CN105339803A - 用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置 - Google Patents

Abstract

用以对电磁体(5,12,15)产生的磁场进行测量和闭环控制的装置，包括用于测量磁场的绝对磁场强度的第一测量装置(10)、用于测量磁场的磁场强度变化的第二测量装置(11)、至少两个用于确定所述第二测量装置(11)测量的磁场强度变化的磁场强度的积分器(20)，所述积分器相互平行布设、校准装置、用于比较由所述第一测量装置(10)和所述第二测量装置(11)测量的磁场强度的单元和用于将测量的磁场强度与指定设计磁场强度进行比较的另一单元。还提供了一方法。

Description

用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置

背景技术

电磁体被部署在许多技术部门，尤其用来产生随时间变化的强电磁场。有一种具有大量电磁体的装置为粒子加速器。带电粒子，例如，电子、质子或离子，可通过电磁场被加速到高速。目前，粒子加速器已在基础研究和用于治疗目的两方面应用一段时间。在离子疗法中，各种离子，例如，质子、碳离子、氦离子或氧离子，在粒子加速器中被加速到规定能级，然后被引入待治疗的组织。进入人体后，离子损失能量，其中大部分能量释放在狭窄的区域。这里的优越性在于离子通过健康组织且不损害它；相反，对治疗有效的能量释放仅在待治疗的组织里发生。

用于重离子疗法的粒子加速器包括离子源，离子源用来产生期望离子类型的带电粒子。直线加速器紧靠离子源，将粒子束加速到第一能级。此外，离子聚拢成束，且任何剩余的伴随电子均被分离出来。接着，将已被加速到第一能级的离子提供给环形加速器，环形加速器进一步加速离子束，将它加速到第二能级，即引出级(extractionlevel)。为了使离子保持在环形加速器的圆形轨道上，环形加速器包括多个电磁体，其可被设计为偶极子、四极子，或乃至六极子。电磁体建立电磁场，将离子束约束在封闭的圆形轨道上。除了维持圆形轨道的电磁体，环形加速器以加速器段为主要特征，当离子通过后者时，它们被加速。在引出过程中，已加速的离子被引出环形加速器，通过束流输运系统提供给治疗室。

如果环形加速器被设计为同步加速器，随着粒子旋转频率的增加，磁场被同步控制。这里，在圆形轨道上以固定频率旋转的离子的能量，取决于，除其他因素外，作用在离子上的积分磁场。

利用布置在环形加速器中的电磁体，可通过提供到线圈中的电流可变地调节电磁场。这里，可使用偶极子、四极子和六极子形式的电磁体，以便转向和聚焦粒子束。电磁体具有空隙，离子束被引导通过该空隙。

偶极子通常具有矩形截面，内部具有空隙，且有两个磁极；两个磁极彼此相对布置，并指向偶极子内部。线圈布置在偶极子的两个相对的边上。由于线圈中的电流，在磁极之间的区域，即所谓的磁隙中产生均匀磁场。在理想的情况下，在磁极之间的区域中的磁通量密度是恒定的，磁通量密度的方向和幅度变化的边缘磁场仅对粒子束有小的影响。在环形加速器中使用偶极子，以便使粒子束偏转。这里，粒子束沿扇形上的一个轨道运动。

四极子在各角具有磁极，线圈位于各边上。四极子聚焦和散开粒子束。在一个平面聚焦粒子束的四极子，在另一个平面散开粒子束。因此，四极子主要成对使用。四极子中心的磁场为0，且从中心开始线性增加。

六极子为六角的或圆形的，具有六个磁极和六个线圈。磁极通常布置在角区域，线圈布置在连接角的区域。在环形加速器中使用六极子，以便校准粒子束的色度。六极子的磁场随着离中心的距离的平方变化而变化。

电磁体通常具有一个铁磁性的铁芯，以便凭借铁芯的高磁导率，使磁通量主要通过铁芯。由于铁芯的空间阻断，磁体的气隙(磁隙)内的磁场强度上升。磁通量继续通过空气，并在磁极之间产生磁场。由于磁力线从磁极表面垂直延伸，因此，磁场的形状可由磁极的形状来确定。

铁磁性的铁芯有磁滞现象，以致由磁体产生的磁场不仅依赖外部由流通电流的线圈感应的磁场，而且取决于磁滞。如果停止流经线圈的电流，则剩余的磁场，所谓的剩磁，仍然保持。由于剩磁，当电流保持恒定时，电磁体的磁通量密度随时间变化。变化的剩磁使电磁体的闭环控制更加困难；尤其不可能使用电磁体的给定电流作为闭环控制的唯一参考变量。

