CN103025044B - 医用回旋加速器腔体打火保护的方法及所用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于加速器技术领域，公开了医用回旋加速器腔体打火保护的方法及所用装置，该方法采用硬件及软件两级冗余保护，简单有效且能及时恢复射频信号。打火保护的装置主要包括腔体信号监测模块、脉冲整形模块及主控处理单元模块，其中腔体信号监测模块对腔体取样处理，识别打火信号；脉冲整形模块对打火信号进行处理，生成脉宽为Tw的单稳态信号或数字量，分别用于射频开关硬件保护和主控处理单元软件保护，该装置可快速实现打火保护及恢复。

Description

医用回旋加速器腔体打火保护的方法及所用装置
技术领域
本发明属于加速器技术领域，具体涉及医用回旋加速器腔体打火保护的方法及所用装置。
背景技术
在射频电场激励下，回旋加速器射频腔体表面污损汽化引起的主真空室局部真空恶化及腔体表面微观突起的存在，都有可能引起打火现象，打火现象引起射频功率瞬间反射过大，对发射机形成冲击，同时打火时的高能量释放会破坏腔体结构，影响加速器系统安全稳定运行。
一般地，在正式运行前将进行腔体表面预处理和腔体锻炼以减少腔体打火发生的可能性。而在实际运行中，加速器开盖调试及维护过程中势必会将腔体暴露在大气环境下，腔体将重新吸附水汽杂质，导致处理过程的逆变。
腔体打火保护的传统处理方法可在高功率和小信号两个功率水平上处理，前者通过在发射机和腔体之间加入一级环形器实现，造价非常高；后者一般通过硬件切断射频激励实现，但是只有一级保护，存在安全性方面的风险。
发明内容
(一)发明目的
根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种简单有效、增加冗余保护并能及时恢复射频信号的打火保护方法及装置。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
医用回旋加速器腔体打火保护的方法，关键在于，该方法采用硬件及软件两级冗余保护，所用步骤为：
(1)打火保护
a.硬件保护
对腔体取样，当腔体内能量释放速率大于打火判定标准(10logP-C)/τ时，将取样信号微分后与打火标准电平比较得到打火信号，打火信号触发定时器，生成脉宽为Tw的单稳态信号，在此信号持续期间切断射频激励，实现硬件保护；其中C为取样端口的耦合度，P为系统运行功率；
b.软件保护
当射频信号转为连续后，控制软件对脉冲整形模块定时器输出信号巡检，当监测到高电平时，对信号源幅度字置零，实现软件保护；
(2)恢复
a.硬件恢复
当硬件关断激励时间结束后，低电平系统直接输出关断之前的功率水平，实现打火保护后的快速恢复；
b.软件恢复
调整腔体幅度检波后的滤波器时间常数T，使T大于Tw，射频激励软件关断结束后将信号源幅度字恢复原有功率水平。
优选地，所用信号源为PLL。
医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，该装置主要包括腔体信号监测模块、脉冲整形模块及主控处理单元模块。
腔体信号监测模块对腔体取样处理，识别打火信号，并将得到的打火信号输出至脉冲整形模块，脉冲整形模块对打火信号进行处理，生成脉宽为Tw的单稳态信号控制射频开关进行硬件关断，关断Tw时间后由脉冲整形模块控制射频开关进行硬件恢复；脉冲整形模块对打火信号进行处理生成数字量，用于主控处理单元模块进行软件保护；调整脉冲整形模块的滤波器时间常数，在射频信号关断期间形成腔体信号的伪连续状态，在信号关断结束后直接重启至连续状态，实现软件保护后的信号恢复。
优选地，腔体信号监测模块对腔体取样腔信号进行检波、滤波、信号微分、比较得到打火信号，并将打火信号输出至脉冲整形模块；
优选地，主控处理单元模块与脉冲整形模块、信号源之间为数字通信连接。
优选地，腔体信号监测模块通过模拟信号线与脉冲整形模块连接。
优选地，主控处理单元模块为Motorola16位数字信号处理器。
(三)有益效果
采用本发明提供的医用回旋加速器腔体打火保护的方法及所用装置，与传统方法采用硬件保护相比，本发明采用硬件和软件两级保护，使打火保护的安全性更高，而且软件保护是直接将信号源切断，关断更彻底，通过调整幅度检波后的滤波器时间常数T，并且使T大于Tw，可保证射频激励关断期间信号处于伪连续状态，当射频激励软件关断结束后将PLL信号源幅度字恢复原有功率水平，实现软件保护后的快速恢复。
附图说明
图1打火保护工作点连接示意图；
图2打火保护及快速恢复在线测试示意图；
图3打火保护装置示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式，对本发明做进一步阐述。
实施例1
以某医用回旋加速器为例，该加速器实际运行所需功率约16kW，包括腔体损耗14.6kW及束流功率1.4kW。腔体取样耦合度为-50.6dB，则腔体取样为3.92Vpp(线损按5.2dB)。以射频脉冲方式驱动腔体，占空比为1:10，周期为10ms，测得腔体特征时间常数为14us，腔体内能量释放速率大于3.92Vpp/14us即有打火现象发生。
用Agilent E4421B信号源AM调制模式模拟腔体打火速率，标定负电平具体值为-0.1746V，使腔体取样经微分后与该负电平比较产生打火时的窄脉冲信号，并用此窄脉冲下降沿触发定时器，产生Tw为1ms的高电平单稳态脉冲输出，定义射频开关控制信号为高电平时禁止射频输出，并且在射频信号为连续状态时打火保护单稳态输出才能控制该射频开关，采用图1所示的开环连接方式将得到打火时硬件关断射频激励的响应。其中，测试信号源设置为幅度调制，调制信号类型为方波，调制深度20%，将信号源输出连至30W功率放大器，调节信号源幅度，使得三功分输出为3.92Vpp。三功分输出一路直接连至示波器观测，一路接50欧负载，另一路作为打火装置输入，模拟腔体打火信号。主控处理单元、腔体信号监测和脉冲整形共同构成打火保护装置，主控处理单元与信号源之间为数字通信连接，主要用于软件关断信号源和恢复，脉冲整形输出信号控制射频开关形成硬件关断及恢复，信号源经过射频开关调制后输出至发射机，此处连至示波器用于打火保护及恢复的测试。由于软件关断时间相对硬件关断时间要短，并在时域上重叠，上述测试无法单独显示其作用，可采用设定假信号和巡检方式单独测试。设置腔体取样检波后滤波器时间常数为100ms，该时间足以在射频激励关断期间保证伪连续状态的维持。在软件中设置关断时间结束后再次进入伪连续状态时，系统将直接连续重启至打火前功率状态。
在该医用回旋加速器上在线验证，得到图2所示的打火保护及快速恢复信号波形。若腔体打火时间间隔在1ms以上且非连续，则打火保护和快速恢复可以连续响应。定义脉冲状态为低电平，连续状态为高电平，两状态的比较门限为+7V，根据滤波器的e指数衰落趋势可知，若滤波器之后电平初始状态值较高，则可承受的连续打火次数较多，即功率水平越高，抗打火能力越强。实际上功率水平越高，打火几率也将增大，故通常采用由低功率到高功率逐步提高的方式锻炼及运行。
实施例2
医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，该装置主要包括腔体信号监测模块、脉冲整形模块及主控处理单元模块，如图3所示。
腔体信号监测模块对腔体取样处理，识别打火信号，并将得到的打火信号输出至脉冲整形模块，脉冲整形模块对打火信号进行处理，生成脉宽为Tw的单稳态信号或数字量，分别用于射频开关硬件保护和主控处理单元软件保护。调整脉冲整形模块的滤波器时间常数T，使T大于Tw，可在射频信号关断期间形成腔体信号的伪连续状态，在信号关断结束后直接重启至连续状态，实现软件保护后腔体打火后信号的恢复。当硬件关断激励时间结束后，低电平系统直接输出关断之前的功率水平，实现打火保护后的快速恢复；
腔体信号监测模块对腔体取样腔信号进行检波、滤波、信号微分、比较得到打火信号，并将打火信号输出至脉冲整形模块；主控处理单元模块与脉冲整形模块、信号源之间为数字通信连接。腔体信号监测模块通过模拟信号线与脉冲整形模块连接。主控处理单元模块为Motorola16位数字信号处理器。

