CN106443517A - 一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，包括探头移动系统，用于磁场测量探头的安装，并带动探头在磁场测量区域内的平面移动；控制系统，内设有位置测量单元、运动控制单元；运动控制单元负责探头移动系统的控制，位置测量单元负责采集探头移动系统的位置数据，控制系统通过接收的位置信息与预设位置信息比较、向运动控制单元发出命令，完成探头移动系统位置的实时调节；数据采集系统，负责接收控制系统发出采集磁场测量值的命令，并存储所采集的磁场测量值。本发明还公开了一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统的测量方法，采用闭环式控制策略，采用光栅尺，伺服电机和运动控制卡构成闭环控制系统，从而保证了磁场测量精度。

Description

一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，具体涉及一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统及其测量方法。

背景技术

与标准的放疗相比，质子治疗是一种先进的放射治疗方法，具有健康组织受辐射伤害风险低、肿瘤细胞摧毁几率高、单次手术治疗时间短等优势。质子治疗系统主要由等时性超导回旋加速器、能量选择系统、束流传输系统、治疗台架系统等部分组成，等时性超导回旋加速器是质子治疗系统中的核心设备，等时性超导回旋加速器要得到一定能量和束流强度的高品质粒子束，其磁铁系统至关重要。

现有的磁场计算和分析软件会根据质子治疗加速器的要求设计出相应磁铁模型，磁体间隙约5mm～40mm，磁体与内壁之间的间隙为几个毫米；然而磁铁在制造加工阶段，会因为机械精度、安装精度、材料特性等不可控的因素无法达到理想状态，为了满足加速器对磁场的运行要求，须对加速器的主磁场进行高精度、高密度的测量，质子治疗加速器磁场测量精度一般要达到0.5*10^-4T，径向位置精度0.2mm，角向精度为0.5度，为后期的磁场垫补和粒子动力学计算等工作提供磁场的实测数据。

目前，在加速器磁场测量方面，市场上没有成套设备的生产和销售，各大研究单位都是按照科研需要自行设计磁场测量仪器；在国内外的加速器实验室，磁场测量方法是根据磁场的精度、分布以及测量周期等进行不同测量，在磁场测量传感器的数量和运动方式等多方面也都有很大区别，且这种设置测量传感器的测量方式在质子治疗加速器内的安装以及线路的引上存在很大难度，往往会导致较大的测量偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一闭环式控制式的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，具体通过以下技术方案实现：

一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，包括探头移动系统、控制系统和数据采集系统；

探头移动系统，用于磁场测量探头的安装，并带动探头在磁场测量区域内的平面移动；

控制系统，内设有位置测量单元、运动控制单元；其中，运动控制单元与探头移动系统连接，负责探头移动系统的移动控制；位置测量单元负责采集探头移动系统移动的位置数据，并反馈位置信息至控制系统，控制系统通过将接收的位置信息与预设位置信息比较、并向运动控制单元发出命令，完成探头移动系统位置的实时调节；

数据采集系统，与控制系统连接，负责接收控制系统发出采集磁场测量值的命令，并存储所采集的磁场测量值。

所述探头移动系统包括台架、两组丝杠螺母机构、探头；两组丝杠螺母机构均通过伺服电机驱动，且两组丝杠螺母机构呈上、下设置；其中，位于下方的丝杠螺母机构水平设在台架的顶面上，其螺母上固结有下滑块，下滑块套设在下导轨上、并水平固结有移动板，下方的丝杠螺母机构实现移动板X方向的移动；

上层丝杠螺母机构水平固结在移动板的顶面上，并与下丝杠螺母机构呈垂直设置，其螺母上固结有上滑块，上滑块套设在上导轨上，所述探头的探臂沿上导轨方向固结在上滑块上，上层丝杠螺母机构实现探头的Y方向移动。

