Устройство для облучения ускоренными электронами

 

Изобретение относится к ядерной технике, к облучающим устройствам и предназначено для использования, преимущественно, в медицине, при радиационной терапии. Целью изобретения является повышение точности мониторирования дозы облучения. Устройство содержит ускоритель 1 электронов, коллиматор-тубус 2 с уступом 3 на внутренней поверхности. В уступ встроена тороидальная герметичная ионизационная камера 4 монитора дозы облучения с жесткими стенками. Внутри коллиматора-тубуса расположены первая 6 и вторая 10 негерметичные ионизационные камеры с электродами их металлизированной лавсановой пленки. Камера 6 имеет тороидальный рабочий объем и регистрирует, как и камера 4, ток электронов в периферийной, не используемой части пучка. Камера 10 имеет дисковидный рабочий объем, диаметр которого определяется апертурой коллиматора-тубуса, и регистрирует ток электронов в центральной части пучка. Устройство содержит также экран 5, первый 14 и второй 17 блоки измерения отношения сигналов, компаратор 15, узел 16 блокировки излучения ускорителя и сигнализации, интегратор 18. Использование изобретения позволяет уменьшить погрешности мониторирования дозы облучения, связанные с непостоянством атмосферного давления, температуры и состава окружающего воздуха, флуктуациями распределения плотности тока по сечению электронного пучка при минимальном возмущении центральной части пучка, используемой для облучения. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной технике, к облучающим устройствам, и предназначено для использования, преимущественно, в медицине, при радиационной терапии. Целью изобретения является повышение точности мониторирования дозы облучения. На фиг. 1 схематически изображены основные элементы устройства и их взаимосвязи; на фиг.2 выполнение входящих в состав устройства первой и второй негерметичных ионизационных камер с общими внешними электродами-стенками. Устройство содержит ускоритель 1 электронов, которым может быть, в частности, бетатрон, с рабочим диапазоном энергий например, 4-10 МэВ, коллиматор-тубус 2, угол раствора которого соответствует угловой расходимости электронного пучка. На внутренней поверхности коллиматора-тубуса выполнен уступ 3, торцевая поверхность которого направлена навстречу потоку электронов. В уступ встроена тороидальная герметичная ионизационная камера 4 монитора дозы облучения, стенки которой выполнены достаточно жесткими для предотвращения деформации их из-за перепадов давления внутри и снаружи камеры при изменениях температуры атмосферного давления. При этом толщина стенки со стороны ускорителя составляет менее длины пробега электронов с минимальной из рабочего диапазона энергией в материале, из которого изготовлена стенка. При указанных выше значениях энергии электронов стенка камеры 4 может быть изготовлена из дюралюминия толщиной 0,5 мм. Используемые в конструкции камеры изоляторы выполнены из керамики с большим объемным сопротивлением. Перед поверхностью уступа 3 (по ходу электронного пучка) расположен тороидальный экран 5, толщина которого вдоль оси коллиматора-тубуса превышает длину пробега в его материале электронов с максимальной энергией из рабочего диапазона энергий ускорителя. В рассматриваемом случае тороидальный экран 5 может быть выполнен, например, из латуни и иметь толщину 6 мм. Внутренний диаметр тороидального экрана равен внутреннему диаметру кольцевой поверхности уступа в месте их сопряжения, а внутренняя поверхность экрана является продолжением внутренней поверхности коллиматора-тубуса после уступа. Внешний диаметр тороидального рабочего объема встроенной в уступ ионизационной камеры превышает внешний диаметр кольцевой поверхности уступа более, чем на величину пробега электронов с максимальной энергией из рабочего диапазона энергий ускорителя в материале экрана. Внешний диаметр тороидального экрана превышает внутренний диаметр тороидального рабочего объема встроенной в уступ ионизационной камеры более, чем на величину пробега электронов с максимальной энергией из рабочего диапазона энергий в материале экрана, например, в рассматриваемом случае, на 6 мм. Соосно коллиматору-тубуса перед тороидальным экраном расположена первая негерметичная плоскопараллельная