基于硅像素传感器Topmetal的强子治癌束流监控器研制

摘要

癌症一直是人类致力攻克的难题，在治疗过程中放疗是经常被用到的手段。放疗使用的放射物媒介主要是高能X射线。随着技术的发展，强子（主要是质子和碳离子）也逐渐被用到放疗中。强子相对X射线的优势在于强子的大部分能量损失发生在射程的末端（布拉格峰），因此强子尤其适用于深部肿瘤和接近重要器官的肿瘤。目前，全球大约有70个质子和碳离子治疗中心正在运转。在强子治癌中，为了确保处方剂量能够精确的投递到肿瘤区域，必须要借助束流监控系统来实时地测量束流的强度、位置和轮廓。目前，平行板电离室普遍用来实时监控束流，它通常具有一个大电极或者条形电极以及像素电极。但是受限于毫米量级宽的金属条、像素电极，电离室不适用于监控同样毫米量级的笔形束流。此外，电离室的电荷收集效率易受平行板间距的影响。平行板间距的不均匀会导致束流位置、轮廓和强度的测量不准确。
　　Topmetal系列硅像素传感器是基于0.35μm CMOS工艺设计的硅像素传感器，它的特点是把每个像素最顶层的金属层开窗，做成裸露的金属电极，使其能够直接收集从空间中漂移过来的电荷。第一代传感器Topmetal-Ⅰ包含64×64个像素，单个像素面积是80×80μm2，在模拟读出时像素的等效电荷噪声为327e-。第二代传感器Topmetal-Ⅱ-包含72×72个像素，单个像素面积是83×83μm2，在模拟读出时像素的等效电荷噪声为13e-。
　　本论文研究了基于硅像素传感器Topmetal系列的新型束流监控器，主要有三个工作:
　　第一、基于Topmetal-Ⅰ的一维束流监控器的设计及性能研究;
　　使用一个硅像素传感器Topmetal-Ⅰ作为束流监控器阳极设计了一维束流监控器。在此束流监控器设计中，束流穿过监控器时不击中传感器，减轻了束流对监控器的辐射损伤，因而该束流监控器尤其适用于监控重离子束流。利用劳伦斯伯克利国家实验室88英寸回旋加速器产生的质子束流测试了束流监控器。束流测试验证了束流监控器的可行性。测试结果显示监控器的位置分辨好于35μm，强度精度好于8％;测得的束流中心位置的移动反映了束流的移动。另外，此监控器的位置分辨和强度精度不是监控器的本征分辨，还包含了束流本身的扰动。
　　第二、基于Topmetal-Ⅱ-阵列的一维束流监控器的设计及性能研究;
　　为了扩大束流监控器的灵敏区，使用八个硅像素传感器Topmetal-Ⅱ-作为阳极阵列设计了一维束流监控器。Topmetal-Ⅱ-相对于Topmetal-Ⅰ有更低的模拟读出噪声，因此基于Topmetal-Ⅱ-的束流监控器会有更高的灵敏度。在兰州近代物理研究所重离子研究装置浅层肿瘤治疗终端对束流监控器进行了性能测试。经准直板准直后的碳离子束流正好在一个Topmetal-Ⅱ-传感器的上方。结果显示束流监控器能够以位置分辨好于20μm、角度分辨大约0.5°、强度精度好于2％来测量束流的位置、入射角和强度。利用低于0.1mm的位置分辨，监控器能更好地监控毫米量级的笔形束。虽然传感器之间存在5.4mm的死区，但是这个监控器还是成功测量到了束流的一维轮廓。
　　第三、基于Topmetal-Ⅱ-阵列的二维束流监控器的设计及性能研究;
　　为了实现束流的二维轮廓测量，使用二维硅像素传感器阵列（共32个Topmetal-Ⅱ-）设计了二维束流监控器。在每个维度，两列传感器交错排列来消除死区。监控器的灵敏区为9×9cm2。监控器的数据通过TCP/IP协议连续读出。在兰州近代物理研究所重离子研究装置外靶实验终端的氩离子束流测试显示束流监控器能够每3.3ms测量一次束流的轮廓，并且能够测量束团的时间结构。
　　在强子治癌中，常用于束流监控的平行板电离室的位置分辨在亚毫米(＞0.1mm&＜1mm)量级。本文研制的基于硅像素传感器Topmetal-Ⅱ-的束流监控器的位置分辨好于20μm，能够满足毫米量级（尤其是1～2毫米）笔形束对位置分辨的要求。在本文束流监控器的设计中，束流穿过监控器时不击中传感器，减轻了束流对监控器的辐射损伤，因而该束流监控器尤其适用于监控重离子束流。并且监控器有助于减少高强度笔形束的复合。

目录

声明

摘要

1．1 强子治癌

1．2 束流投递系统

1．3 在线束流监控器

1．4 选题背景

1．5 论文结构

第二章 硅像素传感器Topmetal

2．1．2 单个像素结构

2．1．3 像素的电荷收集模型

2．1．4 α源成像

2．2 Topmetal-Ⅱ-

2．2．1 整体结构

2．2．2 单个像素结构

2．2．3 像素的电荷收集模型

2．2．4 像素的线性度

2．2．5 单个α径迹成像

第三章 基于Topmetal的强子治癌束流监控器工作原理

3．1 时间投影室工作原理

3．2 一维束流监控器工作原理

3．3 二维束流监控器工作原理

3．4 与电离室的比较

第四章 基于Topmetal-Ⅰ的一维束流监控器

4．1 设计

4．1．1 机械结构

4．1．2 控制与数据采集系统

4．2 束流测试

4．2．1 数据分析方法

4．2．2 时间常数τ

4．2．3 束流监控器的性能

4．3 信号仿真

4．4 小结

第五章 基于Topmetal-Ⅱ-阵列的一维束流监控器

5．1 设计

5．1．1 机械结构

5．1．2 控制与采集系统

5．2 束流测试

5．2．1 束流的二维投影

5．2．2 束流监控器的性能

5．3 小结

第六章 基于Topmetal-Ⅱ-阵列的二维束流监控器

6．1 设计

6．1．1 机械结构

6．1．2 控制与数据采集系统

6．2 束流测试

6．2．1 束流轮廓

6．2．2 束团的时间结构

6．3 小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录

在校期间发表的论文和科研成果

致谢