因为在周期结束时，电磁体内产生的磁场强度在离子束加速所必需的磁场强度之上，所以，由磁滞引起的磁场误差可被补偿。由于在各周期开始时，磁体的剩磁相同，通过这种方法，磁体总是穿过相同的磁滞环，并为后续周期创建了已知的先决条件。然而，这里的不利性在于，需要花在此过程的时间不能用于离子引出。

涡流是在电磁体内发生的另一个影响变量。涡流是由于随时间变化的磁场而在导电材料中感应的电流。涡流发生在所有的导电材料中，这样，也出现在电磁体的铁芯中。例如，可通过用层压薄片建造铁芯来减小涡流，但涡流总是尤其发生于存在强烈变化的磁场时，并影响磁场本身。这样，不可避免发生的涡流也使电磁体的闭环控制更加困难。

上述两种因素，即磁滞和涡流，会导致产生磁场误差；这些误差影响离子束的品质。尤其在紧凑型环形加速器情况下，磁场误差直接转化成在旋转的离子束位置的可测量的偏差。

然而，为了以对周围组织的最小影响获得最大可能的治疗成功，离子束必须很精确地到达期望的组织，并在那里释放它的能量。例如，碳离子被加速到大约430MeV/u(兆电子伏特/核子)的能级，并在目标组织以小于1mm的精度释放它们的能量。从这一要求得出以下结论：相对于磁场强度的最大值1.5T，尤其是偏转粒子束的偶极子的磁场误差必须小于1.45x10^-4。这近似相对于在中欧的地球磁场48μT的4.5倍。从这点可知，一方面，电磁体必须很精确，另一方面，由于离子很小的转动周期，电磁体也必须被很快地控制。

各种磁场测量方法是已知的。霍尔探针可测量具有恒定和变化的磁通量的磁场。通过耗时的校准，采用霍尔探针测量也可能获得比上述精度更好的精度。而且，采用霍尔探针测量，是测量绝对磁场，且其结果是立即可用的。然而，霍尔探针仅测量一点的局部磁场。

在一种替代方法中，采用感应线圈测量磁场。在感应线圈中，法拉第感应定律转化为实践。如果通过感应线圈的磁通量发生变化，则在线圈中感应出电流，并在开口端产生电压。后者是与磁通量的变化成比例的。这样的感应线圈也被称之为拾波线圈(pickupcoil)；这些可以测量小于10^-10T的磁场变化。然而，采用该方法的问题在于，测量的仅是磁场的变化，而不是绝对磁场。因此，为了获得磁场，必须对感应线圈的电压信号进行积分。不可否认，采用目前可用的积分器可获得要求的精度；然而，由于数据仅可在测量执行之后处理，所以采用这些积分器不可能实现实时测量。

因此，采用目前可用的方法，为了产生可比较的剩磁磁场，在每个周期内必须校准测量装置并最大限度地加载电磁体一次。结果，对离子的加速和引出所需的时间较长。

在欧洲专利EP2274634B1中，提供了一种用于测量和闭环控制由电磁体产生的磁场的装置；该专利具有集成进电磁体的测量装置，并直接测量电磁体磁隙中的磁场。而且，该专利建议提供被设计为拾波线圈，并完整地测量变化的磁场的第一测量装置。设计为霍尔探针的第二测量装置在局部位置测量绝对磁场。积分器单元被分配给第一测量装置。由于第一测量装置仅能测量磁场的变化，且所存在的磁场仅能通过时变积分来确定，所以积分器单元是必要的。在该结构中，优越性在于，可直接和很精确地测量作用于将被偏转的粒子束上的磁场。通过直接测量磁场，可测量上述剩磁和涡流的影响。测量值可用来将电磁体励磁需要的电流与被测量的磁场适配，从而动态控制电磁体。

然而，原则上这是有问题的：测量的磁场强度的精度取决于误差源，特别是基于随时间变化的误差，例如，由于信号噪声和频率波动等导致的温度变化。由于这一原因，必须定期校准装置。凭着对离子束精度并从而对测量磁场的装置的精度的高要求，必须以几秒的间隔执行校准。然而，在校准期间，不可能从加速器引出离子束。

发明内容

本发明的目的是提供一种用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置，具有减少的电磁体校准和准备需要的时间。

