[論文レビュー] Measurement of ion and electron drift velocity and electronic attachment in air for ionization chambers

Guillaume Boissonnat, J.M. Fontbonne+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2016

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、医療用イオン化室に関連する条件のもとで、電子およびイオンの漂流速度と電子的付着時間を測定するために、独自の平行板型チャネル（MICMAC）を用いた信号波形解析と、ドリフトチャネル（MAGIC）を用いたクロスバリデーションを実施した。主な結果として、イオン移動度と付着時間については文献値と良好な一致を示したが、低電界領域における電子漂流速度には系のずれが認められ、標準モデルや測定条件に潜在的な不一致がある可能性を示唆している。

ABSTRACT

Air-ionization chambers have been used in radiotherapy and particle therapy for decades. However, fundamental parameters in action in the detector responses are sparsely studied. In this work we aimed to measure the electronic attachment, electrons and ions mobilities of an ionization chamber (IC) in air. The main idea is to extract these from the actual response of the IC to a single ionizing particle in order to insure that they were measured in the same condition they are to be used while neglecting undesired phenomena: recombination and space charge effect. The non-standard signal shape analysis performed here were also confronted to a more standard drift chamber measurements using time-of-flight. It was found that both detectors displayed compatible results concerning positive and negative ions drift velocities where literature data is well spread out. In the same time, electron attachment measurements sit in the middle of known measurements while electron drift velocities seemed to show an offset compared to the well known and modeled data.

研究の動機と目的

• 医療用イオン化室に実用的な条件のもとで、電子およびイオンの漂流速度と電子的付着時間という基本的パラメータを測定すること。
• 単一粒子イオン化イベントとパルスモード動作を用いることで、再結合や空間電荷効果に起因するアーティファクトを最小限に抑えること。
• 新規の信号波形解析（MICMAC）と従来の時間飛行法（MAGIC）を用いたドリフトチャネルにおいて、両者の結果を相互に検証すること。
• 高強度の放射線治療ビームにおけるイオン化室のシミュレーションおよび効率モデル化に、信頼性の高い実験的導出パラメータを提供すること。
• 現代の粒子線治療応用分野における、条件に特化した一貫性のあるデータの不足を是正すること。

提案手法

• 15,000個程度の電子・イオン対を発生させる5.5 MeVのアルファ線源（241Am）を用い、空気および窒素中で孤立したイオン化トラックを生成した。
• MICMAC平行板型チャネルは、時間分解能をもった信号波形解析により、電子およびイオンの漂流速度と付着時間を抽出した。
• MAGICドリフトチャネルはイオン化室モードで動作させ、時間飛行測定を用いて漂流速度および付着パラメータを独立に決定した。
• 電子およびイオンの漂流速度は、信号の立ち上がりおよび立ち下がり時間から導出された。一方、付着時間は漂流速度とタウンゼンド付着係数の積の逆数として計算された。
• 291 Kおよび1015 hPaの条件下で測定を行い、文献データおよびBoltzmann計算（Biagi-v8.9）と比較した。
• 純粋な窒素中でデータを検証し、両検出器間での比較により、湿度およびガス組成の影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 医療用イオン化室に実用的な条件のもとで、空気中の電子およびイオンの漂流速度は、既存の文献値と一致するか？
• RQ2 平行板型チャネルにおける信号波形解析（MICMAC）とドリフトチャネルにおける時間飛行測定（MAGIC）の両者で、漂流速度および付着時間の測定にどの程度一致するか？
• RQ3 本研究における低電界領域（200–700 V·mm⁻¹）での電子漂流速度測定値が、標準モデルおよび文献値から一貫してずれているのはなぜか？
• RQ4 空気中の電子的付着時間は文献値と一致するか？また、これは湿度およびガス組成の役割にどのような示唆をもたらすか？
• RQ5 測定されたパラメータは、高強度の放射線治療ビームにおける検出器効率および再結合効果のモデル化に信頼性を持って利用可能か？

主な発見

• MICMACを用いた空気中での電子漂流速度測定値は、低電界領域（200–700 V·mm⁻¹）で文献値よりも一貫して高い値を示したが、Hochhauserのデータと一致し、傾向も類似していた。
• 空気中における負イオンのイオン移動度は195 mm²·s⁻¹·V⁻¹（不確かさ2.7%）で測定され、ドライ空気中のDaviesのデータと2%湿度を含む空気中のデータの間の中間的値を示した。
• 空気中での電子的付着時間は文献値と整合的であり、ドライ空気中のDaviesの三体付着データと湿った空気中のデータの間の範囲に位置した。
• MICMACとMAGICの両検出器間で付着時間の測定に良好な一致が認められ、電界強度の範囲全体で平均差が7.2%であった。
• 窒素中での電子漂流速度測定値は、文献値およびBiagi-v8.9の計算値と整合的で、測定手法の信頼性を裏付けた。
• 本研究は、医療的関連条件のもとで、イオン化室における信号波形解析が、電子およびイオン輸送パラメータについて信頼性の高い、相互に検証可能なデータを提供可能であることを示した。