CN102484029B - 用于测量能量粒子束的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于来自源的能量粒子束的剂量测定设备，其包括至少第一和第二电离腔，每个电离腔包括集电极和极化电极，每个电离腔的所述集电极和极化电极由包括流体的间隙或空间分隔，来自相同源的能量粒子束穿过所述电离腔，所述设备的特征在于所述电离腔具有不同的电荷收集效率因数。所述粒子束沉积的剂量率的计算算法基于每个电离腔中的输出信号的测量结果并基于与第一电离腔相关的增益因数，所述增益因数基于所述电离腔的本征和/或非本征参数在理论上预先确定。

Description

用于测量能量粒子束的设备和方法

技术领域

本发明涉及能量粒子束的剂量测定领域。更具体地，本发明涉及包括几个电离腔的设备以及能测量电离腔中的电荷收集效率因数的方法。

背景技术

电离腔是通常用于放射疗法的标准剂量检测器。电离腔包括极化电极，其与集电极分开一包括任何性质的流体(包括空气)的间隙或空间。

已经遇到了几种类型的电离腔，举例来说比如所谓的圆筒形电离腔和包括多个平行板的电离腔。圆筒形电离腔包括通常呈极细柱体形式的中心或轴向电极，该中心或轴向电极与包围所述中心或轴向电极的呈空心柱体或罩形式的第二电极隔离。包括多个平行板的电离腔具有与极化电极分开的集电极，所述集电极和极化电极为平状且彼此平行。

用于剂量测定中的、包括在分离电离腔的集电极和极化电极的间隙或空间中的流体通常是气体，中性的或非中性的。当电离束穿过电离腔时，产生包括在电极和离子-电子对之间的气体的电离。通过在电离腔的两个电极之间施加电势差来产生电场。电场的存在使得能将这些离子-电子对分离并使得它们在电极上漂移，在所述电极处产生将被检测的电流。

图1的曲线是由集电极接收的电脉冲的振幅演变的一个示例，其是集电极和极化电极之间的电势差的函数。这个曲线能被分为覆盖不同气体检测器状态的6个区域：

-Z1：未饱和状态；

-Z2：饱和状态；

-Z3：比例状态；

-Z4：有限比例状态；

-Z5：盖革-穆勒状态；

-Z6：持续放电状态；

在称为未饱和状态区域的区域Z1中，当两个板之间的电场不存在时，存在离子-电子对的重组。通过在这两个电极之间施加逐渐增大的电势差，所得到的电场效率增大地分离离子-电子对，并且重组现象减弱。正电荷和负电荷以电场强度为函数被越来越快地朝着其相应电极驱动，降低气体中的离子浓度平衡，并且因而降低重组的数目。在电离腔中测量到的电流随着电离腔中产生的电场而增大，从而降低损失电荷量。当在这两个电极之间形成的电场足够强时，重组效应变得可忽略并且由电离过程所产生的所有电荷有助于测量电流。在这个水平，电荷收集效率最大并且增大这两个电极之间的电势差将不再能增大测得电流，原因是已经收集了所有产生的电荷并且电荷的形成速度恒定。接下来一个是称为饱和状态区域的区域Z2，在放射疗法中通常在区域Z2中进行电离腔中的剂量测量。在这些条件下，测得电流很好地指示由粒子束在电离腔的容积中沉积的剂量。

几个因素会有害于电离腔的饱和。其中最重要的是重组现象。这个现象能通过调节电离腔的不同参数(比如举例来说两个电极之间的间隙的厚度、包含在该间隙中的气体的性质和/或压力等)来最小化。重组效应也能取决于粒子束的尺寸和/或形状。重组现象也将以粒子束的电流强度为函数成比例地增大。由于重组产生的电流损失百分比以及因此在真实饱和区域下方测得的电流的误差百分比与电流强度成比例地增大。对于较小强度的粒子束，重组效应不是决定性的。为了测量高强度的粒子束，需要电极之间足够高的电势差以在饱和状况下工作。

对于非常高强度粒子束的电流，像在先前的放射疗法技术中遇到的那些一样，达到了传统电离腔的技术使用限制。重组现象变得非常显著，并且那么可靠的测量校正方法就很关键。

通过将由于重组所引起的显著误差考虑在内，将能在靠近饱和状态区域的所谓未饱和状态区域Z1中工作。在此情况下，必须知道电离腔的饱和水平，其是粒子束电流的函数。使用作为收集电流强度的函数的粒子束电流强度的校准曲线能通过测量作为粒子束电流的函数的电离电流来进行，其目的是了解粒子束电流。但是为了让这种校准保持有效，必须让其他参数(比如施加于两个电极之间的电势差、间隙、电离腔内的压力、粒子束的能量、尺寸和形状)保持恒定。这种方法的另一缺陷在于，其不能区分由于粒子束电流引起的信号变化和由于电离腔的参数之一的反常所引起的信号变化。为了弥补这些测量问题，就必须有使得能在宽的强度范围内测量粒子束电流的新的剂量测定设备。

