CN111308535B - 一种面向ab-bnct混合辐射场剂量分布的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向AB‑BNCT混合辐射场剂量分布的测量方法及装置，其中测量方法包括：中子与光纤阵列作用产生第一辐致荧光，伽马与光纤阵列作用产生第二辐致荧光和切伦科夫辐射；第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射沿光纤传输至传感器；第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射先后被转换成电信号和数字信号，被传输至计算机；利用光纤阵列与中子和伽马辐射相互作用的差异得到分别由中子和伽马辐射产生的辐致荧光和切伦科夫辐射的数字信号；旋转所述光纤阵列，得到不同角度下辐致荧光和切伦科夫辐射的数字信号。本发明实现了混合辐射场的甄别和快速测量，对核技术应用尤其是医学应用具有重要的价值。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射探测领域，尤其涉及一种面向AB-BNCT(Accelerator basedBoron Neutron Capture Therapy，加速器中子源硼中子俘获治疗)混合辐射场剂量分布的测量方法及装置。
背景技术
目前，针对中子和伽马混合辐射场的测量技术主要包括成对热释光剂量计、成对电离室、弗里克凝胶剂量计和胶片剂量计。其中，成对热释光剂量计和成对电离室是针对单个感兴趣点的测量手段，测量效率较低，若采用多组测量装置实现大面积的辐射场测量则花费较大，很难应用于辐射场的剂量分布测量。弗里克凝胶需要通过添加10B元素等手段改变其对中子和伽马响应的差异性，是一种被动式的测量手段，操作过程步骤繁琐，耗费时间较长。使用胶片剂量计对辐射场剂量进行测量需要高精度的读出设备，且读出过程的注意事项较多，具有无法实时测量的缺点。这些方法和装置都无法实现混合辐射场剂量分布的精确、实时测量。
发明内容
为了解决上述技术问题，实现混合辐射场的甄别和剂量分布的精确、实时测量，本发明提出了一种新的混合辐射场剂量分布的测量方法及装置，以实现混合辐射场的甄别和辐射场剂量分布的实时测量。
根据本发明的第一方面，一种面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量方法，包括以下步骤：步骤1、中子与光纤阵列作用产生第一辐致荧光，伽马与光纤阵列作用产生第二辐致荧光和切伦科夫辐射；步骤2、所述第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射沿光纤传输至MPPC(Multi-Pixel Photon Counter，多像素光子计数器)传感器；步骤3、所述第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射被转换成电信号，再经信号处理单元转换为数字信号，并传输至计算机；步骤4、利用所述光纤阵列与中子和伽马辐射相互作用的差异得到分别由中子和伽马辐射产生的辐致荧光和切伦科夫辐射的数字信号；步骤5、旋转所述光纤阵列，重复步骤1～步骤4，得到不同角度下辐致荧光和切伦科夫辐射的数字信号，直至所述光纤阵列旋转360°；步骤6、根据辐致荧光和切伦科夫辐射信号强度与辐射剂量间的转换关系，对信号进行图像重建，实现混合辐射场辐射剂量分布的测量。
进一步的，所述光纤阵列由紧密排列的光纤组成，包括有涂层的光纤和无涂层的光纤，两种光纤交替排列，所述有涂层的光纤与中子作用产生所述第一辐致荧光，与伽马作用产生所述第二辐致荧光，所述无涂层的光纤与伽马作用产生所述切伦科夫辐射。
进一步的，所述涂层为中子敏感材料，所述中子敏感材料包括氟化锂和碳化硼，所述光纤纤心材料包括石英。
更进一步的，所述光纤为无掺杂具有芯层/包层结构的阶跃多模光纤。
根据本发明的第二方面，一种面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量装置，包括：光纤阵列，用于区分中子和伽马辐射的差异，由紧密排列的光纤组成，包括有涂层的光纤和无涂层的光纤，两种光纤交替排列，所述有涂层的光纤与中子作用产生所述第一辐致荧光，与伽马作用产生所述第二辐致荧光，所述无涂层的光纤与伽马作用产生所述切伦科夫辐射；MPPC传感器，与所述光纤阵列通过光纤连接，用于接收所述第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射信号，将其转换为电信号；信号处理单元，用于将电信号转换为数字信号；计算机，用来对所述数字信号进行成像处理，得到混合辐射场辐射剂量分布；以及电机旋转平台，用于控制所述光纤阵列旋转，同时与所述计算机通信连接。
