機房溫度對醫用回旋加速器束流損失率的影響

徐緒黨?楊偉?丁其勇　李天女?孫晉?劉標

摘 要 目的 探討醫用回旋加速器粒子加速環境溫度對束流損失的影響；確定不同溫度條件下加速器磁場系統工作時的最佳勵磁電流，實現最大程度降低束流損失。方法 在勵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，計算束流損失率；根據不同加速環境的溫度適度調整磁場勵磁電流值，使束流損失率最小。結果 勵磁電流值恒定時，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，當溫度超過23℃時，束流損失又有增大趨勢；在溫度相對較低時勵磁電流需適度下調、溫度升高時適度上調才能實現束流損失盡量小的目的。結論 回旋加速器運行環境的溫度對束流損失影響較大，通過勵磁電流校正可以有效“彌補”束流損失。

關鍵詞 回旋加速器 束流強度 溫度影響 性能測試

醫用回旋加速器作為生產正電子核素的有力工具，可以通過不同核反應形式生產多種正電子核素，進而合成具有不同顯像功能的正電子核素以滿足PET（正電子發射計算機體層成像）檢查的需要。該設備由近十個子系統組成，各子系統之間進行“連鎖”設計，其正常運行需要各子系統功能都處于正常狀態且要求相互協調[1，2]。束流診斷系統是其最重要的子系統之一，該系統保證加速粒子的正常加速，進而完成相關核反應；粒子加速過程中應盡量減少束流的損失[3]。筆者通過改變粒子加速環境的溫度，觀察溫度對束流損失的影響，并通過調整磁場系統的勵磁電流以“彌補”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 在機房相對濕度保持30%的條件下，以434.5A作為磁場勵磁電流的測試點；加速器兩Dee電極電壓分別設定為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度為15μA 的粒子流（通過離子源引出口的探針探測），在室溫環境溫度15-25℃范圍內進行測試，每次測試至少隔日進行，以保證加速器真空腔溫度接近機房溫度。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 具體方法是在系統勵磁電流出廠設定值基礎上先向上微調勵磁電流值0.2-0.5A，啟動束流診斷系統觀察碳膜的束流值；如果損失降低，則繼續向上微調0.2-0.5A，并記錄下損失值，直至出現微調后損失值不降反增，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，記錄損失值，逐步找到最佳電流值。有時根據具體情況也可以0.1A的幅度微調，以實現更加精確測定。

2 結果

2.1 不同溫度下束流損失

在不作勵磁電流校正補償情況下，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）

在本實驗測試條件下，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。即該實驗條件設備運行的最佳溫度為23℃。但由于PETtrace型回旋加速器出廠設置的束流損失率允許的最大值是80%，故滿足設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校正及校正后束流損失

根據該測試方法獲得某一溫度下的最佳磁場勵磁電流不是一個固定值，而是一個波動較小取值范圍（數值波動小于0.2A）。相對于430A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計，見圖2，圖3。

束流損失（x，n=10）

由圖2，3可見，磁場最佳勵磁電流隨溫度升高而升高。在溫度相對較低時勵磁電流需適度下調、溫度升高時適度上調才能滿足束流損失盡量小的目的，溫度每升高1℃勵磁電流上調幅度為0.3-0.5A，勵磁電流校正后束流損失率在25.3%-35.3%之間，比設備出廠設定的最大值80%的損失許可有較大幅度提升。

3 討論

醫用回旋加速器的正常運行依賴于合適的機房溫度與濕度，以保證其各子系統協調工作。但如何量化束流損失與溫度相關性是本研究最關心的問題，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，目的在于探索減小束流損失的一種方法，提高設備運行效率，實現其正常運行的有效質控。

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。該測試研究發現，回旋加速器束流損失大小與其運行環境的溫度有明顯相關性，究其原因有以下幾個方面：

（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，磁感應強度減弱，從而導致磁場系統的有效磁通量降低，這種磁場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[4]；當溫度較低時，線圈的物理屬性變化相反，但導致的結果類似。

（2）由于PETtrace磁鐵結構成螺旋扇形，該設計使加速軌道所處的磁場強度也隨方位角調變而產生軸向聚焦力。當磁感應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弱，束流發散[5]。

（3）發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，也進行有效“補償”設計，所以PETtrace型加速器的磁場勵磁電流可以在基準工作值上下2A進行機動調整，但是這種調整是相對有限的，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備的順利啟動，如圖1中15-17℃的運行環境就需要人為干預勵磁電流值。

綜上，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，以保證設備的安全有效運行。

參考文獻

[1] 徐緒黨，劉標，李殿富，等.醫用回旋加速器工作狀態下束流穩定性分析[J]. 中國醫療設備，2011，26（03）：15-17.

[2] 陳澤龍.醫用回旋加速器生產正電子核素的質量控制[J]. 醫療衛生裝備，2008，29（4）：101-104.

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

[4] 阿.伯.格林別格.加速器物理基礎[M].京華 譯.北京：人民教育出版社，1961.60-66.

[5] 馬季曉，劉秀杰，何作祥.實用臨床核醫學[M].北京：中國原子能出版社，2012.810-811.