专利名称：用于测量能量粒子束的设备和方法
技术领域：
本发明涉及能量粒子束的剂量测定领域。更具体地，本发明涉及包括几个电离腔的设备以及能测量电离腔中的电荷收集效率因数的方法。
背景技术：
电离腔是通常用于放射疗法的标准剂量检测器。电离腔包括极化电极，其与集电极分开一包括任何性质的流体(包括空气)的间隙或空间。已经遇到了几种类型的电离腔，举例来说比如所谓的圆筒形电离腔和包括多个平行板的电离腔。圆筒形电离腔包括通常呈极细柱体形式的中心或轴向电极，该中心或轴向电极与包围所述中心或轴向电极的呈空心柱体或罩形式的第二电极隔离。包括多个平行板的电离腔具有与极化电极分开的集电极，所述集电极和极化电极为平状且彼此平行。用于剂量测定中的、包括在分离电离腔的集电极和极化电极的间隙或空间中的流体通常是气体，中性的或非中性的。当电离束穿过电离腔时，产生包括在电极和离子-电子对之间的气体的电离。通过在电离腔的两个电极之间施加电势差来产生电场。电场的存在使得能将这些离子_电子对分离并使得它们在电极上漂移，在所述电极处产生将被检测的电流。
图1的曲线是由集电极接收的电脉冲的振幅演变的一个示例，其是集电极和极化电极之间的电势差的函数。这个曲线能被分为覆盖不同气体检测器状态的6个区域-Zl 未饱和状态；-Z2 饱和状态；-Z3 比例状态；-Z4:有限比例状态；-Z5:盖革-穆勒状态；-Z6:持续放电状态；在称为未饱和状态区域的区域Zl中，当两个板之间的电场不存在时，存在离子-电子对的重组。通过在这两个电极之间施加逐渐增大的电势差，所得到的电场效率增大地分离离子-电子对，并且重组现象减弱。正电荷和负电荷以电场强度为函数被越来越快地朝着其相应电极驱动，降低气体中的离子浓度平衡，并且因而降低重组的数目。在电离腔中测量到的电流随着电离腔中产生的电场而增大，从而降低损失电荷量。当在这两个电极之间形成的电场足够强时，重组效应变得可忽略并且由电离过程所产生的所有电荷有助于测量电流。在这个水平，电荷收集效率最大并且增大这两个电极之间的电势差将不再能增大测得电流，原因是已经收集了所有产生的电荷并且电荷的形成速度恒定。接下来一个是称为饱和状态区域的区域Z2，在放射疗法中通常在区域Z2中进行电离腔中的剂量测量。 在这些条件下，测得电流很好地指示由粒子束在电离腔的容积中沉积的剂量。几个因素会有害于电离腔的饱和。其中最重要的是重组现象。这个现象能通过调节电离腔的不同参数(比如举例来说两个电极之间的间隙的厚度、包含在该间隙中的气体的性质和/或压力等)来最小化。重组效应也能取决于粒子束的尺寸和/或形状。重组现象也将以粒子束的电流强度为函数成比例地增大。由于重组产生的电流损失百分比以及因此在真实饱和区域下方测得的电流的误差百分比与电流强度成比例地增大。对于较小强度的粒子束，重组效应不是决定性的。为了测量高强度的粒子束，需要电极之间足够高的电势差以在饱和状况下工作。对于非常高强度粒子束的电流，像在先前的放射疗法技术中遇到的那些一样，达到了传统电离腔的技术使用限制。重组现象变得非常显著，并且那么可靠的测量校正方法就很关键。通过将由于重组所引起的显著误差考虑在内，将能在靠近饱和状态区域的所谓未饱和状态区域Zl中工作。在此情况下，必须知道电离腔的饱和水平，其是粒子束电流的函数。使用作为收集电流强度的函数的粒子束电流强度的校准曲线能通过测量作为粒子束电流的函数的电离电流来进行，其目的是了解粒子束电流。但是为了让这种校准保持有效， 必须让其他参数(比如施加于两个电极之间的电势差、间隙、电离腔内的压力、粒子束的能量、尺寸和形状)保持恒定。这种方法的另一缺陷在于，其不能区分由于粒子束电流引起的信号变化和由于电离腔的参数之一的反常所引起的信号变化。为了弥补这些测量问题，就必须有使得能在宽的强度范围内测量粒子束电流的新的剂量测定设备。
发明内容
