PL249360B1 - Sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej, wykorzystujący elementy metody czasu przelotu cząstki, polegający na tym, że zapisuje się jednocześnie wszystkie amplitudy zmierzonych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z dwóch detektorów (A) i (B) oddalonych od siebie o dokładnie określoną odległość L i połączonych z jednostką obliczeniową, umożliwiającą analizę obrazów zarejestrowanych przez oba detektory, umieszczone na linii badanej wiązki hadronowej, przez okres odpowiadający minimum 100-krotnej teoretycznej wartości czasu przelotu cząstki wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B) z rozdzielczością czasową co najmniej na poziomie 0,5 ns. Przeprowadza się wstępną analizę sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) i eliminuje te, których wartość amplitudy jest mniejsza od określonego poziomu szumu oraz te, których kształt odbiega od wyznaczonego wzorca. Następnie przeprowadza się analizę statystycznej korelacji przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) poprzez przesuwanie zapisanego przebiegu sygnału zarejestrowanego z detektora (B) z krokiem podstawy jego zapisu k, w stosunku do ustalonego przebiegu sygnału z detektora (A), aż do uzyskania maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Określa się krotność kroków k oznaczoną τ^D, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja wyrażona wzorem A. Określa się położenie globalnego minimum funkcji R(τ^D) o wartości τ^D_min, która odpowiada czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami (A) i (B), wyrażonego wzorem t=Δt*τ^D_min, gdzie Δt jest długością pojedynczego kroku k. Wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej wyznacza się, z uzyskanego czasu przelotu t pomiędzy detektorami (A) i (B), na podstawie znanych zależności fizycznych dla danej wiązki hadronowej.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej, określonej z dużą precyzją, co umożliwia efektywne zastosowanie tej wiązki w fizyce doświadczalnej, w celach terapeutycznych, a także w niektórych wysokospecjalistycznych technologiach przemysłowych wymagających dokładnie określonej energii wiązki hadronowej, z obszaru powyżej 500 keV.

Do wytwarzania wiązek promieniowania jonizującego stosuje się urządzenia o różnej konstrukcji z grupy tzw. akceleratorów, których celem jest przyspieszanie cząstek naładowanych tak, aby nadać im dużą energię. Cząstki przyspieszane są polem elektrycznym, a metodą przyspieszania jest oddziaływanie na wiązkę cząstek np. napięciem stałym, wysokiej częstotliwości, indukowanym lub wielostopniowym, natomiast pole magnetyczne stosuje się do nadania przyspieszanym cząstkom odpowiedniego toru lub skupienia ich. Pole magnetyczne jest tworzone przy pomocy bloków elektromagnesów, które są rozmieszczone na linii/obwodzie akceleratora.

Znanych jest szereg metod przyspieszania cząstek np. przyspieszanie elektrostatyczne, na fali elektromagnetycznej stojącej lub biegnącej (wnęki rezonansowe), a także w plazmie. Każda z metod wymaga skomplikowanych struktur przyspieszających składających się m.in. elektromagnesów pracujących z wielką częstotliwością rzędu kilku GHz. Między strukturami przyspieszającymi montuje się magnesy skupiające i korygujące tor ruchu wiązki oraz elementy jej diagnostyki. Każda interakcja wiązki hadronowej z generowanymi polami elektromagnetycznymi powoduje zmianę energii wiązki hadronowej. Zmiana parametrów (niestabilność) urządzeń przyśpieszających i kształtujących wiązkę, a także zderzenia międzycząsteczkowe lub przejście przez degrader (przeszkodę) w dowolnej postaci, w sposób nieokreślony wpływa na energię wiązki hadronowej. Zastosowanie wiązek hadronowych w fizyce doświadczalnej, w celach terapeutycznych, a także w niektórych wysokospecjalistycznych technologiach przemysłowych wymaga, aby energia kinetyczna stosowanych wiązek była bardzo precyzyjnie określona lub zmierzona. Na podstawie parametrów stosowanego akceleratora istnieje możliwość teoretycznego wyliczenia energii kinetycznej stosowanej wiązki hadronowej, ale czasem jest to przybliżenie zgrubne o niezadawalającej dokładności. Wtedy konieczne jest określenie lub zmierzenie rzeczywistej wartości energii kinetycznej wiązki w momencie poprzedzającym jej użycie w celach doświadczalnych, terapeutycznych lub przemysłowych. Analiza stanu techniki wykazuje, iż intensywne poszukiwania rozwiązań ukierunkowanych na sposób efektywnego i precyzyjnego pomiaru lub wyznaczenie energii kinetycznej wiązki hadronowej przeznaczonej do wykorzystania w zakresie zastosowań wymagających dokładnych, precyzyjnych i wiarygodnych danych dotyczących energii kinetycznej stosowanej wiązki, skutkują szeregiem chronionych rozwiązań wynalazczych oraz informacji naukowych ujawniających rozwiązania w tym zakresie.