该目的通过权利要求1和12的特征实现。从属权利要求涉及有利的实施例。

本发明的用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置，包括用于测量磁场的绝对磁场强度的第一测量装置、用于测量所述磁场的磁场强度变化的第二测量装置、至少两个用于确定所述第二测量装置测量的磁场强度变化的磁场强度的积分器，所述积分器相互平行布设、校准装置、用于比较由所述第一测量装置和所述第二测量装置测量的磁场强度的单元和用于将所述测量的磁场强度与指定设计磁场强度进行比较的另一单元。

根据本发明所述装置的一个优点在于，通过使用至少两个积分器，互相平行布设的多个积分器路径相继运行。所述积分器相互平行布设。这使得可以将一个积分器切换成工作电路，并将所述第二测量装置提供的电压转换为可计数的脉冲，根据该脉冲可确定当前的积分磁场强度，而第二积分器未激活，但能运行一个校准周期。这样，例如，由于温度变化、噪声等导致的误差可被补偿，以便可确保输出信号的高精度。另一优点在于，校准可与实际测量同时进行。为了校准目的，将各积分器和校准装置连接起来。可实时测量电磁体的磁场，这继而使得可以进行电磁体的实时闭环控制。由于校准与测量并行，测量过程无需为校准中断。再一优点在于，由于实际磁场的测量实时进行，所以电磁体的磁滞特性，即剩磁，是次要的。结果，用于获得总是相同的剩磁的电磁体的最大负载可被免除。

通过使用拾波线圈，可在粒子束通过的区域测量积分磁场，所述区域负责偏转和聚焦粒子束。然而，由于所述第二测量装置仅能检测磁场的变化，所以也提供可测量绝对磁场的第一测量装置。这里，由所述第一测量装置测量的磁场优选地是在可预测的条件下测量，并形成由所述第二测量装置测量的磁场变化的初始值。

所述第一测量装置可被设计为霍尔探针。在霍尔探针中，所谓的霍尔效应被用于测量磁场。在一个有电流流通的导体中，凭借洛伦兹力，电子被以垂直于外加磁场的角度偏转。在第三空间方向，即在垂直于所述电流和垂直于所述电子流的方向上，在导体一侧产生多余的电子，从而产生电压。所谓的霍尔电压是所述导体中电荷载流子迁移率的函数。这样，霍尔探针可测量绝对磁通量，但仅局部地在一点测量。

所述第二测量装置可被设计为拾波线圈。拾波线圈是感应线圈，法拉第感应定律在该感应线圈中转化为实践。如果通过感应线圈的磁通量发生变化，则产生电场，电场在所述拾波线圈中感应出电流，并在开口端产生电压。后者与磁通量的变化成比例。为了将磁通量聚焦于所述线圈中，常常向所述拾波线圈插入铁磁材料。所述拾波线圈的灵敏度为铁芯材料磁导率、拾波线圈表面积、匝数和通过拾波线圈磁通量的变化的函数。所述拾波线圈的带宽受限于拾波线圈的电感与电阻之比；这决定了如果外部磁场消除时感应电流减小的阻尼时间(dampingtime)。感应线圈可测量小于10^-10T的磁场变化，`上限。它们通常工作在1Hz-1MHz的频率范围内。所述感应线圈的尺寸变化很大，取决于应用，在从几平方毫米直至几平方米的范围内。

其他测量磁场的可能测量装置有磁阻式磁强计、质子磁力仪、磁通门传感器、超导量子干涉仪(SQUIDS)或光泵磁力仪。磁阻式磁强计是基于磁阻效应的，由外部磁场产生电阻变化。质子磁力仪利用烃分子中的质子对磁场的反作用力。磁通门传感器由铁磁材料组成，其上包覆有两个线圈。它们一起利用由所有铁磁材料产生的剩磁。SQUID(超导量子干涉仪)利用两个由超导性产生的宏观量子现象。这是测量磁通量变化的最灵敏的方法。光泵磁力仪利用塞曼效应。通过外部磁场，原子的电子通过它们的源自旋转的磁矩，也通过它们的产生于轨道角动量的电流密度相互作用。

拾波线圈可沿着电磁体的束流输运系统安装，并可完整地测量磁隙中的所述磁场的变化。这里，所述拾波线圈围绕作用于粒子束的整个磁通量，包括在所述偶极子的首尾的边缘磁场。因此，磁场对粒子束和感应线圈的作用是可比较的。在这一结构中，所述拾波线圈可完整地测量粒子束“感觉”到的磁场。

