PET回旋加速器

2024-05-23

PET回旋加速器（精选7篇）

PET回旋加速器第1篇

PETCT中心医用回旋加速器主体设备分为主磁体、靶系统、屏蔽体、电器柜、真空系统、控制系统等,附属设备分为气瓶罐、空压机、水冷机等。另外,要把医用加速器生产出的放射性粒子合成为PETCT示踪剂,还需要以下设备:合成模块、合成模块箱、层流机房、质控及放化用实验室设备等。

医用回旋加速器工作原理如下:利用真空泵对加速器内部保持真空状态,通过控制系统对加速器进行参数设定,添加生产所需原料,由离子源产生带电离子,对带电粒子进行加速,达到相应能量后轰击靶系统,产生放射性物质。在控制系统的控制下,根据不同的PETCT检查,将相应的放射性物质传送到合成模块箱内,由合成模块合成不同的PETCT示踪剂。示踪剂生产后由工作人员对其进行质量控制,质检合格后方可注射到病人体内,用于PETCT检查。加速器工作过程中利用水冷及风冷对相应部件进行冷却。

PETCT中心医用回旋加速器机房大体分为:主机房、气瓶间、控制室、合成热室、放化室、质控室、层流机房等。医用回旋加速器在生产PETCT示踪剂过程中,加速器机器及其周围将产生非常强的辐射性。同时PETCT示踪剂本身具有很强的辐射性,为加速器以外最大的辐射源。医用回旋加速器在生产过程中需要氢气、氦气、氮气、空气等压缩气体,所以在机房设计及建设时,要充分考虑泄露及防爆问题。根据国家放射性药物生产使用管理规定及准则,药物合成房间必须达到相应的净化要求,洁净度达到十万级水平,以保证生产的放射性药物达到国家标准,同时符合国家环保要求。根据“国家放射性同位素与射线装置放射防护条例”、《环境保护法》及相应的法律法规,整个区域及流程须符合相应的法律法规规定。

主机房设计建设时要注意以下几个方面:(1)主机房选址时应在环保部门的指导下,选择建设在环保部门审核通过的建设位置,并做屏蔽体。医用回旋加速器在生产放射性药物的过程中,将产生非常强的放射性,辐射源主要包括瞬时辐射源(主要指放射性核素和伴随产生的中子等)、中子活化物以及中子在慢化吸收过程中产生的高性能射线和放射性废物。加速器屏蔽体为自屏蔽体,内含硼砂化合物及混凝土成分,其作用是把95%以上有害放射性辐射线阻挡在加速器主体附近较小的范围内,避免对周围环境及操作人员的辐射损伤,剩余有害放射性辐射线利用机房四周墙壁浇筑相应厚度的混凝土来防护。另外入门处要做迷道设计,以更好的保护周围环境,同时避免对工作人员的辐射损伤。主机房墙壁须根据加速器能量达到相应的防护级别。(2)由于主磁体、屏蔽体体积和重量较大,主磁体及四块屏蔽体共计50余吨(重量因型号及品牌略有不同),安装时需由专业吊装公司把加速器主体设备吊入机房,所以在机房建设时需根据磁体及屏蔽体的尺寸及重量预留吊装口,以方便吊装。一般吊装口根据现场环境预留在机房侧面或顶部为宜,待吊装结束后再对吊装口进行封堵浇筑。(3)加速器生产放射性药物时,加速器室内会产生气态放射性污染,主要有加速器室内被活化的气体、臭氧、和气态放射性药物等,为保证工作人员安全,需对机房安装CRV空调以保证机房在负压状态下保持温湿度,同时安装独立排风系统,并在排风系统出口处放置活性炭吸附装置,以保护环境安全。(4)机房地沟及穿墙孔要用铅砖封堵,以避免射线泄露。(5)预留上水点及排水地漏,以应对冷却水跑漏时应急处理。

气瓶间由于放置压缩氢气、氦气、氮气等,需要保持房间干燥,并对房间做防爆设计。同时,要设置泄压窗或泄压门,以保证在气体爆炸时及时泄压,保护工作人员及设备安全。

根据国家放射性药物生产GMP标准,药物合成热室必须达到净化要求,洁净度达到万级水平,以保证生产的放射性药物达到国家相应标准,同时符合国家环保要求。放射性药物的和成及分装均在药物合成热室内完成,合成模块及分装模块均放置于模块箱体内,合成模块箱在模块箱六面用铅砖做严格放射防护,并在模块箱体内设置专用排风系统,保持箱体内负压状态,合成热室机房四周墙壁浇筑相应厚度的混凝土来保护工作人员及环境。进出合成热室的通道根据功能分为人流通道和物流通道,保证人流和物流分离。人流通道设置一更、二更,在一更处设置衣帽间,工作人员进出时均需更换衣服、鞋帽,二更处放置洗手池和自动烘干器。为保证内部环境洁净要求,须在机房内设置专门清洁间,设置专用清洁用具,并放置具有烘干功能的洗衣机,以及时清洗内部工作服。为工作方便,在合成热室和质控室与放化室之间设置传递窗口,以方便合成后的药物传动到质控间和放化室,作相应的质控和试验。

总结:PETCT中心医用回旋加速器由于其工作时具有放射性,机房建设时应根据国家法律法规、设备工作原理及工作流程,制订详尽方案,以最大限度保护工作人员与周围环境。

摘要：本文介绍了PET-CT中心医用回旋加速器结构及原理,根据国家法律法规及设备场地安装要求分析了机房设计建设时应考虑的原则等,提出具体机房建设要求。

关键词：PETCT,回旋加速器,机房,屏蔽体

参考文献

[1]电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].(GB18871-2002).

[2]张丹枫赵兰才.辐射防护技术与管理[M].南宁:广西民族出版社,2003.506.

“回旋加速器”模型解读第2篇

现行高中物理教材中介绍的 “回旋加速器”的核心部分是两个D形的金属扁盒, 如图1所示, 两个D形盒之间留一个窄缝, 在中心附近放有粒子源.D形盒装在真空容器中, 整个装置放在巨大电磁铁的两极之间, 磁场方向垂直于D形盒的底面.

D形金属盒主要起静电屏蔽作用, 使得盒内空间的电场极弱, 可使粒子只受洛伦兹力作用做匀速圆周运动.设D形盒的半径为R, 由得, 粒子获得的最大动能, 因此, 带电粒子获得的最大动能Ekm与D形盒半径有关.

磁场的作用是:当带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时, 只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动, 带电粒子的周期, 周期跟运动速率和轨道半径无关, 当带电粒子的电荷量和磁场的磁感应强度一定时, 这个周期是恒定的.因此, 尽管粒子的速率和半径一次比一次增大, 运动周期T却始终不变, 使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间 (半个周期) 后, 平行于电场方向进入电场中加速.

电场的作用是:回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒直径的匀强电场, 加速就是在这个区域完成的.为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速, 使之能量不断提高, 要在狭缝处加一个与粒子运动的周期一致的交变电压.