本发明旨在提供一种没有现有技术的设备和方法的缺点的设备和方法。尤其，本发明旨在能测量经受能量粒子束的电离腔中的电荷收集效率因数。本发明的另一目的是能在电离腔中的电荷收集效率不是最大时(即在电离腔具有显著重组现象的状况下)测量由可变能量和/或强度的粒子束所沉积的剂量或剂量率。本发明的又一目的是提供一种覆盖宽粒子束电流强度范围的剂量测定设备。本发明的第一方面涉及一种用于来自源的能量粒子束的剂量测定设备，其包括至少第一和第二电离腔，每个电离腔包括集电极和极化电极，每个电离腔的所述电极由包括具有预定压力和温度的流体的间隙或空间分隔，所述电离腔构造为被来自相同源的能量粒子束穿过，该设备的特征在于所述电离腔具有不同的电荷收集效率因数。根据本发明，该设备包括获取设备，该获取设备连接至执行基于以下方面来计算由所述粒子束沉积的剂量率的算法的计算机-测量每个所考虑电离腔中的输出信号；以及_关于第一电离腔的“增益”因数由以下等式给出
I-(I)
__V . /normG = I2
“ι-/其中-G是关于第一电离腔(ICl)的“增益”因数，— (f) _是两个所考虑电离腔(ICl和IC2)中的输出信号G1和i2)的理论值由
h
其相应放大因数的比率(R1/R2)归一化的比率，每个放大因数取决于所考虑电离腔中的所述流体、间隙的宽度以及粒子束在所述流体中的穿透能力，-f,是第一电离腔(ICl)中的电荷收集效率因数的理论值，所述理论输出信号值(i1; i2)和以所述考虑腔(ICl和IC2)的本征和/或非本征参数为函数并且以粒子束的电流强度值为函数计算，所述增益因数与所述粒子束的值无关。根据本发明的一个具体实施例，所述计算算法能执行以下步骤-测量两个所考虑电离腔中的输出信号G1和i2)，并且建立所述输出信号G1和
i2)之间的归一化比率
12-基于算法的第一步骤的结果以及基于所考虑电离腔的“增益”因数的知识来计算电荷重组率(1-f)并推导所考虑电离腔中的电荷收集效率因数(f)；-基于所考虑电离腔中的电荷收集效率因数计算由粒子束沉积的剂量率。电荷收集效率因数与电离腔的敏感性有关并且能定义为表示测量设备的输出信号的变化的参数，其是输入信号的变化的函数。尤其，输出信号是在电离腔的出口处测得的电流。对于电离腔，敏感性能取决于-分隔集电极和极化电极的间隙的厚度，_这两个电极之间的电势差，-包括在这两个电极之间的流体的性质，-包括在这两个电极之间的流体所处的压力和/或温度，-电离腔的几何形状，-电离腔相对于能量束的源的位置而言的位置，-能量吸收器在电离腔和源之间的存在与否。最后两个因素定义电离腔的非本征参数，而第一个因素定义其本征参数。“不同”指的是非常小的变化，至少0. 05%，优选地至少0. 1 %，更优选地至少1 %。 实际上，对于从1至IOOnA的束电流而言大于0. 05%的效率因数差别已经足以产生显著的电流变化(大于1%)。在本发明的第一实施例中，所述电离腔就包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙厚度而言存在差别。在本发明的第二实施例中，其可本发明的第一实施例组合或可不与其组合，所述电离腔就在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间形成的电场而言存在差别。在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第三实施例中，所述电离腔就存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的性质而言存在差别。在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第四实施例中，所述电离腔就存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的压力和/或温度而言存在差别。在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第五实施例中，所述所考虑电离腔在其相对于所述源的位置的空间位置(几何形状和/或定位)方面存在差别，使得进入每个电离腔的粒子束场对于不同电离腔而不同。
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在本发明的与一个或多个前述实施例相组合的第六实施例中，所述电离腔由一个或多个能量吸收器所分隔，因此进入每个电离腔的能量束对于不同电离腔而不同。本发明的第二个方面涉及一种基于上述剂量测定设备的使用来测量由粒子束沉积的剂量率的方法。根据这种创造性的方法，执行以下步骤，其中(i)使用根据任一前述实施例的设备，对于所述设备，选择每个所考虑电离腔的本征参数和/或非本征参数；( )建立“增益”因数，由等式
