CN107529270A - 高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医用电子加速器技术，具体涉及一种高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，包括用于系统供电的线性电源，包括依次连接的基准振荡器、锁相源、电控衰减器、调制开关、前级放大器、高功率放大器、隔离器、功率耦合单元、功率监测模块Ⅱ和控制主板，所述的控制主板包括A/D与D/A模组和主控制器MCU，功率监测模块Ⅱ的信号输出端连接A/D与D/A模组，A/D与D/A模组的控制输出端连接电控衰减器，A/D与D/A模组的通信端口连接主控制器MCU，主控制器MCU连接显示单元，调制开关还与时序控制器相连接。本发明能够通过自身的自动控制单元进行实时功率幅度控制，使得激励源输出功率可以被实时监测并自动校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用电子加速器技术，具体涉及一种高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源。
背景技术
医用高能加速器在不同能量档位的工作状态下，对微波信号功率有非常高精度的控制要求，由于微波激励源在长期工作状态下可能受到部件老化、环境温湿度变化等因素影响，传统的激励源并不足以满足新一代高能加速器需求。传统技术的高能医用电子加速器中，激励源由锁相源模块输出的功率直接经过功率放大器输出，由于激励源的输出功率不具备实时自动稳幅功能，且半导体材料在长期工作状态下会受到部件老化、环境温湿度变化等因素影响参数稳定性，进而造成功率随环境、温度波动，甚至长时间使用后功率出现较大偏差，导致治疗效果受到影响。因此，如何实现自稳幅技术，使得微波激励源通过自身的自动控制单元进行实时功率幅度控制，大幅提升激励微波信号幅度稳定性，显著提高高能加速器的整体性能指标，已经成为一项研发的关键技术。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是：提供一种设计合理，能够通过自身的自动控制单元进行实时功率幅度控制，使得激励源输出功率可以被实时监测并自动校准，大幅提升激励源幅度稳定性能的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，包括用于系统供电的线性电源，包括依次连接的基准振荡器、锁相源、电控衰减器、调制开关、前级放大器、高功率放大器、隔离器、功率耦合单元、功率监测模块Ⅱ和控制主板，所述的控制主板包括A/D与D/A模组和主控制器MCU，功率监测模块Ⅱ的信号输出端连接A/D与D/A模组，A/D与D/A模组的控制输出端连接电控衰减器，A/D与D/A模组的通信端口连接主控制器MCU，主控制器MCU连接显示单元，调制开关还与时序控制器相连接。
高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源设计合理，通过在高功率放大器前后两端设置功率监测模块，能够实时监测功率幅度，同时，通过主控制器MCU进行幅度分析校准计算，通过A/D与D/A模组将实时校准计算得出的控制电压施加于微波电控衰减器，电控衰减器根据施加的控制电压对输出功率幅度进行微调，经过该控制回路的自动校正调节，使整个系统的功率值稳定在主控制器MCU设定的准确值范围内。本发明能够通过自身的自动控制单元进行实时功率幅度控制，使得激励源输出功率可以被实时监测并自动校准，提升了激励源幅度稳定性能，具有较强的实用性。
进一步的优选，电控衰减器和调制开关之间设置功率监测模块Ⅰ。
进一步的优选，主控制器MCU通过远程通信模块连接医用电子加速器主处理器。
进一步的优选，主控制器MCU采用平行架构的FPGA处理器。在医疗加速器中，激励源工作在脉冲输出模式，峰值功率输出的时间极短，通常单个脉冲的剂量输出窗口时间只有10至20微秒，传统的自动增益控制电路无法在这样短时间内建立反馈响应，这要求功率测量和控制的整个过程以非常高的速度完成，基于FPGA平行处理架构的控制主板处理速度能够达到ns级，可以在几个脉冲周期内完成监测和校准控制。
进一步的优选，FPGA处理器的型号为EP4CE6E22C8N。
进一步的优选，线性电源、基准振荡器、锁相源、电控衰减器、功率监测模块Ⅰ、调制开关、前级放大器、高功率放大器、隔离器、功率耦合单元、功率监测模块Ⅱ、控制主板、显示单元和远程通信模块均固定在壳体内部。
所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源的自稳幅方法，包括以下步骤：
(1)基准振荡器和锁相源产生微波功率信号，并将微波功率信号传送至电控衰减器；
(2)电控衰减器对接收到的微波功率信号的幅度进行调节，调节后的微波功率信号传送至调制开关；
(3)调制开关对微波功率信号进行同步脉冲调制，然后将调制后的微波功率信号发送至前级放大器；
