PL249361B1 - Sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, wykorzystujący elementy metody czasu przelotu cząstki, polegający na tym, że zapisuje się jednocześnie wszystkie amplitudy zmierzonych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z dwóch detektorów (A) i (B) oddalonych od siebie o dokładnie określoną odległość L i połączonych z jednostką obliczeniową, umożliwiającą analizę obrazów zarejestrowanych przez oba detektory, umieszczone na linii badanej wiązki hadronowej, przez okres odpowiadający minimum 100-krotnej teoretycznej wartości czasu przelotu cząstki wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B), z rozdzielczością czasową co najmniej na poziomie 0,5 ns. Eliminuje się te sygnały, których wartość amplitudy jest mniejsza od określonego poziomu szumu oraz te, których kształt odbiega od wyznaczonego wzorca. Przeprowadza się analizę statystycznej korelacji przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) poprzez przesuwanie zapisanego przebiegu sygnału zarejestrowanego z detektora (B) z krokiem podstawy jego zapisu k, w stosunku do ustalonego przebiegu sygnału z detektora (A), aż do maksymalnego pokrywania się przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Określa się krotność kroków k oznaczoną τ^D, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja wyrażona wzorem A. Określa się położenie globalnego minimum funkcji R(τ^D) o wartości τ^D_min. Identyfikuje się, pary impulsów występujących, w sygnałach S^A i S^B o minimalnej odległości czasowej od siebie. Impulsy, dla których nie znaleziono pary usuwa z sygnałów S^A lub S^B. Wyznacza się indywidualną odległość czasową dla każdej pary impulsów oraz sporządza się wykres jej rozkładu i dopasowuje się funkcję Gaussa. Średnia z rozkładu odpowiada średniemu czasowi przelotu protonów, w oparciu o który wyznacza średnią energię kinetyczną wiązki. Odczytuje się, z rozkładu Gaussa odchylenie standardowe rozkładu, stanowiące jego dyspersję, określając tym samym rozmycie wiązki.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, określonej z dużą precyzją, co umożliwia efektywne zastosowanie tej wiązki w fizyce doświadczalnej, w celach terapeutycznych, a także w niektórych wysokospecjalistycznych technologiach przemysłowych wymagających dobrze określonej energii wiązki z obszaru powyżej 500 keV. Dla interpretacji eksperymentów naukowych niezwykle istotna jest informacja o rozkładzie energii wiązki wokół energii średniej.

Do wytwarzania wiązek promieniowania jonizującego stosuje się urządzenia o różnej konstrukcji z grupy tzw. akceleratorów, których celem jest przyspieszanie cząstek naładowanych tak, aby nadać im dużą energię. Cząstki przyspieszane są polem elektrycznym, a metodą przyspieszania jest oddziaływanie na wiązkę cząstek np. napięciem stałym, wysokiej częstotliwości, indukowanym lub wielostopniowym, natomiast pole magnetyczne stosuje się do nadania przyspieszanym cząstkom odpowiedniego toru lub skupienia ich. Pole magnetyczne jest tworzone przy pomocy bloków elektromagnesów, które są rozmieszczone na linii/obwodzie akceleratora.

Znanych jest szereg metod przyspieszania cząstek np. przyspieszanie elektrostatyczne, na fali elektromagnetycznej stojącej lub biegnącej (wnęki rezonansowe), a także w plazmie. Każda z metod wymaga skomplikowanych struktur przyspieszających składających się m.in. elektromagnesów pracujących z wielką częstotliwością rzędu kilku GHz. Między strukturami przyspieszającymi montuje się magnesy skupiające i korygujące tor ruchu wiązki oraz elementy jej diagnostyki. Każda interakcja wiązki hadronowej z generowanymi polami elektromagnetycznymi powoduje zmianę energii wiązki hadronowej. Zmiana parametrów (niestabilność) urządzeń przyśpieszających i kształtujących wiązkę, a także zderzenia międzycząsteczkowe lub przejście przez degrader (przeszkodę) w dowolnej postaci, w sposób nieokreślony wpływa na energię wiązki hadronowej. Zastosowanie wiązek hadronowych w fizyce doświadczalnej, w celach terapeutycznych, a także w niektórych wysokospecjalistycznych technologiach przemysłowych wymaga, aby energia kinetyczna stosowanych wiązek była bardzo precyzyjnie określona lub zmierzona. Na podstawie parametrów stosowanego akceleratora istnieje możliwość teoretycznego wyliczenia energii kinetycznej stosowanej wiązki hadronowej, ale czasem jest to przybliżenie zgrubne o niezadawalającej dokładności. Wtedy konieczne jest określenie lub zmierzenie rzeczywistej wartości energii kinetycznej wiązki w momencie poprzedzającym jej użycie w celach doświadczalnych, terapeutycznych lub przemysłowych.

Przy wszelkiego typu eksperymentach naukowych i terapiach protonowych niezwykle ważna jest informacja o rozmyciu energii kinetycznej wiązki hadronowej, to znaczy o rozkładzie energii wiązki wokół energii średniej, którą chcemy zadać lub obserwować. Przykładowo, rozmycie bliskich sobie linii spektralnych może uniemożliwić ich rozróżnienie. W przypadku wiązki protonowej stosowanej w eksperymencie oczekuje się, że będzie ona miała ściśle określoną energię, potrzebną do badania danej reakcji. Rozmycie wiązki powoduje, że zachodzą reakcje także dla energii bliskich energii wymaganej, powodując dalsze rozmycie mierzonych wartości.