发明内容

本发明旨在提供一种没有现有技术的设备和方法的缺点的设备和方法。

尤其，本发明旨在能测量经受能量粒子束的电离腔中的电荷收集效率因数。

本发明的另一目的是能在电离腔中的电荷收集效率不是最大时(即在电离腔具有显著重组现象的状况下)测量由可变能量和/或强度的粒子束所沉积的剂量或剂量率。

本发明的又一目的是提供一种覆盖宽粒子束电流强度范围的剂量测定设备。

本发明的第一方面涉及一种用于来自源的能量粒子束的剂量测定设备，其包括至少第一和第二电离腔，每个电离腔包括集电极和极化电极，每个电离腔的所述电极由包括具有预定压力和温度的流体的间隙或空间分隔，所述电离腔构造为被来自相同源的能量粒子束穿过，该设备的特征在于所述电离腔具有不同的电荷收集效率因数。

根据本发明，该设备包括获取设备，该获取设备连接至执行基于以下方面来计算由所述粒子束沉积的剂量率的算法的计算机：

-测量每个所考虑电离腔中的输出信号；以及

-关于第一电离腔的“增益”因数由以下等式给出：

$G=\frac{1-{\left(\frac{i_1}{i_2}\right)}_{\mathrm{norm}}}{1-f_1}$

其中

-G是关于第一电离腔(IC1)的“增益”因数，

是两个所考虑电离腔(IC1和IC2)中的输出信号(i₁和i₂)的理论值由其相应放大因数的比率(R1/R2)归一化的比率，每个放大因数取决于所考虑电离腔中的所述流体、间隙的宽度以及粒子束在所述流体中的穿透能力，

-f₁是第一电离腔(IC1)中的电荷收集效率因数的理论值，

所述理论输出信号值(i₁，i₂)和f₁以所述考虑腔(IC1和IC2)的本征和/或非本征参数为函数并且以粒子束的电流强度值为函数计算，所述增益因数与所述粒子束的值无关。

根据本发明的一个具体实施例，所述计算算法能执行以下步骤：

-测量两个所考虑电离腔中的输出信号(i₁和i₂)，并且建立所述输出信号(i₁和i₂)之间的归一化比率

-基于算法的第一步骤的结果以及基于所考虑电离腔的“增益”因数的知识来计算电荷重组率(1-f)并推导所考虑电离腔中的电荷收集效率因数(f)；

-基于所考虑电离腔中的电荷收集效率因数计算由粒子束沉积的剂量率。

电荷收集效率因数与电离腔的敏感性有关并且能定义为表示测量设备的输出信号的变化的参数，其是输入信号的变化的函数。尤其，输出信号是在电离腔的出口处测得的电流。

对于电离腔，敏感性能取决于：

-分隔集电极和极化电极的间隙的厚度，

-这两个电极之间的电势差，

-包括在这两个电极之间的流体的性质，

-包括在这两个电极之间的流体所处的压力和/或温度，

-电离腔的几何形状，

-电离腔相对于能量束的源的位置而言的位置，

-能量吸收器在电离腔和源之间的存在与否。

最后两个因素定义电离腔的非本征参数，而第一个因素定义其本征参数。

“不同”指的是非常小的变化，至少0.05％，优选地至少0.1％，更优选地至少1％。实际上，对于从1至100nA的束电流而言大于0.05％的效率因数差别已经足以产生显著的电流变化(大于1％)。

在本发明的第一实施例中，所述电离腔就包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙厚度而言存在差别。

在本发明的第二实施例中，其可本发明的第一实施例组合或可不与其组合，所述电离腔就在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间形成的电场而言存在差别。

在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第三实施例中，所述电离腔就存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的性质而言存在差别。

在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第四实施例中，所述电离腔就存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的压力和/或温度而言存在差别。

在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第五实施例中，所述所考虑电离腔在其相对于所述源的位置的空间位置(几何形状和/或定位)方面存在差别，使得进入每个电离腔的粒子束场对于不同电离腔而不同。

在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第六实施例中，所述电离腔由一个或多个能量吸收器所分隔，因此进入每个电离腔的能量束对于不同电离腔而不同。

本发明的第二个方面涉及一种基于上述剂量测定设备的使用来测量由粒子束沉积的剂量率的方法。

根据这种创造性的方法，执行以下步骤，其中：

(i)使用根据任一前述实施例的设备，对于所述设备，选择每个所考虑电离腔的本征参数和/或非本征参数；

(ii)建立“增益”因数，由等式给出

其中

-G是关于第一电离腔(IC1)的“增益”因数，

是两个所考虑电离腔(IC1和IC2)中的输出信号(i₁和i₂)的理论值由其相应放大因数的比率(R1/R2)归一化的比率，对于所考虑电离腔，每个放大因数取决于所述流体、间隙的宽度以及粒子束在所述流体中的穿透能力，

-1-f₁f₁是第一电离腔(IC1)中的电荷收集效率因数的理论值，

所述理论输出信号值(i₁，i₂)和f₁以所述所考虑腔(IC1和IC2)的在该方法的第一步骤中选择的本征参数和/或非本征参数为函数并且以粒子束的电流强度值为函数计算，所述增益因数与所述粒子束的电流强度值无关，

