束流監測器
概述
重離子束治療腫瘤技術是一種新的癌症治療手段。重離子束用於放射治療既有生物學優勢,又有劑量分布優勢(Bragg峰:離子能量大部分沉積在射程的末端),在治療中表現出一系列獨特的優勢:治療位置精度高(毫米量級);劑量相對集中,照射治療時間短,療效高;對腫瘤周圍健康組織損傷小;治療時能實時監測,便於控制位置和劑量,保證治療安全和精度。由於重離子的以上優點,它被稱為面向21世紀最理想的放療用射線。美國的勞倫斯伯克利實驗室(LawrenceBerkeleyLaboratory,LBL)早在1975年就利用其高能同步重離子加速器BEVALAC開始進行重離子束放射治療臨床試驗。日本於1984年就提出在國立放射醫學綜合研究所(NIRS)建造一台重離子醫用加速器(HI-MAC),專門用於重離子治癌及放射醫學研究。
在歐洲,重離子束治癌裝置HITAG於1996年在德國重離子研究中心GSI建成。我國一些科研單位與高校也開始進行這方面的研究,中國科學院近代物理研究所首先建成了重離子治癌裝置,利用重離子加速器提供的80～100MeV/μ的C束流進行淺表層的惡性腫瘤的治療。從2006年10月份開始,中科院近代物理研究所已經進行了三次近30人次的重離子治療淺表層癌症的臨床實驗,並取得了非常顯著的療效。
治癌終端束流的控制和監測裝置
在重離子淺層腫瘤治療時,要在不同深度,不同形狀的腫瘤區域內獲得均勻穩定的束流照,這就需要對束流的狀態進行監測。我們在治療過程中,要求照射野內束流離子分布的均勻性好於90%,束流強度穩定性好於90%,而且要保證照射的劑量準確。在治癌終端配置相應的探測器可以實現對束流強度和穩定性的實時監測及照射野均勻性的監測,從而保證治療的安全性和可靠性。在治癌過程中,我們採用塑膠閃爍探測器監測束流強度的穩定性,以保證照射劑量和照射離子數之間轉換因子的準確;採用平行板雪崩計數器(PPAC)測量束流剖面的均勻性,以保證腫瘤各斷層上癌細胞均受到相同劑量的照射。
C離子束經X方向偏轉磁鐵Dx,Y方向偏轉磁鐵Dy的掃描後,形成50mm×50mm大小,具有一定均勻性的束斑。其後依次放置有:(1)塑膠閃爍體,監測束流的穩定性;(2)降能片,也叫射程調節器,通過改變其厚度來調節Bragg峰的位置;(3)脊形過濾器,將束流的Bragg峰展寬;(4)PPAC,測量束流剖面的均勻性;(5)標準電離室IC,測量Bragg峰位並刻度照射劑量和照射離子數之間轉換因子在治療前,我們先用PPAC測量束流剖面的均勻性,用IC測量束流的Bragg峰位,然後利用IC上讀到的劑量值與塑膠閃爍體探測器的總計數之比算出劑量與離子數間的轉換因子,將病人的處方劑量換算為離子數。最後利用降能片和脊形過濾器將束流的Bragg峰準確在腫瘤區域內,通過塑膠閃爍體探測器和計算機控制癌變部位的照射劑量。整個治療過程中用塑膠閃爍體探測器實時監測束流的穩定性(保證照射劑量轉換因子的準確)以及進行照射劑量的控制。
束流穩定性的測量
