內(nèi)離子源小型回旋加速器的調(diào)試

何小中，龐 健，趙良超，馬超凡，楊興林，魏 濤，楊 振，龍繼東，楊國君，李成剛，董 攀，李 勤，王 韜，秦 玲，王敏鴻，張開志，石金水

（中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621900）

正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（PET）是一種利用短壽命（半衰期一般小于2h）正電子核素標(biāo)記的顯像劑進(jìn)行體內(nèi)生物分子代謝顯像和受體顯像的方法［1-2］。現(xiàn)已廣泛用于多種疾病的診斷與鑒別診斷、病情判斷、療效評(píng)價(jià)、臟器功能研究和新藥開發(fā)等方面。全身氟代葡萄糖（18F-FDG）代謝PET 顯像目前已成功應(yīng)用于腫瘤診斷和分期，對(duì)腫瘤治療產(chǎn)生了重要影響。PET 顯像已經(jīng)成為新世紀(jì)醫(yī)學(xué)的熱點(diǎn)之一。PET 設(shè)備主要分為兩大部分，一部分是PET顯像儀，另一部分為生產(chǎn)正電子核素的小型回旋加速器。

小型回旋加速器通過將質(zhì)子（或氘離子等）加速到幾MeV 至數(shù)十MeV 的能量轟擊到靶材上，通過（p，n）等核反應(yīng)生產(chǎn)正電子放射性核素。加速器的能量越高、流強(qiáng)越高，能夠生產(chǎn)的正電子放射性核素種類越多，產(chǎn)量也越高，但對(duì)應(yīng)的技術(shù)難度和成本也越高。綜合考慮同位素藥物產(chǎn)量、成本等因素，中國工程物理研究院流體物理研究所于2007年底開始研制能量為11MeV、平均流強(qiáng)為50μA 的小型質(zhì)子回旋加速器樣機(jī)。本工作對(duì)該加速器進(jìn)行調(diào)試，從而使各部件和整機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 緊湊型回旋加速器總體設(shè)計(jì)參數(shù)

緊湊型回旋加速器的主體構(gòu)成及徑向聚集等時(shí)性回旋加速器磁極的形狀如圖1所示。氫負(fù)離子（或其他離子）從離子源中發(fā)射出來，經(jīng)過Dee型盒的加速間隙，由于加速間隙間存在加速射頻電場(chǎng)，氫負(fù)離子得到加速，并且由于軸向磁場(chǎng)（一般由如圖1b 所示的等時(shí)性磁鐵產(chǎn)生）的存在，氫負(fù)離子進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)，到達(dá)Dee型盒的下一個(gè)加速間隙，此時(shí)射頻加速電場(chǎng)再次對(duì)氫負(fù)離子進(jìn)行加速，氫負(fù)離子不停地得到加速，最終達(dá)到一定的能量，并到達(dá)引出半徑，經(jīng)過一層薄的碳膜，將氫負(fù)離子的兩個(gè)電子剝離掉，從而使粒子在磁場(chǎng)中的回旋方向發(fā)生改變，得以引出。

圖1 回旋加速器的主體構(gòu)成（a）及磁極的形狀（b）Fig.1 Main component of cyclotron（a）and magnet pole shape（b）

可將小型回旋加速器細(xì)分為離子源、磁鐵、高頻腔、高頻功率源、中心區(qū)、引出系統(tǒng)、真空、控制等分系統(tǒng)。

根據(jù)總體束流參數(shù)（11 MeV、50μA）的需要設(shè)定各分系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所列。負(fù)氫離子束流由離子源產(chǎn)生，經(jīng)過中心區(qū)加速后，約1／9即110μA 被射頻場(chǎng)俘獲，能得到后續(xù)有效加速，由于系統(tǒng)真空度優(yōu)于1mPa，加速過程中由于氫負(fù)離子碰撞到殘留分子造成的束流損失小于50%，因此最終引出的束流能達(dá)到50μA。束流能量11 MeV 則由磁鐵和高頻腔的設(shè)計(jì)保障，高頻腔使得束流每回旋1圈能量增加約140keV，這樣隨著束流的不斷加速，其回旋半徑不斷增大，最終引出半徑達(dá)39cm 時(shí)達(dá)到引出能量11 MeV。

表1 回旋加速器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of cyclotron

2 磁鐵等時(shí)性調(diào)諧

等時(shí)性磁鐵采用深谷結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。通過對(duì)磁鐵中的16根鑲條進(jìn)行尺寸迭代調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的等時(shí)性分布。共經(jīng)過4輪次調(diào)諧，調(diào)諧后磁鐵的閉軌周期T 與半徑R 的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，磁場(chǎng)分布的等時(shí)性精度優(yōu)于±0.2%。在42kV 射頻電壓下，積分相移約為±9°［3］。