Claims (7)

1.医用回旋加速器腔体打火保护的方法，其特征在于，该方法采用硬件及软件两级冗余保护，所用步骤为：
（1）打火保护
a. 硬件保护
对腔体取样，当腔体内能量释放速率大于打火判定标准(10logP-C)/时，将取样信号微分后与打火标准电平比较得到打火信号，打火信号触发定时器，生成脉宽为Tw的单稳态信号，在此信号持续期间切断射频激励，实现硬件保护；其中C为取样端口的耦合度，P为系统运行功率；
b. 软件保护
当射频信号转为连续后，控制软件对脉冲整形模块定时器输出信号巡检，当监测到高电平时，对信号源幅度字置零，实现软件保护；
（2）打火保护后的恢复
a. 硬件恢复
当硬件关断Tw时间后，由低电平系统直接输出关断之前的功率水平，实现打火保护后的快速恢复；
b. 软件恢复
调整腔体幅度检波后的滤波器时间常数T，使T大于Tw，射频激励软件关断结束后将信号源幅度字恢复原有功率水平。
2.根据权利要求1所述的医用回旋加速器腔体打火保护的方法，其特征在于，所述信号源为PLL。
3.医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，其特征在于，该装置主要包括腔体信号监测模块、脉冲整形模块及主控处理单元模块；
所述的腔体信号监测模块对腔体取样处理，识别打火信号，并将得到的打火信号输出至脉冲整形模块，脉冲整形模块对打火信号进行处理，生成脉宽为Tw的单稳态信号控制射频开关进行硬件关断，关断Tw时间后由脉冲整形模块控制射频开关进行硬件恢复；脉冲整形模块对打火信号进行处理生成数字量，用于主控处理单元模块进行软件保护，调整脉冲整形模块的滤波器时间常数，在射频信号关断期间形成腔体信号的伪连续状态，在信号关断结束后直接重启至连续状态，实现软件保护后的信号恢复。
4.根据权利要求3所述的医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，其特征在于，腔体信号监测模块对腔体取样信号进行检波、滤波、信号微分、比较得到打火信号,并将打火信号输出至脉冲整形模块。
5.根据权利要求3所述的医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，其特征在于，主控处理单元模块与脉冲整形模块之间为数字通信连接。
6.根据权利要求3所述的医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，其特征在于，腔体信号监测模块通过模拟信号线与脉冲整形模块连接。
7.根据权利要求3所述的医用回旋加速器腔体打火保护所用装置，其特征在于，主控处理单元模块为Motorola16位数字信号处理器。
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