基于光纤传感技术的晨检仪研究及其性能分析

摘要

据研究数据显示，恶性肿瘤的发病率与死亡率在全球范围内呈逐年上升趋势，而放疗作为目前治疗肿瘤最有效的方式受到了医疗界的广泛关注。但是在放疗的过程中，对患者进行过量的X射线辐射会对患者体内的健康组织和细胞造成损伤，甚至诱发癌变。因此，在保证辐射剂量精确的同时保证治疗的安全有效是十分必要的，这就要求我们对加速器实施质量保证，一般是利用晨检仪对加速器进行日常质量检查。本文提出了一种利用光纤制成的X光探测器，以此作为新型晨检仪的辐射探测装置。该探测器利用将无机荧光材料嵌入塑料光纤纤芯内部的方法制作，具有体积微小、价格低廉、布设灵活的优点，可以满足在水下等特殊环境进行辐射剂量测量的要求。
　　为了探究该光纤X光探测器是否满足晨检仪辐射探测器的要求，本论文对其性能进行探测。首先，测量该光纤X光探测器在6MV与10MV束能量下接受不同照射剂量后的荧光累积强度，对其在不同条件下探测到的剂量的重复性进行计算，发现重复性误差低于0.3％;其次，分别对6MV与10MV束能量下光纤X光探测器的剂量线性进行测量，得到线性率R2优于0.99999;最后，在0-180°范围内改变光纤X光探测器的X光入射方向，对评价辐射剂量检测仪性能的角度依赖性进行了测试，得到最大误差率为0.4％。验证了利用Gd2O2S∶Tb这种无机荧光材料制成的光纤X光探测器具有优异的重复性与剂量率线性以及很低的角度依赖性，可以用其制成晨检仪对加速器进行日检。
　　同时，对该光纤X光探测器在应用到晨检仪中可能遇到的影响其工作性能的因素进行了分析。首先，对三种不同的光电探测器:多像素光子计数器(MPPC)、光电倍增管(PMT)以及光子计数探测器(PCD)的参数进行对比分析，并分别采集荧光信号，选择最适合本设计的光电探测器;同时，对光电探测器摆放位置进行改变，探究其处于治疗室中不同位置的探测光响应;其次，通过10次插拔实验探究插入损耗的影响，插入损耗的相对标准差为0.4％;然后，将光纤X光探测器置于不同水深位置处，比较其探测到的荧光强度与电离室吸收剂量的区别;最后在25℃-40℃的水温下对Gd2O2S∶Tb材料的光纤X光探测器在水中探测到的累积强度进行对比，探究温度的改变对探测到的累积强度的影响，同一剂量率条件下测量最大偏差为2％。
　　利用新型晨检仪对加速器输出剂量进行了测量，结果显示的光纤X光探测器与电离室测量不一致，为分析并解决这一问题，提出了利用原子序数较大的金属铜与铅对光纤X光探测器进行封装，并在射野内外利用以三种材料封装的探测器进行测试，结果显示铅封装的光纤X光探测器的响应曲线接近电离室结果。最后，设计了两种三维结构的晨检仪，其中一种可以灵活改变光纤X光探测器位置，另一种利用多层面板实现三维探测。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1肿瘤与放疗

1．2晨检仪的种类

1．3各种辐射探测器

1．3．1电离室辐射剂量检测系统

1．3．2胶片辐射剂量检测系统

1．3．3半导体辐射剂量检测系统

1．3．4发光辐射剂量检测系统

1．4光纤X射线传感器的基本设计

1．4．1有机荧光材料光纤辐射剂量检测仪设计

1．4．2无机荧光材料光纤辐射剂量检测仪设计

1．5本文的研究内容

第2章光纤型晨检仪工作原理

2．1塑料光纤导光原理及特性

2．2辐射荧光产生机制

2．2．1 X射线与物质相互作用

2．2．2掺铽硫氧化钆(Gd2O2S：Tb)发光性质

2．3光电探测器种类及工作原理

2．3．1硅光电倍增管及其工作原理

2．3．2光电倍增管原理

2．4晨检仪的工作机制

2．4．1基准线的创建

2．4．2常规定义的剂量学参数

2．4．3日常性能的检测

2．5本章小结

第3章光纤X光探测器性能探究

3．1光纤X光探测器的设计

3．2实验装置及方法

3．3光纤X光探测器性能探究

3．3．1重复性

3．3．2剂量线性

3．3．3角度依赖性

3．4本章小结

第4章光纤型晨检仪的设计与分析

4．1影响晨检仪性能的主要因素分析

4．1．1光强探测器选择的影响

4．1．2光电探测器安放位置与辐射环境的影响

4．1．3插入损耗的影响

4．1．4水深影响

4．1．5温度等因素的影响

4．2实验结果及优化

4．2．1光纤型晨检仪结构设计及其实验结果

4．2．2优化设计及结果

4．3三维结构光纤型晨检仪结构设计

4．3．1半球形可伸缩光纤加速器晨检仪

4．3．2三维阵列式光纤加速器晨检仪

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