CN111399026B - 一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法。本发明的测量装置包括N元四极透镜、激光器、靶和闪烁屏；靶和闪烁屏分别位于N元四极透镜的前方和后方，测量质子束经N元四极透镜聚焦后在闪烁屏上的位置，将N元四极透镜变换到M元四极透镜，测量质子束经M元四极透镜聚焦后在闪烁屏上的位置，根据放大倍数和质子束位置，计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的偏移量以及闪烁屏上的束线中心位置；本发明利用N元四极透镜和由N元四极透镜变换的M元四极透镜，结合闪烁屏，利用放大倍数的差异，精确确定束线中心和质子束靶点的位置，从而实现高精度的对心。

Description

一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及加速器对心与激光加速器应用技术，具体涉及一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法。
背景技术
加速器在人类的科学研究和生活中发挥了越来越重要的作用。除了大型对撞机等前沿科学研究，加速器在癌症治疗领域发挥了不可替代的作用。传统光子治疗肿瘤，不可避免对浅层的健康组织造成伤害，而加速器产生的质子和重离子，得益于布拉格峰更集中的末端能量沉积，对浅层健康组织的伤害显著改善，因而质子和重离子治疗成为目前最先进的癌症治疗手段。然而以射频加速器为主体的离子加速装置体积大、造价高、维护和运行费用不菲，限制了质子和重离子治疗的广泛应用，肿瘤医疗需求得不到满足。
超强激光脉冲与靶作用时，加速梯度可以达到100GV/m以上(比射频加速器高3个数量级)，不受材料击穿电场的限制，可以显著降低加速器的尺寸和造价。报道中激光加速已获得接近100MeV的质子束，激光加速器逐渐走向成熟，在很多领域应用前景已引起越来越多的重视。
超强激光与靶作用后，产生质子束团。质子束通常需要传输束线聚焦和能量选择后应用。这要求质子束在束线中心，定位精确，以保障传输的精确。如果质子束源偏离束线中心，将导致传输到终端后质子束位置偏移，造成癌症治疗时位置偏差。通常的方法是通过模拟光确定激光与靶作用的靶点位置和四极磁铁等聚焦元件的位置，但实验中证明这种方法麻烦又不精确。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种质子束靶点和束线中心位置测量装置及其测量方法，从而能够方便、精确地确定束线中心和质子束相对于束线中心的位置。
本发明的一个目的在于提出一种质子束靶点和束线中心位置测量装置。
本发明的质子束靶点和束线中心位置测量装置包括：N个四极磁铁、激光器、靶和闪烁屏；其中，N个四极磁铁共轴沿着束线中心线排成一条直线构成N元四极透镜，相邻的四极磁铁之间有距离，N为≥3的自然数；沿着束线中心线的方向，与超强激光作用产生质子束的靶设置在N元四极透镜的前方；在N元四极透镜的后方设置闪烁屏，闪烁屏的探测平面垂直于束线中心线；激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输；经N元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为a1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为a2，N元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F1，竖直方向为F3；将N元四极透镜变换到M个四极磁铁组成的M元四极透镜，M＜N且M为≥2的自然数，激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输，经M元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为b1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为b2，M元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F2，竖直方向为F4，根据放大倍数和质子束的位置，分别计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的水平偏移量L1和竖直偏移量L2以及闪烁屏上水平方向束线中心的位置c1和竖直方向束线中心的位置c2：
Figure BDA0002431147040000021
Figure BDA0002431147040000022
通过相邻的四极磁铁之间距离的优化，使得具有高的传输效率，同时所需的四极磁铁的磁场强度合适。在本发明中，相邻的四极磁铁之间的距离在6～10厘米之间。保持大于6厘米的距离，能够满足机械设计的要求，同时降低所需的磁场强度；保持距离小于10厘米，能够在紧凑的空间里完成聚焦，避免水平和竖直方向的质子束包络过大而降低传输效率。距离根据聚焦和传输效率的综合要求确定，距离太小，导致需要较高的磁场强度；距离太大，导致束流包络较大，传输效率降低。
通过电流改变四极磁铁的磁场大小，四极磁铁的磁场强度由质子束的传输线布局和质子能量确定，比如聚5MeV质子束时，磁场强度通常不超过0.26T/cm。
将N元四极透镜中的(N-M)个四极磁铁关闭，从而将N元四极透镜变换到M元四极透镜。
