CN106211539B - 一种回旋加速器引出束相位全数字稳定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回旋加速器引出束相位全数字稳定装置及其方法，通过在束流输运线上设计一个非阻拦式高频谐振腔探测器来拾取加速器质子束流的相位信息，通过全数字化信息处理来控制磁场强度的反馈环路，通过数字化调节主磁铁电源来达到自动调谐加速器的磁场强度的效果，这样便能补偿磁场漂移，进而使束流强度和引出效率持续稳定。本发明提出的用非阻拦式高频谐振腔探测器来采样束流相位信息，并用全数字化方法采样处理束流的相位信息来控制调谐磁场强度，这种高频谐振腔的探测器有较高信噪比，全数字化的信号处理方法更加灵活并且易于调试，对于主磁铁电源的控制也采用数字化控制，这样有较高分辨率，并且能避免引入额外的噪声。

Description

一种回旋加速器引出束相位全数字稳定装置及其方法

技术领域

本发明具体涉及一种用于质子治疗的等时性回旋加速器引出束相位全数字稳定装置及其方法，属于质子治疗等时性回旋加速器技术领域。

背景技术

在质子治疗回旋加速器中，对束流强度的稳定性及引出效率要求较高。加速器运行过程中，高频系统的热损耗、外界的温度变化以及供电电源的不稳定性都会对磁场强度产生影响，因此导致磁场的失谐，对束流稳定性以及引出效率都有所影响。虽然在许多应用领域中，有充足的时间可以让操作员对磁场强度进行手动调整，可这并不适用于质子治疗加速器，所以自动调谐束流稳定性必不可少，对质子治疗等时性回旋加速器的束流相位稳定的研究至关重要。

国际上关于此项研究，已有用电容取样探针来提取束流相位的装置，拾取的相位信息用模拟方法进行解调处理。然而，上述方法的引出束稳定性仍有待提高。

发明内容

本发明针对质子治疗加速器对引出束稳定性的高要求，提出一种高性能可行的全数字稳定的装置及方法。

本发明的技术方案如下：

为了测量和抵消磁铁温度漂移给磁场强度带来的细微损耗，设计一个非阻拦式的高频谐振腔探测器置于加速器束流输运线上，高频腔包含有开路端和短路端，在短路端用电感取样来采样加速器质子束流的相位信息，并用该相位信息作为控制磁场强度的反馈环路的输入，通过数字化方式调节主磁铁电源来自动调谐加速器的磁场强度。当磁场漂移得到补偿以后，束流强度和引出效率会达到持续稳定的效果。

为了控制高频谐振腔探测器的尺寸大小，以及避免来自加速器高频腔基波频率的干扰，束流相位的采样频率选取其三次谐波频率。本装置采用高速ADC对电感耦合拾取的信号进行直接采样，以高频频率作为时间基准，使用欠采样技术实现下变频，得到一组IQ信号，通过解调IQ信号，得到束流的相位信息，以此来控制磁场强度的反馈环路，通过对主磁铁电源进行调整来自动调谐加速器的磁场强度。

由于质子治疗回旋加速器的主磁铁电源精度要求高，需要达到20ppm精度以内，以至于调节电源系统的精度要求更高。当检测到束流相位有偏差时，给主磁铁电源发出控制脉冲，电源的电流进行自动调节，使得电源精度始终保持在20ppm以内。

本发明提出的用非阻拦式高频谐振腔探测器来采样束流相位信息，并用全数字化方法采样处理束流的相位信息来控制调谐磁场强度，这种高频谐振腔的探测器有较高信噪比，全数字化的信号处理方法更加灵活并且易于调试，对于主磁铁电源的控制也采用数字化控制，这样有较高分辨率，并且能避免引入额外的噪声。

