一种医用回旋加速器的负氢离子源

作者:杨振;龙继东;董攀;王韬;魏涛;庞健;何小中;张开志 刊名:高能量密度物理 上传者:黄虹妮

【摘要】为了实现用于生产放射性药物的医用回旋加速器的紧凑型设计,研制了一种基于冷阴极潘宁型的内部负氢离子源,并分别在离子源实验平台和加速器样机上进行了实验。测量了离子源放电特性,并结合发射光谱法对离子源工作参数进行了优化;在离子源实验平台上进行了负氢离子的低压直流引出测量;在加速器样机上进行了离子源的脉冲柬流引出及调束实验,在设计能量(11MeV)对应的半径处,内靶测量到质子宏脉冲流强约为160μA,负氢离子宏脉冲流强约为100弘A。

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第 1期 2013年 3月 高 能 量 密 度 物 理 H IGH ENERGY DENSITY PHYSICS No.1 M ar.,2O13 一 种 医用 回旋加速器 的负氢离子源 杨 振,龙继东,董 攀,王 韬,魏 涛,庞 健,何小中,张开志 (中国工程物理研究 院流体 物理 研究 所 106室 ,四川绵 阳 621999) 摘 要 :为 了 实现 用 于生 产放 射 性 药物 的 医用 回旋 加 速 器 的 紧凑 型设 计 ,研 制 了一 种基 于冷 阴极 潘 宁型的 内部 负氢 离子 源 ,并 分 别在 离子 源 实验 平 台和 加 速 器样 机上进行 了实验 。测量 了离子源放 电特性 ,并结合发射光谱法对离子源工作参数进 行 了优 化 ;在 离子 源 实验 平 台上进 行 了负氢 离子 的低 压 直流 引 出测量 ;在加 速 器样机 上进 行 了离子 源 的脉 冲柬 流 引 出及调 束 实验 ,在 设计 能 量 (11 MeV)对应 的 半径 处 , 内靶 测量 到质 子宏 脉 冲流 强约 为 160 A,负氢 离子宏脉 冲 流强约 为 1O0 A。 关键 词 :医用回旋加 速 器 ;内部 负氢 离子 源 ;放 电特性 ;束 流 强度 1 引 言 正电子发射计算机断层成像 (Positron Emission Tomography,PET)是一种放射性示踪剂成 像技术 ,通过将发射正电子的放射性核素标记在示踪化合物上 ,再注射 到研究对象体内,用于活体 示踪生理和生化过程 ,达到对体内多种生物化学过程进行评价和定量观测的 目的。该技术 的应用 和发展在一定程度上取决于正 电子放射性核素(如nC、¨N、 0、18F等)的研制和生产。生产该类 短寿命放射性核素的医用 回旋加速器在 国外 已经发展较为成熟 ,形成 了一定的商业产品规模 ,例如 GE公 司的 MINItrace Cyclotron设备 。这类加速器结构紧凑,基本都采用内部负氢离子源,经碳 膜剥离引出后 ,可以提供 50~100 A 的质子束流 ,能量大约在 9~18 MeV范围内[1 ]。图 1为负 氢离子源结构工作原理示意图和 GE MINItrace Cyclotron实物图。目前 国内使用的医用 回旋加 速器绝大部分依赖进 口,购买及维护成本很高,极大的限制 了 PET技术在中国的应用和普及 。 离 子源 是 医用 回旋加 速器 的关 键部 件之 一 ,主要 功 能是 产 生 带 电粒 子 供后 续 加 速 。离子 源 的 设计类型和工作状态决定 了加速器束流的许多性能指标 ,如离子种类 、束流强度、发射度以及能散 度等 。另外 ,不同类型的离子源还将影响到加速器整体的结构 、尺寸 以及造价 。相对于传统的正离 子源和外部离子源 ,内部负氢离子源具有结构简单、造价低廉 、引出方便 、束流损失率低等特点 ,在 国外 已普遍 应用 于成 熟 商业 加 速 器 产 品 ,其 工 作 原 理 如 图 1(a)所 示 。 内部 负 氢 离子 源 属 于 潘 宁 (PIG)型离 子源 ],阴极发 射 的 电子在 阴 阳极 间 电场 和轴 向磁 场 的共 同作 用下 ,呈 螺旋 形运 动 ,并 在上下两阴极间振荡 ,同时与中性气体分子发生电离碰撞 ,产生的离子沿径向从阳极筒壁上狭缝引 出。文中介绍了中国工程物理研究 院流体物理研究所研制的 内部负氢离子源的进展情况,并分别 从离子源的放电特性测量、负氢离子的直流引出、样机离子源的调束 以及阴极寿命考核等方面进行 了 阐述 。 * 基

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