N元四极透镜和M元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数，由靶、四极磁铁、闪烁屏在束线中心线上排布位置和四极磁铁的磁场强度决定，通过理论计算得到。
本发明的另一个目的在于提出一种质子束靶点和束线中心位置测量装置的测量方法。
本发明的质子束靶点和束线中心位置测量装置的测量方法，包括以下步骤：
1)N个四极磁铁共轴且沿着束线中心线排成一条直线构成N元四极透镜，相邻的四极磁铁之间有距离，N为≥3的自然数，在N元四极透镜的两端分别设置靶和闪烁屏，闪烁屏的探测面垂直于束线中心线；
2)激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输；经N元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为a1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为a2，N元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F1，竖直方向为F3；
3)将N元四极透镜变换到M元四极透镜，M＜N且M为≥2的自然数；
4)激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输，经M元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为b1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为b2，M元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F2，竖直方向为F4；
5)根据放大倍数和质子束的位置，分别计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的水平偏移量L1和竖直偏移量L2以及闪烁屏上水平方向束线中心的位置c1和竖直方向束线中心的位置c2：
Figure BDA0002431147040000031
Figure BDA0002431147040000032
本发明的优点：
本发明利用N元四极透镜和由N元四极透镜变换的M元四极透镜，结合闪烁屏，利用放大倍数的差异，精确确定束线中心和质子束靶点的位置，从而实现高精度的对心。
附图说明
图1为本发明的质子束靶点和束线中心位置测量装置在水平方向的一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
理论上要求激光脉冲与靶作用产生的质子束靶点、N元四极透镜和闪烁屏中心均位于束线中心线上，实验中通常用模拟光定位来实现，但要达到微米量级的精度，实际操作中存在偏差和困难。在实验中靶需要经常拆装更换，激光需要经常调节，因此每次更换靶重新开始实验时激光脉冲与靶作用产生的质子束靶点位置都会有变动，在实验中由于靶位置控制系统的局限和可能出现的错误，如被干扰导致死机，质子束靶点位置也会出现变动，因此采用本发明的方法进行偏移量的及时确定和修正。在闪烁屏上高精度确定束线中心不容易，另外闪烁屏需要在不探测质子信号时移开，因此需要经常移动，用本发明的方法能够精确且方便地确定闪烁屏上束线中心位置。
如图1所示，本实施例的质子束靶点和束线中心位置测量装置包括：三元四极透镜Q、激光器、靶T和闪烁屏S；其中，三个四极磁铁共轴且沿着束线中心线排成一条直线构成三元四极透镜Q，相邻的四极磁铁之间有距离；在三元四极透镜Q之前设置靶T；在三元四极透镜Q之后的165cm处设置闪烁屏S，闪烁屏S的探测面垂直于束线中心线；激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶T相互作用产生质子束，沿束线中心线传输；经三元四极透镜Q聚焦后，在闪烁屏S上质子束水平方向位置为a1，三元四极透镜Q聚焦后到闪烁屏S上在水平方向的放大倍数为F1。四极磁铁的磁场强度分别为0.133、-0.111、0.134T/cm；关闭第三个四极磁铁，将三元四极透镜Q变换到二元四极透镜，激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶T相互作用产生质子束，沿束线中心线传输，经二元四极透镜聚焦后，在闪烁屏S上测量质子束水平方向位置为b1，二元四极透镜聚焦后到闪烁屏S上在水平方向的放大倍数为F2。四极磁铁的磁场强度分别为0.251、-0.076T/cm。
本实施例中，三元四极透镜聚焦后到闪烁屏上在水平方向的放大倍数F1为-2.488，二元四极透镜聚焦后到闪烁屏上在水平方向的放大倍数F2为-17.332，实验中测得图像中像素值为a1＝866，b1＝906，根据放大倍数和质子束位置，计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的偏移量：
Figure BDA0002431147040000041
其中，c1为闪烁屏上水平方向束线中心的位置，计算得到c＝859.3，根据像素与实际尺寸的距离关系，可以得到靶点处质子束相对于束线中心的水平偏移量L1＝0.128mm。
将靶点移动0.13mm后，测得a1＝861，b1＝863，由此计算出c1＝860.7，根据像素与实际尺寸的距离关系，可以得到L1＝0.006mm。调节后水平方向上质子束源与束线中心线仅有6μm的偏差。在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置以及竖直方向位置分别为质子束的束斑的中心至闪烁屏的中心的水平距离和竖直距离。
