重離子徑跡影像探測(cè)器研制及初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試

閆思齊 盧小龍 黨秉榮 段利敏 李文建 李占奎宋海宏 嚴(yán) 巖 韋 崢 王 潔 王俊潤(rùn) 姚澤恩

1（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

2（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

由于重離子所表現(xiàn)出的獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)及劑量分布優(yōu)勢(shì)，重離子治療被認(rèn)為是一種較理想的放射治療方式[1]。在重離子治療研究中，重離子的劑量及相對(duì)生物效應(yīng)與重離子在組織中的傳能線密度LET (Linear Energy Transfer)和徑向能量沉積分布D(r)（r為重離子徑跡的徑向距離）等密切相關(guān)[2]，即需要研究和正確描述重離子在組織中的傳輸徑跡。目前，有關(guān)重離子在組織中的傳輸徑跡及劑量分布的蒙特卡羅模擬研究已得到了快速發(fā)展[3?4]，但模擬結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。因此，發(fā)展重離子徑跡探測(cè)器用以實(shí)驗(yàn)測(cè)量和正確描述重離子的徑跡及能量沉積十分必要。采用傳統(tǒng)的固體徑跡探測(cè)器(如CR-39)雖然可以實(shí)現(xiàn)重離子的徑跡測(cè)量[5]，但需離線處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量。近年來(lái)，隨著氣體雪崩電離室和 CCD (charge-coupled device)相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種可用于重離子徑跡的在線實(shí)時(shí)測(cè)量的探測(cè)器系統(tǒng)被提出[6?7]，并得到了應(yīng)用和快速的發(fā)展[8?10]。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展過(guò)類似的研究工作，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所正在開(kāi)展重離子治療癌癥方面的研究工作[11]，為了能開(kāi)展更精細(xì)的與重離子治療相關(guān)的基礎(chǔ)研究，發(fā)展了一種重離子徑跡影像探測(cè)器，并完成了初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

另外，隨著中國(guó)載人航天事業(yè)的發(fā)展，航天器及宇航員需要在太空滯留較長(zhǎng)的時(shí)間。盡管太空中宇宙射線主要為高能質(zhì)子（約占 84.3%），重離子成分較?。é亮Ｗ蛹捌渌亓Ｗ蛹s占 15.7%），但因重離子具有很高的電離能力，其對(duì)航天器元件及宇航員的輻射效應(yīng)不容忽視[12]。因此，所發(fā)展的重離子徑跡影像探測(cè)器在航天領(lǐng)域基礎(chǔ)研究方面也有重要的應(yīng)用前景。

1 重離子徑跡影像探測(cè)器原理[6?10]

生物體中 DNA雙螺旋線間距在納米量級(jí)，細(xì)胞核的大小在微米尺度。目前，在此精度下直接測(cè)量生物體中重離子徑跡及能量沉積在技術(shù)上還存在困難。重離子徑跡影像探測(cè)器系統(tǒng)采用氣體電離室等效放大生物組織，通過(guò)重離子穿過(guò)氣體電離室模擬重離子在生物組織中的輸運(yùn)徑跡及能量沉積的空間分布。

重離子徑跡影像探測(cè)器基本原理如圖1所示。氣體電離室由陰極、陽(yáng)極、分壓電極以及兩個(gè)間隔較小的放大電極構(gòu)成的雪崩放大區(qū)（第一個(gè)放大電極和陽(yáng)極之間形成第1個(gè)放大區(qū)，第一個(gè)放大電極和第二個(gè)放大電極之間形成第2個(gè)放大區(qū)）組成。陰極接負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，兩個(gè)放大電極接正高壓，電離室中充合適的工作氣體。入射重離子穿過(guò)氣體電離室時(shí)，與其中的氣體分子碰撞可使其電離，產(chǎn)生電子和正離子。在陰極和陽(yáng)極間電場(chǎng)的作用下，正離子向陰極漂移，電子向陽(yáng)極漂移并被加速。載能電子進(jìn)入第1個(gè)放大區(qū)發(fā)生雪崩電離，實(shí)現(xiàn)電子的高比例倍增，倍增的電子進(jìn)入第2個(gè)放大區(qū)繼續(xù)倍增并與氣體分子相互作用，發(fā)射大量的光子，光子產(chǎn)額與電子產(chǎn)額呈正比例關(guān)系[6?10]。光子穿過(guò)有機(jī)玻璃窗后，經(jīng) UV-鏡頭聚焦被CCD相機(jī)記錄，由在線分析系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成重離子的徑跡影像。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Schematic view of the track imaging detector.

