CN101807506B - 一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法和系统 - Google Patents

一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法和系统,该方法包括:在束流发射过程中,采集当前时刻n发射束流的大小,将发射束流采集值与所需发射束流的大小进行比较,得到束流误差,先根据束流误差在预设的灯丝电压范围内对灯丝电压进行比例积分PI调节,当发射束流稳定在一预设束流门限之内后或当灯丝电压超出预设范围时,根据束流误差对栅极脉冲电压进行PI调节。在能档切换后,还对根据灯丝电压误差对灯丝电压进行PI调节。使用本发明能够控制电子枪注入加速管的电子束流的稳定性。

Description

一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法和系统
技术领域
本发明涉及医疗器械医用电子直线加速器技术领域,具体涉及一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法和系统。
背景技术
在医用直线加速器中,电子枪向加速管注入电子束流,电子束流在加速管中被加速形成电子束输出。栅控枪是电子枪的一种,其结构如图1所示。栅控枪的灯丝由钨丝制成,由于灯丝紧贴着阴极,通电受热后加热阴极,阴极由易发射电子的材料钡钨制成,阴极达到一定温度后发射电子,当栅极为负电压时,在栅极与阴极之间形成一电场,压制阴极发射电子。当需要发送束流时,在栅极负电压的基础上,叠加一栅极脉冲电压,同时在电子枪高压脉冲(该脉冲电压约-30kV至-40kV,由加速器调制器仿真线脉冲给出)作用下,使得阴极发射的电子能够由出射孔射出,形成所需的电子束流。
由于加速器输出电子束的能量及剂量的稳定性与电子枪的输出电子束流的稳定性密切相关,因此控制注入加速管的电子束流的稳定性是很重要的。因此,在加速器中设计一个自动束流控制系统,用于控制电子枪注入加速管的电子束流的稳定性是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法,能够控制电子枪注入加速管的电子束流的稳定性。
该方法用于控制栅控枪的发射束流,包括:
当栅控枪不发射束流时,将栅控枪的灯丝电压稳定在当前能档对应的电子束最佳击发电压,将栅控枪的栅压设为一固定的负电压值;
当控制栅控枪发射束流时,在栅控枪栅极的负电压值基础上叠加一预设的当前能档对应的栅极脉冲电压;
在束流发射过程中,不断采集发射束流的大小,计算发射束流采集值与发射束流设定值之间的束流误差,先根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节,当发射束流稳定在一预设束流门限之内后,根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节。
较佳地,所述根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节包括:
根据束流误差在预设的灯丝电压范围内对灯丝电压进行比例积分PI调节的过程中,当灯丝电压超出预设灯丝电压范围时,随即启动根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的操作。
较佳地,当直线加速器能档切换后,采集灯丝电压,计算灯丝电压采集值与切换后能档对应的最佳击发电压之间的灯丝电压误差,根据灯丝电压误差对调节灯丝电压进行比例积分PI调节。
其中,所述根据灯丝电压误差对灯丝电压进行比例积分PI调节为:计算调节后的灯丝电压为:比例系数P×灯丝电压的当前误差值+积分系数I×切换时刻到当前时刻的灯丝电压误差累计值;采用调节后的灯丝电压控制灯丝电源。
其中,所述根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节为:
采用公式VL(n)=PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]计算调节后的灯丝电压并执行调节;VL(n)为时刻n的调整后灯丝电压,PL为对灯丝电压进行比例积分PI调节的比例系数,IL为对灯丝电压进行比例积分PI调节的积分系数;
所述根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节为:
采用公式VG(n)=PG·E(n)+IG·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]计算调节后的栅极脉冲电压并执行调节;其中,VG(n)为时刻n的调整后栅极脉冲电压,PG为对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的比例系数,IG为对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的积分系数;E(g)为时刻“g”采集的发射束流大小与发射束流设定值之间的束流误差,E(0)为发射束流初始时刻的束流误差。
本发明还提供了一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制系统,能够控制电子枪注入加速管的电子束流的稳定性。
该系统包括栅控枪、电子枪脉冲变压器、灯丝隔离变压器、取样电阻、灯丝电源和束流控制板;
所述灯丝电源接在灯丝隔离变压器初级的两端,灯丝隔离变压器次级的两端接在电子枪的灯丝两端;来自直线加速器的调制器的仿真线脉冲接在电子枪脉冲变压器初级的两端;栅极电压的两接入端分别接在电子枪脉冲变压器次级1和次级2的低端,次级1的另一端与灯丝隔离变压器次级的一端接在一起,次级2的另一端接在电子枪的栅极;电子枪的发射束流流过取样电阻形成发射束流取样信号,该信号同从灯丝电源取出的灯丝电压反馈信号一起接入束流控制板;
束流控制板,用于当栅控枪不发射束流时,通过控制灯丝电源将栅控枪的灯丝电压稳定在当前能档对应的电子束最佳击发电压,向栅极电压输入端设置一固定的负电压值;当控制栅控枪发射束流时,在栅极电压输入端叠加一预设的当前能档对应的栅极脉冲电压;
在束流发射过程中,不断利用取样电阻采集发射束流的大小,计算发射束流采集值与发射束流设定值之间的束流误差,先根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节,当发射束流稳定在一预设束流门限之内后,根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节束流控制板。
较佳地,所述束流控制板进一步用于,当直线加速器能档切换时,通过灯丝电源采集灯丝电压,计算灯丝电压采集值与切换后能档对应的最佳击发电压之间的灯丝电压误差,根据灯丝电压误差对灯丝电压进行比例积分PI调节。
由本发明技术方案可以看出,本发明在发射束流过程中,先控制灯丝电压,当束流稳定在一预设束流门限之内后,再转为调节栅极脉冲电压。如果只是采用栅压调节方法不调节灯丝电压,则如果灯丝电压偏离最佳击发值过大,则栅压调节所用时间会增长,导致束流稳定时间增大,或者由于调节度不够,导致无法满足调节精度的要求。而本发明采用二级调节不仅调节可以满足精度要求,而且精度高、速度快。
本发明还在能档切换后,采集灯丝电压,根据灯丝电压误差采用比例积分PI算法对灯丝电压进行调节,从而令灯丝电压迅速达到预定值,避免温度响应速度慢导致的闭环不稳定。
附图说明
图1为栅控枪的结构示意图。
图2为本发明电子枪、灯丝隔离变压器、灯丝电源、电子脉冲变压器、栅极电压输入端和取样电子部分的连接关系示意图。
图3为束流控制板部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法,该方法包括:
当栅控枪不出束时,将栅控枪的灯丝电压稳定在电子束的最佳击发电压,将栅控枪的栅压设为一固定的负电压值,从而在阴极和栅极之间形成一电场,阻止栅控枪发射束流。电子枪各能档对应的最佳击发电压可能有所不同,且最佳击发电压可以根据预先试验确定。
当控制栅控枪出束时,仍将栅控枪的灯丝电压稳定在电子束的最佳击发电压,在栅控枪栅极的负电压值基础上叠加一预设的栅极脉冲电压,该预设栅极脉冲电压与电子束流设定值的大小有关,可以通过试验得到电子束的大小与栅极脉冲电压的关系,并保存到系统中。各个能档电子束的大小对应的栅极脉冲电压不同。
在出束过程中,不断采集发射束流的大小,计算发射束流采集值与发射束流设定值之间的束流误差,先根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节,当发射束流稳定在一预设束流门限之内后,根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节。其中,判断是否稳定在预设束流门限的方法可以为:如果在一段时间内,采集的发射束流值都没有超出束流门限,则认为束流稳定。预设束流门限为粗调基准,其对应的束流精度低于系统要求的束流精度。
可见,本发明先控制灯丝电压,当束流稳定在一预设束流门限之内后,再转为调节栅极脉冲电压。如果只是采用栅压调节方法不调节灯丝电压,则如果灯丝电压偏离最佳击发值过大,则栅压调节所用时间会增长,导致束流稳定时间增大,或者由于调节度不够,导致无法满足调节精度的要求。而本发明采用二级调节不仅调节可以满足精度要求,而且精度高、速度快。
误差和误差累计值可以在每次调节时记录,并用于后续调节。或者,每次调节只记录当前时刻的误差,误差累计值每次调节时单独计算。
