新型平板电离室的研制与初步测试

孙铭言，张伟华，童 腾，李道武，张 易，黄先超，吕 宁

(1.中国科学院高能物理研究所 北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心，北京 100049；2.中国人民解放军火箭军工程大学，西安 710025)

根据国际粒子(质子)治疗协作委员会(Particle Therapy Co-Operative Group)提供的数据,截至2021年2月，中国在建的粒子治疗中心共9家，其中8家为质子治疗中心。目前质子治疗束流主要使用两种传输技术，被动散射(passive scattering)与笔形束扫描技术(pencil beam scanning technique)，两种技术的使用均需要对质子束的二维分布与剂量分布进行精准测量[1]。

根据不同测量目的，可将用于质子束探测的电离室分为两类：一种放置在患者靶区位置用于日常品质保证(QA)，另一种放置在治疗头内针对质子束流剂量和位置进行测量。日本放射医学研究所(National Institute of Radiological Science, NIRS)[2]开发了一种由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板和石墨电极制成的多层平板电离室(multilayer ionization chamber, MLIC)，可测量高达260 mm的深度剂量分布；美国M.D.Anderson质子治疗中心[3]使用由180个平板电离室组成的IBA Zebra进行质子深度剂量分布的测量和日常QA。日本福岛医科大学 Takahiro Kato等人[4]对Zebra进行品质测试，同时与Markus电离室比较，在照射野10 cm×10 cm的条件下一致性良好。用于剂量和二维分布监测的有德国IBA公司生产的IMRT MatriXX点矩阵系统，将电离室组成32×32的平面矩阵，对束流二维分布进行测量[5]；德国PTW公司[6]生产的二维平面剂量设备PTW729，由729个立方体电离室组成，其中每个电离室尺寸为5 mm×5 mm×5 mm，有效测量范围为27 cm×27 cm；屈伟强等人[7]依靠ELEKTA precise直线加速器6 MeV X射线对PTW729进行测试，同时利用胶片剂量计进行平面剂量验证分析，证明其可行性；意大利国立卫生研究院E.Basile等人[8]设计一款分段读出的透射电离室，利用气隙和正交的读出条带进行二维分布采集，有效探测范围为10 cm×10 cm; E.Cisbani等人[9]利用27 eV质子束对透射平面电离室进行初步测试，得到了较好的束流二维分布情况。

了解到目前质子治疗设施中质子束位置与剂量采集多使用国外研制的探测器的情况,质子治疗所用束流能量范围为75～235 MeV，对质子治疗所用的质子束流进行测量，同时将探测系统国产化，提出一种双采集极的新型平板电离室。该电离室可以在对束流影响较小的情况下，针对束流位置二维分布与剂量信息同时测量，解决目前仅就束流单一参数进行测量的情况。

1 电离室的设计

1.1 设计原理

质子通过电离室中的灵敏体积时，会与气体发生相互作用，在质子的径迹中电离进而产生电子离子对。电子在电场的作用下向收集极移动，形成感应电流。与传统平板电离室相比，为了获得入射粒子束二维分布和剂量信息，该探测器设计了两个收集极，分别为位置收集极与剂量收集极。位置收集极是由大小均匀、互相垂直的二维读出电极条组成，通过探测每个电极条上电流信号的大小，并结合电极条自身的位置，利用重心法得到入射粒子的位置。另外，由于电离室对质子束的影响较小，可以将位置收集极中每个电极条上的电流信号进行加和并与剂量收集极进行比较，保证测量的准确性。

1.2 电离室结构

电离室总体由三块高压电极与两块收集电极构成，位置采集由相互垂直的两面铝膜构成，其中每面收集极上平行放置120条矩形电极。剂量采集由与位置采集相同厚度的正方形铝膜构成。电离室结构示意图如图1所示。

图1 电离室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of ionization chamber structure

电离室的有效探测范围为240 mm×240 mm。为了得到较好的耐辐照性能和优良的机械属性，将聚酰亚胺作为电极的载体，在其两侧覆盖0.1 μm厚度的铝刻蚀条作为读出电极。240条读出电极条尺寸为1.9 mm×240 mm，间隙0.1 mm。电极产生感应信号传递给电子学模块，最终通过UDP通讯协议发送到上位机中进行处理与显示。

2 电场模拟

为了保证电离室对质子束流位置采集的准确性，减小电场波动导致的粒子漂移，利用有限元模拟软件对位置收集极进行建模，得到不同电极条宽度与间距对电场均匀性的影响，优化电离室结构。

2.1 计算模型及方法

平板电离室局部结构如图2所示，沿着x方向排列的宽度为W的电极条，彼此间距为D，沿着y方向排列位置收集极与高压电极间的距离为H。

图2 电离室位置收集极示意图Fig.2 Schematic diagram of partial structureof ionization chamber

利用Ansys有限元分析软件模拟了不同W、D数值对电场分布的影响[10]。由于质子电离过程只发生在空气灵敏体积中，因此只需要对空气进行网格划分。电离室的位置收集极由相同结构的电极条平行排列组成，对电离室位置收集极进行局部模拟即可得到整个位置收集极中不同参数对电场均匀性的影响，选取位置收集极中心作为模拟位置起始原点。