用同样的方法，可以测量和修正竖直方向上靶处质子束与束线中心线的竖直偏移量。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种质子束靶点和束线中心位置测量装置，其特征在于，所述质子束靶点和束线中心位置测量装置包括：N个四极磁铁、激光器、靶和闪烁屏；其中，N个四极磁铁共轴沿着束线中心线排成一条直线构成N元四极透镜，相邻的四极磁铁之间有距离，N为≥3的自然数；沿着束线中心线的方向，与超强激光作用产生质子束的靶设置在N元四极透镜的前方；在N元四极透镜的后方设置闪烁屏，闪烁屏的探测平面垂直于束线中心线；激光器产生激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输；经N元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为a1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为a2，N元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F1，竖直方向为F3；将N元四极透镜变换到M个四极磁铁组成的M元四极透镜，M＜N且M为≥2的自然数，激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输，经M元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为b1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为b2，M元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F2，竖直方向为F4，根据放大倍数和质子束的位置，分别计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的水平偏移量L1和竖直偏移量L2以及闪烁屏上水平方向束线中心的位置c1和竖直方向束线中心的位置c2；所述靶点处产生的质子束相对于束线中心的水平偏移量L1和竖直偏移量L2以及闪烁屏上水平方向束线中心的位置c1和竖直方向束线中心的位置c2：
Figure FDA0003208616240000011
Figure FDA0003208616240000012
2.如权利要求1所述的质子束靶点和束线中心位置测量装置，其特征在于，相邻的四极磁铁之间的距离为6～10厘米。
3.如权利要求1所述的质子束靶点和束线中心位置测量装置，其特征在于，将N元四极透镜中的(N-M)个四极磁铁关闭，从而将N元四极透镜变换到M元四极透镜。
4.一种如权利要求1所述的质子束靶点和束线中心位置测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
1)N个四极磁铁共轴且沿着束线中心线排成一条直线构成N元四极透镜，相邻的四极磁铁之间有距离，N为≥3的自然数，在N元四极透镜的两端分别设置靶和闪烁屏，闪烁屏的探测面垂直于束线中心线；
2)激光器产生激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输；经N元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为a1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为a2，N元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F1，竖直方向为F3；
3)将N元四极透镜变换到M元四极透镜，M＜N且M为≥2的自然数；
4)激光器产生超强激光脉冲，激光脉冲与靶相互作用产生质子束，沿束线中心线传输，经M元四极透镜聚焦后，在闪烁屏上测量质子束的束斑的水平方向位置为b1，在闪烁屏上测量质子束的束斑的竖直方向位置为b2，M元四极透镜聚焦后到闪烁屏上的放大倍数在水平方向为F2，竖直方向为F4；
5)根据放大倍数和质子束的位置，分别计算出靶点处产生的质子束相对于束线中心的水平偏移量L1和竖直偏移量L2以及闪烁屏上水平方向束线中心的位置c1和竖直方向束线中心的位置c2：
Figure FDA0003208616240000021
Figure FDA0003208616240000022
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Application publication date: 20200710

Assignee: Beijing Rui de Kang Technology Co.,Ltd.

Assignor: Peking University

Contract record no.: X2023980041624

Denomination of invention: A device for measuring the position of proton beam target and beam line center and its measurement method

Granted publication date: 20210928

License type: Exclusive License

Record date: 20230912