Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 5-8

1. ВВЕДЕНИЕ

Калибровочные измерения двух черенковских мониторов (Ch1, Ch2) протонного пучка [1] проводили на медицинском канале центра коллективного пользования ИЯИ РАН в сравнении с ионизационной камерой (IC) Semiflex Ionization Chamber Type 31010 [2] объемом 0.14 см³, используемой совместно с клиническим дозиметром “PTW Multidos elektrometerˮ и калиброванным пластиковым монитором (RF) “Gafchromic EBT³ˮ [3].

Ускоритель протонов с энергией 169−209 МэВ работает в диапазоне частот 1−50 Гц, в широком диапазоне интенсивностей протонного пучка − от малых импульсных токов 0.1 мкА до 10 мА, при этом длительность импульса протонов находится в диапазоне от 0.3 до 100 мкс. Черенковский монитор имеет принципиальную возможность работать в этом диапазоне интенсивностей протонного пучка в условиях сильного низкоэнергетического электромагнитного фона. Известные детекторы, такие как ионизационные камеры [4–6] и индукционные датчики тока [7, 8], не могут работать в таком широком диапазоне интенсивностей. Ионизационные камеры хорошо работают в области сравнительно малых токов, до 10 мкА. При больших токах в ионизационных камерах возникают нелинейные эффекты, связанные с пространственным зарядом и рекомбинацией ионов в газе камеры. Индукционные датчики тока работают хорошо в области сравнительно больших токов, выше 10 мкА. Ионизационная камера и пластиковый монитор измеряют поглощенную дозу ионизирующего излучения. Черенковский монитор измеряет черенковский свет, излучаемый протонами в тонком стеклянном радиаторе монитора. Протоны с энергией 209 МэВ излучают в среднем 0.5 фотона/протон [1] в области чувствительности спектра фотоумножителя XP2020. Монитор не регистрирует фотоны и электроны с энергией ниже 170 кэВ, что важно для подавления низкоэнергетического фона. Поглощенная доза в веществе детекторов и черенковское излучение пропорциональны количеству регистрируемых протонов.

2. КАЛИБРОВОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ПРОТОННОМ ПУЧКЕ

Схема расположения детекторов на пучке протонов с энергией 169 МэВ показана на рис. 1. Протонный пучок полностью поглощался в водном фантоме МР3-Р Т41029 размером 448 × 480 × × 350 мм, в котором в области максимального энерговыделения (брэгговский пик) протонного пучка размещалась ионизационная камера IC. Черенковские Ch1, Ch2 и пластиковый RF мониторы устанавливались по центру протонного пучка перед фантомом в воздушном зазоре.

Рис. 1.

Схема расположения детекторов и водного фантома МР3-Р Т41029 на пучке протонов с энергией 169 МэВ. Ch1, Ch2 − черенковские детекторы; RF − калиброванный пластиковый детектор; IC − ионизационная камера.

Измерения проводились на пучке протонов с энергией 169 МэВ и с длительностью импульса протонов, равной 35 мкс, для трех режимов работы ускорителя: цикл D1 – 140 импульсов, D2 – 943 импульса и D3 − 1561 импульс. Детекторы IC и RF измеряют суммарную дозу в цикле от всех импульсов протонов. Детекторы Ch1 и Ch2 измеряют импульс тока во времени для каждого импульса протонов. Интегрирование импульса тока по времени дает заряд, пропорциональный числу протонов, для каждого импульса.

На рис. 2а приведены зависимости амплитуды сигнала от времени для трех выборочных импульсов. Амплитуда сигнала от детекторов Ch1 и Ch2 измерялась с помощью преобразователя CAEN DT5720 [9]. Гистограмма распределения числа протонов в каждом импульсе для цикла D1, состоящего из 140 импульсов, показана на рис. 2б.

Рис. 2.

а − зависимость амплитуды сигнала детектора Ch1 от времени для трех выборочныx импульсов (малого, среднего, большого) протонного пучка из цикла D1; б – гистограмма распределения заряда в каждом импульсе для цикла D1, состоящего из 140 импульсов.

Результаты измерений поглощенной дозы детекторами Ch1, IC и RF в трех режимах работы ускорителя представлены в табл. 1. Ионизационная камера IC и пластиковый монитор RF откалиброваны в грэях. Измеренная доза черенковским монитором получена путем интегрирования импульса тока (см. рис. 2а) для определения заряда в каждом импульсе (см. рис. 2б). Суммарные значения заряда детектора Ch1 для всего цикла измерения в табл. 1 представлены в условных единицах.

На рис. 3а показаны результаты измерений дозы пластиковым монитором RF в зависимости от суммарной дозы, измеренной ионизационной камерой IC, в трех режимах работы ускорителя. Сплошной линией представлен результат фита линейной зависимостью. Результат показывает хорошее соответствие данных, полученных детекторами IC и RF. Это демонстрирует хорошую калибровку детекторов IC и RF. Полученная в результате фитирования линейная зависимость суммарной дозы, измеренной черенковским монитором Ch1, от суммарной дозы, полученной ионизационной камерой IC, говорит о том, что детекторы хорошо согласуются между собой (рис. 3б). Тем самым показано, что черенковским детектором можно измерять дозу в водном фантоме в области максимального энерговыделения (брэгговский пик) протонного пучка.

Рис. 3.

а − зависимость суммарной дозы, измеренной пластиковым монитором RF, от суммарной дозы, измеренной ионизационной камерой; б – калибровочный график связи результатов измерений суммарной дозы черенковским монитором Ch1 и ионизационной камерой IC. Сплошные линии – результаты подгонок линейными зависимостями.

Измерения черенковскими мониторами Ch1 и Ch2 хорошо согласуются между собой (рис. 4). Относительную точность измерений дозы монитора Ch можно оценить по разбросу точек (см. рис. 4а) в области 20–25 Гр, ее величина равна ~3%.

Рис. 4.

а − зависимость суммарной дозы, измеренной черенковским монитором Ch2, от дозы, измеренной черенковским монитором Ch1, сплошная линия – результат подгонки линейной зависимостью; б – двумерная гистограмма результатов измерений мониторами Ch1 и Ch2, демонстрирующая степень корреляции и разброс независимых результатов измерений дозы черенковскими мониторами.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены результаты калибровочных измерений черенковским монитором протонного пучка. Получено хорошее согласие результатов измерений монитором с показаниями ионизационной камеры и пластикового монитора. Черенковский монитор не регистрирует фотоны и электроны с энергией ниже 170 кэВ, что важно для подавления низкоэнергетического фона.