Znany jest z opisu patentowego EP3155456 B1 układ do pomiaru monoenergetycznej wiązki hadronowej, charakteryzujący się tym, że zawiera pierwszy zespół detekcji składający się z czujnika planarnego posiadającego obszar detekcji podzielony na matrycę pikseli. Każdy piksel jest przystosowany do dostarczania sygnału tranzytowego wskazującego na przejście cząstki oraz układ zliczający sprzężony z czujnikiem, w celu dostarczenia sygnału wyjściowego wskazującego na liczbę cząstek np. wiązki przechodzącej przez wspomniany obszar detekcji w przedziale czasowym, na podstawie sygnałów tranzytu dostarczonych przez wspomniane piksele oraz druga jednostka detekcyjna umieszczona poniżej pierwszej jednostki detekcyjnej i zawierająca, co najmniej jeden detektor jonizacyjny do dostarczania sygnału wyjściowego proporcjonalnego do całkowitego ładunku Qion uwolnionego przez wiązkę w detektorze jonizacyjnym we wspomnianym przedziale czasu. W ww. rozwiązaniu, pomiar energii następuje w oparciu o rejestrację liczby cząstek w jednym detektorze oraz ich sumaryczną stratę energii w wyniku jonizacji w drugim detektorze. Interwał czasowy to okres, w którym dokonywany jest pomiar.

Wynalazek ujawniony w opisie patentowym CN102488971 B dotyczy dynamicznego obrazowania protonowego w czasie rzeczywistym i metody obrazowania radioterapii. Zgodnie z tą metodą, energia protonów jest pozyskiwana przez detektor w postaci cienkowarstwowego tranzystora, z amorficznego krzemu z powłoką z jodku cezu i poddaje się go konwersji cyfrowo-analogowej w celu utworzenia obrazu. Metoda charakteryzuje się tym, że energię protonów uzyskuje się dwukrotnie, przy czym jeden raz przed emisją protonów do wykrywanego obiektu, a drugi raz po ich przejściu przez badany obiekt. Dane uzyskane poprzez dwukrotną akwizycję są przetwarzane w celu utworzenia obrazu.

W publikacji Z. Kormany, pt.: „A new method and apparatus for measuring the mean energy of cyclotron beams”, Nuclear Instruments and Methods m Physics Research A 337 (1994) 258-264, opisano metodę pomiaru średniej energii wiązki z cyklotronu CV28 w KFA Julich. W metodzie zastosowano dwa przetworniki pojemnościowe umieszczone w linii prostej w taki sposób, że ten znajdujący się niżej może być przesuwany wzdłuż osi wiązki. Pomiar wykonywany jest całkowicie on-line, komputer osobisty steruje położeniem sondy i ocenia sygnał wytwarzany przez elektronikę detektora HF. Opisane w pracy rozwiązanie opiera się o metodę pomiaru czasu przelotu TOF (z ang. Time of Flight). Metoda ta odnosi się tylko do wiązki cyklotronowej podzielonej na paczki. W metodzie mierzony jest czas przelotu dla całych paczek, a jako wynik uzyskuje się średnią energię wiązki.

Z opisu patentowego US10792517 B2 znany jest sposób i urządzenie do określania stanu dodatnio naładowanej cząstki, takiej jak proton, do stosowania w obrazowaniu guza pacjenta przed i/lub równolegle z terapią nowotworową. System obrazowania składa się ze ścieżki transportu wiązki dodatnio naładowanych cząstek, sekwencyjnie przechodzących przez pacjenta przez pierwszy detektor czasu przelotu i po przebyciu długości drogi, co najmniej do drugiego detektora czasu przelotu oraz z systemu określania stanu wiązki wykorzystujący czas, jaki upłynął pomiędzy detekcją w pierwszym i drugim detektorze czasu przelotu i długości ścieżki, aby określić stratę energii cząstki, która w porównaniu ze znaną energią wiązki padającej, jest wykorzystywana do generowania obrazu guza.

Znany jest z publikacji międzynarodowego zgłoszenia WO2019197593 A1 system pomiaru czasu przelotu (TOF) do pomiaru energii impulsowej wiązki hadronów, w którym każdy impuls wiązki jest uporządkowany w serię paczek cząstek naładowanych, przy czym paczki te powtarzają się z częstotliwością rzędu wielkości częstotliwości radiowej. Układ składa się z pierwszego detektora, drugiego detektora i trzeciego detektora, rozmieszczonych wzdłuż ścieżki wiązki, przy czym każdy z detektorów jest skonfigurowany do wykrywania przejścia paczki naładowanych cząstek i dostarczania sygnału wyjściowego zależnego od fazy wykrytej paczki. Drugi detektor jest oddalony od pierwszego detektora o pierwszą odległość, a trzeci detektor jest oddalony od drugiego detektora o drugą odległość.

Pierwsza odległość jest ustalona w taki sposób, że czas przelotu wiązki od pierwszego detektora do drugiego detektora jest w przybliżeniu równy, lub niższy od okresu powtarzania paczek, oraz gdzie druga odległość jest ustalona w taki sposób, że czas przelotu wiązki od drugiego detektora do trzeciego detektora jest większy od wielokrotności okresu powtarzania wiązek, oraz jednostkę przetwarzającą skonfigurowaną do obliczania przesunięć fazowych pomiędzy sygnałami wyjściowymi detektorów oraz obliczania energii impulsu na podstawie obliczonych przesunięć fazowych.

W publikacji Wei Liu i in., pt.: „A beam energy time-flying measurement system”, Cyclotrons and Their Applications 2007, Eighteenth International Conference, przedstawiono system pomiaru energii wiązki z wykorzystaniem pomiaru czasu przelotu paczki wiązki o strukturze okresowej wyodrębnionej z SFC (z ang. Sector Focusing Cyclotron). Ten system działa w trybie on-line, a dokładność pomiaru energii wiązki jest większa niż 5%o.