所述控制系统包括服务终端，运动控制单元为一内嵌在服务终端内的运动控制卡，运动控制卡的接线端子模块分别与两组丝杠螺母机构的伺服电机连接；

位置测量单元为两块光栅尺，两块光栅尺分别设在上导轨、下导轨的边沿上，光栅尺的通讯接口为串口，并与运动控制卡的接线端子模块通讯传输参数。

所述数据采集系统包括特斯拉计、数据收集卡；其中，特斯拉计通过串口与控制系统连接，数据收集卡内嵌在控制系统上；

当控制系统分析接收到的当前探头位置与预设位置一致时，控制系统发出采样信号至特斯拉计采集当前位置的磁场测量值，并存储在数据收集卡上。

所述台架为上、下两层板架，且在上层板和下层板之间均布连接有两个以上的调整螺栓，调整螺栓实现上层板测量时水平度的调节。

所述数据收集卡采用高性能数据收集卡型号为NI9403、NI9411、NI9239、NI9215、NI9476中的任一一种。

所述服务终端为电脑或其他可进行数据处理以及分析的电子产品，运动控制卡为PCI-7344。

本发明的另一目的是提供一种适用于等时性超导回旋加速器磁场测量系统的测量方法，具体包括以下顺序的步骤：

(1)首先，对控制系统的运动控制卡做初始化设定，在控制卡中设定伺服电机的运行参数，并预设采样点的坐标，预设坐标用来与探头实际位置坐标值比较，确定采样点是否满足要求；将探头移动系统的台架放置在回旋加速器磁铁旁的工位处，调整好台架与磁铁的距离和测量平面的水平度；然后将探臂伸到磁铁上下两极的间隙中控制探头找到测量平面的中心点，并对光栅尺进行初始化设定，设此点坐标为初始坐标(0，0)；

(2)运动控制卡发送移动命令至伺服电机，驱动探头从坐标值最小的点开始测量磁场值；磁场值的测量采用先固定X坐标、再测量此X坐标Y方向上的所有采样点的方式；

(3)探头移动系统驱动探头每次移动一个测量步距后，探头的真实位置坐标通过光栅尺反馈给运动控制卡，运动控制卡对当前位置和预设位置进行比较；如果采样点位置与预设位置一致，控制系统发出采样信号命令给数据采集系统读取此点的磁场测量值，如果采样点位置与预设位置不一致，控制系统将得出的调整探头位置的运动命令通过控制卡以数字脉冲或模拟信号的形式发送给伺服电机驱动探头再次定位，重复以上的过程直到采样点位置坐标满足要求；

(4)当前X坐标Y方向上的所有采样点的磁场测量值测量并存储完成后，探头移动系统移动探头沿原轨迹返回至当前Y坐标的起始点，并在X方向前进一个测量步距，开始下一次Y方向上的所有采样点测量，对于下一次Y方向上的每次测量点的测量均重复步骤(3)；

(5)将所有符合要求的磁场测量值存储在数据采集系统的数据收集卡上，数据收集卡将所有符合要求的数据传输至控制系统的服务终端上，完成回旋加速器内磁场测量值的数据分析。

本发明的有益技术效果：

本发明采用悬臂探头移动式机械系统设计，探头的移动是通过现有的两组丝杠螺母机构实现平面内的移动；探臂材料采用非导磁材料，使得整个系统易于在较小空间里工作，此外，采用闭环式控制策略，采用光栅尺，伺服电机和运动控制卡构成闭环控制系统，从而保证了磁场测量精度。此外，由于是在磁场环境下的测量，需要防止测量部件对磁场本身的干扰，所以在部件材料选择方面要选择弱磁性和非磁性材料。

附图说明：

图1为本发明各系统之间的连接示意图。

图2为本发明磁场测量的控制流程图。

具体实施方式

参见图1，一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，包括探头移动系统、控制系统和数据采集系统；

探头移动系统1，用于磁场测量探头的安装，并带动探头在磁场测量区域内的平面移动；

所述探头移动系统1包括台架、两组丝杠螺母机构、探头；两组丝杠螺母机构均通过伺服电机驱动，伺服电机型号为科尔摩根AKM22-E，且两组丝杠螺母机构呈上、下设置；其中，位于下方的丝杠螺母机构水平设在台架的顶面上，其螺母上固结有下滑块，下滑块套设在下导轨上、并水平固结有移动板，下方的丝杠螺母机构实现移动板X方向的移动；

