徐緒黨?楊偉?丁其勇　李天女?孫晉?劉標(biāo)

摘 要 目的 探討醫(yī)用回旋加速器粒子加速環(huán)境溫度對(duì)束流損失的影響；確定不同溫度條件下加速器磁場系統(tǒng)工作時(shí)的最佳勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)最大程度降低束流損失。方法 在勵(lì)磁電流值恒定條件下，分別在不同的溫度條件下（15-25℃）測量加速粒子自粒子源至剝離碳膜的束流損失情況，計(jì)算束流損失率；根據(jù)不同加速環(huán)境的溫度適度調(diào)整磁場勵(lì)磁電流值，使束流損失率最小。結(jié)果 勵(lì)磁電流值恒定時(shí)，束流在低溫條件下束流損失率較大，在15-23℃溫度范圍隨溫度升高束流損失呈遞減趨勢，當(dāng)溫度超過23℃時(shí)，束流損失又有增大趨勢；在溫度相對(duì)較低時(shí)勵(lì)磁電流需適度下調(diào)、溫度升高時(shí)適度上調(diào)才能實(shí)現(xiàn)束流損失盡量小的目的。結(jié)論 回旋加速器運(yùn)行環(huán)境的溫度對(duì)束流損失影響較大，通過勵(lì)磁電流校正可以有效“彌補(bǔ)”束流損失。

關(guān)鍵詞 回旋加速器 束流強(qiáng)度 溫度影響 性能測試

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(jìn)而合成具有不同顯像功能的正電子核素以滿足PET（正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層成像）檢查的需要。該設(shè)備由近十個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間進(jìn)行“連鎖”設(shè)計(jì)，其正常運(yùn)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)[1，2]。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(jìn)而完成相關(guān)核反應(yīng)；粒子加速過程中應(yīng)盡量減少束流的損失[3]。筆者通過改變粒子加速環(huán)境的溫度，觀察溫度對(duì)束流損失的影響，并通過調(diào)整磁場系統(tǒng)的勵(lì)磁電流以“彌補(bǔ)”溫度因素的影響，以保證最小束流損失。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

醫(yī)用回旋加速器PETtrace（美國GE medical system），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(jī)房相對(duì)濕度保持30%的條件下，以434.5A作為磁場勵(lì)磁電流的測試點(diǎn)；加速器兩Dee電極電壓分別設(shè)定為35Kv與36.5Kv，加速真空腔真空度保持在1.3×10-5mbar，自離子源引出束流強(qiáng)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(jìn)行測試，每次測試至少隔日進(jìn)行，以保證加速器真空腔溫度接近機(jī)房溫度。通過檢測剝離碳膜上的束流值計(jì)算損失率。

1.2.2 不同溫度下確定磁場最佳勵(lì)磁電流的方法 具體方法是在系統(tǒng)勵(lì)磁電流出廠設(shè)定值基礎(chǔ)上先向上微調(diào)勵(lì)磁電流值0.2-0.5A，啟動(dòng)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)0.2-0.5A，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(lì)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(shí)根據(jù)具體情況也可以0.1A的幅度微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)更加精確測定。

2 結(jié)果

2.1 不同溫度下束流損失

在不作勵(lì)磁電流校正補(bǔ)償情況下，每一溫度下測試十次，碳膜束流及束流損失率以平均值表示（x），具體測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同溫度下的碳膜束流值及束流損失率（x ，n=10）

在本實(shí)驗(yàn)測試條件下，束流在溫度較低條件下束流損失率較大，在15-23℃溫度范圍束流損失呈遞減趨勢，在23℃時(shí)束流損失降到最低，束流損失率在27.5%±1.48%；當(dāng)溫度超過23℃時(shí)，束流損失又有增大趨勢。即該實(shí)驗(yàn)條件設(shè)備運(yùn)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(lì)磁電流的校正及校正后束流損失

