一种二维光纤阵列探测器及其制备方法

本申请涉及束流监测领域，具体涉及放疗束流监测设备，更具体地涉及一种二维光纤阵列探测器及其制备方法。

背景技术：

1、闪光放射治疗（flash放疗）是一种采用超高剂量率（平均剂量率≥40 gy/s）辐射束进行肿瘤照射的新型放疗技术，可以在保持肿瘤杀伤效果的同时显著降低正常组织损伤。由于其单次照射时间极短、瞬时剂量率极高、脉冲强度高且剂量释放快，因此其束流质量保证和束流状态监测对探测器提出了比传统放疗更高的要求。在设备调试、临床前验证、日常质量保证及安全联锁等场景中，探测器需在超高剂量率条件下实时获取束流有无、位置、斑分布、相对强度变化及脉冲时间结构等关键信息。

2、现有束流或剂量检测装置在不同程度上均难以满足上述需求：电离室阵列在超高剂量率下易出现离子复合、电荷收集效率下降、输出饱和及响应不足等问题；二极管阵列虽响应较快，但在高通量、长期辐照下存在性能漂移、辐照损伤和通道一致性维护困难，大面积二维阵列成本高昂；胶片剂量计空间分辨率高，但无法实时读出，且每次测量后需要显影、扫描或后处理，难以用于在线调试与安全联锁；闪烁屏加高速相机系统可以获得二维图像，但依赖复杂光学链路与高速相机，安装空间大、系统成本高，且闪烁屏材料在长期辐照下易老化；塑料闪烁光纤虽有较强光输出，但在高累积剂量环境下存在光输出衰减、材料老化、温度敏感及响应漂移问题，不利于构建长期稳定的闪光放射治疗探测头；金刚石探测器等高端固体探测器耐辐照性能良好，但成本极高，多用于点剂量或参考剂量测量，难以构建大面积二维阵列。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本申请的实施例提供了一种二维光纤阵列探测器及其制备方法。

2、根据本申请的第一方面，提供了一种二维光纤阵列探测器，包括：第一光纤阵列，包括若干沿第一方向线性排布的第一光纤；第二光纤阵列，包括若干沿第二方向线性排布的第二光纤，所述第一方向与所述第二方向相交设置；所述第一光纤和所述第二光纤为普通石英光纤和闪烁石英光纤中的至少一种；端部光学耦合结构，设置于所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列的端部；光电探测单元，所述光电探测单元通过所述端部光学耦合结构与所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列光耦合。

3、根据本申请的实施例，所述探测器还包括内层定位结构，所述内层定位结构包括第一定位槽板、第二定位槽板以及压板；所述第一定位槽板设有若干平行排布的第一定位槽，所述第一光纤阵列嵌设于所述第一定位槽内；所述第二定位槽板设有若干平行排布的第二定位槽，所述第二光纤阵列嵌设于所述第二定位槽内；所述第一定位槽板与所述第二定位槽板叠放设置，所述压板叠放于所述第二定位槽板背离所述第一定位槽板的一侧，以将所述第一定位槽板与所述第二定位槽板压合限位。

4、根据本申请的实施例，所述探测器还包括外层支撑结构，所述外层支撑结构包括支撑底座和定位框；所述定位框设置于所述支撑底座上，所述定位框的侧壁设有若干供光纤穿过的通槽；所述内层定位结构整体设置于所述定位框内，所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列分别经所述通槽引出。

5、根据本申请的实施例，所述第一方向与所述第二方向相互正交，且所述第一定位槽板与所述第二定位槽板之间夹设有层间隔离片。

6、根据本申请的实施例，所述普通石英光纤包括高纯熔融石英光纤、石英芯石英包层光纤、石英芯聚合物包层光纤、掺杂石英光纤、具有抗辐照涂覆层的石英光纤中的至少一种；所述闪烁石英光纤为以石英、熔融石英或石英玻璃为基体并包括闪烁发光中心的光纤，或者为具有发光芯层、石英包层及抗辐照涂覆层的光纤。

7、根据本申请的实施例，所述普通石英光纤与所述闪烁石英光纤采用以下混合配置中的至少一种：所述第一光纤阵列与所述第二光纤阵列分别为普通石英光纤阵列和闪烁石英光纤阵列；同一光纤阵列内所述普通石英光纤与所述闪烁石英光纤交替排布；所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列的中心区域配置普通石英光纤，其他区域配置闪烁石英光纤，所述中心区域包括中心位置预设直径范围内的区域。

8、根据本申请的实施例，所述端部光学耦合结构包括光纤端面研磨抛光面、光纤限位孔、光纤插芯、端部压板、弹性压紧件和定制耦合座中的至少一种，光纤的端面与所述光电探测单元的入光面一一对应或分组对应。