下面针对调节过程进行详细描述:
步骤1:采集当前时刻n发射束流的大小,将采集值与需要发射的电子束流的大小比较,得到束流误差;
步骤2:判断发射束流是否已经稳定在预设束流门限之内,如果是,则执行步骤6,否则,执行步骤3。
步骤3:采用公式VL(n)=PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]计算调节后的灯丝电压;其中,VL(n)为时刻n的调整后灯丝电压,PL为对灯丝电压进行比例积分PI调节的比例系数,IL为对灯丝电压进行比例积分PI调节的积分系数;
步骤4:判断计算得到的调节后的灯丝电压是否在预设范围内,如果是,则执行步骤5:根据灯丝电压计算结果调节灯丝电压;否则,执行步骤6。
本步骤4的判断是为了避免灯丝电压超过预设范围,因此在根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节时,需要在预设的灯丝电压范围内对灯丝电压进行比例积分PI调节,一旦灯丝电压超出预设灯丝电压范围,随即启动步骤6中根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的操作。
步骤6:采用公式VG(n)=PG·E(n)+IG·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]计算调节后的栅极脉冲电压并执行调节;其中,VG(n)为时刻n的调整后栅极脉冲电压,PG为对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的比例系数,IG为对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的积分系数;E(g)为时刻“g”采集的发射束流大小与发射束流设定值之间的束流误差,E(0)为发射束流初始时刻的束流误差。
至此,一轮调节结束,返回继续执行步骤1。
上述系数PL、IL、PG和IG均可以根据需要进行调整。
以上步骤中,采集发射束流时,可以采用多次采样取平均值的方法。
当加速器的能档变化时,特别是在X线和电子线间切换时,栅控枪阴极的工作温度变化较大,由于温度响应速度慢,闭环不易稳定,所以根据灯丝电压状态采用比例积分PI调节方法来控制灯丝电压,从而调节阴极的工作温度。该比例积分PI调节中需要采集灯丝电压,调节的对象也为灯丝电压。具体来说:当直线加速器能档切换时,采集当前时刻n灯丝电压的大小,将灯丝电压采集值与切换后能档对应的最佳击发电压的大小进行比较,得到灯丝电压误差,根据灯丝电压误差采用比例积分PI算法调节灯丝电压。
调节后的灯丝电压为:比例系数P×灯丝电压的当前误差值+积分系数I×切换时刻到当前时刻的灯丝电压误差累计值。
为了实现上述方法,本发明提供了一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制系统。如图2和图3所示,该系统包括:栅控枪、电子枪脉冲变压器、灯丝隔离变压器、取样电阻R、灯丝电源和束流控制板;
其中,灯丝电源接在灯丝隔离变压器初级的两端,灯丝隔离变压器次级的两端接在电子枪的灯丝两端。从直线加速器的调制器来的仿真线脉冲接在电子枪脉冲变压器初级的两端。栅极电压的两接入端分别接在电子枪脉冲变压器次级1和次级2的低端,次级1的另一端与灯丝隔离变压器次级的一端接在一起,次级2的另一端接在电子枪的栅极。电子枪的发射束流流过取样电阻形成发射束流取样信号,该信号同从灯丝电源取出的灯丝电压反馈信号一起接入束流控制板。
束流控制板,用于当栅控枪不发射束流时,通过控制灯丝电源将栅控枪的灯丝电压稳定在当前能档对应的电子束最佳击发电压,向栅极电压输入端设置一固定的负电压值;当控制栅控枪发射束流时,在栅极电压输入端叠加一预设的当前能档对应的栅极脉冲电压;
在束流发射过程中,不断利用取样电阻获取发射束流的大小,计算发射束流采集值与发射束流设定值之间的束流误差,先根据束流误差内对灯丝电压进行比例积分PI调节,当发射束流稳定在一预设束流门限之内后,根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节。
束流控制板根据束流误差对灯丝电压或栅极脉冲电压进行调节的具体过程和所应用的公式在以上描述方法时已经详细描述,这里略。
所述束流控制板进一步用于,当直线加速器能档切换时,通过灯丝电源采集当前时刻n灯丝电压的大小,计算灯丝电压采集值与切换后能档对应的最佳击发电压之间的灯丝电压误差,根据灯丝电压误差对调节灯丝电压进行比例积分PI调节。
根据灯丝电压误差对灯丝电压进行调节的具体过程和所应用的公式在以上描述方法时已经详细描述,这里略。