二、此类高考试题的命制特点

试题综合性强、难度大, 考查的知识点较多, 如带电粒子在电场中的加速、带电粒子在磁场中的圆周运动、周期和频率等;对能力的考查要求较高, 如理解带电粒子的运动过程、分析带电粒子在D形盒中回旋时每半周的时间与在D形盒中回旋的总时间的关系、分析在电场中每一次加速的时间与在电场中加速的总时间的关系、应用数学公式的推导与变换处理物理问题的能力;另外试题设置的背景也比较贴近科技发展前沿, 可与科技、生物医学领域等相联系, 体现了物理学与科学、技术、社会 (STS) 的紧密关系.

三、此类高考试题的命题角度与解题技巧

不计重力的粒子在匀强电场中受到的电场力恒定, 因而粒子做匀变速直线运动;粒子只受洛伦兹力的作用在匀强磁场中做匀速圆周运动, 此时洛伦兹力提供向心力.解答的难点是建立带电粒子的运动图景, 在电场中随着粒子不断被加速, 要运用动能定理或者运动学公式解决速度问题;在匀强磁场中随着粒子速度加大, 圆周运动的半径也要变大, 但粒子运动一周的周期不变, 若要求粒子做圆周运动的半径不变, 则随着粒子速度加大时, 磁场的磁感应强度要作相应的变化, 解答时要找出其中的规律.

高考命题角度 (一) :回旋加速器所需的高频电源频率多大?粒子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的总时间为何忽略不计?由此两问可衍生出不同试题.

【例1】正电子发射计算机断层 (PET) 是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术, 它为临床诊断和治疗提供了全新的手段.PET在心脏疾病诊疗中, 需要使用放射正电子的同位素氮13做示踪剂, 氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的.

(1) PET所用回旋加速器示意图如图2所示, 其中置于高真空中的金属D形盒的半径为R, 两盒间距为d, 在左侧D形盒圆心处放有粒子源S, 匀强磁场的磁感应强度为B, 方向如图2所示.质子质量为m, 电荷量为q.设质子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计, 质子在加速器中运动的总时间为t (其中已略去了质子在加速电场中的运动时间) , 质子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同, 加速质子时的电压大小可视为不变.求此加速器所需的高频电源频率f和加速电压U.

(2) 试推证当Rd时, 质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计 (质子在电场中运动时, 不考虑磁场的影响) .

【解题技巧】要理解粒子在D形盒中回旋时每半周的时间相等, 在电场中加速的时间每一次不相等;要找出带电粒子在D形盒中回旋时每半周的时间与在D形盒中回旋的总时间的关系, 在D形盒中回旋的总时间为, 而不是t=nT (质子在电场中被加速的次数为n) , 因为每半周加速1次;要理顺在电场中每一次加速的时间与在电场中加速的总时间的关系.

拓展思考:磁场一定时, 用同一回旋加速器分别加速荷质比不同的粒子时, 为何要改变交流电的频率?

用回旋加速器分别加速α粒子和质子时, 若磁场相同, 则加在两个D形盒间的交变电压的频率应不同, 其频率之比fα∶fH为多少?

解析:交变电压的周期等于粒子在D形盒匀强磁场中做匀速圆周运动的周期, 因此交变电压的频率, 因磁场相同, 则频率之比.

高考命题角度 (二) :粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t, 粒子能获得的最大动能Ekm, 这是一类常见的命题角度.

(1) 求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比;

(2) 求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t;

(3) 实际使用中, 磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制.若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm, 试讨论粒子能获得的最大动能Ekm.

【例2】1932年劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器.回旋加速器的工作原理如图3所示, 置于高真空中的D形金属盒半径为R, 两盒间的狭缝很小, 带电粒子穿过的时间可以忽略不计.磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直.A处粒子源产生的粒子, 质量为m、电荷量为+q, 在加速器中被加速, 加速电压为U, 加速过程中不考虑相对论效应和重力作用.

【解题技巧】加速电压U越大, 回旋的圈数越少, 从而粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t越短;粒子能获得的最大动能Ekm在磁场一定时由D形金属盒半径R决定, 而与加速电压U无关.

高考命题角度 (三) :随着轨道半径r的增大, 同一盒中相邻轨道的半径之差Δr是增大、减小还是不变也常用来命题.

【例3】 (2011·天津卷) 回旋加速器的原理如图4所示, D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒, 它们接在电压一定、频率为f的交流电源上, 位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子 (初速度可以忽略, 重力不计) , 它们在两盒之间被电场加速, D1和D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中.若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P.

(1) 求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式 (忽略质子在电场中运动的时间, 其最大速度远小于光速) ;

(2) 试推理说明:质子在回旋加速器中运动时, 随轨道半径r的增大, 同一盒中相邻轨道的半径之差Δr是增大、减小还是不变?

解析: (1) 设质子质量为m, 电荷量为q, 质子离开加速器时速度大小为v, 由牛顿第二定律知

质子运动的回旋周期为

由回旋加速器工作原理可知, 交流电源的频率与质子回旋频率相同, 由周期T与频率f的关系得

设在t时间内离开加速器的质子数为N, 则质子束从回旋加速器输出时的平均功率为

输出时质子束的等效电流为

由上述各式得

说明随着轨道半径r的增大, 同一盒中相邻轨道的半径之差Δr减小.

拓展思考:如图4所示, 在回旋加速器的D形盒中D1的O点处有一离子源, 该离子源产生的离子, 经两个D形盒的缝隙间的电场加速后, 进入D形盒D2, 试求在D形盒D2中的相邻的两个半圆形的轨道半径之比?

高考命题角度 (四) :模型变式———粒子在电场中每次加速电压能否不同?由这一疑问命题, 角度大胆而新颖.

【例4】 (2010·山东卷) 如图5所示, 以两虚线为边界, 中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场, 宽度为d, 两侧为相同的匀强磁场, 方向垂直纸面向里.一质量为m、带电量+q、重力不计的带电粒子, 以初速度v1垂直边界射入磁场做匀速圆周运动, 后进入电场做匀加速运动, 然后第二次进入磁场中运动, 此后粒子在电场和磁场中交替运动.已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍, 第三次是第一次的三倍, 以此类推.求:

(1) 粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功W1.

(2) 粒子第n次经过电场时电场强度的大小En.

(3) 粒子第n次经过电场所用的时间tn.

(4) 假设粒子在磁场中运动时, 电场区域场强为零.请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中, 电场强度随时间变化的关系图线 (不要求写出推导过程, 不要求标明坐标刻度值) .

解析: (1) 设磁场的磁感应强度大小为B, 粒子第n次进入磁场时的半径为Rn, 速度为vn, 由牛顿第二定律得

(4) 如图6所示.