积分器可被布置成使得一个积分器对由所述第二测量装置测量的值进行积分，同时另一个积分器运行一个校准周期。在这一结构中，高精度积分器可实时地发送积分器输入端的模拟电压的积分，该模拟电压在所述拾波线圈中产生。同时，可连续进行另一积分器的校准，且其可在工作条件下执行。为了这一目的，使用两个相同的积分路径，其在校准后自动切换。从而，持续进行的测量不受阻碍。在预定的时间间隔内，例如，每4秒，执行新的校准。

积分器可包括电压-频率转换器。电压-频率转换器是将电压转换成与之成比例的频率的单元。所述第二测量装置发送作为测量信号的电压，该电压构成所述电压-频率转换器的输入信号。在所述电压-频率转换器中流通的电流与所述电压成比例；这一电流对电容器充电。当达到充电阈值时，在反方向通过周期和幅度固定的短电流脉冲对负反馈电容器充电。输入电流越高，反向充电过程必须越频繁。这些电流脉冲的频率与所述输入电压成比例。这里，如果从模拟电压确定的频率可以通过简单的方法进一步进行数字处理，则是有利的。

积分器可包括比较器、采样及保持元件、负反馈电容器和由时钟控制循环的触发器，其在被指定时间过去之后对所述负反馈电容器放电。负反馈电容器具有有限的放电时间周期，以便所述负反馈电容器仅能在出现足够低的励磁频率时放电。若需要更高频率，则需要补偿电路。优选的补偿电路采用的电路形式为：在指定时间过去之后，通过采样及保持元件和由时钟控制循环的触发器对所述负反馈电容器放电。

积分器可被分配给时控切换单元，其启动所述积分器的工作状态的转换。这样的切换单元可为多路复用器。多路复用器(MUX)是模拟和数字电子学中的选择单元，通过其可从多个输入信号和多个输出信号中选择一路。

所述第二测量装置可记录作为磁场变化结果的感应电压，所述电压形成所述积分器的输入值。如果所述第二测量装置被设计为拾波线圈，则如磁场变化，所述线圈中就感应出电压。这里，所述电压是磁场强度的变化和线圈匝数的函数。优选地，所述拾波线圈被设计，以便由磁场强度的最大变化1.5T/s感应出±10V之间，优选地，±5V之间的电压。

可将偏移电压供给由所述第二测量装置测量的感应电压，以便所述被测量的感应电压加所述偏移电压形成所述积分器的输入信号。通过这一方式，在渐减的磁场情况下的负电压也可在所述积分器上被映射到正电压。优选地，所述偏移电压与最大预期感应电压一样高，且类似地具有幅度，例如，5V。所述偏移电压可通过运算放大器的加法来提供。

两个彼此平行布置的积分器与多路复用器单元相关联，所述多路复用器单元被集成进所述电路，以便所述第一积分器测量并发送磁场强度，同时所述第二积分器首先运行短路校准，然后运行参考电流校准，完成校准后，所述第二积分器测量并发送磁场强度，同时所述第一积分器运行校准周期。如此，一个积分器总是在工作模式，同时另一个积分器在校准模式。这样，可不中断地进行测量和测量值的进一步处理，同时凭借频繁执行的校准，获得高精度的测量。

本发明的用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的方法包括如下步骤：

-通过第一测量装置测量在一点测量磁场的绝对磁场强度；

-通过第二测量装置测量所述磁场强度的变化；

-对由所述第二测量装置测量的所述磁场强度的变化进行积分；

-比对(Alignment)所述电磁体的所述绝对磁场强度和积分磁场；

-如此获得的所述磁场强度与指定的设计磁场强度进行比较；

-其中，提供至少两个积分器，其中一个积分器对由所述第二测量装置测量的所述磁场强度的变化进行积分，第二积分器运行校准周期。

正如已经解释过的，在本发明的装置中，优越性在于，通过至少两个积分器，形成了多个彼此平行布置且相继工作的积分器路径。那允许所述积分器被切换进在操作条件下运行的电路，该电路将所述积分器上的由所述第二测量装置提供的电压转换成可计数的脉冲，从该脉冲可继而确定当前积分磁场强度，第二积分器虽未激活，但能运行一个校准周期。

所述积分器受各种误差源影响，其限制积分精度。在它们被上电接通以后，由于环境温度波动或电子加热，时变误差主要由温度变化引起。另一误差源是噪声，来自外部源的噪声可影响电路，或由于内部处理产生。