W opisie patentowym US4229704 A została opisana paczka wiązki naładowanych cząstek, która jest sterowana poprzez sygnał generowany w odpowiedzi na przejście wiązki i dodanie do sygnału referencyjnego z przesunięciem fazowym. Suma obu sygnałów jest wzmacniana, wykrywana i stosowana w detektorze synchronicznym w celu uzyskania porównania fazy sygnału referencyjnego z fazą sygnału reagującego na paczkę wiązki. Porównanie to stanowi sygnał błędu, który stosowany jest do kontroli wiązki, w tym do taktowania paczek wiązki.

W publikacji M. Kisieliński, J. Wojtkowska, pt.: „The proton beam energy measurement by a timeof-flight method”, NUKLEONIKA 2007;52(1):3-5, opisano prostą aparaturę TOF przeznaczoną do pomiaru energii wiązki protonów cyklotronowych. Dla niewielkiej odległości 165 cm pomiędzy sondami pojemnościowymi, dokładność pomiaru energii paczki protonów jest w granicach około 1% dla średnich prądów paczki powyżej 200 nA i w zakresie energii 20-30 MeV. Opisane w pracy rozwiązanie opiera się o metodę pomiaru czasu przelotu TOF. Metoda ta odnosi się tylko do wiązki cyklotronowej podzielonej na paczki. W metodzie mierzony jest czas przelotu dla całych paczek, a jako wynik uzyskuje się średnią energię wiązki.

Znane ze stanu techniki sposoby wyznaczania energii wiązki hadronowej są skomplikowane, czasochłonne, o dokładności pomiaru na poziomie około 1%, średniej energii wiązki. Znaczącym ograniczeniem znanych metod pomiaru energii wiązki hadronowej jest również to, że odnoszą się one zwykle do pomiaru wiązek generowanych z cyklotronu, transportowanych w paczkach, a nie działają dla wiązek ciągłych. W konsekwencji niemożliwy staje się pomiar energii wiązki o bardzo małym natężeniu, gdy sygnały indukowane przez pojedyncze paczki wpadają poniżej progu detekcji, lub gdy technika przyspieszania takich paczek nie generuje (wiązka ciągła).

Postawione przed wynalazkiem zagadnienie techniczne polega na opracowaniu sposobu szybkiego wyznaczania energii wiązki hadronowej, o dużej dokładności, poniżej 1%, nie wykorzystującego

PL 249360 Β1 skomplikowanych procedur oraz skomplikowanej aparatury, który pozwala na skuteczne, wielokrotne wyznaczanie energii wiązki hadronowej zarówno generowanej w paczkach jak i w sposób ciągły, w celach monitoringu parametrów wiązki oraz ich korekty.

Istota sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej, według wynalazku, wykorzystującego elementy metody czasu przelotu cząstki, realizowanej w układzie zespołu detektorów cząstek, oraz jednostkę obliczeniową umożliwiającą analizę obrazów zarejestrowanych przez detektory cząstek, wyposażoną w kartę oscyloskopową o paśmie przenoszenia minimum 200 MHz oraz o częstości próbkowania minimum 4 GS/s charakteryzuje się tym, że uruchamia się jednoczesny, ciągły zapis wartości amplitud sygnałów S^A oraz S^B uzyskiwanych z zespołu detektorów cząstek, umieszczonych na linii badanej wiązki hadronowej pierwszego (A) i drugiego (B), o jednakowych parametrach i jednakowej charakterystyce, oddalonych od siebie o dokładnie określoną odległość L i połączonych, każdy niezależnie, z jednostką obliczeniową oraz tworzących, uprzednio skalibrowaną, instalację dla realizacji zapisu wartości kolejnych amplitud sygnałów S^A oraz S^B, który realizuje się z rozdzielczością czasową, co najmniej na poziomie 0.5 ns.

Amplitudy jednostkowych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z obu detektorów (A) i (B), rejestrowanych równocześnie, dla protonów mierzonej wiązki hadronowej, zapisuje się w jednostce obliczeniowej przez okres odpowiadający minimum 100-krotnej teoretycznej wartości czasu przelotu jednej cząstki wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B). S^A oraz S^B oznaczają uporządkowane zbiory zarejestrowanych w czasie realizacji pomiaru w detektorach A i B sygnałów. Natomiast S^A(k) oraz S^B(k) oznaczają pojedyncze próbkowane punkty sygnału (pojedyncze przedziały próbkowania - „biny”). Jednoczesny zapis amplitud zmierzonych sygnałów S^A oraz S^B z obu detektorów cząstek (A) i (B) archiwizuje się w buforach jednostki obliczeniowej. Jednoczesny zapis każdej pary sygnałów pochodzących z detektorów A i B indeksuje się tą samą zmienną określającą krok zapisu k, uzyskując przebiegi sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Przeprowadza się wstępną analizę sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) i uznaje się za zerowe poniżej określonego poziomu szumu oraz eliminuje się te wartości amplitud S^A(k) oraz S^B(k). Następnie dokonuje się analizy kształtu pojedynczych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki i wyznacza się wzorzec kształtu dla tych sygnałów, a następnie usuwa się sygnały odbiegające od tego wzorca. Po zakończeniu okresu zapisu amplitud sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z obu detektorów cząstek (A) i (B), przeprowadza się analizę statystycznej korelacji przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek. Analiza polega na przesuwaniu zapisanego przebiegu sygnału zarejestrowanego z detektora cząstek (B) z krokiem podstawy jego zapisu k, w stosunku do ustalonego przebiegu sygnału z detektora cząstek (A), aż do uzyskania maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Maksimum pokrywania się analizowanych sygnałów jest równoznaczne z uzyskaniem minimum sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), przy określonym kroku k, odpowiadającym rozdzielczości czasowej z jaką zapisuje się sygnały.