【解题技巧】因要求粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍, 第三次是第一次的三倍, 以此类推, 所以解答的关键是充分应用题给条件找出粒子第n次进入电场时的速度和穿出电场时的速度, 从而根据动能定理解得粒子第n次经过电场时电场强度的大小En, 由于宽度d一定, 则粒子在电场中每次加速电压要不断加大.

高考命题角度 (五) :模型变式———调整平行金属极板的长度及磁感强度, 粒子可以在两板间做加速或减速运动, 在两板外能匀速运动吗?

【例5】 (2012·山东卷) 如图7所示, 相隔一定距离的竖直边界两侧为相同的匀强磁场区, 磁场方向垂直纸面向里, 在边界上固定两长为L的平行金属极板MN和PQ, 两极板中心各有一小孔S1、S2, 两极板间电压的变化规律如图8所示, 正反向电压的大小均为U0, 周期为T0, 在t=0时刻将一个质量为m、电量为q (q>0) 的粒子由S1静止释放, 粒子在电场力的作用下向右运动, 在t=T0/2时刻通过S2垂直于边界进入右侧磁场区. (不计粒子重力, 不考虑极板外的电场)

(1) 求粒子到达S2时的速度大小v和极板距离d;

(2) 为使粒子不与极板相撞, 求磁感应强度的大小应满足的条件;

(3) 若已保证了粒子未与极板相撞, 为使粒子在t=3T0时刻再次到达S2, 且速度恰好为零, 求该过程中粒子在磁场内运动的时间和磁感强度的大小.

解析: (1) 粒子由S1至S2的过程中, 根据动能定理得

【解题技巧】调整平行金属极板的长度及磁感强度大小, 粒子可以不跟金属极板相碰;粒子从t=0时刻由S1静止释放, S1至S2过程匀加速, 之后分别做匀速圆周运动、匀速直线运动、匀速圆周运动、匀减速直线运动至S2, 列出各阶段时间之和为3T0, 方可顺利解答.

高考命题角度 (六) :模型变式———保持加速电场不变, 而粒子在磁场中做半径不变的圆周运动, 这时磁场应作怎样的周期性变化?

【例6】 (2014·天津卷) 同步加速器在粒子物理研究中有重要的应用, 其基本原理简化为如图9所示的模型.M、N为两块中心开有小孔的平行金属板.质量为m、电荷量为 +q的粒子A (不计重力) 从M板小孔飘入板间, 初速度可视为零.每当A进入板间, 两板的电势差变为U, 粒子得到加速, 当A离开N板时, 两板的电荷量均立即变为零.两板外部存在垂直纸面向里的匀强磁场, A在磁场作用下做半径为R的圆周运动, R远大于板间距离.A经电场多次加速, 动能不断增大, 为使R保持不变, 磁场必须相应的变化.不计粒子加速时间及其做圆周运动产生的电磁辐射, 不考虑磁场变化对粒子速度的影响及相对论效应.求:

(1) A运动第1周时磁场的磁感应强度B1的大小;

(2) 在A运动第n周的时间内电场力做功的平均功率;

(3) 若有一个质量也为m、电荷量为+kq (k为大于1的整数) 的粒子B (不计重力) 与A同时从M板小孔飘入板间, A、B初速度均可视为零, 不计两者间的相互作用, 除此之外, 其他条件均不变.图10中虚线、实线分别表示A、B的运动轨迹.在B的轨迹半径远大于板间距离的前提下, 请指出哪个图能定性地反映A、B的运动轨迹, 并经推导说明理由.

由以上分析可知, 两粒子运动的轨迹如图A所示.

【解题技巧】找出A、B的周期之比, 才能得出A每绕行1周, B就绕行k周, 由于电场只在A通过时存在, 故B仅在与A同时进入电场时才被加速, 经n次加速后A、B的半径之比是一定值, 从而得出B的轨迹半径始终不变.

拓展思考:如图11所示, 为一种获得高能粒子的装置.环形区域内存在垂直纸面向外、大小可调节的均匀磁场.质量为m、电量为+q的粒子在环中做半径为R的圆周运动.A、B为两块中心开有小孔的极板, 原来电势都为零, 每当粒子飞经A板时, A板电势升高为+U, B板电势仍为零, 粒子在两板间的电场中得到加速.当粒子离开时, A板电势又降到零.粒子在电场一次次加速下动能不断增大, 而绕行半径不变.

(1) 设t=0时, 粒子静止在A板小孔处, 在电场作用下加速, 并开始绕行第一圈, 求粒子绕行n圈回到A板时获得的总动能En;

(2) 为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动, 磁场必须周期性递增, 求粒子绕行第n圈时磁感应强度Bn;

(3) 求粒子绕行n圈所需的总时间t总 (设极板间距远小于R) ;

(4) 在粒子绕行的整个过程中, A板电势可否始终保持+U?为什么?

解析: (1) 经n圈回到A板时被加速n次, 由动能定理得nqU=En-0, 粒子绕行n圈回到A板时获得的总动能En=nqU.

(4) 不可以, 因为这样粒子在A、B之间飞行时电场对其做功+qU, 使之加速, 在A、B之外飞行时电场又对其做功-qU使之减速, 粒子绕行一周, 电场对其做的总功为零, 能量不会增大.

【结论】从此题可看出:粒子在电场一次次加速下动能不断增大, 为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动, 磁场必须周期性递增.

高考命题角度 (七) :模型变式———回旋加速器能否让电场做 “锯齿波”形周期性变化, 而不是“方波形”?粒子在磁场中的运动周期与交变电场的周期不相等时如何分析粒子的运动?

【例7】 (2011·江苏卷) 某种加速器的理想模型如图12所示.两块相距很近的平行小极板中间各开有一小孔a、b, 两极板间电压uab的变化图象如图13所示, 电压的最大值为U0、周期为T0, 在两极板外有垂直纸面向里的匀强磁场.若将一质量为m0、电荷量为q的带正电的粒子从板内a孔处静止释放, 经电场加速后进入磁场, 在磁场中运动时间T0后恰能再次从a孔进入电场加速.现该粒子的质量增加了1/100m0. (粒子在两极板间的运动时间不计, 两极板外无电场, 不考虑粒子所受的重力)

(1) 若在t=0时刻将该粒子从板内a孔处静止释放, 求其第二次加速后从b孔射出时的动能;

(2) 现在利用一根长为L的磁屏蔽管 (磁屏蔽管置于磁场中时管内无磁场, 忽略其对管外磁场的影响) , 使图12中实线轨迹 (圆心为O) 上运动的粒子从a孔正下方相距L处的c孔水平射出, 请在图上的相应位置处画出磁屏蔽管;

(3) 若将电压uab的频率提高为原来的2倍, 该粒子应何时由板内a孔处静止开始加速, 才能经多次加速后获得最大动能?最大动能是多少?

(2) 磁屏蔽管的位置如图14所示.

