束流監測器

束流監測器是粒子加速器中最為常見的束流診斷設備,對於電子或正電子加速器而言又以條帶電極型和鈕扣電極型探頭為主,其電極輸出信號中除包含束團位置信息外,還包含束團電荷量、束團長度等信息,因此如果配以合適的信號處理電子學及信息提取算法,應該可以從單一的BPM探頭中同時提取出束團位置、束團電荷量、束團長度等參數,並在此基礎上推導出束流損失、束流壽命、束團截面形狀因子等參數,實現單一探頭進行多參數束流診斷的目的。

基本介紹

• 中文名：束流監測器
• 外文名：beam(-current)monitor 
• 拼音：shù liú  jiān cè qì
• 所屬類別：科技產品
• 用途：測量隨時間變化的入射粒子強度
• 套用領域：醫療 核物理

束流監測器

概述

重離子束治療腫瘤技術是一種新的癌症治療手段。重離子束用於放射治療既有生物學優勢,又有劑量分布優勢(Bragg峰:離子能量大部分沉積在射程的末端),在治療中表現出一系列獨特的優勢:治療位置精度高(毫米量級);劑量相對集中,照射治療時間短,療效高;對腫瘤周圍健康組織損傷小;治療時能實時監測,便於控制位置和劑量,保證治療安全和精度。由於重離子的以上優點,它被稱為面向21世紀最理想的放療用射線。美國的勞倫斯伯克利實驗室(LawrenceBerkeleyLaboratory,LBL)早在1975年就利用其高能同步重離子加速器BEVALAC開始進行重離子束放射治療臨床試驗。日本於1984年就提出在國立放射醫學綜合研究所(NIRS)建造一台重離子醫用加速器(HI-MAC),專門用於重離子治癌及放射醫學研究。

在歐洲,重離子束治癌裝置HITAG於1996年在德國重離子研究中心GSI建成。我國一些科研單位與高校也開始進行這方面的研究,中國科學院近代物理研究所首先建成了重離子治癌裝置,利用重離子加速器提供的80～100MeV/μ的C束流進行淺表層的惡性腫瘤的治療。從2006年10月份開始,中科院近代物理研究所已經進行了三次近30人次的重離子治療淺表層癌症的臨床實驗,並取得了非常顯著的療效。

治癌終端束流的控制和監測裝置

在重離子淺層腫瘤治療時,要在不同深度,不同形狀的腫瘤區域內獲得均勻穩定的束流照,這就需要對束流的狀態進行監測。我們在治療過程中,要求照射野內束流離子分布的均勻性好於90%,束流強度穩定性好於90%,而且要保證照射的劑量準確。在治癌終端配置相應的探測器可以實現對束流強度和穩定性的實時監測及照射野均勻性的監測,從而保證治療的安全性和可靠性。在治癌過程中,我們採用塑膠閃爍探測器監測束流強度的穩定性,以保證照射劑量和照射離子數之間轉換因子的準確;採用平行板雪崩計數器(PPAC)測量束流剖面的均勻性,以保證腫瘤各斷層上癌細胞均受到相同劑量的照射。

C離子束經X方向偏轉磁鐵Dx,Y方向偏轉磁鐵Dy的掃描後,形成50mm×50mm大小,具有一定均勻性的束斑。其後依次放置有:(1)塑膠閃爍體,監測束流的穩定性;(2)降能片,也叫射程調節器,通過改變其厚度來調節Bragg峰的位置;(3)脊形過濾器,將束流的Bragg峰展寬;(4)PPAC,測量束流剖面的均勻性;(5)標準電離室IC,測量Bragg峰位並刻度照射劑量和照射離子數之間轉換因子在治療前,我們先用PPAC測量束流剖面的均勻性,用IC測量束流的Bragg峰位,然後利用IC上讀到的劑量值與塑膠閃爍體探測器的總計數之比算出劑量與離子數間的轉換因子,將病人的處方劑量換算為離子數。最後利用降能片和脊形過濾器將束流的Bragg峰準確在腫瘤區域內,通過塑膠閃爍體探測器和計算機控制癌變部位的照射劑量。整個治療過程中用塑膠閃爍體探測器實時監測束流的穩定性(保證照射劑量轉換因子的準確)以及進行照射劑量的控制。