圖2 等時(shí)性磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of isochronism magnet structure

圖3 閉軌周期與半徑的關(guān)系Fig.3 Cycling period vs radius after tuning of maget

3 高頻加速腔

高頻加速腔的結(jié)構(gòu)如圖4所示。高頻加速腔采用單側(cè)短路設(shè)計(jì)，具有較高的高頻效率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果達(dá)到100%理論品質(zhì)因數(shù)Q，則在5.6kW 射頻功率下，可達(dá)到42kV 射頻電壓。實(shí)際測(cè)量的Q 值為理論值的60%。在該Q 值下，對(duì)應(yīng)42kV 射頻電壓的高頻功率約為10kW，而高頻功率源最大可輸出15kW，因此可達(dá)到42kV 的射頻電壓。

圖4 高頻加速腔三維模型Fig.4 3D model of RF cavity

4 離子源

采用自加熱潘寧負(fù)氫離子源，其實(shí)物照片如圖5所示。在4～10sccm 氣流量條件下，通過中心區(qū)后，在半徑60 mm 處，負(fù)氫離子流強(qiáng)可達(dá)到100～160μA。考慮約1／9 的俘獲效率，離子源負(fù)氫離子流強(qiáng)可超過1mA。

圖5 潘寧負(fù)氫離子源實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Picture of H- PIG internal ion source

5 整機(jī)調(diào)試

在整機(jī)調(diào)試中，首先采用內(nèi)靶測(cè)量不同半徑下的束流強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)半徑為60～380 mm時(shí)，質(zhì)子束的傳輸效率高達(dá)95%。而負(fù)氫離子束的傳輸效率則較低，且隨半徑增加并非單調(diào)衰減。負(fù)氫離子束流強(qiáng)度與半徑的非單調(diào)關(guān)系，很可能是由內(nèi)靶上的二次電子倍增效應(yīng)所致。因此重新設(shè)計(jì)了雙層C 型內(nèi)靶結(jié)構(gòu)，如圖6所示，以抑制內(nèi)靶上的二次電子。采用新的內(nèi)靶，重新對(duì)負(fù)氫離子束的傳輸效率進(jìn)行測(cè)量。在兩種不同的真空抽速下，負(fù)氫離子束流傳輸效率如圖7所示，在約2 000L／s的真空抽速下，束流傳輸效率約為33%；在約4 000L／s的真空抽速下，束流傳輸效率約為58%。

圖6 抑制二次電子倍增效應(yīng)的雙層C型內(nèi)靶Fig.6 C-shaped double layer internal target for suppressing multipacting effect

圖7 不同抽速下負(fù)氫離子束流的傳輸效率Fig.7 Transmission efficiency of H-beam at various pumping speeds

在整機(jī)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)加載后和離子源加載后，與單獨(dú)的高頻加載相比，高頻耐壓都顯著變差。帶束條件下，高頻未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)波加載，最高可在80%的占空比下工作。

在低占空比下，采用二極磁鐵對(duì)束流能量進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，引出質(zhì)子束的能量為（11.8±0.8）MeV。在低占空比下，采用LSO晶體，對(duì)引出質(zhì)子束的束斑進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，水平方向的尺寸略大于鉛垂方向的尺寸，約60%的束流在直徑10mm 區(qū)域之內(nèi)。

最終在70%占空比下，整機(jī)的引出質(zhì)子束平均流強(qiáng)達(dá)51μA。引出碳膜至靶的束流傳輸效率為60%～80%。束流轟擊H218O 靶材2h，靶上平均流強(qiáng)為33μA。

近期采用調(diào)試后的參數(shù)進(jìn)行18F 同位素生產(chǎn)，18F產(chǎn)量達(dá)65.49GBq（1.77Ci）。

［1］ OLLINGER J M，F(xiàn)ESSLER J A.Positron emission tomography［J］.IEEE Signal Processing Magazine，1997，14（1）：43-55.

［2］ 潘中允.PET 診斷學(xué)［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，2005：15-16.

［3］ 魏濤，楊國君，何小中，等.正電子發(fā)射成像回旋加速器磁鐵設(shè)計(jì)與測(cè)試［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2012，24（9）：2 193-2 197.WEI Tao，YANG Guojun，HE Xiaozhong，et al.Magnet design and test of positron emission tomography cyclotron［J］.High Power Laser and Particle Beams，2012，24（9）：2 193-2 197（in Chinese）.