权利要求
1.一种用于来自源的能量粒子束的剂量测定设备，其包括至少第一和第二电离腔 (ICl和IC2)，每个电离腔包括集电极和极化电极，每个电离腔的所述集电极和极化电极由包括流体的间隙或空间分隔，所述电离腔构造为被来自相同源的能量粒子束穿过，所述设备的特征在于所述电离腔具有不同的电荷收集效率因数，并且该设备包括获取设备，所述获取设备连接至基于以下方面执行计算由所述粒子束沉积的剂量率的算法的计算机-测量每个所考虑电离腔中的输出信号；以及 -关于第一电离腔的“增益”因数由以下等式给出
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述计算算法能执行以下步骤-测量两个所考虑电离腔中的输出信号G1和i2)，并且建立所述输出信号值G1和i2)之间的归一化比率
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在包括在所述集电极和极化电极之间的间隙厚度方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。
4.根据前述任一权利要求的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在所述集电极和极化电极之间所形成的电场方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。
5.根据前述任一权利要求的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的性质方面存在差别，带来电荷收集效率因数差别。
6.根据前述任一权利要求的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在存在于包括在每个电离腔的所述集电极和极化电极之间的间隙中的流体的压力和/或温度方面存在差别， 带来电荷收集效率因数差别。
7.根据前述任一权利要求的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔在其几何形状和/ 或相对于所述源的位置的定位方面存在差别，使得进入每个电离腔的粒子束场对于不同电离腔而不同，带来电荷收集效率因数差别。
8.根据前述任一权利要求的设备，其特征在于，所述所考虑电离腔由一个或更多个能量吸收器所分隔，使得进入每个电离腔的粒子束场对于不同电离腔而不同，带来电荷收集效率因数差别。
9.一种用于测量由来自源的粒子束沉积的剂量率的方法，其特征在于执行以下步骤 (i)使用根据任一前述权利要求的设备，对于所述设备，选择每个所考虑电离腔的本征参数和/或非本征参数；( )建立“增益”因数，由等式
10.根据权利要求9的用于测量由粒子束沉积的剂量率的方法，其特征在于，由粒子束沉积的剂量率的所述计算使用以下步骤来进行(i)计算在两个所考虑电离腔(ICl和IC2)中测得的输出信号G1和i2)的归一化比率
11.根据权利要求9或10的测量方法的用途，用来执行其中电流强度大于InA的能量粒子束的剂量率测量。
全文摘要
本发明涉及用于来自源的能量粒子束的剂量测定设备，其包括至少第一和第二电离腔，每个电离腔包括集电极和极化电极，每个电离腔的所述集电极和极化电极由包括流体的间隙或空间分隔，来自相同源的能量粒子束穿过所述电离腔，所述设备的特征在于所述电离腔具有不同的电荷收集效率因数。所述粒子束沉积的剂量率的计算算法基于每个电离腔中的输出信号的测量结果并基于与第一电离腔相关的增益因数，所述增益因数基于所述电离腔的本征和/或非本征参数在理论上预先确定。
文档编号H01J47/02GK102484029SQ201080040347
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月23日 优先权日2009年7月24日
发明者D·普芮里斯 申请人:离子束应用股份有限公司