束流穩定性的測量

用於束流穩定性測量的塑膠閃爍體探測器具有高時間分辨、高計數能力、耐輻照的特點。該塑膠閃爍體探測器的結構示意圖。該探測器主要由三部分組成:塑膠閃爍薄膜、內橢球面光反射鏡和光電倍增管PMT。其內表面橢球鋁製光反射鏡的一個焦點上安放著厚度50μm的塑膠閃爍薄膜BC-408,另一個焦點處於光電倍增管的光陰極中心。當離子垂直穿過閃爍膜時,引起閃爍膜發光,其產生的光子經橢球面反射後,被聚焦到PMT的光陰極上。產生的光信號經PMT放大後讀出。所用光電倍增管為Hamamatsu公司生產的R7724。我們用計數卡和AD轉換卡相結合的方法實現對束流的實時監測。塑膠閃爍體探測器的輸出信號輸入計數卡,得出相應的離子數;AD轉換卡監測掃描磁鐵的狀態(電流值)。當掃描磁鐵工作不正常或照射離子數達到所需的劑量,兩卡片均輸出一個高電平來啟動相應裝置阻擋束流。計數卡和AD轉換為NI公司生產的6602和6133。圖3給出的是治療過程中監測到的一個時間段內典型的流強變化曲線。圖形界面是用LabView軟體編寫的,圖上方的數字為當前的束流強度,單位為pps(particlepersecond),繪有計數曲線的框圖橫坐標為時間軸(S),縱坐標為離子個數。

束流監測器物理過程

概述

束是不穩定的，束流強度隨時間而改變，從而影響實驗測量結果， 解決的辦法是在中子導管出口處、樣品中子的發現與套用是 世紀的重要科技成就之 台之前放置 箇中子束流監測器， 實時測量隨時間中子具有下列的優點： 電中性、 穿透力強； 變化的入射中子強度， 為譜儀探測器提供歸化的輕元素敏感、 可進行同位素分析； 具有磁矩、 參數， 從而有效地減小因中子束入射強度變化而產可進行磁性微觀分析。這些優點使中子技術與射 生的影響。 傳統典型的中子束監測器大多使用透過線技術互補， 成為研究物質微觀結構的重要手段。 式 正比計數器， 計數率最大中子注量當前國際上的新 代散裂中子源。

隨著國際、 國內大型中子源日本的 英國的 以及國內在 的發展 ， 中子通量越來越高， 對束流監測器也隨之提建的中國散裂中子源出了更高的要求，不僅需要實時地監測中子束的強具有高脈衝通量、 優越的脈衝時間結 度，還需要具有良好的二維位置分辨能夠實時地監低本底、 且不使用核燃料。 計畫於 年 測中子束斑的形狀，測量每 個像素上的中子通量，左右建成並運行， 屆時將為國內外科學家提供世界 並且提供很好的時間分辨， 以便使用流的中子科學綜合實驗裝置。 法進行中子波長的測量，以滿足高通量、高由於加速器功率不穩定、 以及中子產生效率與中 精度譜儀發展的要求。 很明顯目前傳統的中子束流監子束傳輸效率等諸多因素的影響， 經導管引出的中子 測器已經不能滿足新 代中子散射譜儀對束流監測提出的新要求 。 另外， 當前還面臨 氣體資源嚴重短缺的國際形勢，價格十分昂貴。