Na podstawie liczby kroków k, wykonanych w czasie pomiaru, od k = 0 do k = N, określa się krotność kroków k oznaczoną t^d, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja wyrażona wzorem:

N-t^d

R(t^d) = _N __tD S^A(Ji) - S^B(k + τ^!>) fc = 0 gdzie: t^d jest zmienną określającą przesunięcie pomiędzy porównywanymi sygnałami i przyjmuje dyskretne wartości z przedziału (0, N).

Określa się położenie globalnego minimum funkcji R(t^d) oraz wartości Λίη, przy której funkcja R(t^d) globalne minimum osiąga. Znajomość wartości Λίη pozwala wyznaczyć czas, który odpowiada czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami (A) i (B), wyrażonemu wzorem t = At *T^Dmin, gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania (0.5 ns).

W celu zwiększenia precyzji wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej, doprecyzowuje się położenie globalnego minimum uciąglonej funkcji R(t^d), poprzez dopasowanie wielomianu wokół wcześniej wyznaczonego minimum, stosując metodę minimalizacji sumy kwadratów odległości (|R(t^d) - ρ(τ°)|), gdzie p oznacza dopasowywany wielomian. Następnie wyznacza się doprecyzowany średni czas przelotu wiązki hadronowej według zależności, t = At * Tmin gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania, natomiast Tmin, oznacza liczbę rzeczywistą τ, dla której dopasowany do funkcji R(t^d) wielomian p(t^d) osiąga minimum. Na podstawie znanych zależności fizycznych wyznacza się wartość energii kinetycznej dla badanej wiązki hadronowej, z uzyskanego doprecyzowanego czasu przelotu t wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B). Koryguje się wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez pierwszy detektor (A), poprzez odjęcie stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze (A). Poprzez podanie wyznaczonej wartości energii, kończy się procedurę wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej jednocześnie usuwa się detektory (A) i (B) z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.

Jako detektory cząstek korzystnie stosuje się detektory scyntylacyjne umieszczone na linii badanej wiązki hadronowej, tak by płaszczyzny aktywnej części detektorów usytuowane były prostopadle w stosunku do kierunku poruszania się wiązki hadronowej.

Pomiar kalibracyjny całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej polega na przetestowaniu instalacji poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległość d = 0, tak, aby aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą, a układ uznaje się za skalibrowany, gdy wyznaczony średni czas przelotu hadronów przyjmuje wartość 0.

Dla eliminacji sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), których wartości amplitud znajdują się poniżej określonego poziomu szumu, ustala się ten poziom szumu przez obliczenie algorytmu, w oparciu o rozkład statystyczny próbkowanych amplitud i dopasowania funkcji Gaussa wokół maksimum zliczeń, a następnie ustala się poziom zero dla średniej rozkładu oraz określa się poziom szumu jako nie mniej niż 3σ, gdzie σ oznacza odchylenie standardowe od średniej tego rozkładu. Natomiast wyznacza się wzorzec kształtu dla pojedynczych sygnałów najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki sygnałów, który służy do usuwania z uporządkowanych zbiorów sygnałów S^A oraz S^B tych sygnałów, które odbiegają od wyznaczonego wzorca. Jako kryterium zgodności przyjmuje się długość impulsu oraz jego wycałkowaną powierzchnię, a następnie odrzuca się (wyzerowuje amplitudy) impulsy odbiegające o co najmniej 3σ od wartości średniej, co najmniej jednego z parametrów stanowiących kryterium.

Sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej, według wynalazku cechuje duża szybkość działania: odpowiedź następuje niemal natychmiast po aktywowaniu pomiaru. Sposób pozwala na kilkukrotnie większą precyzję pomiaru od metod znanych ze stanu techniki. W sposobie wykorzystuje się analizę nakładania się sygnałów zawierających wiele impulsów pochodzących od wielu cząstek, co zwiększa wiarygodność pomiaru w stosunku do znanych rozwiązań, które bazują na różnicy faz dwóch podobnych impulsów. Uzyskany sposobem według wynalazku wiarygodny pomiar, pozwala na określenie wartości energii tuż przed miejscem, w którym wiązka jest wykorzystywana.

Dodatkowymi korzyściami są możliwości pomiaru energii wiązek ciągłych oraz wiązek generowanych z cyklotronu o bardzo małych natężeniach, dla których metody pojemnościowe są nieskuteczne.

Sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej objaśniono poniżej w praktycznych przykładach realizacji wynalazku oraz na rysunku, na którym pokazano na fig. 1 schemat blokowy algorytmu sposobu, na fig. 2 przykładowe obrazy sygnałów z obu detektorów zebrane podczas pojedynczego pomiaru, przy czym w szeregu górnym pokazane są sygnały z detektorów (A) i (B) po ich wstępnym przetworzeniu i zapisaniu do buforów, a w szeregu dolnym pokazane są sygnały z detektorów (A) i (B) po usunięciu z nich sygnałów od przypadkowych cząstek na podstawie analizy kształtu, na fig. 3 przykładowe wartości funkcji przykrywania sygnałów R(t^d) [punkty], w zależności od kroku przesunięcia sygnału z detektora (B), a maksimum pokrywania się sygnałów przypada na położenie minimum funkcji R(t^d), na fig. 4 wyniki serii pomiarów dla energii wiązki zmienianej z krokiem 10 MeV za pomocą degradera, przeprowadzonych w hali eksperymentalnej Centrum Cyklotronowego Bronowice i realizowanych sposobem według wynalazku oraz na fig. 5 schemat umiejscowienia detektorów (A) i (B) na linii wiązki cyklotronu Proteus-235 w Centrum Cyklotronowym Bronowice.

