Разработка устройства для измерения поперечного профиля адронных пучков

С внедрением в клиническую практику медицинских ускорителей протонов и ионов встает вопрос о разработке более точных и надежных устройств для диагностики параметров облучения. Для осуществления процедур лучевой терапии высокоэнергетическими пучками тяжелых заряженных частиц необходимы высокоточные системы мониторинга для определения интенсивности, положения и пространственного распределения терапевтического пучка в реальном времени с минимальным возмущением потока частиц. Существующие измерительные системы не отвечают всем необходимым требованиям, в связи с чем, задача разработки детектирующего устройства для регистрации пространственных и энергетических характеристик протонных и ионных пучков становится актуальной. Данная работа направлена на разработку детектирующего устройства для измерения поперечного распределения интенсивности адронных пучков. Разрабатываемый детектор должен позволить реализовать метод многоуглового сканирования, который ранее был предложен авторами и успешно апробирован на рентгеновских и электронных пучках. В результате была предложена схема разрабатываемого детектора, на основе которой было собрано детектирующее устройство, рабочим телом которого стало тонкое сцинтилляционное оптоволокно, пригодное для регистрации высокоэнергетических адронных пучков. Разработанный детектор был апробирован на протонном пучке и на пучке ионов углерода. Были получены сравнения горизонтальных профилей протонного и ионного пучков для разных энергий, измеренных с помощью разработанного и пленочного детекторов. В результате работы было показано, что разработанный детектор является пригодным для измерения интенсивности высокоэнергетических протонных и ионных пучков в поперечном сечении пучка.

1. Particle therapy facilities in clinical operation. [Электронный ресурс].URL: https://www.ptcog.ch/index.php/facilities-in-operation. (дата обращения: 25.07.2022 г.)

2. Karger C.P., Jäkel O., Palman H., Kanai T. Dosimetry for ion beam radiotherapy // Physics in Medicine & Biology, 2010. V. 55. № 21. P. R193.

3. Castriconi R., Ciocca M., Mirandola A., Sini C., Broggi S., Schwarz M., Russo P. Dose-response of EBT3 radiochromic films to proton and carbon ion clinical beams // Physics in Medicine & Biology, 2016. V. 62. № 2. P. 377.

4. Actis O., Meer D., König S. Precise on-line position measurement for particle therapy// Journal of Instrumentation, 2014. V. 9. № 12. P. C12037.

5. Xu Z., Mao R., Duan L., She Q., Hu Z., Li H., Zhang. J. A new multi-strip ionization chamber used as online beam monitor for heavy ion therapy // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2013. V. 729. P. 895–899.

6. Basile E., Carloni A., Castelluccio D.M., Cisbani E., Colilli S., De Angelis G., Vacca G. An online proton beam monitor for cancer therapy based on ionization chambers with micro pattern readout // Journal of Instrumentation, 2012. V. 7. № 03. P. C03020.

7. Giordanengo S., Donetti M., Garella M.A., Marchetto F., Alampi G., Ansarinejad A., Cirio R. Design and characterization of the beam monitor detectors of the Italian National Center of Oncological Hadron-therapy (CNAO) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2013. V. 698. P. 202–207.

8. Васильев С.E., Вишневский А.В., Кадыков М.Г., Маканькин А.М., Тютюнников С.И., Шурыгин А.А. Разработка системы мониторирования формы, положения и интенсивности выведенного пучка релятивистских ионов ускорительного комплекса Нуклотрон-М ОИЯИ // Письма в ЭЧАЯ. 2014. Т. 11. № 6. С. 190.

9. Балдин А.А., Берлев А.И., Васильев С.E., Вишневский А.В., Владимирова H.М., Кудашкин И.В., Тютюнникова С.И. Мониторирование выведенных пучков ускорительного комплекса нуклотрон для экспериментов “Энергия + трансмутация” ІІ // Письма в ЭЧАЯ. 2015. Т. 13. С. 334–344.

10. Furukawa T., Saotome N., Inaniwa T., Sato S., Noda K., Kanai T. Delivery verification using 3D dose reconstruction based on fluorescence measurement in a carbon beam scanning irradiation system // Medical physics, 2008. V. 35. № 6. Part 1. P. 2235–2242.

