CN110221339A - 一种束流强度检测装置和粒子加速器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种束流强度检测装置和粒子加速器，该束流强度检测装置包括法拉第筒和屏蔽装置，其中法拉第筒设置于屏蔽装置中。采用上述技术方案使得在测试人员采用法拉第筒进行束流强度检测时，能够有效屏蔽从法拉第筒中辐射出的高能粒子，降低了对测试人员的健康威胁。
Description
技术领域
本发明涉及加速器技术领域，尤其是一种束流强度检测装置和粒子加速器。
背景技术
在对终了进行放射治疗时，需要采用粒子加速器对带电粒子进行加速以使粒子能够获得能量。其中，束流强度是粒子加速器中非常重要的束流参数之一，会直接关系到治疗的质量和效果，甚至涉及患者的生命安全。因此，需要对粒子加速器中的束流管道以及加速环引出端粒子束流的束流强度进行检测。
现有技术中，通常采用法拉第筒检测束流强度，然而测试人员采用法拉第筒进行束流强度检测时，由于法拉第筒中部分粒子能量较高会辐射出法拉第筒之外，给测试人员的健康带来了威胁。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种束流强度检测装置和粒子加速器，以屏蔽采用法拉第筒对粒子束流的束流强度进行检测时的辐射量。
第一方面，本发明实施例提供了一种束流强度检测装置，包括法拉第筒和屏蔽装置；其中，所述法拉第筒设置于所述屏蔽装置中。
第二方面，本发明实施例还提供了一种粒子加速器，包括如第一方面各实施例所提供的束流强度检测装置。
本发明所采用的技术方案如下：
一种束流强度检测装置，包括法拉第筒和屏蔽装置；其中，所述法拉第筒设置于所述屏蔽装置中；所述屏蔽装置内设置有容纳槽，所述法拉第筒设置于所述容纳槽中；所述法拉第筒包括法拉第筒本体、测试引线和接地电阻；所述测试引线一端与所述法拉第筒本体相连，所述测试引线另一端与接地电阻相连；其中，
在所述容纳槽的侧壁上设置有与屏蔽装置外侧连通的引线通道，所述引线通道用于将所述测试引线引出所述屏蔽装置；所述引线通道为非直线通道；所述屏蔽装置包括屏蔽帽和屏蔽体；
所述容纳槽位于所述屏蔽体中，所述屏蔽帽和所述法拉第筒本体沿粒子束流的运动方向依次安装于所述容纳槽中；
所述屏蔽帽中心设置有通孔，所述通孔与所述容纳槽同轴，用于作为所述粒子束流的输入口；所述法拉第筒本体包括束流阻停器、电荷收集筒和绝缘筒，所述束流阻停器设置于所述电荷收集筒中，所述电荷收集筒设置于所述绝缘筒中；其中，
所述绝缘筒的筒体长度不小于所述电荷收集筒的筒体长度；所述电荷收集筒的筒体长度不小于所述束流阻停器沿粒子束流运动入射方向的长度。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述容纳槽为不贯穿于所述屏蔽装置的盲孔。
所述束流阻停器沿粒子束流运动入射方向的长度至少为第一射程；
其中，所述第一射程为法拉第筒本体中辐射的中子在束流阻停器中的射程。
所述容纳槽的槽底与所述屏蔽装置远离所述容纳槽开口的一端的距离至少为第二射程；
其中，所述第二射程为辐射至屏蔽装置中的中子在屏蔽装置中的射程。
所述束流阻停器为锥体，所述束流阻停器的底部与所述容纳槽的槽底贴合，所述束流阻停器与所述容纳槽同轴。
一种粒子加速器，包括束流强度检测装置。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过将法拉第筒设置于屏蔽装置中，使得在测试人员采用法拉第筒进行束流强度检测时，能够有效屏蔽从法拉第筒中辐射出的高能粒子，降低了对测试人员的健康威胁。
附图说明
图1A是本发明实施例一中的一种束流强度检测装置的爆炸图。
图1B是本发明实施例一中的一种束流强度检测装置的结构示意图。
图2A是本发明实施例一中的质子通量分布图。
图2B是本发明实施例一中的中子通量分布图。
图2C是本发明实施例一中的光子通量分布图。
图3A是本发明实施例二中模拟的束流强度检测装置的主视图。
图3B是本发明实施例二中模拟的束流强度检测装置的B-B方向剖视图。
