新型平板電離室的研制與初步測試

孫銘言，張偉華，童 騰，李道武，張 易，黃先超，呂 寧

(1.中國科學院高能物理研究所 北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心，北京 100049；2.中國人民解放軍火箭軍工程大學，西安 710025)

根據國際粒子(質子)治療協作委員會(Particle Therapy Co-Operative Group)提供的數據,截至2021年2月，中國在建的粒子治療中心共9家，其中8家為質子治療中心。目前質子治療束流主要使用兩種傳輸技術，被動散射(passive scattering)與筆形束掃描技術(pencil beam scanning technique)，兩種技術的使用均需要對質子束的二維分布與劑量分布進行精準測量[1]。

根據不同測量目的，可將用于質子束探測的電離室分為兩類：一種放置在患者靶區位置用于日常品質保證(QA)，另一種放置在治療頭內針對質子束流劑量和位置進行測量。日本放射醫學研究所(National Institute of Radiological Science, NIRS)[2]開發了一種由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板和石墨電極制成的多層平板電離室(multilayer ionization chamber, MLIC)，可測量高達260 mm的深度劑量分布；美國M.D.Anderson質子治療中心[3]使用由180個平板電離室組成的IBA Zebra進行質子深度劑量分布的測量和日常QA。日本福島醫科大學 Takahiro Kato等人[4]對Zebra進行品質測試，同時與Markus電離室比較，在照射野10 cm×10 cm的條件下一致性良好。用于劑量和二維分布監測的有德國IBA公司生產的IMRT MatriXX點矩陣系統，將電離室組成32×32的平面矩陣，對束流二維分布進行測量[5]；德國PTW公司[6]生產的二維平面劑量設備PTW729，由729個立方體電離室組成，其中每個電離室尺寸為5 mm×5 mm×5 mm，有效測量范圍為27 cm×27 cm；屈偉強等人[7]依靠ELEKTA precise直線加速器6 MeV X射線對PTW729進行測試，同時利用膠片劑量計進行平面劑量驗證分析，證明其可行性；意大利國立衛生研究院E.Basile等人[8]設計一款分段讀出的透射電離室，利用氣隙和正交的讀出條帶進行二維分布采集，有效探測范圍為10 cm×10 cm; E.Cisbani等人[9]利用27 eV質子束對透射平面電離室進行初步測試，得到了較好的束流二維分布情況。

了解到目前質子治療設施中質子束位置與劑量采集多使用國外研制的探測器的情況,質子治療所用束流能量范圍為75～235 MeV，對質子治療所用的質子束流進行測量，同時將探測系統國產化，提出一種雙采集極的新型平板電離室。該電離室可以在對束流影響較小的情況下，針對束流位置二維分布與劑量信息同時測量，解決目前僅就束流單一參數進行測量的情況。

1 電離室的設計

1.1 設計原理

質子通過電離室中的靈敏體積時，會與氣體發生相互作用，在質子的徑跡中電離進而產生電子離子對。電子在電場的作用下向收集極移動，形成感應電流。與傳統平板電離室相比，為了獲得入射粒子束二維分布和劑量信息，該探測器設計了兩個收集極，分別為位置收集極與劑量收集極。位置收集極是由大小均勻、互相垂直的二維讀出電極條組成，通過探測每個電極條上電流信號的大小，并結合電極條自身的位置，利用重心法得到入射粒子的位置。另外，由于電離室對質子束的影響較小，可以將位置收集極中每個電極條上的電流信號進行加和并與劑量收集極進行比較，保證測量的準確性。

1.2 電離室結構

電離室總體由三塊高壓電極與兩塊收集電極構成，位置采集由相互垂直的兩面鋁膜構成，其中每面收集極上平行放置120條矩形電極。劑量采集由與位置采集相同厚度的正方形鋁膜構成。電離室結構示意圖如圖1所示。

圖1 電離室結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of ionization chamber structure