Przykład 1

Przykład realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej został zrealizowany przy użyciu wiązki protonowej o energii 1,96 GeV i prądzie około 1 pA, wytworzonej przez cyklotron COSY w Forschungszentrum Juliech.

Instalacja dla realizacji sposobu została zestawiona z dwóch detektorów cząstek A i B. W obu detektorach jako materiał aktywny, zostały wykorzystane kwadratowe płytki plastików scyntylacyjnych BICRON o wymiarach 90 x 90 mm oraz o grubości 5 mm. Światło wzbudzane przez przelatujące cząstki wiązki hadronów odczytywane było z jednego boku za pomocą 4 fotopowielaczy krzemowych (3 mm Seria-C firmy Omicron). Zespół fotopowielaczy zamontowany do boku płytki z materiału aktywnego, jak i sam materiał scyntylacyjny były standardowo izolowane optycznie od oddziaływania światła zewnętrznego.

PL 249360 Β1

Sygnał elektryczny uzyskany z fotopowielaczy kierowany był za pomocą przewodów koncentrycznych BNC na dwa kanały karty oscyloskopowej WaveSurfer 3024z, w którą została wyposażona centralna jednostka obliczeniowa. Kanały karty oscyloskopowej ustawione zostały w tryb zapisu pojedynczego interwału czasowego długości 5 ms, z rozdzielczością 0,5 ns na pojedynczy bin (przedział próbkowania). Sygnał z każdego detektora zapisywany był w odrębnym buforze. Każdy bufor był przeznaczony do zapisu minimum 1.0 x 10⁷ punktów. Zapisane w buforach przebiegi sygnałów, generowane w detektorach przez przelatujące cząstki mierzonej wiązki hadronowej, poddane zostały analizie algorytmem, realizującym sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej.

Ustalono odległość pomiędzy oboma detektorami która wyniosła d = 7,93 m. Przeprowadzony został pomiar kalibracyjny polegający na wykonaniu pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległości d = 0, co oznacza, że aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą. Pomiar kalibracyjny wykonywany był w celu stwierdzenia, że zapis sygnałów pochodzących od obu detektorów nie wykazuje żadnych opóźnień związanych z niewłaściwą konstrukcją instalacji i w konsekwencji na obu kanałach rejestrowany jest synchronicznie.

Realizacja sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzedziło umieszczenie detektorów na linii badanej wiązki hadronowej w odległości d = 7,93 m, a następnie podano wiązkę protonową o energii 1,96 GeV.

Rozpoczęcie realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej rozpoczęto poprzez uruchomienie zsynchronizowanego jednoczesnego i ciągłego zapisu wartości kolejnych amplitud sygnałów S^A oraz S^B z obu detektorów cząstek (A) i (B). Kolejne (k-te) wartości amplitud sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) próbkowane były i zapisywane co 0.5 ns przez okres 5 ms. Zapisy kolejnych punktów próbkowania obu sygnałów realizowane były synchronicznie oraz indeksowane były tą samą zmienną określającą krok zapisu k, tworząc w wyniku zapisów sygnałów w całym okresie pomiaru, przebiegi sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Przeprowadzono wstępną analizę zapisanych sygnałów i ustalono poziom zerowy sygnałów oraz poziom szumu i usunięto (wyzerowano) amplitudy poszczególnych fragmentów sygnałów o wartości mniejszej niż poziom granicy szumów. Jednocześnie w ramach analizy wstępnej określono kształt impulsów charakterystyczny oraz najczęściej odpowiadający sygnałom wywoływanym przez protony o energii badanej wiązki i wyzerowano (usunięto) z zapisanych sygnałów S^Aoraz S^B impulsy odbiegające od wyznaczonego wzorca impulsu pojedynczej cząstki. Jako kryterium zgodności przyjęto długość impulsu oraz jego wycałkowaną powierzchnię. Odrzucano (wyzerowywano amplitudy) impulsy odbiegające o 3σ od wartości średniej co najmniej jednego z parametrów stanowiących kryterium.

Po zakończeniu analizy wstępnej przeprowadzona została analiza statystyczna korelacji przebiegów sygnałów S^A oraz S^B, pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek. Każdy z przebiegów sygnałów stanowił ciąg N = 1.0 χ 10⁷ zapisanych wartości kolejnych amplitud S^A(k) oraz S^B(k), numerowanych wspólnym indeksem k. Analiza korelacji przebiegów sygnałów polegała na przesuwaniu zapisanego przebiegu sygnału S^B(k) poprzez przesuwanie indeksu o kolejne liczby naturalne t^d z przedziału [0, N), w stosunku do ustalonego przebiegu sygnału S^A(k), sumując jednocześnie różnicę amplitud dla całego sygnału i otrzymując zbiór wartości R(t^d) takich że:

N-t^d fc—0

Następnie wybieramy wartość Λίη, taką że R(T^Dmin) przyjmuje wartość najmniejszą ze wszystkich R(t^d). Uzyskano wartość Tarnin ^— 57.

Określone zostało w ten sposób globalne minimum funkcji dla wartości τΛ™, która najlepiej odpowiada średniemu czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami, wyrażonego wzorem t = 21f*T^Dmin gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania (0.5 ns). Uzyskano wartość t = 28.5 ±0.5 ns.