(iii)对于所述两个所考虑电离腔测量输出信号；

(iv)使用执行用于基于所述增益因数确定所述第一腔的电荷收集效率因数的算法的计算机来处理所述信号，随后计算由所述粒子束沉积的剂量率。

优选地，由粒子束沉积的剂量率的所述计算使用以下步骤来进行：

(i)计算在两个所考虑电离腔(IC1和IC2)中测得的输出信号(i₁和i₂)的归一化比率

(ii)基于关于第一电离腔的所述增益因数以及基于在两个所考虑电离腔(IC1和IC2)中测得的输出信号(i₁和i₂)的归一化比率的值，计算同一第一电离腔中的电荷收集效率因数f₁；

(iii)基于所述第一电离腔中的电流的测量结果和关于所述第一电离腔(IC1)的电荷收集效率因数，计算由所述粒子束沉积的剂量率。

本发明的第三个方面涉及根据本发明的测量方法用来执行其中电流强度大于1nA的能量粒子束的剂量率测量的用途。

附图说明

图1示出由集电极接收到的电脉冲的振幅演变的曲线的示例，其是气体检测器的集电极与极化电极之间的电势差的函数。

图2示出本发明的第一实施例，其包括具有至少两个电离腔的设备。

图3示出本发明的第二实施例，其包括具有至少两个电离腔的设备，这两个电离腔具有共用电极。

图4示出了曲线图，其显示：根据本发明的设备的两个电离腔中的电荷收集效率的演变的，电离腔由高斯半径σ等于5mm且能量为200MeV的相同质子束穿过；以及在这两个电离腔中测量的电流的比率的演变，所述比率是束电流的函数，所述设备包括具有不同间隙的两个电离腔。

图5示出了曲线图，其显示根据本发明的设备的两个电离腔中的电荷收集效率的演变，所述电离腔包括相同间隙，其内侧形成的电场随着电离腔的不同而不同，电离腔由高斯半径σ等于5mm且能量为200MeV的相同质子束穿过。图5的曲线图还示出了在这两个电离腔中测量的电流的比率的演变，所述比率是束电流的函数。

图6示出了曲线图，其显示数个曲线，这些曲线示出关于电离腔IC1的增益因数的变化，其是间隙d_IC2/d_IC1的比率的函数以及每个电离腔中的电极之间的电势差V₁/V₂的比率的函数。

具体实施方式

本发明旨在提出一种用于粒子束的剂量测定方法和设备，使得能测量电离腔中的电荷收集效率。该设备包括至少两个电离腔，每个电离腔包括分隔一间隙的集电极和极化电极。

电离腔中的电荷收集效率的量化使得能计算粒子束的剂量，即使电离腔中的电荷收集效率不是最大化的。由粒子束沉积的剂量表示为Gy，用等式(1)给出：

$D=K\·\frac{Q}{R\·f}---\left(1\right)$

并且Q＝∫i_coll(t)

并且由粒子束沉积的剂量率表达为Gy/s并且由等式(2)或(3)给出：

$\stackrel{\·}{D}=K\·\frac{i_{\mathrm{coll}}}{R\·f}---\left(2\right)$

$\stackrel{\·}{D}=K\·i_{\mathrm{faisc}}---\left(3\right)$

-K是比例常数；

-Q是每单位时间结合的电荷；

-f是电离腔中的电荷收集效率因数，以％表示。

-i_coll是在电离腔中收集的电流，以nA表示并且由等式(4)给出：

i_coll＝f·i_faisc·R    (4)

-i_faisc是粒子束电流的强度；

-R，电离腔的放大因数，由等式(5)给出：

$R=\frac{{10}^6\·S\·\mathrm{\ρ}\·d}{W}---\left(5\right)$

其中

-ρ是包括在电离腔中的流体(一般为气体)的密度，g/cm³表示；

-W是由所形成的离子对消散的能量，以eV表达；

-d是分隔集电极和极化电极的间隙的厚度；并且

-S是包括在电离腔中的流体的阻止能力，其取决于粒子束的能量和流体的性质，S以MeV cm²/g表示。

根据伯格理论(电离辐射的剂量测定，第2卷第3章，学术出版社公司(The dosimetry of ionizing radiation，vol.II，chap，3，AcademicPress，Inc.))，由粒子束穿过的电离腔的电荷收集效率因数由等式(6)给出：

$f=\frac{1}{1+{\mathrm{\ξ}}^2}---\left(6\right)$

其中ξ²由等式(7)给出：

${\mathrm{\ξ}}^2=\left(\frac{\mathrm{\α}}{{6\mathrm{ek}}_1{k}_2}\right)\·\frac{d^4}{V^2}\·Q_{\max }$

其中：

α是包括在电离腔中的气体的重组系数特性；

e是电子的电荷(1.6×10¹⁹C)；

k₁和k₂是形成于电离腔中的正离子和负离子的迁移率，k₁和k₂以m²s^-1V^-1表示(在下面描述的示例中，进行近似k₁＝k₂＝k)；

V是施加于集电极和极化电极之间的电势差，以V表示；并且

Q_max是由等式(8)给出的体积电离密度：

$Q_{\max }=\frac{D_{\max }\·\mathrm{\ρ}}{W\·{10}^6}---\left(8\right)$

其中：

D_max是由电离腔中的粒子束所接收的最大剂量，由等式(9)给出：

D_max＝J_max·S    (9)

