加速器控制系统

加速器控制系统（accelerator control system，ACS）根据Master系统的命令控制PET trace型回旋加速器的不同程序。各个子系统与ACS进行数据交换，既执行ACS的指令，又将状态参数反馈给ACS，实现ACS的控制与检测功能。ACS主要控制以下8个子系统，即真空系统、磁场系统、离子源系统、射频系统、氦冷却系统、靶系统、水冷却系统、束流诊断系统、萃取系统。

在回旋加速器中，磁场是非常重要的一部分，可以为被加速的带电粒子提供其在所控制的轨道上做圆周运动所需要的磁场强度。磁体由标准钢和低碳钢制成，磁场由空心铜导体绕制的线圈激励，方向与其中平面垂直。

PET trace型回旋加速器的磁场结构设计根据粒子动力学和轴向聚焦理论采用螺旋扇形磁极形成深谷磁场，磁场形状由磁极形状及线圈中的励磁电流的自然变化决定。PET trace型回旋加速器可以加速质子和氘核两种不同的粒子，由于两种粒子质量数不同，为获取两种粒子加速的等时性，氘核的励磁电流比质子的励磁电流略大，加速氘核所需磁场场强比加速质子所需磁场场强约大0.03T（特斯拉）。励磁电流通过控制系统预先设置并自动调整在运行过程中发生的慢漂移，以期在靶上获得尽可能高的束流。磁场电流由磁场电源配给系统（PSMC）提供，空心铜导体通去离子水进行冷却。

磁场还对离子源中经电离形成的等离子体起汇聚作用。

离子源系统提供被加速的带电离子，采用内置离子源技术。离子源是冷阴极Penning电离计（PIG），利用交变电场和磁场将阴极产生的电子束缚在一定范围内运动，电子运动过程中与氢气或氘气分子碰撞将其电离，形成等离子体，射频系统将H-（负氢离子）或D-提取出来进入加速器真空腔加速。

离子源系统由两个PIG离子源、离子源电源供给系统（PSARC）、气体处理系统组成，两个PIG离子源分别产生两种不同的待加速离子H-和D-，两种源的产生在物理操作上是完全一致的，由一种源切换成另一种源只需要几分钟的时间。气体处理系统校正离子源气体并选择离子源，使气体保持稳定的流量。

射频系统包括频率合成、放大及耦合线路和检测系统。射频系统主要有两方面作用，即加速束流和从离子源中提取束流。PET trace型回旋加速器真空腔中有两个D形盒，经过合成和放大以后的高频电压加在D形盒的电极上，束流每通过一个D形盒可获得两次加速，加速发生在D形盒的边缘，一次吸入，一次推出，束流旋转一周即可获得四次加速。加速不同的粒子束流射频系统产生不同的频率，H-束流的射频频率为27.2MHz，D-束流的射频频率为27.8MHz。

射频系统在D形盒尖端形成正的电压峰值，将H-或D-提取出来进入加速轨道。

真空系统的目的主要是为离子束流提供一个加速环境，使粒子在不受空气分子碰撞的条件下得到加速。真空系统由两级组成，第一级是油扩散泵，第二级是循环泵，同时循环泵支持油扩散泵，对油扩散泵抽真空。真空系统可24h运行，真空状态由两个Pirani真空计和一个Penning真空计检测，Pirani真空计检测1～105Pa的压力范围，即油扩散泵里的压力和真空腔里的压力；Penning真空计检测1Pa以下的压力，加速器正常运行情况下真空腔压力在4.0Pa以下。

真空腔为D形盒加速电极的高电势提供对地绝缘。

H-或D-加速到萃取半径范围时，束流通过一个很薄的碳金箔剥离装置，使电子被剥离下来，从而产生氢核或氘核束流。萃取系统最主要的基础就是碳金剥离箔，PET trace型回旋加速器有两个装载萃取箔的旋转装置，每个装置上有6片萃取箔，被加速的负离子在通过萃取箔时脱去两个电子，由阴离子转变为阳离子。萃取箔的位置决定了束流的引出方向，并能够引导束流进入指定的放射性核素生产靶。在束流轰击过程中，如果发现萃取箔损坏或者出现某种故障，控制系统将自动选择一个新的箔代替损坏的碳金箔继续工作。

萃取系统有两种萃取模式，一种是单束流萃取，即一种粒子束流被引导到一个核素生产靶；另一种是双束流萃取，即一种粒子束流同时被引导到两个核素生产靶上，同时生产两种核素。

靶系统是完成特定核反应并产生正电子核素的装置。阴离子束流经萃取膜萃取后转变为阳离子束流，并被引导到相应的束流出口，经靶内两片金属薄膜（Havar薄膜）进入靶室。两片金属薄膜将靶室和加速器真空腔隔开。每个束流出口装备有束流引出阀和一个与靶体配合的锥形装置，靶体通过快速连接装置锁定到相应靶位。PET trace型回旋加速器有6个束流引出端口，其中5个分别对应5种不同核素生产靶，另1个则作为扩展靶位。5种核素生产靶为11C靶、13N靶、15O靶、18F-F-靶、18F-F2靶。

根据靶材料是气体还是液体可将靶分为气靶和液靶，气体或液体经由靶面板注入靶室。靶体主要分为4个部分，即前法兰、氦冷却室、靶室、后法兰。前法兰引导靶正确进入加速器相应靶位，插销装置使拆装靶快速准确，后法兰连接供应管道。靶在生产时需要供应三种材料，第一就是靶材料，第二是冷却水，第三是高速循环的冷却氦，靶材料和冷却水都经由后法兰进入靶内。

束流经束流出口进入靶室轰击靶材料生产出放射性核素，核素经管道传送到化学合成装置。气态产品和液态产品都是从主屏蔽内部用气体压缩方式，通过小的传输管道再穿套在地下铅块覆盖的管道传送到化学合成装置。管道在机器安装前就要设计好，覆盖管子的铅块厚度要在5cm以上，用以屏蔽511keVγ射线。

为了控制从离子源到靶的束流，束流诊断系统检测加速器和靶系统不同位置时的束流情况。束流诊断系统包括以下几个部分，即Flip-in探针、萃取膜、每一束流出口处的上下准直仪、靶体、多信道束流分析仪、过滤板。从Flip-in探针反馈回来的束流信息可以用来判断束流是否达到预期值，以及是否满足核素生产的要求。如果束流信息符合预期值，则表明加速器各个子系统工作正常，离子源状态良好。阴离子在萃取膜处剥离出两个负电子转变为阳离子，萃取膜应对地绝缘，以便检测电子电流值，该值应是萃取前阴离子束流的2倍。

氦冷却系统和水冷系统同属于冷却系统。氦冷却系统主要是生产期间在靶室和靶窗的Havar箔膜和钛箔膜之间进行冷却，高速循环的氦气流提供了良好的冷却效果。水冷却系统分两级，包括初级水冷和二级水冷。循环水从不同系统中将热量带出在二级冷却系统中进行热交换，二级水冷再将热量传送到一级水冷进行冷却。水冷却系统同时对氦冷却系统进行冷却。