因此 ， 研究新代能替代 的高計數率型中子翻技術就顯得尤為迫切和重要。近年來蓬勃發展起來的氣體探測器性能卜分突出，位置分辨好於 計數率高達 耐輻射，套用範圍廣， 使用不同轉換材料就可以探測相應靈敏的粒子，塗硼作為轉換層就可以探測中子 。 目前基於塗硼的中子探測技術已成為新型中子探測器研究的熱點， 也是新代中子束監測器的熱點技術。日本高能加速器研究組織年完成了塗硼 中子束監測器的研製工作 問，並且在 上進行了束流測試得到了很好的結果，處於該領域國際領先水平。 近年來國內 些單位也參到 探測器的研究中，例如清華大學、中國科技大學、 中國科學院近代物理研究所及中國科學院高能物理研究所都開展了相應的工作。 中子探測器組就開始了塗硼 中子探測器系統化研究， 以發展替代 探測技術， 該項工作己獲得 工程項目、核探測與核電子學國家重點實驗室以及國豕自然科子基金項目的支持。 本姓要通層對熱中子的轉換效率’對比硼轉換層次級粒子浦能譜與在力’最佳化硼轉換層厚度及漂移區氣體厚度’比計算了快中子在標準 膜和 膜中產生的影響，為探測器研製提供進步的數據參考。

探測器結構與原理

中子束監測器位於主束上測量束流強度， 因此必須具有很高的傳輸效率以儘量減少對主束的影響，探測效率 般小於 。 對於基於硼轉換的 中子束監測器而言，直接在漂移電極下表而塗層硼作為中子轉換層即可實現對中子的探測。 中子轉換 、 氣體倍增和信號讀出， 個過程彼此相互獨立， 工作氣塗硼漂移極信號讀出線上彩圖探測器結構體採用常用的 混合氣體 個大氣壓流氣式供氣， 以保證探測器 作穩定，延長使用壽命。 硼的同位素 是常用的熱中子敏感轉換材料化學活性低便於套用 含鮮富，且易獲得濃縮豐度 ，是理想酬體巾子轉換材料，該反應有個反應道其中 分支比反應生成 位置與時間信息。激發態 瞬間退激產生 和 由於出射的帶電粒子只有其中個進入工作氣體兩種粒子， 另 分支比反應直接到基態產生 被探測到，其動能大，射程長且電離的面積也大， 當入射中子被 俘獲後，電離粒子的質心本身與中子發生核反應的位置產生離子方向相反， 二者其直接損失在塗硼有定的偏差， 這個偏差決定了測量中子的位置粘基材里， 另個進入工作氣體， 產生大量原初電子電 度會受硼層厚度、 氣體厚度、 工作氣壓及工作電壓的離對在漂移電場的驅動下 影響。對於時間的測量，由於採用的是固定轉換層，屯廣經過漂移區 ，由雙層 進行氣體放大增益 厚度非常薄 ，中子被俘轉換的時間晃動可以忽略不約兒百， 最後通過二維讀出電路，獲取中子的擊中 計，而本身的時間解析度高，故只要讀出電子學時間的精度足夠高，就可以實現高精度的 測量目前型氣體探測器受限於探測器厚度’ 時間解析度普遍較低。

束流位置監測器

概述

電磁耦合型束流位置監測器(BPM)是粒子加速器中最為常見的束流診斷設備,對於電子或正電子加速器而言又以條帶電極型和鈕扣電極型探頭為主,其電極輸出信號中除包含束團位置信息外,還包含束團電荷量、束團長度等信息,因此如果配以合適的信號處理電子學及信息提取算法,應該可以從單一的BPM探頭中同時提取出束團位置、束團電荷量、束團長度等參數,並在此基礎上推導出束流損失、束流壽命、束團截面形狀因子等參數,實現單一探頭進行多參數束流診斷的目的。本文首先關注於束團電荷量(束流流強)信息的提取,以理論分析、數值仿真結合上海光源儲存環束流試驗的方法,對束流流強信息提取算法、該算法的適用條件、當前設備條件下可以達到的性能進行了研究。

光源儲存環束流位置測量系統

上海光源(SSRF)是我國近年建成的第三代同步輻射光源,由一個周長432m的3.5GeV電子儲存環、一個150MeV至3.5GeV的電子增強器、一個150MeV的電子直線加速器、若干同步輻射光束線和實驗站構成。其儲存環設計運行流強為300mA,束流壽命10h,束團長度14ps(1倍σ),彎鐵處束團截面尺寸小於百μm,束流中心位置穩定度要求達到μm量級。為實現上述運行目標,在儲存環中建立了一個閉軌測量精度達到亞微米量級的BPM系統,由沿環均布的140組四鈕扣電極探頭,分布在儲存環內技術走廊中的140套數字BPM電子學設備,以及在兩者之間傳送束流信號的信號傳輸網路構成。這一位置測量系統也可用於流強測量。