ионизационная камера 6 со стенками-электродами 7, 8 и собирающим кольцевым электродом 9, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру торца тороидального экрана со стороны ускорителя с учетом поправки на расстояние между кольцевым собирающим электродом и тороидальным экраном и угловую расходимость пучка, а внешний диаметр ограничен апертурой тубуса. Соосно коллиматору-тубусу между уступом и выходным торцом тубуса расположена вторая негерметичная плоскопараллельная ионизационная камера 10 со стенками-электродами 11, 12 и дисковым собирающим электродом 13, диаметр которого ограничен апертурой тубуса в месте расположения. Эти первая и вторая ионизационные камеры имеют одинаковые межэлектродные зазоры и напряженности электрического поля между электродами, выполненными из лавсановой пленки с алюминиевым напылением. Устройство содержит, кроме того, первый блок 14 измерения отношения сигналов, многоканальный компаратор 15, узел 16 блокировки излучения ускорителя и сигнализации, второй блок 17 измерения отношения сигналов, интегратор 18. Выходы первой и второй негерметичных ионизационных камер соединены с входами первого блока 14 измерения отношения сигналов, выход которого соединен с входом многоканального компаратора 15. Выход компаратора, соответствующий используемому значению энергии электронов, соединен с входом узла 16 блокировки излучения ускорителя и сигнализации. Выход ионизационной камеры 4, встроенной в уступ 3 и выход первого блока 14 измерения отношения сигналов соединены с входами второго блока 17 измерения отношения сигналов, выход которого соединен с входом интегратора 18. Первая и вторая негерметичные плоскопараллельные ионизационные камеры 6 и 10 могут быть выполнены (фиг.2) с общими внешними стенками-электродами 19, 20 из лавсановой пленки с алюминиевым напылением и двумя соосными с коллиматором-тубусом собирающими электродами кольцеобразным электродом 21 первой ионизационной камеры и дисковым электродом 22 второй ионизационной камеры, выполненными металлизацией алюминием общей для них пленочной основы. Внешний диаметр электрода 21 равен диаметру апертуры коллиматора-тубуса в месте размещения камер, а внутренний диаметр этого электрода равен внешнему диаметру тороидального экрана 5. Диаметр электрода 22 равен внутреннему диаметру торцевой поверхности уступа 3. Указанные соотношения должны использоваться с учетом поправок на расходимость пучка электронов и расстояния между плоскостью электродов 21, 22 и торцовыми поверхностями уступа 3 и экрана 5. Устройство работает следующим образом. Из генерированного ускорителя 1 пучка электронов при помощи коллиматора-тубуса 2 выделяется центральная часть пучка флуктуации в пространственном распределении плотности тока электронов в которой не приводят к флуктуации в дозном распределении, большим наперед заданных значений. Указанная часть пучка проходит через дисковый рабочий объем второй негерметичной ионизационной камеры 10, после чего выводится из устройства и используется для облучения пациента или фантома 23. Не используемая для облучения периферийная часть пучка электронов проходит через рабочий объем первой негерметичной ионизационной камеры 6 и далее попадает на уступ 3 и в рабочий объем герметичной ионизационной камеры 4 монитора дозы облучения. Выходные сигналы ионизационных камер 6 и 10 поступают на входы первого блока 14 измерения отношения сигналов, изменения выходного сигнала которого служат мерой постоянства формы радиального распределения плотности тока в электронном пучке. Амплитуда этих изменений является характеристикой функционирования ускорителя. Выходной сигнал блока 14 сравнивается в компараторе 15 с заданными пороговыми значениями, соответствующими нормальному функционированию ускорителя при выбранной энергии электронов, для чего используется соответствующий этой энергии канал компаратора. Такое сравнение позволяет судить о соответствии дозного распределения в теле пациента запланированному по нормированному калибровочному распределению и исключает возможность продолжать облучение, если пространственное распределение плотности тока в пучке отличается от нормального недопустимо сильно из-за неполадок в работе ускорителя. В этом случае компаратор 15 вырабатывает