ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Область техники, к которой относится полезная модель
Данная полезная модель относится к области практической дозиметрии с использованием для лечения протонов и тяжелых ионов и может быть использована для лучевой терапии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей.
Уровень техники
В настоящее время известны аналогичные приборы. В частности, известен детектор - ионный монитор, предназначенный для измерений поперечного сечения пучка ускоренных протонов в широком диапазоне энергий (П. Рейнгардт-Никулин и др. «Ионный монитор поперечного сечения протонного пучка промежуточных энергий линейного ускорителя ИЛИ РАН» // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно-физические исследования». 2008, №3, (49), стр. 55-59), содержащий ионизационный датчик в вакуумном боксе, электронно-оптический преобразователь с двумя микроканальными пластинами, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС матрицы, с термоэлектрическим охлаждением ПЗС матрицы, и компьютер, использующий режим накопления видеоинформации и обработку полученных изображений.
Недостатком этого детектора - ионного монитора является возможность повреждения телевизионной камеры и электронных узлов потоками вторичных γ-квантов и нейтронов.
Известно дозиметрическое устройство для измерения дозы ионизирующих излучений, помещенное в корпус, выполненный из тканеэквивалентного материала с формой и размерами, которые моделируют воздействие ионизирующего излучения на отдельный критический орган человека с учетом самоэкранированности этого органа (патент РФ №2410758, опубл. 27.01.2011). Известно также устройство для измерения дозы ионизирующих излучений, содержащее шарообразный фантом, выполненный из тканеэквивалентного материала, в каналах внутри которого размещены дозиметры, помещенные в пеналы из тканеэквивалентного материала (полезная модель РФ №76465, опубл. 20.09.2008). Недостаток обоих этих решений такой же, как у вышеотмеченного, и состоит в том, что дозиметры размещены внутри тканеэквивалентного фантома, что может приводить к их повреждению потоками вторичных γ-квантов и нейтронов.
Наиболее близким аналогом является детектор - ионизационный монитор, предназначенный для измерений поперечного сечения протонного пучка (П. Рейнгардт-Никулин и др. «Развитие ионизационного монитора поперечного сечения протонного пучка линейного ускорителя ИЛИ РАН» // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Ядерно-физические исследования». 2010, №2, (53), стр. 39-43), содержащий ионизационный датчик, имеющий высоковольтное питание электронно-оптический преобразователь с люминофором, зеркально-линзовый тракт, состоящий из пяти линз и трех зеркал и позволяющий вывести излучение люминофора на расстояние, черно-белую телевизионную камеру с возможностью объединения сигналов группы пикселей ПЗС-матрицы (матрица на приборах с зарядовой связью), оптоволоконную линию связи и компьютер, использующий режим суммирования последовательности кадров и обработку полученных изображений.
Недостатком этого детектора - ионизационного монитора является использование сложных и дорогих электронно-оптических преобразователей с наличием высоковольтного питания, сложная и габаритная зеркально-линзовая оптическая система переноса изображения, осуществление режима суммирования последовательности кадров внешним компьютером со специализированным программным обеспечением, сложность конструкции и большие габариты и масса, не позволяющие создать портативное переносное устройство.
Раскрытие полезной модели
Настоящая полезная модель предназначена для преодоления недостатков ближайшего аналога и достижение технического результата, который заключается в упрощении конструкции детектора, упрощении оптической системы, улучшении режимов работы телевизионной камеры, уменьшении габаритных размеров и массы с обеспечением портативности переносного устройства с малым временем подготовки и настройки детектора.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящей полезной модели предложен телевизионный детектор ионизирующих излучений, содержащий: тканеэквивалентный фантом, предназначенный для приема пучка ионизирующего излучения; телевизионную камеру на ПЗС-матрице, снабженную оптической линзовой системой и выполненную с возможностью объединения сигналов от группы пикселей ПЗС-матрицы и суммирования кадров до выходного каскада ПЗС-матрицы; светозащитный кожух со входным окном из материала, непроницаемого для света, но пропускающего пучок ионизирующего излучения; при этом тканеэквивалентный фантом установлен внутри светозащитного кожуха и обращен своей продольной осью на входное окно, а объектив оптической системы, которая вместе с телевизионной камерой помещена внутрь светозащитного кожуха, обращен на тканеэквивалентный фантом перпендикулярно его продольной оси.
Особенность настоящей полезной модели состоит в том, что выход телевизионной камеры может быть соединен с вычислительным средством, запрограммированным для вычисления геометрических размеров светящейся области, простирающейся от входа пучка ионизирующего излучения в тканеэквивалентный фантом до пика Брэгга и воспринимаемой телевизионной камерой, и для расчета на этой основе величины дозы излучения, поглощенной тканеэквивалентным фантомом.
Подробное описание полезной модели
Настоящая полезная модель иллюстрируется чертежом.
Телевизионный детектор ионизирующих излучений по настоящей полезной модели размещен внутри светозащитного кожуха 1 и содержит телевизионную камеру 2 на ПЗС-матрице. Эта телевизионная камера 2 выполнена с возможностью объединения сигналов от группы пикселей ПЗС-матрицы и суммирования кадров до выходного каскада ПЗС-матрицы. Такие камеры известны в уровне техники (например, камера VNC-702 разработки предприятия «ЭВС», главы 1.4 и 6.1 монографии Медведев А.В. и др. «Практические достижения в технике ночного видения». Ростов-Великий, Ростовский оптико-механический завод, 2009 г., ISBN: 978-5-9901789-1-5). Помимо этого телевизионная камера 2 снабжена оптической линзовой системой 3, не содержащей в своем составе зеркал.