图3C是本发明实施例二中模拟的束流强度检测装置的C-C方向剖视图。
图3D是本发明实施例二中模拟的束流强度检测装置的D-D方向剖视图。
图4是本发明实施例二中的屏蔽体的结构示意图。
图5A是本发明实施例二中的中子通量分布图。
图5B是本发明实施例二中的光子通量分布图。
图5C是本发明实施例二中的中子和光子当量剂量分布图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1A-图5C所示，本实施例的束流强度检测装置，包括法拉第筒和屏蔽装置；其中，法拉第筒设置于屏蔽装置中；屏蔽装置内设置有容纳槽，法拉第筒设置于容纳槽中；法拉第筒包括法拉第筒本体、测试引线和接地电阻；测试引线一端与法拉第筒本体相连，测试引线另一端与接地电阻相连；其中，
在容纳槽的侧壁上设置有与屏蔽装置外侧连通的引线通道，引线通道用于将测试引线引出屏蔽装置；引线通道为非直线通道；屏蔽装置包括屏蔽帽和屏蔽体；
容纳槽位于屏蔽体中，屏蔽帽和法拉第筒本体沿粒子束流的运动方向依次安装于容纳槽中；
屏蔽帽中心设置有通孔，通孔与容纳槽同轴，用于作为粒子束流的输入口；法拉第筒本体包括束流阻停器、电荷收集筒和绝缘筒，束流阻停器设置于电荷收集筒中，电荷收集筒设置于绝缘筒中；其中，
绝缘筒的筒体长度不小于电荷收集筒的筒体长度；电荷收集筒的筒体长度不小于束流阻停器沿粒子束流运动入射方向的长度。
容纳槽为不贯穿于屏蔽装置的盲孔。
束流阻停器沿粒子束流运动入射方向的长度至少为第一射程；
其中，第一射程为法拉第筒本体中辐射的中子在束流阻停器中的射程。
容纳槽的槽底与屏蔽装置远离容纳槽开口的一端的距离至少为第二射程；
其中，第二射程为辐射至屏蔽装置中的中子在屏蔽装置中的射程。
束流阻停器为锥体，束流阻停器的底部与容纳槽的槽底贴合，束流阻停器与容纳槽同轴。
本实施例的粒子加速器，包括束流强度检测装置。
实施例一：
本发明实施例提供了一种束流强度检测装置，可适用于对粒子加速器中的粒子束流的束流强度进行检测的情况，该装置包括法拉第筒和屏蔽装置，其中，所述法拉第筒设置于所述屏蔽装置中。
示例性地，可以将法拉第筒集成在屏蔽装置中，使屏蔽装置和法拉第筒一体成型。
示例性地，屏蔽装置内可以设置有容纳槽，将法拉第筒设置于容纳槽中。其中，容纳槽可以是贯穿于屏蔽装置的通孔，还可以是不贯穿于屏蔽装置的盲孔。
以法拉第筒设置于屏蔽装置的容纳槽中为例，进行示例性说明。需要说明的是本发明实施例仅对束流强度检测装置的组成部分和连接关系进行示例性说明，对束流强度检测装置的形状和具体尺寸不做任何限定。
参见图1A所示的束流强度检测装置的爆炸图和图1B所示的束流强度检测装置的结构示意图可知，法拉第筒包括法拉第筒本体110、测试引线140和接地电阻150。测试引线140一端与法拉第筒本体110相连，测试引线140另一端与接地电阻150相连；其中，在容纳槽的侧壁上设置有与屏蔽装置外侧连通的引线通道，所述引线通道用于将测试引线140引出屏蔽装置。其中，屏蔽装置包括屏蔽体120，容纳槽位于屏蔽体120中。
进一步地，为了尽可能减小射线泄露，优选是将引线通道设置为非直线通道。示例性地，引线通道为“Z”型孔道。另外，为了避免引线通道的泄露对束流强度检测装置的整体屏蔽效果带来影响，优选是将引线通道的引出端开口朝向地面。
所述法拉第筒本体110包括束流阻停器111、电荷收集筒112和绝缘筒113，所述束流阻停器111设置于所述电荷收集筒112中，所述电荷收集筒112设置于所述绝缘筒113中；其中，所述绝缘筒113的筒体长度不小于所述电荷收集筒112的筒体长度；所述电荷收集筒112的筒体长度不小于所述束流阻停器111 沿粒子束流运动入射方向的长度。
其中，束流阻停器111用于阻停粒子加速器的束流管道或加速环引出端所输出的粒子束流；电荷收集筒112用于在粒子束流被阻停过程中进行电荷收集；绝缘筒113用于隔离电荷收集筒和屏蔽装置，避免电荷泄露而影响束流强度的检测结果；屏蔽装置用于屏蔽粒子束流输入至法拉第筒本体后所产生的瞬发辐射；测试引线140用于将电荷收集筒112中的电荷形成的电流引出电荷收集筒；接地电阻150，用于将测试引线140引出的电流转化为电压信号，便于信号测量。
