УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И СЕЧЕНИЯ ЛУЧА НАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ФОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к области ядерной физики и позволяет измерять положение и сечение (профиль) луча направленного излучения высокой интенсивности, например фотонов и нейтронов.

Необходимость создания подобных устройств (мониторов) обусловлена требованиями ряда научных и прикладных задач, в которых используются генераторы луча направленного излучения высокой интенсивности. Это могут быть научные и прикладные исследования, а также практические приложения, из которых одним из важнейших является использование в радиотерапии облучением лучами фотонов высокой интенсивности, составляющей 60-600 Р/мин.

Известны мониторы профиля луча фотонов высокой интенсивности, представляющие собой совокупность ионизационных камер небольших размеров, размещенных на общем основании, работающих в токовом режиме и измеряющих непосредственно ток, вызванный взаимодействием фотонов с материалами конструкции камер, а также наполняющего их газа, т.е. как раз тот ток, который является основной помехой при работе многопроволочных позиционно-чувствительных лавинных счетчиков (МПЧЛС) при мониторировании импульсных лучей фотонов высокой интенсивности. Основным недостатком, присущим таким мониторам является то, что с их помощью можно мониторировать положение и сечение луча только в нескольких точках, т.е. получать весьма грубую картину, что в ряде случаев совершенно недостаточно. Поэтому в случаях, когда необходимо получить по возможности точную картину положения и сечения импульсного луча фотонов, производят сканирование профиля луча с помощью линейной комбинации детекторов фотонов, размеры которых малы по сравнению с размерами поперечного сечения луча фотонов. Однако такой метод, применяемый в частности в радиотерапии, неоперативен и не позволяет следить за изменением профиля луча в ходе проведения сеанса облучения, а также при переходе от одного пациента к другому, поскольку профиль луча задается для каждого пациента индивидуально (1, 2).

В некоторых устройствах для измерения и регистрации потоков незаряженных частиц, таких как фотоны и нейтроны используются конвертеры, преобразующие потоки незаряженных частиц в потоки заряженных частиц, например, с помощью фотоядерной реакции.

При необходимости мониторирования лучей заряженных частиц, интерес к использованию которых в настоящее время возрастает, необходимость в конвертере отпадает, поскольку МПЧЛС уверенно регистрирует заряженные частицы тяжелее протонов, для мониторирования которых конвертер необходим (3).

Известен монитор профиля луча фотонов, работающий по принципу преобразования с помощью конвертера, представляющего собой тонкую свинцовую пластину толщиной 1 мм, потока фотонов в поток заряженных частиц с последующей регистрацией их МПЧЛС, состоящим из трех электродов, два из которых, наружные, являются позиционно-чувствительными а третий -внутренний, служит для создания требуемого для работы МПЧЛС электрического поля. МПЧЛС и конвертер помещены в общий газовый объем (4). Сигналы с выходов электродов МПЧЛС подаются на входы одновходовых предварительных усилителей (ПУ), выходные сигналы которых подаются в систему обработки и визуализации.

Недостатком указанного монитора является отсутствие какого-либо выделения направления, т.е. коллимации продуктов фотоядерной реакции, испускаемых конвертером, что не позволяет получить качественную картину профиля исходного луча фотонов. Кроме того данный монитор, как следует из описания, предназначен для монитоторирования импульсного луча фотонов сравнительно малой интенсивности, составляющей 1·10⁶ фотон/с и довольно малой длительности импульса, составляющей 10·10^-9 c.

Длительность выходных сигналов МПЧЛС, которые являются полезными, возникающих при попадании в чувствительный объем МПЧЛС продуктов фотоядерной реакции, вылетающих из конвертера, составляет величину на порядок большую, т.е. около 1·10^-8 с. В то же время вследствие сравнительно малой длительности импульса луча фотонов величина выходного сигнала МПЧЛС, обусловленного регистрацией продуктов фотоядерной реакции, испускаемых конвертером, оказывается намного больше величины сигнала, который называется фоном, обусловленного вторичными электронами, попадающими в чувствительный объем МПЧЛС в результате прямого взаимодействия фотонов с деталями конструкции монитора, поэтому полезные сигналы в данном случае сравнительно легко отделить от фона.