图3为一种束流控制板的结构示意图。对灯丝电压进行放大和模数转换后输入CPU,同理对发射束流采样值进行放大和模数转换后输入CPU,CPU采用上述控制方法计算栅极电压并输入栅极电压输入端,计算灯丝电压的数字值后,通过数字频率转换接入灯丝电源实现灯丝电压控制。CPU还连接必要的E2PROM,以及预留485接口从而与系统中的其他设备通信。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制方法,用于控制栅控枪的发射束流,其特征在于,该方法包括:
当栅控枪不发射束流时,将栅控枪的灯丝电压稳定在当前能档对应的电子束最佳击发电压,将栅控枪的栅压设为一固定的负电压值;
当控制栅控枪发射束流时,在栅控枪栅极的负电压值基础上叠加一预设的当前能档对应的栅极脉冲电压;
在束流发射过程中,不断采集发射束流的大小,计算发射束流采集值与发射束流设定值之间的束流误差,先根据束流误差在预设的灯丝电压范围内对灯丝电压进行比例积分PI调节,当灯丝电压超出预设灯丝电压范围时,随即启动根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的操作;当发射束流稳定在一预设束流门限之内后,根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节;
所述根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节包括:
采用公式VL(n)=PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]计算调节后的灯丝电压并执行调节;VL(n)为时刻n的调整后灯丝电压,PL为对灯丝电压进行比例积分PI调节的比例系数,IL为对灯丝电压进行比例积分PI调节的积分系数;E(g)为时刻“g”采集的发射束流大小与发射束流设定值之间的束流误差,E(0)为发射束流初始时刻的束流误差;
所述根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节为:
采用公式VG(n)=PG·E(n)+IG·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]计算调节后的栅极脉冲电压并执行调节;其中,VG(n)为时刻n的调整后栅极脉冲电压,PG为对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的比例系数,IG为对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的积分系数;
当直线加速器能档切换后,采集灯丝电压,计算灯丝电压采集值与切换后能档对应的最佳击发电压之间的灯丝电压误差,根据灯丝电压误差对灯丝电压进行比例积分PI调节:计算调节后的灯丝电压为:比例系数P×灯丝电压的当前误差值+积分系数I×切换时刻到当前时刻的灯丝电压误差累计值;采用调节后的灯丝电压控制灯丝电源。
2.一种医用直线加速器中电子枪发射束流的控制系统,其特征在于,该系统包括栅控枪、电子枪脉冲变压器、灯丝隔离变压器、取样电阻、灯丝电源和束流控制板;
所述灯丝电源接在灯丝隔离变压器初级的两端,灯丝隔离变压器次级的两端接在电子枪的灯丝两端;来自直线加速器的调制器的仿真线脉冲接在电子枪脉冲变压器初级的两端;栅极电压的两接入端分别接在电子枪脉冲变压器次级1和次级2的低端,次级1的另一端与灯丝隔离变压器次级的一端接在一起,次级2的另一端接在电子枪的栅极;电子枪的发射束流流过取样电阻形成发射束流取样信号,该信号同从灯丝电源取出的灯丝电压反馈信号一起接入束流控制板;
束流控制板,用于当栅控枪不发射束流时,通过控制灯丝电源将栅控枪的灯丝电压稳定在当前能档对应的电子束最佳击发电压,向栅极电压输入端设置一固定的负电压值;当控制栅控枪发射束流时,在栅极电压输入端叠加一预设的当前能档对应的栅极脉冲电压;
在束流发射过程中,不断利用取样电阻采集发射束流的大小,计算发射束流采集值与发射束流设定值之间的束流误差,先根据束流误差对灯丝电压进行比例积分PI调节:在预设的灯丝电压范围内对灯丝电压进行比例积分PI调节,当灯丝电压超出预设灯丝电压范围时,随即启动根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节的操作;
当发射束流稳定在一预设束流门限之内后,根据束流误差对栅极脉冲电压进行比例积分PI调节;
所述束流控制板进一步用于,当直线加速器能档切换时,通过灯丝电源采集灯丝电压,计算灯丝电压采集值与切换后能档对应的最佳击发电压之间的灯丝电压误差,根据灯丝电压误差对灯丝电压进行比例积分PI调节。
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