本发明的用以校准的方法包括：通过两个连续的校准测量，确定脉冲磁通量值和偏移误差。如此，校正在从所述拾波线圈到输出端的路径上的所有可能的误差。这里，测量受温度变化影响的量的偏差，其中在输入端输入指定的高精度电压。

在输入端对所述积分器短路，由所述电压-频率转换器产生的脉冲在一段时间内，例如，2秒，被计数。在测量阶段期间，从所述电压-频率转换器的脉冲实时减去被测得的脉冲的平均频率。

在所述积分器的输入端，通过参考电压，优选地，其达到最大预期电压的一半，即，例如，2.5V，产生的脉冲在一段时间内，例如，2秒，被计数。从所述参考电压和被计数的脉冲计算脉冲值。

建议的2秒校准时间在具有更长校准时间的小离散误差与短校准时间的小测量误差之间形成折中，在短校准时间内，受环境调节的影响变化很小。

附图说明

下面，根据附图更详细地说明本发明装置和本发明方法的一些配置。这些显示的每幅附图是示意性的：

图1显示环形加速器；

图2显示偶极子形式的电磁体；

图3显示四极子形式的电磁体；

图4显示用于四极子的拾波线圈；

图5显示在环形加速器的偶极子中的电流特性；

图6显示本装置的电路原理框图；

图7显示电压-频率转换器的电路原理图；

图8显示用于双极磁体的磁场的闭环控制。

具体实施方式

图1显示用以产生用于重离子疗法的加速离子的环形加速器1。上游离子源2产生期望离子类型的带电粒子，并将它们加速到注入直线加速器3所需要的速度。氢气(H2)被用来生产质子。二氧化碳(CO2)被用来产生碳离子。从离子源提取的离子束包括气体中的具有各种电荷态的所有元素谱。在接下来的剥离器中，离子失去仍然存在的电子。然后，剥离离子经由离子束传输线4注入环形加速器1，即同步加速器。在环形加速器1中执行的加速过程完成之后，接着进行离子引出(extraction)。

图2显示用于偏转在环形加速器1中旋转的离子的偶极子(dipole)5。偶极子5具有软磁材料制成的、其截面近似矩形的磁轭6，并在中心设有近似矩形的间隙7。为减小涡流，磁轭6可由多片堆叠组成。在环形加速器1中，用于粒子束的束流输运管(beamguidetube)布置在间隙7中。线圈8套在偶极子5的两边上。当电流施加到线圈8时，会在偶极子5和间隙7内形成感应磁场。因此，偶极子5是一个电磁体15。为了聚焦穿过间隙7的磁力线，该偶极子上也安装有磁极9，其被布置在连接两个线圈8的边上，并伸进间隙7。如果彼此面对的磁极9的面对齐使得彼此平行，则在磁极9之间形成均匀磁场。

同步加速器的偶极子5利用与离子束轴线垂直的均匀磁场引导粒子束(离子束)在圆形轨道上运动。偏转角描述由偶极子5导致的粒子束经历的偏转。所述偏转角是磁场强度B和磁体的有效磁路长度L的函数，也是粒子束刚度Bρ的函数。

为测量绝对磁场强度，霍尔探针形式的第一测量装置10布置在偶极子5中。为测量积分磁场(integralfield)BL，提供拾波线圈(感应线圈)形式的第二测量装置11，其沿着偶极子5的束流输运系统安装。

所述拾波线圈安装在束流输运管上。所述拾波线圈围绕包括偶极子5首尾处的边缘磁场在内的磁通量。在这一结构中，所述拾波线圈邻近束流设置，通过拾波线圈的磁通量与粒子束穿过的积分磁场BL成比例。这样，磁场对粒子束和对感应线圈的作用是可比较的。

存在于磁极9之间的积分磁场可根据两个测得的量计算：由第一测量装置10测量的霍尔电压和由第二测量装置11测量的积分感应电压(integratedinducedvoltage)。

图3显示设计为四极子(quadrupole)的电磁体15。类似地，四极子12具有软磁材料制成的、其截面近似矩形的磁轭6，并在中心提供矩形的间隙7。线圈8安装在四极子12的所有边上。当对线圈8施加电流时，即在磁轭6和间隙7中形成感应磁场。为了聚焦穿过间隙7的磁力线，四极子12也安装有磁极9，其被布置在磁轭6的角上，并伸进间隙7。