根據(jù)該測試方法獲得某一溫度下的最佳磁場勵(lì)磁電流不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)波動(dòng)較小取值范圍（數(shù)值波動(dòng)小于0.2A）。相對(duì)于430A以上的勵(lì)磁電流而言，該波動(dòng)非常微小，故此處取平均值作統(tǒng)計(jì)，見圖2，圖3。

束流損失（x，n=10）

由圖2，3可見，磁場最佳勵(lì)磁電流隨溫度升高而升高。在溫度相對(duì)較低時(shí)勵(lì)磁電流需適度下調(diào)、溫度升高時(shí)適度上調(diào)才能滿足束流損失盡量小的目的，溫度每升高1℃勵(lì)磁電流上調(diào)幅度為0.3-0.5A，勵(lì)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%的損失許可有較大幅度提升。

3 討論

醫(yī)用回旋加速器的正常運(yùn)行依賴于合適的機(jī)房溫度與濕度，以保證其各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。但如何量化束流損失與溫度相關(guān)性是本研究最關(guān)心的問題，當(dāng)然，這種量化不是絕對(duì)意義上的，只是一種變化趨勢的對(duì)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(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)其正常運(yùn)行的有效質(zhì)控。

加速器碳膜束流值越大，束流損失率越小，即加速粒子自粒子源引出至加速終端過程中因各種因素丟失的越少。該測試研究發(fā)現(xiàn)，回旋加速器束流損失大小與其運(yùn)行環(huán)境的溫度有明顯相關(guān)性，究其原因有以下幾個(gè)方面：

（1）當(dāng)溫度高時(shí)（或者是加速器運(yùn)行時(shí)間較長時(shí)），磁場勵(lì)磁線圈的溫度升高，線圈的電阻增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致磁場系統(tǒng)的有效磁通量降低，這種磁場變化會(huì)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(dǎo)致束流損失的增大[4]；當(dāng)溫度較低時(shí)，線圈的物理屬性變化相反，但導(dǎo)致的結(jié)果類似。

（2）由于PETtrace磁鐵結(jié)構(gòu)成螺旋扇形，該設(shè)計(jì)使加速軌道所處的磁場強(qiáng)度也隨方位角調(diào)變而產(chǎn)生軸向聚焦力。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁場的徑向及軸向分量的變化，進(jìn)而導(dǎo)致束流聚焦能力變?nèi)?，束流發(fā)散[5]。

（3）發(fā)散的粒子束流與加速器真空腔的碰撞機(jī)會(huì)增加，引起束流損失。

在回旋加速器出廠時(shí)，磁場的勵(lì)磁電流已考慮到受溫度變化的影響，也進(jìn)行有效“補(bǔ)償”設(shè)計(jì)，所以PETtrace型加速器的磁場勵(lì)磁電流可以在基準(zhǔn)工作值上下2A進(jìn)行機(jī)動(dòng)調(diào)整，但是這種調(diào)整是相對(duì)有限的，即束流損失率允許的最大值不能超過80%。因此，當(dāng)溫度波動(dòng)明顯時(shí)，這種“補(bǔ)償”機(jī)制便不能奏效。這種情況下需手動(dòng)校正才能保證設(shè)備的順利啟動(dòng)，如圖1中15-17℃的運(yùn)行環(huán)境就需要人為干預(yù)勵(lì)磁電流值。

綜上，回旋加速器加速束流的溫度依賴性較強(qiáng)，須嚴(yán)格控制加速器機(jī)房的溫度，以保證設(shè)備的安全有效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐緒黨，劉標(biāo)，李殿富，等.醫(yī)用回旋加速器工作狀態(tài)下束流穩(wěn)定性分析[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備，2011，26（03）：15-17.

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[3] 王穎，唐文偉，徐緒黨，等.醫(yī)用回旋加速器束流引出位置對(duì)液體靶工作效率的影響[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2010，25（12）：7-9.

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[5] 馬季曉，劉秀杰，何作祥.實(shí)用臨床核醫(yī)學(xué)[M].北京：中國原子能出版社，2012.810-811.