在一定高度的工作平台上，旋开泵体观察窗面底部螺塞排出废油，废油排净后旋紧螺塞，再从泵体顶部加油孔注入新的泵油。扩散泵使用数年后（5年左右）泵油变质泵体内太脏会延长达到正常工作真空度的时间，极限真空度也会恶化，甚至达不到需要的真空度，这时需要清洗扩散泵和换油。可拆下扩散泵，取出喷射系统，倒出被氧化变质的油；喷射系统分拆开用丙酮清洗，顽固油垢要擦除，清洗晾干后倒入新的扩散泵油，再将扩散泵装配起来。检测扩散泵真空度的皮拉尼规管管头因受扩散泵油蒸汽污染，管头内滤器需经常拆下来用丙酮清洗[13]。

2.3 离子源维护和保养

回旋加速器离子源采用内置式冷阴极潘宁离子源，由阴极、对阴极和阳极筒构成，装配好的离子源如图3所示。

图3 PETtrace回旋加速器离子源

离子源气体为高纯氢气时产生负氢离子。高纯氢气进入离子源，离子源阴极、对阴极和阳极间施加高压放电电压，气体形成等离子体，同时采用径向引出方式从阳极筒侧壁缝隙引出负氢离子进入真空腔，负氢离子加速到一定能量后经剥离碳膜剥离掉两个电子成为正离子并被引导到相应靶位[14]。由于电荷积聚导致击穿放电使离子源内部表面产生金属烧蚀，同时阳极筒引出缝隙逐渐变宽，造成离子源电流逐渐增大而弧电压逐渐减小，离子源效率降低[15]。观察回旋加速器核素生产过程当离子源弧电流明显增加而电压明显下降则提示需要做离子源维护。离子源在真空腔内，排空真空腔内真空使压力恢复到正常大气压值，打开真空腔卸下离子源。松开离子源体上两颗长螺钉即可拆开离子源。PETtrace回旋加速器离子源分两部分，一部分为氢离子源，一部分为氘离子源，一般只用氢离子源。离子源体表面附着金属烧蚀形成的黑色斑块，需刮擦清除；离子源体用无水乙醇清洗并用纱布擦拭干净。厂家提供的离子源维护配件包含阳极筒和阴极以及陶瓷绝缘垫片，装配新的阳极筒需注意阳极筒引出缝隙所在表面要与离子源体表面同在一个平面上，可用专用的工具进行校正。离子源体装配好后装回加速器真空腔，待真空腔抽真空到压力为10-3Pa以下在不打开离子源电源的情况下开启离子源气体以5 sccm体积流速注入离子源，运行5～10 min以冲排附着的气体杂质，减少离子源打火。离子源维护更新后观察加速器生产时的参数可以发现相比维护前弧电流明显减小电压明显增大。

2.4 碳剥离膜的更换

从离子源引出的氢负离子加速到一定能量以后经过碳剥离膜剥离掉两个电子成为氢质子并进入相应靶位。PETtrace回旋加速器碳剥离膜装载在一个圆形轮盘上，一个轮盘可装载六片碳膜。轮盘被驱动装置定位在回旋加速器粒子旋转轨道最大半径上，当粒子束流的能量达到所需的最大能量时，所有出现在碳膜区域的负离子束穿过碳膜，带负电粒子的两个约束松弛的外层电子被剥离。PETtrace系统自动检测碳膜上的电流，当碳膜破裂或者达到设定的使用寿命时可自行切换新的碳膜，当切换到第六片碳膜时需进行碳膜更换，一般可与离子源维护同时进行，避免多次打开真空腔。更换碳膜时需拆下轮盘。

2.5 靶水过滤器的更换

回旋加速器18F离子靶生产核素结束以后靶水经由10 µm滤片过滤后进入传送管道，滤片装在一个专用过滤器内，使用一段时间后过滤器内会积存水垢，影响靶水传送，需要更换过滤器。

2.6 自屏蔽体内硼酸溶液的维护

PETtrace回旋加速器自屏蔽体内充满硼酸溶液，溶液挥发后液面下降导致液面传感器浮子下降，浮子下降到一定程度系统报错，核素不能生产同时屏蔽门无法开启，因此应定期检查屏蔽门硼酸溶液液面，液面下降时及时补水[16]。

3 不定期维护和保养

不定期维护和保养是指针对设备可能或者即将出现的问题进行的维护和保养，未雨绸缪防患于未然，避免设备停机。回旋加速器靶体采用水冷和氦冷双重冷却方法。氦气冷却系统利用氦气压缩机推动氦气经由铜管和软管到达靶体进行循环冷却，软管使用一段时间后材质逐渐变硬，颜色由无色逐渐变为浅黄色直至褐色，变质后的软管很容易在端头破裂导致氦气泄露造成氦气压力不足从而核素生产中断，因此当软管呈褐色时需要更换软管。氦气压缩机内隔膜和密封圈是橡胶材质，使用一段时间橡胶硬化也会导致氦气泄露，需要更换橡胶隔膜和密封圈。水冷系统分两级，一级水冷机采用AERMEC水冷机，当水冷机显示压缩机低压信号时，需要检测冷媒管道，确定没有冷媒泄露则添加冷媒，如果检查发现冷媒泄露则先焊补漏点再添加冷媒。支持真空系统各个阀门以及支持传送靶水的三通阀切换的压缩空气由独立的空气压缩机提供，空气压缩机故障将导致阀门无法开启加速器无法运行。有油润滑空气压缩机运行500 h需更换润滑油，同时常备传动皮带以便及时更换。回旋加速器使用一定年限以后真空系统各种类型密封圈、压缩空气连接头、二级水冷管路连接头因为老化可能产生漏气、漏水现象，需常备相应配件以便及时更换。

4 结语

一台运行良好的回旋加速器需要操作者精心地维护，做好质量控制。操作者只有在做好设备的日常维护、阶段性维护和不定期维护的基础上，设备才能够稳定运行，降低故障率，提高开机率。但是医用回旋加速器系统庞大复杂，维护质控工作涉及方方面面，还有很多细致深入的工作需要不断地总结探讨。