При длительности импульса луча фотонов, намного превышающей длительность выходных сигналов МПЧЛС, ситуация существенно меняется. Например, длительность импульса луча фотонов, используемого в радиотерапии, обычно составляет несколько микросекунд, что на три порядка, т.е. в тысячу раз больше длительности выходных сигналов МПЧЛС. При этом выходной сигнал МПЧЛС, вызванный потоком вторичных электронов, возникающих в результате взаимодействия фотонов луча с материалами конструкции монитора, т.е. фон, намного превышает по длительности полезный сигнал, случайным образом располагающийся на фоновом сигнале, который может иметь весьма сложную форму, как на пьедестале, что сильно затрудняет его выделение. Поскольку поток вторичных электронов практически изотропен, какая-либо позиционная чувствительность МПЧЛС в таких условиях отсутствует. Более того, поскольку величина напряжения питания МПЧЛС выбирается исходя из условий работы его в режиме лавинного счетчика, вследствие сильной ионизации МПЧЛС переходит в режим пробоя, т.е. его работоспособность полностью нарушается. Из вышеизложенного следует, что данный монитор не пригоден для мониторирования импульсных лучей фотонов высокой интенсивности, если их длительность значительно превышает длительность сигнала, вырабатываемого МПЧЛС в результате фотоядерной реакции в конвертере. То же относится и к сигналам, являющимся электрическими наводками, обычно сопровождающими работу мощных импульсных электрических цепей, входящих в состав генератора луча фотонов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому монитору является описанный в (4), выбранный в качестве прототипа. Он содержит конвертер, преобразующий поток фотонов в поток продуктов фотоядерной реакции и регистрирующий их МПЧЛС, выходные сигналы которого подаются на входы одновходовых предварительных усилителей, выходные сигналы которых поступают на вход системы регистрации и визуализации.

Задачей изобретения является создание монитора профиля луча направленного излучения, преимущественно фотонов и нейтронов высокой интенсивности, свободного от недостатков прототипа, перечисленных выше, а техническим результатом является получение картины профиля импульсного луча фотонов в условиях высокого уровня фона, вызванного ионизацией деталей монитора, а также фона, вызванного другими причинами.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения положения и сечения луча направленного излучения высокой интенсивности, преимущественно фотонов и нейтронов, содержит размещенные в общем корпусе, заполненном газом, конвертер потока частиц в поток заряженных продуктов ядерной реакции и расположенный за ним многопроволочный позиционно-чувствительный лавинный счетчик, выходные сигналы которого подаются на входы предварительных усилителей, выходные сигналы которых поступают в систему обработки и визуализации положения и сечения луча.

Устройство характеризуется тем, что между конвертером и лавинным счетчиком введен коллиматор, а также введен по крайней мере один дополнительный лавинный счетчик, предварительные усилители выполнены в виде двухвходовых дифференциальных усилителей, при этом сигналы, снимаемые с одноименных выходов лавинных счетчиков, подаются на входы двухвходовых дифференциальных предварительных усилителей, где происходит их вычитание, и результирующие сигналы, соответствующие продуктам ядерной реакции, поступают в систему обработки и визуализации положения и сечения луча.

Все элементы монитора размещены в общем корпусе, заполненном газом, например пентаном, необходимым для работы МПЧЛС. Сигналы с одноименных выходов обоих МПЧЛС подаются на входы ДПУ, осуществляющих функцию вычитания входных сигналов.

Поэтому в сигналах на выходах ДПУ фон будет скомпенсирован и выходные сигналы ДПУ будут обусловлены регистрацией только продуктов ядерной реакции в конвертере, что и обеспечивает возможность мониторирования профиля импульсного луча направленного излучения высокой интенсивности.

Следует отметить, что нет необходимости в большом количестве вещества для конвертера, т.к., продукты ядерной реакции испускаются только из тонкого поверхностного слоя, не превышающего по толщине длины пробега их в веществе конвертера, что составляет величину порядка единиц микрометров, поэтому конвертер может представлять собой тонкую металлическую пластину -подложку, на которую наносятся исчисляемые долями мг/см² количества вещества, собственно и являющегося конвертером. При мониторировании лучей фотонов в различных диапазонах энергии фотонов оптимальными для использования в качестве конвертера могут быть различные вещества. Для мониторирования луча фотонов в широком диапазоне энергий возможно установить конвертер и коллиматор также перед дополнительный МПЧЛС, что не противоречит конструкции монитора а только улучшает ее, делая более однородной при регистрации и обработке фоновых сигналов.

