回旋加速器培訓班核醫(yī)學大型設(shè)備培訓教學課件

1、回旋加速器陳英茂解放軍總醫(yī)院核醫(yī)學科核醫(yī)學大型設(shè)備培訓2010-6-18第1頁，共38頁?；匦铀倨鞯陌l(fā)展歷史1929年，勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence ；19011958；美國物理學家) 提出了回旋加速器的理論。用磁場使帶電粒子沿圓軌道旋轉(zhuǎn)，多次反復(fù)地通過高頻加速電場，直至達到高能量。勞倫斯因回旋加速器的一系列成果獲得了1939年諾貝爾物理學獎。1938年，托馬斯（L. H. Thomas）的研究，解決了相對論及橫向聚焦的問題，為后來的等時性回旋加速器奠定了基礎(chǔ)。磁場沿方位角周期性變化，使加速粒子沿平衡軌道受到一個方位角周期性變化的磁場力，以維持軸向運動的穩(wěn)定。同時，

2、磁場沿粒子軌道一周的平均值也隨半徑逐漸增強，滿足等時性場的要求。1945年，通過改變加速電壓的頻率，解決相對論的限制。60年代后，等時性回旋加速器得到了迅速發(fā)展。第2頁，共38頁?；匦铀倨鞯念愋图铀倭Ｗ拥膸щ娦再|(zhì)：1 正離子回旋加速器；2 負離子回旋加速器加速粒子的種類數(shù)：1 單粒子回旋加速器；2 多粒子回旋加速器加速器的構(gòu)造：1 臥式回旋加速器；2 立式回旋加速器醫(yī)用回旋加速器多為負離子回旋加速器第3頁，共38頁。回旋加速器的理論基礎(chǔ)電場力：帶電粒子在電場中跨過電位差U時，獲動能Ek=qU洛倫茲力：帶電粒子以速度 v 在磁場 B 中運動時，會受到一個力-洛倫茲力 F 的作用：F=q(v x

3、 B) F= qvB sin洛倫茲力總是與 v 和 B 垂直，因此不做功，但使粒子不斷改變運動方向帶電粒子在磁場中的圓周運動：粒子以初速度 v 垂直進入均勻磁場中，在洛倫茲力作用下作圓周運動，向心加速度v2/r，向心力為洛倫茲力qvB， qvB=mv2/r | v/r = qB/ m | v = Bq/ m r粒子回旋頻率：fc=v/(2r)=qB/(2m)：與v、r無關(guān)，取決于B和q/m第4頁，共38頁。相對論中的質(zhì)量與能量粒子的靜止質(zhì)量為m0，運動質(zhì)量為m；根據(jù)相對論原理粒子的靜止能量為0，總能量為磁場畢奧-薩伐爾定律 = 電流通過螺線管中：B=0nI磁介質(zhì)增強磁場：安培分子環(huán)流假說 -

4、電子繞核旋轉(zhuǎn)，自旋回旋加速器的理論基礎(chǔ)第5頁，共38頁?；匦铀倨鞯睦碚摶A(chǔ)諧振電路元件交流電路中元件的特性：阻抗 Z = U0/I0 ; 相位差 = u - i 電阻 R u(t) = U0 cos t ; i(t) = I0 cos t ; u = i ZR = R ； = 0電容 C 充電電量 q(t) = Q0cos t ; u(t) = q(t)/C = Q0 /C cos t ;i(t) = dq(t)/dt = Q0 cos (t + /2) ; u = 0 ; i = /2 ZC = U0/ I0 = 1/C； = - /2 電感 L 自感電動勢 L = - Ldi/dt ;

