ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 151-158
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 53.082.77
МОНИТОРИНГ ИМПУЛЬСНОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛЕПЕСТКОВЫХ ВОЗДУШНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ КАМЕР
© 2015 г. Д. А. Жидков, В. И. Костюченко, М. Ф. Ломанов, О. Б. Рязанцев, В. С. Хорошков
ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" им. А.И. Алиханова НИЦ "Курчатовский институт" Россия,117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 E-mail: dmtr7114@mail.ru Поступила в редакцию 04.02.2014 г.
Показано теоретически и экспериментально, что измерение параметров импульсного протонного пучка с последовательным поворотом воздушной многоэлектродной ионизационной камеры позволяет существенно повысить точность определения как положения центра тяжести поперечного сечения пучка, так и создаваемого им продольного распределения дозы. Определены режимы линейной работы камер и исследованы характеристики системы. Погрешность определения положения центра тяжести поперечного сечения пучка составила менее 2% (~0.4 мм), что подтверждает работоспособность метода для мониторинга пучка.
DOI: 10.7868/S0032816214060202
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время протонно-лучевая терапия (п.л.т.) является наиболее эффективным медицинским методом лечения целого ряда злокачественных новообразований. Во всем мире (особенно в Европе, США и Японии) создаются клинические центры п.л.т. [1—4] для лечения широкого круга локализаций злокачественных новообразований.
В центре п.л.т. ИТЭФ длительное время в качестве ускорителя протонов применялся синхротрон У10. Внешний протонный пучок синхротрона имеет импульсную структуру с длительностью импульса порядка 200 нс, частотой импульсов ~0.3 Гц, флюенсом >108 протонов/см2 в импульсе. Квазинепрерывные пучки, использующиеся в большинстве других центров п.л.т., имеют значительно меньшую импульсную плотность потока протонов. Однако, несмотря на ряд несомненных преимуществ, применение столь короткого импульсного пучка создает ряд трудностей при его контроле и диагностике.
В центре п.л.т. ИТЭФ выведенный из ускорителя пучок протонов формируется электромагнитной оптикой и направляется отклоняющими магнитами в одну из трех специализированных процедурных кабин для облучения пациентов. Энергия выведенного пучка может быть выбрана в пределах от 70 до 220 МэВ, позволяя, таким образом, проводить облучение как наружных, так и
залегающих на разной глубине тела новообразований.
Управление элементами тракта пучка и его мониторинг осуществляются из пультовых помещений, защищенных от фонового излучения. При этом в п.л.т., использующей очень высокий градиент дозы по краям равномерного поля облучения, для точного совмещения дозного поля, зоны интереса и мишени крайне важен точный ввод протонного пучка в систему формирования доз-ного поля и его контроль.
Широко известные сцинтилляционные методы контроля пучка [5] в последнее время вытесняются дорогостоящими матричными системами [6], позволяющими повысить точность. Тем не менее, как будет показано в данной работе, системы многоэлектродных ионизационных камер с меняющейся ориентацией по выделенной оси камеры позволяют обеспечить сравнимую и даже превосходящую точность. Ввиду быстрого срабатывания ионизационных камер основанная на них система контроля может обеспечить автоматическую обратную связь с системой управления параметрами магнитных элементов тракта транспортировки пучка и, следовательно, с параметрами пучка и положением его оси в тракте. В данной работе предложена математическая модель, позволяющая адекватно определять поперечное распределение дозы протонного пучка. Представлены результаты прямых измерений, подтверждающие достоверность модели.
Рис. 1. Принципиальная схема установки многоэлектродной ионизационной камеры [5].
2. МНОГОСЕКТОРНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ
Основной причиной применения многоэлектродных ионизационных камер (и.к.) для контроля пучка является их линейный отклик на прошедший через зазор и.к. заряд. Уровень сигналов, получаемых от каждого электрода, позволяет судить о таких параметрах, как положение центра тяжести поперечного сечения пучка, распределение дозы и т.п. Параметры пучка могут быть определены с точностью, зависящей от количества и формы электродов, однако для точного решения такой задачи необходима обработка информации о распределении частиц в пучке, сложность которой не всегда соответствует уровню системных требований. Поэтому предложенный ранее принцип работы системы мониторинга заключался только в определении центра тяжести поперечного сечения пучка [7].
Самым простым вариантом такого мониторинга является калибровка и.к. на "идеальный" пучок, когда уровни сигналов, получаемых с каждого электрода, одинаковы. Неодинаковые уровни свидетельствуют о смещении центра тяжести поперечного сечения пучка. При этом необходимо решить задачу определения положения центра тяжести пучка по показаниям сигналов с электродов секторной ионизационной камеры, зная геометрические размеры системы. Для упрощения процесса центрирования данные после обработки представляются таким образом, чтобы оператор установки или система обратной связи могли легко центрировать пучок за минимальное время.