電離室的有效探測范圍為240 mm×240 mm。為了得到較好的耐輻照性能和優良的機械屬性，將聚酰亞胺作為電極的載體，在其兩側覆蓋0.1 μm厚度的鋁刻蝕條作為讀出電極。240條讀出電極條尺寸為1.9 mm×240 mm，間隙0.1 mm。電極產生感應信號傳遞給電子學模塊，最終通過UDP通訊協議發送到上位機中進行處理與顯示。

2 電場模擬

為了保證電離室對質子束流位置采集的準確性，減小電場波動導致的粒子漂移，利用有限元模擬軟件對位置收集極進行建模，得到不同電極條寬度與間距對電場均勻性的影響，優化電離室結構。

2.1 計算模型及方法

平板電離室局部結構如圖2所示，沿著x方向排列的寬度為W的電極條，彼此間距為D，沿著y方向排列位置收集極與高壓電極間的距離為H。

圖2 電離室位置收集極示意圖Fig.2 Schematic diagram of partial structureof ionization chamber

利用Ansys有限元分析軟件模擬了不同W、D數值對電場分布的影響[10]。由于質子電離過程只發生在空氣靈敏體積中，因此只需要對空氣進行網格劃分。電離室的位置收集極由相同結構的電極條平行排列組成，對電離室位置收集極進行局部模擬即可得到整個位置收集極中不同參數對電場均勻性的影響，選取位置收集極中心作為模擬位置起始原點。

2.2 電極條寬度W對電場的影響

控制電極條間距D為0.25 mm、位置收集極與高壓極的間距H為7 mm、電壓U為2 000 V時，選取距離位置收集極0.5 mm和1.5 mm處進行不同電極條寬度W對電場的模擬，結果如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著電極條寬度W的增加，電場分布并沒有產生太大變化，且電場的波動范圍并不隨著電極條寬度的減小而產生線性變化；由圖3(b)可知，電極條寬度W對電場波動性的影響先減小后增大，但相差都在0.2 V·mm-1，對粒子漂移影響較小。由于工藝的原因最終選擇電極條寬度W為1.9 mm。

圖3 不同電極條寬度W下x方向上的電場強度分布Fig.3 The electric field intensity distribution in the x direction under different electrode strip widths

2.3 電極條間距D對電場的影響

W=1.9 mm、H=7 mm、U=2 000 V時，選取距離位置收集極0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm處進行不同電極條間距D對電場的模擬，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著模擬位置與電極條距離的增加，電場逐漸趨于穩定，且與電極條寬度W相比，電極條間距D對電場影響更大，其波動范圍隨著電極條間距D的增加而逐漸擴大。當間距D小于0.25 mm時，電場波動范圍程度較低，因此電離室的電極條間距D設定為0.1 mm。

圖4 不同電極條間距D下x方向上的電場強度分布Fig.4 The electric field intensity distribution in the x direction under different electrode strip spacing

3 Geant4模擬計算

在質子束流監測的過程中需要盡量減小質子束流能量與位置的影響。Geant4是用于模擬高能物理的開源代碼程序，可供用戶根據自身需要擴展、修改[11]。利用Geant4模擬不同能量質子束流穿過探測器后的橫向散射以判斷探測器對質子束流位置的影響，利用Geant4和SRIM模擬質子束流在不同材料中的布拉格峰位置，進而計算探測器的水等效厚度以判斷探測器對質子束流能量的影響。Geant4模擬流程如圖5所示。

圖5 Geant4模擬流程圖Fig.5 Geant4 simulation flow chart

3.1 質子束水平散射

質子進入探測器后與探測器發生反應產生水平方向的散射，利用Geant4模擬質子束流穿過探測器后的水平散射以分析探測器對質子束流位置的影響。在探測器后設置靈敏探測器接收粒子位置信息，橫向散射σ為采集到同一方向質子位置的最大值與最小值之差。