Energia wiązki to średnia wartość energii cząstek jakie ją tworzą. Rozmycie wiązki to rozkład wartości energii poszczególnych cząstek wokół średniej. Im mniej jest rozmyta wiązka, tym precyzyjniej określona jest jej energia, a tym samym lepsza kontrola nad eksperymentem lub terapią. Rozmycie wiązki sprawia że poszczególne protony, które trafiają w cel z inną energią niż założona, rozpraszają się. Rozmycie wiązek hadronowych nie było dotąd badane, ze względu na problem realizacji pomiaru pojedynczych cząstek. Przy okazji analizy stanu techniki dla pomiaru energii wiązki hadronowej, ujawnionych zostało szereg rozwiązań, które działały dla całych paczek cząstek, czyli mierzyły zawsze ich średnią energię.

Analiza stanu techniki wykazuje, iż intensywne poszukiwania rozwiązań ukierunkowanych na sposób efektywnego i precyzyjnego pomiaru lub wyznaczenie energii kinetycznej wiązki hadronowej przeznaczonej do wykorzystania w zakresie zastosowań wymagających dokładnych, precyzyjnych i wiarygodnych danych dotyczących energii kinetycznej stosowanej wiązki, skutkują szeregiem chronionych rozwiązań wynalazczych oraz informacji naukowych ujawniających rozwiązania w tym zakresie.

Znany jest z opisu patentowego EP3155456 B1 układ do pomiaru monoenergetycznej wiązki hadronowej, charakteryzujący się tym, że zawiera pierwszy zespół detekcji składający się z czujnika planarnego posiadającego obszar detekcji podzielony na matrycę pikseli. Każdy piksel jest przystosowany do dostarczania sygnału tranzytowego wskazującego na przejście cząstki oraz układ zliczający sprzężony z czujnikiem, w celu dostarczenia sygnału wyjściowego wskazującego na liczbę cząstek np. wiązki przechodzącej przez wspomniany obszar detekcji w przedziale czasowym, na podstawie sygnałów tranzytu dostarczonych przez wspomniane piksele oraz druga jednostka detekcyjna umieszczona poniżej pierwszej jednostki detekcyjnej i zawierająca, co najmniej jeden detektor jonizacyjny do dostarczania sygnału wyjściowego proporcjonalnego do całkowitego ładunku Qion uwolnionego przez wiązkę w detektorze jonizacyjnym we wspomnianym przedziale czasu. W ww. rozwiązaniu, pomiar energii następuje w oparciu o rejestrację liczby cząstek w jednym detektorze oraz ich sumaryczną stratę energii w wyniku jonizacji w drugim detektorze. Interwał czasowy to okres, w którym dokonywany jest pomiar.

Wynalazek ujawniony w opisie patentowym CN102488971 B dotyczy dynamicznego obrazowania protonowego w czasie rzeczywistym i metody obrazowania radioterapii. Zgodnie z tą metodą, energia protonów jest pozyskiwana przez detektor w postaci cienkowarstwowego tranzystora, z amorficznego krzemu z powłoką z jodku cezu i poddaje się go konwersji cyfrowo-analogowej w celu utworzenia obrazu. Metoda charakteryzuje się tym, że energię protonów uzyskuje się dwukrotnie, przy czym jeden raz przed emisją protonów do wykrywanego obiektu, a drugi raz po ich przejściu przez badany obiekt. Dane uzyskane poprzez dwukrotną akwizycję są przetwarzane w celu utworzenia obrazu.

W publikacji Z. Kormany, pt.: „A new method and apparatus for measuring the mean energy of cyclotron beams”, Nuclear Instruments and Methods m Physics Research A 337 (1994) 258-264, opisano metodę pomiaru średniej energii wiązki z cyklotronu CV28 w KFA Julich. W metodzie zastosowano dwa przetworniki pojemnościowe umieszczone w linii prostej w taki sposób, że ten znajdujący się niżej może być przesuwany wzdłuż osi wiązki. Pomiar wykonywany jest całkowicie on-line, komputer osobisty steruje położeniem sondy i ocenia sygnał wytwarzany przez elektronikę detektora HF. Opisane w pracy rozwiązanie opiera się o metodę pomiaru czasu przelotu TOF (z ang. Time of Flight). Metoda ta odnosi się tylko do wiązki cyklotronowej podzielonej na paczki. W metodzie mierzony jest czas przelotu dla całych paczek, a jako wynik uzyskuje się średnią energię wiązki.

Z opisu patentowego US10792517 B2 znany jest sposób i urządzenie do określania stanu dodatnio naładowanej cząstki, takiej jak proton, do stosowania w obrazowaniu guza pacjenta przed i/lub równolegle z terapią nowotworową. System obrazowania składa się ze ścieżki transportu wiązki dodatnio naładowanych cząstek, sekwencyjnie przechodzących przez pacjenta przez pierwszy detektor czasu przelotu i po przebyciu długości drogi, co najmniej do drugiego detektora czasu przelotu oraz z systemu określania stanu wiązki wykorzystujący czas, jaki upłynął pomiędzy detekcją w pierwszym i drugim detektorze czasu przelotu i długości ścieżki, aby określić stratę energii cząstki, która w porównaniu ze znaną energią wiązki padającej, jest wykorzystywana do generowania obrazu guza.