图4显示其上安装有拾波线圈的四极子12。四极子12的拾波线圈缠绕在四个磁极9上。在各磁极9上的缠绕方向改变，如图4所示。缠绕在两个北极上的线圈必须与两个南极的方向相反，以便线圈中的感应电压具有相同的极性。

优选地，来自拾波线圈的信号使用屏蔽同轴导体输入积分器。

图5显示加速周期期间偶极子5分阶段的电流特性。

INIT-准备阶段：在该阶段，同步加速器的所有元件准备好，并设为用于随后的注入过程的初始值。在该第一阶段“INIT”，磁体中的电流从静态电流增加至用于注入的电流。为了使电流设置值中无台阶(step)，由两个圆整部(roundedpart)和一个直线部建立一个斜坡(ramp)，其最终驱动磁体直至产生用于注入的积分磁场。

INJ-注入阶段：在该阶段，将离子束从直线加速器注入同步加速器并累积。为此，需要精确的与直线加速器周期的时变同步，正如设备动作的精确同步一样。在“INJ”阶段，通过多圈注入将离子束注入同步加速器。在多圈旋转中累积离子束的时间期间，偶极子5的电流必须不变。从“INJ”阶段的开始，离子束存在于同步加速器中，后续阶段必须由设备的所有部件同步地执行。

CAPT–射频捕获：机器中的离子束被聚集成包(packet)。在“CAPT”阶段期间，偶极子5的磁场也必须不变。离子束被捕获并形成为粒子桶(particlebucket)。

ACC-加速阶段：加速聚集的离子束。在该阶段，为了将离子束保持在设计轨道上，并防止任何动量散度(momentumspread)的生长，加速腔的频率与偶极子励磁必须精确同步。此外，为了避免由于Q值变化导致的束流损失，偶极子励磁需要与四极子励磁精确同步。在“ACC”阶段，将束流加速至最终能级(finalenergylevel)。为束流的刚度Bρ指定一个线性梯度，设备的所有其他部件都按照该线性梯度进行设计。这里，同样在斜坡开头和结尾进行设计值圆整(rounding)，以避免设计值中的台阶。同步加速器中粒子的旋转频率随偶极子5中的磁场同步增长；通过这种方法，粒子被加速。

PREP-引出准备阶段：在同步加速器的该阶段，进行引出束流的准备。为此，激励用于引出的六极子，并驱使Q值接近谐振频率。“PREP”阶段准备引出离子束。基本上，其包括大约700ms的等待时间，在这段时间内同步加速器磁体的涡流以恒定电流衰减。这一阶段特别引人关注本发明的对磁场的闭环控制，因为通过借助于闭环控制，几乎可消除它。

EXTR-引出阶段：在这一阶段，执行束流引出。为此，激活射频击出励磁机(RF-KO-exciter)，且连续地通过谐振过程将束流与机器分离。仅在该阶段允许引出中断(溢出暂停(spillpause))。该引出阶段是借助外部信号完成的。在引出阶段“EXTR”，借助于射频击出励磁机，束流缓慢地从同步加速器中引出。

DUMP-束流消灭阶段：在这一阶段，清除任何仍保留在同步加速器中的粒子束。为此，将轨道向上偏移至竖直布置的刮刀(scraper)上。完成引出后，残余束流被收集在同步加速器中的刮刀上。在这两个阶段中，偶极子5中的电流值均保持不变。

WASH-调整(conditioning)阶段：在这一阶段，四极子和偶极子被调整：磁流被驱动至可再现的最大值。这样，确保这些磁体在每个周期的开始具有相同的磁特性。该阶段可被消除。在调整阶段“WASH”，为了确保各参数的再现性不受磁体剩磁的影响，磁体首先被驱动到最大值，然后回到它们的静态电流。同步加速器中偶极子和四极子的磁滞作用导致这样的事实：如果磁体不通过相同的磁滞曲线，则不同的剩磁磁场会被建立。只有在每个周期的末尾将它们驱动至最大磁场，才能确保这一点。采用本发明的对磁场的闭环控制，这一阶段也可被消除。

RESET-复位阶段：在这一阶段，为所有元件重新建立初始条件。

图6显示本发明装置的电路原理框图。积分器20实时传送输入端的模拟电压的积分，该输入端的模拟电压是由于偶极子5中磁场的变化的影响而在拾波线圈(第二测量装置11)中产生的。积分器20的校准连续进行，并在工作条件下执行。为此，使用两个相同的积分路径，积分路径由电压-频率转换器21和频率计数器22提供，其在校准后自动切换。这样，本发明的装置具有两个彼此平行布置的积分器20。从而，持续进行的测量不会受到阻碍。每4秒执行一次新校准。为此目的所必须的计算在处理器单元中进行。积分的结果具有20位的分辨率和10^-5Vs的精度。