如圖6所示，在距離探測器中心50 mm位置處設置半徑為0.01 mm呈高斯分布的平面源，并設定質子束能量范圍為70～250 MeV。計算結果列于表1，隨著質子束能量的增加，橫向散射范圍不斷減少，且遠小于電極條寬度，因此電離室對質子束二維分布影響較小。

圖6 質子束水平散射Geant4模擬模型圖Fig.6 Geant4 simulation model of protonbeam horizontal scattering

表1 不同能量下質子束的橫向散射σTab.1 Lateral scattering σ of proton beamsat different energies

3.2 探測器對質子束流能量的影響

質子進入靶物質后沉積最大能量的位置稱為質子的布拉格峰，醫學利用布拉格峰對腫瘤進行放射治療。通過模擬質子在不同材料中的布拉格峰位置，計算探測器的水等效厚度，研究電離室對質子束流能量的影響。

質子束在不同介質中的布拉格峰位置R隨著質子入射能量E的變化而變化。對于同一介質，R與E成冪函數關系，表達式為R=αEp[12]。通過模擬不同能量質子束在不同介質中布拉格峰的位置R可知，在不同介質中，p值大致相同。R水/R介質與入射能量E無關，為了保證模擬結果的準確性，利用SRIM與Geant4在相同條件下模擬得到質子在不同物質中的布拉格峰位置。不同軟件模擬得到電離室構成物質的R水/R介質值列于2。

表2 水與不同介質布拉格峰位置之比和不同介質厚度Tab.2 Ratio of water to different media Bragg peakpositions and different media thicknesses

對于非均勻介質電離室而言，水等效厚度修正公式為：

WED=R水/R鋁×d鋁+R水/R聚酰亞胺×

d聚酰亞胺+R水/R空氣×d空氣

(1)

式中，d鋁、d聚酰亞胺…分別代表不同介質的厚度[13]。分別帶入兩組參數進行計算得到水等效厚度為203.2 μm(Geant4)、196.1 μm(SRIM)。兩種軟件得到的結果差距在4%之內，差距較小。通過水等效厚度可以知道質子束在穿過探測器之后的能量損失。圖7為SRIM模擬100 MeV能量質子在水中的布拉格峰位置，模擬結果布拉格峰位置為76.1 mm。電離室的水等效厚度處于μm量級，證明了電離室對質子束的影響較小。

圖7 100 MeV能量質子在水中的布拉格峰位置Fig.7 Bragg peak position of 100 MeVenergy proton in water

4 電離室實驗測試

4.1 電子學噪聲測試

在沒有放射源的環境中分別對電子學系統噪聲及其連接電離室后的系統噪聲進行測試，采集所有通道的數據信息，結果如圖8所示。

圖8 探測器系統的電子學噪聲Fig.8 Electronic noise in detector systems

從圖8可以看出，當僅連接電子學部分，本底噪聲較為平穩，最大值為0.482 nA。連接電離室后，本底噪聲增加，波動性變大，這是由于不同電極條性能差異導致，如電極條表面的平整度、電極條與數據線連接處的緊密度、焊點的虛實程度等。但無論是否連接電離室，電子學系統的本底噪聲都在nA水平，滿足高能質子束流的測量需求。

4.2 束斑位置采集測試

對于束斑位置的采集，分別使用中國科學院高能物理研究所的450 kV X射線管、6 MeV脈沖加速器產生的X射線束和北京大學串列加速器產生的10 MeV質子束進行測試。

實驗所用450 kV X射線管為Y.TU 450-F02雙極金屬陶瓷X射線管。X射線管靶材為鎢靶，最大管電壓為450 kV，最大管電流為10 mA，出射X射線經過準直在豎直方向的出射角為10°。利用紅外線定位測量儀使得X射線機出射口與電離室中央位置平齊。