Znany jest z publikacji międzynarodowego zgłoszenia WO2019197593 A1 system pomiaru czasu przelotu (TOF) do pomiaru energii impulsowej wiązki hadronów, w którym każdy impuls wiązki jest uporządkowany w serię paczek cząstek naładowanych, przy czym paczki te powtarzają się z częstotliwością rzędu wielkości częstotliwości radiowej. Układ składa się z pierwszego detektora, drugiego detektora i trzeciego detektora, rozmieszczonych wzdłuż ścieżki wiązki, przy czym każdy z detektorów jest skonfigurowany do wykrywania przejścia paczki naładowanych cząstek i dostarczania sygnału wyjściowego zależnego od fazy wykrytej paczki. Drugi detektor jest oddalony od pierwszego detektora o pierwszą odległość, a trzeci detektor jest oddalony od drugiego detektora o drugą odległość. Pierwsza odległość jest ustalona w taki sposób, że czas przelotu wiązki od pierwszego detektora do drugiego detektora jest w przybliżeniu równy, lub niższy od okresu powtarzania paczek, oraz gdzie druga odległość jest ustalona w taki sposób, że czas przelotu wiązki od drugiego detektora do trzeciego detektora jest większy od wielokrotności okresu powtarzania wiązek, oraz jednostkę przetwarzającą skonfigurowaną do obliczania przesunięć fazowych pomiędzy sygnałami wyjściowymi detektorów oraz obliczania energii impulsu na podstawie obliczonych przesunięć fazowych.

W publikacji Wei Liu i in., pt.: „A beam energy time-flying measurement system”, Cyclotrons and Their Applications 2007, Eighteenth International Conference, przedstawiono system pomiaru energii wiązki z wykorzystaniem pomiaru czasu przelotu paczki wiązki o strukturze okresowej wyodrębnionej z SFC (z ang. Sector Focusing Cyclotron). Ten system działa w trybie on-line, a dokładność pomiaru energii wiązki jest większa niż 5%o.

W opisie patentowym US4229704 A została opisana paczka wiązki naładowanych cząstek, która jest sterowana poprzez sygnał generowany w odpowiedzi na przejście wiązki i dodanie do sygnału referencyjnego z przesunięciem fazowym. Suma obu sygnałów jest wzmacniana, wykrywana i stosowana w detektorze synchronicznym w celu uzyskania porównania fazy sygnału referencyjnego z fazą sygnału reagującego na paczkę wiązki. Porównanie to stanowi sygnał błędu, który stosowany jest do kontroli wiązki, w tym do taktowania paczek wiązki.

W publikacji M. Kisieliński, J. Wojtkowska, pt.: „The proton beam energy measurement by a timeof-flight method”, NUKLEONIKA 2007;52(1):3-5, opisano prostą aparaturę TOF przeznaczoną do pomiaru energii wiązki protonów cyklotronowych. Dla niewielkiej odległości 165 cm pomiędzy sondami pojemnościowymi, dokładność pomiaru energii paczki protonów jest w granicach około 1% dla średnich prądów paczki powyżej 200 nA i w zakresie energii 20-30 MeV. Opisane w pracy rozwiązanie opiera się o metodę pomiaru czasu przelotu TOF. Metoda ta odnosi się tylko do wiązki cyklotronowej podzielonej na paczki. W metodzie mierzony jest czas przelotu dla całych paczek, a jako wynik uzyskuje się średnią energię wiązki.

Znane ze stanu techniki sposoby wyznaczania energii wiązki hadronowej są skomplikowane, czasochłonne, o dokładności pomiaru na poziomie około 1%, średniej energii wiązki oraz nie pozwalają na określenie jej rozmycia tj. rozkładu energii cząstek wokół średniej energii. Znaczącym ograniczeniem znanych metod pomiaru energii wiązki hadronowej jest również to, że odnoszą się one zwykle do pomiaru wiązek generowanych z cyklotronu, transportowanych w paczkach, a nie działają dla wiązek ciągłych. W konsekwencji niemożliwy staje się pomiar energii wiązki o bardzo małym natężeniu, gdy sygnały indukowane przez pojedyncze paczki wpadają poniżej progu detekcji, lub gdy technika przyspieszania takich paczek nie generuje (wiązka ciągła).

Postawione przed wynalazkiem zagadnienie techniczne polega na opracowaniu sposobu szybkiego wyznaczania rozmycia energii wiązki hadronowej, o dużej dokładności, poniżej 1%, nie wykorzystującego skomplikowanych procedur oraz skomplikowanej aparatury, który pozwala na skuteczne, wielokrotne wyznaczanie rozmycia energii wiązki hadronowej jak i samej energii kinetycznej wiązki hadronowej zarówno generowanej w paczkach jak i w sposób ciągły, w celach monitoringu parametrów wiązki oraz ich korekty.

