质子放疗装备中高灵敏度束斑检测器的研制

发布时间：2020-04-08 04:27

【摘要】：癌症是目前威胁人类健康的最大杀手,我国每年新增癌症病例430万,死亡280万,癌症的诊断与治疗是关乎国计民生的重大课题。在众多癌症治疗方法中,质子放疗因质子束独特的布拉格峰(Bragg Peak)性质,被认为是最精准的无创治疗手段之一,可以最大限度地减小对正常组织的损伤。华中科技大学联合中国原子能科学研究院主持承担了国家十三五重点研发计划“基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发”项目(HUST-PTF),该装置主要由250 MeV超导回旋加速器、束流输运线、治疗室及相应的控制系统组成。本文基于该项目,重点对束流输运线上使用量最大的束流诊断元件--束斑检测器--进行了系统设计和研究。HUST-PTF束流输运线上需要重点测量束流位置和截面分布,以进行轨道校正、能量、能散度和发射度测量,束斑检测器作为一种稳定、经济的测量手段成为首选。HUST-PTF回旋加速器引出束流能量为250 MeV,经过能量选择系统后,能量将在70~240MeV之间变化,流强动态范围达到0.4~10nA,这给束斑检测器的设计带来全新挑战。为了满足HUST-PTF束诊要求,本文对束斑检测器进行了详细设计。1通过分析不同材料发光屏的发光情况和线性动态范围,并根据束流的参数选取厚度1mm,直径68mm的Al_2O_3:Cr陶瓷材料作为发光靶;2通过对比不同的发光屏的倾斜角度与相机的观测角度,同时结合输运线上有限的空间范围,得出光学结构中相机和束流方向成90°关系,发光屏与束流方向成45°关系可以使系统获得较高的分辨率的结论;3在确定束流参数的前提下,针对束流损失产生的辐射影响,利用Geant4和FLUKA对比分析了束流轰击发光屏后的辐射效应以及相机处CCD芯片的辐射情况,判断更换CCD的周期为一个季度,为进一步减少辐射影响可增大工作距离到230mm或使用铅玻璃屏蔽材料;4基于前端探测器捕捉的束斑发光情况,利用LABVIEW软件和图像处理算法对图像进行校正、对比度拉伸、滤波等处理,离线标定系统分辨率为0.13mm/pixel,验证方案的合理性。同时基于束斑检测器的方法,对输运线上的关键参数进行测量和分析计算。
【图文】：

性能对比,射线,能量释放量,质子

中科技大学硕士学位论 1 绪论放疗装备简介床上作为主流的光子放疗有其治疗瓶颈。质子束治疗方在于质子特有的布拉格峰特性，如图 1-1 所示，普通光子且不可控，而质子、重离子进入人体过程中能量释放量放完全，因此质子治疗中不会出现光子治疗中位于病灶坏的现象。

束流,同步加速器,输运线,束流品质

在输运线上，束流经过四极磁铁、二极磁铁、漂移段、准直器等大量元件时，其状态有较大改变，因此有必要对输运线上各部位的束流进行监测。束流位置的偏差说明其轨道偏离了参考轨道，因此需要对束流进行位置参数测量，实现轨道校正的目的；束流的截面尺寸和发射度与束流品质好坏有关，若尺寸和发射度较大，容易造成束流损失，使束流品质降低。输运线上束流的能量和能散度也是衡量束流品质和稳定性的重要因素。由此可见，，这些测量参数直接反映了束流的品质，因此，对束流参数的测量是保障机器的正常稳定运行的基础，同时也是实现质子精准治疗的前提。回旋加速器内部的束流诊断主要是实现束流流强的测量。一般在离子源出口与加速器引出口安装法拉第筒测量流强，并可实现引出效率的计算。而在同步加速器中需要测量的参数有许多，如束流轨道、束流流强、工作点、束流截面、能量与能散等。并且由于束流在同步加速器中运动成百上千次后引出，因此测量元件应该是无损的。而输运线上束流一次性通过，需要测量的参数很多与同步加速器上相同，但方法上与同步加速器测量有区别。以 PSI 的 PROSCAN 的束流诊断系统为例，如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH774

【参考文献】