根据拾波线圈产生的电压(拾波电压)的时变积分计算流经该拾波线圈的磁通量，其中该电压在+5V和-5V之间变化。为此，首先，在阻抗变换器中将该拾波电压连接至低阻电压源，其中该阻抗变换器被实施成一个放大系数为1的运算放大器。而且，该拾波电压由偏移电压23进行偏移，这里该拾波电压被偏压5V。这样产生的输入电压因此在0-10V范围内变化。该输入电压作为后面包括电压-频率转换器(VF转换器)21的积分器20的输入信号。

积分磁场根据两个测得的量计算得到：霍尔电压和拾波线圈的积分感应电压。也需要对霍尔探针10的偏移补偿和对拾波线圈11的漂移校正。积分器20配置成实时传送输入端模拟电压的积分，其中该模拟电压是由拾波线圈11测得的。此外，对积分器20进行连续校准，这种校准可在工作条件下执行。为此，提供两个相同的积分路径。

本发明的电路包括用于同时测量和校准的两个路径。作为积分的结果，被积分的电压将以特定频率产生的脉冲形式进行表示。这里，积分器20的实际输出信号，即时变脉冲序列，被直接使用。频率为每单位时间的脉冲数。由电压-频率转换器21在一个时间间隔内传送的脉冲数再现被积分的输入电压。

图6中使用的参考标记的列表：

20积分器

21电压-频率转换器

22计数器

23偏移电压(5V)

24多路复用器(MUX)

25用于多路复用器的逻辑

26校准

27积分器(计数器)

28校准

29模数转换器(ADC)

30电流源，温度补偿

31PI控制器(比例-积分控制器)

32来自拾波线圈的电压(拾波电压)，由第二测量装置测量的值

33参考电压(2.5V)

34接地(GND)

35由霍尔探针测量的值，由第一测量装置10测量的值

36同步(Sync)

37用于积分磁场的设计值

38作动变量

39场误差

图7详细显示同步电压-频率转换器21的电路原理图。RC积分器通过输入电阻对电容器41放电，使得电容器41中的电荷状态在一个时间间隔内变化。电容器41上的电压通过它的电荷Q(t)除以它的电容C_INT给出，并在比较器42上与+5V的恒定电压47进行比较。如果电容器电压降至这一阈值以下，则连接到比较器42的逻辑开始起作用。这对电容器41以指定量充电，并在输出端产生脉冲。由于施加的电压，电容器41中的电荷降低，它的电压最终降至参考电压以下。结果，比较器42和与门43的输出从低变换为高。在时钟44的下一个下降沿中，该变换情况被处理，D触发器(DFLOP)输出45变换到高。在时钟44的下一个上升沿中，与门输出返回到低，且锁存器输出46返回到高，这种变化的结果就是一个脉冲被移位。同时，电容器41的复位阶段开始，以1mA的恒定电流在一个时钟周期向电容器提供电荷。由于参考电压被流过R_IN的电流减小，所以在该时钟周期内也发生局部放电。在随后的时钟44的上升沿中，充电过程完成，且电容器41在输入电压的恒定影响下再次放电。

在下一个周期中，又有一次不能达到比较器阈值，并重复上述顺序。由于在放电阶段，放电量与一个时间间隔内的再次充电过程中的充电量并不完全相等，所以电容器41的锯齿形电压的平均值从阈值漂移。这以后，跟着一个延长的或缩短的放电时间，其再次建立调节。如果放电电流过大，电容器41在一个时钟时间区间内未充分充电，该锯齿形的电容器电压持续向下漂移。其不再达到电压阀值。在这种情形下，每个第二时间周期内产生一个输出脉冲。

本发明的用于校准目的的方法包括：通过两个连续的校准测量，确定脉冲的磁通量值和偏移误差。以这种方式，从拾波线圈11到输出端的路径上的所有可能的误差都被校正。这里，测量受温度变化影响的量的偏差，因为在输入端要输入指定的高精度电压。

