回旋加速器培训班-核医学大型设备培训

1、陈英茂解放军总医院核医学科核医学大型设备培训2010-6-18l1929年，劳伦斯年，劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence ；19011958；美国物理学家美国物理学家) 提出了回旋加速器的理论。提出了回旋加速器的理论。用磁场使带电粒子沿圆轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。劳伦斯因回旋加速器的一系列成果获得了1939年诺贝尔物理学奖。l1938年，托马斯（年，托马斯（L. H. Thomas）的研究，解决了相对论及）的研究，解决了相对论及横向聚焦的问题，为后来的等时性回旋加速器奠定了基础。横向聚焦的问题，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

2、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。1945年，通过改变加速电压的频率，解决相对论的限制。60年代后，等时性回旋加速器得到了迅速发展。l加速粒子的带电性质：加速粒子的带电性质：1 正离子回旋加速器；2 负离子回旋加速器l加速粒子的种类数：加速粒子的种类数：1 单粒子回旋加速器；2 多粒子回旋加速器l加速器的构造：加速器的构造：1 卧式回旋加速器；2 立式回旋加速器l医用回旋加速器多为负离子回旋加速器医用回旋加速器多为负离子回旋加速器l电场力：电场力：带电粒子在电场中跨过电位差U

3、时，获动能Ek=qUl洛伦兹力：洛伦兹力：带电粒子以速度 v 在磁场 B 中运动时，会受到一个力-洛伦兹力 F 的作用：F=q(v x B) F= qvB sin洛伦兹力总是与 v 和 B 垂直，因此不做功，但使粒子不断改变运动方向l带电粒子在磁场中的带电粒子在磁场中的圆周运动：圆周运动：粒子以初速度 v 垂直进入均匀磁场中，在洛伦兹力作用下作圆周运动，向心加速度v2/r，向心力为洛伦兹力qvB， qvB=mv2/r | v/r = qB/ m | v = Bq/ m r粒子回旋频率：fc=v/(2r)=qB/(2m)：与v、r无关，取决于B和q/ml相对论中的质量与能量相对论中的质量与能量l

4、粒子的静止质量为m0，运动质量为m；根据相对论原理粒子的静止能量为0，总能量为l磁场磁场毕奥-萨伐尔定律 = 电流通过螺线管中：B=0nI磁介质增强磁场：安培分子环流假说 - 电子绕核旋转，自旋谐振电路元件谐振电路元件交流电路中元件的特性：阻抗 Z = U0/I0 ; 相位差 = u - i 电阻 R u(t) = U0 cos t ; i(t) = I0 cos t ; u = i ZR = R ； = 0电容 C 充电电量 q(t) = Q0cos t ; u(t) = q(t)/C = Q0 /C cos t ;i(t) = dq(t)/dt = Q0 cos (t + /2) ; u

5、= 0 ; i = /2 ZC = U0/ I0 = 1/C； = - /2 电感 L 自感电动势 L = - Ldi/dt ; i(t) = I0 cos t ; u(t) = -L = Ldi/dt = LI0 cos (t + /2) ;u = /2 ; i = 0 ;ZL = U0/ I0 = L； = /2 串联谐振串联谐振在电感、电容、电阻串联电路中电容 C 与 电感 L 上的电压相位差为180度总阻抗 Z =R2 + (L - 1/C)21/2 ; 相位差 = tan-1 (L - 1/C)/R 谐振时：L = 1/C ; 总阻抗 最小 = R ; 相位差 = 0 谐振频率 f0

6、 = 0/2 = 1/2(LC)1/2品质因数 Q = 0L/R = 1/0CR 电压分配：Uc/U = UL/U = Q频率选择性：f0/f = Qu加速器最关键部件加速器最关键部件磁极和电极磁极和电极；产生两个基本场：偏转磁场和加速电场偏转磁场和加速电场；决定加速器的基本结构。u经典回旋加速器的基本构造：1. 核心部件为D形盒，形如扁圆金属盒沿直径剖开的两半，因形得名“D盒”。2. 两D盒之间留有窄缝，中心放置离子源提供被加速的带电粒子。3. 两D盒之间接交流电源，在缝隙里形成交变电场。因金属D盒屏蔽在每个D盒内的电场为零。4. D盒装在真空容器里，并位于巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，

