分子影像學近年來發展迅速，PET/CT結合正電子放射性核素標記的多種分子探針的應用，在惡性腫瘤早期診斷與腫瘤分期分級、臨床療效評估與隨訪監測，良、惡性病變鑒別，協助臨床治療方案決策和放療生物靶區確定，以及探索腫瘤生物學特征等方面起著極為重要的作用，而回旋加速器生產的放射性核素，經化學合成模塊合成的放射性藥物是PET/CT檢查的先決條件。今天，核醫之窗小編就帶大傢一起來深入瞭解一下醫用回旋加速器。

問：醫用回旋加速器具體是用來做什麼的？

答：醫用回旋加速器目前主要是給PET/CT提供FDG或其他標記性藥物生產原材料18F、13N、11C等放射性核素的設備。還有不少醫院和科研機構的回旋加速器，已經開始固體靶核素應用的研究和臨床。

問：這麼厲害的設備，究竟是誰想出來的？

答：這都要歸功於回旋加速器之父——歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯。讓我們通過一組漫畫瞭解一下回旋加速器的發展歷程吧。（勘誤：漫畫中“玫”應為“玖”）

a243545b958fd274d21cc3b1845b4d7e經典勞倫斯回旋加速器，兩塊磁鐵上、下隔開放置，在兩磁極間形成一個均勻磁場(B)，兩個半圓形的金屬扁盒(D形盒)隔開，相對放置其中。D形盒與高頻振蕩電源相聯在兩個D形盒的間隙處產生為粒子加速的交變電場，交變電場的中心位置是粒子源(lonSource) ，整個系統放置於真空室內。

回旋加速器工作原理

帶電粒子在磁場和交變電場的作用下，反復在磁場做回旋運動，並被交變電場反復加速，達到預期所需要的粒子能量，通過引出系統引出後，轟擊在靶材料上，獲得所需要的核素。

右：歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯

回旋加速器的基本組成

NO.1 離子源

離子源由離子源、離子源電源及氫氣控制系統所組成，主要負責產生帶電粒子，為加速器提供離子束。離子源系統從結構上可分為外部離子源系統（多峰負氫離子源）和內部離子源系統（冷陰極潘寧離子源）。離子源氫氣氣體純度要求大於99.9999%，否則會影響電離效率，電子發射度和離子源陰極使用壽命。

IBA 18/9 回旋加速器，具有兩個離子源陰極：高電子發射 (經離子源電源提供初始激發電壓)陽極筒：與陰極一起激發生成等離子體c431c704015e9b4f7c223db426ef9ee3吸極：和D型盒連接提供交變電場，與離子源形成電勢差從而將帶電粒子引出。

冷陰極潘寧離子源

冷陰極潘寧離子源采用雙陰極的結構設計，激發電子穿過陽極筒過程中受到對陰極的反作用，於是電子在陰極-對陰極之間反復震蕩，不斷撞擊氣體粒子使之電離。

在磁場作用下，電子做螺旋運動，延遲電子向陽極運動，延長瞭電子運動路程和停駐時間，從而增加電子與氣體粒子碰撞機會，提高瞭離子束的穩定性。

NO.2 射頻系統

產生與粒子頻率一致的高頻交變電場，為粒子加速提供能量。配合吸極，在中心區產生高電壓，從離子源中拉出粒子。射頻系統主要由射頻發生器和諧振腔構成，射頻發生器提供的高頻電壓應與諧振腔頻率一致，否則諧振腔將會給射頻發生器較大的反饋功率，導致射頻系統不穩定甚至損壞。

射頻發生器主要組成

IBA射頻發生器

·射頻信號發生器：產生低電平射頻信號，信號輸出到晶體管放大器。

·晶體管放大器：放大低電平射頻信號，驅動真空管放大器。

·真空管放大器：射頻信號高功率放大，通過RF饋通電纜將其傳輸到諧振腔耦合承元。

·回路控制：包括真空管放大器的輸入、輸出相位檢測調節系統；射頻初級、末級輸出及反射功率；D電極電壓提取反饋調節系統。

·電源配給：主要為上述各個系統提供工作電壓。

NO.3 磁場系統

提供洛倫茲力

提供洛倫茲力讓離子做圓周運動以實現回旋加速。

等時加速

解決質量增大導致的離子回旋角頻率的變化，根據相對論，粒子在加速過程中其質量隨速度不斷增加，離子的回旋角速度ω=gB/m ，可知其角速度ω會不斷減小，而射頻電壓頻率是保持不變的，這樣積累下去會導致粒子在經過某個DEE時被減速而不是加速。為此應在半徑方向上使平均磁場強度隨半徑增大，則可以使角速度保持恒定。