Doprecyzowano uzyskaną wcześniej wartość przesunięcia czasowego poprzez dookreślenie położenia minimum (xmin) uciąglonej funkcji R(t) powstałej z dopasowania do R(T^Dmin) wielomianu 5 stopnia (ρ(τ)) metodą minimalizacji sumy kwadratów odległości |R(t^d) - ρ(τ°)|.

Następnie wyznaczono ponownie średni czas przelotu cząstek według zależności t = 21f*Tmin gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania, natomiast Tmin oznacza liczbę rzeczywistą τ, dla której wielomian ρ(τ) dopasowany do funkcji R(t) a tym samym i funkcja R(t) osiągają minimum. Uzyskano wartość t = 27.98 +/- 0.07 ns.

PL 249360 Β1

Celem przeprowadzonej analizy statystycznej korelacji przebiegów sygnałów S^A oraz S^B, było uzyskanie maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów S^A oraz S^B, co jest równoznaczne z uzyskaniem minimum sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), po wszystkich przedziałach próbkowania k. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej z uzyskanego czasu przelotu t pomiędzy detektorami scyntylacyjnymi A i B w oparciu o znane zależności fizyczne dla danej wiązki hadronowej. ^{Eltm = mt>c2} gdzie c jest prędkością światła, mo masą cząstki, a prędkość cząstki v =^, wynika ze znajomości czasu przelotu t tej cząstki pomiędzy dwoma detektorami A i B umieszczonymi w określonej odległości L od siebie.

Skorygowano wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez detektor A, wynikającą z parametrów użytego detektora poprzez dodanie do uzyskanej wartości energii stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze.

Uzyskano wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej 1.95 +/- 0.1 GeV, po czym usunięto detektory scyntylacyjne A i B z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.

Przykład 2

Przykład realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej został zrealizowany przy użyciu wiązki protonowej wytworzonej przez cyklotron Proteus-235 w Centrum Cyklotronowym Bronowice. Wyjściowa energia wiązki z cyklotronu wynosiła zawsze 226 MeV i była redukowana do żądanej wartości specjalnie przygotowanym zestawem degraderów. Prąd początkowy wiązki wynosił 1 nanoamper i także podlegał redukcji na degraderze. Testy przeprowadzono dla energii w zakresie 70-140 MeV, z krokiem co 10 MeV, zaś prąd wiązki redukowany był do rzędu kilku pikoamperów.

Instalacja dla realizacji sposobu, według wynalazku, została zestawiona z dwóch detektorów cząstek. W obu detektorach, jako materiał aktywny zostały wykorzystane kwadratowe płytki plastików scyntylacyjnych BICRON o wymiarach 30 x 30 mm oraz o grubości 5 mm. Światło wzbudzane przez przelatujące cząstki wiązki hadronów odczytywane było z jednego boku za pomocą pojedynczego fotopowielacza krzemowego (3mm Seria-C firmy Omicron). Zarówno płytka z materiału aktywnego jak i zamocowany do niej z boku fotopowielacz były standardowo izolowane optycznie od oddziaływania światła zewnętrznego materiałem o znanej grubości.

W przykładzie 2 realizowano sposób wyznaczania energii kinetycznej ośmiu wiązek hadronowych o energii w zakresie 70-140 MeV.

Ustalono odległość pomiędzy oboma detektorami, która wyniosła d = 2.66 m. Przeprowadzony został pomiar kalibracyjny realizowany analogicznie jak opisany w przykładzie 1. Sposób wyznaczania energii kinetycznej dla poszczególnych wiązek hadronowych rozpoczynał się przez podanie wiązki protonowej o energii 70 MeV, dla pierwszej badanej wiązki. Kolejne badane wiązki miały energię zwiększaną o 10 MeV, aż do ósmej o energii 140 MeV.

Sposób wyznaczania energii kinetycznej każdej badanej wiązki hadronowej polegał na zsynchronizowanym jednoczesnym i ciągłym zapisie wartości kolejnych amplitud sygnałów S^A oraz S^B z obu detektorów cząstek (A) i (B). Kolejne (k-te) wartości amplitud sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) próbkowane były i zapisywane co 0.5 ns przez okres 2 ms. Zapisy kolejnych punktów próbkowania obu sygnałów realizowane były synchronicznie oraz indeksowane były tą samą zmienną określającą krok zapisu k, tworząc w wyniku zapisów sygnałów w całym okresie pomiaru, przebiegi sygnałów S^A(k) oraz S^B(k). Przeprowadzono wstępną analizę zapisanych sygnałów i ustalono poziom zerowy sygnałów oraz poziom szumu i usunięto (wyzerowano) amplitudy poszczególnych fragmentów sygnałów o wartości mniejszej niż poziom granicy szumów. Jednocześnie w ramach analizy wstępnej określono kształt impulsów charakterystyczny oraz najczęściej odpowiadający sygnałom wywoływanym przez protony o energii badanej wiązki i wyzerowano (usunięto) z zapisanych sygnałów S^A oraz S^B impulsy odbiegające od wyznaczonego wzorca impulsu pojedynczej cząstki. Jako kryterium zgodności przyjęto długość impulsu oraz jego wycałkowaną powierzchnię. Odrzucano (wyzerowywano amplitudy) impulsy odbiegające o 3σ od wartości średniej co najmniej jednego z parametrów stanowiących kryterium. Po zakończeniu analizy wstępnej przeprowadzona została analiza statystyczna korelacji przebiegów sygnałów S^A oraz S^B, pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek. Każdy z przebiegów sygnałów stanowił ciąg N = 4.0 x 10⁶ zapisanych wartości kolejnych amplitud S^A(k) oraz S^B(k), numerowanych wspólnym indeksem k. Analiza korelacji przebiegów sygnałów polegała na przesuwaniu zapisanego przebiegu sygnału S^B(k) poprzez przesuwanie indeksu o kolejne liczby naturalne t^d z przedziału [0, N), w stosunku do