5、i(t) = I0 cos t ; u(t) = -L = Ldi/dt = LI0 cos (t + /2) ;u = /2 ; i = 0 ;ZL = U0/ I0 = L； = /2 第6頁，共38頁?；匦铀倨鞯睦碚摶A(chǔ)串聯(lián)諧振在電感、電容、電阻串聯(lián)電路中電容 C 與 電感 L 上的電壓相位差為180度總阻抗 Z =R2 + (L - 1/C)21/2 ; 相位差 = tan-1 (L - 1/C)/R 諧振時：L = 1/C ; 總阻抗 最小 = R ; 相位差 = 0 諧振頻率 f0 = 0/2 = 1/2(LC)1/2品質(zhì)因數(shù) Q = 0L/R = 1/0CR 電壓分配：Uc/U

6、 = UL/U = Q頻率選擇性：f0/f = Q第7頁，共38頁。回旋加速器的原理加速器最關(guān)鍵部件磁極和電極；產(chǎn)生兩個基本場：偏轉(zhuǎn)磁場和加速電場；決定加速器的基本結(jié)構(gòu)。經(jīng)典回旋加速器的基本構(gòu)造：1. 核心部件為D形盒，形如扁圓金屬盒沿直徑剖開的兩半，因形得名“D盒”。2. 兩D盒之間留有窄縫，中心放置離子源提供被加速的帶電粒子。3. 兩D盒之間接交流電源，在縫隙里形成交變電場。因金屬D盒屏蔽在每個D盒內(nèi)的電場為零。4. D盒裝在真空容器里，并位于巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，磁場方向垂直于D盒表面。第8頁，共38頁。回旋加速器的原理加速運動過程由離子源來的帶電粒子在兩D盒縫隙中被電場加速

7、進入D盒內(nèi)，在洛侖茲力作用下轉(zhuǎn)向做圓周運動再次來到D盒縫隙，調(diào)整交變電場的頻率使其這時電場的方向正好使粒子再次加速，隨后進入另一邊的D盒內(nèi)作圓周運動，再次轉(zhuǎn)向來到D盒縫隙，再次加速。粒子圓周運動半徑 r 隨速度 v 增加v/(2r)=qB/(2m)，到邊緣時被引出到靶諧振條件保證粒子每次通過D盒縫隙均被加速的條件是：交變電場的頻率 fD 為帶電粒子的回旋頻率 fC 的整倍數(shù)h：fD = h fC ，h 稱為諧波數(shù)。第9頁，共38頁。回旋加速器的原理等時性加速器不考慮相對論效應(yīng)，由 fc=v/(2r)=qB/(2m) 可知，對均勻的磁場，fC 是恒定的。只要電場滿足 fD = h fC ，粒子就

8、可不斷地被加速。相對論效應(yīng)使 fC 隨 m 增加而減小，逐漸 fD = h fC 不再滿足，粒子的速度達到極限。突破相對論效應(yīng)限制的思路：為使 fC 不隨 m 增加而減小，可設(shè)計磁場的分布使其強度 B 隨粒子軌道半徑 r 的增加而增加，并剛好抵消 m 的增加，從而使 fC 保持恒定。第10頁，共38頁?；匦铀倨鞯脑泶配摱菺：G = B rmax 磁感應(yīng)強度B與最大軌道半徑rmax的乘積對確定的粒子，磁剛度決定了粒子的最高加速能量粒子的能量：粒子能被加速的最高動能。常用單位為 MeVEk=(Gqc)2+02)1/2 -0粒子束流的品質(zhì)參數(shù)能散度：束流中粒子能量分散的程度 發(fā)射度：束流橫截面尺

9、寸與發(fā)散角的乘積。常用單位是 毫米毫弧度亮度：粒子束通過單位截面、單位立體角的束流強度 束流強度：單位時間通過的粒子數(shù)或電荷數(shù)。 常用單位為 微安第11頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成及功能基本組成及主要功能磁場系統(tǒng)：為加速粒子提供向心力洛倫茲力射頻系統(tǒng)：為加速粒子提供能量-加速電場離子源系統(tǒng)：提供要加速的帶電粒子引出系統(tǒng)：使加速粒子脫離回旋加速軌道射向靶靶系統(tǒng)： 為生產(chǎn)核素進行特定核反應(yīng)的場所真空系統(tǒng)：降低束流丟失；高壓電場絕緣冷卻系統(tǒng)：為各個高產(chǎn)熱部件降溫控制系統(tǒng)：監(jiān)控各個系統(tǒng)，并發(fā)出各種指令使加速器 協(xié)調(diào)正常運行，以完成用戶的相應(yīng)任務(wù)第12頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成-磁場系統(tǒng)磁場系統(tǒng)由