7、磁场方向垂直于D盒表面。加速运动过程加速运动过程由离子源来的带电粒子在两D盒缝隙中被电场加速进入D盒内，在洛仑兹力作用下转向做圆周运动再次来到D盒缝隙，调整交变电场的频率使其这时电场的方向正好使粒子再次加速，随后进入另一边的D盒内作圆周运动，再次转向来到D盒缝隙，再次加速。粒子圆周运动半径 r 随速度 v 增加v/(2r)=qB/(2m)，到边缘时被引出到靶l谐振条件谐振条件保证粒子每次通过保证粒子每次通过D盒缝隙均被加速的条件是：交变电盒缝隙均被加速的条件是：交变电场的频率场的频率 fD 为带电粒子的回旋频率为带电粒子的回旋频率 fC 的整倍数的整倍数h：fD = h fC ，h 称为谐波数

8、。称为谐波数。l等时性加速器等时性加速器不考虑相对论效应，由 fc=v/(2r)=qB/(2m) 可知，对均匀的磁场，fC 是恒定的。只要电场满足 fD = h fC ，粒子就可不断地被加速。相对论效应使 fC 随 m 增加而减小，逐渐 fD = h fC 不再满足，粒子的速度达到极限。突破相对论效应限制的思路：为使突破相对论效应限制的思路：为使 fC 不随不随 m 增加而减小，可设计磁场的分布使其强度增加而减小，可设计磁场的分布使其强度 B 随随粒子轨道半径粒子轨道半径 r 的增加而增加，并刚好抵消的增加而增加，并刚好抵消 m 的增加，从而使的增加，从而使 fC 保持恒定。保持恒定。l磁钢度

9、磁钢度G：G = B rmax 磁感应强度B与最大轨道半径rmax的乘积对确定的粒子，磁刚度决定了粒子的最高加速能量l粒子的能量：粒子的能量：粒子能被加速的最高动能。常用单位为 MeVE Ek k=(Gqc)=(Gqc)2 2+ + 0 02 2) )1/2 1/2 - - 0 0l粒子束流的品质参数粒子束流的品质参数能散度：束流中粒子能量分散的程度 发射度：束流横截面尺寸与发散角的乘积。常用单位是 毫米毫弧度亮度：粒子束通过单位截面、单位立体角的束流强度 束流强度：单位时间通过的粒子数或电荷数。 常用单位为 微安l基本组成及主要功能基本组成及主要功能磁场系统：为加速粒子提供向心力洛伦兹力射频

10、系统：为加速粒子提供能量-加速电场离子源系统：提供要加速的带电粒子引出系统：使加速粒子脱离回旋加速轨道射向靶靶系统： 为生产核素进行特定核反应的场所真空系统：降低束流丢失；高压电场绝缘冷却系统：为各个高产热部件降温控制系统：监控各个系统，并发出各种指令使加速器 协调正常运行，以完成用户的相应任务磁场系统磁场系统磁场系统磁场系统 由磁铁、线圈、电源配给系统等组成。 磁场结构设计根据：粒子动力学和LH Thomas的轴向聚焦理论。 结构采用扇形磁极，形成峰-谷磁场。常用的扇形磁极有直边扇形、螺旋扇形和分离扇形等。 磁铁由含碳量极低的纯铁或低碳钢制成。1. 磁感应强度的选择磁感应强度的选择磁铁设计的

11、目标：在于满足加速粒子达到终能量所必需的磁钢度G。磁场B愈高，造价愈低。然而磁场过高时，钢材的导磁率将迅速下降，发生“磁饱和”现象，激磁效率大降；并且磁场将随激励水平而显著变化，给加速离子能量和品种的调节造成巨大的困难。通常B在1.22.0T之间。离子种类和能量固定的加速器的磁感应强度往往选在 2.0T 附近，离子和能量可变的加速器则选择在低限附近。2.磁体设计磁体设计等时性： 要求磁场必须沿半径方向逐渐增加磁场必须沿半径方向逐渐增加磁场满足上述等时性条件，将导致粒子的轴向运动的不稳定Thomas指出：磁场沿方位角周期性变化，可产生轴向的聚焦力磁场的调变度f ：调变度愈高、轴向聚焦能力愈强调变

