醫(yī)用回旋加速器束流損失率的溫度調(diào)節(jié)

楊 偉，劉 標，丁其勇，李天女，孫 晉，徐緒黨

0 引言

醫(yī)用回旋加速器作為生產(chǎn)正電子核素的有力工具，可以通過不同核反應(yīng)形式生產(chǎn)多種正電子核素，進而合成具有不同顯像功能的正電子藥物，以滿足正電子發(fā)射計算機體層成像（PET）檢查的需要。該設(shè)備由近10個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間采取“連鎖”設(shè)計，其正常運行需要各子系統(tǒng)功能都處于正常狀態(tài)且要求相互協(xié)調(diào)[1-4]。束流診斷系統(tǒng)是其最重要的子系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)保證加速粒子的正常加速，進而完成相關(guān)核反應(yīng)；粒子加速過程最大的問題之一是盡量減少束流的損失[5]。筆者通過改變粒子加速環(huán)境的溫度，觀察溫度對束流損失的影響，并通過調(diào)整磁場系統(tǒng)的勵磁電流以“彌補”溫度因素的影響，以使束流損失達到最小。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

醫(yī)用回旋加速器PETtrace（美國GEmedicalsystem），98%的高純富氧水H2O18（常熟，華益埃索托普公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同溫度下束流損失的測試方法

在機房相對濕度保持30%的條件下，以434.5 A作為磁場勵磁電流的測試點；加速器2個Dee電極的電壓分別設(shè)定為35 kV與36.5 kV，加速真空腔的真空度保持在1.3×10-5mbar（1mbar=100Pa），自離子源引出束流強度為15μA的粒子流（通過離子源引出口的探針探測），在室溫環(huán)境溫度15～25℃范圍內(nèi)進行測試，每次測試至少隔日進行，以保證加速器真空腔的溫度接近機房溫度。通過檢測剝離碳膜上的束流值，計算損失率。

1.2.2 不同溫度下確定磁場最佳勵磁電流的方法

具體方法是：在系統(tǒng)勵磁電流出廠設(shè)定值基礎(chǔ)上，先向上微調(diào)勵磁電流值0.2～0.5 A，啟動束流診斷系統(tǒng)觀察碳膜的束流值。如果損失降低，則繼續(xù)向上微調(diào)0.2～0.5 A，并記錄下?lián)p失值，直至出現(xiàn)微調(diào)后損失值不降反增，則在此溫度下磁場最佳勵磁電流就是最后微調(diào)前一次的測試值。如果束流損失增大，則用同樣的方法向下微調(diào)，記錄損失值，逐步找到最佳電流值。有時根據(jù)具體情況也可以0.1 A的幅度微調(diào)，以使其值更加精確。

2 結(jié)果

2.1 不同溫度下束流損失的測試結(jié)果（不作勵磁電流校正補償）

每一溫度下測試10次，碳膜束流及束流損失率以平均值±標準差表示（±s），具體測試結(jié)果見表1。

表1 不同溫度下的束流損失（±s，n=10）

表1 不同溫度下的束流損失（±s，n=10）

溫度/℃ 引出束流/μA 碳膜束流/μA 束流損失率/%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

在本實驗測試條件下，束流在溫度較低條件下的損失率較大，在15～23℃束流損失呈遞減趨勢，在23℃時束流損失降到最低，束流損失率在（27.5±1.48）%；當溫度超過23℃時，束流損失又有增大趨勢，即該實驗條件設(shè)備運行的最佳溫度為23℃。但由于PETtrace型回旋加速器出廠設(shè)置的束流損失率允許的最大值是80%，故滿足設(shè)備正常工作的溫度可以是18～25℃。

2.2 不同溫度下磁場勵磁電流的最佳值

根據(jù)該測試方法獲得的某一溫度下的磁場勵磁電流不是一個固定值，而是一個波動較小的取值范圍（數(shù)值波動小于0.2 A）。相對于430 A以上的勵磁電流而言，該波動非常微小，故此處取平均值作統(tǒng)計，見表2。

通過勵磁電流校正測試發(fā)現(xiàn)：勵磁電流在溫度相對較低時適度下調(diào)、溫度升高時適度上調(diào)，才能達到束流損失盡量小的目的。溫度每升高1℃，勵磁電流上調(diào)幅度為0.3～0.5 A，勵磁電流校正后，束流損失率在25.3%～35.3%之間，比設(shè)備出廠設(shè)定的最大值80%的損失許可有了較大幅度提升。

3 討論

醫(yī)用回旋加速器的正常運行依賴于合適的機房溫度與濕度，以保證其各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。但如何量化束流損失與溫度的相關(guān)性是本研究最關(guān)心的問題。當然，這種量化不是絕對意義上的，只是一種變化趨勢的對應(yīng)，目的在于探索減小束流損失的一種方法，提高設(shè)備運行效率，實現(xiàn)其正常運行的有效質(zhì)控。

表2 不同溫度下磁場勵磁電流最佳值與束流損失的關(guān)系（x，n=10）

該測試研究發(fā)現(xiàn)：回旋加速器束流損失的大小與其運行環(huán)境的溫度有明顯的相關(guān)性。究其原因，筆者認為有以下3個方面：（1）當溫度高時（或者是加速器運行時間較長時），磁場勵磁線圈的溫度升高，線圈的電阻增大，磁感應(yīng)強度減弱，從而導致磁場系統(tǒng)的有效磁通量降低，這種磁場的變化會引起回旋加速器加速半徑的改變和加速軌道的偏離，從而導致束流損失的增大[6-7]；當溫度較低時，線圈的物理屬性變化相反，但導致的結(jié)果類似。（2）由于PETtrace的磁鐵結(jié)構(gòu)成螺旋扇形，該設(shè)計使加速軌道所處的磁場強度也隨方位角的調(diào)整變化而產(chǎn)生軸向聚焦力。當磁感應(yīng)強度明顯變化時會導致磁場的徑向及軸向分量的變化，進而導致束流聚焦能力變?nèi)?，束流發(fā)散[8]。（3）發(fā)散的粒子束流與加速器真空腔的碰撞機會增加，引起束流損失。

在回旋加速器出廠時，磁場的勵磁電流已考慮到受溫度變化的影響，也進行了有效“補償”設(shè)計。所以，PETtrace型加速器的磁場勵磁電流可以在基準工作值上下2 A進行機動調(diào)整。但是，這種調(diào)整是相對有限的，即束流損失率允許的最大值不能超過80%。因此，當溫度波動明顯時，這種“補償”機制便不能奏效。這種情況下需手動校正，才能保證設(shè)備的順利啟動，如表1中15～17℃的運行環(huán)境就需要人為干預(yù)勵磁電流值。

綜上所述，回旋加速器加速束流的溫度依賴性較強，須嚴格控制加速器機房的溫度，以保證設(shè)備的安全有效運行。

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