УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ИОНОВ
APPARATUS FOR MONITORING PARAMETERS OF ION BEAM

Изобретение относится к способам и устройствам определения положения и интенсивности пучка заряженных частиц и может быть использовано для мониторинга в живом времени параметров пучка на установках ионной радиотерапии.
В настоящее время интенсивно развиваются методы радиотерапии опухолей с помощью пучков ионов высокой энергии, получаемых на ускорителях.
Наиболее перспективным направлением ионной радиотерапии является так называемый метод «карандашного» сканирования (pencil-beam), заключающийся в том, что пучок протонов или ионов малого (2-10 мм) диаметра перемещают по пациенту таким образом, чтобы локально облучать каждую точку заданной области. Дозу облучения в каждой точке рассчитывают так, чтобы получить желаемый биологический эффект. Совокупности координат, энергии и интенсивности пучка в каждой облучаемой точке составляют план облучения и должны непрерывно контролироваться при проведении лечебной процедуры. Эта функция реализуется системой мониторинга дозы, в которой используются различные способы и устройства для детектирования излучений.
В первом протонно-ионном комплексе для радиотерапии рака, построенном в Гейдельберге (Германия), для измерения координат и интенсивности пучка используют способ мониторинга параметров пучка, заключающийся в том, что с помощью многопроволочной ионизационной камеры, установленной на оси пучка, детектируют заряженные частицы, усиливают и оцифровывают токовые сигналы с проволочек камеры и подают их на компьютеризованную схему обработки для определения текущих координат и значения дозы (G Kraftetal. Heavyiontherapyat GSI. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 367, Issues 1-3, (1995), p.66-70).
Система мониторинга пучка включает сканирующее устройство для развертывания пучка по поверхности мишени, несколько многопроволочных ионизационных камер и устройство обработки сигналов и управления работой системы.
2
2
Каждая из ионизационных камер содержит газонаполненный корпус, в полости которого установлены анод, выполненный в виде расположенных в плоскости параллельных проволочек (диаметр 0.02 мм, расстояние между проволочками 2 мм), и катод, выполненный в виде координатной сетки из проволочек (диаметр - 0.05 мм, шаг - 1.5 мм). Зазор между анодом и катодом - 5 мм, рабочее напряжение - 2.5 кВ, размер активной поверхности камеры - 90×90 мм. Камера наполнена смесью Ar+CO в соотношении 10 к 90, установлена в боксе, который можно перемещать по направлению пучка.
Первичные электроны, создаваемые за счет ионизации частицами пучка молекул газа, дрейфуют по направлению к аноду, лавинообразно размножаясь при этом за счет вторичной ионизации, а ионы дрейфуют к катодным проволочкам, оседая на которых, обусловливают появление на них токовых сигналов, которые после усиления и оцифровки подаются на схему обработки для построения изображения и вычисления дозы.
Недостатками известной системы мониторинга являются невысокая точность определения координат и малый размер регистрационного поля, поскольку технически сложно создать координатную сетку достаточно больших размеров с малым шагом (менее 1 мм).
Кроме того, вследствие присущего ионизационным камерам довольно большого «мертвого времени» (около 80 мс), известные способ и устройство могут работать только в пучках относительно малой интенсивности, что приводит к нежелательному увеличению длительности лечебной процедуры.
Известны так называемые «пиксельные» ионизационные камеры, также позволяющие получать информацию о координатах пучка (S.Bellettietal. Pixel segmented ionization chamber for therapeutical beams of photons and hadrons, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 461 (2001), p.420-421).
По сравнению с многопроволочными пропорциональными камерами пиксельные камеры более технологичны, менее трудоемки в производстве, характеризуются высоким быстродействием, однако их недостатком является также недостаточно высокая точность определения координат.
В клинической практике известна относительно простая система мониторинга параметров пучка с помощью установленного на его пути экрана, флуоресцирующего под действием излучения. Изображение светящегося пятна просматривается камерой на основе ПЗС матрицы и с помощью компьютера анализируется на предмет определения текущих параметров облучения. (A.L. Lomax, et al., Med. Phys. 28 (2001) 317;] H.P. Bijl, et al., Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 52 (2002), 205).