PL 249360 Β1 ustalonego przebiegu sygnału S^A(k), sumując jednocześnie różnicę amplitud dla całego sygnału i otrzymując zbiór wartości R(t^d) takich że:

Ν-τ° £ ^^{C/<) + ΤΡ)} k-0

Następnie wyznaczano wartość T^Dmin, taką że R(T^Dmin) przyjmuje wartość najmniejszą ze wszystkich R(t^d). Dla poszczególnych wiązek uzyskano wartości T^Dmin przedstawione w tabeli 1

Tabela 1

L.p.	Energia wiązki hadronów [MeV]	Wartość TDmin
1.	70	50
2.	80	48
3.	90	44
4.	100	42
5.	110	40
6.	120	39
7.	130	38
8.	140	37

Określone zostało w ten sposób globalne minimum funkcji dla wartości Λίη, która najlepiej odpowiada średniemu czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami, wyrażonego wzorem t = At * Λίη gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania (0.5 ns). Dla poszczególnych wiązek uzyskano wartości t, które pokazano w tabeli 2:

Tabela 2

L.p.	Energia wiązki hadronów [MeV]	Wartość t
1.	70	25.0 +/- 0.5
2.	80	24.0 +/- 0.5
3.	90	22.0 +/- 0.5
4.	100	21.0 +/- 0.5
5.	110	20.0 +/- 0.5
6.	120	19.5+/- 0.5
7.	130	19.0+/-0.5
8.	140	18.5 +/- 0.5

Doprecyzowano uzyskaną wcześniej wartość przesunięcia czasowego poprzez dookreślenie położenia minimum (xmin) uciąglonej funkcji R(t) powstałej z dopasowania do R(T^Dmin) wielomianu 5 stopnia (ρ(τ)) metodą minimalizacji sumy kwadratów odległości |R(t^d) - ρ(τ°)|.

Następnie wyznaczono ponownie średni czas przelotu cząstek według zależności t = żlf*Tmin, gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania, natomiast Tmin oznacza liczbę rzeczywistą τ, dla której wielomian ρ(τ) dopasowany do funkcji R(t) a tym samym i funkcja R(t) osiągają minimum. Dla poszczególnych wiązek uzyskano wartości t, które pokazano w tabeli 3:

Tabela 3

L.p.	Energia wiązki hadronów [MeV]	Wartość t
1.	70	24.89 +/- 0.08
2.	80	23.46 +/-0.11
3.	90	22.12+/- 0.09

PL 249360 Β1

4.	100	20.98 +/- 0.08
5.	110	20.15+/- 0.07
6.	120	19.44 +/- 0.09
7.	130	18.82 +/-0.06
8.	140	18.20 +/- 0.09

Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej z uzyskanego czasu przelotu t pomiędzy detektorami scyntylacyjnymi A i B, w oparciu o znane zależności fizyczne dla danej wiązki hadronowej.

Wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej skorygowano o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez detektor A, wynikającą z parametrów użytego detektora poprzez dodanie do uzyskanej wartości energii stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze.

Wyniki wyznaczenia energii dla serii pomiarów dla mierzonych wiązek zaprezentowane są na fig. 5.

W wyniku przeprowadzonych w przykładach procedur wyznaczania energii kinetycznej wiązek hadronowych według sposobu będącego przedmiotem wynalazku wyznaczone zostały wartości energii kinetycznej 9 wiązek hadronowych. Uzyskane wyniki różniły się o < niż 1% do wartości energii kinetycznej oznaczonej innymi, bardziej skomplikowanymi metodami.

Zastosowanie sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej według wynalazku pozwala na zastąpienie lub uzupełnienie trudnych i skomplikowanych metod określania energii kinetycznej wiązek hadronowych stosowanych dotychczas oraz rozszerzenie monitoringu w trakcie stosowania wiązek hadronowych co przyczyni się do zwiększenia pewności osiąganych efektów w zastosowaniach naukowych, terapeutycznych i technicznych.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej, wykorzystujący elementy metody czasu przelotu cząstki, realizowane w układzie zespołu detektorów cząstek, wyposażonym w jednostkę obliczeniową umożliwiającą analizę obrazów zarejestrowanych przez detektory cząstek oraz zawierającą kartę oscyloskopową o paśmie przenoszenia minimum o 200 MHz oraz częstością próbkowania minimum 4 GS/s, znamienny tym, że

   - uruchamia się jednoczesny ciągły zapis wartości amplitud sygnałów S^A oraz S^B z zespołu detektorów cząstek, umieszczonych na linii badanej wiązki hadronowej pierwszego (A) i drugiego (B), o jednakowych parametrach i jednakowej charakterystyce, oddalonych od siebie o dokładnie określoną odległość L i połączonych, każdy niezależnie, z jednostką obliczeniową oraz tworzących, uprzednio skalibrowaną, instalację dla realizacji zapisu wartości kolejnych amplitud sygnałów S^A oraz S^B, który realizuje się z rozdzielczością czasową co najmniej na poziomie 0.5 ns,