В варианте схемы, показанной на рис. 1, такой контроль осуществляется посредством пары секторных и.к. Первая и.к. устанавливается непосредственно перед системой формирования доз-ного распределения и предназначена для сбора данных исходного пучка, т.е. до изменения его размеров и формирования коллиматорами. Вторая камера установлена после системы формирования пучка, непосредственно перед пациентом, и предназначена для определения центра тяжести
поперечного сечения пучка в системе вывода. По данным двух камер определяется точное положение пучка в канале, т.е. его прохождение вдоль оси системы. Данная упрощенная процедура называется мониторингом геометрии пучка. Для определения положения центра тяжести поперечного сечения пучка каждая камера должна представлять собой систему независимых электродов, каждый из которых генерирует сигнал, амплитуда которого пропорциональна доли протонного пучка, прошедшей через этот электрод.
В отличие от широко распространенного способа размещения электродов по X- и У-направле-ниям [5, 7] в данной работе был выбран более простой, удобный в изготовлении и сравнительно недорогой в реализации вариант с радиальным размещением секторных электродов, работающих в обычной комнатной воздушной среде. Датчик профиля состоит из воздушной 8-электрод-ной секторной и.к. и используется для определения оси падения пучка протонов и его формы.
Ионизационная камера калибруется с заданной чувствительностью к положению центра тяжести поперечного сечения пучка протонов. Модуль а.ц.п. обеспечивает обработку и оцифровку сигналов с форвард-электроники. В состав модуля входит 12-разрядный а.ц.п. на 8 каналов. Нормирующий усилитель имеет диапазоны от 1 до16 с подстройкой смещения. Запуск преобразования осуществляется "воротами" (моментом прихода фронта и заданной длительностью). Сигнал передается в компьютер — интерфейс промышленного последовательного канала связи типа ИЗ-48 5 по протоколу МоёВш. Съем информации осуществляется раз в 3 с.
Фотография и.к. показана на рис. 2. Ионизационная камера представляет собой сборный корпус из двух кольцевых рамок с широким отверстием круглой формы. На рамки наклеены тонкопленочные электроды с металлическим напылением (медь). Высоковольтный электрод имеет сплошное покрытие, а сигнальные — создают рисунок, например, образующий систему из восьми от-
1 см
0.08
0.06
0.04
Рис. 2. Многоэлектродная секторная ионизационная камера, использованная в эксперименте.
дельных электродов в виде секторов. В некоторых работах предлагается использовать радиально расположенные электроды для улучшения точности определения положения пучка [7], однако, как будет показано ниже, подобное расположение электродов не дает реальных преимуществ.
Недостатком рассматриваемой камеры является ее нечувствительность к расширению протонного пучка без его сдвига. Хотя эта проблема легко решается внесением дополнительного центрального электрода и изменением симметрии электродов, в частности использованием ленточных электродов, в данной работе она рассматриваться не будет.
На рис. 3 показана вольт-амперная характеристика камеры, определенная по отношению сигналов и.к. к индукционному датчику (пояс Рогов-ского), показывающему абсолютное значение тока пучка. Эксперимент проводился с целью определения рабочей области напряжений и.к., в качестве данных использовались показания форвард-электроники камеры. При низких напряжениях возможно зажигание разряда между электродами камеры и "нулевым" электродом, которое искажает линейность сигнала. Насыщение камеры начинается при напряжении питания выше 550 В, при этом эффект разряда пренебрежительно мал.
Поскольку ионизующая способность протонного пучка невелика, даже при его большой интенсивности, напряжение пробоя превышает 2кВ. В эксперименте было решено не доводить значение напряжения питания до области, близкой к образованию лавинного размножения ионов, с тем чтобы исключить возможность выхода из строя электроники. Электроника камеры,
400 800 1200 1600 2000
иию В
Рис. 3. Зависимость сигнала с электродов секторной ионизационной камеры от напряжения питания на протонном пучке п.л.т. ИТЭФ.
обеспечивающая обработку сигнала, рассчитана на работу с импульсными пучками заряженных частиц и с временем задержки разряда конденсаторов электроники 25 мкс, хотя предлагаемый метод легко адаптируется и для непрерывных пучков.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА.
ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ
Основой расчета параметров пучка, включая его положение, по показаниям многоэлектродной и.к. для импульсного пучка является линейность отклика камеры на количество протонов, проходящих через отдельный электрод: Ik = = aNk(x, y), где k — номер электрода; Ik — полученный сигнал; Nk(x, y) — число протонов, прошедших через электрод в плоскости (x, y); а — постоянный для всех электродов коэффициент.
Для иллюстрации работы камеры ра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.