Istota sposobu wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, według wynalazku, wykorzystującego elementy metody czasu przelotu cząstki, realizowanej w układzie zespołu detektorów cząstek, oraz jednostkę obliczeniową umożliwiającą analizę obrazów zarejestrowanych przez detektory cząstek, wyposażoną w kartę oscyloskopową o paśmie przenoszenia minimum 200 MHz oraz o częstości próbkowania minimum 4 GS/s charakteryzuje się tym, że uruchamia się jednoczesny, ciągły zapis wartości amplitud sygnałów SA oraz SB uzyskiwanych z zespołu detektorów cząstek, umieszczonych na linii badanej wiązki hadronowej pierwszego (A) i drugiego (B), o jednakowych parametrach i jednakowej charakterystyce, oddalonych od siebie o dokładnie określoną odległość L i połączonych, każdy niezależnie, z jednostką obliczeniową oraz tworzących, uprzednio skalibrowaną, instalację dla realizacji zapisu wartości kolejnych amplitud sygnałów S^A oraz S^B, który realizuje się z rozdzielczością czasową, co najmniej na poziomie 0.5 ns. Kalibrację instalacji realizuje się w dwóch różnych procedurach kalibracyjnych: jedna pod kątem kalibracji czasu oraz kalibracji rozmycia.

Amplitudy jednostkowych sygnałów SA(k) oraz SB(k) z obu detektorów (A) i (B), rejestrowanych równocześnie, dla protonów mierzonej wiązki hadronowej, zapisuje się w jednostce obliczeniowej przez okres odpowiadający minimum 100-krotnej teoretycznej wartości czasu przelotu jednej cząstki wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B). SA oraz SB oznaczają uporządkowane zbiory zarejestrowanych w czasie realizacji pomiaru w detektorach A i B sygnałów. Natomiast SA(k) oraz SB(k) oznaczają pojedyncze próbkowane punkty sygnału (pojedyncze przedziały próbkowania - „biny”). Jednoczesny zapis amplitud zmierzonych sygnałów SA oraz SB z obu detektorów cząstek (A) i (B) archiwizuje się w buforach jednostki obliczeniowej. Jednoczesny zapis każdej pary sygnałów pochodzących z detektorów A i B indeksuje się tą samą zmienną określającą krok zapisu k, uzyskując przebiegi sygnałów S^A(k) oraz SB(k). Przeprowadza się wstępną analizę sygnałów SA(k) oraz SB(k) i uznaje się je za zerowe jeśli wartość ich amplitud znajduje się poniżej określonego poziomu szumu oraz eliminuje się te wartości amplitud SA(k) oraz SB(k). Następnie dokonuje się analizy kształtu pojedynczych sygnałów SA(k) oraz SB(k) najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki i wyznacza się wzorzec kształtu dla tych sygnałów, a następnie usuwa się sygnały odbiegające od tego wzorca. Po zakończeniu okresu zapisu amplitud sygnałów SA(k) oraz SB(k) z obu detektorów cząstek (A) i (B), przeprowadza się analizę statystycznej korelacji przebiegów sygnałów SA(k) oraz SB(k), pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek. Analiza polega na przesuwaniu zapisanego przebiegu sygnału zarejestrowanego z detektora cząstek (B) z krokiem podstawy jego zapisu k, w stosunku do ustalonego przebiegu sygnału z detektora cząstek (A), aż do uzyskania maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów SA(k) oraz SB(k). Maksimum pokrywania się analizowanych sygnałów jest równoznaczne z uzyskaniem minimum sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów SA(k) oraz SB(k), przy określonym kroku k, odpowiadającym rozdzielczości czasowej z jaką zapisuje się sygnały.

PL 249361 Β1

Na podstawie liczby kroków k, wykonanych w czasie pomiaru, od k = 0 do k = N, określa się krotność kroków k oznaczoną t^d, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja wyrażona wzorem:

N-t^{d R}^ = ^T—dT S^A(k)-S^B(k + T^D~) N — τ^υ fc-0 gdzie: t^d jest zmienną określającą przesunięcie pomiędzy porównywanymi sygnałami i przyjmuje dyskretne wartości z przedziału (0, N).

Określa się położenie globalnego minimum funkcji R(t^d) oraz wartości Λίη, przy której funkcja R(t^d) globalne minimum osiąga. Znajomość wartości T^Dmin pozwala wyznaczyć czas, który odpowiada czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami (A) i (B), wyrażonemu wzorem t = At *T^Dmin, gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania (0.5 ns). Następnie wyznacza się doprecyzowany średni czas przelotu wiązki hadronowej według zależności, t = At * Tmin gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania, natomiast Tmin, oznacza liczbę rzeczywistą τ, dla której dopasowany do funkcji R(t^d) wielomian p(t^d) osiąga minimum. Identyfikuje się, bazując na znanej odległości czasowej t^d, dla każdego pojedynczego impulsu, w sygnale S^A zarejestrowanym w pierwszym detektorze (A), odpowiadający mu impuls, w sygnale S^B zarejestrowanym w drugim detektorze (B), przy czym oba sygnały stanowiące parę znajdują się w minimalnej odległości czasowej od siebie. Wszystkie impulsy, dla których nie znaleziono pary zeruje się i usuwa z sygnałów S^A lub S^B. Następnie wyznacza się indywidualną odległość czasową dla każdej pary impulsów oraz sporządza się wykres jej rozkładu. Dla wykresu rozkładu odległości czasowej dla wszystkich znalezionych w par, w sygnałach S^A i S^B, dopasowuje się funkcję Gaussa. Średnia z rozkładu odpowiada średniemu czasowi przelotu protonów. Oblicza się średnią energię kinetyczną wiązki z czasu przelotu odczytanego z rozkładu Gaussa, na znanym odcinku drogi L. Odczytuje się, z rozkładu Gaussa odchylenie standardowe rozkładu, stanowiące jego dyspersję i uwzględniając korektę kalibracyjną rozmycia, określa się rozmycie wiązki. Koryguje się wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez pierwszy detektor (A), poprzez odjęcie stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze (A) oraz uwzględnia się korektą kalibracyjną rozmycia. Poprzez podanie rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, odpowiadającej odchyleniu standardowemu rozkładu funkcji Gaussa, dopasowanej do rozkładu indywidualnych odległości czasowych dla wszystkich par impulsów badanej wiązki hadronowej oraz przez podanie wyznaczonej wartości energii kinetycznej wiązki hadronowej kończy się procedurę wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej i jednocześnie usuwa się detektory (A) i (B) z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.

