金刚石探测器测量质子束流场分布.pdf
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1、第 卷 第期 年月同位素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l N o A u g 金刚石探测器测量质子束流场分布丁雨阳,高飞,董璐琪,王菲菲,刘蕴韬,陈义珍,王子业,王靖谦(中国原子能科学研究院,计量与校准技术重点实验室,中核核工业计量与测试技术重点实验室,北京 )摘要:质子治疗(p r o t o nb e a mt h e r a p y,P B T)因其独特的布拉格峰能够达到精准放疗的效果.在质子治疗过程中,将峰准确定位到肿瘤区域,可以给予肿瘤较大剂量照射的同时,降低对正常组织和器官的伤害,减少副作用的发生.因此在质子治疗中对质子束的布拉格峰进行准
2、确定位至关重要.本研究利用回旋加速器产生质子束流,通过金刚石探测器对质子束辐射特性进行测试,测量质子束束斑分布及布拉格峰位,得到质子束流的布拉格峰位置为(,mm),为质子治疗的准确性提供了保障.关键词:质子治疗;布拉格峰;金刚石探测器中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:通信作者:高飞d o i:/t w s M e a s u r e m e n t o fP r o t o nB e a mD i s t r i b u t i o nb yD i a m o n dD e t e c t o rD I NGY u y a n g,GAOF e i,D ON
3、GL u q i,WANGF e i f e i,L I UY u n t a o,CHE NY i z h e n,WANGZ i y e,WANGJ i n g q i a n(C h i n a I n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yf o rM e t r o l o g ya n dC a l i b r a t i o nT e c h n i q u e s,C h i n aN a t i o n a lN u c l e a rC o r p o r
4、a t i o nK e yL a b o r a t o r yo fM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:P r o t o nb e a mt h e r a p y(P B T)c a na c h i e v et h ee f f e c to fp r e c i s i o nr a d i o t h e r a p yd u e t o i t su n i q u eB r a g gp e a k I
5、nt h ep r o c e s so fp r o t o nt h e r a p y,t h ep e a kc a nb ea c c u r a t e l y l o c a t e dt ot h e t u m o ra r e a,w h i c hc a ng i v et h et u m o ra l a r g e rd o s eo f i r r a d i a t i o n,r e d u c et h ed a m a g et on o r m a lt i s s u e sa n do r g a n s,a n dr e d u c et h eo
6、 c c u r r e n c eo fs i d ee f f e c t s T h e r e f o r e,i t i sv e r y i m p o r t a n t t o l o c a t e t h eB r a g gp e a ko fp r o t o nb e a mi nr e a lt i m e i np r o t o nt h e r a p y I nt h i sp a p e r,ac y c l o t r o n i su s e dt og e n e r a t ep r o t o nb e a m,a n dad i a m o n
7、 dd e t e c t o r i su s e dt ot e s t t h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp r o t o nb e a m,a n dt h eB r a g gp e a ka n dt h eb e a ms p o t c e n t e ra r em e a s u r e d(,mm)T h u s,a c c u r a t eB r a g gp e a kv a l u eo fp r o t o nb e a mw a so b t a i n e d,w h i c hg
8、u a r a n t e e d t h e a c c u r a c yo f p r o t o n t h e r a p y K e yw o r d s:p r o t o nb e a mt h e r a p y;b r a g gp e a k;d i a m o n dd e t e c t o r恶性肿瘤由于其高发病率和死亡率,仍是威胁人民健康寿命的主要因素.根据国际癌症研究中心的估算,全球 年新增癌症患者约 万,死亡患者约 万.我国由于人口基数大,新发癌症人数和癌症死亡人数均位居全球第一.目前,放射治疗是恶行肿瘤最主要和有效的治疗手段.放射治疗主要利用X射线、射线、电
9、子线、质子束和重离子束对患者病变组织进行治疗.相比于其他常规的光子放疗手段,质子治疗由于其独特的布拉格峰具有较大的优势.布拉格峰是 年威廉亨利布拉格(W i l l i a mH e n r yB r a g g)与克里曼(K l e e m a n)在实验中观测到,当质子、碳离子等带电粒子束射入物质中时,会在射入介质中的某个深度处形成一个剂量峰值,这一个峰值称为“布拉格峰”.质子束传递的剂量大量沉积在质子束射程的末端,即布拉格峰的位置,在传递路径上的剂量沉积很小.因此质子治疗能够有效回避到达肿瘤之前的正常组织,通过调节质子束的射程使在组织中剂量的布拉格峰精确位于肿瘤部分,使其大量能量在肿瘤靶
10、区内沉积,而穿过肿瘤后剂量迅速下降,使得肿瘤后侧的正常组织几乎不受剂量影响,能够产生高效低毒并对肿瘤组织进行精准治疗的效果,在对肿瘤照射相同剂量的情况下,对正常组织伤害更小.如果能够将峰准确定位到肿瘤区域,就可以较大剂量照射肿瘤的同时,降低对正常组织和器官的伤害,减少副作用的发生.因此在质子治疗中对质子束的布拉格峰进行准确定位至关重要.本研究通过金刚石探测器对质子束辐射特性进行测试,以为质子治疗的准确性提供保障.实验设备 回旋加速器目前世界各地的质子治疗中心基本采用回旋加速器、同步加速器及直线加速器.回旋加速器能产生连续且束流强度较高的质子流,且使用回旋加速器引出的质子束能量单色性较高,可通过
11、降能器灵活调节质子束流的能量.本研究利用中国原子能科学研究院某国产质子回旋加速器产生质子束流,并测量质子束束斑及布拉格峰位.该质子回旋加速器结构示于图,整体由中心区、相位靶、真空室、高频腔、磁极和引出开关组成,主要参数列于表.该国产加速器采用外部离子源轴向注入,使用剥离引出的方式引出能量范围为 M e V的质子束,实现了 p A到数百A共计个量级跨度的流强供束范围.金刚石探测器金刚石是半导体中十分接近绝缘体的物质,其禁带宽度可达 e V,是硅的倍,大的禁带宽度使得金刚石探测器可以在 甚至更高的环境温度下正常运行.纯净的金刚石材图质子回旋加速器总体结构图F i g O v e r a l l s
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