научная статья по теме ТОНКОСТЕННАЯ МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВОЗДУШНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА Физика

Текст научной статьи на тему «ТОНКОСТЕННАЯ МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВОЗДУШНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 103-108

_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _

--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -

УДК 539.1.074+621.373.5

ТОНКОСТЕННАЯ МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВОЗДУШНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА

© 2004 г. С. И. Поташев, С. В. Акулиничев, Ю. М. Бурмистров, А. И. Драчев*, М. В. Мордовской

Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а *Институт полимерных материалов РАН Россия, 117393, Москва, ул. Профсоюзная, 70 Поступила в редакцию 18.07.2003 г. После доработки 19.11.2003 г.

Описана высокочувствительная узкозазорная воздушная ионизационная камера с малым количеством вещества по пучку для мониторирования терапевтических пучков протонов и других частиц. Новыми элементами камеры являются пленки из полиимида толщиной 1.5 мкм, полученные по специальной технологии на обечайках из кварцевого стекла и нержавеющей стали. Покрытые нано-слоями меди и золота эти пленки являются электродами камеры. Обладая высокой прозрачностью, камера позволяет регистрировать протоны с энергией от 200 кэВ и а-частицы с энергией от 500 кэВ. Величина тока утечки 40 пА обеспечивает высокое значение соотношения сигнал/шум. Профили пучка и распределения дозы в двух направлениях в чувствительной области 8 х 8 см2 регистрируются с помощью 60-ти катодных стрипов, нанесенных на тонкие пленки. Камера может использоваться также для детектирования ядер низкой энергии.

1. ВВЕДЕНИЕ

В современных методах лучевой и, в частности, протонной терапии онкологических заболеваний все большую роль играет двумерная позици-онно-чувствительная дозиметрия. Она является неотъемлемой частью систем мониторирования терапевтических пучков и систем контроля качества облучения. Кроме того, двумерную дозиметрию можно рассматривать как этап в получении трехмерных дозовых полей с помощью фантомов при подготовке облучения.

Высокий поток частиц в пучках, применяемых в протонной терапии, не позволяет применять методы детектирования отдельных событий. Вместо этого используются методы интегрирования сигнала за некоторый интервал времени. Поскольку в таких системах (например, ионизационных камерах) измеряемый электрический ток должен считываться во время облучения, требуется динамический двумерный пиксельный способ считывания доз в аппаратуре облучения. Это относится как к методу так называемого пассивного формирования дозового поля с фиксированным пучком протонов или ионов, так и к методу динамического формирования за счет сканирования пучка.

При пассивном формировании дозового поля проводится одновременное облучение всей мишени широким пучком частиц, профиль которого повторяет контур наибольшего поперечного се-

чения мишени. К тому же при этом методе требуется промодулировать пучок частиц по энергии так, чтобы область наибольшего выделения энергии, пик Брэгга, была распределена по мишени в соответствии с ее продольной толщиной. В протонной терапии данный метод применяется для облучения относительно небольших мишеней с характерным размером до 10 см, поскольку технически сложно получить однородный пучок большого поперечного размера. Еще труднее промодулировать пучок по энергии так, чтобы получить требуемую однородность дозы облучения по продольной координате.

Более эффективным считается метод динамического формирования дозового поля путем сканирования узкого пучка протонов или ионов, поперечный размер которого составляет несколько миллиметров. Варьируя направление и энергию такого пучка, можно последовательно и равномерно облучить мишень любой формы и размера. Для этого метода не существует ограничений по размеру мишени. Однако для успешной реализации облучения по этому методу требуется высокая стабильность энергии частиц и наличие довольно сложной компьютерной системы управления пучком.

Пример техники сканирования пучка в протонной терапии приведен в работе [1]. Измеренный ток ионизационных потерь в воздухе в заданной точке воздушной ионизационной камеры свя-

15 12

Рис. 1. Конструкция воздушной ионизационной камеры. 1 - блок воздушной ионизационной камеры; 2 - алюминиевый экран; 3 - фторопластовое основание; 4 - кольцо из кварцевого стекла; 5 - первый пленочный катод со стрипами; 6 - сигнальный контакт от стрипа; 7 - фторопластовый козырек; 8 - пленочный анод; 9 - анодное кольцо из нержавеющей стали; 10 - высоковольтный вывод; 11 - изолирующее фторопластовое кольцо; 12 - второй пленочный катод; 13 - катодное кольцо из нержавеющей стали; 14 - контактная крышка; 15 - винт; 16 - сигнальный контакт от второго катода.

зан с величиной дозы, поглощенной в этой же геометрической точке. Однозначность и линейность этой связи тем больше, чем меньше нелинейные эффекты в воздушной ионизационной камере, связанные с влиянием материала стенок камеры и с рекомбинацией рожденных пар ионов в зазоре между электродами камеры.