2 重離子徑跡影像探測(cè)器結(jié)構(gòu)

所研制的重離子徑跡影像探測(cè)器結(jié)構(gòu)及組成如圖2所示。探測(cè)器系統(tǒng)由雪崩氣體電離室、CCD影像數(shù)據(jù)獲取及處理系統(tǒng)、塑料閃爍體探測(cè)器及其電子學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)等組成。

2.1 雪崩氣體電離室

由圖2，雪崩氣體電離室是由不銹鋼加工而成的圓柱形腔體構(gòu)成，腔體通過(guò)開(kāi)口法蘭安裝有真空系統(tǒng)、工作氣體供應(yīng)系統(tǒng)、氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。其中，電離室靈敏區(qū)為雪崩氣體電離室的核心部分(圖2A)，由陰極、陽(yáng)極、分壓電極和兩個(gè)間隔較小的放大電極構(gòu)成；靈敏區(qū)直徑為10 cm，高為4 cm，陰極與陽(yáng)極的間距為2.8 cm，在陰極與陽(yáng)極之間設(shè)置有7個(gè)環(huán)形電極，使漂移電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度均勻化，并限制陰極與陽(yáng)極之間的延伸邊緣場(chǎng)；陽(yáng)極與第 1放大電極、第1與第2放大電極的間距均為0.32 cm。陰極加負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，兩個(gè)雪崩放大電極相對(duì)于陽(yáng)極分別接正高壓。

圖2 重離子徑跡影像探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic view of the experiment system.

電離室的工作介質(zhì)為三乙胺氣體(triethylamine,TEA)，其分子式為(C2H5)3N。工作程序?yàn)椋合壤谜婵諜C(jī)組將電離室腔體抽為真空，然后打開(kāi)充氣系統(tǒng)為電離室腔充入三乙胺氣體，直至實(shí)驗(yàn)所需的氣壓值。由氣壓測(cè)量裝置（德國(guó) Pfeiffer/ CMR361）和進(jìn)氣控制裝置（德國(guó)Pfeiffer/TPG261）實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)和進(jìn)氣的自動(dòng)控制，以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中腔內(nèi)穩(wěn)定的氣壓值。從圖2中可見(jiàn)，重離子由左邊法蘭方向入射進(jìn)入電離室靈敏區(qū)，將導(dǎo)致TEA分子發(fā)生電離、離解、激發(fā)等過(guò)程[13?14]。在陰極和陽(yáng)極間電場(chǎng)的作用下，電離產(chǎn)生的正離子向陰極漂移，電子向陽(yáng)極漂移并被加速，載能電子進(jìn)入由陽(yáng)極與第1放大電極、第1與第2放大電極所構(gòu)成的雪崩放大區(qū)，將導(dǎo)致雪崩放電，在產(chǎn)生大量電子的同時(shí)，將導(dǎo)致大量的TEA分子被激發(fā)，激發(fā)態(tài)的TEA分子退激會(huì)放出大量的紫外光子。

選用TEA作為工作氣體的主要原因是：(1) 在TEA氣體中，電子雪崩放電產(chǎn)生的光產(chǎn)額高，且光為波長(zhǎng)在260?350 nm的紫外光，該波段的紫外光在有機(jī)玻璃和石英玻璃中有較高的傳輸效率[14?18]；(2)TEA氣體中單個(gè)電子的斑點(diǎn)較小（氣壓10 hPa時(shí)斑點(diǎn)小于1 mm）[19]，有利于實(shí)現(xiàn)高的空間分辨；(3) 該氣體在常溫下可直接使用，實(shí)驗(yàn)操作方便。

2.2 CCD影像數(shù)據(jù)獲取及處理系統(tǒng)

如圖2所示，CCD影像數(shù)據(jù)獲取及處理系統(tǒng)由有機(jī)玻璃透光窗、紫外鏡頭、CCD相機(jī)、PC機(jī)終端等組成。電離室中雪崩放電產(chǎn)生的大量紫外光穿過(guò)有機(jī)玻璃透光窗，經(jīng)紫外鏡頭聚集到 CCD相機(jī)中，由 CCD相機(jī)將紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD相機(jī)通過(guò)USB接口與PC機(jī)終端連接，采用專門的CCD相機(jī)操控軟件“Andor SOLIS”，實(shí)現(xiàn)照相參數(shù)（例如曝光時(shí)間、增益等）的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、信號(hào)采集及在線分析。所用CCD相機(jī)為ANDOR公司的“New iStar ICCD”系列產(chǎn)品，其主要特征參數(shù)為：有效靈敏區(qū) 13.3 mm×13.3 mm，像素1024×1024，像素尺寸約 13 μm×13 μm，最小曝光時(shí)間為10 μs。初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，為了增加信號(hào)強(qiáng)度，將像素點(diǎn)陣8×8串接，即實(shí)際的像素為128×128，實(shí)際像素尺寸約 104 μm×104 μm。

