用于质子治疗的降能器辐射防护与束流测量研究
发布时间：2021-01-21 16:56
质子治疗装置是一套涉及医用加速器、束流物理、医学物理、医学成像、辐射防护等多领域学科的大型医疗装置。在HUST-PTF质子治疗装置束流输运系统中,降能器的作用是实现质子束能量在70240MeV范围内快速连续可调,同时考虑辐射防护和束流测量的需求。一方面,需要评估在最大能量调制下产生的瞬发辐射和感生辐射对降能器材料及附属电子器件的影响;另一方面,根据功能需求,设计出用于250MeV质子束流强测量和阻挡的法拉第杯装置,优化收集效率,并根据二次电子逸出率设计相应的抑制装置。本文基于HUST-PTF束流输运系统中降能器及其部件耐辐射性能的要求,对降能器真空室密封圈和电机平台进行了详细的辐射剂量计算分析和局部屏蔽设计。在密封圈的吸收剂量计算中,本文对比了天然橡胶、丁晴橡胶（NBR）和三元乙丙橡胶（EPDM）三种方案,最后结合计算结果综合考虑各材料的耐辐射性能以及HUST-PTF项目的实际工程需求,选择EPDM材料作为降能器真空室的密封圈材料。针对电机平台的局部屏蔽设计,采用高耐辐射电机（耐辐射累积剂量106Gy）作为研究对象,基于简化模型计算电机的吸收...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
束流输运线中常见的降能器结构
能量的快速、精准调节。在降能器前端设有法拉第杯作为束测元件用于精确测量束流，在降能器之后设有若干准直器用于控制束流发射度。1.2.4 法拉第杯法拉第杯广泛应用于粒子加速器及其束线系统的束流强度测量。通常最基本的设计仅由杯状导电材料组成，一般具有圆柱对称性，放置在带电粒子束的路径上。理想情况下，束流中的所有粒子都将被法拉第杯吸收，在杯体上产生等量电荷，从而可以用适当的电子元件读出电流，从法拉第杯读出的电流正好等于入射带电粒子束的电流，并因此得以直接测量射束电流[29]。法拉第杯的目标是完全吸收入射束流中所有带电粒子，使法拉第杯吸收的电荷准确且直接对应于入射束流中的电荷。但在实际情况下，由于质子束与金属杯体碰撞导致的核内级联过程将不可避免的产生次级电子，部分次级电子反向散射逃逸出杯体，给法拉第杯的测量带来误差。因此，在法拉第杯的设计中必须考虑二次电子的抑制问题，目前常用的手段有电抑制、磁抑制和低原子序数材料吸收抑制[30]。
图 2-1 核内级联过程示意图图 2-1 中虚线框以下部分所示为蒸发和活化过程。经过级联过程后，能量小于能的核子仍然位于原子核内，初始原子核在经过质子碰撞后处于激发态，需要通发中子、质子、α 射线和碎片来退激。低能带电粒子在物质局部形成能量沉积。中子（<8MeV）不断释放能量，以 γ 射线的形式发出剩余的激发能。退激后的原可能具有放射性，这就是中子对物质的活化作用。图 2-1 中虚线框以上部分所示为 μ 介子产生和电磁级联过程。带电 π 介子衰变 μ 介子，μ 介子通过电离过程沉积能量，还可能发生光核反应。中性 π 介子衰变γ 射线引起电磁级联，电磁级联对过程与能量传输无关。随着入射深度的增加，由子和 π 介子（<450MeV）的高能量损失，中子逐渐成为级联的主要核子[34]。辐射屏蔽设计就是根据不同的放射线或放射粒子选择不同的屏蔽材料，既可以辐射源设计屏蔽体，也可以针对被辐射元件采取屏蔽措施。由图 2-1 可知，高子与原子核反应产的高能放射线和放射粒子一般包含 α 射线（He 原子核）、β
【参考文献】：
期刊论文
[1]天然橡胶/石墨烯纳米复合材料的制备及耐核辐射性能[J]. 刘尧华,林宇,张栋葛,陈春蕾,吴国章,张衍,栾伟玲. 高等学校化学学报. 2016(07)
[2]全球质子重离子医院现状与展望[J]. 王岚,戴小亚. 中国医院建筑与装备. 2016(01)
[3]核电站用高耐辐照丁腈橡胶研究[J]. 王崇,李冬. 中国橡胶. 2014(05)
[4]上海质子治疗装置束流输运系统物理设计[J]. 段雪非,张满洲,李浩虎. 核技术. 2011(05)
[5]粒子输运蒙特卡罗模拟现状概述[J]. 邓力,李刚. 计算物理. 2010(06)
[6]光和电子的相互作用[J]. 魏文平. 读与写(教育教学刊). 2010(10)
[7]蒙特卡罗方法及其在辐射剂量计算中的应用[J]. 刘宗良,李强,赵平华,周剑良. 湖南人文科技学院学报. 2006(06)
[8]Geant4在核技术领域的应用[J]. 曾志,李君利,程建平,邱睿. 同位素. 2005(Z1)
[9]质子治疗设备的现状和发展[J]. 刘世耀. 基础医学与临床. 2005(02)
[10]重离子治癌装置研究[J]. 宋明涛,詹文龙,魏宝文,杨晓东夏佳文,张文志,原有进. 原子核物理评论. 2001(02)
博士论文
[1]质子同步加速器新型引出方法研究[D]. 邹野.中国科学技术大学 2015
硕士论文
[1]质子治疗装置中治疗头剂量监测系统的仿真与设计[D]. 郭慧东.华中科技大学 2018
[2]重离子束治疗肿瘤的蒙特卡罗模拟研究[D]. 奉光华.南华大学 2012