【解题技巧】粒子在加速器中的运动为:匀强电场中加速→匀速圆周→加速→……由于洛伦兹力不做功, 求出第二次加速电压, 根据动能定理即可解答第 (1) 小题;粒子匀速通过磁屏蔽管, 相当于其作用是将部分轨迹向下移L的距离, 不难判断磁屏蔽管的位置;只有uab>0时粒子被加速, 据此电压周期和运动周期求出粒子最多连续被加速的次数, 由数学方法找出电场力各次做功的规律, 结合动能定理即可求出最大动能.

医用小型回旋加速器高频系统维护第3篇

1936年安德森因发现正电子而获得诺贝尔奖后, 随着X射线断层成像 (X-C T) 和单光子断层成像 (S P E C T或简称E C T) 技术的成熟, 人们将断层技术应用于该领域, 产生了一门新兴的核医学学科:正电子发射断层成像 (Positron Emission Tomography) 。PET成像在人体科学特别是在脑科学的研究中发挥了重要作用, 它在心脑血管、肿瘤、精神病等临床诊断中的应用也获得了医学界的广泛认可。正电子发射断层成像所采用的放射性同位素药物, 具有半衰期短的特点, 因而不会有过多的副作用。常用的超短寿命放射性同位素为11C, 1 5 O, 1 3 N, 1 8 F等, 这些核素的标记物如1 8 F葡萄糖, 1 3 N氨基酸, 1 5 O水等可以参加人体的多项生理、生化代谢过程, 从而准确地反映组织的生理状况。这样的超短寿命放射性同位素只有利用小型医用回旋加速器在医院就地生产。

上世纪80年代以来, 国际上大约有20多家医疗器械供应商专门针对PET应用研制了小型回旋加速器。目前, 能够提供这类1 0∽18MeV回旋加速器的供应商有比利时IBA公司、美国G E公司和C T I (西门子) 公司、加拿大E B C O公司、日本S I M I T O M O公司等, 国内尚未形成医用小型回旋加速器的批量生产能力。截至2010年止, 我国已先后进口百余台小型回旋加速器与PET配套使用。国外供应商多数采用第一年保修, 第二年开始加收售价10%的维护费的策略, 并且维护费用逐年增长。更进一步的, 国外供应商利用技术垄断优势, 备件的更换费用也非常高。小型医用回旋加速器的安装、调试过程比较复杂, 国外的加速器供应商均通过国内代理公司来进行销售和维修。对于仅有几个技术人员或者完全依靠国外支持的代理公司而言, 从人力资源和技术上是无法保证回旋加速器长期正常运转的。这已经造成了一些加速器出现故障不能及时排除, 长时间无法进行药物生产的被动局面。

目前, 国内购买的小型医用回旋加速器已运行了5至10年, 进入了故障多发期。国外维修费用偏高, 约为每年人民币100多万元 (不含大型元器件费用) 。回旋加速器的维修涉及多学科、多专业, 国内未见有公司能提供维修保养服务。高频系统是回旋加速器的重要子系统, 具有技术门槛高、设备复杂的特点, 需要专门的技术人员和检测仪器方能进行。目前, 国内从事小型回旋加速器维修和运行人员中, 能够进行高频系统设备维修的技术人员很少, 西安唐都医院的小型医用回旋加速器就是一例。

西安唐都医院的小型医用回旋加速器于2002年引进, 2004年调试完成, 投入使用。2006年高频设备出现不稳定现象, 经更换高频信号源, 维修固态放大器后可以正常运行。然而, 此次维修并没有从根本上解决该系统的不稳定性问题, 故随后的几年中还陆续进行了几次高频设备的维修。2010年十一长假期间, 由于使用方原因, 造成了包括高频系统在内的设备进水, 加速器处于瘫痪状态。此次故障的特点是, 受损设备多、故障隐蔽。其中高频设备, 除谐振腔位于真空室中未受影响外, 其余设备均不同程度存在隐患, 其中以2 0 k W高频功率源尤为突出。经过三个多月的努力, 判断故障点、维修和更换器件, 于2011年4月高频系统性能指标达到要求, 满足供束的要求。

二.高频系统设备的维修

回旋加速器是一种复杂的高科技设备, 它由主磁铁系统、高频加速系统、离子源系统、真空系统、束流引出系统、控制系统和若干辅助系统包括束流诊断和测量装置、供电和水冷系统及安全剂量监测系统等组成。

高频系统主要由高频发射机、传输线系统, 高频谐振腔和低电平控制系统等组成。高频信号源产生固定频率的激励功率, 经高频功率放大, 由传输线匹配系统激励高频谐振腔产生加速电场。当高频腔的本征频率和驱动频率一致时, 高频系统运行效率高。当高频腔的谐振频率变化时, 低电平控制环路调整微调电容使高频腔的谐振频率与高频信号发生器的频率一致。Dee电压拾取信号经电压稳定环路控制进入固态放大器的幅值, 达到幅度稳定的目的。它的工作原理方框图如下:

首先我们对高频发射机进行了维修, 将高频发射机和15千瓦假负载连接, 测量高频发射机工作是否正常。

由于500W固态放大器缺乏定期维护, 同时整个高频系统负载太重, 在工作状态下, 有时超过额定输出功率, 所以购买了1kW固态放大器作为替代设备。由于受潮末级功率放大器使用的阳极高压变压器高压击穿, 因此, 定做一台新的阳极高压变压器, 替代后达到技术要求。测试过程中发现:阳极高压整流桥堆及有关配接电阻等器件都已损坏, 更换了上述器件后, 末级功率放大器在静态状态下工作正常。接入假负载后, 经过调试, 末级放大器输出功率不能达到要求, 只有8 k W。我们判断, 末级大功率电子管已经失效。为此, 购买了一只新的大功率管, 并予以更换。随后的调试中, 解决了以下几个问题:

1.电子管隔直电容高压打火问题

由于末级大功率电子管隔直电容薄膜曾多次击穿打火, 致使阳极内外导体对应表面多处留有烧蚀点, 严重的地方已烧穿金属导体。烧蚀点存在尖锐金属毛刺易产生尖端放电, 若不进行处理, 即便更换薄膜, 也会再次打火击穿。此次维修我们在更换薄膜时对烧蚀点逐一进行打磨处理, 确保薄膜安装一次到位成功, 防止了该位置高压击穿的再次发生。

2.电子管阳极射频阻流圈自激振荡问题

原设备阳极高压在电子管端经过一截高压电缆后连接了一只线绕电阻, 其后连接一只陶瓷电容器接地。此种连接方式, 在该电阻上由于射频阻流效应, 致使电阻体经常处于高温状态, 极易造成损坏。表现为与附近导体发生打火, 造成高压旁路。检修发现, 此线绕电阻已经损坏, 故取消了该电阻, 使用一段导线的自感量进行替代, 起到扼流功能, 改进后没有发现新的问题。

3.电子管阳极管接头漏水问题

在更换电子管时, 由于连接电子管的冷却水管年久老化, 变硬。而安装时又不可避免的扭动该水管, 极易造成螺纹接口处的松动, 导致冷却水渗漏。历经几次拆装才找到原因, 最终完成装配无渗漏。