其中：

J_max是穿过电离腔的具有高斯半径σ的粒子束的电流密度，以nA/cm²表达并且由等式(10)给出：

$J_{\max }=\frac{i_{\mathrm{falsc}}}{{2\mathrm{\π\σ}}^2}---\left(10\right)$

本发明基于使用至少两个被来自相同源的粒子束穿过的电离腔，所述电离腔具有不同的敏感性。敏感性差别是由于电离腔之间的本征或非本征参数中的一个或多个差别所产生，比如：

-包括在电离腔中的间隙的厚度方面的差别；

-施加于电离腔中的电场方面的差别；

-包括在电离腔的间隙中的流体的性质方面的差别；

-包括在一个电离腔与另一个电离腔之间的间隙中的流体的压力差别；

-一个电离腔与另一个电离腔之间的进入粒子束的能量差别；

-一个电离腔与另一个电离腔之间的进入粒子束的尺寸或形状的差别；

每个电离腔之间的这些差别导致了当粒子束穿过每个电离腔时离子-电子对的重组方面的差别，并且因此导致了当电离腔之一在其中电荷的重组不可忽视的所谓未饱和状态区域Z1中操作时的不同行为。当电荷的重组在电离腔之一中开始出现时，由于本发明，就能通过将在该电离腔中测得的电流的值与在另一电离腔中测得的值相比较从而得知该电离腔中的电荷收集效率因数，所述另一电离腔与第一个电离腔在本段前述的参数方面具有至少一个差别。

图2示出本发明的一个可能实施例，其包括至少两个平状的平行电离腔IC1和IC2，其板由绝缘或非绝缘介质101分离并且一个定位在另一个之后，优选地正交于粒子束的轴线。同样的发明还能应用于包括两个圆筒形电离腔的设备。在介质101是流电绝缘体的情况下，每个电离腔中的集电极和极化电极的位置就不重要。在介质101是导电介质的情况下，优选地，第一电离腔的极化电极定位为与第二电离腔的极化电极相对。

本发明的第二实施例在图3中示出。这涉及包括两个电离腔IC1和IC2的设备，电离腔IC1和IC2包括平行板(201，202，203)，其中电离腔IC2的电极之间的间隙的厚度等于电离腔IC1的电极之间的间隙的厚度的80％。例如所述电离腔IC1能包括厚度d_IC1等于5mm的间隙并且所述电离腔IC2能包括厚度d_IC2等于4mm的间隙。这两个电离腔IC1和IC2具有共用极化电极(203)并且被能量为200MeV并且高斯直径为10mm(σ＝5mm)的质子束穿过。电离腔IC1和IC2的不同参数分别在表1和2中示出。

表1：

IC1：
				W	W	34.7	eV
空气密度	ρ	0.0013	g/cm3
				空气中的离子迁移率	k	1.40E-04	M2/s/V
重组系数	α	1.25E-12	M3/s

电子的电荷	e	1.60E-19	C
					α/6ekk	6.64E+13	V2s/C/m
		6.643E+11	V2/A/cm
						664.32823	V2/nA/cm
间隙的厚度	dIC1	0.5	cm
				电势差	V1	1000	V
电场	E1	2000	V/cm
				迁移时间	Tcol	179	μs
粒子束的能量	E	200	MeV
				空气中的阻止能力	Sair	4.00	MeVcm2/g
腔的放大因数	R1	75	-
				粒子束的高斯半径	σ	0.5	cm

表2：

IC2：
				W	W	34.7	eV
空气密度	ρ	0.0013	g/cm3
				空气中的离子迁移率	k	1.40E-04	M2/s/V
重组系数	α	1.25E-12	M3/s
					e	1.60E-19	C
	α/6ekk	6.64E+13	V2s/C/m
						6.643E+11	V2/A/cm
		664.32823	V2/nA/cm
				间隙的厚度	dIC2	0.40	cm
电势差	V2	1000	V
				电场	E2	2500	V/cm
迁移时间	Tcol	114	μs
				粒子束的能量	E	200	MeV

空气中的阻止能力	Sair	4.00	MeVcm2/g
				腔的放大因数	R1	60	-
粒子束的高斯半径	σ	0.5	cm

表3示出了，对于电离腔IC1，基于i_faisc和等式(4)至(10)计算的J_max、D_max、Q_max、ξ²、f和i_coll的不同值。在下文中，对于电离腔IC1，参数f和i_coll将分别称为f₁和i₁。

表3

ifaisc	Jmax	Dmax	Qmax	ζ2	f1	i1
							(nA0)	(nA/cm2)	(Gy/sec)	(nA/cm3)			(nA)
							0.1	0.1	0.3	9.5	0.000	99.96％	7.450
0.2	0.1	0.5	19.0	0.001	99.92％	15
							0.5	0.3	1.3	47.4	0.002	99.80％	37
1	0.6	2.5	94.9	0.004	99.61％	74
							2	1.3	5.1	189.8	0.008	99.22％	148
5	3.2	12.7	474.4	0.020	98.07％	365
							10	6.4	25.5	948.9	0.039	96.21％	717
20	12.7	50.9	1897.8	0.079	92.70％	1382
							50	31.8	127.3	4744.4	0.197	83.54％	3113
100	63.7	254.6	9488.8	0.394	71.74％	5346
							200	127.3	509.3	18977.5	0.788	55.93％	8336
500	318.3	1273.2	47443.8	1.970	33.67％	12547
							1000	636.6	2546.5	94887.5	3.940	20.24％	15087
2000	1273.2	5093.0	189775.1	7.880	11.26％	16786
							5000	3183.1	12732.4	474437.7	19.699	4.83％	18002
10000	6366.2	25464.8	948875.3	39.398	2.48％	18448