Jako detektory cząstek korzystnie stosuje się detektory scyntylacyjne umieszczone na linii badanej wiązki hadronowej, tak by płaszczyzny aktywnej części detektorów usytuowane były prostopadle w stosunku do kierunku poruszania się wiązki hadronowej.

Pomiar kalibracyjny całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej polega na przetestowaniu instalacji poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległość d = 0, tak, aby aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą, a układ uznaje się za skalibrowany, gdy wyznaczony średni czas przelotu hadronów przyjmuje wartość 0.

Pomiar kalibracyjny dla pomiaru rozmycia czasu polega na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległość d = 0, tak, aby aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą, a dyspersja czasu przelotu hadronów określa wkład wykorzystanych układów elektronicznych do rozmycia energii.

Pomiar kalibracyjny dla pomiaru rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej polega na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej oraz do wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie całej procedury pomiarowej, a następnie wsunięcie na linię toru wiązki hadronowej, przed pierwszym detektorem materiału aktywnego, identycznego z materiałem, który został użyty w pierwszym detektorze o tej samej grubości jak materiał aktywny detektora i powtórzenie całej procedury pomiarowej. Różnica w pomiarze rozmycia stanowi czynnik kalibracyjny, tzn. jest rozmyciem generowanym w trakcie pomiaru przez pierwszy detektor.

Dla eliminacji sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), których wartości amplitud znajdują się poniżej określonego poziomu szumu, ustala się ten poziom szumu przez obliczenie algorytmu, w oparciu o rozkład statystyczny próbkowanych amplitud i dopasowania funkcji Gaussa wokół maksimum zliczeń, a następnie ustala się poziom zero dla średniej rozkładu oraz określa się poziom szumu jako nie mniej niż 3σ, gdzie σ oznacza odchylenie standardowe od średniej tego rozkładu. Natomiast wyznacza się wzorzec kształtu dla pojedynczych sygnałów najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki sygnałów, który służy do usuwania z uporządkowanych zbiorów sygnałów S^A oraz S^B tych sygnałów, które odbiegające od wyznaczonego wzorca. Jako kryterium zgodności przyjmuje się długość impulsu oraz jego wycałkowaną powierzchnię, a następnie odrzuca się (wyzerowuje amplitudy) impulsy odbiegające o co najmniej 3σ od wartości średniej, co najmniej jednego z parametrów stanowiących kryterium.

Sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, według wynalazku, cechuje duża szybkość działania: odpowiedź następuje niemal natychmiast po aktywowaniu pomiaru. Sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej wykorzystuje sposób wyznaczenia energii, który bazuje na nasuwaniu sygnałów składających się z poszczególnych impulsów co pozwala na wykorzystywanie dla pomiarów pojedynczych par impulsów i tworzy możliwości określania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej. W sposobie wykorzystuje się analizę nakładania się sygnałów zawierających wiele impulsów pochodzących od wielu cząstek, co zwiększa wiarygodność pomiaru w stosunku do znanych rozwiązań, które bazują na różnicy faz dwóch podobnych impulsów. Uzyskany sposobem według wynalazku wiarygodny pomiar, pozwala na określenie wartości rozmycia energii oraz samej energii kinetycznej tuż przed miejscem, w którym wiązka jest wykorzystywana.

Dodatkowymi korzyściami są możliwości pomiaru energii wiązek ciągłych oraz wiązek generowanych z cyklotronu o bardzo małych natężeniach, dla których metody pojemnościowe są nieskuteczne.

Sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej objaśniono poniżej w praktycznych przykładach realizacji wynalazku oraz na rysunku, na którym pokazano na fig. 1 schemat blokowy algorytmu sposobu, na fig. 2 sygnały z obu detektorów zebrane podczas pojedynczego pomiaru trwającego 5 ms, przy czym w szeregu górnym pokazane są sygnały z detektorów A i B po ich wstępnym przetworzeniu i zapisaniu do buforów, a w szeregu dolnym pokazane są sygnały z detektorów A i B po usunięciu z nich sygnałów od przypadkowych cząstek na podstawie analizy kształtu, na fig. 3 wartości funkcji przykrywania sygnałów R(td) [punkty], w zależności od kroku przesunięcia sygnału z detektora B a maksimum pokrywania się sygnałów przypada na położenie minimum funkcji R(td), na fig. 4 rozkład wartości czasów przelotów dla każdej pary impulsów, czyli dla każdego protonu indywidualnie, a na fig. 5 rozkład energii kinetycznych pojedynczych protonów odpowiadający rozkładowi ich czasów przelotów.

