CN107340484A - 基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，包括：探测线圈调心系统，用于调整探测线圈的中心与加速器中平面的中心相互重合；探测线圈驱动系统，用于驱动探测线圈在回旋加速器磁极间隙中的磁场测量区域内沿着加速器轴向而移动；控制系统，内设运动控制单元、位置测量单元；数据采集系统，与控制系统相互连接，负责接收控制系统发出的采集磁场测量信号的命令与探测线圈移动系统的位置信息，并及时存储所采集到的磁场测量信号值；本发明还公布了一种适用于紧凑型超导回旋加速器磁场测量系统的测量方法。本发明主要用于测量中平面垂直方向圆柱面上径向方向磁感应强度Br平均值，为超导线圈和磁极的位置安装提供重要而精确的数据。

Description

基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于磁场测量领域，具体涉及一种基于探测线圈的紧凑型超导回旋加速器磁场测量系统及其测量方法。

背景技术

回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用，尤其是在放射性药物制药，肿瘤治疗等领域有重要意义。与传统的放疗相比，质子治疗具有直击肿瘤细胞、避免健康组织辐射而受伤害、治疗时间短等优势的先进放射方法。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、治疗系统等组成，其中，超导回旋加速器的主机系统用于引出稳定的束流，谐振腔的电磁场对束流进行加速，而且束流的运动需要等时性磁场的约束。等时性超导回旋加速器是质子治疗系统中的核心设备，其磁铁系统的加工和安装至关重要。为了保证提供等时性磁场，需要对回旋加速器进行磁场测量。

在磁铁加工过程中，会存在由于机械精度、安装精度、材料特性等因素而造成磁铁或超导线圈的安装位置不是完全对称的。为了满足加速器对磁场的使用要求，必须对加速器磁极间隙中圆柱面上Br平均值进行测量，为调整超导线圈和磁铁位置等工作提供重要的磁场实测数据。

近年来，随着磁场测量技术的不断发展，测量的范围达到10^-15～10³T，已广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古等各个领域中。目前比较成熟的磁场测量方法主要有电磁感应法、霍尔效应法、磁饱和法、核磁共振法、超导效应法和磁光效应法等。

不同测量方法适合于不同的测量范围，并有着不同的测量要求。如果仅考虑测量精度，核磁共振(NMR)法是最好的，可以达到10^-6。然而，它只能应用于非常均匀的磁场区域测量，这导致它不适用于许多测量工作。对于稳恒磁场的测量，常用的方法是霍尔效应法，其所使用的霍尔器件虽然灵敏度高、体积小，但温度稳定性较差，精度一般只有0.5％～5％，而且容易损坏。此外，基于探测线圈的电磁感应法也是比较常用的测试方法，它配以指针式交流电压表来进行测量，可以记录某一磁场区域的磁感应强度，而且，电磁感应法的测量精度仅次于NMR，适应的磁场强度范围比较广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闭环式控制的基于探测线圈的紧凑型超导等时性回旋加速器磁场测量系统及其测量方法，具有操作简单、结构紧凑、定位精确、测量精准、自动采集数据等优点，主要用于测量中平面垂直方向圆柱面上径向方向磁感应强度Br平均值，为超导线圈和磁极的位置安装提供重要而精确的数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，包括探测线圈调心系统、探测线圈驱动系统、控制系统和数据采集系统；

所述探测线圈调心系统，用于调整探测线圈的中心与回旋加速器中平面的几何中心相互重合；

所述探测线圈驱动系统，用于驱动探测线圈在回旋加速器磁极间隙中的磁场测量区域内沿着加速器轴向而移动；

所述控制系统，负责完成探测线圈的全闭环位置控制；

所述数据采集系统，与控制系统相互连接，其负责接收控制系统发出的采集磁场测量信号的命令与探测线圈移动系统的位置信息，并及时存储所采集到的磁场测量信号值。

所述探测线圈调心系统包括支撑台、两组丝杆螺母机构；两组丝杆螺母机构呈十字交叉，相互独立，其上方与支撑台焊接固定，支撑台上支撑整个磁测装置；所述探测线圈驱动系统包括伺服电机模组、支撑杆、导柱、导套、红外测距仪、固定盘、探测线圈磁盘支撑盘、探测线圈磁盘；伺服电机模组安装在固定盘上，与探测线圈磁盘支撑盘相连，驱动探测线圈磁盘支撑盘在垂直方向移动，探测线圈磁盘支撑盘上安装支撑杆，并连接至上方探测线圈所在的磁盘；导柱固定安装在固定盘上，导套安装在探测线圈磁盘支撑盘上；红外测距仪安装在固定盘上，通过其检测探测线圈支撑盘移动的距离。