用於束流穩定性測量的塑膠閃爍體探測器具有高時間分辨、高計數能力、耐輻照的特點。該塑膠閃爍體探測器的結構示意圖。該探測器主要由三部分組成:塑膠閃爍薄膜、內橢球面光反射鏡和光電倍增管PMT。其內表面橢球鋁製光反射鏡的一個焦點上安放著厚度50μm的塑膠閃爍薄膜BC-408,另一個焦點處於光電倍增管的光陰極中心。當離子垂直穿過閃爍膜時,引起閃爍膜發光,其產生的光子經橢球面反射後,被聚焦到PMT的光陰極上。產生的光信號經PMT放大後讀出。所用光電倍增管為Hamamatsu公司生產的R7724。我們用計數卡和AD轉換卡相結合的方法實現對束流的實時監測。塑膠閃爍體探測器的輸出信號輸入計數卡,得出相應的離子數;AD轉換卡監測掃描磁鐵的狀態(電流值)。當掃描磁鐵工作不正常或照射離子數達到所需的劑量,兩卡片均輸出一個高電平來啟動相應裝置阻擋束流。計數卡和AD轉換為NI公司生產的6602和6133。圖3給出的是治療過程中監測到的一個時間段內典型的流強變化曲線。圖形界面是用LabView軟體編寫的,圖上方的數字為當前的束流強度,單位為pps(particlepersecond),繪有計數曲線的框圖橫坐標為時間軸(S),縱坐標為離子個數。
束流監測器物理過程
概述
束是不穩定的，束流強度隨時間而改變，從而影響實驗測量結果， 解決的辦法是在中子導管出口處、樣品中子的發現與套用是 世紀的重要科技成就之 台之前放置 箇中子束流監測器， 實時測量隨時間中子具有下列的優點： 電中性、 穿透力強； 變化的入射中子強度， 為譜儀探測器提供歸化的輕元素敏感、 可進行同位素分析； 具有磁矩、 參數， 從而有效地減小因中子束入射強度變化而產可進行磁性微觀分析。這些優點使中子技術與射 生的影響。 傳統典型的中子束監測器大多使用透過線技術互補， 成為研究物質微觀結構的重要手段。 式 正比計數器， 計數率最大中子注量當前國際上的新 代散裂中子源。
隨著國際、 國內大型中子源日本的 英國的 以及國內在 的發展 ， 中子通量越來越高， 對束流監測器也隨之提建的中國散裂中子源出了更高的要求，不僅需要實時地監測中子束的強具有高脈衝通量、 優越的脈衝時間結 度，還需要具有良好的二維位置分辨能夠實時地監低本底、 且不使用核燃料。 計畫於 年 測中子束斑的形狀，測量每 個像素上的中子通量，左右建成並運行， 屆時將為國內外科學家提供世界 並且提供很好的時間分辨， 以便使用流的中子科學綜合實驗裝置。 法進行中子波長的測量，以滿足高通量、高由於加速器功率不穩定、 以及中子產生效率與中 精度譜儀發展的要求。 很明顯目前傳統的中子束流監子束傳輸效率等諸多因素的影響， 經導管引出的中子 測器已經不能滿足新 代中子散射譜儀對束流監測提出的新要求 。 另外， 當前還面臨 氣體資源嚴重短缺的國際形勢，價格十分昂貴。
因此 ， 研究新代能替代 的高計數率型中子翻技術就顯得尤為迫切和重要。近年來蓬勃發展起來的氣體探測器性能卜分突出，位置分辨好於 計數率高達 耐輻射，套用範圍廣， 使用不同轉換材料就可以探測相應靈敏的粒子，塗硼作為轉換層就可以探測中子 。 目前基於塗硼的中子探測技術已成為新型中子探測器研究的熱點， 也是新代中子束監測器的熱點技術。日本高能加速器研究組織年完成了塗硼 中子束監測器的研製工作 問，並且在 上進行了束流測試得到了很好的結果，處於該領域國際領先水平。 近年來國內 些單位也參到 探測器的研究中，例如清華大學、中國科技大學、 中國科學院近代物理研究所及中國科學院高能物理研究所都開展了相應的工作。 中子探測器組就開始了塗硼 中子探測器系統化研究， 以發展替代 探測技術， 該項工作己獲得 工程項目、核探測與核電子學國家重點實驗室以及國豕自然科子基金項目的支持。 本姓要通層對熱中子的轉換效率’對比硼轉換層次級粒子浦能譜與在力’最佳化硼轉換層厚度及漂移區氣體厚度’比計算了快中子在標準 膜和 膜中產生的影響，為探測器研製提供進步的數據參考。