12、度愈高、轴向聚焦能力愈强激励效率：磁铁气隙中的实际磁通量与理想值之比激磁功率取决于气隙的平均高度随着气隙的增大，造价和运行费用将迅速上升。常数00)(BBr)rc(B )rc(BB(r)cc22202122202111)cos1)(),(NfrBrBBBBBBBfminmax磁场系统磁场系统lRF是回旋加速器中关键而复杂的系统是回旋加速器中关键而复杂的系统二个功能：加速电场；从离子源中拉出离子电场主要由下列的子系统构成lRF谐振腔(RF Cavity RCAV)lRF电源发生器(RF power generator RFPG)lRF馈通电缆（RF Feeder cable）1. RF谐振腔谐振

13、腔 安装于真空室内部主要由D电极、耦合电容或电感、调节电容、附属金属腔组成。现代等时性加速器中，采用单D（=180o）、双D（90o）、4个D（ cos(hcos(h + + )=1)=1c.h 的选择：使 sin(h/2) = 1；也要兼顾频率过高的代价。d. 对进入D电极时初相位满足 =(n+1/2)-h/2 的离子，其每圈获得的最大能量h=2， =35o ，V=40kV，Ek=91.77 keV 需218圈达20MeV等效等效RLC串联谐振电路串联谐振电路电容 C 与 电感 L 上的电压相位差为180度总阻抗 Z =R2 + (L - 1/C)21/2 ; 谐振时：L = 1/C ; 总

14、阻抗 最小 = R 谐振频率 f0 = 0/2 = 1/2(LC)1/2品质因数 Q = 0L/R = 1/0CR 加速电压 ：Uc1 = QU - Uc23.RF馈通电缆馈通电缆RF电缆由同轴的中空铜外壳和铜心导体构成，并用螺旋型的塑胶间隔装置固定铜心和铜外壳电缆的长度是一个重要参数：当不匹配时，RF谐振腔失调谐2. RF电源发生器电源发生器 产生Dee电压主要部件和功能a. 由振荡器、晶体管放大器、真空管放大器、回路控制器及工作电源组成b. 振荡器： RF发生器，驱动晶体管放大器c. 晶体管放大器：放大RF，驱动真空管放大器d. 真空管放大器：RF放大，通过RF馈通电缆将其传输到谐振腔耦合

15、元件e. 回路控制器：包括真空管放大器的输入、输出相位检测调节系统；D电极电压提取反馈调节系统f. 电源配给器：主要为真空管放大器提供工作电压 真空管的工作电源：阴极、屏极、栅极、板极4个电源系统l离子源系统离子源系统 是加速器关键部件之一产生带电粒子，为加速器提供离子束许多性能指标（如束流强度、发射度、能散度、离子种类等）主要取决于离子源系统由离子源，离子源电源和气体管理系统组成离子源多为冷阴极型 (Penning ionization gauge，PIG)，阴极连接到离子源电源，离子源室（阳极）接地。D电极的中心区充当离子拉出器（Puller），当D电极电压为正时，离子被拉出并在磁场的轨道

16、中被加速，束流脉冲与RF同频率。 l离子源与束流性能离子源与束流性能束流强度：由阴极电流调节； 发射度、亮度：与等离子体温度、等离子体的发射面有关，还与离子源在引出区的空间电荷、气体原子的散射有关。能散度：与离子游离方式和电流的波动等因素有关。离子源的能量分散造成轨道分散，被捕获到的离子数减少l离子源气体的质量离子源气体的质量是影响电离效率、发射度和离子源阴极寿命的重要因素气体纯度大于99.995%，CH2含量小于1.0ppm更换离子源气体后，须用气体冲排干净管道l负氢形成的机理负氢形成的机理 主要是通过离解吸附和分离复合形成离解吸附是等离子体内部形成负离子的主要过程，对于氢分子这一过程为：e

