CN115015997A - 一种大面积在线中子探测器及探测方法 - Google Patents

一种大面积在线中子探测器及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大面积在线中子探测器及探测方法，其包括：外壳的端部设置有连接用的密封口；中子探测器内芯设置在外壳内部；中子探测器内芯包括中子转换层、高压极、位置极和隔离窗；多通道信号输出转接板的第一端设置有接触端，该接触端插入外壳上密封口内，与位于外壳内其中一组中子探测器内芯的位置极连接；多通道信号输出转接板的第二端设置有多通道连接器，作为束流剖面监测探测器的信号输出端口；中子转换层采用10B固体制成，中子穿过中子转换层与10B发生反应产生带电粒子，带电粒子穿过电离室内工作气体时，形成电子‑离子对，通过高压极加高压电场的方式收集电子或离子，得到与中子数量成正比的电流信号。

Description

一种大面积在线中子探测器及探测方法
技术领域
本发明涉及一种粒子探测器技术领域，特别是关于一种在硼中子俘获治疗中束流的质量诊断中应用的大面积在线中子探测器及探测方法。
背景技术
硼中子俘获疗法(Boron Neutron Capture Therapy，BNCT)是一种生物靶向放射疗法，利用中子对集中在肿瘤部位的10B粒子并且与其发生核反应和热中子俘获后释放的10B粒子进行杀伤癌细胞。二十世纪四十年代，生物物理学家G.L.Locher提出了关于硼的中子俘获疗法原理及方法。通过对细胞注入与肿瘤细胞有亲和力的含硼特殊化合药物后，由于硼对热中子吸收截面特别大，所以硼与热中子发生的俘获反应主要发生在肿瘤区域。硼与中子反应后能量在4-9μm的细胞范围进行沉积，热中子辐照后能在肿瘤细胞中迅速富集。肿瘤细胞区的吸收剂量远高于正常健康组织，从而它能很好的杀死癌细胞并不破坏正常细胞。这种含硼载体化合药物本身对人体无毒，但当含有硼化合物的肿瘤区域被热中子照射时发生核反应，10B吸收热中子后迅速变为11B，紧接着分解成4He和7Li粒子，这两种粒子沿着相反的方向飞行，但是方向在同一条直线上。粒子在肌体中的作用范围大约在细胞量级为10μm左右，该反应构成了硼中子俘获治疗的物理基础。因此，从理论上讲，如果能找到理想的含硼药物，注入人体后使硼在肿瘤区细胞中的10B浓度比正常组织细胞中10B浓度高，BNCT治疗癌症将具有很好的临床应用前景。
反应出射的α粒子和7Li粒子具有更高的线性能量转移(LET)，可以增强生物效应并且对组织细胞损伤更大，对正常组织细胞无任何副作用，而对肿瘤细胞具有更强更大的破坏力和杀伤力。但是利用这种核反应来治疗肿瘤需要达到以下两个要求：首先是治疗的准确靶向。含10B的化合药物载体是主要富集在肿瘤细胞。发射的中子主要被含有10B载体的化合药物癌细胞中的原子捕获并进行核反应，而被健康的组织细胞中的原子捕获较少。其次治疗对健康组织的小损伤。在人类细胞中，该核反应出射的α粒子范围在4μm左右，而生成的7Li粒子的范围为9μm，该范围与细胞规模大小相当，在尽可能保护正常细胞的同时杀伤癌细胞。
但是BNCT能否取得成功的关键技术之一是中子源的稳定输出和对中子束流在线实时监测。就目前来看，用于BNCT理想的中子源应该具备主要成分是超热中子，能够持续稳定的输出中子一个小时以上并且输出中子的通量密度不小于109cm-2s-1。另外入射的热中子通量的最大值要在肿瘤细胞范围内，用来保证10B(n，α)7Li反应只能杀死肿瘤细胞而对于其他细胞无损害，其次中子源含有的快中子和γ射线尽可能降低到最小，以免对人体正常组织细胞造成损害。最后中子束的方向性和准直性稳定性能要好。