探測器結構與原理
中子束監測器位於主束上測量束流強度， 因此必須具有很高的傳輸效率以儘量減少對主束的影響，探測效率 般小於 。 對於基於硼轉換的 中子束監測器而言，直接在漂移電極下表而塗層硼作為中子轉換層即可實現對中子的探測。 中子轉換 、 氣體倍增和信號讀出， 個過程彼此相互獨立， 工作氣塗硼漂移極信號讀出線上彩圖探測器結構體採用常用的 混合氣體 個大氣壓流氣式供氣， 以保證探測器 作穩定，延長使用壽命。 硼的同位素 是常用的熱中子敏感轉換材料化學活性低便於套用 含鮮富，且易獲得濃縮豐度 ，是理想酬體巾子轉換材料，該反應有個反應道其中 分支比反應生成 位置與時間信息。激發態 瞬間退激產生 和 由於出射的帶電粒子只有其中個進入工作氣體兩種粒子， 另 分支比反應直接到基態產生 被探測到，其動能大，射程長且電離的面積也大， 當入射中子被 俘獲後，電離粒子的質心本身與中子發生核反應的位置產生離子方向相反， 二者其直接損失在塗硼有定的偏差， 這個偏差決定了測量中子的位置粘基材里， 另個進入工作氣體， 產生大量原初電子電 度會受硼層厚度、 氣體厚度、 工作氣壓及工作電壓的離對在漂移電場的驅動下 影響。對於時間的測量，由於採用的是固定轉換層，屯廣經過漂移區 ，由雙層 進行氣體放大增益 厚度非常薄 ，中子被俘轉換的時間晃動可以忽略不約兒百， 最後通過二維讀出電路，獲取中子的擊中 計，而本身的時間解析度高，故只要讀出電子學時間的精度足夠高，就可以實現高精度的 測量目前型氣體探測器受限於探測器厚度’ 時間解析度普遍較低。
束流位置監測器
概述
電磁耦合型束流位置監測器(BPM)是粒子加速器中最為常見的束流診斷設備,對於電子或正電子加速器而言又以條帶電極型和鈕扣電極型探頭為主,其電極輸出信號中除包含束團位置信息外,還包含束團電荷量、束團長度等信息,因此如果配以合適的信號處理電子學及信息提取算法,應該可以從單一的BPM探頭中同時提取出束團位置、束團電荷量、束團長度等參數,並在此基礎上推導出束流損失、束流壽命、束團截面形狀因子等參數,實現單一探頭進行多參數束流診斷的目的。本文首先關注於束團電荷量(束流流強)信息的提取,以理論分析、數值仿真結合上海光源儲存環束流試驗的方法,對束流流強信息提取算法、該算法的適用條件、當前設備條件下可以達到的性能進行了研究。
光源儲存環束流位置測量系統
上海光源(SSRF)是我國近年建成的第三代同步輻射光源,由一個周長432m的3.5GeV電子儲存環、一個150MeV至3.5GeV的電子增強器、一個150MeV的電子直線加速器、若干同步輻射光束線和實驗站構成。其儲存環設計運行流強為300mA,束流壽命10h,束團長度14ps(1倍σ),彎鐵處束團截面尺寸小於百μm,束流中心位置穩定度要求達到μm量級。為實現上述運行目標,在儲存環中建立了一個閉軌測量精度達到亞微米量級的BPM系統,由沿環均布的140組四鈕扣電極探頭,分布在儲存環內技術走廊中的140套數字BPM電子學設備,以及在兩者之間傳送束流信號的信號傳輸網路構成。這一位置測量系統也可用於流強測量。
1.檢測電極布局及流強修正因子
上海光源儲存環中的束流真空室截面形狀為八邊形,檢測電極直徑為10mm,。採用有限元分析方法編寫計算軟體,計算得到第一象限內歸一化流強修正因子。kQ值以kQ(0,0)為基準進行了歸一化,探頭中心區域(R