1.檢測電極布局及流強修正因子

上海光源儲存環中的束流真空室截面形狀為八邊形,檢測電極直徑為10mm,。採用有限元分析方法編寫計算軟體,計算得到第一象限內歸一化流強修正因子。kQ值以kQ(0,0)為基準進行了歸一化,探頭中心區域(R<2.5mm)內kQ值近似為1,故無等高線顯示。對kQ數據做進一步的定量分析可得出如下結論:半徑2.5mm範圍內流強標定係數變化小於0.1%。如果能確保測量過程中束流軌道保持在真空室幾何中心為圓心2.5mm半徑的範圍內,流強標定係數在0.1%精度下可看作常數;探頭的中心區域(R<2.5mm)內kQ的梯度較小,在電極附近區域kQ的梯度極大;沿x或y軸線方向kQ值隨R的增大而增大,沿真空盒對角方向(接近45°)kQ值隨R的增大而減小。

2.信號處理電子學

上海光源BPM系統的信號處理採用了三代光源普遍採用的斯洛維尼亞InstrumentationTechnologies公司最新一代的數字BPM處理器-Libera,該設備以高速AD(125MHz)和FPGA晶片為核心,基於帶通欠採樣、數字下變頻、數字濾波技術研製,對束流射頻信號直接進行採樣處理。在上海光源的套用中,其工作頻率選定為720倍迴旋頻率,設計值為499.654MHz,處理器可以在不同連線埠同時提供ADC原始數據(百MHz採樣率)、逐圈數據(MHz採樣率)、快反饋所需數據(10kHz採樣率)以及靜態閉軌數據(10Hz採樣率)。在初期的流強測量研究中我們將主要採用10Hz採樣率的數據。

將BPM信號處理器用於流強測量時,影響其性能的主要有如下幾個參數:ADC解析度、系統增益線性度、系統增益頻幅回響。Libera信號處理器的增益曲線可以採用射頻信號源仿真束流信號來進行測定,圖3所示為採用此方法得到的測量誤差相對於束流流強的曲線,流強標定係數在200mA點標定得到,從圖中可知測量誤差與待測流強的關係近似二次曲線,在100～300mA區間內因系統增益非線性引入的測量誤差約為1%(3mA/300mA),在180～220mA區間內因系統增益非線性引入的測量誤差約為0.2%(0.4mA/200mA)。因此如要採用此BPM處理器進行流強精確測量,則必須對全量程內的系統增益曲線進行精確標定,或是縮小測量區間以降低增益非線性的影響。

束流實驗

為評估BPM系統用於流強測量的性能,研究其優缺點並探索進一步發展的思路,在上海光源儲存環測試運行中進行了多次束流實驗研究,測定了每個BPM的流強標定係數,並分別對流強解析度、位置修正因子、頻幅回響特性進行了測試。

1.流強標定係數測定

因每組BPM探頭的信號傳輸電纜長度均不相同,而每個BPM信號處理器的增益係數也會略有差異,所以每組BPM探頭的流強標定係數需要帶束流進行線上測定。測定時同時記錄平均流強探頭(DCCT)數據和所有BPM探頭的和信號數據,以DCCT讀數作為基準即可計算得到各個BPM探頭的流強標定係數。從標定結果可知,不同BPM間流強標定係數差異較大,極大和極小間的比值可達1.56,差異的主要來源應是信號電纜長度不一致引入的插入損耗不一致。

2.平均流強解析度測試

在不同流強條件下分別測定各BPM的流強標定係數,採用BPM和DCCT分別對流強進行多次測量,計算測量均方差即可對流強測量解析度進行一個評估,分析圖中數據可得如下結論:DCCT探頭在不同流強時的解析度近似為常數(<2μA),主要限制為電子學噪聲;單個BPM探頭用於流強測量時,流強解析度在10mA以下優於DCCT,在10mA以上差於DCCT;對全環BPM(對於上海光源為140個)流強數據求平均可以進一步提高測量解析度,60mA以下優於DCCT,而60mA以上略差於DCCT。