上层丝杠螺母机构水平固结在移动板的顶面上，并与下丝杠螺母机构呈垂直设置，其螺母上固结有上滑块，上滑块套设在上导轨上，所述探头的探臂沿上导轨方向固结在上滑块上，上层丝杠螺母机构实现探头的Y方向移动。

控制系统2，包括有服务终端、位置测量单元、运动控制单元；其中，服务终端为电脑，运动控制单元为一内嵌在服务终端内的运动控制卡，运动控制卡为PCI-7344，运动控制单元与探头移动系统1连接，负责探头移动系统1的移动控制；运动控制卡的接线端子模块分别与两组丝杠螺母机构的伺服电机连接；位置测量单元为两块光栅尺，两块光栅尺分别设在上导轨、下导轨的边沿上，光栅尺的通讯接口为串口，并与运动控制卡的接线端子模块通讯传输参数。

位置测量单元负责采集探头移动系统1移动的位置数据，并反馈位置信息至控制系统2，控制系统2通过将接收的位置信息与预设位置信息比较、并向运动控制单元发出命令，完成探头移动系统1位置的实时调节；

数据采集系统3与控制系统2连接，包括特斯拉计、数据收集卡；其中，特斯拉计通过串口与控制系统连接，数据收集卡采用高性能数据收集卡型号为NI9403，数据收集卡内嵌在控制系统上；当控制系统2分析接收到的当前探头位置与预设位置一致时，数据采集系统接收控制系统2发出采集磁场测量值的命令，特斯拉计采集当前位置的磁场测量值，并存储在数据收集卡上。

参见图2，本发明的测量方法，包括以下顺序的步骤：

(1)首先，对控制系统2的运动控制卡做初始化设定，在控制卡中设定伺服电机的运行参数，并预设采样点的坐标，预设坐标用来与探头实际位置坐标值比较，确定采样点是否满足要求；将探头移动系统的台架放置在回旋加速器磁铁旁的工位处，调整好台架与磁铁的距离和测量平面的水平度；然后将探臂伸到磁铁上下两极的间隙中控制探头找到测量平面的中心点，并对光栅尺进行初始化设定，设此点坐标为初始坐标(0，0)；

(2)运动控制2卡发送移动命令至伺服电机，驱动探头从坐标值最小的点开始测量磁场值；磁场值的测量采用先固定X坐标，再测量此X坐标Y方向上的所有采样点的方式；

(3)探头移动系统1驱动探头每次移动一个测量步距后，探头的真实位置坐标通过光栅尺反馈给运动控制卡，运动控制卡对当前位置和预设位置进行比较；如果采样点位置与预设位置一致，控制系统2发出采样信号命令给数据采集系统读取此点的磁场测量值，如果采样点位置与预设位置不一致，控制系统2将得出的调整探头位置的运动命令通过控制卡以数字脉冲或模拟信号的形式发送给伺服电机驱动探头再次定位，重复以上的过程直到采样点位置坐标满足要求；

(4)当前X坐标Y方向上的所有采样点的磁场测量值测量并存储完成后，探头移动系统1移动探头沿原轨迹返回至当前Y坐标的起始点，并在X方向前进一个测量步距，开始下一次Y方向上的所有采样点测量，对于下一次Y方向上的每次测量点的测量均重复步骤(3)；

(5)将所有符合要求的磁场测量值存储在数据采集系统3的数据收集卡上，数据收集卡将所有符合要求的数据传输至控制系统的服务终端上，完成回旋加速器内磁场测量值的数据分析。

Claims (8)

1.一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：包括探头移动系统、控制系统和数据采集系统；

探头移动系统，用于磁场测量探头的安装，并带动探头在磁场测量区域内的平面移动；

控制系统，内设有位置测量单元、运动控制单元；其中，运动控制单元与探头移动系统连接，负责探头移动系统的移动控制；位置测量单元负责采集探头移动系统移动的位置数据，并反馈位置信息至控制系统，控制系统通过将接收的位置信息与预设位置信息比较、并向运动控制单元发出命令，完成探头移动系统位置的实时调节；