9、根据本申请的实施例，所述光电探测单元包括硅光电倍增管或光电二极管，所述光电探测单元设置于束流直接辐照区域之外或屏蔽区域内。

10、根据本申请的实施例，所述第一光纤阵列、所述第二光纤阵列、所述内层定位结构、所述外层支撑结构和所述端部光学耦合结构共同构成替换探测头模块，所述替换探测头模块通过插拔式接口与基座定位连接。

11、根据本申请的第二方面，提供了一种二维光纤阵列探测器的制备方法，应用于第一方面中所述的二维光纤阵列探测器，所述方法包括：制备第一光纤和第二光纤，所述第一光纤和所述第二光纤包括普通石英光纤和闪烁石英光纤中的至少一种；将所述第一光纤和所述第二光纤分别排布形成第一光纤阵列和第二光纤阵列，并将所述第一光纤阵列与所述第二光纤阵列交叉叠放固定；制备端部光学耦合结构，并将所述端部光学耦合结构设置于所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列的端部，使光电探测单元通过所述端部光学耦合结构与所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列光耦合。

12、本申请实施例提供的一种二维光纤阵列探测器，与相关技术相比至少具有以下有益效果：

13、本申请沿第一方向线性排布的第一光纤阵列与沿第二方向线性排布的第二光纤阵列相交设置，且光纤选用普通石英光纤和/或闪烁石英光纤，配合端部光学耦合结构与光电探测单元，形成二维位置敏感探测头结构；普通石英光纤在束流作用下产生切伦科夫光、闪烁石英光纤产生闪烁光，光信号沿光纤传输至端部并经光学耦合结构输入光电探测单元，从而同时获得束流在两个正交方向上的投影响应。本申请利用光纤固有的耐辐照性能和快速光学响应特性，能够长期稳定地工作于闪光放射治疗的高瞬时通量和高累积剂量环境中；同时，光纤阵列可以灵活配置普通石英光纤和闪烁石英光纤，兼顾耐辐照能力、光输出灵敏度与响应速度，且光纤传光特性使得高价值的光电探测单元可以远离辐照区域布置，降低辐照损伤风险的同时，提升工程化可维护性，为闪光放射治疗设备调试、临床前验证、日常质量保证及安全联锁提供结构紧凑、成本可控且便于维护的束流监测装置。

1.一种二维光纤阵列探测器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述探测器还包括内层定位结构，所述内层定位结构包括第一定位槽板、第二定位槽板以及压板；所述第一定位槽板设有若干平行排布的第一定位槽，所述第一光纤阵列嵌设于所述第一定位槽内；所述第二定位槽板设有若干平行排布的第二定位槽，所述第二光纤阵列嵌设于所述第二定位槽内；所述第一定位槽板与所述第二定位槽板叠放设置，所述压板叠放于所述第二定位槽板背离所述第一定位槽板的一侧，以将所述第一定位槽板与所述第二定位槽板压合限位。

3.根据权利要求2所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述探测器还包括外层支撑结构，所述外层支撑结构包括支撑底座和定位框；所述定位框设置于所述支撑底座上，所述定位框的侧壁设有若干供光纤穿过的通槽；所述内层定位结构整体设置于所述定位框内，所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列分别经所述通槽引出。

4.根据权利要求2所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相互正交，且所述第一定位槽板与所述第二定位槽板之间夹设有层间隔离片。

5.根据权利要求1所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述普通石英光纤包括高纯熔融石英光纤、石英芯石英包层光纤、石英芯聚合物包层光纤、掺杂石英光纤、具有抗辐照涂覆层的石英光纤中的至少一种；所述闪烁石英光纤为以石英、熔融石英或石英玻璃为基体并包括闪烁发光中心的光纤，或者为具有发光芯层、石英包层及抗辐照涂覆层的光纤。

6.根据权利要求1所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述普通石英光纤与所述闪烁石英光纤采用以下混合配置中的至少一种：所述第一光纤阵列与所述第二光纤阵列分别为普通石英光纤阵列和闪烁石英光纤阵列；同一光纤阵列内所述普通石英光纤与所述闪烁石英光纤交替排布；所述第一光纤阵列和所述第二光纤阵列的中心区域配置普通石英光纤，其他区域配置闪烁石英光纤，所述中心区域包括中心位置预设直径范围内的区域。

7.根据权利要求1所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述端部光学耦合结构包括光纤端面研磨抛光面、光纤限位孔、光纤插芯、端部压板、弹性压紧件和定制耦合座中的至少一种，光纤的端面与所述光电探测单元的入光面一一对应或分组对应。

8.根据权利要求1所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述光电探测单元包括硅光电倍增管或光电二极管，所述光电探测单元设置于束流直接辐照区域之外或屏蔽区域内。

9.根据权利要求3所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述第一光纤阵列、所述第二光纤阵列、所述内层定位结构、所述外层支撑结构和所述端部光学耦合结构共同构成替换探测头模块，所述替换探测头模块通过插拔式接口与基座定位连接。

10.一种二维光纤阵列探测器的制备方法，应用于权利要求1至9中任一项所述的二维光纤阵列探测器，其特征在于，所述方法包括：