10、磁鐵、線圈、電源配給系統(tǒng)等組成。磁場結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)：粒子動力學和LH Thomas的軸向聚焦理論。結(jié)構(gòu)采用扇形磁極，形成峰-谷磁場。常用的扇形磁極有直邊扇形、螺旋扇形和分離扇形等。磁鐵由含碳量極低的純鐵或低碳鋼制成。磁感應(yīng)強度的選擇磁鐵設(shè)計的目標：在于滿足加速粒子達到終能量所必需的磁鋼度G。磁場B愈高，造價愈低。然而磁場過高時，鋼材的導(dǎo)磁率將迅速下降，發(fā)生“磁飽和”現(xiàn)象，激磁效率大降；并且磁場將隨激勵水平而顯著變化，給加速離子能量和品種的調(diào)節(jié)造成巨大的困難。通常B在1.22.0T之間。離子種類和能量固定的加速器的磁感應(yīng)強度往往選在 2.0T 附近，離子和能量可變的加速器則選擇在低限附近。第13頁

11、，共38頁。磁體設(shè)計等時性： 要求磁場必須沿半徑方向逐漸增加磁場滿足上述等時性條件，將導(dǎo)致粒子的軸向運動的不穩(wěn)定Thomas指出：磁場沿方位角周期性變化，可產(chǎn)生軸向的聚焦力磁場的調(diào)變度f ：調(diào)變度愈高、軸向聚焦能力愈強激勵效率：磁鐵氣隙中的實際磁通量與理想值之比激磁功率取決于氣隙的平均高度隨著氣隙的增大，造價和運行費用將迅速上升?；匦铀倨鞯慕M成-磁場系統(tǒng)第14頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成-射頻系統(tǒng)（RF System）RF是回旋加速器中關(guān)鍵而復(fù)雜的系統(tǒng)二個功能：加速電場；從離子源中拉出離子電場主要由下列的子系統(tǒng)構(gòu)成RF諧振腔(RF Cavity RCAV)RF電源發(fā)生器(RF power

12、generatorRFPG)RF饋通電纜（RF Feeder cable）RF諧振腔 安裝于真空室內(nèi)部主要由D電極、耦合電容或電感、調(diào)節(jié)電容、附屬金屬腔組成?，F(xiàn)代等時性加速器中，采用單D（=180o）、雙D（90o）、4個D（ cos(h+)=1h 的選擇：使 sin(h/2) = 1；也要兼顧頻率過高的代價。對進入D電極時初相位滿足 =(n+1/2)-h/2 的離子，其每圈獲得的最大能量HM-20S , h=2， =35o ，V=40kV，Ek=91.77 keV 需218圈達20MeV第16頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成-射頻系統(tǒng)（RF System）等效RLC串聯(lián)諧振電路電容 C 與 電

13、感 L 上的電壓相位差為180度總阻抗 Z =R2 + (L - 1/C)21/2 ; 諧振時：L = 1/C ; 總阻抗 最小 = R 諧振頻率 f0 = 0/2 = 1/2(LC)1/2品質(zhì)因數(shù) Q = 0L/R = 1/0CR 加速電壓 ：Uc1 = QU - Uc2第17頁，共38頁。RF饋通電纜RF電纜由同軸的中空銅外殼和銅心導(dǎo)體構(gòu)成，并用螺旋型的塑膠間隔裝置固定銅心和銅外殼電纜的長度是一個重要參數(shù)：當不匹配時，RF諧振腔失調(diào)諧回旋加速器的組成-射頻系統(tǒng)（RF System）RF電源發(fā)生器 產(chǎn)生Dee電壓主要部件和功能由振蕩器、晶體管放大器、真空管放大器、回路控制器及工作電源組成振蕩

