楊 偉，劉 標(biāo)，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(guò)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藥物，以滿足正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)體層成像（PET）檢查的需要。該設(shè)備由近10個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間采取“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)[1-4]。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(jìn)而完成相關(guān)核反應(yīng)；粒子加速過(guò)程最大的問(wèn)題之一是盡量減少束流的損失[5]。筆者通過(guò)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(guò)調(diào)整磁場(chǎng)系統(tǒng)的勵(lì)磁電流以“彌補(bǔ)”溫度因素的影響，以使束流損失達(dá)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(guó)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(cè)試方法

在機(jī)房相對(duì)濕度保持30%的條件下，以434.5 A作為磁場(chǎng)勵(lì)磁電流的測(cè)試點(diǎn)；加速器2個(gè)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(qiáng)度為15μA的粒子流（通過(guò)離子源引出口的探針探測(cè)），在室溫環(huán)境溫度15～25℃范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試至少隔日進(jìn)行，以保證加速器真空腔的溫度接近機(jī)房溫度。通過(guò)檢測(cè)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(chǎng)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0.2～0.5 A，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)0.2～0.5 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(chǎng)最佳勵(lì)磁電流就是最后微調(diào)前一次的測(cè)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0.1 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(cè)試結(jié)果（不作勵(lì)磁電流校正補(bǔ)償）

每一溫度下測(cè)試10次，碳膜束流及束流損失率以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（±s），具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shì)，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(guò)23℃時(shí)，束流損失又有增大趨勢(shì)，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(chǎng)勵(lì)磁電流的最佳值

根據(jù)該測(cè)試方法獲得的某一溫度下的磁場(chǎng)勵(lì)磁電流不是一個(gè)固定值，而是一個(gè)波動(dòng)較小的取值范圍（數(shù)值波動(dòng)小于0.2 A）。相對(duì)于430 A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(jiàn)表2。

通過(guò)勵(lì)磁電流校正測(cè)試發(fā)現(xiàn)：勵(lì)磁電流在溫度相對(duì)較低時(shí)適度下調(diào)、溫度升高時(shí)適度上調(diào)，才能達(dá)到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0.3～0.5 A，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%的損失許可有了較大幅度提升。

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)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(wèn)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(shì)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。

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

該測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)：回旋加速器束流損失的大小與其運(yùn)行環(huán)境的溫度有明顯的相關(guān)性。究其原因，筆者認(rèn)為有以下3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(zhǎng)時(shí)），磁場(chǎng)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(chǎng)系統(tǒng)的有效磁通量降低，這種磁場(chǎng)的變化會(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[6-7]；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的磁鐵結(jié)構(gòu)成螺旋扇形，該設(shè)計(jì)使加速軌道所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨方位角的調(diào)整變化而產(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(chǎng)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)酰靼l(fā)散[8]。（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(chǎng)的勵(lì)磁電流已考慮到受溫度變化的影響，也進(jìn)行了有效“補(bǔ)償”設(shè)計(jì)。所以，PETtrace型加速器的磁場(chǎng)勵(lì)磁電流可以在基準(zhǔn)工作值上下2 A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(guò)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)，如表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。

綜上所述，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。

[1] 潘中允.PET診斷學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2005：31-32.

[2] 張虎軍，楊勤，向艷，等.醫(yī)用回旋加速器的基本原理與組成[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28（11）：59-60.

[3] 朱虹，方可元.醫(yī)用回旋加速器結(jié)構(gòu)性能分析與技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2011，17（4）：20-26.

[4] 陳澤龍.醫(yī)用回旋加速器生產(chǎn)正電子核素的質(zhì)量控制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008，29（4）：101-104.

[5] 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(guó)醫(yī)療設(shè)備，2011，26（3）：15-17.

[6] 阿.伯.格林別格.加速器物理基礎(chǔ)[M].京華，譯.北京：人民教育出版社，1961：60-66.

[7] 陳佳洱.加速器物理基礎(chǔ)[M].北京：原子能出版社，1993：146-154.

[8] 馬季曉，劉秀杰，何作祥.實(shí)用臨床核醫(yī)學(xué)[M].北京：中國(guó)原子能出版社，2012：810-811.