ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 11, с. 1629-1631
УДК 621.384.6
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБОИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА ПРОТОНОВ
© 2011 г. С. В. Акулиничев, Ю. К. Гаврилов, Ю. М. Бурмистров, С. В. Зуев, Е. С. Конобеевский, М. В. Мордовской, В. М. Скоркин
Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва E-mail: skorkin@inr. ru
Представлена система измерения интенсивности и энергии пучка протонов медицинского канала ИЯИ РАН при энергии 70—280 МэВ и среднем токе около 1 нА. В системе используется реакция упругого рассеяния протонов первичного пучка на полиэтиленовой мишени для определения интенсивности и энергии терапевтического пучка протонов с точностью 1% и 1 МэВ соответственно.
ВВЕДЕНИЕ
Для лечения больных со злокачественными новообразованиями необходимо разработать оборудование, обеспечивающее измерение параметров терапевтического пучка протонов. Клинические требования к системе гарантии качества облучения предусматривают контроль параметров пучка протонов, обеспечивающий точность, надежность и безопасность лечения. Преимущества протонной терапии могут быть использованы только при высоком качестве пучка протонов медицинского канала, его оперативной диагностики, стабилизации и своевременной коррекции. Для лечения большинства онкологических заболеваний терапевтический пучок протонов медицинского канала должен иметь энергию 70—280 МэВ, интенсивность 0.1—1 нА, частоту 50—100 Гц, длительность импульса до 100 мкс. Параметры терапевтического пучка необходимо определять со следующей точностью: положение — не хуже 2 мм, энергию — 1%, дозу (интенсивность) — 10%, неоднородность профиля пучка — 10%. На канале предварительного формирования терапевтического пучка протонов в Комплексе протонной терапии ИЯИ в качестве специального измерителя энергии и интенсивности пучка выбрана многофункциональная система измерения интенсивности и энергии упруго рассеянных протонов пучка на СН2-мишени.
1. СОСТАВ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГИИ ПУЧКА ПРОТОНОВ
Система измерения интенсивности и энергии пучка (СИЭП) включает в себя устройство рассеяния с СН2-мишенью, двухплечевой сцинтилляци-онный телескоп, электронные и программные модули сбора и обработки информации. Система измерения размещается на канале транспортировки протонного пучка перед входом в камеру облуче-
ния протонной терапии и используется для контроля энергии и интенсивности протонного пучка в процессе облучения. Общая схема СИЭП изображена на рис. 1. Пучок протонов медицинского канала выводится из вакуумного канала и, пройдя элементы формирования терапевтического пучка, попадает на полиэтиленовую мишень СИЭП. Часть протонов сформированного пучка упруго рассеивается на водороде СН2-мишени, выбивая из мишени вторичные протоны. Суммарный угол разлета рассеянных и вторичных протонов при энергии первичных протонов 70—260 МэВ составляет ~87°—89°. Плечи телескопа устанавливаются под углами, близкими к ~44°, влево и вправо от направления первичного пучка протонов с возможностью их перемещения. Каждое плечо сцинтил-ляционного телескопа состоит из двух времяпро-
Рис. 1. Схема расположения оборудования СИЭП в составе установки для облучения Комплекса протонной терапии: 1 — СН2-мишень, 2 — время пролетные детекторы, 3 — пучок протонов, 4 — детекторы полного поглощения, 5 — биологическая защита камеры облучения, 6 — коллиматор медицинского канала.
1629
1630
АКУЛИНИЧЕВ и др.
N 150
50 Ь t, нс 4
2
50
100
Е, мэВ
Рис. 2. Спектры вторичных протонов в одном из плеч установки СИЭП: а — энергетический спектр всех зарегистрированных протонов в детекторе ДПП без отбора событий упругого рассеяния, б — двумерная диаграмма зависимости времени пролета протона t между ВПД и энергии протона Е, измеренной в ДПП.
летных детекторов на основе органического сцинтиллятора и детектора полного поглощения на основе вольфрамата свинца. Сцинтилляцион-ные детекторы просматриваются фотоэлектронными умножителями ФЭУ-143 и ФЭУ-87. Питание ФЭУ осуществляется от высоковольтных источников, расположенных в крейте САМАС. Сигналы с ФЭУ поступают на линейные усилители и быстрые формирователи со следящим порогом.
Детекторы, регистрирующие акты рассеяния протонов, и водородсодержащая мишень устанавливаются на уровне пучка. Размер левого плеча телескопа составляет примерно 120 см, а правого — 70 см. Положение мишени и детекторов регулируется по высоте и углам вылета из мишени рассеянных и вторичных протонов с точностью порядка 2 мм. Угловое перемещение плеч относительно направления пучка осуществляется с точностью »0.1°. Энергия рассеянных протонов зависит от угла, поэтому возможны как абсолютная калибровка энергии, так и периодическая ее проверка. Комплекс программных модулей позволяет осуществлять сбор и накопление данных с электронных модулей с дальнейшей их сортировкой и обработкой на персональном компьютере. Программа определения энергии и интенсивности пучка первичных протонов может автоматически проводить набор данных за определенное время, осуществлять отбор событий упругого рассеяния и усреднение данных по выбранному количеству упругих событий, определять среднюю энергию и интенсивность сформированного пучка за время измерения. Предусмотрена возможность осу-
ществления набора информации и управления электронными блоками СИЭП с помощью удаленного компьютера через локальную сеть.