4.电子管灯丝穿心螺杆高温氧化、接触电阻增加影响灯丝电流问题

更换新电子管后, 我们发现在额定灯丝电压下, 灯丝电流只有额定灯丝电流的五分之四, 检查后发现灯丝供电的接线连接螺杆处于过热状态。在以往的维修过程中, 由于操作人员没能理解连接的正确方式及意义, 造成连接的不正确, 致使螺杆长期处于过热状态, 螺母与螺杆烧结在一起, 裸露表面发生高温氧化, 铜的导电性发生改变从而造成灯丝电压下降, 灯丝电流不稳的故障。经过更换螺杆并正确连接后, 螺杆不再发生过热现象, 灯丝电流也达到额定值。一般情况下, 检测灯丝电压而不检测灯丝电流, 但检修时一定要同时检测灯丝电压和灯丝电流。

5.冷却水质问题

在发生加高压打火问题后, 我们处理了打火点绝缘问题。再次加高压之前用高压摇表测试了电子管阳极使用状态的绝缘。发现绝缘较低, 在依次断开连接器件后发现冷却水的绝缘阻值是最低的, 由此判断水质变差。据此, 我们建议用户更换离子交换树脂以提高冷却水绝缘电阻。随后逐一连接阳极供电回路, 加高压正常。

解决了上述问题后, 对高频发射机进行了全面调试, 得到了满意的结果。

三.总结和展望

通过这次高频系统的维修, 我们全面了解了该高频系统的所有设备。对比国内现有的小型医用加速器射频系统的维修, 总结如下:

1.医用小型回旋加速器的高频系统比较复杂, 需要专门的技术人员和专门仪器进行维修, 必须定期进行常规预检预修, 不能等到问题成堆才进行。我们的高频发射机制造能力可覆盖高频, 甚高频至S波段, 功率覆盖1W至1.5MW。对用于医用小型回旋加速器的高频发射机, 可以整机制造, 且具有丰富的维修经验。

2.我们研究了医用小型回旋加速器的高频系统的其他部分的设备, 也积累了大量的制造和维修经验。

“回旋加速器”探究式教学的尝试第4篇

一、“开门见山”,探究如何使带电粒子加速

在这一环节采取直接提问的方式

[师]用什么方法可以使带电粒子加速?

[生]通过电场

[师]如何提高带电粒子的能量?

[生]根据Ek=qU，应提高加速电场的电压

[师]如果电压达不到要求怎么办?

[生]采用多个电场多级加速

通过以上一环扣一环的追问与探讨实际上已经勾画出了直线加速器的雏形,紧接着以北京正负电子对撞机的注入部分为实例:一个全长200多米的直线加速器,让学生由衷地感觉到直线加速器最主要的缺点就是所占空间太大了。

在这一环节,通过直接提问相关内容加强了对基础知识的巩固,提高了简单应用基础知识解决问题的能力,训练了思维的敏捷度,更重要的是为以下的探究做了铺垫。

二、“层层深入”,探究如何使带电粒子“回旋加速”

首先由“直线加速器所占空间太大”这一缺点,提出如何使带电粒子加速的同时又不增加设备的长度,类比于操场的跑道“变直为曲”,学生运用之前所学知识明确回答磁场可以使带电粒子“回旋”,于是得出结论:电场可以使带电粒子加速,磁场可以使带电粒子“返回”,同时给学生留下思考:电场和磁场是如何配合“工作”的。

紧接着通过投影给出如图1的情境:假设一个带正电的粒子位于加速电场中,分组讨论以下问题:

1.如何使带电粒子每次通过电场都要加速?

2.画出带电粒子的运动轨迹?

巡回指导,并把其中一组的轨迹图2通过投影展示大家,得到大部分同学的肯定后,并作如下的提问,让学生拨开层层迷雾,发现有价值的问题。

[师]带电粒子在磁场中轨道半径为什么越来越大

[生]因为通过电场加速,速度越来越大,根据可知,轨道半径越来越大

[师]带电粒子每次通过磁场的时间是多少

[生]半个周期,即(带电粒子每次通过磁场的时间相同)

[师]什么样的电场才能使带电粒子每次都恰好加速

[生]交变电场,而且粒子每次进电场时电场都要同步地变成加速电场

[引导]电源交替变化一周,粒子被加速两次,并恰好回旋一周

[总结]加速条件:交流电源周期与粒子匀速圆周运动周期相等

介绍回旋加速这种方式在获得高能粒子方面提供了的极大便利,早在1932年,美国物理学家就发明了回旋加速器,并获得了诺贝尔物理学奖。通过投影展示回旋加速器了解其构造、探究其原理。设置如下问题:

[问题1]回旋加速器主要有哪几部分别构成?

[问题2】D形盒有哪些作用?

[生]这两个D形盒就是两个电极,在它们的窄缝间形成加速电场

[引导]D形盒是金属的,还有什么作用吗

[生]静电屏蔽,使粒子进入D形盒后不受电场干扰,在洛伦兹力作用下匀速圆周运动

[问题3】两个D形盒距离能不能太宽

[生]不能,如果太宽,粒子穿越电场的时间就不能忽略,加速条件就被破坏

在这一环节,通过设问、学生讨论思考、教师点拨引导等多种方式相结合的教学方法,给学生的探究活动留下了广阔的空间,极大的激发了学生学习的积极性和主动性。

三、“刨根问底”,提高学生综合分析解决问题的能力

回旋加速器其实就是带电粒子在电场、磁场中运动的一个实例,为了让学生能更灵活地运用电场、磁场知识综合分析解决实际问题,设计了如下的教学情境,要求学生独立思考:

[情境]已知回旋加速器的,盒内的磁感应强度为B,两盒间的电压为U，将质量为m、电荷量为q的带电粒子通过该回旋加速器,求:

(1)带电粒子通过回旋加速器获得的最大动能为多少?

(2)带电粒子在回旋加速器中加速的次数为多少?

(3)带电粒子在回旋加速器中运动的时间为多少?

教师巡回指导,然后集体讨论共同解决:

(1)带电粒子离开电场时获得的动能为

(2)带电粒子加速次数为

(3)带电粒子在电场中的时间为

所有问题的答案都告诉我们:在电场、磁场一定的情况下,带电粒子的加速情况都和D形盒的半径R有关。学生马上会得出“结论”——D形盒的半径越大粒子获得的能量越高,为以下认识回旋加速器的特点打下伏笔。

“不经历风雨,怎么见彩虹”,设置一定难度的课题,让课堂不断“生成”具有适当梯度的新问题,不仅挑战了学生的思维和能力,而且适度的压力可以锻炼学生的意志,激发更大的潜能。

四、“辩证统一”,认识回旋加速器的优缺点

让学生阅读课本或者查阅资料,了解、探究回旋加速器有哪些缺点,存在哪些不足,并且讨论总结。学生意识到:并不是D形盒的半径越大粒子获得的能量越高。在这一环节,既让学生了解科技发展的前沿,同时又让他们能从不同的角度辩证地看待问题,而且有了“跃跃欲试”要发明性能更好的加速器的想法,激发了他们学习物理的热情。

在整个教学过程中,总体上实现了新课程的三维教学目标:知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。在感受学生的讨论交流与思考探究中,我真正体会到了“授之以渔”的快乐,因为一个教师的最大心愿,莫过于让学生获得学习的方法,最终能形成自己的能力。还有,我也在教学中得到一些更重要的体会,比如,教学之前“知彼知己”才能“百战不殆”;教学过程中学生困惑时适度点拨方可使问题迎刃而解等。这就要求我们必须结合学生精心设计教学中的每一个问题,每一个环节,才能做到有的放矢。

参考文献

[1]物理[M].2版.人民教育出版社,2006.