目前用于束流实时在线均匀性测量的有胶片法、荧光靶法和电离室扫描法。传统的胶片法存在耗时长，质控复杂以及等效厚度等问题的限制；而对于高流强束流，荧光靶法中的荧光设备可能会被击穿，并且CCD的原理决定了其不能在强辐射条件下进行长时间测量使用。传统的胶片法和荧光靶法都不能用于束流均匀性的在束实时监测。电离室扫描方法是目前比较广泛采用的测量手段，并且其结果符合国际原子能机构(IAEA)标准。但是市面上的电离室扫描方法无法实现在束监测，且位置分辨较差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种大面积在线中子探测器及探测方法，其能实现治疗过程中束流质量实时监测、诊断；对中子束束流位置信息有分辨能力，可以准确快速地实现对中子束束流质量诊断的实时在束监测。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大面积在线中子探测器，其包括：外壳，其为气体密封腔，端部设置有连接用的密封口；中子探测器内芯，至少设置为两组，均设置在所述外壳内部；每组所述中子探测器内芯都包括中子转换层、高压极和位置极；多通道信号输出转接板，至少设置为两个，每个所述多通道信号输出转接板的第一端设置有接触端，该接触端插入所述外壳上密封口内，与位于所述外壳内其中一组所述中子探测器内芯的所述位置极连接；所述多通道信号输出转接板的第二端设置有多通道连接器，作为束流剖面监测探测器的信号输出端口；所述中子转换层采用10B固体制成，其层数根据信号大小进行调节；中子穿过所述中子转换层与10B发生反应产生带电粒子，带电粒子穿过电离室内工作气体时，造成气体分子的电离，形成电子-离子对，电子离子对的数量与中子在电离室内的能损成正比，通过所述高压极加高压电场的方式收集电子或离子，得到与中子数量成正比的电流信号；通过与已知束流强度作刻度得到绝对流强值。
进一步，所述工作气体为Ar-CO2、Ar-C4H10或Ar-CH4混合气体。
进一步，所述外壳采用铝材料制成，包括主体框架，以及位于所述主体框架上的入射窗口和出射窗口。
进一步，所述中子探测器还包括隔离窗；位于所述外壳和所述电离室内芯之间，密封设置在所述电离室内芯的外部。
进一步，所述中子转换层的厚度根据探测效率及中子散射率进行设置。
进一步，所述高压极采用导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，所述导电薄膜敷设在所述PCB框架上。
进一步，所述位置极采用硬质PCB板制成，该硬质PCB板上镀有若干平行设置的位置信号条；
两组所述中子探测器内芯中两个所述位置极上所述位置信号条的方向互相垂直。
进一步，所述隔离窗包括铝合金隔离窗框，以及通过导电胶粘贴在所述铝合金隔离窗框上的单面镀铝Mylar膜。
进一步，所述多通道信号输出转接板的接触端由若干条信号输出条构成，所述信号输出条的第一端与所述位置极上的位置信号条一一对应连接。
一种基于上述大面积在线中子探测器的探测方法，其包括：将中子探测器垂直放置于中子束束流方向进行照射；通过流气控制器控制流气系统，在中子探测器内部充入工作气体；将中子探测器上的多通道连接器与后续获取系统相互连接；同时获取中子探测器中子探测器内芯上位置极的各个位置信号条得到的束流剂量信号；将各个位置信号条上得到的剂量信息与位置极在中子探测器内的位置一一对应，得到整个照射中子束束流在二维位置上的剂量分布；根据得到的X和Y方向上的照射中子束束流剂量分布，计算出中子束束流照射分布的均匀性，得到实时监测束流位置信息。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明的探测器能实现对中子束的在线监测，可以实时的对中子所处的空间位置进行观察，可以很好的掌握束流对临床治疗的剂量分布，更加有助于对患者实施不同的方案。
2、本发明探测器能根据探测效率和中子散射率的不同要求，设置中子转化层的镀膜厚度，探测器的中子转化层的镀膜厚度可以为0.5μm～10μm，并且同时中子发生散射的几率在十万分之一以下，探测器对束流的性能产生的影响几乎可以忽略，其测量结果可以作为束流品质的实时监测并且可以保护保证机器的束流品质；对于粒子治疗装置的品质保证十分重要。