11. Bulavskaya A.A., Cherepennikov Y.M., Chakhlov S.V., Grigorieva A.A., Miloichikova I.A., Vukolov A.V., Stuchebrov S.G. Measurement of electron beam transverse flux density distribution // IOP Conference: Series Materials Science and Engineering, 14th International Forum on Strategic Technology (IFOST 2019), Tomsk, 2021. V. 1019. № 1. P. 012043.

12. Булавская А.А. Разработка и применение метода многоуглового сканирования для регистрации пространственного энергетического распределения ионизирующего излучения в поперечном сечении пучка. Дисс. канд. физ.-мат. наук. Томск, 2020. 118 с.

13. Bulavskaya A.A., Cherepennikov Y.M., Grigorieva A.A., Miloichikova I.A., Stuchebrov S.G. Multiangle scanning for measuring radiation beam profiles with a typical size of 10 millimetres – Proof-of-principle experiments // Journal of Instrumentation, 2022. V. 17. № 07. P. T07004.

14. Beaulieu L., Goulet M., Archambault L., Beddar S. Current status of scintillation dosimetry for megavoltage beams // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2013. V. 444. № 1. P. 012013.

15. Guillot M., Gingras L., Archambault L., Beddar S., Beaulieu L. Spectral method for the correction of the Cerenkov light effect in plastic scintillation detectors: a comparison study of calibration procedures and validation in Cerenkov light dominated situations // Medical physics, 2011. V. 38. № 4. P. 2140–2150.

16. Saint-Gobain Crystals BCF-20. [Электронный ресурс]. https://www.crystals.saint-gobain.com/radiation-detection-scintillators/fibers (дата обращения: 25.07.2022 г.)

17. Silicon Photomultiplier Module PE3315-WB-TIA-TP.[Электронный ресурс]. https://www.ketek.net/wpcontent/uploads/KETEK-PE3315-WB-TIA-TP.pdf (дата обращения: 25.07.2022 г.)

18. USB осциллограф DSO-6104BD. [Электронныйресурс]. https://www.hantek.ru/products/dso6104bd.html (дата обращения: 25.07.2022 г.)

19. Натуральный PETG пластик Bestfilament для 3Dпринтеров 0.5 кг (1.75 мм). [Электронный ресурс]. https://bestfilament.ru/petg-plastik-bestfilament-dlya3d-printerov-1-kg-175-mm/ (дата обращения: 25.07.2022 г.)

20. Original Prusa i3 mk3s. [Электронный ресурс]. https://www.prusa3d.com/category/original-prusai3-mk3s/ (дата обращения: 25.07.2022 г.)

21. Standa 8MT50-200 Motorized Translation Stages.[Электронный ресурс]. https://www.standa.lt/products/catalog/motorised_positioners?item=308 (дата обращения: 25.07.2022 г.)

22. Battaglia M.C., Espino J.M., Gallardo M.I., Lallena A.M., Fernandez B., Cortés-Giraldo M.A., Schardt D. EBT3 film calibration in the Bragg peak region for proton beams below 5 MeV // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2019. V. 444. P. 117–124.

23. El Barouky J., Fournier-Bidoz N., Mazal A., Fares G., Rosenwald J. C. Practical use of Gafchromic EBT films in electron beams for in-phantom dose distribution measurements and monitor units verification // Physica Medica: European Journal of Medical Physics, 2011. V. 27. № 2. P. 81–88.

24. Mathot M., Sobczak S., Hoornaert M.T. GafChromic film dosimetry: four years experience using FilmQA Pro software and Epson flatbed scanners // Physica Medica: European Journal of Medical Physics, 2014. V. 30. № 8. P. 871–877.

25. Devic S., Seuntjens J., Sham E., Podgorsak E.B., Schmidtlein C.R., Kirov A.S., Soares C.G. Precise radiochromic film dosimetry using a flatbed document scanner // Medical physics. 2005. V. 32. № 7. Part 1. P. 2245–2253.

26. Epson Perfection V850 Pro. [Электронный ресурс]. https://epson.ru/catalog/scanners/epson-perfectionv850-pro/ (дата обращения: 25.07.2022 г.)

27. MATLAB. [Электронный ресурс]. https://www.mathworks.com/products/matlab.html