Одним из недостатков системы с использованием флуоресцентного экрана является малый и нелинейный световыход последнего, что обусловливает невысокую точность определения координат.
Кроме того, экраны обладают длительным послесвечением, так что при изменении положения пучка последовательные изображения накладываются друг на друга, что снижает точность определения координат пучка, а также быстродействие системы мониторинга.
Указанные недостатки частично устранены в так называемых газовых усилителях электронов (gas electron multipliers - GEM) (см. например, Е. Seravalli at al., A scintillating gas detector for 2D dose measurements in clinical carbon beams, Phys. Med. Biol. 53 (2008) 4651-4665).
В газовых усилителях электронов, в отличие от многопроволочных камер, сильные электрические поля создаются не вблизи проволочек, а в микроскопических отверстиях, выполненных в тонком полимерном слое. В этих отверстиях происходит лавинное размножение электронов, которые затем выводятся из отверстий и собираются соответствующим коллектором. В процессе лавинного размножения электронов и их взаимодействия с газовым наполнением отверстий в последних происходит свечение газа с образованием изображения пучка, которое просматривается ПЗС камерой. В GEMax, таким образом, регистрируется два типа сигналов - токовый и оптический, что безусловно повышает информативность системы.
Являясь более совершенной модификацией пиксельных ионизационных камер, GEMbi, однако, сохраняют и их основные недостатки - малый размер регистрационного поля и недостаточно высокую точность определения координат пучка.
Известен простой сцинтилляционный способ мониторинга пучка гамма-квантов (патент US №3854047, МПК G01T 1/20, опубликован 10.12.1974 г.), заключающийся в том, что на пути пучка устанавливают слой материала, сцинтиллирующего при прохождении через него излучения, регистрируют сцинтилляции фотоприемниками, расположенными равномерно по окружности вокруг пучка в плоскости сцинтиллирующего слоя, измеряют амплитуды сигналов с фотоприемников, после чего на основе полученной информации по известному алгоритму вычисляют полярные координаты зарегистрированной сцинтилляции.
Устройство, реализующее указанный способ, содержит единичный твердотельный сцинтиллятор цилиндрической формы с полированными поверхностями, ряд фотоумножителей, установленных равномерно по окружности на боковой поверхности сцинтиллятора и сочлененных с последним посредством оптических контактов, схему обработки сигналов с фотоумножителей и управления работой системы.
Работает устройство следующим образом.
Гамма-кванты, проходящие через сцинтиллятор, инициируют в нем сцинтилляции, которые регистрируются фотоумножителями. Сигналы с последних поступают на схему обработки, где их амплитуды измеряются и запоминаются вместе с номерами соответствующих фотоприемников, после чего на основе накопленных данных по заданному алгоритму рассчитываются координаты места возникновения сцинтилляций.
+6
Применительно к ионным пучкам основным недостатком известной системы является значительное ослабление интенсивности пучка веществом сцинтиллятора. Так, при энергии ионов углерода C 120 МэВ/нуклон толщина сцинтиллятора, приемлемая с точки зрения ослабления пучка, должна быть эквивалентна слою воды толщиной не более 1.5 мм. Поскольку плотность твердых и жидких сцинтилляторов заведомо больше плотности воды, очевидно, что состыковать известные фотоприемники с боковой поверхностью такого сцинтиллятора практически невозможно.
Кроме того, из-за многократных переотражений света в сцинтилляторе обратно пропорциональная зависимость зарегистрированной амплитуды сцинтилляции от расстояния искажается, в силу чего точность измерения координат невысока.
Известны сцинтилляторы на основе благородных газов (см. например: L.М.Р. Fernandes et al, Primary and secondary scintillation measurements in a Xenon Gas Proportional Scintillation Counter, JINST 5 (2010);C.M.B. Monteiro et al., Secondary scintillation yield in pure argon, Phys. Lett. В 668 (2008) 167).
До недавнего времени считалось, что в благородных газах сцинтилляции с достаточно высоким для их регистрации световыходом происходят, преимущественно, в области дальнего ультрафиолета, для регистрации которого в настоящее время нет соответствующих фотодетекторов. Как следствие, применение благородных газов в качестве сцинтилляторов для систем мониторинга возможно только при условии применения в детекторах специальных материалов - преобразователей спектра. Такие материалы известны, однако в процессе преобразования спектра неизбежны потери света, обусловливающие ухудшение соотношения сигнал/шум и, как следствие, снижение точности измерений.
