回旋加速器原理与应用-复旦大学附属华山医院PET中心

回旋加速器原理与应用-复旦大学附属华山医院PET中心 回旋加速器原理与应用 复旦大学附属华山医院PET中心 刘平 回旋加速器主要用于放射性药物的生产。它是用高频电场加速带电粒子的共振加速器，它最初是1930年由美国E.O. Lawrence建议建造的。相对于后来的回旋加速器，我们称之为常规回旋加速器或经典回旋加速器。其基本结构为两个半圆柱D盒置于扁圆柱形的真空室中，上下有一对圆柱形磁极，极间是大体均匀的恒定磁场。 一、回旋加速器的原理 一个荷电q、质量m的带电粒子在恒定磁场B中以速度v在与之垂直的平面上运动，将受到磁场劳仑茨(Lorentz)力F的作用而作圆周运动: L F=vBq L 设曲率半径为r，则离心力F为: 0 2F=mv/r 0 在平衡条件下:F = F，即: L0 2vBq=mv/r 由此可得: vqB=常数 ,,,crm可以看出，任意一种既定的带电粒子，在恒定的磁场中运动时，与其对应的回旋角频是一个常数，这一规律称为拉摩定律。 拉摩定律揭示的运动粒子在恒定磁场中回旋角频与粒子本身所具有的速度v无关这,c 一重要特征，成为回旋共振加速可行性的重要依据。 产生于中央区的离子源在电场的作用下开始运动，而磁场则使运动的带电粒子沿着一定的轨道运动。在非相对论范围内，整个加速过程中的粒子回旋角频保持不变，因此粒子,c,,2r2mT,,的回旋周期和频率也将保持不变: TfcccvqB 1qBf,,为了实现共振加速，高频频率或与粒子回旋频率或周期之间应满足如fTfTcrfrfccT2,mc下相等或成奇整数倍的关系: =k ffrfc =k TTrfc 这就是共振加速的必要条件。 二、回旋加速器的结构 回旋加速器主要由以下子系统组成: 1(磁场系统: 磁场系统包括上、下磁轭、线路极片、磁场线圈、磁场电源。在维修时，上磁轭可以 1 用液压装置将其升起。磁场靠安装在上下磁轭之间的线圈上的电流获得能量。磁场线圈产生的磁场受不锈钢磁轭和磁极的引导至上下极面之间小的空隙，束流在此加速。每一磁极含有4个磁嵴，临近磁嵴之间的区域称之为磁谷，磁嵴的磁场强度为磁谷的几十倍。加速的束流在到达提取半径的路径中交替暴露于强和弱的磁场。这交替的磁场(方位角变化的)对束流粒子在加速的中心层面提供了强的聚焦力，这些强的聚焦力引导粒子返回中心层面，产生高的束流引出效率。 2(射频(RF)系统: -对Dees结构提供一交替的高电压电势，并将能量转至H离子。Dees结构包含4个半径方向延伸向离子源的Dees，离子束流在经过每一个Dee不断得到能量。随着束流以这种方式得到能量，其轨道半径逐渐增加。当束流到达提取半径时，其能量也将达到预定能量。射频系统包括监测与控制电路，频率合成器，放大器，偶合网络和Dees结构(共振器)。射频频率不断且自动地受RF控制元件调整以维持Dees结构的共振。 3(离子源系统: 离子源系统在内部垂直安装的适于产生负离子的潘宁离子源(PIG离子源)产生负氢离子。PIG离子源含有2个位于中心层面上下的钽电极，1个中空的位于两个阴极之间圆柱型阳极。离子由电子轰击氢气分子产生等离子体，加速器提取氢负离子，这样产生的负氢离子在从离子源中偏压(通常14-15kV)作用下被推至一短的通道并进入加速区域。离子源依靠水冷却排出过多的热量。在正常运行时，控制系统调节离子源的电流以维持期望的靶电流。 4(真空系统: 真空系统包括磁轭之间的一真空腔室，用于系统排除的泵，仪和控制元件。真空仪表和控制元件用于监测腔室的压力及在系统出现故障时对仪器起到保护作用。真空室连续不断地抽取以排除来源于离子源及真空室内表面的气体。真空系统通常要求每天24小时不停地工作以保证这些残留的气体达到最小，加速器的性能最优化，这将有逐于提高离子的提取效率，减少加速器内部的活化。 