Przykład

Przykład realizacji sposobu wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej został zrealizowany przy użyciu wiązki protonowej o energii 1,96 GeV i prądzie kilku pikoamperów, wytworzonej przez cyklotron COSY w Forschungszentrum Juliech. Instalacja dla realizacji sposobu została zestawiona z dwóch detektorów cząstek A i B. W obu detektorach jako materiał aktywny zostały wykorzystane kwadratowe płytki plastików scyntylacyjnych BICRON o wymiarach 90 x 90 mm oraz o grubości 5 mm. Światło wzbudzane przez przelatujące cząstki wiązki hadronów odczytywane było z jednego boku za pomocą 4 fotopowielaczy krzemowych. Zespół fotopowielaczy zamontowany do boku płytki z materiału aktywnego był izolowany optycznie od oddziaływania światła zewnętrznego. Sygnał elektryczny uzyskany z fotopowielaczy kierowany był za pomocą przewodów BNC na dwa kanały karty oscyloskopowej WaveSurfer 3024z, w którą została wyposażona centralna jednostka obliczeniowa. Kanały karty oscyloskopowej ustawione zostały w tryb zapisu pojedynczego interwału czasowego długości 5 ms, z rozdzielczością 0,5 ns na pojedynczy bin (przedział). Sygnał z każdego detektora zapisywany był w odrębnym buforze. Każdy bufor był przeznaczony do zapisu minimum 1. x 10⁷ punktów. Zapisane w buforach obrazy generowane w detektorach przez przelatujące cząstki mierzonej wiązki hadronowej poddane zostały analizie algorytmem realizującym sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej.

Ustalono odległość pomiędzy oboma detektorami która wyniosła d = 7,93 m. Przed rozpoczęciem realizacji algorytmu sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej przeprowadzony został pomiar kalibracyjny. Realizacja pomiaru kalibracyjnego polegała na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległość d = 0 co oznacza, że aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą. Pomiar kalibracyjny wykonywany był w celu stwierdzenia, że zapis sygnałów pochodzących od obu detektorów nie wykazuje żadnych opóźnień związanych z niewłaściwą konstrukcją instalacji.

PL 249361 Β1

Realizacja sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzedziło umieszczenie detektorów na linii badanej wiązki hadronowej w odległości d = 7,93 m, a następnie podano wiązkę protonową o energii 1,96 GeV.

Rozpoczęcie realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej rozpoczęto poprzez uruchomienie zsynchronizowanego jednoczesnego i ciągłego zapisu wartości kolejnych amplitud sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z obu detektorów cząstek A i B, o prędkości próbkowania 500 ps na przedział sygnałów o długości 5 ms. Zapisy kolejnych punktów próbkowania obu sygnałów realizowane były synchronicznie oraz indeksowane były tą samą zmienną określającą krok zapisu k, tworząc w wyniku zapisów sygnałów w całym okresie pomiaru, przebiegi sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Przeprowadzono wstępną analizę zapisanych sygnałów i ustalono poziom zerowy sygnałów oraz poziom szumu i usunięto (wyzerowano) amplitudy poszczególnych sygnałów o wartości mniejszej niż poziom granicy szumów. Jednocześnie w ramach analizy wstępnej określono kształt impulsów charakterystyczny oraz najczęściej odpowiadający sygnałom wywoływanym przez protony o energii badanej wiązki i wyzerowano (usunięto) z zapisanych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) sygnały odbiegające od wyznaczonego wzorca sygnału pojedynczej cząstki. Obrazy wyjściowe sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) oraz te same sygnały po operacji filtrowania w ramach analizy wstępnej przedstawiono na fig 2. Po zakończeniu analizy wstępnej przeprowadzona została analiza statystyczna korelacji przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek. Polegała ona na przesuwaniu zapisanego przebiegu sygnału S^B(k) zarejestrowanego z detektora cząstek B, z krokiem podstawy jego zapisu k, w stosunku do stałego przebiegu sygnału S^A(k) zarejestrowanego z detektora cząstek A. Po każdej operacji dla konkretnego k sygnału S^B(k), polegającej na odjęciu sygnału S^B(k) przesuniętego o k+ τ, gdzie: τ-oznacza przesunięcie czasowe pomiędzy porównywanymi sygnałami, wyznaczano wartość sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), przy określonym kroku k, i utworzona została funkcja:

/?(r) = /V ^|5^Λ(/<) -S^s(7:+ τ)| fc = 0

Określona została ilość kroków k, zrealizowanych podczas okresu wykonywania pomiaru i dla przykładu realizacji sposobu wyniosła 1. χ 10⁷ punktów. Następnie określona została krotność kroków k oznaczona symbolem τ, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja R(t). Uzyskano wartość τ = 57.

Określone zostało globalne minimum funkcji R(t) dla wartości która najlepiej odpowiada czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami, wyrażonego wzorem τ = Δί* τ™_η, gdzie At jest długością pojedynczego kroku. Uzyskano wartość τ = 28.5 +/- 0.5 ns

Doprecyzowane zostało położenie globalnego minimum funkcji R(t), w oparciu o dopasowany wielomian 5 stopnia, stosując metodę minimalizacji sumy kwadratów odległości |R(t) - ρ(τ)|, gdzie p oznacza dopasowywany wielomian.

Celem przeprowadzonej analizy statystycznej korelacji przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), było uzyskanie maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), co jest równoznaczne z uzyskaniem minimum sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), przy określonym kroku k. Wykres funkcji R(t) dla realizowanego przykładu sposobu wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej przedstawiono na fig.3.