另外，在電離室靈敏區(qū)的重離子出口位置，安裝了一塑料閃爍體探測(cè)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成框圖如圖3所示。入射重離子穿過(guò)探測(cè)器靈敏區(qū)域后進(jìn)入塑料閃爍體產(chǎn)生熒光，再經(jīng)光電倍增管、甄別器等電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生TTL (transistor transistor logic)電平信號(hào)，將此作為CCD相機(jī)電子快門的開(kāi)門信號(hào)。

圖3 塑料閃爍體探測(cè)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Schematic diagram of the plastic scintillator detector system.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及討論

3.1 系統(tǒng)信號(hào)時(shí)序?qū)嶒?yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)使用239Pu-α粒子源作為入射源，α粒子能量約為5.1 MeV，放射源活度約為1×105s?1。采用示波器同時(shí)測(cè)試了放大電極1、放大電極2及塑料閃爍體探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)時(shí)序，典型的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4，當(dāng)塑料閃爍體探測(cè)器輸出的CCD相機(jī)門信號(hào)寬度設(shè)為600 ns時(shí)，放大電級(jí)1和2的信號(hào)都能被包含進(jìn)來(lái)，因此，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置CCD電子快門寬度為600 ns。另外，多次調(diào)試結(jié)果顯示，CCD電子快門寬度設(shè)置為600 ns時(shí)，能最大程度避免雜散光和提高信噪比，可獲得較好的α粒子徑跡影像。

圖4 脈沖信號(hào)時(shí)序測(cè)試結(jié)果Fig.4 Pulse signal timing sequence testing.

3.2 α粒子徑跡影像實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在電離室腔內(nèi)TEA氣體氣壓值分別為5 hPa、15 hPa、30 hPa、35 hPa的條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了曝光時(shí)間分別為 1 ms、10 ms、100 ms、1 s和 10 s時(shí)239Pu放出的α粒子徑跡，得到的典型結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，有機(jī)玻璃透光窗直徑為?50 mm，故圖5中顯示了?50 mm視野范圍內(nèi)的α粒子徑跡影像。另外，實(shí)驗(yàn)時(shí)α粒子入射方向與CCD相機(jī)像素點(diǎn)陣軸線成一定夾角，故 CCD相機(jī)采集的原始徑跡影像呈傾斜分布，圖5中α粒子從左下角入射進(jìn)入氣體電離室靈敏區(qū)。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)到的α粒子徑跡影像Fig.5 Some exemplary tracks of the recent measurements.

由圖5，CCD相機(jī)的曝光時(shí)間越長(zhǎng)，所獲得的α粒子徑跡影像越清晰。按照所使用的239Pu-α粒子源的強(qiáng)度值估算，曝光時(shí)間為1 ms時(shí)的圖像為單個(gè)α粒子穿過(guò)氣體電離室靈敏區(qū)形成的徑跡影像，即該徑跡影像探測(cè)器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)入射α粒子徑跡的成像。另外，在35 hPa較高工作氣壓和10 s較長(zhǎng)曝光時(shí)間條件下，記錄到了明顯的α粒子散射徑跡。實(shí)驗(yàn)中為防止電極之間放電，故當(dāng)電離室腔內(nèi)氣壓不同時(shí)各電極所加工作電壓不同，導(dǎo)致電離室中雪崩產(chǎn)生的電子增益和光增益不同，因此實(shí)驗(yàn)獲取的徑跡圖像沒(méi)有表現(xiàn)出氣壓越高、徑跡影像越清晰，圖5中徑跡圖像皆為最佳工作電壓下獲取。

3.3 初步的數(shù)據(jù)處理及討論

3.3.1 像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿軸向的分布

為了定量描述徑跡像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿軸向的分布形態(tài)，以圖5中氣壓15 hPa、曝光時(shí)間10 s的徑跡圖像為例，將徑跡圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)使其水平放置，并加偽彩色處理，處理后的典型徑跡圖像如圖6所示，α粒子入射方向如箭頭所示。

圖6 α粒子徑跡Fig.6 α particle track imaging.