通过积分器20输入端的短路，由电压-频率转换器在2秒时间内产生的脉冲被计数。在测量阶段，从电压-频率转换器21的脉冲中实时减去所测得的脉冲的平均频率。

通过积分器20输入端的参考电压，其优选地达到最大预期电压的一半，即，2.5V，在2秒内产生的脉冲被计数。从参考电压和被计数的脉冲计算脉冲值。

建议的2秒校准时间在具有更长校准时间的小离散误差与短校准时间的小测量误差之间形成折中，在短校准时间内，受环境调节的影响变化很小。

图8显示用于偶极子5的磁场的闭环控制器电路原理框图。加速器控制系统50向磁体供电单元51提供用于电流56的设计值52，并向磁场闭环控制器55提供用于积分磁场的第二设计值53。通过反馈回路，校正信号54被传送至磁体供电单元51。电磁体5、15根据磁体供电单元51的电流56产生磁场，该磁场由磁场闭环控制器55进行测量。磁场闭环控制器55将场误差(即与第二设计值53的偏差)作为校正信号54传送至磁体供电单元51，该磁体供电单元51通过电流56的校正稳定该场误差。磁场闭环控制器55包括具有积分器20的创新装置，即具有彼此平行布置的积分器部件的创新装置。

Claims (17)

1.一种用以对电磁体(5,12,15)产生的磁场进行测量和闭环控制的装置，包括用于测量磁场的绝对磁场强度的第一测量装置(10)、用于测量所述磁场的磁场强度变化的第二测量装置(11)、至少两个用于确定所述第二测量装置(11)测量的磁场强度变化的磁场强度的积分器(20)，所述积分器相互平行布设、校准装置、用于比较由所述第一测量装置(10)和所述第二测量装置(11)测量的磁场强度的单元和用于将所述测量的磁场强度与指定设计磁场强度进行比较的另一单元。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一测量装置(10)被设计为霍尔探针。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二测量装置(11)被设计为拾波线圈。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述拾波线圈沿着所述电磁体(5,12,15)的束流输运系统安装，并完整地测量磁隙中的所述磁场。

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述积分器(20)被布置成使得一个积分器(20)对由所述第二测量装置(11)测量的多个值进行积分，同时另一个积分器(20)运行一个校准周期。

6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述积分器(20)包括电压-频率转换器(21)。

7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述积分器(20)包括比较器(42)、采样及保持元件、负反馈电容器(41)和由时钟(44)控制循环的触发器，其在指定的时间过去之后对所述负反馈电容器(41)放电。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述积分器(20)被分配给时控切换单元(24)，所述时控切换单元(24)启动所述积分器(20)的工作状态的转换。

9.如权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，所述第二测量装置(11)测量作为磁场变化结果的感应电压，所述电压形成所述积分器(20)的输入值。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，将偏移电压(23)提供给所述第二测量装置(11)测量的所述感应电压(32)，使得所述被测量的感应电压(32)加上所述偏移电压(23)形成所述积分器(20)的输入信号。

11.如权利要求1-10任一项所述的装置，其特征在于，所述彼此平行布置的积分器(20)被分配给多路复用器单元(24)，所述多路复用器单元(24)被集成进所述电路，使得所述第一积分器(20)测量并发送所述磁场强度，同时所述第二积分器(20)首先运行短路校准，然后运行参考电流校准，其中，完成校准后，所述第二积分器(20)测量并发送所述磁场强度，同时所述第一积分器(20)运行所述校准周期。

12.一种用以对电磁体(5,12,15)产生的磁场进行测量和闭环控制的方法，包括如下步骤：

-通过第一测量装置(10)在一点测量磁场的绝对磁场强度；

-通过第二测量装置(11)测量所述磁场强度的变化；

-对所述第二测量装置(11)测量的所述磁场强度的变化进行积分；

-比对所述绝对磁场强度和所述积分磁场强度；

-如此获得的所述磁场强度与指定的设计磁场强度进行比较；

-其中，提供至少两个积分器(20)，其中一个积分器(20)对所述第二测量装置(11)测量的所述磁场强度的变化进行积分，第二积分器运行校准周期。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一测量装置(10)和所述第二测量装置(11)均在测量开始前被校准。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，第一步，为了校准所述积分器(20)，所述积分器(20)的输入端被短路。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，第二步，所述积分器(20)的输入端连接到参考电压源(33)。

16.如权利要求12-15任一项所述的方法，其特征在于，以所述短路校准确定校正脉冲，在测量期间，从所述测量值实时减去所述校正脉冲。

17.如权利要求12-16任一项所述的方法，其特征在于，以所述参考电压的校准确定各电压-频率转换器(21)的脉冲值，在测量期间，以所述值对所述脉冲加权。