(4)前级放大器和高功率放大器对接收到的微波功率信号进行功率放大，然后通过隔离器和功率耦合单元对输出的信号进行采集监测；
(5)隔离器和功率耦合单元将采集监测的微波功率信号发送至功率监测模块Ⅱ，通过功率监测模块Ⅱ将微波功率信号转化为包络电压值，包络电压值为模拟脉冲信号，然后通过A/D与D/A模组将模拟脉冲信号转化为数字电压信号，数字电压信号传送至主控制器MCU，通过将数字电压信号与主控制器MCU中的预设参数值进行比较分析，得出相应的实时校准值；
(6)主控制器MCU根据所获得的实时校准值和当前设定参数值的幅度进行实时设定调整，确定实时调整值，调整值通过A/D与D/A模组转化为电平信息并施加于电控衰减器，电控衰减器根据施加的电平信息对输出功率幅度进行微调，经过该控制回路的自动校正调节，使整个系统的功率值稳定在主控制器MCU设定的预设值偏差范围内；
(7)当下一次脉冲触发时，主控制器MCU会再次判断实时功率的偏离状态是否在有效设定的范围内，并调整校准值，直至实时功率状态满足设定的预设值偏差范围。
进一步的优选，实时功率状态通过远程通信模块传送至医用电子加速器主处理器。
进一步的优选，通过设置在电控衰减器和调制开关之间功率监测模块Ⅰ对电控衰减器微调后的输出功率进行监控，监控信息通过控制主板控制显示单元进行显示。
进一步的优选，所述的步骤(6)中，A/D与D/A模组输出的电平信息是连续平滑变换的，经过电控衰减器实现功率的自动稳幅。
本发明所具有的有益效果是：
1、本发明所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源可以使激励源具有更精确的波形幅度控制的响应能力，能够通过自身控制单元进行实时功率幅度的控制，输出功率的稳定度能够达到0.3％以内,这一稳幅技术使激励源幅度稳定性能得到了大幅提升。
2、本发明所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源能够有效降低放疗机从开机到预热完成可实施诊疗的准备时间；有效缩短放疗机针对不同患者，在实施不同诊疗方案状态切换所需的稳定时间，提升诊疗效率；大大提升放疗机放射束线治疗精度，大大降低放疗机设备舱工作环境温度对治疗精度的影响。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的结构示意图；
其中，1、线性电源；2、基准振荡器；3、锁相源；4、电控衰减器；5、功率监测模块Ⅰ；6、调制开关；7、前级放大器；8、高功率放大器；9、隔离器；10、功率耦合单元；11、控制主板；12、远程通信模块；13、A/D与D/A模组；14、主控制器MCU；15、功率监测模块Ⅱ；16、显示单元；17、时序控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
实施例1：
如图1所示，本发明所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，包括用于系统供电的线性电源1，包括依次连接的基准振荡器2、锁相源3、电控衰减器4、调制开关6、前级放大器7、高功率放大器8、隔离器9、功率耦合单元10、功率监测模块Ⅱ15和控制主板11，所述的调制开关6还与时序控制器17相连接，所述的控制主板11包括A/D与D/A模组13和主控制器MCU14，功率监测模块Ⅱ15的信号输出端连接A/D与D/A模组13，A/D与D/A模组13的控制输出端连接电控衰减器4，A/D与D/A模组13的通信端口连接主控制器MCU14，主控制器MCU14连接显示单元16，所述的主控制器MCU14通过远程通信模块12连接医用电子加速器主处理器。主控制器MCU14采用平行架构的FPGA处理器，FPGA处理器的型号为EP4CE6E22C8N。
如图2所示，所述的线性电源1、基准振荡器2、锁相源3、电控衰减器4、功率监测模块Ⅰ5、调制开关6、前级放大器7、高功率放大器8、隔离器9、功率耦合单元10、功率监测模块Ⅱ15、A/D与D/A模组13、主控制器MCU14、显示单元16和远程通信模块12均固定在壳体内部，所述的线性电源1采用线性电源模块4NIC-X81-3L，基准振荡器2的型号为OCXO36-100，锁相源3的型号为XFS-2856-100，电控衰减器4的型号为XAT-S-30，功率监测模块Ⅰ5和功率监测模块Ⅱ15的型号为XPD-S-P-0010，调制开关6的型号为XSWS-0106，前级放大器7的型号为XPAS-46，高功率放大器8的型号为XPAS-55，隔离器9的型号为XISO-2856-55，功率耦合单元10的型号为XPC-S-40，远程通信模块12的型号为STM32F103ZET6，A/D与D/A模组13包括DAC芯片、差分放大芯片和模数转换器，型号分别为AD5683RBRMZ、AD8475BRMZ和AD9649BCPZ-20。
实施例2：
在实施例1的基础上，电控衰减器4和调制开关6之间设置功率监测模块Ⅰ5。
所述的自稳幅技术大大提升了激励源的幅度稳定性能，其中，开机预热稳定时间缩短了90％，治疗中不同模式下在功率档位切换功率稳幅时间缩短了95％，日功率波动范围降低了80％，环境温度对幅度的影响波动降低了80％，主要体现在以下几个性能参数特征：