В этом случае каждый из МПЧЛС будет дополнительным для другого. Поскольку пробег продуктов фотоядерной реакции в твердом веществе составляет единицы микрометров и не превышает толщины металлической подложки, на которую нанесено вещество конвертера, взаимовлияние МПЧЛС-1 и МПЧЛС-2 отсутствует.

Также следует отметить, что предлагаемый к рассмотрению монитор профиля луча фотонов может служить без изменения конструкции как монитор луча нейтронов, что является актуальной задачей для ряда приложений, т.к. существуют конвертеры, которые позволяют регистрировать как фотонное, так и нейтронное излучение.

Заявляемый монитор представлен на фигурах, приводимых ниже. Принцип действия монитора описан на примере мониторирования профиля импульсного луча фотонов высокой интенсивности, используемого в радиотерапии.

На фиг.1. представлена функциональная схема монитора профиля импульсного луча фотонов высокой интенсивности, включающая систему регистрации и визуализации;

на фиг.2 - временная диаграмма формирования выходного сигнала на одном из выходов ДПУ;

на фиг.3а и фиг.3в - картины профиля импульсного луча фотонов, генерируемого ускорителем, используемым для проведения радиотерапевтических процедур.

Функциональная схема монитора содержит конвертер 1, осуществляющий преобразование потока фотонов в поток продуктов фотоядерной реакции; коллиматор 2, осуществляющий пропускание на регистрацию только тех продуктов фотоядерной реакции, вылетающих из конвертера, направление которых совпадает с направлением исходного луча фотонов; два идентичных многопроволочных позиционно-чувствительных лавинных счетчика: основной 3 (МПЧЛС-1) и дополнительный 4 (МПЧЛС-2). Описания конструкции МПЧЛС не приводится, т.к. она неоднократно описана в литературе (см., например в (4)), и в данном случае решающего значения для описания принципа работы изобретения не имеет. Элементы функциональной схемы, обозначенные 1’ и 2', являются соответственно конвертером и коллиматором, которые могут быть дополнительно введены в состав монитора при необходимости его работы в широком диапазоне энергий мониторируемого луча фотонов. Элементы 1, 1’, 2, 2’, 3, 4 размещены в корпусе 5, заполняемом газом 6, необходимым для работы МПЧЛС.

Выходные сигналы МПЧЛС-1 и МПЧЛС-2, обозначенные на фиг.1 соответственно Т1, 1Х1, 1Х2, 1Y1, 1Y2 и T2, 2X1, 2X2, 2Y1, 2Y2, подаются на входы дифференциальных предварительных усилителей ДПУ-1...ДПУ-5, обозначенных соответственно 7, 8, 9, 10, 11, с выходов которых 12, 13, 14, 15, 16, результирующие сигналы, вид которых соответствует 34, представляющие собой разности выходных сигналов МПЧЛС-1 и МПЧЛС-2, снимаемых с их одноименных выходов, подаются в систему обработки и визуализации 17, оконечным звеном которой является дисплей компьютера 18.

Далее цифрами обозначены: 19 - импульсный луч фотонов; 20 - фоновые сигналы, 21 - полезные сигналы, 22 - выходные сигналы основного МПЧЛС-1, 23 - выходные сигналы дополнительного МПЧЛС-2, 34 - выходные сигналы дифференциальных предварительных усилителей.

Монитор профиля импульсного луча фотонов высокой интенсивности работает следующим образом. Импульсный луч фотонов 19 проходит сквозь переднюю стенку корпуса монитора 5, и попадая в конвертер 1, вызывает в нем фотоядерную реакцию, продукты которой, имеющие направление вылета, совпадающее с направлением исходного луча, проходят через коллиматор 2 к основному МПЧЛС 3(МПЧЛС-1), куда попадают также вторичные электроны, образующиеся при взаимодействии луча фотонов с деталями конструкции монитора, в результате чего на входах ДПУ1-1...ДПУ-5 24, 26, 28, 30, 32 возникают сигналы 22, структура которых на всех перечисленных входах практически одинакова. Сигналы 22 представляют собой сумму фоновых сигналов 20, являющихся периодическими, форма которых может быть весьма сложной, но частота и длительность которых совпадает с частотой и длительностью импульсов вырабатываемых генератором луча фотонов и полезных сигналов 21, случайно расположенных на сигналах фона, как на пьедестале, поскольку фотоядерная реакция является статистическим процессом, который в данном случае имеет место только в течение длительности импульса луча фотонов.

