基於像素感測晶片的高精度強子束流監控探測器

《基於像素感測晶片的高精度強子束流監控探測器》是依託華中師範大學，由孫向明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於像素感測晶片的高精度強子束流監控探測器
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫向明
• 依託單位：華中師範大學

項目摘要

離子束治療是一種較為理想治療腫瘤的方法，我國在蘭州自主建成了第一個重離子束治療裝置。束流配送系統用來保證束流能量沉積準確覆蓋腫瘤區間，而束流監控系統是決定束流配送系統性能的關鍵。我們提出使用微型時間投影室來監控束流。微型時間投影室的電荷收集板由CMOS像素感測器晶片組成。CMOS像素感測器晶片的頂層金屬層暴露在外直接接收來自外面的電荷。經過仿真，空間解析度可以達到40微米。並且束流只穿過探測器的氣體，儘量減小了探測器的輻射厚度，同時避免了晶片的輻射損傷問題。

結題摘要

採用強子束流進行癌症治療的技術是治療癌症的一種有效方法，為了確保強子束流能夠準確到達癌症位置，需要有線上的實時束流檢測系統來測量束流的位置和強度。傳統的測量方法一般採用分條電離室。分條電離室存在兩個問題，一個是位置解析度不高，另一個是能夠引起一部分束流的散射。為了提高束流位置測試的精度，同時減小放置在人體前面的物質，我們提出了採用像素電荷收集晶片來測量束流中心位置的方案。 我們設計了一個CMOS像素感測器晶片，Topmetal II-，該晶片可以直接測量來自外部氣體中的電荷。它的像素間距為83μm。採用在標準0.35μm CMOS工藝生產，沒有任何後處理。像素陣列的大小為72X72，每個像素有幾個金屬電極延伸的像素的頂部。每個像素包含一個低噪聲電荷靈敏前置放大器（CSA）。晶片採用模擬輸出，將每一個像素的模擬值依次讀出到晶片外。像晶片每幀的讀出時間為3.3毫秒。每一個像素上的噪聲為13.9個電子。單個晶片像素陣列部分的尺寸約6毫米。 我們將該晶片並排放置在PCB上，每一排8個，分兩排。每排晶片的間距為3mm，這樣每排晶片可以覆蓋7cm的長度。晶片之間的縫隙可以完全被另外第二排的晶片覆蓋。在晶片的上面放置一個平面電極作為陰極，用來漂移電子。兩側的支架結構為場籠，由平行的金屬條串聯電阻產生均勻的梯度電場，從而使陰極的晶片之間的產生均勻的電場。 我們在互相垂直的兩個方向上製作了兩個探測器，可以測量束流在X和Y方向的投影，從而確定束流中心的位置。將探測器在蘭州近代物理研究所進行束流測試，測試結果顯示束流監控器能夠測量束流的位置、角度和強度，位置解析度17微米，角度解析度0.5度，流強解析度好於2%。可以探測到束流在x方向和y方向的分布，以及束流強度隨時間的變化。時間解析度為3.3ms。 該探測器樣機可套用強子癌症治療中的束流定位。也可於氣體環境下的高流強束流的定位。