表4示出了，对于电离腔IC2，基于i_faisc和等式(4)至(10)计算的J_max、D_max、Q_max、ξ²、f和i_coll的不同值。在下文中，对于电离腔IC2，参数f和i_coll将分别称为f₂和i₂。

表4

ifaisc	Jmax	Dmax	Qmax	ζ2	f1	i1
							(nA0)	(nA/cm2)	(Gy/sec)	(nA/cm3)			(nA)
							0.1	0.1	0.3	9.5	0.000	99.98％	5.961
0.2	0.1	0.5	19.0	0.000	99.97％	12
							0.5	0.3	1.3	47.4	0.001	99.92％	30
1	0.6	2.5	94.9	0.002	99.84％	60
							2	1.3	5.1	189.8	0.003	99.68％	119
5	3.2	12.7	474.4	0.008	99.20％	296
							10	6.4	25.5	948.9	0.016	98.41％	587
20	12.7	50.9	1897.8	0.032	96.87％	1155
							50	31.8	127.3	4744.4	0.081	92.53％	2758
100	63.7	254.6	9488.8	0.161	86.10％	5134
							200	127.3	509.3	18977.5	0.323	75.60％	9015
500	318.3	1273.2	47443.8	0.807	55.34％	16498
							1000	636.6	2546.5	94887.5	1.614	38.26％	22810
2000	1273.2	5093.0	189775.1	3.227	23.65％	28206
							5000	3183.1	12732.4	474437.7	8.069	11.03％	32871
10000	6366.2	25464.8	948875.3	16.137	5.84％	34789

将注意到，在本发明的这个第一实施例的情况下，作为i_faisc的函数，电离腔IC1具有比电离腔IC2更高的电荷重组率。这个效应能使用伯格理论来理解，根据该理论，在电离腔具有厚度为d的间隙并且施加于电离腔的两个电极之间的电势差为V的情况下，电离腔中的电荷重组的可能性基本上与比率d⁴/V²成比例。

已知f₁、f₂、i₁、i₂的理论值并且设定间隙厚度d_IC1和d_IC2，称为“增益”因数G的因数例如对于电离腔IC1被引入并且由两个等式(11)和(12)给出：

$G=\frac{1-{\left(\frac{i_1}{i_2}\right)}_{\mathrm{norm}}}{1-f_1}---\left(11\right)$

其中

${\left(\frac{i_1}{i_2}\right)}_{\mathrm{norm}}=\frac{\left(\frac{i_1}{i_2}\right)}{\left(\frac{R_{\mathrm{IC}1}}{R_{\mathrm{IC}2}}\right)}---\left(12\right)$

其中电离腔IC1和IC2的放大因数，R_IC1和R_IC2，分别由等式(5)给出；

并且(1-f₁)，电离腔IC1中的电荷重组率。

表5示出了，对于比率i₁/i₂的不同值，包括两个电离腔IC1和IC2的设备的“增益”因数G的理论值，其中间隙厚度d_IC1/d_IC2的比率为1.25。再次，因数恒定，而不管测得的电流比率i₁/i₂的值如何。

表5

ifaisc	i1/i2	i1/i2norm	1-f1	1-(i1/i2)norm	增益＝(1-(i1/i2)norm)/(1-f1)
						0.1	1.2497	99.98％	0.04％	0.02％	59.04％
0.2	1.2494	99.95％	0.08％	0.05％	59.04％
						0.5	1.249	99.88％	0.20％	0.12％	59.04％
1	1.247	99.77％	0.39％	0.23％	59.04％
						2	1.244	99.54％	0.78％	0.46％	59.04％
5	1.24	98.86％	1.93％	1.14％	59.04％
						10	1.22	97.76％	3.79％	2.24％	59.04％
20	1.20	95.69％	7.30％	4.31％	59.04％
						50	1.13	90.28％	16.46％	9.72％	59.04％
100	1.04	83.31％	28.26％	16.69％	59.04％
						200	0.92	73.98％	44.07％	26.02％	59.04％
500	0.76	60.84％	66.33％	39.16％	59.04％
						1000	0.66	52.91％	79.76％	47.09％	59.04％

2000	0.60	47.61％	88.74％	52.39％	59.04％
						5000	0.55	43.81％	95.17％	56.19％	59.04％
10000	0.53	42.42％	97.52％	57.58％	59.04％

已知关于电离腔IC1的“增益”因数的值，并且由于分别从电离腔IC1的集电极(201)和电离腔IC2的集电极(202)测得的电流强度i₁和i₂的比率的测量，电离腔的电荷收集效率因数f，例如电离腔IC1的因数f₁，能根据等式(11)和(12)获得。例如，对于本实施例的其中极化电极(203)置于1000V电压的设备，如果比率i₁/i₂的测量值为1.20，能使用等式(11)和(12)计算电离腔IC1的电荷收集效率因数f₁：