附图说明

图1为质子治疗等时性回旋加速器高频谐振腔结构图；

图2为质子治疗等时性回旋加速器引出束相位全数字稳定装置原理图；

图3为欠采样技术的原理示意图；

图4为主磁铁电源控制接口示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明提供的等时性回旋加速器引出束相位全数字稳定装置包括顺序连接的如下元件：高频谐振腔相位探测器，ADC(模拟数字转换器)，FPGA(现场可编程门阵列)，ARM微控制器，以太网及其主磁铁电源。所述高频谐振腔探测器安装在束流输运线上，束流通过时在谐振腔内激起磁场，电感取样探针拾取束流相位信息，并通过ADC将上述相位信息转换为数字信号并传送给FPGA处理，ARM控制FPGA并且调节主磁铁电源以调谐回旋加速器的磁场强度。

所述FPGA采用Cyclone III系列，所述ARM微控制器采用ATSAM9G20处理器。所述FPGA连接独立的FLASH和SDRAM，所述ARM连接单独的FLASH和SDRAM，以及SDCard，GPIO(通用输入/输出端口)。

以某质子治疗回旋加速器为例，该非阻拦式高频谐振腔探测器安装在加速器后面的束流输运线上，其结构简图如图1所示，包括高频谐振腔(1)和电感取样探针(2)。该高频腔设计为四分之一波长同轴谐振腔。该回旋加速器高频频率为72.5MHz，其三次谐波频率为217.5MHz，其波长为1.4m，即高频谐振腔的长度设计为0.35m。质子在加速器中加速引出后，经过相位检测的高频谐振腔，激起谐振腔共振，在短路端的电感取样能检测到束流的相位信息，以高频频率作为时间基准，用采样率为80MSPS的TI芯片ADS5562进行欠采样，采样频率即67MHz，欠采样技术的原理示意图如图3所示。得到一组IQ信号，束流幅度相位可以由得到。当束流强度最大时，此刻的束流相位为一个基准，当检测到束流相位与该基准相位有偏差时，ARM微处理器给主磁铁电源发送控制脉冲，电源的电流进行调节，主磁铁电源控制接口的示意图如图4所示。

本发明所申明的新方法，设计一个非阻拦式的高频谐振腔探测器置于加速器束流输运线上，通过电感取样加速器质子束流的相位信息，并用全数字化的方法来采样和解调相位信息。这种高频谐振腔的探测器有较高信噪比，全数字化的信号处理方法更加灵活并且易于调试，对于主磁铁电源的控制也采用数字化控制，这样有较高分辨率，并且能避免引入额外的噪声。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

所述装置包括顺序连接的如下元件：高频谐振腔相位探测器，模拟数字转换器ADC，现场可编程门阵列FPGA，ARM微处理器，以太网以及主磁铁电源；

所述高频谐振腔探测器安装在加速器后面的束流输运线上，高频谐振腔相位探测器为电感取样探针，所述的高频谐振腔包含有开路端和短路端，束流通过谐振腔时激起磁场，在短路端用电感取样探针来采样加速器质子束流相位信息，并通过模拟数字转换器ADC将上述相位信息转换为数字信号并传送给现场可编程门阵列FPGA处理，ARM微处理器控制现场可编程门阵列FPGA并且通过调节主磁铁电源以调谐回旋加速器的磁场强度。

2.如权利要求1所述的回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

所述高频谐振腔采用四分之一波长谐振腔。

3.如权利要求2所述的回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

所述电感取样探针的采样频率选取所述束流相位信息的三次谐波频率。

4.如权利要求1所述的回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

所述模拟数字转换器ADC直接采样束流相位信息，并以高频频率作为时间基准。

5.如权利要求4所述的回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

所述采样用4/13倍的三次谐波频率来欠采样信号，得到一组I/Q信号，通过ARM微处理器控制现场可编程门阵列FPGA，计算得到束流的幅度和相位信息。

6.如权利要求4所述的回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

设束流强度最大时的束流相位为基准相位，当检测到束流相位与该基准相位有偏差时，对所述主磁铁电源进行调节。

7.如权利要求1所述的回旋加速器引出束相位全数字稳定装置，其特征在于：

ARM微处理器通过调节主磁铁电源使得所述电源的精度保持在20ppm以内。