[3]BEPCⅡ试验束E2线上混合辐射场的模拟及测量研究[D]. 唐兴华.兰州大学 2011
[4]高性能PA6/EPDM/OMMT纳米复合材料的研究[D]. 高振滨.青岛大学 2011
[5]Geant4的开发及其在空间辐射效应分析中的应用[D]. 路伟.国防科学技术大学 2007
[6]北京试验束装置上大功率法拉第杯设计制造[D]. 刘江涛.兰州大学 2007
[7]测量煤中灰份用脉冲中子发生器控制电路的研制[D]. 张永祥.东北师范大学 2002
本文编号：2991544
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
束流输运线中常见的降能器结构
能量的快速、精准调节。在降能器前端设有法拉第杯作为束测元件用于精确测量束流，在降能器之后设有若干准直器用于控制束流发射度。1.2.4 法拉第杯法拉第杯广泛应用于粒子加速器及其束线系统的束流强度测量。通常最基本的设计仅由杯状导电材料组成，一般具有圆柱对称性，放置在带电粒子束的路径上。理想情况下，束流中的所有粒子都将被法拉第杯吸收，在杯体上产生等量电荷，从而可以用适当的电子元件读出电流，从法拉第杯读出的电流正好等于入射带电粒子束的电流，并因此得以直接测量射束电流[29]。法拉第杯的目标是完全吸收入射束流中所有带电粒子，使法拉第杯吸收的电荷准确且直接对应于入射束流中的电荷。但在实际情况下，由于质子束与金属杯体碰撞导致的核内级联过程将不可避免的产生次级电子，部分次级电子反向散射逃逸出杯体，给法拉第杯的测量带来误差。因此，在法拉第杯的设计中必须考虑二次电子的抑制问题，目前常用的手段有电抑制、磁抑制和低原子序数材料吸收抑制[30]。
图 2-1 核内级联过程示意图图 2-1 中虚线框以下部分所示为蒸发和活化过程。经过级联过程后，能量小于能的核子仍然位于原子核内，初始原子核在经过质子碰撞后处于激发态，需要通发中子、质子、α 射线和碎片来退激。低能带电粒子在物质局部形成能量沉积。中子（<8MeV）不断释放能量，以 γ 射线的形式发出剩余的激发能。退激后的原可能具有放射性，这就是中子对物质的活化作用。图 2-1 中虚线框以上部分所示为 μ 介子产生和电磁级联过程。带电 π 介子衰变 μ 介子，μ 介子通过电离过程沉积能量，还可能发生光核反应。中性 π 介子衰变γ 射线引起电磁级联，电磁级联对过程与能量传输无关。随着入射深度的增加，由子和 π 介子（<450MeV）的高能量损失，中子逐渐成为级联的主要核子[34]。辐射屏蔽设计就是根据不同的放射线或放射粒子选择不同的屏蔽材料，既可以辐射源设计屏蔽体，也可以针对被辐射元件采取屏蔽措施。由图 2-1 可知，高子与原子核反应产的高能放射线和放射粒子一般包含 α 射线（He 原子核）、β
【参考文献】：
期刊论文
[1]天然橡胶/石墨烯纳米复合材料的制备及耐核辐射性能[J]. 刘尧华,林宇,张栋葛,陈春蕾,吴国章,张衍,栾伟玲. 高等学校化学学报. 2016(07)
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[3]核电站用高耐辐照丁腈橡胶研究[J]. 王崇,李冬. 中国橡胶. 2014(05)
[4]上海质子治疗装置束流输运系统物理设计[J]. 段雪非,张满洲,李浩虎. 核技术. 2011(05)
[5]粒子输运蒙特卡罗模拟现状概述[J]. 邓力,李刚. 计算物理. 2010(06)
[6]光和电子的相互作用[J]. 魏文平. 读与写(教育教学刊). 2010(10)
[7]蒙特卡罗方法及其在辐射剂量计算中的应用[J]. 刘宗良,李强,赵平华,周剑良. 湖南人文科技学院学报. 2006(06)
[8]Geant4在核技术领域的应用[J]. 曾志,李君利,程建平,邱睿. 同位素. 2005(Z1)
[9]质子治疗设备的现状和发展[J]. 刘世耀. 基础医学与临床. 2005(02)
[10]重离子治癌装置研究[J]. 宋明涛,詹文龙,魏宝文,杨晓东夏佳文,张文志,原有进. 原子核物理评论. 2001(02)
博士论文
[1]质子同步加速器新型引出方法研究[D]. 邹野.中国科学技术大学 2015
硕士论文
[1]质子治疗装置中治疗头剂量监测系统的仿真与设计[D]. 郭慧东.华中科技大学 2018
[2]重离子束治疗肿瘤的蒙特卡罗模拟研究[D]. 奉光华.南华大学 2012
[3]BEPCⅡ试验束E2线上混合辐射场的模拟及测量研究[D]. 唐兴华.兰州大学 2011
[4]高性能PA6/EPDM/OMMT纳米复合材料的研究[D]. 高振滨.青岛大学 2011
[5]Geant4的开发及其在空间辐射效应分析中的应用[D]. 路伟.国防科学技术大学 2007
[6]北京试验束装置上大功率法拉第杯设计制造[D]. 刘江涛.兰州大学 2007
[7]测量煤中灰份用脉冲中子发生器控制电路的研制[D]. 张永祥.东北师范大学 2002
本文编号：2991544
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