2.2 电极条宽度W对电场的影响

控制电极条间距D为0.25 mm、位置收集极与高压极的间距H为7 mm、电压U为2 000 V时，选取距离位置收集极0.5 mm和1.5 mm处进行不同电极条宽度W对电场的模拟，结果如图3所示。由图3(a)可知，随着电极条宽度W的增加，电场分布并没有产生太大变化，且电场的波动范围并不随着电极条宽度的减小而产生线性变化；由图3(b)可知，电极条宽度W对电场波动性的影响先减小后增大，但相差都在0.2 V·mm-1，对粒子漂移影响较小。由于工艺的原因最终选择电极条宽度W为1.9 mm。

图3 不同电极条宽度W下x方向上的电场强度分布Fig.3 The electric field intensity distribution in the x direction under different electrode strip widths

2.3 电极条间距D对电场的影响

W=1.9 mm、H=7 mm、U=2 000 V时，选取距离位置收集极0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm处进行不同电极条间距D对电场的模拟，结果如图4所示。由图4可知，随着模拟位置与电极条距离的增加，电场逐渐趋于稳定，且与电极条宽度W相比，电极条间距D对电场影响更大，其波动范围随着电极条间距D的增加而逐渐扩大。当间距D小于0.25 mm时，电场波动范围程度较低，因此电离室的电极条间距D设定为0.1 mm。

图4 不同电极条间距D下x方向上的电场强度分布Fig.4 The electric field intensity distribution in the x direction under different electrode strip spacing

3 Geant4模拟计算

在质子束流监测的过程中需要尽量减小质子束流能量与位置的影响。Geant4是用于模拟高能物理的开源代码程序，可供用户根据自身需要扩展、修改[11]。利用Geant4模拟不同能量质子束流穿过探测器后的横向散射以判断探测器对质子束流位置的影响，利用Geant4和SRIM模拟质子束流在不同材料中的布拉格峰位置，进而计算探测器的水等效厚度以判断探测器对质子束流能量的影响。Geant4模拟流程如图5所示。

图5 Geant4模拟流程图Fig.5 Geant4 simulation flow chart

3.1 质子束水平散射

质子进入探测器后与探测器发生反应产生水平方向的散射，利用Geant4模拟质子束流穿过探测器后的水平散射以分析探测器对质子束流位置的影响。在探测器后设置灵敏探测器接收粒子位置信息，横向散射σ为采集到同一方向质子位置的最大值与最小值之差。

如图6所示，在距离探测器中心50 mm位置处设置半径为0.01 mm呈高斯分布的平面源，并设定质子束能量范围为70～250 MeV。计算结果列于表1，随着质子束能量的增加，横向散射范围不断减少，且远小于电极条宽度，因此电离室对质子束二维分布影响较小。

图6 质子束水平散射Geant4模拟模型图Fig.6 Geant4 simulation model of protonbeam horizontal scattering

表1 不同能量下质子束的横向散射σTab.1 Lateral scattering σ of proton beamsat different energies

3.2 探测器对质子束流能量的影响

质子进入靶物质后沉积最大能量的位置称为质子的布拉格峰，医学利用布拉格峰对肿瘤进行放射治疗。通过模拟质子在不同材料中的布拉格峰位置，计算探测器的水等效厚度，研究电离室对质子束流能量的影响。

质子束在不同介质中的布拉格峰位置R随着质子入射能量E的变化而变化。对于同一介质，R与E成幂函数关系，表达式为R=αEp[12]。通过模拟不同能量质子束在不同介质中布拉格峰的位置R可知，在不同介质中，p值大致相同。R水/R介质与入射能量E无关，为了保证模拟结果的准确性，利用SRIM与Geant4在相同条件下模拟得到质子在不同物质中的布拉格峰位置。不同软件模拟得到电离室构成物质的R水/R介质值列于2。

表2 水与不同介质布拉格峰位置之比和不同介质厚度Tab.2 Ratio of water to different media Bragg peakpositions and different media thicknesses

对于非均匀介质电离室而言，水等效厚度修正公式为：

WED=R水/R铝×d铝+R水/R聚酰亚胺×

d聚酰亚胺+R水/R空气×d空气

(1)

式中，d铝、d聚酰亚胺…分别代表不同介质的厚度[13]。分别带入两组参数进行计算得到水等效厚度为203.2 μm(Geant4)、196.1 μm(SRIM)。两种软件得到的结果差距在4%之内，差距较小。通过水等效厚度可以知道质子束在穿过探测器之后的能量损失。图7为SRIM模拟100 MeV能量质子在水中的布拉格峰位置，模拟结果布拉格峰位置为76.1 mm。电离室的水等效厚度处于μm量级，证明了电离室对质子束的影响较小。

图7 100 MeV能量质子在水中的布拉格峰位置Fig.7 Bragg peak position of 100 MeVenergy proton in water

