质子放疗装备中束流能量与能散诊断技术研究

In recent years, proton and heavy ion therapy obtained rapid development. However, steep dose distribution curve for proton beam is highly dependent on the accuracy of energy and energy distribution. So how to measure beam energy and energy spread accurately is always an important problem for proton therapy device. The commonly used measurement devices, such as the phatom and water tank system, are complex and expensive. In recent years, multi-layer Faraday cup (MLFC) which has the advantages of simple system structure and convenience is widely used for proton beam range verification. But it can only be used for proton beam energy measurement. After analysing the characteristics of Faraday cup and the relationship between proton range, range straggling and beam energy, energy spread by using Fluka monte carlo procedure, we put forward a logarithmic signal processing method which only uses 3 channels of signal to process MLFC’s signal. And then, this project put forward a variable thickness of metal foil scheme. Finally, we design a fast beam energy and energy spread measurement system to meet the measurement of a beam with a energy of 70 - 250 MeV and beam energy spread of 0.3%. The system will provide a accurate and reliable, fast and portable measuring tool for cyclotron beam and terminal beam of treatment room.

近年来，质子重离子治疗在放射治疗领域获得了迅猛的发展。然而，陡峭的剂量分布曲线使得质子重离子治疗效果高度依赖于能量及其分布的准确程度。因此其束流能量与能散的准确测量一直是质子重离子放疗装置重要问题。传统采用的体模、水箱等装置，系统复杂且成本高昂。近年来广泛用于质子束射程验证的多页法拉第杯，具有系统构造简单、测量方便快捷等优点，但是它仅可用于质子束能量测量。本项目针对多页法拉第杯的特点，利用蒙特卡罗程序Fluka对质子射程、射程歧离与能量和能散之间的关系进行深入研究，提出了仅需3路信号的对数处理方法。在对数处理方法的基础上，针对70-250MeV、能散大于0.3%的质子束，提出采用变厚度金属箔的多页法拉第杯方案，并优化多页法拉第杯金属箔的厚度和层数，最终设计一套快速准束流能量和能散测量系统。该系统系统将为质子放疗装置的回旋加速器和治疗室终端束流的检测提供准确、可靠、快捷、便携的测量工具。

近年来，质子重离子治疗在放射治疗领域获得了迅猛的发展。然而，陡峭的剂量分布曲线使得质子重离子治疗效果高度依赖于能量及其分布的准确程度。因此其束流能量与能散的准确测量一直是质子重离子放疗装置重要问题。传统采用的体模、水箱等装置，系统复杂且成本高昂。近年来广泛用于质子束射程验证的多层法拉第筒，具有系统构造简单、测量方便快捷等优点，但是它仅可用于质子束能量测量。本项目针对多层法拉第筒的特点，利用蒙特卡罗程序Fluka对质子射程、射程歧离与能量和能散之间的关系进行深入研究，提出了仅需3路信号即可获取质子束射程和能散的对数处理方法。在对数处理方法的基础上，针对70-250MeV、能散大于0.3%的质子束，提出采用变厚度金属箔的多层法拉第筒方案，并优化多层法拉第筒的厚度和层数，最终设计一套快速准束流能量和能散测量系统。另外，在深入研究了碳离子束在材料中的情况并与质子进行对比后，本项目在国际上首次提出了利用多层法拉第筒测量碳离子束射程。利用Geant4模拟了碳离子束在多层法拉第筒中的碳离子沉积情况、带电核碎片沉积情况以及总电荷沉积情况。并利用多层法拉第筒开展了测量碳离子束射程的研究。目前，在该基金的支持下，发表了1篇国际会议论文，提交发明专利2项，授权1项。