【摘要】：癌癥是目前威脅人類健康的最大殺手,我國每年新增癌癥病例430萬,死亡280萬,癌癥的診斷與治療是關(guān)乎國計民生的重大課題。在眾多癌癥治療方法中,質(zhì)子放療因質(zhì)子束獨特的布拉格峰(Bragg Peak)性質(zhì),被認(rèn)為是最精準(zhǔn)的無創(chuàng)治療手段之一,可以最大限度地減小對正常組織的損傷。華中科技大學(xué)聯(lián)合中國原子能科學(xué)研究院主持承擔(dān)了國家十三五重點研發(fā)計劃“基于超導(dǎo)回旋加速器的質(zhì)子放療裝備研發(fā)”項目(HUST-PTF),該裝置主要由250 MeV超導(dǎo)回旋加速器、束流輸運線、治療室及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。本文基于該項目,重點對束流輸運線上使用量最大的束流診斷元件--束斑檢測器--進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計和研究。HUST-PTF束流輸運線上需要重點測量束流位置和截面分布,以進(jìn)行軌道校正、能量、能散度和發(fā)射度測量,束斑檢測器作為一種穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的測量手段成為首選。HUST-PTF回旋加速器引出束流能量為250 MeV,經(jīng)過能量選擇系統(tǒng)后,能量將在70~240MeV之間變化,流強(qiáng)動態(tài)范圍達(dá)到0.4~10nA,這給束斑檢測器的設(shè)計帶來全新挑戰(zhàn)。為了滿足HUST-PTF束診要求,本文對束斑檢測器進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。1通過分析不同材料發(fā)光屏的發(fā)光情況和線性動態(tài)范圍,并根據(jù)束流的參數(shù)選取厚度1mm,直徑68mm的Al_2O_3:Cr陶瓷材料作為發(fā)光靶;2通過對比不同的發(fā)光屏的傾斜角度與相機(jī)的觀測角度,同時結(jié)合輸運線上有限的空間范圍,得出光學(xué)結(jié)構(gòu)中相機(jī)和束流方向成90°關(guān)系,發(fā)光屏與束流方向成45°關(guān)系可以使系統(tǒng)獲得較高的分辨率的結(jié)論;3在確定束流參數(shù)的前提下,針對束流損失產(chǎn)生的輻射影響,利用Geant4和FLUKA對比分析了束流轟擊發(fā)光屏后的輻射效應(yīng)以及相機(jī)處CCD芯片的輻射情況,判斷更換CCD的周期為一個季度,為進(jìn)一步減少輻射影響可增大工作距離到230mm或使用鉛玻璃屏蔽材料;4基于前端探測器捕捉的束斑發(fā)光情況,利用LABVIEW軟件和圖像處理算法對圖像進(jìn)行校正、對比度拉伸、濾波等處理,離線標(biāo)定系統(tǒng)分辨率為0.13mm/pixel,驗證方案的合理性。同時基于束斑檢測器的方法,對輸運線上的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測量和分析計算。
【圖文】：

中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 1 緒論放療裝備簡介床上作為主流的光子放療有其治療瓶頸。質(zhì)子束治療方在于質(zhì)子特有的布拉格峰特性，如圖 1-1 所示，普通光子且不可控，而質(zhì)子、重離子進(jìn)入人體過程中能量釋放量放完全，因此質(zhì)子治療中不會出現(xiàn)光子治療中位于病灶壞的現(xiàn)象。

在輸運線上，束流經(jīng)過四極磁鐵、二極磁鐵、漂移段、準(zhǔn)直器等大量元件時，其狀態(tài)有較大改變，因此有必要對輸運線上各部位的束流進(jìn)行監(jiān)測。束流位置的偏差說明其軌道偏離了參考軌道，因此需要對束流進(jìn)行位置參數(shù)測量，實現(xiàn)軌道校正的目的；束流的截面尺寸和發(fā)射度與束流品質(zhì)好壞有關(guān)，若尺寸和發(fā)射度較大，容易造成束流損失，使束流品質(zhì)降低。輸運線上束流的能量和能散度也是衡量束流品質(zhì)和穩(wěn)定性的重要因素。由此可見，，這些測量參數(shù)直接反映了束流的品質(zhì)，因此，對束流參數(shù)的測量是保障機(jī)器的正常穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，同時也是實現(xiàn)質(zhì)子精準(zhǔn)治療的前提。回旋加速器內(nèi)部的束流診斷主要是實現(xiàn)束流流強(qiáng)的測量。一般在離子源出口與加速器引出口安裝法拉第筒測量流強(qiáng)，并可實現(xiàn)引出效率的計算。而在同步加速器中需要測量的參數(shù)有許多，如束流軌道、束流流強(qiáng)、工作點、束流截面、能量與能散等。并且由于束流在同步加速器中運動成百上千次后引出，因此測量元件應(yīng)該是無損的。而輸運線上束流一次性通過，需要測量的參數(shù)很多與同步加速器上相同，但方法上與同步加速器測量有區(qū)別。以 PSI 的 PROSCAN 的束流診斷系統(tǒng)為例，如圖 1-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH774

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2618889