17、 + H2 H2- H- + H分离复合反应：热灯丝发射的电子在弧压加速下与H2分子（或H原子）碰撞，使分子处于激发态（H2*），H2*与1eV的电子作用产生H-、H。这种反应的几率较小： H2 + e H2* ； H2* + e(1eV) H- + H 离子源放电腔真空度不高，H-与气体碰撞很易丢失电子，难以获取高强度H-离子束。（相比之下 H+ 需要的真空度要低一些。）等离子体建立在两个相对的阴极之间，在磁场中将保持等离子体浓聚。在电场中，电子和H-离子获得的动能相等：meve2=mHvH2 ve/vH = ( mH /me )1/2 = 47， 在引出区电子流约是H-离子流的50倍。因此

18、，H-离子源的引出系统，应兼有抑制或消除电子的功能。主要包括剥离碳膜、装载碳膜的圆盘转动器、马达等装置。被加速的负离子在通过剥离膜时被剥去二个电子，转变为正离子，在磁场中的运行轨道将向相反的方向偏转。根据磁场强度，合理地设计剥离碳膜的位置和引出管道的出口位置，就可引导束流进入任意靶。用剥离膜引出束流，其效率可以接近百分之百。18F-13N15O11C18F2132456H-D-Ion SourceExtraction System双束流引出Fixed target同时生产两种核素l靶系统：完成特定核反应的装置靶系统：完成特定核反应的装置l靶系统由靶载体、靶、控制系统组成靶系统由靶载体、靶、控制

19、系统组成l靶载体分固定和转动两类靶载体分固定和转动两类固定靶载体的靶位一字排开，固定不动，需要的束流引出系统复杂转动靶载体就像左轮手枪，束流引出通道固定，通过转动靶载体将目标靶送入通道，需要的束流引出系统简单。l每个靶有下列主要部分每个靶有下列主要部分： 靶体，包括靶的前后法兰（flange），水冷却和氦冷却管路，靶室窗，支撑连接部件等。靶室窗箔膜一般为Havar合金或钛； 靶室，装载靶物质，完成核反应的空腔。l靶体由水冷却，靶室窗与真空窗由氦气冷却靶体由水冷却，靶室窗与真空窗由氦气冷却靶系统靶系统（Target System）l靶分为气体靶、液体靶和固体靶。靶分为气体靶、液体靶和固体靶。气体

20、靶的靶室材料通常是铝，如碳-11靶，氧-15靶，氟-18气体靶；而液体靶的靶室材料通常是银，如氮-13靶，氟-18靶。l液体靶又分为低压靶和高压靶液体靶又分为低压靶和高压靶。在低压状态下，辐解和靶水沸腾会造成靶物质的较大损失，影响产额。因此，必须考虑密封和冷却，使辐解产生的氧和氢复合。低压靶可以对丰度低于50%的18O-水进行可靠轰击。高压靶室内无膨胀空间，使水的辐解降低或辐解后的氧和氢容易复合，故产量显著提高。高压靶对18O-水的纯度和丰度要求较高，丰度大于90%，纯度要求其电阻率大于18.0Mcm，因为杂质分子能够阻碍水的辐解产物氧原子和氢原子的复合，也可能会引起爆炸。靶系统靶系统（Tar

21、get System）l降低束流的丢失（较低的气体剥离）；对高频高压电场提供绝缘。l包括真空室、真空泵、高真空阀和高、低真空计。l真空系统24小时运行，保持10-7mbar（10-5Pa）的真空度真空系统真空系统（Vacuum System）l开真空腔维修规则：降低真空室的操作时间，维修后，应尽快关闭真空室；尽可能使用干燥空气或氮气代替周围空气对真空室进行泄气；在一次真空室的泄气后，对回旋加速器进行短时间的空靶运行。l冷却系统冷却系统 包括水冷却系统和He冷却系统。水冷却系统主要用于从各系统中将热量带出，带出的热量在二级水冷却系统中进行热交换，将热量传送到初级冷却系统。He冷却系统主要在打靶期