所述控制系统包括位置检测单元，控制单元和执行机构；其中，位置检测单元实时检测探测线圈的位置信息，并反馈至控制单元；控制单元接收位置信息，根据位置偏差发送驱动指令；执行机构接收驱动指令，驱动伺服电机，控制探测线圈移动系统完成线圈的轴向实时调节。

所述位置检测单元由光栅尺充当，光栅尺的动尺和定尺分别安装在探测线圈移动系统的探测线圈支撑盘和固定盘的上下导轨上，并通过串口与控制单元完成数据传输；所述控制单元为伺服驱动器，伺服驱动器接收光栅尺发送的位置信号，通过位置闭环控制方式，发出驱动指令，伺服驱动器内设有运动控制卡；所述执行机构为伺服电机，伺服电机接收驱动脉冲，控制探测线圈移动系统，实现线圈的轴向移动。

所述数据采集系统包括磁通计、数据采集卡；其中，磁通计通过串口与控制单元通讯连接，数据采集卡内嵌在控制单元中；当控制系统分析判断当前探测线圈中心与加速器几何中心重合一致的时候，控制系统会发出采样信号至磁通计，采集当前磁盘在移动过程中各个位置处的磁场测量值，并及时地存储在数据采集卡上。

所述数据采集卡采用高性能数据采集卡，其型号是NI9403、NI9411、NI9239、NI9239、NI9215、NI9476中的任意一种。

该系统还包括分别与控制系统、数据采集系统连接的服务终端，所述服务终端为电脑或其他可进行数据分析处理的电子产品。

所述伺服电机采取磁场屏蔽保护措施；所述运动控制卡为PCI-7344。

基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

(1)采用调心系统对磁测装置进行调心，将磁测装置安放在加速器的工位处，通过调心机构调整好探测线圈与回旋加速器的同心度，并检测探测线圈所在平面与回旋加速器中平面的水平度，同时在磁轭外部的磁盘各个支撑杆处标定位置坐标并做记录；

(2)对控制单元伺服驱动器进行初始化，在运动控制卡中设定伺服电机的运行参数，并预设采样点的位置坐标，预设的坐标是用来与探测线圈实际位置坐标相互比较，以判定采样点是否满足采集要求；将调心后的探测线圈圆心坐标设定为初始化坐标(0,0,0)；

(3)运动控制卡发送移动命令至伺服电机，探测线圈驱动系统驱动探测线圈开始移动，测量磁场，探测线圈驱动系统每驱动探测线圈移动一个测量步长后，探测线圈的实际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判断，如果二者是一致的，则控制系统会发出采样信号命令给数据采集系统读取当前该点的磁场测量值，如果二者不一致，控制系统将得出的调整探测线圈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和调心系统，对探测线圈再次定位，重复以上的过程直到采样点的位置坐标满足测试要求；

(4)当所有采样点的磁场测量值测量并存储完成之后，控制单元驱动伺服电机完成原点归位指令，探测线圈驱动系统驱动探测线圈沿着原轨迹返回至起始点(0,0,0)；

(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采集卡上，数据采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，完成回旋加速器磁场测量值的数据分析。

步骤(1)中，探测线圈与回旋加速器的同心度误差为0.1mm；探测线圈所在平面与回旋加速器中平面的水平度小于0.1mm。

本发明的有益效果：本发明主要用于测量中平面垂直方向圆柱面上磁感应强度Br值，采用伺服电机驱动系统和定位系统的相结合方式，实现探测线圈在垂直方向上的精确定位，使得整个系统可以在较小空间中正常工作；操作简单、结构紧凑、定位精确、测量精准、自动采集数据等优点，为超导线圈和磁极的位置安装提供重要而精确的参考数据。此外，由于测量环境是强磁场环境下，为避免测量部件本身对磁场产生干扰，因此，部件材料选择上优先考虑非磁性材料；伺服电机采取磁场屏蔽保护措施。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明各个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

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，包括探测线圈调心系统、探测线圈驱动系统、控制系统和数据采集系统；

探测线圈调心系统，用于调整探测线圈的中心与回旋加速器中平面的几何中心相互重合；

探测线圈驱动系统，用于驱动探测线圈在回旋加速器磁极间隙中的磁场测量区域内沿着加速器轴向而移动；

控制系统，负责完成探测线圈的全闭环位置控制，主要包含位置检测单元，控制单元和执行机构三部分；其中，位置检测单元实时检测探测线圈的位置信息，并反馈至控制单元；控制单元接收位置信息，根据位置偏差发送驱动指令；执行机构接收驱动指令，驱动伺服电机，控制探测线圈移动系统完成线圈的轴向实时调节；

