医用回旋加速器结构性能分析与技术进展_朱虹

.20《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4

收稿日期：2011-03-29

作者简介：朱虹，南京军区南京总医院核医学科主任；方可元，化学工程师

PET/CT(Positron emission computed tomography/CT ，正电子发射型计算机断层显像/X 线CT 显像仪)利用图像融合技术，综合了PET 功能、分子代谢影像与CT 精细解剖影像的优势，结合正电子放射性核素标记的多种分子探针的应用，在恶性肿瘤早期诊断与肿瘤分

期分级、临床疗效评估与随访监测，良、恶性病变鉴别，

协助临床治疗方案决策和放疗生物靶区确定，以及探

索肿瘤生物学特征等方面具有极为重要的作用，在心

脑血管疾病、神经变性性疾病、癫痫等的诊断、评估

等方面有独特价值，在临床的应用不断增加[1,2]。标

记各种分子探针所必需的正电子放射性核素如18F(氟-18)、11C(碳-11)、13N(氮-13)等的半衰期一般都很短，

依赖于医用回旋加速器即时生产制备。随着我国PET/CT 应用的迅速发展，对医用回旋加速器的需求也快速增长，据2010年全国调查，国内医用回旋加速器需求的年增长率达两位数[2]。本文分析医用回旋加速器的结构组成和性能特点，介绍相关技术进展。1 医用回旋加速器工作原理[3~5]回旋加速器是“粒子加速器”的一种，其设计、制造的理论基础是拉摩尔定律和劳伦斯回旋加速理论。现代回旋加速器则结合了托马斯提出的磁场强度随方位角变化的AVF 原理，采用规律变化的磁场系统，修正粒子加速过程中的相位移动、相对速度减慢和粒子回旋频率变化等，提高粒子加速效率和聚焦度。图 1 回旋加速器工作原理示意图

1.1经典劳伦斯(wrence)回旋加速器回旋加速器的核心结构是磁场系统和射频(RF)系统，性能要求很高。为防止带电粒子运动中与其他原子碰撞损失能量，需置于真空(系统)，因此对真空条件的要求也很高。图1是经典的wrence 回旋加

速器原理示意图，两块磁铁上、下隔开放置，在两磁

极间形成一个均匀磁场(B)，两个半圆形的金属扁盒

(D 形盒)隔开相对放置其中，D 形盒与高频振荡电源相联，在两个D 形盒的间隙处产生为粒子加速的交变

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《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4专题(核医学)

Thematic Forum(Nuclear Medicine)电场，交变电场的中心位置是粒子源(Ion Source)，整

个系统置于真空室内。粒子源产生的带电粒子在D 形

盒间隙电场作用下被加速，飞入D 形盒，进入D 形盒

中的带电粒子不受电场作用，但受磁极间磁场的洛伦

兹力作用，其运动遵循拉摩尔定律。拉摩尔定律是带

电粒子被反复回旋加速的理论基础之一，即恒定磁场

中带电粒子的运动角频率(ωc)是一个常数，与粒子本

身运动速度无关。设磁场强度为B ，粒子电荷为q 、质

量为m ，以速度v 飞入D 形盒，粒子将在磁场洛伦兹

(Lorentz) 力F L (F L =Bvq)的作用下在与磁场垂直的平面

上作圆周运动，设粒子圆周运动的半径为r ，则其离

心力F →= mv 2/r ，平衡运动时离心力与向心力相等，即

F →=F L ，故Bvq= mv 2/r ，等式变换得v/r=Bq/m=常数，

此常数即是在恒定磁场中带电粒子的运动角频率ωc 。

带电粒子在D 形盒中作圆周运动飞行半圈后进入D 形

盒间隙，此时D 形盒间隙的电极性刚好反转，再次为

粒子加速，飞入另一个D 形盒，重复上述过程。可见

D 形盒电极性反转频率(即RF 系统的高频频率)必须

与粒子在D 形盒中回旋飞行的频率(回旋频率，fc)相

匹配，才能不断为粒子加速，这对射频系统的要求是

很高的。由于带电粒子在恒定磁场中的运动角频率ωc

是一个常数，因此其圆周运动的回旋频率fc 和回旋周

期(时间)也是一个常数，保持不变，只有当高频频率

与粒子回旋频率fc 成整奇数倍关系时，才能实现不断

为粒子加速，这种模式称为共振或谐振加速。根据拉摩尔定律，带电粒子的运动角频率ωc=常数=Bq/m=v/r ，在相对论范围内，被加速粒子的电荷q 和质量m 大致

不变，变化的是粒子的速度v ，因此，粒子每在D 形

盒间隙电场作用下加速一次，速度v 加大，进入D 形

盒则以大于前一次圆周运动的半径作圆周飞行，加速

粒子的运动轨迹近似于螺旋运动。如图2所示，处于

中心位置的离子源高压电弧放电使气体电离，发射出

带电粒子束流，带电粒子束流在D 形盒间隙电场作用

下飞向D 形盒并被加速，进入D 形盒中的带电粒子不

受电场作用，但受磁极间磁场的洛伦兹力作用而在垂

直于磁场的平面内作圆周运动，飞行半圈后进入D 形

盒间隙，此时D 形盒间隙电场的电极性改变，故粒子

仍在电场作用下再加速飞入另一个D 形盒，继续作圆周运动飞行半圈再次进入D 复多次回旋飞行、加速，带电粒子到达圆周轨道最大半径并获得最大能量，被束流提取装置提取引出，轰击预定的靶料，得到相应的放射性核素。图2 加速粒子运动轨迹示意图1.2托马斯(L.H.Thomas)等时性回旋加速器根据相对论理论，随着粒子被加速而不断向光速接近，不仅其动能增加，其相对论质量也会随之增加。如前所述v/r=Bq/m ，则v=Bqr/m 或r=vm/Bq ，在匀强磁场中，随着粒子不断被加速，其相对论质量增加，在高频频率保持恒定时，则会导致其运动速度相对减慢、偏向圆心发生加速相位移动、粒子回旋频率发生改变(即回旋周期或时间不等)。受此限制，经典回旋加速器的粒子能量难以超过每核子20多MeV 的能量范围，且束流聚焦度降低。为克服上述不足，1938年托马斯(L.H.Thomas)提出了磁场强度随方位角变化的AVF 原理，并初步提出了扇形聚焦回旋加速器的概念，他建议采用规律排列的扇形磁铁使磁场沿方位角调变(调变磁场，即磁场强度沿方位角按一定规律周期性变化)，使粒子沿平衡轨道受到一个沿方位角周期性变化的磁场作用力，保证粒子轴向运动的稳定性，同时平均磁场沿半径扩大逐渐增强以保持严格谐振加速，满足回旋周期保持不变的等时性磁场要求。这种调变磁场回旋加速器称为托马斯型回旋加速器。因为加速粒子的回旋频率(周期)保持不变，所以又称为等时性回旋加速器。现代回旋加速器根据磁场分布形式，通过径向扇形磁铁结构、螺旋扇形磁铁结构、分离扇形磁铁结构等方式形成调变磁场。图3为分离扇形磁铁结