為了研究α粒子徑跡沿軸向的分布規(guī)律，將圖6中徑跡圖像沿垂直方向掃描，統(tǒng)計(jì)影像中每列總像點(diǎn)計(jì)數(shù)，給出徑跡像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿軸向的分布曲線如圖7所示。結(jié)果表明，氣壓15 hPa、曝光時(shí)間10 s的α粒子徑跡位于19?61列范圍內(nèi)；在此范圍內(nèi)影像每列總像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿水平方向沒(méi)有明顯差異；徑跡區(qū)的像點(diǎn)計(jì)數(shù)明顯高于噪聲區(qū)的像點(diǎn)計(jì)數(shù)，前者約為后者的4.5倍。

圖7 沿水平方向的像點(diǎn)總計(jì)數(shù)分布Fig.7 CCD counts distribution along axial direction.

式中，x代表粒子徑跡行數(shù)；y代表某一行處像點(diǎn)總計(jì)數(shù)；a、b、c為系數(shù)。4段徑跡的像點(diǎn)計(jì)數(shù)徑向分布的高斯擬合參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1?？捎酶咚箶M合函數(shù)的半高寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)來(lái)表征徑跡的徑向?qū)挾?，根?jù)式(2)即可求得高斯擬合函數(shù)的半高寬：

為了定量給出徑跡寬度沿軸向的變化規(guī)律，根據(jù)圖8所示的4段徑跡計(jì)數(shù)沿徑向高斯分布曲線，結(jié)合式(2)，計(jì)算得到了每段徑跡高斯擬合曲線的FWHM，結(jié)果如表1所示。

表1 徑跡像點(diǎn)計(jì)數(shù)徑向分布的高斯擬合參數(shù)Table 1 Parameters of Gaussian fit for CCD counts radial distribution.

圖8及表1中的數(shù)據(jù)顯示：α粒子的徑跡沿中心軸對(duì)稱；從α粒子入射方向起沿徑跡軸向方向，像點(diǎn)計(jì)數(shù)徑向高斯擬合曲線的半高寬逐漸減小，即說(shuō)明α粒子徑跡徑向?qū)挾入S入射深度的增加逐漸減??；結(jié)合圖7中的結(jié)果，影像每列總像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿軸向沒(méi)有明顯的差異，表明隨粒子入射深度增加，徑跡像點(diǎn)密度逐漸增加。

圖8 像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿徑向的分布Fig.8 CCD counts distribution along axial direction.

4 結(jié)語(yǔ)

研制了一套重離子徑跡影像探測(cè)器系統(tǒng)并用239Pu-α源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該探測(cè)器系統(tǒng)能成功獲取重離子徑跡，并能抓拍到單粒子的徑跡和由入射粒子散射引起的徑跡分支。通過(guò)對(duì)氣壓15 hPa、曝光時(shí)間10 s的α粒子徑跡影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，結(jié)果表明，在探測(cè)器所能獲取徑跡影像的直徑?50 mm視野范圍內(nèi)，α粒子徑跡存在如下規(guī)律：徑跡沿中心軸對(duì)稱；徑跡影像的像點(diǎn)計(jì)數(shù)沿軸向沒(méi)有明顯變化(圖7)，徑跡影像像點(diǎn)計(jì)數(shù)在徑向方向呈高斯分布(圖8)，徑跡展寬隨入射深度增大而減小(表1)，徑跡像點(diǎn)密度隨入射深度逐漸增加。以上分析表明，在目前?50 mm視野入射深度范圍內(nèi)，α粒子在單位長(zhǎng)度上能量沉積基本不變，而單位面密度上能量沉積隨入射深度逐漸增加。

目前只對(duì)所研制的探測(cè)器進(jìn)行了初步的測(cè)試，電離室開(kāi)窗視野直徑僅為?50 mm，獲取的重離子徑跡范圍偏小，還無(wú)法觀察到α粒子在單位長(zhǎng)度上能量沉積隨入射深度的明顯變化。今后工作中需要對(duì)該徑跡影像探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，如增大視窗以增加徑跡的獲取長(zhǎng)度；用石英窗取代有機(jī)玻璃窗以提高徑跡探測(cè)靈敏度（石英具有更高的透光率）；對(duì)探測(cè)器進(jìn)行精準(zhǔn)的位置標(biāo)定，以便確定徑跡探測(cè)器的位置分辨和獲取更多的徑跡信息。

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