Система контроля параметров протонного пучка в лучевой терапии

Предварительные измерения  кривых Брэгга при помощи диода показали, что изменение средней энергии  пучка, при котором кривая Брэгга сдвигается на 1 мм воды, приводило к  изменению dE/dx в области пика на его спадах в среднем на 5%. Величина такого изменения вполне может быть зафиксирована выбранным нами диодом в виду его хорошей разрешающей способности (см. п. 2.2.1). Поэтому толщина замедлителя, устанавливаемого перед каждым диодом, выбирается таким образом, чтобы измеряемая им точка на кривой Брэгга лежала в области пика на его спадах (рис. 2.4).

Как видно из рисунка, при  смещении кривой Брэгга (изменении  пробега) меняются значения dE/dx, измеряемые диодами (чёрные точки на рисунке переходят в серые). Таким образом, мы получаем при каждом измерении 4 относительных значения dE/dx, при помощи которых, проводя дальнейшую обработку, можно будет найти изменение пробега протонного пучка в дюралюминии. По нему далее можно будет определить изменение пробега в воде, который для протонного пучка со средней энергией частиц около 170 МэВ в 2.4 раза больше, чем в алюминии [27,28].

В п.2.4 будет описан способ, которым определяется, визуализируется  и постоянно контролируется "on-line" изменение пробега протонного пучка в воде по четырём измеренным точкам на кривой Брэгга. Также будет приведено экспериментальное обоснование выбора именно четырёх точек.

2.2.3 Определение толщины дополнительного замедлителя перед диодами.

Для определения значения толщины  дополнительного замедлителя, который  нужно расположить перед диодами, использовался "режим подбора толщины" компьютерной программы, которая специально была составлена для работы с описываемой системой контроля параметров пучка. Алгоритмы и программная обработка данных будет описана далее в п. 2.4. В используемом режиме на монитор в виде гистограммы выводятся относительные значения измеряемых ионизационных потерь dE/dx с каждого из четырёх диодов.

Как отмечалось в п. 2.2.2, для  контроля "on-line" пробега протонного пучка необходимо перед каждым диодом поставить замедлитель определённой толщины такой, чтобы получаемые относительные значения dE/dx "ложились" на кривую Брэгга, как показано на рис. 2.4. Чтобы определить толщину замедлителя, необходимо было промерить кривую Брэгга с помощью диодов. Для этого перед диодами на пути пучка протонов в начале каждого измерения ставился замедлитель из дюралюминия, толщина которого менялась с шагом 1,6 мм. Так как нас интересовали значения dE/dx, лежавшие на кривой в области максимального градиента (т.е. на спадах пика), то, чтобы не проводить ненужные измерения, начальная толщина замедлителя была выбрана приблизительно соответствующей началу пика на кривой Брэгга.

В результате измерений с диодов были получены относительные значения dE/dx, в зависимости от толщины замедлителя перед диодами. Они представлены на графике на рис. 2.5. По полученным данным для каждого диода была выбрана толщина дополнительного замедлителя так, чтобы точки на кривой, соответствующие показаниям первых двух диодов лежали в области максимального градиента до пика, а других двух диодов – на спаде пика (см. рис. 2.5):

• диод1 – 81 мм;
• диод2 – 84 мм;                  (2.37)
• диод3 – 89 мм;
• диод4 – 92 мм.

В соответствии с выбранной толщиной замедлителя для установки диодов в процедурной из дюралюминия  была сконструирована и изготовлена  деталь, изображённая на рис. 2.6.

Данная конструкция с закреплёнными в ней диодами крепится в нижней части коллиматора так, чтобы не влиять на полезный пучок, используемый при облучении. В то же время она должна находиться в области, где параметры пучка те же, что и в полезной его части, чтобы давать неискажённую информацию об ионизационных потерях.

Сконструированная деталь состоит  из 3 скрепляемых вместе частей. Часть 1 предназначена для учёта разностей  толщины дополнительного замедлителя  для каждого из диодов, а также  для крепления всей конструкции и диодов к коллиматору. Диоды в ней крепятся не по мере возрастания толщины дополнительного замедлителя перед ними, а чередуясь, чтобы снизить влияние на измеряемый ими пик Брэгга неоднородности пучка в поперечном направлении, которая может возникать при настройке магнитного канала транспортировки пучка.