Объектив оптической системы 3 обращен на тканеэквивалентный фантом 4 перпендикулярно его продольной оси. Выполнение тканеэквивалентного фантома 4 известно (см., например, упомянутый патент РФ №2410758, либо патент РФ №2289826, опубл. 20.12.2006). Этот тканеэквивалентный фантом 4 установлен внутри светозащитного кожуха 1 и обращен своей продольной осью на входное окно 5, выполненное из материала, непроницаемого для света, но пропускающего пучок 7 ионизирующего излучения, испускаемого источником 6 ионизирующего излучения.
Телевизионный детектор по настоящей полезной модели может далее содержать вычислительное средство 10, к которому соединительными кабелями 9 подключен выход телевизионной камеры 2. В качестве такого вычислительного средства может быть использован, к примеру, персональный компьютер либо специализированное устройство, выполненное на контроллере, процессоре и т.п. При любом выполнении вычислительное средство 10 может быть запрограммировано для вычисления геометрических размеров светящейся области 8 в тканеэквивалентном фантоме, возникающей при его облучении пучком 7 ионизирующего излучения и воспринимаемой телевизионной камерой 2. Специалистам понятно, что эта светящаяся область 8 простирается от входа пучка 7 ионизирующего излучения в тканеэквивалентный фантом 4 до пика Брэгга, за которым следует резкий спад интенсивности свечения (Н.В. Марков. «Дозиметрия импульсных пучков тяжелых ионов для радиобиологических исследований на ускорительном комплексе ИТЭФ-ТВН». Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. НИЦ «Курчатовский Институт», Москва, 2014). Вычислительное средство 10 может быть далее запрограммировано для того, чтобы рассчитывать на основе вычисленных геометрических размеров величину дозы излучения, поглощенной тканеэквивалентным фантомом 4.
Телевизионный детектор ионизирующих излучений по настоящей полезной модели работает следующим образом.
Радиотерапевтический пучок 7 ионизирующего излучения (например, пучок протонов) излучается источником 6 ионизирующего излучения и через входное окно 5 светозащитного кожуха 1 попадает в тканеэквивалентный фантом 4. Слабое свечение, возникающее в тканеэквивалентном фантоме 4 в области 8 энерговыделения, характеризуется, в частности, длиной L с начальной координатой от входа в тканеэквивалентный фантом 4 до пика Брэгга. Это свечение через оптическую систему 3 воспринимается телевизионной камерой 2 и формирует изображение светящейся области 8 энерговыделения длиной L на ПЗС-матрице телевизионной камеры 2. Наличие линзовой оптической системы 3, обладающей высокой светосилой, обеспечивает стабильную визуализацию слабого свечения области 8 энерговыделения в тканеэквивалентном фантоме 4 под действием пучка 7 ионизирующего излучения.
Электронный блок телевизионной камеры 2 осуществляет формирование управляющих напряжений на ПЗС-матрице по алгоритму, объединяющему сигналы группы пикселей ПЗС-матрицы и дополнительно суммирующему кадры телевизионной камеры до того, как сигналы попадают в выходное устройство ПЗС-матрицы, т.е. до того, как к ним присоединяется шум считывания. Таким образом, сложение сигналов осуществляется без сложения шума, а шум добавляется лишь в выходном устройстве ПЗС-матрицы один раз на каждую сумму сигналов. В результате n-кратное сложение приводит к n-кратному росту отношения сигнал/шум, в отличие от роста в  раз, как это осуществляется при суммировании сигналов с помощью специализированного программного обеспечения вне телевизионной камеры 2.
В данной полезной модели собственно телевизионный детектор ионизирующих излучений может быть дополнен вычислительным средством 10, на которое могут поступать сигналы с телевизионной камеры 2. Как уже отмечалось, вычислительное средство 10 может быть запрограммировано для вычисления геометрических размеров светящейся области 8 от входа пучка 7 ионизирующего излучения в тканеэквивалентный фантом 4 до пика Брэгга, и для расчета на этой основе величины дозы излучения, поглощенной тканеэквивалентным фантомом 4. Этот расчет величины поглощенной дозы выполняется по зависимости пробег-энергия с отображением результата на экране вычислительного средства 10 или на мониторе оператора, удаленном от вычислительного средства 10.
Телевизионный детектор ионизирующих излучений по настоящей полезной модели обладает следующими техническими характеристиками:
- рабочий спектральный диапазон: (0,6÷1,0) мкм;
- расчетная длина волны: 0,7 мкм;
- фокусное расстояние оптической системы 3: 4,29 мм;
- относительное отверстие оптической системы 3: 1:1;
- параксиальное увеличение: -0,0162;
- диагональ чувствительной области ПЗС-матрицы: 6,0 мм;
- размер пикселя фотоприемника ПЗС-матрицы: 0,0064 мм;
ПЗС
-5
- минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС-фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, и знаменателе относительного отверстия, равном 1, при объединении 16 пикселей (4×4) в один и суммировании 16 кадров в один: Е=3⋅10 лк;
ЭН
-4
- регистрируемая освещенность в тканеэквивалентном фантоме 4, создаваемая свечением области 8 энерговыделения: Е=(1,6÷2,4)⋅10 лк;
- габаритные размеры элементов телевизионного детектора ионизирующих излучений, расположенных в светозащитном кожухе: 460×380×70 мм;
- вес элементов телевизионного детектора ионизирующих излучений, расположенных в светозащитном кожухе: 4,5 кг.
Таким образом, телевизионный детектор ионизирующих излучений по настоящей полезной модели позволяет упростить конструкцию всего детектора, упростить оптическую систему, улучшить режимы работы телевизионной камеры, уменьшить габаритные размеры и массу с обеспечением портативности переносного устройства с малым временем подготовки и настройки детектора, осуществляемыми одним оператором.