3、本发明的探测系统可以将束流位置精确到毫米量级，完全可以满足对于大部分中子束束流质量诊断监测的要求。同时探测系统采用的流气模式，可以更好满足工程应用，适应更多测量环境，降低外界环境对探测器性能的影响。
4、本发明探测器的有效面积可以根据具体需求的不同而进行安装以达到高效率和高精确性。
5、本发明束流剂量分布实时测量系统利用信号极上对次级带电粒子进行监测的位置分条得到入射中子的信息，并且中子探测器内芯的两组电离室中的信号极是相互垂直，从而得到X、Y方向上的中子束束流分布信息。同时，通过信号输出计算得到中子的二位剂量分布，以达到实时测量的目的。
附图说明
图1a是本发明一实施例中中子探测器整体结构示意图；
图1b是本发明一实施例中中子探测器整体结构侧视图；
图2是本发明一实施例中的中子转换层结构示意图；
图3是本发明一实施例中的中子能量分布图；
图4是本发明一实施例中的中子探测器整体系统示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供的大面积在线中子探测器及探测方法，主要用于硼中子俘获治疗中束流的质量诊断，能够对中子束束流的平坦度、对称性、照射位置等参数进行束流质量诊断监测，实现了硼中子俘获治疗中的束流实时在线诊断。实现了治疗过程中束流质量实时监测、诊断；对束流位置信息有分辨能力，可以准确快速地实现对束流质量诊断的实时在束监测。该探测器主要由外壳1、中子探测器内芯2和多通道信号输出连接板3。其中，外壳1由铝合金制成，并在各个开口的位置均设计有密封槽，通过密封槽内的橡胶圈将探测器内部与大气隔离；探测器的中子探测器内芯2由两组中子探测器内芯2组成，中子探测器内芯2由中子转换层2-1、高压极2-2、位置极2-3和隔离窗2-4构成。中子转换层2-1由厚度为0.5μm-10μm的10B固体组成的镀层，其穿过的中子束束流与转换层物质发生核反应，核反应产生带电粒子7Li和α粒子。隔离窗2-4则利用导电胶将7μm-25μm厚的单面镀铝Mylar膜粘贴至铝合金隔离窗框上，能够屏蔽外界的电磁干扰；中子探测器内芯2中的两组电离室的位置极2-3分别与多通道信号输出转接板3相连以输出中子束束流监测探测器的信号输出端口。
在本发明的一个实施例中，提供一种大面积在线中子探测器。本实施例中，如图1a至图2所示，该中子探测器包括：
外壳1，其为气体密封腔，端部设置有连接用的密封口；
中子探测器内芯2，至少设置为两组，均设置在外壳1内部，与外壳1构成电离室；每组中子探测器内芯2都包括中子转换层2-1、高压极2-2和位置极2-3；
多通道信号输出转接板3，至少设置为两个，每个多通道信号输出转接板3的第一端设置有接触端3-1，该接触端3-1插入外壳1上密封口内，与位于外壳1内其中一组中子探测器内芯2的位置极2-3连接；多通道信号输出转接板3的第二端设置有多通道连接器3-2，作为束流剖面监测探测器的信号输出端口；
其中，中子转换层2-1采用10B固体制成，其层数可以根据信号大小进行调节，以达到增加输出信号大小的要求。
使用时，中子穿过中子转换层2-1与10B发生反应产生带电粒子，带电粒子穿过外壳1与中子探测器内芯2构成的电离室内工作气体时，造成气体分子的电离，形成电子-离子对，电子离子对的数量与中子在电离室内的能损成正比，通过高压极2-2加高压电场的方式收集电子或离子，即可得到与中子数量成正比的电流信号。通过与已知束流强度作刻度可得到绝对流强值。
上述实施例中，采用探测器来监测束流位置和半高全宽，需要真空隔离并充入工作气体，电离室内所充的工作气体为Ar-CO2、Ar-C4H10或Ar-CH4混合气体。Ar气体可以获得很低的工作电压可以在低场强下获得雪崩放电，CO2、C4H10和CH4为淬灭气体，主要抑制放电现象，提高气体的平均原子序数和密度，使得气体在较高的放大倍数情况下工作。本发明能够实时的监测束流位置，同时也不会对束流的性能产生实质影响的探测器系统。