   - realizuje się zapis wszystkich amplitud zmierzonych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z obu detektorów (A) i (B), przez okres odpowiadający minimum 100-krotnej teoretycznej wartości czasu przelotu jednej cząstki wiązki hadronowej pomiędzy detektorami (A) i (B),

   - archiwizuje się jednoczesny zapis amplitud zmierzonych sygnałów S^A oraz S^B z obu detektorów cząstek (A) i (B), a zapis kolejnych punktów próbkowania obu sygnałów realizuje się synchronicznie oraz indeksuje się tą samą zmienną określającą krok zapisu k, uzyskując przebiegi sygnałów S^A(k) oraz S^B(k),

   - wartości amplitud sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) poniżej określonego poziomu szumu uznaje się za zerowe i eliminuje się,

   - dokonuje się analizy kształtu pojedynczych sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki i wyznacza się wzorzec kształtu dla tych sygnałów, a następnie usuwa się sygnały odbiegające od tego wzorca,

   - po zakończeniu okresu zapisu amplitud sygnałów S^A(k) oraz S^B(k) z obu detektorów cząstek (A) i (B), przeprowadza się analizę statystycznej korelacji przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), pozostawionych w obu detektorach przez wiele cząstek, poprzez przesuwanie zapisanego przebiegu sygnału zarejestrowanego z detektora cząstek (B) z krokiem podstawy jego

   PL 249360 Β1 zapisu k, w stosunku do ustalonego przebiegu sygnału z detektora cząstek (A), aż do uzyskania maksimum pokrywania się przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), co jest równoznaczne z uzyskaniem minimum sumarycznej różnicy amplitud przebiegów sygnałów S^A(k) oraz S^B(k), przy określonym kroku k, odpowiadającym rozdzielczości czasowej z jaką zapisuje się sygnały,

   - na podstawie liczby kroków k, wykonanych w czasie pomiaru, od k = 0 do k = N, określa się krotność kroków k oznaczoną t^d, o którą przesuwa się sygnał S^B(k) względem sygnału S^A(k), aby osiągnęła minimum funkcja wyrażona wzorem:

   N-t^d

   w) - +_t ^d) k o gdzie: t^d jest zmienną określającą przesunięcie pomiędzy porównywanymi sygnałami i przyjmuje dyskretne wartości z przedziału (0, N),

   - określa się położenie globalnego minimum funkcji R(t°) oraz wartości T^Dmin, która odpowiada czasowi przelotu hadronów pomiędzy detektorami (A) i (B) wyrażonego wzorem t = At * Λίη, gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania (0.5 ns),

   - doprecyzowuje się położenie globalnego minimum uciąglonej funkcji R(t°), poprzez dopasowanie wielomianu wokół wcześniej wyznaczonego minimum, stosując metodę minimalizacji sumy kwadratów odległości (|R(t°) - ρ(τ°)|), gdzie p oznacza dopasowywany wielomian,

   - wyznacza się średni czas przelotu wiązki hadronowej według zależności, t = At *Tmin gdzie At jest długością pojedynczego przedziału próbkowania, natomiast Tmin, oznacza liczbę rzeczywistą τ, dla której dopasowany do funkcji R(t^d) wielomian ρ(τ°) osiąga minimum,

   - wyznacza się wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej z uzyskanego czasu przelotu t pomiędzy detektorami (A) i (B) na podstawie znanych zależności fizycznych dla danej wiązki hadronowej,

   - koryguje się wyznaczoną wartość energii kinetycznej wiązki hadronowej o znaną stratę energii występującą przy przejściu przez pierwszy detektor (A), poprzez odjęcie stabelaryzowanych wartości strat energii w użytym detektorze (A),

   - kończy się procedurę wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej przez podanie wyznaczonej wartości energii i usunięcie detektorów (A) i (B) z toru poruszania się badanej wiązki hadronowej.
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako detektory cząstek stosuje się detektory scyntylacyjne umieszczone na linii badanej wiązki hadronowej, tak by płaszczyzny aktywnej części detektorów usytuowane były prostopadle w stosunku do kierunku poruszania się wiązki hadronowej.
3. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiar kalibracyjny polega na przetestowaniu całej instalacji zestawionej dla realizacji sposobu wyznaczania energii kinetycznej wiązki hadronowej poprzez wykonanie pojedynczych pomiarów dla detektorów ustawionych w odległość d = 0, tak, aby aktywne części obu detektorów stykały się ze sobą a układ uznaje się za skalibrowany, gdy wyznaczony średni czas przelotu hadronów przyjmuje wartość 0.
4. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że poziom szumu ustala się przez obliczenia algorytmu w oparciu o rozkład statystyczny próbkowanych amplitud i dopasowania funkcji Gaussa wokół maksimum zliczeń a następnie ustalenie poziomu zero dla średniej rozkładu oraz szumu jako nie mniej niż 3σ, gdzie σ oznacza odchylenie standardowe od średniej tego rozkładu.
5. 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznacza się wzorzec kształtu dla pojedynczych sygnałów najczęściej rejestrowanych dla protonów mierzonej wiązki sygnałów a jako kryterium zgodności przyjmuje się długość impulsu oraz jego wycałkowaną powierzchnię a następnie odrzuca się (wyzerowuje amplitudy) impulsy odbiegające, o co najmniej 3σ od wartości średniej, co najmniej jednego z parametrów stanowiących kryterium.