数据采集系统，与控制系统连接，负责接收控制系统发出采集磁场测量值的命令，并存储所采集的磁场测量值。

2.根据权利要求1所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述探头移动系统包括台架、两组丝杠螺母机构、探头；两组丝杠螺母机构均通过伺服电机驱动，且两组丝杠螺母机构呈上、下设置；其中，位于下方的丝杠螺母机构水平设在台架的顶面上，其螺母上固结有下滑块，下滑块套设在下导轨上、并水平固结有移动板，下方的丝杠螺母机构实现移动板X方向的移动；

上层丝杠螺母机构水平固结在移动板的顶面上，并与下丝杠螺母机构呈垂直设置，其螺母上固结有上滑块，上滑块套设在上导轨上，所述探头的探臂沿上导轨方向固结在上滑块上，上层丝杠螺母机构实现探头的Y方向移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述控制系统包括服务终端，运动控制单元为一内嵌在服务终端内的运动控制卡，运动控制卡的接线端子模块分别与两组丝杠螺母机构的伺服电机连接；

位置测量单元为两块光栅尺，两块光栅尺分别设在上导轨、下导轨的边沿上，光栅尺的通讯接口为串口，并与运动控制卡的接线端子模块通讯传输参数。

4.根据权利要求1所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述数据采集系统包括特斯拉计、数据收集卡；其中，特斯拉计通过串口与控制系统连接，数据收集卡内嵌在控制系统上；

当控制系统分析接收到的当前探头位置与预设位置一致时，控制系统发出采样信号至特斯拉计采集当前位置的磁场测量值，并存储在数据收集卡上。

5.根据权利要求2所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述台架为上、下两层板架，且在上层板和下层板之间均布连接有两个以上的调整螺栓，调整螺栓实现上层板测量时水平度的调节。

6.根据权利要求4所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述数据收集卡采用高性能数据收集卡型号为NI9403、NI9411、NI9239、NI9215、NI9476中的任一一种。

7.根据权利要求3所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述服务终端为电脑或其他可进行数据处理以及分析的电子产品，运动控制卡为PCI-7344。

8.根据权利要求1-7所述的一种等时性超导回旋加速器磁场测量系统的测量方法，包括以下顺利的步骤：

(1)首先，对控制系统的运动控制卡做初始化设定，在控制卡中设定伺服电机的运行参数，并预设采样点的坐标，预设坐标用来与探头实际位置坐标值比较，确定采样点是否满足要求；将探头移动系统的台架放置在回旋加速器磁铁旁的工位处，调整好台架与磁铁的距离和测量平面的水平度；然后将探臂伸到磁铁上下两极的间隙中控制探头找到测量平面的中心点，并对光栅尺进行初始化设定，设此点坐标为初始值；

(2)运动控制卡发送移动命令至伺服电机，驱动探头从坐标值最小的点开始测量磁场值；磁场值的测量采用先固定X坐标、再测量此X坐标Y方向上的所有采样点的方式；

(3)探头移动系统驱动探头每次移动一个测量步距后，探头的真实位置坐标通过光栅尺反馈给运动控制卡，运动控制卡对当前位置和预设位置进行比较；如果采样点位置与预设位置一致，控制系统发出采样信号命令给数据采集系统读取此点的磁场测量值，如果采样点位置与预设位置不一致，控制系统将得出的调整探头位置的运动命令通过控制卡以数字脉冲或模拟信号的形式发送给伺服电机驱动探头再次定位，重复以上的过程直到采样点位置坐标满足要求；

(4)当前X坐标Y方向上的所有采样点的磁场测量值测量并存储完成后，探头移动系统移动探头沿原轨迹返回至当前Y坐标的起始点，并在X方向前进一个测量步距，开始下一次Y方向上的所有采样点测量，对于下一次Y方向上的每次测量点的测量均重复步骤(3)；

(5)将所有符合要求的磁场测量值存储在数据采集系统的数据收集卡上，数据收集卡将所有符合要求的数据传输至控制系统的服务终端上，完成回旋加速器内磁场测量值的数据分析。