Вторая часть детали (съёмная) предназначена  для установки основной массы  замедлителя перед диодами. Для  энергии протонов   170 МэВ её длина равна 73 мм. Суммарно три части  детали дают толщину замедлителя, необходимую для получения четырёх точек на кривой Брэгга и равную указанной в (2.1). Таким образом, устанавливая сконструированную деталь, как описано выше и показано на рис. 2.6, можно, снимая и обрабатывая данные с диодов, получать в режиме реального времени четыре точки на пике Брэгга. По ним, проводя обработку (см. п. 2.4.3, 2.4.4), контролировать изменение пробега протонов.

Наличие съёмной части 2 и пластин 3 (1.6 мм) позволяет калибровать показания  диодов (см. п. 2.4.3) и менять толщину  замедлителя при изменениях средней энергии пучка протонов, не снимая при этом диоды и не меняя часть 1.

2.3 Аппаратная обработка сигналов с ионизационной камеры и с полупроводниковых диодов.

2.3.1 Общая схема обработки сигналов.

В данной системе контроля параметров протонного пучка исходными данными являются 28 сигналов с многопроволочной ионизационной камеры и сигналы с 4 полупроводниковых диодов (см. п. 2.2 и 2.3). Схема дальнейшей аппаратной обработки этих сигналов представлена на рис. 2.7.

Токи с камеры и диодов направляются на 32–канальный интегратор, находящийся непосредственно в процедурной кабине. На его выходе получаются 32 сигнала напряжения, по амплитуде которого можно судить об интенсивности и ионизационных потерях пучка протонов. В цепи обратной связи каждого составляющего его интегратора  присутствует ключ на основе полевого транзистора, позволяющий разряжать конденсатор обратной связи, тем самым, сбрасывая интегратор в "ноль". Меняя момент подачи сигнала на базу транзистора, можно менять время зарядки конденсатора обратной связи. Это позволяет устанавливать время накопления сигнала на электродах используемых детекторов, тем самым, регулируя их чувствительность.

Для автоматического съёма и  обработки сигналов с интеграторов, для подачи на них сигнала сброса, а также для передачи данных в компьютер предназначены специальные функциональные модули в стандарте КАМАК, работа которых в системе контроля будет описана в п. 2.3.2. Использование системы КАМАК, помимо связи детекторов с компьютером, позволяет программным образом полностью автоматизировать работу системы контроля протонного пучка, т.к. КАМАК исполняет все действия, предусмотренные программой, хранящейся в компьютере [29].

2.3.2 Использование модулей КАМАК в системе контроля протонного пучка.

Краткое описание аппаратуры и принципа работы системы КАМАК. Электронная аппаратура в системе КАМАК выполнена в виде функционально и конструктивно завершённых модулей, которые располагаются в крейте – специальном каркасе, который имеет 25 мест для установки этих модулей [30]. Два крайних места всегда занимает контроллер крейта – специальный модуль, который управляет работой остальных функциональных модулей в крейте и организует обмен информацией между модулями и компьютером. В пределах крейта обмен информацией между контроллером и модулями происходит по многопроволочному каналу связи – магистрали крейта.

Инициировать обмен информацией  может как функциональный модуль, так и контроллер крейта, который, в свою очередь, получает команды  от ЭВМ. Если инициатором обмена является компьютер, то он передаёт через контроллер на магистраль крейта коды стандартных для системы КАМАК сигналов N, A и F, т.е. команду КАМАК. Сигналы N и A определяют адресную часть команды, с помощью которой контроллер обращается к определённому модулю (станция крейта N), и к конкретному устройству внутри модуля (субадрес A), где необходимо выполнить определённую функцию F.

Если инициатором обмена информацией  является функциональный модуль, он посылает контроллеру крейта специальный  сигнал запроса обслуживания L. С получением этого сигнала контроллер вырабатывает в ЭВМ требование прерывания D. Обработка сигнала прерывания от контроллера крейта включает в себя определение модуля и конкретного устройства внутри модуля, которое выставило сигнал запроса L. После этого действия вычислительной машины определяются той программой, которая составлена и введена в компьютер. В конечном счёте, ЭВМ обратится к устройству, выставившему запрос L (например, чтобы считать с него подготовленную информацию). Для этого ЭВМ формирует и посылает контроллеру крейта команду NAF, которая определяет где (N,A) и что (F) следует выполнить.

Помимо описанных выше сигналов, в системе КАМАК предусмотрены  ряд дополнительных, применение которых  увеличивает надёжность и гибкость передачи информации (Z,C,I и др.).