上述实施例中，外壳1作为保护支撑部件，采用铝材料制成，包括主体框架1-1，以及位于主体框架1-1上的入射窗口1-2和出射窗口1-3。在工作状态下其内部处于密闭状态，其上的密封口的位置均设置有密封槽，通过密封槽内的橡胶圈将探测器内部与大气隔离，实现密封。
上述实施例中，为了提高中子探测器的探测效率，中子转换层2-1采用浓缩的高纯度固体10B作为中子灵敏层，含量在90％以上；使用时浓缩的10B固体使得中子与转换层材料发生核反应，核反应产生带电粒子7Li和α粒子；同时中子转换层2-1的厚度可以根据探测效率，中子散射率进行优化设置，以满足输出信号的要求。在本实施例中，中子转换层2-1的厚度为0.5μm-10μm。
上述实施例中，高压极2-2采用导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，导电薄膜敷设在PCB框架上。其中，导电薄膜的有效面积为30×30mm2～500×500mm2。
上述实施例中，位置极2-3采用硬质PCB板制成，该硬质PCB板上镀有若干平行设置的位置信号条2-3-1。在本实施例中，硬质PCB板的有效面积为30×30mm2～500×500mm2、厚度为0.1mm～2mm；位置信号条2-3-1优选镀设有20～100条、每条宽度为0.5～5mm，相邻位置信号条2-3-1的间距为0.1～1mm。
其中，两组中子探测器内芯2中两个位置极2-3上位置信号条2-3-1的方向互相垂直。
使用时，由于位置极2-3采用分条结构，则可给出束流剖面的投影分布。利用电离室的基本原理，再将电离室的位置极2-3分成条状分别读出，这样电离室就具有测量束流位置及垂直水平方向投影的功能。同时电离室对束流影响较小，属于穿透式探测器，可以用于实时监测。
上述实施例中，还包括隔离窗2-4。隔离窗2-4介于外壳1和中子探测器内芯2之间，密封设置在中子探测器内芯2的外部，起到密封和屏蔽干扰的作用。
隔离窗2-4包括铝合金隔离窗框，以及通过导电胶粘贴在铝合金隔离窗框上的单面镀铝Mylar膜。在本实施例中，镀铝Mylar膜的厚度优选为7μm-25μm，以达到屏蔽外界的电磁噪声干扰的目的。
上述实施例中，多通道信号输出转接板3的接触端3-1，由20～100条信号输出条构成，信号输出条的第一端与位置极2-3上的位置信号条2-3-1一一对应连接，以实现对二维位置信息的实时输出。
综上，本发明的探测器将硼以固体涂层的形式均匀的敷在双面环氧薄片的中子探测器内芯2中，可以对中子束束流质量信息进行实时监测诊断。本发明基于中子束束流与涂硼薄膜相互作用发生核反应产生α粒子和7Li粒子的原理来实现对束流进行实时的监测。该探测器可以精确快速的实现对中子束束流均匀性的实时在线监测诊断，并且中子散射率不足十万分之一(如图3所示)，中子转换层膜不会对束流的性能产生实质性的影响。例如，当能量为10keV，强度为109cm-2*s-1的中子，中子转换层2-1的厚度为3μm，有效面积为100*100mm位置极2-3上测得的信号输出α粒子的平均能量为0.773MeV，7Li的平均能量为0.360MeV。
本发明在硼中子俘获治疗中，该探测器能够在轴向上对束流的平坦度、对称性等参数进行诊断，实现了治疗过程中束流质量实时监测、诊断；对束流位置信息有分辨能力，可以准确快速地实现对束流质量诊断的实时在束监测。
在本发明的一个实施例中，提供一种大面积在线中子探测器的探测方法，如图4所示，其包括以下步骤：
1)打开高压系统，将中子探测器垂直放置于中子束束流方向进行照射；
2)打开流气系统，通过流气控制器在中子探测器内部充入工作气体；
在本实施例中，充入工作气体的流速为0.01～0.02mbar/s，压强为大于环境压强5～10mbar，并保持固定的流通速度持续更新气体；
3)将中子探测器上的多通道连接器3-2与后续获取系统相互连接；同时获取中子探测器中子探测器内芯2上位置极2-3的各个位置信号条2-3-1得到的束流剂量信号；
4)将各个位置信号条2-3-1上得到的剂量信息与位置极2-3在中子探测器内的位置一一对应，得到整个照射中子束束流在二维位置上的剂量分布；