数据采集系统，与控制系统相互连接，负责接收控制系统发出的采集磁场测量信号的命令与探测线圈移动系统的位置信息，并及时存储所采集到的磁场测量信号值。

所述探测线圈调心系统包括支撑台、两组丝杆螺母机构；两组丝杆螺母机构呈十字交叉，相互独立，其上方与支撑台相焊接，支撑台上支撑整个磁测装置(即磁场测量系统)；通过手动调整两组丝杠螺母机构，可以使探测线圈分别向X方向和Y方向移动，达到探测线圈中心与加速器几何中心相互重合。

所述探测线圈驱动系统包括伺服电机模组、支撑杆、导柱、导套、红外测距仪、固定盘、探测线圈磁盘支撑盘、探测线圈磁盘；伺服电机模组固定在固定盘上，与探测线圈磁盘支撑盘相连，可以驱动探测线圈磁盘支撑盘在垂直方向移动，探测线圈磁盘支撑盘上安装支撑杆，支撑杆连接至上方探测线圈所在的磁盘；导柱固定安装在固定盘上，导套安装在探测线圈磁盘支撑盘上，导柱与导套相对滑动，具有导向作用；红外测距仪安装在固定盘上，通过其检测探测线圈支撑盘移动的距离。

所述控制系统包括位置检测单元，控制单元和执行机构；所述位置检测单元由光栅尺充当，光栅尺的动尺和定尺分别安装在探测线圈驱动系统的探测线圈磁盘支撑盘和固定盘的上下导轨上，并通过串口与控制单元完成数据传输；所述控制单元为伺服驱动器，伺服驱动器接收光栅尺发送的位置信号，通过位置闭环控制方式，发出驱动指令，伺服驱动器内设有运动控制卡；所述执行机构为伺服电机，伺服电机接收驱动脉冲，控制探测线圈移动系统，实现线圈的轴向移动。

所述数据采集系统包括磁通计、数据采集卡；其中，磁通计通过串口与控制单元通讯连接，数据采集卡内嵌在控制单元中；磁通计通过串口与服务终端通讯，数据采集卡通过USB与服务终端通讯。

当控制系统分析得到当前探测线圈中心与加速器几何中心重合一致的时候，控制系统会发出磁盘移动的位置采样信号至磁通计，采集当前磁盘在移动过程中各个位置处的磁场测量值，并及时地存储在数据采集卡上。

所述数据采集卡采用高性能数据采集卡，其型号可以是NI9403、NI9411、NI9239、NI9239、NI9215、NI9476中的任意一种。

所述服务终端为电脑或其他可以进行数据分析处理的电子产品，运动控制卡为PCI-7344。

参见图2所示，本发明的另一个目的是提供一种适用于紧凑型超导回旋加速器磁场测量系统的测量方法，具体步骤如下：

(1)首先，采用调心系统对磁测装置进行调心，将磁测装置安放在加速器的工位处，通过调心系统调整好探测线圈与回旋加速器的同心度，二者的同心度误差为0.1mm，并检测探测线圈所在平面与回旋加速器中平面的水平度，通过调整单个电机的位置高度以及采取机械配合的方法，控制水平度小于0.1mm，同时在磁轭外部的磁盘各个支撑杆处标定，位置坐标并做记录，以便红外测距仪检测和调整；

(2)其次，对控制单元的伺服驱动器进行初始化，在运动控制卡中设定伺服电机的运行参数，并预设采样点的位置坐标，预设的坐标是用来与探测线圈实际位置坐标相互比较，以判定采样点是否满足采集要求；将调心后的探测线圈圆心坐标设定为初始化坐标(0,0,0)；

(3)然后，运动控制卡发送移动命令至伺服电机，探测线圈驱动系统驱动探测线圈开始移动，测量磁场，探测线圈驱动系统每驱动探测线圈移动一个测量步长后，探测线圈的实际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判断，如果二者是一致的，则控制系统会发出采样信号命令给数据采集系统读取当前该点的磁场测量值，如果二者不一致，控制系统将得出的调整探测线圈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和调心机构，对探测线圈再次定位，重复以上的过程，直到采样点的位置坐标满足测试要求；

(4)当所有采样点的磁场测量值测量并存储完成之后，控制单元的驱动伺服电机完成原点归位指令，探测线圈驱动系统驱动探测线圈沿着原轨迹返回至起始点(0,0,0)。

(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采集卡上，数据采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，完成回旋加速器你磁场测量值的数据分析。

本发明原理：本发明提供一种闭环式控制的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，采用光栅尺、伺服电机和运动控制卡构成闭环控制系统，从而保证了探测线圈测试磁场的精度；具有操作简单、结构紧凑、定位精确、测量精准、自动采集数据等优点，主要用于测量中平面垂直方向圆柱面上径向方向磁感应强度Br平均值，为超导线圈和磁极的位置安装提供重要而精确的数据。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：包括探测线圈调心系统、探测线圈驱动系统、控制系统和数据采集系统；

