人工放射性核素的结构性能与结构的换算关系(组图)

医用回旋加速器原理_临床PET/CT

1919年，英国科学家E卢瑟福利用能量为数MeV、速度为2×109cm/s的天然放射源高速α粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.000 4cm的金属箔“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。使用放置在目标后面的硫化锌荧光屏测量粒子散射分布，发现原子核本身具有结构，这激发了人们寻找高能粒子作为“炮弹”的愿望。

伊辛（G Ising）于1924年，埃维德罗（E Wideroe）于1928年分别发明了建立在漂移管上加高频电压原理的直线加速器。这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实际意义不大。但受到这一原理的启发，美国实验物理学家 EO Lawrence 于 1932 年建造了回旋加速器，并将其用于制备人造放射性核素。由于被加速粒子的质量和能量的限制，回旋加速器一般只能将质子加速到25 MeV左右。如果加速器的磁场强度设计成与粒子能量沿径向同步增加，质子可以加速到数百MeV，称为等时回旋加速器。

粒子束的能量是加速器性能的主要参数之一。它的基本单位是电子伏特（eV）。常用的单位还包括千电子伏（keV）、兆电子伏（MeV）、千兆电子伏（GeV）和太电子伏（TeV）。它们之间的转换关系如下。

1keV 1keV=103eV=1000eV

1 兆电子伏特 1MeV=106eV=1000keV

1 千兆电子伏特 1GeV=109eV=1000MeV

p>

1太电子伏特1TeV=1012eV=1000GeV

能量低于 100MeV 的加速器称为低能加速器，能量在 100MeV 到 1GeV 之间的称为中能加速器，能量在 1 到 100GeV 之间的称为中能加速器。以上的加速器称为高能加速器，以上统称为超高能加速器。不同能量的加速器在结构性质和尺度上存在很大差异。

PET 中使用的回旋加速器具有低于 100MeV 的能量来加速粒子。它是一种低能回旋加速器，是专门用于生产短寿命放射性核素的较小型号。几种不同类型的回旋加速器如表4-1所示。

表4-1 不同类型回旋加速器的性能参数

不同类型的回旋加速器的结构差异很大，但它们的基本组成是相同的，一般由磁场系统、真空系统、离子源系统、提取系统、诊断系统、靶系统和冷却系统。回旋加速器的工作原理如图4-1所示。

回旋加速器中心的离子源通过高压电弧放电，将气体电离发射粒子束，在一个半圆形电极盒内，称为Dees（简称D型盒）运动。 D-box 连接到高频振荡电源，以提供用于加速粒子的交变电场。在磁场和电场的作用下，加速粒子以近似螺旋的轨迹运动和飞行。设质点的质量为m，所带电荷为q，运动速度为v，运动方向垂直于磁场强度为B的磁力线回旋加速器加速次数与回旋次数，质点受洛伦兹力 FL 垂直于 v 和 B 的作用，力 For：

图4-1回旋加速器的工作原理

粒子轨道曲率半径r由离心力与FL的平衡状态决定，即

速度v是

根据(方程4-2）和动能方程，粒子产生的动能E为

在回旋加速器的中心区域，粒子被电场拉出并加速以获得较低的初速度v1。同时，磁场也作用于这些粒子。结果是粒子在迪斯间隙（gap）内以螺旋轨道飞行。极短时间后，粒子通过间隙进入另一个迪斯电极盒，然后粒子从迪斯电极盒的一侧飞到等电位的另一侧。在跨越每个间隙后，其轨道半径将大于之前的轨道半径。质点运动的瞬时轨道半径会随着时间t的增加而增大，质点运动速度的平方与质点自转的转数成正比。加速 质点运动的螺旋轨道半径 r 与运行时间 t 的平方根成正比。带电粒子经过多次加速后，圆轨道半径达到最大值，获得最大能量，此时粒子将被束流提取装置提取并导入靶材，靶材的原子核被照射在室内。

入射粒子与目标核发生反应，这个过程一般分为三个阶段。

第一阶段，当入射粒子进入目标核的势场范围内时，一部分被目标核吸收，一部分被目标核弹性散射，不发生反应的被透射。这类似于光在介质中的情况，所以常用光学模型来描述，称为光模型阶段。又因为入射粒子在这个阶段仍然保持相对独立的运动，所以也称为独立粒子阶段。

在第二阶段，当入射粒子进入目标核形成复合系统时，入射粒子与目标核进行能量交换。方法有两种，一种是直接相互作用，入射粒子直接将能量传递给粒子的一部分，使其飞出原子核，这种反应称为直接反应。直接反应的过程很短回旋加速器加速次数与回旋次数，粒子飞过目标原子核的时间也差不多。另一种是复合物的形成，是入射粒子与目标中的大量粒子充分碰撞达到统计平衡后的新原子核的激发态。它要长得多。

第三阶段是最后阶段，复合体系分解为出射粒子和剩余原子核，也就是复合核的衰变。中子、伽马光子、质子、阿尔法粒子等都可以放出此外，在发生核反应的同时，也存在核反应概率的问题，核反应的概率大小反应与核反应的截面有关。反应截面不能看作原子核的几何面积。几何面积是一个固定值，反应截面随轰击粒子的类型和能量而变化。通常，各种原子的几何面积差别不大，但反应截面却可以相差几个数量级。

现代医用回旋加速器虽然体积小，但结构紧凑紧凑，各系统功能强大。下面以GE的PET微量回旋加速器为例（图4-2、图4-3）来描述各个系统的功能。

图4-2GE PETtrace医用回旋加速器

图 4-3 PETtrace 回旋加速器系统