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ СИЭП
Рассеянные протоны в левом и правом плечах системы пролетают сквозь тонкие пластмассовые времяпролетные детекторы (ВПД) и останавливаются в детекторах полного поглощения (ДПП). При этом энергия измеряется в ДПП, а время пролета — по разности времен образования сигналов в ВПД.
Сигналы от ВПД через формирователь сигнала и программируемые линии задержки поступают на 4-кратные схемы совпадения, образующие триггер события, а также на преобразователи время—амплитуда (ВАП) для формирования сигнала, пропорционального времени пролета протонов между детекторами ВПД [1]. Сигналы от ДПП поступают на линейные усилители, в которых формируется сигнал, пропорциональный энергии протонов, потерянной в детекторах полного поглощения, а затем на амплитудно-цифровые преобразователи (АЦП). Согласование по времени управляющих стробов и сигналов, поступающих на АЦП, осуществляется с помощью генераторов задержки, управление электронными блоками САМАС и передача цифровой информации в компьютер — контроллерами PC-CAMAC.
В режиме on-line аналоговый отбор событий упругого рассеяния осуществляется с помощью триггера, образованного 4-кратным совпадением сигналов от ВПД. Этот уровень отбора событий позволяет более чем в 1000 раз уменьшить фон от взаимодействия первичного пучка протонов с углеродом в СН2-мишени. При этом сохраняется возможность регистрации вторичных протонов в каждом плече телескопа и отбираются события инклюзивного рассеяния протонов на полиэтилене, по которым измеряется средняя интенсивность протонного пучка. Программный отбор событий упругого рассеяния осуществляется с помощью информации о времени пролета и энергии частиц и позволяет достичь соотношения эффект/фон в области пика упругого рассеяния -500. На рис. 2 представлены зарегистрированные спектры вторичных протонов. Идентификация протонов в режиме обработки проводится по двумерной диаграмме энергия—время пролета. Энергия первичного пучка E0 равна сумме измеренных в ДПП энергий упруго рассеянных протонов в левом (Ex) и правом (E2) плечах установки: E0 = Ex + E2.
Для измерения интенсивности первичного пучка используется реакция инклюзивного рассеяния протонов на полиэтилене. Сечение этого процесса больше чем на порядок превышает сечение упру-
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБОИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА ПРОТОНОВ
1631
гого рр-рассеяния и позволяет оценить интенсивность первичного пучка за короткий интервал времени. Интенсивность первичного пучка определяется как среднее значение по двум измерениям интенсивности в обоих плечах телескопа
I о =
1
2пх
12ц
2^2
(1)
(01) ^ст (02)
где /12 — интенсивность рассеянных протонов под углами 912, п — число ядер углерода в 1 см3 мишени, х — толщина мишени, Х12 — расстояние до детекторов ДПП с поперечным сечением ^12, ст(912) — дифференциальное сечение инклюзивного рассеяния протонов на СН2. Интенсивность /12 определяется как отношение числа протонных событий в плечах установки ^12 к времени набора
Тнаб : 11,2 = -ВД^. Практически протоны регистрируются под одинаковыми углами 912 « 44°. В этом случае погрешность определения интенсивности пучка можно оценить как
А/о
1
/о т^гж'
(2)
В работе проведено испытание СИЭП на канале транспортировки без включения системы формирования терапевтического пучка. На рис. 3 представлен график измеренной энергии первичного пучка протонов ускорителя Еуск от номера на-
Е
-^уск 266
264
262
20
40
60 80 Пнаб
Рис. 3. График зависимости энергии Еуск первичного пучка протонов ускорителя, измеренного за время набора «1 минуты, от номера набора событий пнаб упругого рассеяния протонов.
бора событий упругого рассеяния пнаб в течение времени Тнаб около 1 минуты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При среднем токе пучка протонов около 1 нА, толщине мишени 0.5 мм, расстоянии от СН2-ми-шени до ДПП 80 см и размерах ДПП 2.2 х 2.2 х х 5 см и угле рассеяния протонов ~44° скорость счета упругого рр-рассеяния составит 50 с-1, скорость счета инклюзивных протонов — 500 с-1. За полминуты измерения энергия пучка определяется с погрешностью ~1 МэВ, а средняя интенсивность — 1%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зайковская Н.В., Конобеевский Е.С., Копылов В.И. и др. // ПТЭ. 1995. Т. 38. № 2. Ч. 1. С. 32.
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.