14、器： RF發(fā)生器，驅(qū)動晶體管放大器晶體管放大器：放大RF，驅(qū)動真空管放大器真空管放大器：RF放大，通過RF饋通電纜將其傳輸?shù)街C振腔耦合元件回路控制器：包括真空管放大器的輸入、輸出相位檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)；D電極電壓提取反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)電源配給器：主要為真空管放大器提供工作電壓真空管的工作電源：陰極、屏極、柵極、板極4個電源系統(tǒng)第18頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成-離子源系統(tǒng)離子源系統(tǒng) 是加速器關(guān)鍵部件之一產(chǎn)生帶電粒子，為加速器提供離子束許多性能指標（如束流強度、發(fā)射度、能散度、離子種類等）主要取決于離子源系統(tǒng)由離子源，離子源電源和氣體管理系統(tǒng)組成離子源多為冷陰極型 (Penning ionization

15、gauge，PIG)，陰極連接到離子源電源，離子源室（陽極）接地。D電極的中心區(qū)充當離子拉出器（Puller），當D電極電壓為正時，離子被拉出并在磁場的軌道中被加速，束流脈沖與RF同頻率。第19頁，共38頁。離子源與束流性能束流強度：由陰極電流調(diào)節(jié)； 發(fā)射度、亮度：與等離子體溫度、等離子體的發(fā)射面有關(guān)，還與離子源在引出區(qū)的空間電荷、氣體原子的散射有關(guān)。能散度：與離子游離方式和電流的波動等因素有關(guān)。離子源的能量分散造成軌道分散，被捕獲到的離子數(shù)減少離子源氣體的質(zhì)量是影響電離效率、發(fā)射度和離子源陰極壽命的重要因素氣體純度大于99.995%，CH2含量小于1.0ppm更換離子源氣體后，須用氣體沖排干

16、凈管道回旋加速器的組成-離子源系統(tǒng)第20頁，共38頁。負氫形成的機理 主要是通過離解吸附和分離復(fù)合形成離解吸附是等離子體內(nèi)部形成負離子的主要過程，對于氫分子這一過程為：e + H2 H2- H- + H分離復(fù)合反應(yīng)：熱燈絲發(fā)射的電子在弧壓加速下與H2分子（或H原子）碰撞，使分子處于激發(fā)態(tài)（H2*），H2*與1eV的電子作用產(chǎn)生H-、H。這種反應(yīng)的幾率較小： H2 + e H2* ； H2* + e(1eV) H- + H 離子源放電腔真空度不高，H-與氣體碰撞很易丟失電子，難以獲取高強度H-離子束。（相比之下 H+ 需要的真空度要低一些。）等離子體建立在兩個相對的陰極之間，在磁場中將保持等離子

17、體濃聚。在電場中，電子和H-離子獲得的動能相等：meve2=mHvH2 ve/vH = ( mH /me )1/2 = 47， 在引出區(qū)電子流約是H-離子流的50倍。因此，H-離子源的引出系統(tǒng)，應(yīng)兼有抑制或消除電子的功能。回旋加速器的組成-離子源系統(tǒng)第21頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成-束流引出系統(tǒng)主要包括剝離碳膜、裝載碳膜的圓盤轉(zhuǎn)動器、馬達等裝置。被加速的負離子在通過剝離膜時被剝?nèi)ザ€電子，轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子，在磁場中的運行軌道將向相反的方向偏轉(zhuǎn)。根據(jù)磁場強度，合理地設(shè)計剝離碳膜的位置和引出管道的出口位置，就可引導(dǎo)束流進入任意靶。用剝離膜引出束流，其效率可以接近百分之百。第22頁，共38頁。18F