С целью минимизации указанных эффектов нами была разработана и изготовлена многоканальная воздушная ионизационная камера с тремя электродами на основе полимерных пленок толщиной 1.5 мкм и 2-миллиметровым зазором между ними. Величина темнового тока <50 пА позволяет измерять ионизацию в газе без использования газового усиления и тестировать камеру с помощью радиоактивного источника Р-частиц с минимальной ионизирующей способностью. Мы предполагаем, что эта камера сможет быть весьма полезным прибором как для лучевой терапии с использованием различных видов ионизующих частиц, так и для научных экспериментов в области физики ядра и элементарных частиц. В частности, такие камеры могут быть использованы при измерении координат и потерь энергии ядер с энергетическим порогом вплоть до ~0.3 МэВ/нуклон.

2. КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ

Камера состоит из двух одинаковых блоков (рис. 1), каждый из которых представляет собой отдельную воздушную ионизационную камеру. Оба блока вместе с многоканальными усилительными модулями помещены в экранирующий корпус. Каждый блок камеры позволяет измерять как одномерное распределение ионизационных

потерь, так и полные интегральные потери. Система из двух камер позволяет получать профили ионизационных потерь в двух направлениях и дважды измеренные полные ионизационные потери. Катоды одновременно являются входными и выходными окнами камеры с количеством вещества по пучку 0.37 мг/см2.

Блок 1 воздушной ионизационной камеры (см. рис. 1) собран на фторопластовом основании 3, сочлененном с алюминиевым экраном 2. В основании установлен многоканальный катод, изготовленный на основе кольца 4 из кварцевого стекла. На поверхности кольца сформирована тонкая полиимидная 1.5-мкм пленка 5 с тридцатью медно-золотыми дорожками шириной 3 мм и промежутками 0.3 мм между ними. Толщина дорожек в центральной части пленки составляет 0.2 мкм, а в периферийной - 1 мкм. Толщина металлического покрытия периферийной части дорожек была увеличена, чтобы обеспечить присоединение пайкой сплавом Розе к золоченым круглым контактам 6, впрессованным в основание 3. Для исключения возникновения коронного разряда на краях электродов периферийная область пленки закрыта фторопластовым кольцеобразным козырьком 7.

Сверху в основании 3, параллельно многоканальному катоду над медно-золотыми дорожками, установлен анод 8. Он представляет собой полиимидную пленку толщиной 1.5 мкм с двухсторонней сплошной металлизацией, сформированную на кольце 9 из нержавеющей стали. Металлическое покрытие анода состоит из внутреннего слоя меди и внешнего слоя золота. Толщина металлического покрытия в центральной части

ТОНКОСТЕННАЯ МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВОЗДУШНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ.

105

пленки составляет 0.2 мкм, а по периферии -1 мкм. Анод присоединен к высоковольтному выводу 10, впрессованному в основание 3.

Над тонкопленочным анодом, параллельно ему, на изолирующем фторопластовом кольце 11 установлен второй катод 12. Катод представляет собой полиимидную пленку толщиной 1.5 мкм, сформированную на стальном кольце и покрытую с одной стороны сплошным слоем металла (меди и золота). Толщина покрытия в центральной части составляет 0.2 мкм, а по периферии стального кольца 13 - 1 мкм. Металлизированная поверхность катода 12 обращена к аноду. Алюминиевая контактная крышка 14 и фторопластовое кольцо 11 с помощью винтов 15 фиксируют катод 12.

Для достижения высокой чувствительности детектора при малом ионизационном токе в воздухе необходимо обеспечить: 1) предельно низкий ток утечки в камере, 2) экранирование детекторов от наводок. Первое достигается применением конструкции из фторопласта и кварцевого стекла с геометрией, обеспечивающей длинный путь по поверхности от анода к катоду, второе -использованием двойного экранирования детекторов и предварительных усилителей. Ток утечки в камере не должен превышать предел чувствительности измерительного прибора (40 пА) в электрическом поле в воздухе до 7500 В/см. Это обеспечивает возможность измерения тока падающего пучка на уровне нескольких пикоам-пер для заряженных частиц с минимальной ионизирующей способностью.

Прочность металлического покрытия под действием сильного электрического поля в интенсивных потоках протонов, нейтронов и у-квантов также влияет на долговременную стабильность низкого темнового тока. Поэтому другое важное требование к конструкции камеры - высокая адгезия металлического слоя (меди) к поверхности полимерной пленки. С этой целью применялась предварительная обработка поверхности пленки в плазме тлеющего разряда [2] с последующим нанесением на поверхность пленки металлического слоя толщиной 0.2 мкм методом термического испарения в вакууме [3].

Воздушная ионизационная камера испытыва-лась как с помощью Р-источника 908г(90У), так и в протонном пучке с энергией 209 МэВ. Ионы, возникающие в результате взаимодействия заряженных частиц с воздухом, дрейфуют в межэлектродном зазоре длиной 2 мм под действием электрического поля и собираются как на катоде, состоящем из изолированных стрипов, так и на сплошном катоде. Измеряемый электрический ток связан с произведенной в камере ионизацией.

Проведем оценку ожидаемых величин. Обозначим через М число пар ионов, образовавшихся

в межэлектродном зазоре под действием одного протона, че

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»