22、间对真空窗和靶窗的Havar箔膜和钛箔膜进行冷却。l水冷却系统：水冷却系统：由两个彼此独立的单元组成，即一级水冷却系统和二级水冷却系统。一级水冷却系统为热交换器提供冷却的水源，有足够能力发散掉由二级水冷却系统带出的热负荷。可使用自来水。二级水冷却系统提供加速器各系统及相关设备的冷却水，要求其水温相对恒定，使用去离子水，电导率 5 S。l氦冷却系统：氦冷却系统：由He气体、压缩机、热交换器和流量计等组成。He气在Havar箔膜和钛箔膜之间高速循环，使箔膜间产生的热能快速地经He气传送到热交换器并由二级冷却水将热量带出。如果He冷却循环有空气被充入，有可能变化为放射性臭氧，可损害O-环和隔膜。因此

23、维修保养后须填充He气，确保在循环中仅存在He气。系统系统（Cooling System）系统系统（ Control System）l控制系统控制系统：根据Master System的命令执行加速器的不同程序。由加速器控制单元、真空控制单元和界面控制单元组成。l加速器控制单元加速器控制单元：控制和调节加速器和外围设备。l界面控制系统界面控制系统：加速器控制单元和加速器其他子系统间的一种连接界面。l真空控制单元真空控制单元：控制回旋加速器真空系统的所有功能。l自屏蔽装置：通常有两个屏蔽层部分自屏蔽装置：通常有两个屏蔽层部分l内屏蔽层内屏蔽层由混有环氧树脂和碳硼化合物的高密度铅构成能使高能中子的能

24、量降低至热中子水平吸收放射性核素产生的射线l外屏蔽层外屏蔽层加聚乙烯和碳硼化合物的水泥块通过热中子的弹性碰撞，继续减缓中子的运动，最终吸收将产生的次级射线的辐射减至最小屏蔽屏蔽系统系统诊断系统（有些加速器的诊断系统不完整）监测分析束流轨道上几个位置的束流。并发出调整优化靶束流的指令由3-4个探测器和一个束流分析器组成一个探测器位于加速器内靠近中心区的轨道上方，可伸出探测（有的加速器无）；另一是束流出口处的上下准直器上（或束流引出碳膜上)的电流计；第三个是束流出口处 “闸门”上（或靶上）的电流计。束流分析器-接受分析各个探测器的信息，并发出相应的调节指令诊断诊断系统系统l不可选则的参数：束流的能

25、量是固定参数。不可选则的参数：束流的能量是固定参数。l可选择的生产条件可选择的生产条件核反应、束流的强度、轰击时间。核反应、束流的强度、轰击时间。l核素产额的影响因素核素产额的影响因素束流强度越高，核素产额越高。束流强度越高，核素产额越高。轰击时间一般在核素的轰击时间一般在核素的12个半衰期内完成，轰击个半衰期内完成，轰击时间太长，由于衰变，产额增加不明显。时间太长，由于衰变，产额增加不明显。产额的高低也依赖于靶的设计和构造以及靶物质的产额的高低也依赖于靶的设计和构造以及靶物质的化学形式。化学形式。产额也与束流的能量有关。产额也与束流的能量有关。l半衰期：半衰期：110 minl18O（p，n

26、）18F核反应生产核反应生产18F -最常用最常用l靶材料为丰度靶材料为丰度95%的的18O-H2Ol与其他正电子核素（与其他正电子核素（11C、13N、15O）相比，）相比，18F有如下优点：有如下优点：半衰期较长，有相对较充足的标记和显像时间；半衰期较长，有相对较充足的标记和显像时间； 标记灵活，可标记芳烃，烷烃和含氨基、羟基、巯标记灵活，可标记芳烃，烷烃和含氨基、羟基、巯基的化合物等多种类型的有机化合物；基的化合物等多种类型的有机化合物； 可取代有机分子中的氢原子、羟基和其他卤原子等可取代有机分子中的氢原子、羟基和其他卤原子等。l半衰期：半衰期：20 minl最常用的核反应为最常用的核反应为14N（P，）11C。l靶材料为含有痕量靶材料为含有痕量O2的高纯的高纯N2气。气。l在在11C-CO2的生产中应注意的影响因素：的生产中应注意的影响因素： 靶气体氮气的纯度应大于靶气体氮气的纯度应大于99.9995% 与靶材料和辐射剂量有关，经质