18、-13N15O11C18F2132456H-D-Ion SourceExtraction System雙束流引出Fixed target回旋加速器的組成-束流引出系統(tǒng)同時生產(chǎn)兩種核素第23頁，共38頁。靶系統(tǒng)：完成特定核反應(yīng)的裝置靶系統(tǒng)由靶載體、靶、控制系統(tǒng)組成靶載體分固定和轉(zhuǎn)動兩類固定靶載體的靶位一字排開，固定不動，需要的束流引出系統(tǒng)復(fù)雜轉(zhuǎn)動靶載體就像左輪手槍，束流引出通道固定，通過轉(zhuǎn)動靶載體將目標靶送入通道，需要的束流引出系統(tǒng)簡單。每個靶有下列主要部分： 靶體，包括靶的前后法蘭（flange），水冷卻和氦冷卻管路，靶室窗，支撐連接部件等。靶室窗箔膜一般為Havar合金或鈦； 靶室，裝載靶物

19、質(zhì)，完成核反應(yīng)的空腔。靶體由水冷卻，靶室窗與真空窗由氦氣冷卻回旋加速器的組成-靶系統(tǒng)（Target System）第24頁，共38頁。靶分為氣體靶、液體靶和固體靶。氣體靶的靶室材料通常是鋁，如碳-11靶，氧-15靶，氟-18氣體靶；而液體靶的靶室材料通常是銀，如氮-13靶，氟-18靶。液體靶又分為低壓靶和高壓靶。在低壓狀態(tài)下，輻解和靶水沸騰會造成靶物質(zhì)的較大損失，影響產(chǎn)額。因此，必須考慮密封和冷卻，使輻解產(chǎn)生的氧和氫復(fù)合。低壓靶可以對豐度低于50%的18O-水進行可靠轟擊。高壓靶室內(nèi)無膨脹空間，使水的輻解降低或輻解后的氧和氫容易復(fù)合，故產(chǎn)量顯著提高。高壓靶對18O-水的純度和豐度要求較高，豐度

20、大于90%，純度要求其電阻率大于18.0Mcm，因為雜質(zhì)分子能夠阻礙水的輻解產(chǎn)物氧原子和氫原子的復(fù)合，也可能會引起爆炸?；匦铀倨鞯慕M成-靶系統(tǒng)（Target System）第25頁，共38頁。降低束流的丟失（較低的氣體剝離）；對高頻高壓電場提供絕緣。包括真空室、真空泵、高真空閥和高、低真空計。真空系統(tǒng)24小時運行，保持10-7mbar（10-5Pa）的真空度回旋加速器的組成-真空系統(tǒng)（Vacuum System）開真空腔維修規(guī)則：降低真空室的操作時間，維修后，應(yīng)盡快關(guān)閉真空室；盡可能使用干燥空氣或氮氣代替周圍空氣對真空室進行泄氣；在一次真空室的泄氣后，對回旋加速器進行短時間的空靶運行。第26

21、頁，共38頁。冷卻系統(tǒng) 包括水冷卻系統(tǒng)和He冷卻系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)主要用于從各系統(tǒng)中將熱量帶出，帶出的熱量在二級水冷卻系統(tǒng)中進行熱交換，將熱量傳送到初級冷卻系統(tǒng)。He冷卻系統(tǒng)主要在打靶期間對真空窗和靶窗的Havar箔膜和鈦箔膜進行冷卻。水冷卻系統(tǒng)：由兩個彼此獨立的單元組成，即一級水冷卻系統(tǒng)和二級水冷卻系統(tǒng)。一級水冷卻系統(tǒng)為熱交換器提供冷卻的水源，有足夠能力發(fā)散掉由二級水冷卻系統(tǒng)帶出的熱負荷?？墒褂米詠硭?。二級水冷卻系統(tǒng)提供加速器各系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的冷卻水，要求其水溫相對恒定，使用去離子水，電導(dǎo)率 5 S。氦冷卻系統(tǒng)：由He氣體、壓縮機、熱交換器和流量計等組成。He氣在Havar箔膜和鈦箔膜之間高速

