基于超音速气体帘的离子化束流轮廓监测器，用于FLASH质子束治疗

《Frontiers in Oncology》：Supersonic gas curtain based ionization beam profile monitor for FLASH proton beam therapy

本研究提出了一种超音速气体帘幕电离轮廓监测器（SGC-IPM），用于非侵入式监测FLASH-PBT的高能质子束轮廓，提供实时反馈。通过在两个英国加速器设施（DCF和UoB）进行实验，验证了该设备在4-28 MeV能量和1-100 nA电流范围内的线性响应特性，并建立数学模型量化检测因子D与能量的关系。实验表明，设备灵敏度在后续升级中提高了80倍，为FLASH-PBT的精准剂量控制提供了新工具。

　　FLASH质子束治疗（FLASH-PBT）是一种先进的放射治疗技术，它结合了质子束的精准靶向能力和在超高剂量率下（>40 Gy/s）产生“FLASH效应”的生物辐射优势。这种技术旨在提高肿瘤控制效果，同时减少对周围健康组织的损伤。质子束治疗的常见方法是点扫描技术，它依赖于实时束流监测，以便在加速器上实现束流切换。本研究引入了一种新型的超音速气体帘幕离子化束流轮廓监测器（SGC-IPM），用于非侵入式、高分辨率的质子束轮廓监测，目标是为医疗加速器提供实时反馈。

质子束治疗的目标是向肿瘤区域提供精确剂量，同时尽量减少对周围器官的照射。在FLASH-PBT中，质子束以超高剂量率输送，以利用质子的物理特性及FLASH效应，从而提高治疗效果。然而，要实现这种技术，需要克服加速器技术方面的挑战，包括可靠地生成和输送极高的束流（100–1000 nA），以及在剂量监测方面精确测量束流的分布。因此，实时束流监测系统在实现FLASH-PBT中扮演着至关重要的角色。传统上，这类监测系统依赖于电离室进行剂量监测，但电离室在高剂量率下可能会因电离再结合效应而引入误差，从而限制其在控制系统的应用。因此，快速且准确的束流轮廓监测对于实现FLASH-PBT至关重要。

SGC-IPM是一种非传统的束流轮廓监测方法，其工作原理基于超音速气体帘幕。该装置由两部分组成：生成超音速气体帘幕的SGC部分和用于监测离子化的IPM部分。在SGC部分，高压（5 bar）的氩气或氮气通过一个小孔（30 μm）注入真空环境（10^-3 mbar）中，形成超音速气体喷射。喷射的中心部分被提取到第二腔室，并进一步通过一个圆形孔（2 mm）过滤，形成一个均匀密度的“分子束”。分子束随后被引导进入第三腔室，并通过一个矩形狭缝（20 x 0.4 mm）倾斜45°，形成一个气体帘幕。最终，帘幕进入最后一个交互腔室，该腔室维持在10^-8 mbar的真空条件下，用于离子化监测。通过实验验证，确保帘幕的密度和形状符合预期。

在IPM部分，质子束与气体帘幕相互作用，使气体分子电离。这些离子随后被外部静电场提取，并在微通道板（MCP）检测器上收集，其空间分布被投影到磷光屏上，再由标准CMOS相机捕捉图像。图像的形状与束流的轮廓一致，而计数则与束流强度相关。SGC-IPM的工作原理在先前研究中已有描述，其检测过程中可能引入的误差也已得到深入分析。

为了评估SGC-IPM的性能，研究人员在英国的两个不同质子束设施进行了实验。第一组实验于2023年7月在Dalton Cumbria设施（DCF）进行，使用DC Pelletron加速器，测量了不同能量（4 MeV、6 MeV、8 MeV）和不同束流强度（10 nA、100 nA）下的束流轮廓。实验中使用了纯度为99.999%的钽箔作为束流终端和监测装置，以确保束流的稳定性。通过安装可移动的法拉第杯，研究人员记录了束流的绝对值，并在束流通过SGC-IPM前进行校准。

第二组实验于2024年8月在伯明翰大学（UoB）的MC40回旋加速器上进行。在此实验中，SGC-IPM进行了升级，以提高其灵敏度。升级后的装置将检测时间从几秒缩短到几百毫秒，使得在高剂量率条件下也能实现快速检测。实验测量了不同能量（10.8 MeV、16 MeV、20 MeV、28 MeV）和不同束流强度（2–71 nA）下的束流轮廓。然而，由于束流传输和真空条件不稳定，大部分数据仅在28 MeV能量下可用。

在实验过程中，研究人员使用了Marcus电离室来设定加速器的束流强度。但该电离室在高束流强度下会饱和，因此在10 nA以下使用。对于更高的束流强度，使用了安装在加速器上游约2米处的可移动法拉第杯进行测量。为了考虑法拉第杯与SGC-IPM之间的束流传输损失，研究人员通过比较在低束流强度下的法拉第杯和电离室的测量结果，计算了一个损失因子，并将其应用于高束流强度的法拉第杯测量，以估计实际到达SGC-IPM的束流强度。

实验结果显示，使用氩气帘幕的SGC-IPM在性能上优于使用氮气帘幕的装置。这主要归因于氩气帘幕可以达到更高的密度，从而提高检测灵敏度。因此，后续在UoB的实验中，主要使用氩气帘幕进行测量，仅在少数情况下使用氮气进行对比。

为了量化SGC-IPM的响应，研究人员引入了一个数学模型，该模型将检测因子D定义为检测器对束流的敏感度。D与束流强度和能量有关，而与束流形状无关。通过实验数据，研究人员验证了该模型的有效性，发现总计数C随束流强度呈线性增长，而D随能量增长，这与离子化截面随能量减少的趋势一致。

在实验中，研究人员记录了不同能量和束流强度下的束流轮廓，并通过图像处理技术提取了束流的大小和形状。实验结果表明，SGC-IPM在4–28 MeV能量范围内能够有效测量束流轮廓，并且在28 MeV能量下表现出最佳的性能。此外，通过比较DCF和UoB的实验数据，研究人员发现，通过提高气体帘幕的密度，可以将检测灵敏度提高80倍，从而显著降低检测阈值。

在讨论部分，研究人员进一步探讨了SGC-IPM在FLASH-PBT中的应用潜力。他们指出，尽管目前的检测阈值仍高于某些临床需求，但通过进一步优化气体帘幕的密度和离子收集效率，可以显著降低检测阈值，使其更适合用于FLASH条件下的束流监测。此外，研究人员还讨论了SGC-IPM在实际安装中的挑战，例如其尺寸可能不适合安装在加速器的喷嘴处，但可以在更靠近加速器的区域或在旋转机架前安装，以提高束流密度并改善检测效果。

未来的研究将集中在进一步提升SGC-IPM的性能，包括提高气体帘幕的密度至10^17个粒子/立方米，优化离子收集过程，并通过与其他方法（如闪烁屏）的对比来评估束流轮廓的准确性。此外，研究人员还将收集足够的实验数据，以建立稳健的标定因子，用于准确的剂量估算和束流强度预测。

结论部分指出，本研究展示了一种可行的非侵入式质子束轮廓监测方法，适用于FLASH-PBT。SGC-IPM在4–28 MeV能量范围内表现出对束流强度的线性响应，并且其灵敏度可以通过检测因子D进行量化。通过数学模型，研究人员能够评估SGC-IPM在不同束流参数下的性能，特别是在FLASH剂量率条件下的表现。实验结果表明，虽然目前的检测阈值仍较高，但通过进一步优化，可以使其更适合用于临床应用。SGC-IPM为实现FLASH-PBT提供了一种新的监测工具，有助于提高治疗精度和安全性。