3.位置修正因子測試

位置修正因子的測試通過控制束流軌道漂移,同時記錄BPM流強及DCCT流強數據的辦法來完成。實際測試中通過修改C12單元的第一個水平校正子電流值(0.8377～2A)來產生束流軌道變化,在此以C03單元的7個BPM探頭為例來分析測試結果。不同BPM處束流中心位置的漂移如圖7所示,圖中箭頭方向為束流位置漂移方向:C03BPM4處的束流位置漂移最大(達到3.5mm);因水平、垂直方向存在耦合,束流位置的漂移並不嚴格在水平方向;BPM3～BPM7處的束流位置漂移基本在同一直線上,而BPM1和BPM2處的束流位置漂移方向有較大差異。

實測位置修正因子取值與束流位置漂移值為單增關係,C03BPM4處的kQ取值最大;BPM3～BPM7的位置修正因子曲線基本一致,而BPM1和BPM2的曲線與此不同,這一現象與不同BPM處束流位置漂移方向的差異類似;束流位置漂移小於2.5mm時,對應的位置修正因子變化小於0.1%。以上實驗測試結果與數值仿真結果完全吻合。

4.頻幅回響曲線測試

儲存環在實際運行當中為了確保束流軌道的穩定,需要進行高頻(RF)頻率反饋,因此必須測定高頻頻率變化對BPM流強測量的影響。實際實驗中將高頻頻率從499.6725MHz逐步增大為499.6735MHz再降回原值,同時記錄DCCT流強數據和BPM流強數據,即可分析得到BPM系統用於流強測量時的頻幅回響曲線。

以C07單元第一個BPM為例,實測得到的流強變化曲線以及由此計算得到的頻幅回響關係分別如。從以上測試結果可知:當高頻頻率變化了1kHz時,流強標定係數(kQ(x,y)/Z(ω))變化了0.2%,因在此試驗過程中束流位置的變化很小(<0.3mm),kQ(x,y)基本不變,所以主要的貢獻來自於Z(ω)的變化,也就是電子學的頻幅回響,這一結果與圖4所示的桌面測試結果吻合;在較小的頻率變化範圍內,流強標定係數與高頻頻率的關係近似為線性關係,因此可以測定這一修正曲線對流強標定係數進行頻率因子補償,從而提高高頻頻率變化時的流強測量精度。

討論

理論分析及束流實驗的結果均證明,配以合適的信號處理電子學及信息提取算法,BPM探頭可以用於束流流強的測量,具有如下優點:信號處理為高頻(中心頻率約500MHz)窄帶(模擬頻寬約10MHz)處理,抗干擾能力強;相對測量精度由電子學有效解析度決定,弱流情況下解析度優於DCCT探頭,信號處理器電子學ADC位數提高后解析度還可以進一步提高;可用多個BPM測得的流強數據平均來提高測量精度,參與BPM數量越多,精度越高;數字BPM處理器可輸出不同頻寬的數據流,目前最高可提供逐圈(頻寬347kHz)流強數據,遠高於DCCT頻寬(典型值25kHz),有利於進行不同時間尺度的束流壽命評估。但此方法在現有技術條件下還具有如下局限:流強標定係數難以精確計算或是離線標定,必須通過束流實驗以其它流強探頭(如DCCT)來進行線上標定;流強標定係數與束流位置相關,精確測量時必須對位置因子進行補償,但在較低測量精度(0.1%)要求時BPM探頭中心區域內(R<2.5mm)的位置修正因子可看作常數;流強標定係數與高頻頻率有關,高頻頻率發生變化時需要進行頻率因子補償;現有信號處理器(Libera)在較大流強動態範圍內(100～450mA)的系統增益線性度不太理想,如想對流強進行精確測量,必須標定信號處理器的全量程增益曲線,而不是採用在單一流強點得到的標定係數。