示例性地，束流阻停器111为低原子序数材料，例如可以是碳；电荷收集筒112为导电材料，例如可以是铜；绝缘筒113为绝缘材料，例如可以是聚乙烯；屏蔽装置为高能中子防护材料，例如可以是铁；测试引线140为导电材料，例如可以是铜。
进一步地，屏蔽装置还包括屏蔽帽130，屏蔽帽130和法拉第筒本体110 沿粒子束流的运动方向依次安装于容纳槽中；屏蔽帽130的中心设置有通孔，所述通孔与容纳槽同轴，用于作为粒子束流的输入口。
以粒子束流为230MeV的质子为例，对束流强度检测装置中的粒子进行蒙特卡洛模拟。参加图2A所示的质子通量分布图可知，当高速运动的质子当打到束流阻停器111上时，大部分粒子会停滞在束流阻停器111中。而一小部分粒子会与束流阻停器111中的粒子发生核反应，并激发出中子和光子。参见图2B 所示的中子通量分布图和图2C所示的光子通量分布图可知，所激发的中子主要为束流前向分布，光子为各向同性分布。因此，为了避免中子从法拉第筒本体远离容纳槽开口的一端辐射出束流强度检测装置，优选是将容纳槽设置为不管穿屏蔽装置的盲孔；为了避免光子从法拉第筒本体靠近容纳槽开口的一端辐射出束流强度检测装置，优选是在容纳槽的开口处设置一屏蔽帽130进行光子屏蔽。其中，图2A-2C中的横纵坐标均为长度，单位为厘米(cm)。
另外，束流强度检测装置还可以包括散热装置，设置于法拉第筒本体外侧，例如可以设置于屏蔽装置外侧。当然，由于束流强度检测装置所检测的束流脉冲仅为nA级，因此进行束流强度检测时带来的热效应很小，还可以直接采用散热效果较好的屏蔽材料作为屏蔽装置，使屏蔽装置集成散热功能。
本发明通过将法拉第筒设置于屏蔽装置中，使得在测试人员采用法拉第筒进行束流强度检测时，能够有效屏蔽从法拉第筒中辐射出的高能粒子，降低了对测试人员的健康威胁。
实施例二：
在上述各实施例的技术方案的基础上，本发明实施例提供一优选的实施方式。
在上述技术方案的基础上，为了节约材料，同时减少剩余放射性和放射性固体废物量，可将束流阻停器111设置为椎体结构，例如可以是圆锥体。
为了充分利用容纳槽空间，同时很好地固定束流阻停器111，以保证屏蔽效果，可将束流阻停器111的底部与所述容纳槽的槽底贴合设置。
为了使粒子束流尽可能被束流阻停器111阻停，可将所述束流阻停器111 与所述容纳槽同轴设置。
可以理解的是，电荷收集筒112的形状可以根据实际需求进行设置，在此不作限定。例如，电荷收集筒112可设置为圆柱筒，优选地，束流阻停器111 的锥底可完全嵌套在电荷收集筒112的筒底。
类似地，绝缘筒113的形状也可以根据实际需求进行设置，在此不作限定，电荷收集筒112和绝缘筒113的形状可以相同也可以不相同。例如，绝缘筒113 可设置为圆柱筒，优选地，电荷收集筒112可完全嵌套在绝缘筒113中。
示例性地，为了更好地设置法拉第筒本体110，容纳槽的形状可以与法拉第筒本体110的形状相同。例如，容纳槽也可以为圆柱形，以使法拉第筒本体 110贴合容纳槽安装。当然，如果存在有其他部件需要安装或者设置等情况，容纳槽的形状也可与法拉第筒本体110的形状不同。
为了防止辐射的光子沿粒子束流运动相反的方向辐射出束流强度检测装置，该屏蔽装置还包括屏蔽帽130。为了保证束流的正常输入，屏蔽帽130为中心设有通孔的圆柱体。为了保证屏蔽帽130能够起到较好的屏蔽作用，可以将屏蔽帽130贴合容纳槽安装。
在本发明实施例中，优选是容纳槽的长度大于等于屏蔽帽130的厚度和法拉第筒本体110的筒体长度之和。这样设置的好处在于，容纳槽能够更好地稳定屏蔽帽130和法拉第筒本体110，从而能够使得屏蔽帽130和法拉第筒本体110更好地配合使用。
本发明实施例的优选实施方式对应的束流强度检测装置的蒙特卡洛模拟主视图参见图3A，蒙特卡洛模拟的剖视图参见图3B-3D。其中，图3B为B-B 方向的剖视图；图3C为C-C方向的剖视图；图3D为D-D方向的剖视图。
