综述：薄型LGAD和薄型硅二极管在放射治疗中的应用

《Frontiers in Sensors》：Thin LGADs and thin silicon diodes for applications in radiotherapy

本综述系统阐述了薄型低增益雪崩二极管（LGAD）和薄型n-on-p硅二极管在放射治疗（如束流调试、监测、剂量测定及在线治疗验证）中的前沿应用。这些探测器凭借高灵敏度（可探测高达108 粒子/cm2s的单粒子）、优异时间分辨率（质子~100 ps、碳离子~30 ps）及辐射耐受性，为传统电离室（IC）提供了革新替代方案，尤其适用于超高剂量率（UHDR）、空间分割放射治疗（SFRT）等先进疗法。

　　

1 引言

低增益雪崩二极管（LGAD）通过增益层实现可控电荷倍增（通常为5–50倍），结合25–60 μm的薄活性层厚度，在放射治疗领域展现出独特优势。与气体电离室相比，薄型硅基探测器具备单粒子探测能力、纳秒级信号收集时间及高空间分辨率，可应用于束流调试、微剂量测定、在线范围验证等场景。在INFN-CSN5项目框架下，研究者通过FBK研发的传感器在临床质子与碳离子束流中验证其性能，单粒子时间分辨率达30 ps（碳离子）至100 ps（质子），计数率可达10⁸ 粒子/cm²s，覆盖临床强度范围。

2 LGAD基本原理与关键技术进展

LGAD的增益层通过可控碰撞电离实现电荷倍增，薄活性层设计不仅提升时间分辨率，还增强辐射耐受性（可承受>10¹⁵ n_eq/cm²注量）。新型结构如交流耦合LGAD（AC-LGAD）和沟槽隔离LGAD（TI-LGAD）进一步优化空间分辨率与填充因子：AC-LGAD通过电容式读out实现100%填充因子，适用于质子成像等精密空间测量；TI-LGAD利用沟槽隔离减少像素间串扰，更适合高计数率临床监测。

3 基于时间飞行的束流能量探测器

采用11条带状LGAD（单条面积2.2 mm²）构建的飞行时间探测器，通过相对校准与自校准方法，在30–95 cm基线下实现质子束流能量测量（60–230 MeV），精度达±500 keV（对应水等效范围误差<0.5 mm）。系统在毫秒级采集时间内完成能量标定，且对束流扰动极小，为在线质量保证提供高效工具。

4 束流注量与位置监测粒子计数器

2.7 × 2.7 cm²的146条带状LGAD传感器与多通道读out芯片ABACUS集成，实现临床质子/碳离子束的单粒子计数与束流剖面测量。测试表明，计数效率在143 MHz下保持100%，死时间<7 ns，束流剖面半高宽（FWHM）为0.8–2.2 cm（与放射性胶片结果一致）。同步开发的薄型n-on-p硅二极管（无增益层）在碳离子束中实现<30 ps时间分辨率，适用于未来紧凑型离子机架。

5 初级粒子到达时间测量与应用

结合ABACUS与CERN开发的PicoTDC（时间数字转换器），系统可解析束流时间结构（如同步加速器362 ns周期），并支持即时伽马定时（PGT）技术。PGT通过测量初级粒子与组织相互作用产生的瞬发伽马时间差，反推粒子在体模中的射程，初步实验显示射程验证精度达2%，为在线范围验证提供新途径。

6 UHDR与SFRT中的束流监测与剂量学

在超高剂量率（UHDR）场景下，薄硅传感器（30–45 μm）对电子束（10 Gy/脉冲）响应线性良好，且146条带状二极管成功测量7条微型束流（1 mm宽，间距3 mm），满足空间分割放射治疗（SFRT）的毫米级空间分辨率需求。

7 讨论与结论

薄型LGAD与硅二极管通过高灵敏度、快时间响应与辐射耐受性，为放射治疗束流监测提供多维度解决方案。未来挑战在于扩展敏感面积至30 × 30 cm²以覆盖扫描野，并与微模式气体探测器等技术互补，推动质子/离子成像、个体化治疗等应用发展。