Кроме того, необходимость использования преобразователей спектра усложняет конструкцию детектора и связано с рядом технологических трудностей при его изготовлении.
Вместе с тем результаты недавнего детального исследования сцинтилляций в благородных газах, выполненного группой сотрудников ИЯФ СО РАН при участии авторов (см. A. Bondar, A. Buzulutskov, A. Dolgov, A. Grebenuk, S. Peleganchuk, V. Porosev, L. Shekhtman, E. Shemyakina, A. Sokolov. Study of infrared scintillations in gaseous and liquid argon. Part II: light yield and possible applications. 2012 JINST 7 P06014), показали, что в определенных условиях благородные газы с высоким световыходом сцинтиллируют в ближней инфракрасной области спектра. Сцинтилляции в указанном диапазоне легко регистрируются современными фотодетекторами, что открывает перспективу создания газовых сцинтилляционных детекторов для систем мониторинга пучков заряженных частиц в ионотерапии.
Наиболее близким по техническим признакам к заявляемому устройству является вышеописанное устройство по патенту US №3854047.
Задачей предлагаемого изобретения является создание относительно простой по конструкции системы мониторинга параметров ионных пучков, реализующей усовершенствованный сцинтилляционный способ регистрации заряженных частиц.
Техническими результатами изобретения являются высокие точность определения координат пучка и быстродействие системы мониторинга.
В качестве сцинтиллирующего материала в способе используют благородные газы из ряда: аргон, криптон, ксенон и/или их смеси при нормальных давлении и температуре.
Поставленная задача решена тем, что в известном устройстве, содержащем сцинтиллятор, установленный перпендикулярно направлению пучка ионов, два и более фотоприемников, расположенных равномерно по периметру сцинтиллятора, схему регистрации и обработки сигналов с фотоприемников, согласно изобретению сцинтиллятор выполнен в виде дискообразной светонепроницаемой камеры, а фотоприемники установлены в отверстиях, выполненных в ее боковой стенке, и снабжены прозрачными для инфракрасного излучения светофильтрами, при этом сцинтиллятор вместе с фотоприемниками заключен в герметичную оболочку с отверстиями для впуска и выпуска сцинтиллирующего газа.
В качестве сцинтиллирующего газа используют благородные газы из ряда: аргон, криптон, ксенон и/или их смеси при нормальных давлении и температуре.
На нижеприведенном рисунке приведено схематическое изображение устройства для мониторинга параметров пучка.
Устройство содержит герметичную оболочку 1 с впускным 2 и выпускным 3 отверстиями, камеру 4, фотоприемники 5 с ИК-светофильтрами 6, схему регистрации и обработки сигналов (не показана).
Устройство работает следующим образом.
Камеру 4 с фотоприемниками 5, заключенные в оболочку 1, располагают на пути пучка ионов перпендикулярно направлению последнего, оболочку 1 подсоединяют через отверстия 2, 3 к источнику и приемнику сцинтиллирующего газа. После прогрева и тестирования схемы обработки включают прокачку газа через оболочку и подают на устройство пучок ионов.
Ионы пучка, взаимодействуя с газовым наполнением камеры, инициируют в газе сцинтилляции, свет которых фильтруется ИК-светофильтрами 6 и регистрируется сборкой фотоприемников. Сигналы с фотоприемников подают на схему обработки для анализа и последующего формирования на их основе изображения профиля пучка и вычисления его текущих координат.
За счет высокого световыхода сцинтилляций в благородных газах в диапазоне ближнего ИК-излучения предлагаемый способ мониторинга параметров пучка заряженных частиц обеспечивает высокую точность измерения координат пучка.
Кроме того, так как время высвечивания сцинтилляций в благородных газах очень мало (десятки нсек), система мониторинга обладает высоким быстродействием, что обеспечивает возможность ее использования на пучках высокой интенсивности.
Следует также отметить, что в устройстве, реализующем предлагаемый способ, все используемые материалы и элементы обладают высокой радиационной стойкостью, что обеспечивает высокую надежность и большой рабочий ресурс системы мониторинга.