进一步的，所述信号处理单元位于计算机内部。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用中子仅与含有氟化锂或碳化硼涂层的光纤作用才会产生辐致荧光，而伽马和所有光纤作用均会产生光信号的差异性，对混合辐射场中的中子和伽马进行特异性测量，可以实现混合辐射场中中子和伽马的甄别。
(2)本发明实现混合辐射场剂量分布测量依赖于辐射与光纤作用后在光纤中产生的切伦科夫辐射和辐致荧光，这两种光信号均为瞬发辐射，可以实现辐射场剂量的实时测量。
(3)由于光纤的直径较小且紧密并列，本发明可以实现高空间分辨率的辐射场剂量分布测量，测量精度可以达到毫米量级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量方法流程图；
图2为本发明另一实施例面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量装置原理结构图；
图3为中子甄别示意图；
图4为面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量原理图；
图5为利用图1实施例的方法重建医用加速器的辐射场；
附图标记：
0—辐射源；1—光纤阵列；11—含涂层的光纤；12—不含涂层的光纤；2—MPPC传感器；3—信号处理单元；4—计算机；5—电机旋转平台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
方法实施例
如图1所示，本实施例混合场剂量分布测量的具体过程为：
1)将光纤阵列放置于中子和伽马混合辐射场中，中子与光纤阵列中含涂层的光纤相互作用产生第一辐致荧光，伽马与光纤阵列中所有光纤相互作用产生第二辐致荧光和切伦科夫辐射，产生的第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射沿光纤传输至MPPC传感器；
2)MPPC传感器同时记录多根光纤的辐致荧光和切伦科夫辐射的光谱和强度，并将固定时间间隔内的光信号转换成电信号；
3)电信号通过信号处理单元转换成数字信号，并输入计算机；
4)计算机对数字信号进行处理，利用两种光纤与中子和伽马辐射相互作用的差异得到分别由两种辐射产生的辐致荧光和切伦科夫辐射信号；
5)电机旋转平台控制光纤阵列旋转一定角度，得到新角度下混合辐射场与光纤阵列产生的切伦科夫辐射和辐致荧光，经MPPC和信号处理单元转换成数字信号，并输入计算机；
6)继续将光纤阵列旋转固定的角度，直至光纤阵列旋转一周，得到不同角度下切伦科夫辐射和辐致荧光的数字信号，并输入计算机；
7)通过标准辐射场获得辐致荧光和切伦科夫辐射信号强度与辐射剂量间的转换关系，计算机将信号重建为图像，得到混合辐射场辐射剂量分布。
装置实施例
如图2所示，本实施例混合辐射场剂量分布的测量装置，包括用于产生辐致荧光和切伦科夫辐射的光纤阵列、将辐致荧光和切伦科夫辐射强度转换成电信号的MPPC传感器、将电信号转换成数字信号并输入计算机的信号处理单元、控制光纤阵列旋转的电机旋转平台、控制步进电机及对数字信号进行处理实现辐射场剂量分布测量的计算机。
在一些实施方式中，光纤阵列是将多根石英光纤截成相同长度，然后并排两端固定在夹具上，构成平面型光纤阵列。将光纤的端面排列成一个平面，光纤两端以规则的顺序用各种研磨垫进行研磨抛光，然后使用硅油等光导将其耦合到MPPC传感器上，使石英光纤中产生的光信号可以更好地被MPPC传感器探测，并用机械方法固定。将整个探测装置安装在电机旋转平台上跟随旋转，光纤阵列平面与旋转平台转动轴的轴线垂直。
一般的光纤由于包含氢元素等可与中子反应的元素，会对产生的光信号造成干扰，影响测量精度，而所述采用的石英光纤均为无掺杂具有芯层/包层结构的阶跃多模石英光纤。采用的多模石英光纤芯层直径较大，可与伽马反应产生可探测的辐致荧光和切伦科夫辐射，而一般的单模石英光纤芯层直径较小，产生的辐致荧光和切伦科夫辐射难以探测。本实施例中的石英光纤为1mm直径的具有芯层/包层结构的阶跃多模石英光纤，芯层和包层材料均为石英，石英光纤最外层为黑色护套，以避免外部光照条件对测量信号的影响。所述光纤阵列中包含两种不同的石英光纤，一种石英光纤在裸光纤和黑色护套之间包含涂层，另一种光纤不含涂层，两种光纤交替排列构成光纤阵列平面，具体情况如图2所示。利用两种石英光纤对中子和伽马辐射响应的差异可以得到分别由中子和伽马辐射产生的辐致荧光和切伦科夫辐射信号，从而实现中子和伽马辐射的甄别。中子辐射的甄别原理如图3所示。
MPPC传感器可测量波长范围在320和900nm之间，峰值敏感波长在450nm左右，与石英光纤阵列光学耦合，通过硅油等光耦合剂接触以减小光损耗。相比于普通的传感器，所述MPPC传感器的可测量波长范围与本实施例中辐致荧光和切伦科夫辐射更加匹配。