сигнал, приводящий к срабатыванию узла 16 блокировки излучения ускорителя и сигнализации к прекращению облучения. Поскольку в любой момент времени давление, температура и состав воздуха в ионизационных камерах 6 и 10 одинаковы, а камеры имеют одинаковые межэлектродные зазоры с одинаковыми напряженностями электрического поля в них, на величину выходного сигнала блока 14 не влияют изменения параметров воздушной среды в рабочих объемах этих камер, которые могут быть вызваны колебаниями температуры окружающей среды и атмосферного давления. Выходной сигнал ионизационной камеры 4, встроенной в уступ 3, не зависит от атмосферного давления и температуры, поскольку она герметична и имеет жесткие стенки. Благодаря изготовлению изоляторов этой камеры из радиационностойкого материала (например, высокоомной керамики) постоянен и состав газовой среды ее рабочем объеме. Выходной сигнал ионизационной камеры 4 поступает на один из входов второго блока 17 измерения отношения сигналов, на второй вход которого поступает выходной сигнал блока 14. За счет этого выходной сигнал ионизационной камеры 4 нормируется на текущее соотношение между плотностями токов электронов в периферийной и центральной частях пучка. Нормированный сигнал с выхода блока 17 поступает на интегратор 18, служащий для измерения суммарной дозы облучения. Ионизационный ток I_м камеры 4 пропорционален току электронов пучка через тороидальный рабочий объем ионизационной камеры 6 и, следовательно, ионизационному току этой камеры I₁. I_м К₁(Е)I₁, где Е энергия электронов. При каждой фиксированной энергии К₁(Е)=const при практически наблюдаемых флуктуациях распределения плотности тока в пучке. Это обеспечивается реализацией геометрии "узкий пучок широкий детектор", обусловленной указанными выше размерами и взаимным расположением встроенной в уступ камеры и тороидального экрана перед ней, практически исключающими краевые эффекты облучения этой ионизационной камеры и связанную с ними возможную нелинейность между током электронов на камеру и ее выходным сигналом. Мощность дозы в облучаемом объекте, мерой которой может служить ионизационный ток I_к вспомоготельной калибровочной ионизационной камеры 24, размещенной в фантоме 23, пропорционален току электронов центральной части пучка через дисковидный рабочий объем ионизационной камеры 10, и, следовательно, ионизационному току этой камеры I₂ I_к К₂(Е)I₂. Так как , то I_k, или K(E)I_k, где K(E) = const при каждой фиксированной энергии. Учитывая, что мощность дозы облучения в месте размещения калибровочной камеры в фантоме М К_DI_K, где K_D const для данных материала фантома и калибровочной камеры, то величина q , опре- деляемая первым 14 и вторым 17 блоками измерения отношения сигналов, пропорциональная мощности дозы, q M является мерой мощности дозы, независимой от флуктуаций в распределении плотности тока пучка. При этом мерой дозы облучения является D q(t)dt, значению которой пропорционален выходной сигнал интегратора 18. Поскольку в каждый момент времени давление воздуха, температура, состав воздуха, межэлектродные зазоры и напряженности электрических полей между электродами в ионизационных камерах 6 и 10 практически одинаковы, то изменения давления атмосферного воздуха, температуры и его состава приводят к одинаковым относительным изменениям токов I₁ и I₂, не влияющим на выходной сигнал первого блока 14 измерения отношений сигналов, Зависимость ионизационного тока герметичной ионизационной камеры 4, встроенной в уступ и выполненной из материалов, не подверженных радиолизу, от атмосферного давления, температуры, состава воздуха практически отсутствует. Указанные обстоятельства, а также осевая симметрия всей системы ионизационных камер и перекрытие дисковидным рабочим объемом камеры 10 всей части пучка, облучающей фантом или пациента, и только этой части обеспечивают высокую точность мониторирования дозы. При этом выполнение электродов ионизационной камеры 10 из тонкой органической пленки практически исключает возмущение центральной части пучка, используемой для облучения. Выполнение негерметичных ионизационных камер 6 и 10 с общими внешними электродами-стенками позволяет дополнительно повысить точность мониторирования дозы за счет дополнительного уменьшения