医用回旋加速器常见故障分析2例第5篇

正电子发射计算机断层扫描仪/CT(Positron Emission Computed Tomography/CT,PET/CT)是目前核医学界内较高端的影像设备。PET/CT显像对临床诊疗及疗效判断起到重要的作用,是评价良恶性病变的重要手段[1,2]。其正电子药物是由回旋加速器和化学合成模块等经系列化学反应合成。现以,加拿大EBCO公司TR19型回旋加速器为例总结发生常见故障现象及对故障发生的原因,故障排除进行分析,以期减少故障率的发生。

1 设备工作原理

如图1所示,在回旋加速器中心部位的离子源经高压而使气体电离发射粒子束流,该粒子束流在称为Dee的半圆弧电极盒(简称D型盒)中运动。在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。设粒子Q的质量为m,所带电荷为q,所具的运动速度V,磁场强度为B,粒子受到的洛仑兹力F=Bq V,粒子运行轨道的圆周半径r与洛仑兹力F关系为F=m V2/r,加速粒子的能量E=m V2/2=B2q2r2/2 m。在回旋加速器中心区域,粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度,同时,磁场也对这些粒子产生作用,两种场作用的结果是粒子在D型盒间隙(gap)内按螺旋轨道飞行。带电粒子经多次加速后,圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量,在该点处粒子将被束流提取装置提取引出[3,4,5]。

结构上,回旋加速器主要由7个系统来支持:离子源系统,射频系统,磁场,引出系统,冷却系统,真空系统和控制系统等,见图2。

2 常见故障

2.1 故障一

2.1.1 故障现象

点击离子源(Ion Source and Inflector Supply,ISIS)start后,离子源开启后,灯丝(filament)电源不开启,等待2 min后,报filament time out(灯丝开启超时)错误。

2.1.2 故障分析

TR19的离子源为外置离子源,该类型离子源的结构[5]如图3所示,它主要包括等离子体放电腔、10对多峰永磁体、电子虚拟过虑器、3电极引出系统、带有永磁约束的端盖、单或双灯丝及灯丝座、氢气供气及气流量调节系统、电源系统、水冷系统和控制系统等。灯丝安装于等离子体放电腔之中,钽材料的灯丝电加热而发射电子,实时监测灯丝与放电腔本体之间的弧压(Arc Volatage),并反馈控制灯丝的电流,从而使弧流维持在所需要的范围内。

灯丝报错可能存在的问题为灯丝电源故障,灯丝断掉导致电源无法加载以及灯丝电流检测反馈电路故障。TR19离子源反馈检测电路采用光电隔离,系统总共有5块光电隔离板,分别检测灯丝,弧压,等离子电极,引出电极以及偏置电压。

2.1.3 故障排除

断开灯丝电源,用万用表测量灯丝电阻接近0Ω,灯丝未烧断。检查灯丝供电电源工作也正常。问题出在反馈电路上,拆下灯丝光电隔离板和弧压隔离板交换后,开启离子源发现灯丝可以正常开启,弧压报错Arc time out(阳极启动超时),确认光电隔离板故障。检查光电隔离板发现精密放大器LT1055损坏,更换LT1055后。重新开启离子源,故障排除。

2.2 故障二

2.2.1 故障现象

真空异常,某晚开机前检查发现停电,复位后开机真空一直很差。离子源真空正常主真空达10 u Torr,超过射频开启阈值5.7 u Torr.

2.2.2 故障分析

TR19加速器真空系统分为主真空,离子源真空以及靶区真空(如图4)。主真空为粒子加速的场所,主要有一个机械泵(Rotate Pump,RP)和一个冷凝泵(Cold Pump,CP)抽取真空。日常由冷凝泵CP01维持XV0为主真空连接离子源真空的阀门,XV2为主真空和靶区连接阀门。主真空差可能原因主要是冷泵的吸附力不行了或者真空腔内有泄露。PV42为剥离支架连接处,也可能导致泄露。

2.2.3 故障排除

首先检查冷泵发现泵头温度15.8 K(凯尔文,温度单位)效果还比较好。首先关闭XV0和XV2排除其他两个区域干扰。效果未见改善,关闭PV42时,真空出现波动。怀疑该处有泄露,取出碳膜支架发现密封圈老化,更换密封圈后,故障解决。

3 讨论

经上述分析,回旋加速器常见故障的主要由于加速器未定期保养,附属设备故障和人为操作失误等多方面原因造成。有些设备的故障是可以通过预防减少其发生机率,而人为造成的故障是完全可以避免的。因此对设备、人员及物品等应制定相应的规章制度并严格执行,对确保回旋加速器的正常工作是非常重要的。以下是针对设备、人员及物料提出的建议:定期检查保养设备;相关人员上岗操作应接受全面的培训,考核合格之后方可上岗;所有人员均应按照标准作业程序操作,不得随意更改控制流程;生产时应注意观察及时发现错误;设备间的温湿度必须严格按照相关规定要求。

4 小结

在回旋加速器生产过程中影响因素较多,除本文探讨的因素外,还与回旋加速器的其他系统有关。加速器的常规维护与保养,合理规范的技术操作、严谨的工作态度及工作人员的全面培训可减少加速器的故障发生率。

摘要：正电子药物是由回旋加速器和化学合成模块等经系列化学反应合成。对回旋加速器的故障分析的报道尚不多。文中对两例故障发生的现象,故障原因,故障排除进行分析,以期减少故障率的发生。

关键词：回旋加速器,故障,维护

参考文献

[1]吴江,朱虹,常林凤,等.18氟-脱氧葡萄糖PET/CT诊断恶性孤立性肺结节的Meta分析[J].医学研究生学报,2011,24(1):39-42.

[2]胡裕效,张垒,季发权,等.胶质母细胞瘤18氟-脱氧葡萄糖PET/CT影像学表现[J].医学研究生学报,2011,24(6):597-601.

[3]王明芳.医用回旋加速器及正电子核素生产[J].国外医学·放射医学核医学分册,2002,26(5):231-236.

