입자가속기는 형태에 따라 원형가속기와 선형가속기로 분류되며 입자의 종류에 따라 전자석 가속기와 이온가속기로 구분될 수 있다. 원형가속기에는 사이클로트론(Cyclotron)과 신크로트론, 마이클트론 등이 있고 선형가속기에는 가속 방법에 따라 고전압에 의한 정전압에 의한 정전형 가속기와 고주파 전기장에 의한 가속기가 있다.
일반적으로 핵의학에서 사용하는 가속기는 양성자 에너지 30Mev이하의 사이클로트론으로 그 구조에 따라 고전형, frequency modulated(FM)형, sector focused(SF) 형으로 분류되는데 의료용은 주로 SF 사이클로트론에 속한다. 또한 가속이온의 종류에 따라 양이온(H+)과 음이온(H-)사이클로트론으로 구분된다. 음이온 (H-) 가속은 인출과정을 용이하게 하므로 음이온 사이클로트론이 널리 사용되고 있다. 초전도 전자석 코일을 사용하면 무게를 줄이고 작동을 용이하게 할 수 있다.
하전입자가 가속기에서 생산된 후 표적을 충돌하면 중성자가 부족한 방사성 핵종이 무담체의 상태로 생산된다. 이 핵종들은 양전자를 방출하거나 전자포획에 의하여 붕괴한다.
가속기에서 생산되는 대표적인 방사성 핵종, 특징, 핵반응을 표 1-1에 열거하였다.
표 1-1에 있는 양전자방출 방사성 핵종은 주로 저에너지 사이클로트론으로부터 용이하게 생산된다. 1932년에 Ernest O. Lawrence는 균일 자장 내에서의 하전입자의 원운동 주기와 고주파 전장에 의한 공진 가속을 조합한 공진 원리를 적용시켜 최초의 사이클로트론을 개발하였고 이것이 기초가 되었다.
입자가속기의 원리는 전자기 이론에 근거한다. 즉 하전입자가 힘의 자기선에 수직을 위치한 진공상태의 균일한 자기장내로 주입될 때 그 입자는 원형으로 움직인다. 이 움직임의 주파수는 자장의 세기, 입자의 질량과 전하에 의하여 결정되고 입자의 속도나 에너지와는 무관하다. 가속될 입자는 중앙의 이온원에서 이온화되어 나오고, 고주파 전극 디(Dee, 디자형 가속전극)에서 이온화된 입자의 에너지를 가속시키고 전자석은 입자의 궤도를 조정한다.
이온화된 입자의 원형의 움직임과 일치하는 주파수의 교류 전위가 디 사이의 공간에 공급 될 때 입자는 이 공간을 지날 때마다 가속되며, 반경이 더 이상 증가하지 않을 때까지 나선형을 형성하며 계속하여 가속된다. 가속된 이온들의 연속적인 흐름을 빔이라고 하는데 이들이 디의 가장자리에 도달하면 인출된다. 빔의 인출은 입자의 전하가 음이온인지 양이온인지에 따라 다른데 입자가 양이온을 띠면 정전기적인 장치에 의하여 편향되고, 음이온을 띠면 포일을 통과하는 동안 전자가 제거되고 이 결과로 생기는 양이온을 띤 입자의 경로는 자기장에 의하여 변하고 표적을 충돌하기 위하여 사이클로트로 밖으로 밀어내진다.
기체나 액체 표적들은 자기로 작동하는 밸브의 조정하에서 한곳으로부터 다른 곳으로 쉽게 이동될수 있기 때문에 이들 표적들만이 소형사이클로트론에 사용된다. 이 물질은 원을 도는 동안 충돌되어 질수 있다. 표적 기체나 액체는 빔이 들어오도록 얇은 포일창을 갖는 용기에 들어 있고 입사 빔은 이 포일의 넓은 영역으로 퍼진다. 포일의 재질로는 알루미늄, 니켈, 스테인레스스틸, 티타늄 합금이 적당하고 이중 티타늄 합금은 높은 전류의 충돌에 사용되어진다.
보통 두 개의 포일이 사용되는데 이 사이를 헬륨이 통과해 냉각한다. 또 하나의 포일은 사이클로트론의 진공을 유지하는데 사용된다. 표적 액체의 일부가 이동용 선 안에 남는 것은 피할 수 없지만 특히 H218O와 같은 농축된 동위원소 표적의 경우에는 표적의 용량이 적어야 한다.
방사성핵종 | 핵반응 | 반감기(분) |
---|---|---|
11C | 14N(p,α)11C | 20.4 |
11B(p,n)11C | ||
10B(d,n)11C | ||
13N | 16O(p,α)13N | 9.96 |
13C(p,n)13N | ||
15O | 14N(d,n)15O | 2.07 |
15N(p,n)15O | ||
18F | 18O(p,n)18F | 109.7 |
16O(3He,p)18F | ||
20Ne(d,α)18 |
양전자방출 방사성의약품 용액의 정도관리는 표지 된 방사핵종의 물리적 반감기가 짧기 때문에 반복 생산, 생산과정의 조절, 빠른 정도관리 과정에 의존한다.