MPPC传感器能够同时测量多根光纤的光学信号，且能够测量各个信号的能谱。相比于单通道传感器，所述MPPC传感器占据很小的体积，可以同时对光纤阵列所有光纤的光信号进行测量，并分辨来自每一根光纤的信号，大大提高了探测效率。
电机旋转平台的旋转角度和速度由步进电机控制，本实施例需要利用多个旋转角度下光纤阵列的光信号进行图像重建，因此需要能够确定旋转平台的工作状态并进行调节，为剂量分布的成像提供角度数据。
工作时，将整个石英光纤阵列放置于中子伽马混合辐射场中，确保射线出射方向与光纤阵列平面垂直。将辐射与光纤作用后产生的光信号经过光-电转换、模-数转换为数字信号，输入计算机进行数据处理得到分别由中子和伽马产生的第一辐致荧光信号、第二辐致荧光信号和切伦科夫辐射。控制电机旋转平台与光纤阵列一起旋转一定角度，重复之前的步骤得到新角度下分别由中子和伽马产生的光信号。继续旋转，重复之前的步骤直至旋转完一周，得到0～360°下的中子和伽马产生的切伦科夫辐射和辐致荧光信号。如图4，计算机对不同角度下获取的信号进行成像处理，得到中子和伽马的剂量分布情况，最终实现混合辐射场的剂量分布测量。预研实验中对医用加速器的辐射场重建得到分布图如图5所示。旋转角度可以根据需要进行选择，旋转角度越小则测量精度越高，但花费时间也越长。
本实施例采用氟化锂和碳化硼作为光纤涂层材料以使其获得对中子的敏感性，也可使用其他与中子作用后发射粒子产生辐致荧光的材料，此外，本实施例中光纤阵列为两种石英光纤交替排列的单层结构，也可将两种石英光纤排成上下层结构，在此不再进行赘述。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (5)
1.一种面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、中子与光纤阵列作用产生第一辐致荧光，伽马与光纤阵列作用产生第二辐致荧光和切伦科夫辐射；所述光纤阵列由紧密排列的光纤组成，包括有涂层的光纤和无涂层的光纤，两种光纤交替排列，所述有涂层的光纤与中子作用产生所述第一辐致荧光，与伽马作用产生所述第二辐致荧光，所述无涂层的光纤与伽马作用产生所述切伦科夫辐射；
所述光纤阵列是将多根石英光纤截成相同长度，然后并排两端固定在夹具上，构成平面型光纤阵列；
步骤2、所述第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射沿光纤传输至MPPC传感器；
步骤3、所述第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射被转换成电信号，再经信号处理单元转换为数字信号，并传输至计算机；
步骤4、利用所述光纤阵列与中子和伽马辐射相互作用的差异得到分别由中子和伽马辐射产生的辐致荧光和切伦科夫辐射的数字信号；
步骤5、旋转所述光纤阵列，重复步骤1～步骤4，得到不同角度下辐致荧光和切伦科夫辐射的数字信号，直至所述光纤阵列旋转360°；
步骤6、根据辐致荧光和切伦科夫辐射信号强度与辐射剂量间的转换关系，对信号进行图像重建，实现混合辐射场辐射剂量分布的测量。
2.根据权利要求1所述的面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量方法，其特征在于，所述涂层为中子敏感材料，所述中子敏感材料包括氟化锂和碳化硼，所述光纤纤心材料包括石英。
3.根据权利要求1所述的面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量方法，其特征在于，所述光纤为无掺杂具有芯层/包层结构的阶跃多模光纤。
4.一种面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量装置，其特征在于，包括：
光纤阵列，用于区分中子和伽马辐射的差异，由紧密排列的光纤组成，包括有涂层的光纤和无涂层的光纤，两种光纤交替排列，所述有涂层的光纤与中子作用产生第一辐致荧光，与伽马作用产生第二辐致荧光，所述无涂层的光纤与伽马作用产生切伦科夫辐射；
所述光纤阵列是将多根石英光纤截成相同长度，然后并排两端固定在夹具上，构成平面型光纤阵列；
MPPC传感器，与所述光纤阵列通过光纤连接，用于接收所述第一辐致荧光、第二辐致荧光和切伦科夫辐射信号，将其转换为电信号；
信号处理单元，用于将电信号转换为数字信号；
计算机，用来对所述数字信号进行成像处理，得到混合辐射场辐射剂量分布；以及
电机旋转平台，用于控制所述光纤阵列旋转，同时与所述计算机通信连接。
5.根据权利要求4所述的面向AB-BNCT混合辐射场剂量分布的测量装置，其特征在于，所述信号处理单元位于计算机内部。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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