[4]Strijckmans K.The isochronous cyclotron:principles and recent developments[J].Comrut Med Imaging Graph,2001,25(2):69-78.

从三道高考题看回旋加速器的复习第6篇

一、经典回顾

(2005年天津卷25题)(22分)正电子发射计算机断层(PET)是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。

(1) PET在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素氮13示踪剂。氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的，反应中同时还产生另一个粒子，试写出该核反应方程。

(2) PET所用回旋加速器示意如图，其中置于高真空中的金属D形盒的半径为R，两盒间距为d，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示。质子质量为m，电荷量为q。设质子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计，质子在加速器中运动的总时间为t(其中已略去了质子在加速电场中的运动时间)，质子在电场中的加速次数于回旋半周的次数相同，加速质子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电源频率f和加速电压U。

(3)试推证当R垌d时，质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计(质子在电场中运动时，不考虑磁场的影响)。

这道题目比较基础，2009年江苏卷的14题和2010年山东卷的25题在这道题的基础上有创新。

原题再现1:(2009年江苏卷14题)(16分)1932年，劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器。回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。A处粒子源产生的粒子，质量为m、电荷量为+q，在加速器中被加速，加速电压为U。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。

(1)求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比;

(2)求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t;

(3)实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm，试讨论粒子能获得的最大动能Ekm。

本题以回旋加速器为载体, 考查了学生对电磁场知识的应用能力。第(1) (2)两小问在平时的教学中经常探讨，考查注重基础。第(3)问考查了类似“瓶颈”的问题，对发散性思维能力要求较高，当带电粒子速度越来越大时需要加速电场的频率随之增大，如果先达到加速电场的频率限制，带电粒子的速度最大值就由电场频率决定。当回旋加速器半径一定时，最大速度随着磁感应强度的增大而增大。如果先达到了因为磁场强弱导致的电场变化最大频率，速度最大值就由最大磁感应强度决定。题目很巧妙，既有效体现了高考对高素质人才的选拔功能，同时又体现了高考对创新能力培养的导向作用，值得我们深入研究。让我们再来看2010年山东的高考题目。

原题再现2:(2010年山东卷第25题)(18分)如图所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里。一质量为m、带电量+q、重力不计的带电粒子，以初速度v1垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二次进入磁场中运动，此后粒子在电场和磁场中交替运动。已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的两倍，第三次是第一次的三倍，以此类推。求：

(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功W1。

(2)粒子第n次经过电场时电场强度的大小En。

(3)粒子第n次经过电场所用的时间tn。

(4)假设粒子在磁场中运动时，电场区域场强为零。请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中，电场强度随时间变化的关系图线(不要求写出推导过程，不要求标明坐标刻度值)。

这道山东高考题也是以回旋加速器为背景，重点在常见的“狭缝”不“狭”了。因此，电场中的时间就不能忽略。而且，虽然电场宽度不变，但是因为进入和穿出的速度是变化的，所以每一次穿过电场的时间都不同，这是第四问的解题关键。与上面的江苏题相比难度略小。

二、回旋加速器的复习方略

把这三道高考题放在一起，我们可以看到在回旋加速器复习时需要注意的几个问题。

1. 基本原理要清晰，“千里之行，始于足下”。

天津高考题、江苏高考题的前两问和山东高考题的第一问都非常基础，在复习中，学生要把回旋加速器的基本原理搞清，力争先把基本分拿到手。

比如工作原理：带电粒子只在两D形盒的缝隙间被加速，D形金属盒能起到屏蔽外界电场的作用，磁场只能改变粒子的运动方向，使带电粒子被回旋加速，从而在较小的范围内对带电粒子进行多次加速。尤其是因为带电粒子在匀强磁场强度中的运转周期与速率和半径无关，且。尽管粒子运动的速率和半径不断增大，但粒子每转半周的时间不变。因此，我们必须使高频电源的周期与粒子运动的周期相等，即实现同步，才能使粒子回旋加速，所以高频电源的频率为f=

2. 细节问题要透彻，“细节决定成败”。

江苏高考题的最后一问和山东高考题的最后一问都很好的考查了两个细节问题，体现了高考的选拔性。

江苏考试题考查了有关粒子最大动能的问题。带电粒子的最大动能:由于D形盒的最大半径R一定, 由轨道半径公式可知, 因此粒子的最大动能。

可见, 虽然洛伦兹力不做功, 但Emax却与B有关;由, 可见带电粒子获得的最大能量与D型盒半径、磁场磁感应强度有关。进一步可知, 加速电压的高低只会影响带电粒子加速的总次数, 并不影响回旋加速后的最大动能。当然实际情况是考虑到相对论效应和重力作用, 带电粒子的最大能量不是随心所欲的。

山东高考题则考查了粒子在加速器中运动的时间和电场变化频率的细节问题。

设加速电压为U, 质量为m、带电量为q的粒子共被加速了n次, 若不计在电场中运动的时间, 有:

又因为在一个周期内带电粒子被加速两次, 所以粒子在磁场中运动的时间,

若计上粒子在电场中运动的时间, 则粒子在两D形盒间的运动可视为初速度为零的匀加速直线运动, 设间隙为d, 有:

故粒子在回旋加速器中运动的总时间为:。因为, 所以, 故粒子在电场中运动的时间可以忽略。

由此可见，回旋加速器要求高频电源的周期与粒子运动的周期同步，实际是在电场区域非常狭窄时的理想情况，只有电场是在一个“狭缝”中时，粒子在电场中的运动时间忽略不计，电场变化的频率才和粒子在磁场中圆周运动的频率相同。如果“狭缝”不“狭”了，电场中的时间就不能忽略，虽然电场宽度不变，但是因为进入和穿出的速度是变化的，所以每一次穿过电场的时间都不同，第四问中的图像才会出现电场存在的时间越来越短的情况。因为速度有如题那样的要求，所以电场强度越来越大，只有电场间隔时间是相同的。

3. 其他收获。

高考越来越侧重理论与实践相结合，这类能与高中物理知识联系的科学仪器尤其要引起我们的重视，例如质谱仪、磁流体发电机，等等。依此类推，类似的科学仪器的复习都要把前面的两点做好。在复习时，切忌灌输式教学，不能让学生只是获得一些静态的知识(现成结论)，而忽略那些蕴含于研究过程中的动态知识(科学方法等)。知识不能照本宣科，更重要的是与实际相结合;学生不是灌输容器，更重要的是能融会贯通、学以致用。只有在复习这类科学仪器时把基础知识理清，把细节问题理透，高三复习才能起到事半功倍的效果。

摘要：回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回旋运动, 在运动中经高频电场反复加速的装置, 高考命题专家对它青睐有加, 2005年天津卷第25题, 2009年江苏卷第14题和2010年山东理综第25题都是关于回旋加速器的问题, 从这三道高考题目的赏析, 我们可以看到回旋加速器的复习要把基本原理理清, 把细节问题理透, 才能起到事半功倍的作用。