4 电离室实验测试

4.1 电子学噪声测试

在没有放射源的环境中分别对电子学系统噪声及其连接电离室后的系统噪声进行测试，采集所有通道的数据信息，结果如图8所示。

图8 探测器系统的电子学噪声Fig.8 Electronic noise in detector systems

从图8可以看出，当仅连接电子学部分，本底噪声较为平稳，最大值为0.482 nA。连接电离室后，本底噪声增加，波动性变大，这是由于不同电极条性能差异导致，如电极条表面的平整度、电极条与数据线连接处的紧密度、焊点的虚实程度等。但无论是否连接电离室，电子学系统的本底噪声都在nA水平，满足高能质子束流的测量需求。

4.2 束斑位置采集测试

对于束斑位置的采集，分别使用中国科学院高能物理研究所的450 kV X射线管、6 MeV脉冲加速器产生的X射线束和北京大学串列加速器产生的10 MeV质子束进行测试。

实验所用450 kV X射线管为Y.TU 450-F02双极金属陶瓷X射线管。X射线管靶材为钨靶，最大管电压为450 kV，最大管电流为10 mA，出射X射线经过准直在竖直方向的出射角为10°。利用红外线定位测量仪使得X射线机出射口与电离室中央位置平齐。

实验过程中将X射线管电压设置为300 kV，电流设置为10 mA，束流准直器宽度为1 cm，利用ORTEC556 H高压电源为电离室提供1 500 V的电压，电离室的积分时间设置为0.1 ms，利用导轨对X射线管进行上下平移，主要针对y方向电极条进行测试；X光机经过限束光阑准直后光束为矩形，利用铅砖放置在电离室前进行屏蔽，主要针对y方向电极条进行测试。实验结果如图9所示。

图9 450 kV实验结果Fig.9 450 kV test results

由图9(a)、(b)可知，随着光机上移4 cm，束流显示上升了20个通道，一个通道代表一个电极条，电极条与间隙总和宽度为2 mm，与光机上移位置相匹配,初步证明了电离室竖直方向位置采集的可行性。由图9(e)可知，当利用铅砖对电离室左侧进行遮挡时，仅有右侧采集到数据，并进行显示。初步证明了电离室水平方向位置采集的可行性。

上面的实验证明了电离室对连续束流采集的可行性，为了进一步测试电离室对脉冲束流的采集，利用中国科学院高能物理研究所内的脉冲加速器进行实验。实验过程中脉冲频率为80 Hz，产生X射线强度为6 MeV，电离室的工作电压为1 500 V，积分时间设置为20 ms，实验结果如图10所示。从图中可以看出，采集到的束流信息为5个电极条宽度，即1 cm，与束流准直器宽度相符，初步证明了电离室对于脉冲束流采集的可行性。

图10 脉冲加速器实验结果Fig.10 Experimental results of pulsed accelerator

利用北京大学串列加速器产生的能量为10 MeV、束流强度为0.13 nA的质子束进行实验。利用准直器将出射束流的直径设置为1 cm，电离室的工作电压为1 500 V，积分时间为0.1 ms。实验结果如图11所示。

图11 质子束流实验结果Fig.11 Proton beam experiment results

由图11可以看出，电离室成功采集到10 MeV能量质子束流，并进行显示。但从二维显示中仅能得到束流x、y方向宽度小于11个电极条宽度。为了精确获得采集到的束流信息，将x、y方向探测器采集到的信号进行提取，利用Origin进行绘图[14]，结果如图12所示。

图12 x、y方向探测器信号Fig.12 x,y direction detector signal

从图12(a)中可以看出，x方向70～75通道采集到束流信号共5个电极条，即1 cm宽度。图12(b)中可以看出，y方向55～60通道采集到束流信号共6个电极条，即1.2 cm宽度。55～60通道采集到的信号强度较低，一个电极条宽度与间隙共2 mm，束流照射的宽度小于2 mm，导致电极条采集到信号，但信号幅度不大，共有6个电极条采集到信号的情况出现。

以上实验结果说明我们设计的多阳极平板电离室能够针对连续束流与脉冲束流进行采集。

5 结论

本文利用蒙特卡罗和Ansys有限元方法对研制电离室参数进行模拟，分析不同电极条宽度和电极条间距对电场的影响。结果表明，电极条宽度与电场变化幅度没有明显的对应关系，电场在y方向的变化幅度会随着电极条间距的缩小而减少，最终选择电极条宽度为1.9 mm，电极条间距为0.1 mm。同时针对70～250 MeV能量质子束穿过电离室后的横向散射和电离室本身的水等效厚度进行计算，束流横向散射较小，水等效厚度处于μm量级，电离室对质子束流位置与能量影响较小。利用YXLON 450 kV X射线管、6 MeV脉冲加速器，北京大学质子束对电离室位置采集进行测试，实验结果可以看出，电离室能够采集连续X射线与脉冲X射线，对于10 MeV质子束流也能成功采集。

下一步准备针对75～235 MeV质子放疗水平的质子束流进行位置与剂量采集测试，同时利用标准辐射场对电离室剂量测量进行测试与校准，优化数据平滑方法，提高二维显示质量，提高探测器位置采集的分辨率。