погрешностей, связанных с различиями в температуре и составе газовой среды в рабочих объемах этих камер. Таким образом, использование изобретения позволяет повысить, по сравнению с прототипом, точность мониторирования дозы за счет уменьшения погрешностей, связанных с непостоянством атмосферного давления, температуры и состава окружающего воздуха, флуктуациями распределения плотности электронного тока по сечению пучка при минимальном возмущении центральной части пучка, используемой для облучения. Кроме того, использование предлагаемого устройства позволяет исключить возможность облучения при отклонении режима работы ускорителя от заданного, соответствующего калибровочным дозным распределениям.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ УСКОРЕННЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, содержащее ускоритель электронов, коллиматор-тубус, имеющий на внутренней поверхности уступ, торцевая поверхность которого направлена навстречу потоку электронов, первый и второй детекторы, первый блок измерения отношения сигналов, многоканальный компаратор, узел блокировки излучения и сигнализации, ионизационную камеру монитора дозы облучения, интегратор дозы облучения, причем выход первого блока измерения отношения сигналов соединен с входом многоканального компаратора, выход которого соединен с входом узла блокировки излучения и сигнализации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности мониторирования дозы облучения, ионизационная камера монитора дозы облучения выполнена с жесткими стенками, встроена в уступ, перед которым, по ходу пучка электронов, установлен тороидальный экран, и имеет герметичный тороидальный рабочий объем, внешний и внутренний диаметры которого, соответственно, больше внешнего диаметра торцевой поверхности уступа и меньше внешнего диаметра тороидального экрана более, чем на длину пробега электронов пучка в материалах уступа и экрана, толщина стенки этой ионизационной камеры меньше, а вместе с толщиной тороидального экрана - больше длины пробега электронов пучка в материалах, из которых они изготовлены, а внутренний диаметр тороидального экрана равен диаметру торцевой поверхности уступа, к которой примыкает экран. Первый и второй детекторы выполнены в виде соосных коллиматору-тубусу негерметичных плоских ионизационных камер с электродами малой, по сравнению с длиной пробега электронов пучка, толщины из материала с низким атомным номером и имеют одинаковые межэлектродные зазоры, при этом первая ионизационная камера размещена по ходу пучка электронов, перед уступом, выполнена с тороидальным рабочим объемом, внешний диаметр которого равен диаметру апертуры коллиматора-тубуса до уступа, внутренний диаметр - внешнему диаметру торца тороидального экрана, а вторая ионизационная камера выполнена с дисковидным рабочим объемом, диаметр которого равен внутреннему диаметру торца уступа, причем указанные соотношения размеров даны с учетом поправок на расходимость электронного пучка, кроме того, устройство содержит второй блок измерения отношения сигналов, при этом выходы первой и второй ионизационных камер соединены с входами первого блока измерения отношения сигналов, выход которого и выход ионизационной камеры монитора дозы облучения соединены с входами второго блока измерения отношения сигналов, а выход этого блока - с входом интегратора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая и вторая ионизационные камеры выполнены с общими внешними электродами-стенками, а их собирающие электроды расположены в одной плоскости, причем собирающий электрод первой ионизационной камеры выполнен в виде кольца с внешним диаметром, равным диаметру апертуры коллиматора-тубуса до уступа и внутренним диаметром, равным внешнему диаметру торца тороидального экрана, а собирающий электрод второй ионизационной камеры выполнен в виде круга с диаметром, равным внутреннему диаметру торцевой поверхности уступа, при этом все соотношения размеров даны с учетом поправок на расходимость электронного пучка. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что электроды первой и второй ионизационных камер выполнены из металлизированной, преимущественно алюминием, пленки из органического материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---