На входах 25, 27, 29, 31, 33 ДПУ-1...ДПУ-5 возникают периодические сигналы 23, вызванные только вторичными электронами, возникающими в результате взаимодействия луча фотонов с деталями конструкции монитора и подобные сигналам 20.

В результате вычитания сигналов на входах ДПУ-1... ДПУ-5 на их выходах 12, 13, 14, 15, 16 образуются сигналы, подобные 34 и повторяющие с большой степенью точности полезные сигналы 21.

Сигналы с выходов 12, 13, 14, 15, 16 подаются в систему аналого-цифровой обработки и визуализации 17, состоящую из стандартных электронных блоков, оконечным звеном которой является дисплей компьютера 18, на котором возникает образ профиля мониторируемого импульсного луча фотонов высокой интенсивности. Испытания опытного образца монитора на фотонах показали способность его мониторировать профиль луча фотонов при интенсивности, достигающей 600 Р/мин, а испытания устройства на заряженных частицах показали возможность мониторировать луч с интенсивностью 1·10³ частиц/сек·см². При этом в обоих случаях было получено позиционное разрешение не хуже 1 мм.

Источники информации

1. Проспект фирмы США INNOVISION, мод Victoreen 7200, Tracker 90100, 2000 г.

2. Проспект фирмы Швеции SCANDITRONIX Medical, система AquaLift, мод. RFA-300 plus, 2000 г.

3. M.Bajard, J.Remuleux: Hadronterapie: une methode de traitement des tumeurs radioresistantes, Institut de Physique Nucleaire de Lion, rapport de activite, 1998-1999, p.93-95

4. Б.М.Александров, В.А.Запевалов, Д.И.Иванов, Г.Я.Кезерашвили, А.С.Кривохатский, В.В.Муратов, В.Г.Недорезов, А.С.Судов: "ФД" - детектор ядерных фрагментов для экспериментов на пучке комтоновских фотонов, препринт Института Ядерных Исследований (ИЯИ) АН СССР, П-0633, 1989.

Использование: для решения научных и прикладных задач в ядерной физике, в радиотерапии. Сущность: устройство содержит размещенные в общем корпусе, заполненном газом, конвертер потока излучения в поток заряженных продуктов ядерной реакции и расположенный за ним многопроволочный позиционно-чувствительный лавинный счетчик, между конвертером и лавинным счетчиком введен коллиматор, а также введен по крайней мере один дополнительный лавинный счетчик, выходные сигналы счетчиков подаются на входы двухвходовых дифференциальных усилителей, где происходит их вычитание, и результирующие сигналы, соответствующие продуктам реакции, поступают в систему обработки и визуализации положения и сечения луча. Технический результат - увеличение времени работы прибора, повышение точности определения позиции луча фотонов, снижение дозы нежелательного облучения. 4 ил.

Устройство для измерения положения и сечения луча направленного излучения высокой интенсивности, преимущественно фотонов и нейтронов, содержащее размещенные в общем корпусе, заполненном газом, конвертер потока излучения в поток заряженных продуктов ядерной реакции и расположенный за ним многопроволочный позиционно-чувствительный лавинный счетчик, выходные сигналы которого подаются на входы предварительных усилителей, выходные сигналы которых поступают в систему обработки и визуализации положения и сечения луча, отличающееся тем, что между конвертером и лавинным счетчиком введен коллиматор, а также введен по крайней мере один дополнительный лавинный счетчик, предварительные усилители выполнены в виде двухвходовых дифференциальных усилителей, при этом сигналы, снимаемые с одноименных выходов лавинных счетчиков, подаются на входы двухвходовых дифференциальных предварительных усилителей, где происходит их вычитание, и результирующие сигналы, соответствующие продуктам ядерной реакции, поступают в систему обработки и визуализации положения и сечения луча.