22、循環(huán)，使箔膜間產(chǎn)生的熱能快速地經(jīng)He氣傳送到熱交換器并由二級冷卻水將熱量帶出。如果He冷卻循環(huán)有空氣被充入，有可能變化為放射性臭氧，可損害O-環(huán)和隔膜。因此維修保養(yǎng)后須填充He氣，確保在循環(huán)中僅存在He氣?；匦铀倨鞯慕M成冷卻系統(tǒng)（Cooling System）第27頁，共38頁?；匦铀倨鞯慕M成控制系統(tǒng)（ Control System）控制系統(tǒng)：根據(jù)Master System的命令執(zhí)行加速器的不同程序。由加速器控制單元、真空控制單元和界面控制單元組成。加速器控制單元：控制和調(diào)節(jié)加速器和外圍設(shè)備。界面控制系統(tǒng)：加速器控制單元和加速器其他子系統(tǒng)間的一種連接界面。真空控制單元：控制回旋加速器真空系

23、統(tǒng)的所有功能。第28頁，共38頁。自屏蔽裝置：通常有兩個屏蔽層部分內(nèi)屏蔽層由混有環(huán)氧樹脂和碳硼化合物的高密度鉛構(gòu)成能使高能中子的能量降低至熱中子水平吸收放射性核素產(chǎn)生的射線外屏蔽層加聚乙烯和碳硼化合物的水泥塊通過熱中子的彈性碰撞，繼續(xù)減緩中子的運動，最終吸收將產(chǎn)生的次級射線的輻射減至最小回旋加速器的組成屏蔽系統(tǒng)第29頁，共38頁。診斷系統(tǒng)（有些加速器的診斷系統(tǒng)不完整）監(jiān)測分析束流軌道上幾個位置的束流。并發(fā)出調(diào)整優(yōu)化靶束流的指令由3-4個探測器和一個束流分析器組成一個探測器位于加速器內(nèi)靠近中心區(qū)的軌道上方，可伸出探測（有的加速器無）；另一是束流出口處的上下準直器上（或束流引出碳膜上)的電流計；第

24、三個是束流出口處 “閘門”上（或靶上）的電流計。束流分析器-接受分析各個探測器的信息，并發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令回旋加速器的組成診斷系統(tǒng)第30頁，共38頁?；匦铀倨鞯纳a(chǎn)不可選則的參數(shù)：束流的能量是固定參數(shù)?？蛇x擇的生產(chǎn)條件核反應(yīng)、束流的強度、轟擊時間。核素產(chǎn)額的影響因素束流強度越高，核素產(chǎn)額越高。轟擊時間一般在核素的12個半衰期內(nèi)完成，轟擊時間太長，由于衰變，產(chǎn)額增加不明顯。產(chǎn)額的高低也依賴于靶的設(shè)計和構(gòu)造以及靶物質(zhì)的化學形式。產(chǎn)額也與束流的能量有關(guān)。第31頁，共38頁。18F的生產(chǎn)半衰期：110 min18O（p，n）18F核反應(yīng)生產(chǎn)18F -最常用靶材料為豐度95%的18O-H2O與其他正電子核素（11C、13N、15O）相比，18F有如下優(yōu)點：半衰期較長，有相對較充足的標記和顯像時間； 標記靈活，可標記芳烴，烷烴和含氨基、羥基、巰基的化合物等多種類型的有機化合物； 可取代有機分子中的氫原子、羥基和其他鹵原子等。第32頁，共38頁。11C的生產(chǎn)半衰期：20 min最常用的核反應(yīng)為14N（P，）11C。靶材料為含有痕量O2的高純N2氣。在11C-CO2的生產(chǎn)中應(yīng)注