基于像素传感芯片的高精度强子束流监控探测器

Ion beam therapy is an ideal method of treatment of cancer. China has independently built a heavy ion beam treatment device in Lanzhou. Beam Delivery System is used to ensure beam energy deposition cover tumor region. Beam monitoring system plays the key role for the performance of the beam delivery system. We propose to use the micro time projection chamber(MicroTPC) to monitor the beam. The charge collection plate of MicroTPC composes of CMOS pixel sensor chips. CMOS pixel sensor chip exposes top metal layer directly receiving the charge from the outside. From the simulation, the spatial resolution is up to 40 microns. The beam only passes through the gas part of the detector, which minimizes the thickness of the radiation length of the detector and avoids the problem of the radiation damage of the chip.

离子束治疗是一种较为理想治疗肿瘤的方法，我国在兰州自主建成了第一个重离子束治疗装置。束流配送系统用来保证束流能量沉积准确覆盖肿瘤区间，而束流监控系统是决定束流配送系统性能的关键。我们提出使用微型时间投影室来监控束流。微型时间投影室的电荷收集板由CMOS像素传感器芯片组成。CMOS像素传感器芯片的顶层金属层暴露在外直接接收来自外面的电荷。经过仿真，空间分辨率可以达到40微米。并且束流只穿过探测器的气体，尽量减小了探测器的辐射厚度，同时避免了芯片的辐射损伤问题。

采用强子束流进行癌症治疗的技术是治疗癌症的一种有效方法，为了确保强子束流能够准确到达癌症位置，需要有在线的实时束流检测系统来测量束流的位置和强度。传统的测量方法一般采用分条电离室。分条电离室存在两个问题，一个是位置分辨率不高，另一个是能够引起一部分束流的散射。为了提高束流位置测试的精度，同时减小放置在人体前面的物质，我们提出了采用像素电荷收集芯片来测量束流中心位置的方案。..我们设计了一个CMOS像素传感器芯片，Topmetal II-，该芯片可以直接测量来自外部气体中的电荷。它的像素间距为83μm。采用在标准0.35μm CMOS工艺生产，没有任何后处理。像素阵列的大小为72X72，每个像素有几个金属电极延伸的像素的顶部。每个像素包含一个低噪声电荷灵敏前置放大器（CSA）。芯片采用模拟输出，将每一个像素的模拟值依次读出到芯片外。像芯片每帧的读出时间为3.3毫秒。每一个像素上的噪声为13.9个电子。单个芯片像素阵列部分的尺寸约6毫米。.我们将该芯片并排放置在PCB上，每一排8个，分两排。每排芯片的间距为3mm，这样每排芯片可以覆盖7cm的长度。芯片之间的缝隙可以完全被另外第二排的芯片覆盖。在芯片的上面放置一个平面电极作为阴极，用来漂移电子。两侧的支架结构为场笼，由平行的金属条串联电阻产生均匀的梯度电场，从而使阴极的芯片之间的产生均匀的电场。..我们在互相垂直的两个方向上制作了两个探测器，可以测量束流在X和Y方向的投影，从而确定束流中心的位置。将探测器在兰州近代物理研究所进行束流测试，测试结果显示束流监控器能够测量束流的位置、角度和强度，位置分辨率17微米，角度分辨率0.5度，流强分辨率好于2%。可以探测到束流在x方向和y方向的分布，以及束流强度随时间的变化。时间分辨率为3.3ms。..该探测器样机可应用强子癌症治疗中的束流定位。也可于气体环境下的高流强束流的定位。