因此f₁＝0.927。

已知电离腔IC1的测量电流i₁、放大因数R₁以及电离腔IC1的电荷收集效率因数，基于等式(4)，能计算粒子束电流i_faisc的值并且因而基于等式(3)得知由粒子束沉积的剂量率：

$i_{\mathrm{faisc}}=\frac{1382\mathrm{nA}}{75\·0.927}\≈20\mathrm{nA}---\left(4\right)$

D≈K·20Gy/s    (3)

在此情况下，将对于电离腔IC1的电荷收集效率因数考虑在内，粒子束电流的真实值是20nA。

这个情形在图4的曲线中示出，其中示出了不同的曲线：

-电离腔IC1中的电荷收集效率因数，由曲线f₁示出，

-电离腔IC2中的电荷收集效率因数，由曲线f₂示出，

-测得电流的比率i₁/i₂，

-电离腔IC1的电荷重组率(1-f₁)，

-曲线

-由等式(11)给出的“增益”因数G。

使用包括两个电离腔(仅在包括在每个电离腔中的间隙厚度方面不同并且其极化电极由这两个电离腔共用)的设备的优点在于，“增益”因数仅取决于腔的几何形状。例如，如果改变了由这两个电离腔共用的极化电极的电势，尽管测得电流的值和这些测得电流的比率i₁/i₂将变化，但是增益因数保持恒定并且比率i₁/i₂的变化由每个电离腔中的电荷收集效率因数的变化所平衡。例如，对于20nA的粒子束电流，如果极化电极置于2000V的电压下，比率i₁/i₂的测得比率值将是1.236，并且电荷收集因数f₁等于0.981。i₁的测得值将等于1462nA，i_faisc为1462/(75·0.981)≈20nA并且由粒子束沉积的剂量率≈K·20，如同其中极化电极的电压为1000V的第一示例中的情况。相同的原因适用于这两个电离腔中以下方面的相同变化：

-包括于每个电离腔中的流体上压力；

-包括于每个电离腔中的流体的性质；

-粒子束的尺寸；

-粒子束的能量。

换言之，在计算由粒子束沉积的剂量率时，如果在每个电离腔中电场、压力、流体性质或粒子束尺寸的变化相同，来自电离腔的集电极的测得电流的比率的变化由电荷收集效率因数的变化所平衡。根据本发明的设备将一直提供粒子束的剂量的准确测量，只要本领域技术人员已知这些变化以便能施加于电离腔的适合操作。

不同的“增益”因数能根据所选择的间隙厚度而获得。在上述示例中，在200MeV的粒子束，5mm的高斯分布(1σ)并且间隙厚度d_IC2/d_IC1的比率等于80％的情况下，那么就获得59％的“增益”因数。优选地，增益因数较高以便获得两个电离腔之间的显著电流差别并且精确地评测电离腔之一中的电荷收集效率因数，并且因此能获得由粒子束沉积的剂量率。如前所述，在本发明的这个实施例中，“增益”因数仅取决于间隙的厚度之间的比率。

图6示出曲线，对于包括两个电离腔的设备(其中两个电离腔中的电势差相同(V₁＝V₂))，该曲线显示关于电离腔IC1的“增益”因数的演变，该“增益”因数是间隙厚度之间的比率d_IC2/d_IC1的函数。这个比率降低越多，增益就越高并且其越趋向于100％。因此有利地是利用包括至少两个具有不同间隙厚度的电离腔的设备工作。本领域技术人员将认识到，对于具有太小间隙的电离腔存在着产生电弧的风险，并且包括在根据本发明的设备中的这种电离腔因此将是不适合的。同样地，太大的间隙将导致电荷重组的风险增大。

如表6中所示，在包括于1和100nA之间的粒子束电流值中，对于由大于1nA的束电流穿过的两个腔而言电荷收集效率因数差大于0.05％时，与趋向于0的束电流值对应的比率(i₁/i₂)_norm相对于其值的变化变得显著(即大于1％)。

表6

本发明的另一实施例是包括两个电离腔的设备，其中一个电离腔与另一个电离腔之间在除两个集电极和极化电极之间的间隙厚度以外的一个参数方面不同。例如，能在每个电离腔的电极之间施加不同的电势差，并测量和比较所述电离腔中的电流以便可以获得关于电离腔的电荷收集效率以及由粒子束沉积的剂量率。

根据该实施例的设备的一个示例包括两个具有相同间隙的电离腔，第一电离腔IC1的电极经受1600伏的电势差V1而第二电离腔的电极经受2000伏的电势差V2。这两个电离腔例如具有5mm的间隙厚度，可以具有或不具有共用电极，并且由具有200MeV能量且高斯直径为10mm(σ＝5mm)的质子束穿过。电流强度i₁在电离腔IC1中测得并且电流强度i₂在电离腔IC2中测得。在本示例中，作为粒子束电流强度增长的函数，开始具有电荷重组现象的第一个腔是腔IC1。实际上，根据伯格理论，间隙厚度为d并且经受电势V的电离腔中的电荷重组可能性与比率d⁴/V²成比例。在本示例的情况下关于电离腔IC1能计算36％的“增益”因数，“增益”因数仅取决于每个电离腔的电极之间的电势差，因为其他参数，比如间隙、压力、以及该间隙中的流体的性质对于不同电离腔而言恒定。这个情形在图5的图表中示出。