5)根据得到的X和Y方向上的照射中子束束流剂量分布，计算出中子束束流照射分布的均匀性，从而得到实时监测束流位置信息。
本实施例提供的方法是基于上述各结构实施例的，具体详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种大面积在线中子探测器，其特征在于，包括：
外壳，其为气体密封腔，端部设置有连接用的密封口；
中子探测器内芯，至少设置为两组，均设置在所述外壳内部；每组所述中子探测器内芯都包括中子转换层、高压极和位置极；
多通道信号输出转接板，至少设置为两个，每个所述多通道信号输出转接板的第一端设置有接触端，该接触端插入所述外壳上密封口内，与位于所述外壳内其中一组所述中子探测器内芯的所述位置极连接；所述多通道信号输出转接板的第二端设置有多通道连接器，作为束流剖面监测探测器的信号输出端口；
所述中子转换层采用10B固体制成，其层数根据信号大小进行调节；
中子穿过所述中子转换层与10B发生反应产生带电粒子，带电粒子穿过电离室内工作气体时，造成气体分子的电离，形成电子-离子对，电子离子对的数量与中子在电离室内的能损成正比，通过所述高压极加高压电场的方式收集电子或离子，得到与中子数量成正比的电流信号；通过与已知束流强度作刻度得到绝对流强值。
2.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述工作气体为Ar-CO2、Ar-C4H10或Ar-CH4混合气体。
3.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述外壳采用铝材料制成，包括主体框架，以及位于所述主体框架上的入射窗口和出射窗口。
4.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述中子探测器还包括隔离窗；位于所述外壳和所述电离室内芯之间，密封设置在所述电离室内芯的外部。
5.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述中子转换层的厚度根据探测效率及中子散射率进行设置。
6.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述高压极采用导电薄膜和带有导电极的PCB框架组成，所述导电薄膜敷设在所述PCB框架上。
7.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述位置极采用硬质PCB板制成，该硬质PCB板上镀有若干平行设置的位置信号条；
两组所述中子探测器内芯中两个所述位置极上所述位置信号条的方向互相垂直。
8.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述隔离窗包括铝合金隔离窗框，以及通过导电胶粘贴在所述铝合金隔离窗框上的单面镀铝Mylar膜。
9.如权利要求1所述大面积在线中子探测器，其特征在于，所述多通道信号输出转接板的接触端由若干条信号输出条构成，所述信号输出条的第一端与所述位置极上的位置信号条一一对应连接。
10.一种基于如权利要求1-9任一项所述大面积在线中子探测器的探测方法，其特征在于，包括：
将中子探测器垂直放置于中子束束流方向进行照射；
通过流气控制器控制流气系统，在中子探测器内部充入工作气体；
将中子探测器上的多通道连接器与后续获取系统相互连接；同时获取中子探测器中子探测器内芯上位置极的各个位置信号条得到的束流剂量信号；
将各个位置信号条上得到的剂量信息与位置极在中子探测器内的位置一一对应，得到整个照射中子束束流在二维位置上的剂量分布；
根据得到的X和Y方向上的照射中子束束流剂量分布，计算出中子束束流照射分布的均匀性，得到实时监测束流位置信息。
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