實驗過程中將X射線管電壓設置為300 kV，電流設置為10 mA，束流準直器寬度為1 cm，利用ORTEC556 H高壓電源為電離室提供1 500 V的電壓，電離室的積分時間設置為0.1 ms，利用導軌對X射線管進行上下平移，主要針對y方向電極條進行測試；X光機經過限束光闌準直后光束為矩形，利用鉛磚放置在電離室前進行屏蔽，主要針對y方向電極條進行測試。實驗結果如圖9所示。

圖9 450 kV實驗結果Fig.9 450 kV test results

由圖9(a)、(b)可知，隨著光機上移4 cm，束流顯示上升了20個通道，一個通道代表一個電極條，電極條與間隙總和寬度為2 mm，與光機上移位置相匹配,初步證明了電離室豎直方向位置采集的可行性。由圖9(e)可知，當利用鉛磚對電離室左側進行遮擋時，僅有右側采集到數據，并進行顯示。初步證明了電離室水平方向位置采集的可行性。

上面的實驗證明了電離室對連續束流采集的可行性，為了進一步測試電離室對脈沖束流的采集，利用中國科學院高能物理研究所內的脈沖加速器進行實驗。實驗過程中脈沖頻率為80 Hz，產生X射線強度為6 MeV，電離室的工作電壓為1 500 V，積分時間設置為20 ms，實驗結果如圖10所示。從圖中可以看出，采集到的束流信息為5個電極條寬度，即1 cm，與束流準直器寬度相符，初步證明了電離室對于脈沖束流采集的可行性。

圖10 脈沖加速器實驗結果Fig.10 Experimental results of pulsed accelerator

利用北京大學串列加速器產生的能量為10 MeV、束流強度為0.13 nA的質子束進行實驗。利用準直器將出射束流的直徑設置為1 cm，電離室的工作電壓為1 500 V，積分時間為0.1 ms。實驗結果如圖11所示。

圖11 質子束流實驗結果Fig.11 Proton beam experiment results

由圖11可以看出，電離室成功采集到10 MeV能量質子束流，并進行顯示。但從二維顯示中僅能得到束流x、y方向寬度小于11個電極條寬度。為了精確獲得采集到的束流信息，將x、y方向探測器采集到的信號進行提取，利用Origin進行繪圖[14]，結果如圖12所示。

圖12 x、y方向探測器信號Fig.12 x,y direction detector signal

從圖12(a)中可以看出，x方向70～75通道采集到束流信號共5個電極條，即1 cm寬度。圖12(b)中可以看出，y方向55～60通道采集到束流信號共6個電極條，即1.2 cm寬度。55～60通道采集到的信號強度較低，一個電極條寬度與間隙共2 mm，束流照射的寬度小于2 mm，導致電極條采集到信號，但信號幅度不大，共有6個電極條采集到信號的情況出現。

以上實驗結果說明我們設計的多陽極平板電離室能夠針對連續束流與脈沖束流進行采集。

5 結論

本文利用蒙特卡羅和Ansys有限元方法對研制電離室參數進行模擬，分析不同電極條寬度和電極條間距對電場的影響。結果表明，電極條寬度與電場變化幅度沒有明顯的對應關系，電場在y方向的變化幅度會隨著電極條間距的縮小而減少，最終選擇電極條寬度為1.9 mm，電極條間距為0.1 mm。同時針對70～250 MeV能量質子束穿過電離室后的橫向散射和電離室本身的水等效厚度進行計算，束流橫向散射較小，水等效厚度處于μm量級，電離室對質子束流位置與能量影響較小。利用YXLON 450 kV X射線管、6 MeV脈沖加速器，北京大學質子束對電離室位置采集進行測試，實驗結果可以看出，電離室能夠采集連續X射線與脈沖X射線，對于10 MeV質子束流也能成功采集。

下一步準備針對75～235 MeV質子放療水平的質子束流進行位置與劑量采集測試，同時利用標準輻射場對電離室劑量測量進行測試與校準，優化數據平滑方法，提高二維顯示質量，提高探測器位置采集的分辨率。