以与本发明的前述实施例相同的方式，在关于电离腔设定增益因数之下，电流的测得比率i₁/i₂使得能推导出同一电离腔中的电荷收集效率因数并且由此，得到同一电离腔中的沉积剂量。

在本发明的这个实施例中，在“增益”因数低于前述实施例的情况下获得的“增益”因数情况下，测得电流的比率i₁/i₂的变化较小并且因此，由粒子束沉积的剂量率的测量灵敏度降低。而且，“增益”因数在这里仅取决于施加于每个电离腔中的电势差，因此必须有用于监控施加于每个电离腔中的电场的装置。

本发明的另一个实施例是一种包括两个电离腔的设备，每个电离腔包括独特的间隙厚度并且其中电极之间的电势差不同，以获得优化的“增益”因数。图6的曲线图示出了几个曲线，它们示出了关于电离腔IC1的增益因数的变化，所述增益因数是间隙比率d_IC2/d_IC1的函数以及每个电离腔IC1和IC2的电极之间的电势差比率V₁/V₂的函数。能看到，增益因数有利地在比率d_IC1/d_IC2大于1时较高并且同时地，每个电离腔的电极之间的电势差比率V₁/V₂小于1。本领域技术人员仍然将认识到极端间隙值d_IC1和d_IC2以及每个电离腔IC1和IC2的电极之间的极端电势差值V₁和V₂，超出这些值的话在测量束电流中的过程中会发生电弧现象或准确问题。也能在相反的状况下工作，即比率d_IC1/d_IC2小于1并且值V₁/V₂大于1，在此情况下比率i₁/i₂大于比率R₁/R₂并且“增益”因数采取从0到负无穷大的值，这在绝对意义上不改变电荷收集效率以及由粒子束沉积的剂量率的确定精度。

本发明的另一个实施例是一种包括两个电离腔的设备，每个电离腔包括可以相同也可以不同的间隙，其中电极之间的电势差可以相同也可以不同，并且每个包括其性质就不同电离腔而言不同的流体，比如举例来说：

-一个电离腔中为气体并且另一个电离腔中为液体；

-一个电离腔中为第一种气体并且另一个电离腔中为具有不同性质的第二种气体；

-流体经受不同的压力。

等式(9)的参数S(流体的阻止能力)、ρ(流体密度)和W(由形成的离子对所耗散的能量)取决于流体性质以及流体所处的压力。类似于前述情形，对于每个电离腔，能基于参数S、ρ和W计算增益因数。因此能选择具有参数S₁、ρ₁和W₁的压力为P₁的流体M₁，以及具有参数S₂、ρ₂和W₂的压力为P₂的流体M₂，M₁能与M₂不同或相同，P₁能与P₂不同或相同，并且使用公式(3)至(11)计算增益因数。流体M₁和M₂将包括于电离腔之一中，以获得高的“增益”因数。类似于前述实施例，已知“增益”因数、比率R₁/R₂，并且已经测得了每个电离腔中的电流的比率，可以确定关于电离腔的电荷收集效率因数并且使用公式(2)由此推导由粒子束沉积的剂量率。如果存在于间隙中的流体对于不同电离腔而言处于不同压力下，必须有用于监控压力的装置。

本发明的另一个实施例是一种包括两个电离腔和能量吸收器的设备，其中阻止能力S已知，能量吸收器放置于这两个电离腔之间，以获得对于不同电离腔而言不同的能量的粒子束，并且因此获得不同的测得电流。

本发明的另一个可能实施例是一种设备，其中至少两个电离腔彼此间隔开以使得具有不同的尺寸或形状的粒子束进入每个电离腔，并且因此对于不同的电离腔，在测得的电流密度以及电荷收集效率水平方面不同。这涉及能知道束的扩宽同时计算增压因数，这能例如使用由像素构成的电离腔来进行。不过，在这个实施例中，在两个电离腔中测得的电流差没有前述实施例中那么显著。

也能对前述实施例中讨论的每个电离腔之间的一种或更多种差别，或者还有本领域技术人员已知的其他差别进行组合，以获得优化的增益因数(优选地尽可能地高)，以及每个电离腔之间的测得电流中的显著差别，从而使得能知道电离腔的电荷收集效率因数以及确定由粒子束沉积的剂量率(优选地尽可能地精确)。

本发明的实施例已经描述为用于监控质子束剂量，但是本发明也能适用于任何其他类型的粒子束。

最后，根据本发明的设备连接至获取设备，获取设备将信息发送至执行算法的系统，其步骤如下：

-比较结合在设备的两个电离腔中的电流的差别，更具体地测得电流的比率i₁/i₂；

-基于算法的第一步骤的结果并且基于“增益”因数，在所考虑电离腔中计算电荷重组率(1-f)，并且由此计算电荷收集效率因数f，“增益”因数基于设备的电离腔的本征参数(间隙厚度、每个电离腔的电极之间的电势差、包括在电离腔中的流体的性质和压力)和非本征参数(进入电离腔的粒子束的尺寸)设定。