所述探测线圈调心系统，用于调整探测线圈的中心与回旋加速器中平面的几何中心相互重合；

所述探测线圈驱动系统，用于驱动探测线圈在回旋加速器磁极间隙中的磁场测量区域内沿着加速器轴向而移动；

所述控制系统，负责完成探测线圈的全闭环位置控制；

所述数据采集系统，与控制系统相互连接，其负责接收控制系统发出的采集磁场测量信号的命令与探测线圈移动系统的位置信息，并及时存储所采集到的磁场测量信号值。

2.根据权利要求1所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述探测线圈调心系统包括支撑台、两组丝杆螺母机构；两组丝杆螺母机构呈十字交叉，相互独立，其上方与支撑台焊接固定，支撑台上支撑整个磁测装置；所述探测线圈驱动系统包括伺服电机模组、支撑杆、导柱、导套、红外测距仪、固定盘、探测线圈磁盘支撑盘、探测线圈磁盘；伺服电机模组安装在固定盘上，与探测线圈磁盘支撑盘相连，驱动探测线圈磁盘支撑盘在垂直方向移动，探测线圈磁盘支撑盘上安装支撑杆，并连接至上方探测线圈所在的磁盘；导柱固定安装在固定盘上，导套安装在探测线圈磁盘支撑盘上；红外测距仪安装在固定盘上，通过其检测探测线圈支撑盘移动的距离。

3.根据权利要求1所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述控制系统包括位置检测单元，控制单元和执行机构；其中，位置检测单元实时检测探测线圈的位置信息，并反馈至控制单元；控制单元接收位置信息，根据位置偏差发送驱动指令；执行机构接收驱动指令，驱动伺服电机，控制探测线圈移动系统完成线圈的轴向实时调节。

4.根据权利要求3所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述位置检测单元由光栅尺充当，光栅尺的动尺和定尺分别安装在探测线圈移动系统的探测线圈支撑盘和固定盘的上下导轨上，并通过串口与控制单元完成数据传输；所述控制单元为伺服驱动器，伺服驱动器接收光栅尺发送的位置信号，通过位置闭环控制方式，发出驱动指令，伺服驱动器内设有运动控制卡；所述执行机构为伺服电机，伺服电机接收驱动脉冲，控制探测线圈移动系统，实现线圈的轴向移动。

5.根据权利要求1所述的基于探测线圈的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磁通计、数据采集卡；其中，磁通计通过串口与控制单元通讯连接，数据采集卡内嵌在控制单元中；当控制系统分析判断当前探测线圈中心与加速器几何中心重合一致的时候，控制系统会发出采样信号至磁通计，采集当前磁盘在移动过程中各个位置处的磁场测量值，并及时地存储在数据采集卡上。

6.根据权利要求5所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述数据采集卡采用高性能数据采集卡，其型号是NI9403、NI9411、NI9239、NI9239、NI9215、NI9476中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：该系统还包括分别与控制系统、数据采集系统连接的服务终端，所述服务终端为电脑或其他可进行数据分析处理的电子产品。

8.根据权利要求3所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，其特征在于：所述伺服电机采取磁场屏蔽保护措施；所述运动控制卡为PCI-7344。

9.根据权利要求1-8任一所述的基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统的测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

(1)采用调心系统对磁测装置进行调心，将磁测装置安放在加速器的工位处，通过调心机构调整好探测线圈与回旋加速器的同心度，并检测探测线圈所在平面与回旋加速器中平面的水平度，同时在磁轭外部的磁盘各个支撑杆处标定位置坐标并做记录；

(2)对控制单元伺服驱动器进行初始化，在运动控制卡中设定伺服电机的运行参数，并预设采样点的位置坐标，预设的坐标是用来与探测线圈实际位置坐标相互比较，以判定采样点是否满足采集要求；将调心后的探测线圈圆心坐标设定为初始化坐标(0,0,0)；

(3)运动控制卡发送移动命令至伺服电机，探测线圈驱动系统驱动探测线圈开始移动，测量磁场，探测线圈驱动系统每驱动探测线圈移动一个测量步长后，探测线圈的实际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判断，如果二者是一致的，则控制系统会发出采样信号命令给数据采集系统读取当前该点的磁场测量值，如果二者不一致，控制系统将得出的调整探测线圈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和调心系统，对探测线圈再次定位，重复以上的过程直到采样点的位置坐标满足测试要求；

(4)当所有采样点的磁场测量值测量并存储完成之后，控制单元驱动伺服电机完成原点归位指令，探测线圈驱动系统驱动探测线圈沿着原轨迹返回至起始点(0,0,0)；

(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采集卡上，数据采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，完成回旋加速器磁场测量值的数据分析。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于：步骤(1)中，探测线圈与回旋加速器的同心度误差为0.1mm；探测线圈所在平面与回旋加速器中平面的水平度小于0.1mm。