聚焦作用

由於大量離子從離子源引出時的初始條件不一樣，即初始位置、運動方向不一樣，應盡可能使那些初始條件不一樣的離子構成的束團一起加速下去而不散開，以保證絕大多數離子能夠被引到剝離膜上，而不是損失在真空腔內，聚焦作用又可分為軸向聚焦和徑向聚焦。

軸向聚焦:對於初始運動方向不在磁極軌道平面內的離子，由扇形提供沿軸向的洛倫茲力，抵消軸向運動分量，並將之拉回磁極平面內，從而實現瞭軸向聚焦。

徑向聚焦:由圓周原理，離子在軌道平面內遠離或偏向中心軌道內時，受到的洛倫茲力與向心力不平衡，由梯度磁場將內偏或外偏的離子拉回到中心平衡軌道上來，從而實現瞭徑向聚焦。

磁力線並不是簡單垂直於磁極平面的，而是由中心到邊緣逐漸減弱的，磁力線由中心向外鼓起，並且是軸向對稱的，粒子的運動可以分解為徑向和軸向兩個分量，特有的的磁體設計抵消瞭粒子非圓周運動的分量。

磁場系統組成

磁場系統由磁場電源、激勵線圈和磁鐵構成。由加速器控制系統控制磁場電源產生具有高穩定度的直流電流，由電磁感應原理可知，饋入直流電的激勵線圈在磁鐵的調節下產生垂直於束流軌道平面的梯度磁場。

·磁體電源：高穩定性的穩流直流電源，對其輸出電流因溫度產生的漂移極小。由變壓器將高壓交流電轉變為低壓交流電，再經LC濾波電路來濾除雜峰電流，然後通過整流電路將交流電整流為平滑的直流電，最後經直流變壓器輸出需要的直流電。

·激勵線圈：中空銅管組成，位於磁極之下，內部由去離子水實時冷卻， 以減小溫度變化帶來的溫度漂移。

·磁鐵：分為磁扼和磁極兩部分，標準鋼構成，作用是配合勵磁線圈產生梯度磁場，磁極由四個磁峰 (hill) 和磁谷 (valley) 構成。

磁場電源IBA深谷式的磁場

NO.4 引出系統

被加速的負離子在通過剝離膜時被剝去二個電子，轉變為正離子 (質子) ，在磁場洛倫茲力的作用下，運行軌道將向相反的方向偏轉到靶系統。

引出系統由剝離碳膜、裝載碳膜的裝置、驅動等組成。

NO.5 靶系統

靶系統是完成特定核反應的裝置，靶載體分固定和移動兩類。按靶材料分類可分為氣體靶、液體靶和固體靶，其中液體靶又分為低壓靶和高壓靶。

生產核素常見的核反應類型有 (p,n) 、( p, 2n)、 (p,a)、(d,n)反應。

18F的生產

回旋加速器產生的高能質子，轟擊裝有純O-18水的靶體，發生核反應，穩定的O-18變成瞭F-18。

液體靶的組成

液體靶加樣系統——自動將0-18水等原料註入到到待轟擊靶腔內；

靶體——提供密閉的核反應場所；

冷卻系統——束流轟擊靶體時產生大量熱能，需要循環冷卻系統，包括水冷和氨冷；

準直器系統——實時監控並調試束流準直性；

核素傳輸系統——轟擊後生成的核素自動傳送到相應熱室；

NO.6 真空系統

真空環境是保證回旋加速器能夠正常運行的核心參數之一，之所以回旋加速器要處於真空狀態，主要有以下兩個原因：

一個是氫氣在激發態和負電子結合的時候，其負氫離子並不穩定，如果回旋加速器的真空環境不夠好，則可能會與其他的氣體分子碰撞，並回到基態。所以為瞭提高束流的效率，回旋加速器對真空是有一個比較高的要求的；