-在所考虑电离腔中基于电荷收集效率因数计算由粒子束沉积的剂量率。

根据本发明的设备的优点是能评价电离腔中的电荷重组率以及电荷收集效率因数，并且因而能知道在粒子束的强度使得传统电离腔具有重组现象的状况下由粒子束沉积的剂量率。能获取电荷收集效率因数直接使得能对由能量集中的粒子束沉积的剂量率进行准确监控，即使在传统电离腔不可测量的状况下。根据本发明的设备因此相对于现有技术的已知技术而言能在非常宽泛的粒子束电流范围内使用电离腔。

Claims (11)

1.一种用于来自源的能量粒子束的剂量测定设备，其包括至少第一和第二电离腔IC1和IC2，每个电离腔包括集电极和极化电极，每个电离腔的所述集电极和极化电极由包括流体的间隙或空间分隔，所述电离腔构造为被来自相同源的能量粒子束穿过，所述设备的特征在于所述电离腔具有不同的电荷收集效率因数，并且该设备包括获取设备，所述获取设备连接至基于以下方面执行计算由所述粒子束沉积的剂量率的算法的计算机：

—测量每个所考虑电离腔中的输出信号；以及

—关于第一电离腔的“增益”因数由以下等式给出：

$G=\frac{1-{\left(\frac{i_1}{i_2}\right)}_{\mathrm{norm}}}{1-f_1}$

其中

—G是关于第一电离腔IC1的“增益”因数，

—是两个所考虑电离腔IC1和IC2中的输出信号i₁和i₂的理论值由其相应放大因数的比率R1/R2归一化的比率，对于所考虑电离腔，每个放大因数取决于的所述流体、所述间隙的宽度以及粒子束在所述流体中的穿透能力，

—f₁是第一电离腔IC1中的电荷收集效率因数的理论值，

所述输出信号的理论值i₁、i₂和f₁以所述所考虑腔IC1和IC2的本征参数和/或非本征参数为函数并且以粒子束的电流强度值为函数计算，所述增益因数与所述粒子束的电流强度值无关。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于,所述计算算法能执行以下步骤：

—测量两个所考虑电离腔中的输出信号i₁和i₂，并且建立所述输出信号值i₁和i₂之间的归一化比率

—基于所述算法的第一步骤的结果以及基于所考虑电离腔的“增益”因数的知识来计算所考虑电离腔中的电荷重组率1-f并推导电荷收集效率因数f；

—基于所考虑电离腔中的电荷收集效率因数计算由粒子束沉积的剂量率。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在包括在所述集电极和极化电极之间的间隙厚度方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在所述集电极和极化电极之间所形成的电场方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的性质方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的压力和/或温度方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在其几何形状和/或相对于所述源的位置的定位方面存在差别，使得进入每个电离腔的粒子束场对于不同电离腔而不同，带来电荷收集效率因数差别。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔由一个或更多个能量吸收器所分隔，使得进入每个电离腔的粒子束场对于不同电离腔而不同，带来电荷收集效率因数差别。

9.一种用于测量由来自源的粒子束沉积的剂量率的方法，其特征在于执行以下步骤：

(i)使用根据任一前述权利要求所述的设备，对于所述设备，选择每个所考虑电离腔的本征参数和/或非本征参数；

(ii)建立“增益”因数，由等式给出

其中

—G是关于第一电离腔IC1的“增益”因数，

—是两个所考虑电离腔IC1和IC2中的输出信号i₁和i₂的理论值由其相应放大因数的比率R1/R2归一化的比率，对于所考虑电离腔，每个放大因数取决于所述流体、间隙的宽度以及粒子束在所述流体中的穿透能力，

—f₁是第一电离腔IC1中的电荷收集效率因数的理论值，

所述理论输出信号值i₁、i₂和f₁以所述所考虑电离腔IC1和IC2的在该方法的第一步骤中选择的本征参数和/或非本征参数为函数并且以粒子束的电流强度值为函数计算，所述增益因数与所述粒子束的电流强度值无关，

(iii)对于所述两个所考虑电离腔测量输出信号；

(iv)使用执行用于基于所述增益因数确定所述第一电离腔的电荷收集效率因数的算法的计算机来处理所述信号，随后计算由所述粒子束沉积的剂量率。

10.根据权利要求9所述的用于测量由来自源的粒子束沉积的剂量率的方法，其特征在于，由粒子束沉积的剂量率的所述计算使用以下步骤来进行：

(i)计算在两个所考虑电离腔IC1和IC2中测得的输出信号i₁和i₂的归一化比率

(ii)基于关于第一电离腔的所述增益因数以及基于在两个所考虑电离腔IC1和IC2中测得的输出信号i₁和i₂的归一化比率的值，计算同一第一电离腔中的电荷收集效率因数f₁；

(iii)基于所述第一电离腔中的电流的测量结果和关于所述第一电离腔IC1的电荷收集效率因数，计算由所述粒子束沉积的剂量率。

11.根据权利要求9或10所述的用于测量由来自源的粒子束沉积的剂量率的方法，其特征在于，该方法用来执行其中电流强度大于1nA的能量粒子束的剂量率测量。