真空系统包括2级:初级真空和高真空。初级真空由机械泵获得，高真空主要由扩散泵维持，有的采用冷凝泵、分子泵等。 5(引出系统: ,H引出系统包括1个或者2个引出装置。当通过碳箔时，与氢核结合松散的电子被剥离，使束流从负电性变成正电性，改变了磁场作用于束流的作用力方向，使带正电荷的束流向出口飞行并轰击靶。 6(靶系统: 靶系统作用是提供原料以及相关支持部件。一般现代医用回旋加速器可以同时安装多个靶。冷却用水和氦气，用于排出靶内的热量。靶电流是非常重要的值，用做控制系统的控 2 制参数。 日常使用中，靶中发生的核反应如下: 1818151516131411O(p, n)F，N(p, n)O，O(p,α)N，N(p,α)C 7(冷却系统: 在加速器运行中产生的大量热有三种方法加以排出，第一种是风冷，就是使用风扇，第二种用He冷却，第三种是水冷却。回旋加速器中大多重要部件都使用水冷却，比如:磁场线圈、离子源、D电极、扩散泵、靶体等。 8(控制系统: 先进的加速器与以前的加速器相比，最大的差别之一就是自动化程度高低的不同。回旋加速器，除了主电源、冷却系统、自屏蔽的移动外，其它部分都能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。 三、回旋加速器的辐射与防护问题 回旋加速器加速粒子能量一般较高，活度则可达几居里，因此在进行核素生产时，加速器将产生非常强的放射性，其辐射防护问题也就成了人们研究的课题之一。 辐射防护的任务是保护环境、保障从事放射性工作的人员和一般居民的健康和安全，其目的在于防止有害的非随机性效应，并限制随机性效应的发生率，使之达到被认为可以接受的水平。为了达到这个目的，需要遵守三条基本原则:辐射实践的正当化、辐射防护的最优化和个人剂量当量限值。 1、辐射源: 辐射源主要是为回旋加速器运行时产生的瞬时辐射源(主要指放射性核素和伴随产生的中子、粒子)，中子活化产物，和中子在慢化吸收过程中产生的高能射线，以及放射性,, 废物。 另外，气态放射性污染主要指加速器厅内被活化的气体、臭氧和气态放射性药物。液态污染指，主要是指当水循环系统出现问题(如泄露)时，被射线照射过的水，以及放射性药物的泄露。而固态污染，除了被活化的金属外，还包括在调试过程中使用的纸靶等废物。 2、辐射防护措施: 在加速器中产生的放射性由于采取了以下两个措施，使其被降低了: ?良好的真空系统减少了由碰撞而产生的次级辐射; 3 ?正确地选择了位于束流路径上的各种材料，比如，选择钽和碳等材料，从而减少了金 属被活化的可能性，降低了放射性。 ?回旋加速器还有屏蔽系统。与传统的加速器不同的是，现代医用小型回旋加速器采用 了良好的自屏蔽系统。使得在靶和加速器内部产生的放射性主要被与整个系统合为一 体的屏蔽系统来衰减，这个屏蔽系统位于加速器周围一圈。在设计屏蔽时，就已经考 虑到即使加速器运行产生的辐射剂量当量符合国家法规的要求，使相关人员所受到的 剂量在限值之内。而且该屏蔽系统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。而在调试和维修时，又能很方便地移开屏蔽,, 系统。 ?联锁保护: 在所有的回旋加速器中，都设计了很多联锁保护装置，防止了意外照射的发生。即使是在加速器的调试和时，也不会因为失误而导致工作人员受到大剂量照射。 3、剂量监测措施: 在加速器厅，安装了剂量率仪，用来检测整个房间内的辐射剂量率，尤其是加速器进行放射性核素生产时。当剂量率超过限值时，仪器会自动报警。 对接触放射性的工作人员来说，每个人都佩带了热释光剂量仪，用来测量个人的累积剂量(一般每3个月测量一次)，从而保证了工作人员的人身安全。 4