用于强子治疗在线射程监测的 100 ps TOF 探测系统

强子治疗的精度目前受离子射程不确定性的限制。为充分利用该技术的潜力，我们提出开发一种基于具有 100 ps 时间分辨率的 TOF 分辨（飞行时间）瞬发伽马（PG）成像的新型粒子治疗在线控制系统。我们的目标是在治疗开始阶段的前几个照射点内检测质子射程相对于治疗计划的 possible 偏差。该系统由一个用于单质子标记的金刚石基束流描迹仪组成，与放置在患者下游的一个或多个伽马探测器进行时间符合运行。质子到达描迹仪的时间与 PG 探测时间之间的 TOF 提供了患者内质子射程的间接测量，其精度与系统时间分辨率严格相关。使用一个放置在距异质 PMMA 靶 15 cm 处的单 ~38 cm$^{3}$ BaF2 探测器，我们获得了 101 ps（rms）的符合时间分辨率。该系统使我们能够测量 PMMA 靶内气腔的厚度与位置，以及相关的质子射程偏移：在单个大照射点（~10$^{8}$ 个质子）内，可在 2$\sigma$ 置信水平检测到 3 mm 偏移。我们目前正在构思一种具有 3D 靶覆盖的多通道 PG 定时探测器。每个像素将提供 PG 探测时间及其击中位置，可用于重建患者内 PG 顶点的 3D 分布。我们的方法不需要准直，并可显著提高探测效率。由于信号探测与背景抑制均基于 TOF，对能量分辨率的限制可放宽以进一步改善时间分辨率。