其次是D形盒是在一個非常高的電位下工作的，因此需要要求比較高的真空環境才能保證良好的絕緣，否則可能會產生高頻放電，對設備也會造成損傷。

真空系統佈局真空控制系統

NO.7 冷卻系統

冷卻系統主要包括水冷卻系統、He冷卻系統。水冷卻系統主要用於從各系統中將熱量帶出，帶出的熱量在二級水冷卻系統中進行熱交換，將熱量傳送到初級冷卻系統。He冷卻系統主要在打靶期間對真空窗和靶窗的Havar箔膜和鐵箔膜進行冷卻。

水冷卻系統

由兩個彼此獨立的單元組成，即一級水冷卻系統和二級水冷卻系統。

一級水冷卻系統為熱交換器提供冷卻的水源，有足夠能力發散掉由二級水冷卻系統帶出的熱負荷。可使用自來水。二級水冷卻系統提供加速器各系統及相關設備的冷卻水，要求其水溫相對恒定，使用去離子水，電導率<5μS。

水冷機組

提供加速器需要的一級水冷系統，交換由二級水冷卻系統帶出的熱負荷。

a16e4bd97886afd22fa5790b54beca01一級水冷二級水冷

氦冷卻系統：由He氣體、壓縮機、熱交換器和流量計等組成。He氣在Havar箔膜和鈦箔膜之間高速循環，使箔膜間產生的熱能快速地經He氣傳送到熱交換器並由二級冷卻水將熱量帶出。

NO.8 控制系統

根據Master System的命令執行加速器的不同程序。由加速器控制單元、真空控制單元和界面控制單元組成。

·加速器控制單元：控制和調節加速器和外圍設備。

·界面控制系統：加速器控制單元和加速器其他子系統間的一種連接界面。

·真空控制單元：控制回旋加速器真空系統的所有功能。獨立的操作每個子系統運行參數有反饋曲線記錄遠程診斷。

IBA回旋加速器控制系統

NO.9 屏蔽系統

自屏蔽裝置通常有兩個屏蔽層部分。

內屏蔽層

·由混有環氧樹脂和碳硼化合物的高密度鉛構成。

·能使高能中子的能量降低至熱中子水平。

·吸收放射性核素產生的 Y 射線。

外屏蔽層

·加聚乙烯和碳硼化合物的水泥塊。

·通過熱中子的彈性碰撞，繼續減緩中子的運動，最終吸收。

·將產生的次級γ射線的輻射減至最小。

·運行時屏蔽外1米處劑量率10uSv/h。

IBA自屏蔽系統

回旋加速器工作人員安全須知

工作人員放射劑量

工作人員放射劑量當量按國際標準 (1990年中國采用此標準)放射性工作人員: 20mSv/year，一般公眾人員:1mSv/year。

回旋加速器危害因素

①貫穿輻射外照射: 加速粒子產生的中子和y射線。

②活化產物: 離子源、靶和粒子經過的加速器部件(被活化)的外照射和放射性污染，空氣活化的放射性氣體。

③放射性廢物 (靶、藥物制取裝置等固體廢物及少量液體廢物)及其轉移時的人員照射。

工作人員防護措施

①停機後延時進入機房，延時維修時間盡量控制在氟-18的十個半衰期 (每個半衰期為110分鐘) 以上。

②維修時註意活化部件可能帶有表面污染，采用手套等個人防護並進行必要的表面污染監測。

③卸下帶有活化產物的部件(如離子源、靶和靶膜等)按固體放射性物質專門存放。

④由於靶膜在工作一段時間後，其放射劑量當量在最近處可以達到Sv/h級別，根據放射性強度與距離的平方成反比原理在更換時盡量使用長鑷子來攝取，並盡快把舊靶膜轉移。

⑤在維修過程中，合理安排工作步驟，盡量減少身體與放射源接觸的時間，減少攝入體內的放射當量。