Использование модулей  КАМАК при обработке сигналов с интегратора. Как отмечалось выше, при прохождении через используемые детекторы пучка протонов на каждом выходе подключённого к ним 32–канального интегратора образовывается сигнал напряжения, который даёт необходимые нам сведения о параметрах пучка. Для дальнейшей программной обработки эти 32 сигнала необходимо считать отдельно с каждого выхода интегратора, затем оцифровать их и занести в оперативную память компьютера. Это осуществляется программным образом посредством модулей крейта КАМАК, показанных на рис. 2.7.

Сигналы с интегратора  по 32–жильному кабелю передаются из процедурной кабины в пультовую  на вход аналогового коммутатора   КА–004 [31], установленного в  крейте КАМАК. В данном случае коммутатор необходим для того, чтобы не использовать одновременно 32 амплитудно-цифровых преобразователя (АЦП) для оцифровки сигналов, а поочерёдно подавать на один кодировщик сигналы с каждого из каналов интегратора. После того, как в регистр подключаемого канала коммутатора программным образом записывается номер первого канала, с блока синхронизации подаётся сигнал запуска на АЦП КА–007 [32], и кодировщик начинает оцифровывать показание первого канала интегратора.

Как только оцифровка завершена (~50 мкс), АЦП выставляет на магистраль крейта запрос на обслуживание L. Компьютер фиксирует этот сигнал L и через контроллер считывает показание, при этом “сбрасывая” кодировщик. После того, как показание считано и занесено в оперативную память компьютера, блок синхронизации генерирует сигнал сброса на 32–канальный интегратор, который идёт по отдельному проводу в процедурную кабину, а в коммутатор записывается номер следующего канала. Затем компьютером осуществляется задержка 300 млс для накопления заряда на электродах детекторов (см. п. 2.3.1). Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будут считаны и занесены в компьютер показания со всех каналов интегратора.

Для автоматического управления работой всех блоков крейта была написана специальная подпрограмма, которая входит в общую компьютерную программу, осуществляющую контроль параметров протонного пучка в разработанной системе (см. п. 2.4).

2.4 Компьютерная обработка показаний детекторов и их визуализация.

2.4.1 Структура программы, используемой в системе контроля протонного пучка.

Чтобы управлять всеми блоками  системы контроля при измерениях, а также проводить необходимые  вычисления автором данной работы была написана специальная компьютерная программа “Beam Control”. Для написания программы использованы язык и среда Turbo Pascal [33,34], т.к. используемый контроллер КК–009 [35] был изначально создан для работы с компьютером под управлением операционной системы MS–DOS. Структурная схема программы представлена ниже на рис. 2.8.

Программа обеспечивает автоматическое снятие и обработку данных с многопроволочной ионизационной камеры и полупроводниковых диодов в различных режимах, необходимых пользователю. Все используемые режимы будут описаны в  п. 2.4.3 и 2.4.4. В программе налажен удобный графический интерфейс для переключения (через меню) режимов в зависимости от требований выполняемой задачи.

Основной режим –  визуальный контроль параметров протонного пучка "on–line" и звуковое предупреждение при обнаружении отклонений их от нормы. Программа входит в этот режим автоматически после её запуска. Перед входом в "режим контроля пучка "on–line" в программе осуществляются действия по инициализации крейта КАМАК и подготовка его к работе. Так как КАМАК – многокрейтовая система, то сначала выбирается и инициализируется крейт, с которым будет работать компьютер. 

Далее по команде программы  компьютер генерирует сигнал, соответствующий  безадресному сигналу "сброса" Z, предназначенный для установки в исходное состояние всех триггеров и регистров в функциональных модулях крейта [30]. По сигналу Z все сигналы запроса в модулях сбрасываются, и выходы запросов всех модулей на магистраль крейта запрещаются, т.е. вырабатывается сигнал запрета I. Поэтому для дальнейшей работы по команде компьютера в крейте генерируется сигнал сброса запрета I.

После такой процедуры  перед тем, как входить в "режим  контроля пучка", пользователю посредством  меню "Звук" предлагается выбор: включать или не включать изначально при входе  звуковую сигнализацию об отклонении параметров пучка от нормы. Так же в этом меню предусмотрен выход из программы по нажатию клавиши "Esc". Когда звуковая сигнализация включена (или выключена), программа автоматически начинает считывать в "режиме контроля пучка" информацию из регистра управления и статуса контроллера КАМАК, в который поступают данные с функциональных модулей. Подпрограмма, обеспечивающая считывание, описана в п. 2.4.2.