为了保证束流阻停器111能够充分阻停射入的粒子束流，可选地，设置束流阻停器111沿粒子束流运动入射方向的长度至少为第一射程；其中，所述第一射程为法拉第筒本体110中辐射的中子在束流阻停器111中的射程。
考虑到束流阻停器111在长期使用之后，存在部分高能中子能够从束流阻停器111的底部辐射出束流强度检测装置的情况，可选地，设置容纳槽的槽底与所述屏蔽装置远离所述容纳槽开口的一端的距离至少为第二射程；其中，所述第二射程为辐射至屏蔽装置中的中子在屏蔽装置中的射程。
可选地，设置屏蔽帽130的厚度至少为第三射程；其中，所述第三射程为沿粒子束流运动相反方向辐射的光子在屏蔽装置中的射程。这样设置的好处在于能够尽可能减少在束流强度检测装置的粒子束流输入端的光子辐射。
示例性地，为了方便加工，屏蔽体可设置为圆柱体；为了节约材料，屏蔽体的至少一端可设置为圆台结构。示例性地，圆台母线与圆台较小的底面之间的夹角为150°。可参见图4所示的屏蔽体的结构示意图。
示例性地，当粒子束流为230MeV的质子，束流阻停器111的材料为石墨，屏蔽装置材料为铁时，对图3A所示的束流强度检测装置进行辐射屏蔽模拟得到图5A的中子通量分布图，图5B的光子通量分布图以及图5C的中子和光子的当量剂量分布图。其中，图5A-5C的横坐标和纵坐标均为长度，单位为厘米(cm)。由图5A-5C可知，第一射程为25cm，第二射程为9.8cm，第三射程为2cm。
根据上述仿真结果，示例性地，设置容纳槽的半径、屏蔽帽130的半径以及法拉第筒本体110半径均为1.7cm；设置屏蔽体120的半径为11.7cm；设置屏蔽体120的长度为40cm；设置屏蔽体120的圆台较小的底面半径为4.7cm。
本发明实施例还提供了一种粒子加速器，包括上述各实施例的技术方案所提供的束流强度检测装置，用于检测粒子加速器中束流管道或者加速环引出端所引出的粒子束流的束流强度。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (6)
1.一种束流强度检测装置，其特征在于，包括法拉第筒和屏蔽装置；其中，所述法拉第筒设置于所述屏蔽装置中；所述屏蔽装置内设置有容纳槽，所述法拉第筒设置于所述容纳槽中；所述法拉第筒包括法拉第筒本体、测试引线和接地电阻；所述测试引线一端与所述法拉第筒本体相连，所述测试引线另一端与接地电阻相连；其中，
在所述容纳槽的侧壁上设置有与屏蔽装置外侧连通的引线通道，所述引线通道用于将所述测试引线引出所述屏蔽装置；所述引线通道为非直线通道；所述屏蔽装置包括屏蔽帽和屏蔽体；
所述容纳槽位于所述屏蔽体中，所述屏蔽帽和所述法拉第筒本体沿粒子束流的运动方向依次安装于所述容纳槽中；
所述屏蔽帽中心设置有通孔，所述通孔与所述容纳槽同轴，用于作为所述粒子束流的输入口；所述法拉第筒本体包括束流阻停器、电荷收集筒和绝缘筒，所述束流阻停器设置于所述电荷收集筒中，所述电荷收集筒设置于所述绝缘筒中；其中，
所述绝缘筒的筒体长度不小于所述电荷收集筒的筒体长度；所述电荷收集筒的筒体长度不小于所述束流阻停器沿粒子束流运动入射方向的长度。
2.根据权利要求1所述的束流强度检测装置，其特征在于，所述容纳槽为不贯穿于所述屏蔽装置的盲孔。
3.根据权利要求1所述的束流强度检测装置，其特征在于，所述束流阻停器沿粒子束流运动入射方向的长度至少为第一射程；
其中，所述第一射程为法拉第筒本体中辐射的中子在束流阻停器中的射程。
4.根据权利要求2所述的束流强度检测装置，其特征在于，所述容纳槽的槽底与所述屏蔽装置远离所述容纳槽开口的一端的距离至少为第二射程；
其中，所述第二射程为辐射至屏蔽装置中的中子在屏蔽装置中的射程。
5.根据权利要求2所述的束流强度检测装置，其特征在于，所述束流阻停器为锥体，所述束流阻停器的底部与所述容纳槽的槽底贴合，所述束流阻停器与所述容纳槽同轴。
6.一种粒子加速器，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的束流强度检测装置。
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