PET回旋加速器第7篇

目前, 癌症已经成为人类最难对付的疾病之一, 世界卫生组织预估到2020年全世界癌症发病率将比现在增加近一倍, 近年来中国癌症发病率也在迅速增加, 针对肿瘤的治疗目前的方法基本上分为三种:手术、放射治疗与化疗, 质子治疗是目前最先进的放射治疗方式之一。中国原子能科学研究院于2013年启动质子治疗超导回旋加速器关键技术研究项目, 通过开展中能质子回旋加速器技术研究, 实现我国大型核医学设备-质子治疗回旋加速器的国产化。

质子治疗超导回旋加速器主磁铁为采用液氦冷却的超导线圈与室温铁芯, 铁芯主要由磁极和磁轭组成, 材质为DT4纯铁, 总重约70 t。磁极为四扇螺旋形凸台结构, 每件重15 t。回旋加速器外圈的磁轭部分固定不动, 超导线圈安装在磁轭的内部, 线圈中间是由上下磁极组成粒子加速器空间, 磁极之间安装有高频加速腔、负氢离子源与中心区、束流引出偏转板等加速器的关键部件, 上下磁极设计为可打开的结构。螺旋升降机构是磁极打开与闭合的驱动机构, 为磁极的运动提供动力, 并保证磁极的重复定位精度, 是整套装置必不可少的部件, 如图1所示, 上下磁极各需要一套螺旋升降机构, 每套升降机构由4台同步运动的螺旋升降机组成。

1 螺旋升降机构的设计要求

超导质子回旋加速器磁极采用整体锻件, 四件磁极一体结构, 如图2所示, 四扇磁极一次加工成形, 能够保证四扇磁极的对称精度, 可以提高加速磁场的对称精度, 但该磁铁结构对磁极升降机构设计有较高的精度要求。从加速器总体结构特点与技术要求考虑, 应避免外置液压升降方式, 采用内置式螺旋丝杠结构。螺旋升降机构的丝杠可以穿过磁铁, 磁铁打开的高度尺寸要满足检修人员进出的要求, 约为1.5 m。升降速度考虑磁铁运动过程平稳无冲击, 约为80 mm/min。由于磁极与磁轭配合间隙小, 对四台螺旋升降机同步精度要求为0.1 mm。

2 螺旋升降机构设计

2.1 螺旋升降机构的方案设计

加速器的磁极是上下对称布置的, 上磁极向上打开, 下磁极向下打开, 两套螺旋升降机构分别布置在上下磁极上。考虑回旋加速器主磁场对称性及升降过程中整套设备的稳定性, 安装在磁极背面的螺旋升降机采用4点对称布置。加速器使用要求为磁轭固定不动, 磁极由螺旋升降机驱动上下运动。此设计中, 螺旋升降机使用状态为丝杠固定、齿轮箱运动的方式, 即丝杠一端固定在磁轭上, 螺母齿轮箱与磁极固定, 当电机带动传动轴驱动齿轮箱里的螺母转动时, 磁极上下移动。为保证4套螺旋升降机0.1mm的同步精度要求, 机构采用一台电机通过刚性连接的传动轴驱动四台螺旋升降机的方式。传动路线图如图3所示。

2.2 螺旋升降机构的选型计算

2.2.1 压杆稳定校核与杆径的选择

位于上磁极上的螺旋升降机构在向上举升的过程中, 磁极的重量由4根丝杠承载, 由于举升的高度比较高, 需要校核丝杠的压杆稳定。

根据欧拉公式, 计算临界杆径:

设计总载荷Ftal=200 k N, 考虑极限应用情况, 只计算2个螺旋升降机工作F=100 k N;应用场合为起重载荷, n=5, 所以Fc=500 k N;丝杆无导向, 连接方式近似为一端固定, 一端自由, μ=2;升降高度为L=1.5 m;计算临界杆径为d=85 mm;选型d>85 mm。

2.2.2 驱动功率计算

丝杠导程S=15 mm, 直径d=90 mm, 摩擦因数f=0.1, 梯形丝杠牙形角α=30°;螺旋升降机构的载荷系数取n=2;设计总载荷Ftal=200 k N;四台螺旋升降机同时工作, 所以单台升降机最大载荷为F=100 k N;升降速度v=80mm/min;单台螺旋升降机输出功率为Pout=f·v/60 000=0.14 k W。

丝杠螺旋副传动效率η1=0.9×tanλ/tan (λ±ρ) , λ=arctan[S/ (πd) ], ρ=arctan[f/cos (α/2) ];得出η1=0.3, 蜗轮蜗杆传动效率η2=0.8, 其他轴承传动效率η3=0.9, 所以总效率η=η1·η2·η3=0.2;单台螺旋升降机输入功率Pin=Pout/η=0.7 k W, 减速机传递效率η4=0.9, 转向箱传递效率η5=0.9, 所以电动机输出功率Ptal> (4×Pin) / (η4×η5) =3.5 k W。

2.2.3 转矩计算

蜗轮蜗杆减速比i=10, 单台螺旋升降机输入转速Nin= (v/S) ×i=53 r/min;单台螺旋升降机输入转矩Tin=Pin×9550/Nin=126N·m, 所以减速机输出总转矩Ttal>4×Tin/η5=560 N·m。

2.3 螺旋升降机构的施工设计

加速器主磁铁的高精度对升降机构提出很高要求, 为保证整套的设备的顺利安装, 螺旋升降机构所有设备实际施工均采用国外专业厂家产品, 整个机构共包括两套设备, 具体产品明细见表1, 考虑主设备平稳性及同步精度要求, 单套螺旋升降机采用U型布置, 如图4所示。

3 结语

质子治疗超导回旋加速器的建成, 对于我国高精准医疗国产化具有极为重要的意义。而螺旋升降机构作为其重要部件, 对整台加速器的正常运转起着至关重要的作用。

本文深入研究了超导回旋加速器的使用工况及精度要求, 提出了与主磁铁机械结构相适应的内置式螺旋升降机举升机构, 并给出满足举升同步精度要求的螺旋升降机传动布置方案, 采用一台电机通过刚性连接传动轴驱动四台螺旋升降机的U型布置方式。目前, 螺旋升降机机构各部件参数已经完成定型, 整套产品进入施工阶段。

摘要：某医用超导回旋加速器的上下磁极各15t。螺旋升降机构主要用于上下磁极打开与闭合, 具有较高的同步精度要求。文中介绍了举升方式的选择, 举升机构的设计以及举升设备的选型计算, 可满足加速器主磁铁平稳提升、同步精度及重复定位要求。

关键词：质子治疗,加速器,主磁铁,螺旋升降机

参考文献

[1]张天爵, 李振国, 储诚节, 等.用于放射性核束设施驱动加速器的100Me V强流质子回旋加速器[J].高能物理与核物理, 2006 (增刊1) :159-161.

[2]张黎明.回旋加速器虚拟样机主磁铁设计研究[D].武汉:华中科技大学, 2004.