Przeprowadzono identyfikację, bazując na znanej odległości czasowej T^Dmin, dla każdego pojedynczego impulsu, w sygnale S^A zarejestrowanym w pierwszym detektorze A, zidentyfikowano odpowiadający mu impuls, w sygnale S^B zarejestrowany w drugim detektorze B, przy czym oba sygnały stanowiące parę znajdują w minimalnej odległości czasowej od siebie. Wszystkie impulsy, dla których nie znaleziono pary zostały wyzerowane i usunięte z sygnałów S^A lub S^B. Następnie wyznaczono indywidualną odległość czasową dla każdej pary impulsów oraz sporządzono wykres jej rozkładu. Dla wykresu rozkładu odległości czasowej dla wszystkich znalezionych par, w sygnałach S^A i S^B, dopasowana została funkcja Gaussa (fig. 4). Określono średnią z rozkładu, która odpowiada średniemu czasowi przelotu protonów: t = 27.99 +/- 0.01. Obliczono średnią energię kinetyczną wiązki z czasu przelotu odczytanego z rozkładu Gaussa, na znanym odcinku drogi L. Rozkład energii kinetycznych pojedynczych protonów odpowiadający rozkładowi ich czasów przelotów pokazano na fig. 4. Odczytano z rozkładu Gaussa odchylenie standardowe rozkładu, stanowiące jego dyspersję, określając tym samym rozmycie wiązki, które wynosi σ(Ε) = 127.2 +/- 6.5. Skorygowano wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez pierwszy detektor A, poprzez odjęcie stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze A oraz uwzględniono korekty kalibracyjne rozmycia. Poprzez podanie rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, odpowiadającej odchyleniu standardowemu rozkładu funkcji Gaussa, dopasowanej do rozkładu indywidualnych odległości czasowych dla wszystkich par impulsów badanej wiązki hadronowej oraz przez podanie wyznaczonej wartości energii kinetycznej wiązki hadronowej kończy się procedurę wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej i jednocześnie usuwa się detektory A i B z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.

Skorygowano wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez detektor A), poprzez dodanie stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze, po czym usunięto detektory scyntylacyjne A i B z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.

W wyniku przeprowadzonej w przykładzie procedury wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej według sposobu będącego przedmiotem wynalazku wyznaczona została wartość energii kinetycznej oraz rozmycie wiązki Uzyskane wyniki różniły się o < niż 1% do wartości rozmycia i energii kinetycznej oznaczonej innymi, bardziej skomplikowanymi metodami.

Zastosowanie sposobu wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej oraz energii kinetycznej wiązki hadronowej według wynalazku pozwala na zastąpienie lub uzupełnienie trudnych i skomplikowanych metod określania energii kinetycznej wiązek hadronowych stosowanych dotychczas oraz rozszerzenie monitoringu a przede wszystkim uzyskiwania dotychczas trudno dostępnej informacji o rozmyciu energii wiązki hadronowej w trakcie stosowania wiązek hadronowych, co przyczyni się do zwiększenia pewności osiąganych efektów w zastosowaniach naukowych, terapeutycznych i technicznych.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, wykorzystujący elementy metody czasu przelotu cząstki, realizowane w układzie zespołu detektorów cząstek, wyposażonym w jednostkę obliczeniową umożliwiającą analizę obrazów zarejestrowanych przez detektory cząstek oraz zawierającą kartę oscyloskopową o paśmie przenoszenia minimum o 200 MHz oraz częstością próbkowania minimum 4 GS/s, znamienny tym, że - uruchamia się jednoczesny ciągły zapis wartości amplitud sygnałów SA oraz SB z zespołu detektorów cząstek, umieszczonych na linii badanej wiązki hadronowej pierwszego (A) i drugiego (B), o jednakowych parametrach i jednakowej charakterystyce, oddalonych od siebie o dokładnie określoną odległość L i połączonych, każdy niezależnie, z jednostką obliczeniową oraz tworzących, uprzednio skalibrowaną dla pomiaru czasu oraz dla pomiaru rozmycia, instalację dla realizacji zapisu wartości kolejnych amplitud sygnałów SA oraz SB, który realizuje się z rozdzielczością czasową co najmniej na poziomie 0.5 ns,

   - realizuje się zapis wszystkich amplitud zmierzonych sygnałów SA(k) oraz SB(k) z obu detektorów (A) i (B), a zapis kolejnych punktów próbkowania obu sygnałów realizuje się synchronicznie oraz indeksuje się tą samą zmienną określającą krok zapisu k, uzyskując przebiegi sygnałów SA(k) oraz SB(k), przez okres odpowiadający minimum 100-krotnej teoretycznej wartości czasu przelotu jednej cząstki wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B) oraz archiwizuje się jednoczesny zapis amplitud zmierzonych sygnałów SA oraz SB,

   - wartości amplitud sygnałów SA(k) oraz SB(k) poniżej określonego poziomu szumu uznaje się za zerowe i eliminuje się,

   - dokonuje się analizy kształtu pojedynczych sygnałów SA(k) oraz SB(k) najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki i wyznacza się wzorzec kształtu dla tych sygnałów, a następnie usuwa się sygnały odbiegające od tego wzorca oraz usuwa się również sygnały S^A(k) oraz S^B(k), których wartości amplitud są poniżej określonego poziomu szumu,

   - po zakończeniu okresu zapisu amplitud sygnałów SA(k) oraz S^B(k) z obu detektorów cząstek (A) i (B), przeprowadza się analizę statystycznej korelacji przebiegów sygnałów SA(k) oraz S^B(k), pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek, poprzez przesuwanie zapisanego przebiegu sygnału zarejestrowanego z detektora cząstek (B) z krokiem podstawy jego zapisu k, w stosunku do stałego przebiegu sygnału z detektora cząstek (A), aż do uzyskania

   PL 249361 Β1 maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), co jest równoznaczne z uzyskaniem minimum sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), przy określonym kroku k, odpowiadającym rozdzielczości czasowej z jaką zapisuje się sygnały,

   - na podstawie liczby kroków k, wykonanych w czasie pomiaru, od k = 0 do k = N, określa się krotność kroków k oznaczoną t^d, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja wyrażona wzorem:

   N-t^{d r(tD}>=Σ^{s,4(/c) sB(,i+rD)} k=0 gdzie: t^d jest zmienną określającą przesunięcie pomiędzy porównywanymi sygnałami i przyjmuje dyskretne wartości z przedziału (0, N),

   - określa się położenie globalnego minimum funkcji R(t°) oraz wartości T^Dmin, która odpowiada czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami (A) i (B) wyrażonego wzorem t = At * T^D _min, gdzie At jest jest długością pojedynczego przedziału próbkowania (0.5 ns),

   - wyznacza się średni czas przelotu wiązki hadronowej według zależności, t = At * Tmin gdzie żlfjest długością pojedynczego przedziału próbkowania, natomiast Tmin, oznacza wartość, dla której dopasowany do funkcji R(t°) wielomian ρ(τ°) osiąga minimum,

   - identyfikuje się, bazując na znanej odległości czasowej T^Dmin dla każdego impulsu w sygnale S^A odpowiadający mu impuls w sygnale S^B i zeruje wszystkie impulsy nie posiadające pary, - wyznacza się indywidualną odległość czasową dla każdej pary impulsów oraz sporządza się wykres jej rozkładu

   - dopasowuje się funkcję Gaussa do rozkładu indywidualnych odległości czasowych, której średnia z rozkładu odpowiada średniemu czasowi przelotu protonów.

   - oblicza się średnią energię kinetyczną wiązki z czasu przelotu na znanym odcinku drogi odczytanego z rozkładu Gaussa,

   - odczytuje się z rozkładu Gaussa odchylenie standardowe rozkładu stanowiące jego dyspersję i uwzględniając korektę kalibracyjną rozmycia, określa się rozmycie wiązki,

   - koryguje się wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez pierwszy detektor (A), poprzez odjęcie stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze (A) oraz uwzględnia się korektę kalibracyjną rozmycia,

   - kończy się procedurę wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej, poprzez określenie odchylenia standardowego rozkładu funkcji Gaussa dopasowanej do rozkładu indywidualnych odległości czasowych, dla wszystkich par impulsów badanej wiązki hadronowej oraz wyznaczenie energii kinetycznej wiązki hadronowej przez podanie wyznaczonej wartości energii i usunięcie detektorów cząstek (A) i (B) z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako detektory cząstek stosuje się detektory scyntylacyjne umieszczone na linii badanej wiązki hadronowej, tak by płaszczyzny aktywnej części detektorów usytuowane były prostopadle w stosunku do kierunku poruszania się wiązki hadronowej.
3. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiar kalibracyjny dla pomiaru czasu polega na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległości d = 0, tak, aby aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą a układ uznaje się za skalibrowany, gdy wyznaczony średni czas przelotu hadronów przyjmuje wartość 0.
4. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiar kalibracyjny dla pomiaru rozmycia czasu polega na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległość d = 0, tak, aby aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą, a dyspersja czasu przelotu hadronów określa wkład wykorzystanych układów elektronicznych do rozmycia energii.
5. 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiar kalibracyjny dla pomiaru rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej polega na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej oraz do wyznaczania rozmycia energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie całej procedury pomiarowej a następnie wsunięcie na linię toru wiązki hadronowej przed pierwszym detektorem materiału aktywnego, identycznego z materiałem, który został użyty w pierwszym detektorze o tej samej grubości jak materiał aktywny detektora i powtórzenie całej procedury pomiarowej a różnica w pomiarze rozmycia stanowi czynnik kalibracyjny, tzn. jest rozmyciem generowanym w trakcie pomiaru przez pierwszy detektor.
6. 6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że poziom szumu ustala się przez obliczenia algorytmu w oparciu o rozkład statystyczny próbkowanych amplitud i dopasowania funkcji Gaussa wokół maksimum zliczeń a następnie ustalenie poziomu zero dla średniej rozkładu oraz szumu jako nie mniej niż 3σ, gdzie σ oznacza odchylenie standardowe od średniej tego rozkładu.
7. 7. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznacza się wzorzec kształtu dla pojedynczych sygnałów najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki sygnałów a jako kryterium zgodności przyjmuje się długość impulsu oraz jego wycałkowaną powierzchnię a następnie odrzuca się (wyzerowuje amplitudy) impulsy odbiegające o co najmniej 3σ od wartości średniej co najmniej jednego z parametrów stanowiących kryterium.