| 性能参数 | 传统激励源 | 采用自稳幅技术的激励源 |
| 开机预热稳定时间 | 30分钟 | 3分钟 |
| 功率档位切换预热稳定时间 | 3分钟 | 1～3秒钟 |
| 日功率波动范围 | 1.5％ | 0.3％ |
| 环境温度对幅度的影响 | 2W/℃ | 0.4W/℃ |
所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源的自稳幅方法，包括以下步骤：
(1)基准振荡器2和锁相源3产生微波功率信号，并将微波功率信号传送至电控衰减器4；
(2)电控衰减器4对接收到的微波功率信号的幅度进行调节，调节后的微波功率信号传送至调制开关6；
(3)调制开关6对微波功率信号进行同步脉冲调制，然后将调制后的微波功率信号发送至前级放大器7；
(4)前级放大器7和高功率放大器8对接收到的微波功率信号进行功率放大，然后通过隔离器9和功率耦合单元10对输出的信号进行采集监测；
(5)隔离器9和功率耦合单元10将微波输出信号从传输信号线路中采出，这一采集过程实现将大功率信号转换为可以被测量的小功率信号，采集出的小功率微波信号与传输信号幅度成正比，这一功率信号发送至功率监测模块Ⅱ15，通过功率监测模块Ⅱ15将微波功率信号转化为包络电压值，包络电压值为模拟脉冲信号，然后通过A/D与D/A模组13将模拟脉冲信号转化为数字电压信号，数字电压信号传送至主控制器MCU14，通过将数字电压信号与主控制器MCU14中的预设参数值进行比较分析，得出相应的实时校准值；
所述的A/D与D/A模组13的ADC采样过程中，采样周期为5至20ns，在单个脉冲内可以进行不低于1000次有效数据采样，这些数据信息被读入主控制器MCU 14进行逻辑分析，主控制器MCU 14中对这些数据信息进行均方根计算，并与预先存储的预设值进行比对，得到实时校准值，这一实时校准值代表着过去一个脉冲时刻激励源输出功率的偏离状态，当这个偏离状态超出预设值0.3％的范围时，主控制器MCU14会根据偏离的范围和当前设定参数值的幅度做出实时设定调整，这个调整值会通过A/D与D/A模组13转化为电平信息并施加于电控衰减器4，此时激励源的输出功率状态会被拉向预设状态。
(6)主控制器MCU14根据所获得的实时校准值和当前设定参数值的幅度进行实时设定调整，确定实时调整值，调整值通过A/D与D/A模组13转化为电平信息并施加于电控衰减器4，电控衰减器4根据施加的电平信息对输出功率幅度进行微调，经过该控制回路的自动校正调节，使整个系统的功率值稳定在主控制器MCU14设定的预设值偏差范围内；所述的A/D与D/A模组13输出的电平信息是连续平滑变换的，经过电控衰减器4实现功率的自动稳幅；
(7)当下一次脉冲触发时，主控制器MCU14会再次判断实时功率的偏离状态是否在有效设定的范围内，并调整校准值，直至实时功率状态满足设定的预设值偏差范围，实时功率状态通过远程通信模块12传送至医用电子加速器主处理器。
所述的通过设置在电控衰减器4和调制开关6之间功率监测模块Ⅰ5对电控衰减器4微调后的输出功率进行监控，监控信息通过控制主板11控制显示单元16进行显示。
本发明结构设计合理，能够通过自身的自动控制单元进行实时功率幅度控制，输出功率的稳定度能够达到0.3％以内,能够使得激励源输出功率可以被实时监测并自动校准，可以使激励源具有更精确的波形幅度控制的响应能力，使得医用高能加速器的束流稳定性得到大幅度的提升。
本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，包括用于系统供电的线性电源(1)，其特征在于：包括依次连接的基准振荡器(2)、锁相源(3)、电控衰减器(4)、调制开关(6)、前级放大器(7)、高功率放大器(8)、隔离器(9)、功率耦合单元(10)、功率监测模块Ⅱ(15)和控制主板(11)，所述的控制主板(11)包括A/D与D/A模组(13)和主控制器MCU(14)，功率监测模块Ⅱ(15)的信号输出端连接A/D与D/A模组(13)，A/D与D/A模组(13)的控制输出端连接电控衰减器(4)，A/D与D/A模组(13)的通信端口连接主控制器MCU(14)，主控制器MCU(14)连接显示单元(16)，调制开关(6)还与时序控制器(17)相连接。
2.根据权利要求1所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，其特征在于：所述的电控衰减器(4)和调制开关(6)之间设置功率监测模块Ⅰ(5)。
3.根据权利要求1所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，其特征在于：所述的主控制器MCU(14)通过远程通信模块(12)连接医用电子加速器主处理器。
4.根据权利要求1或3所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，其特征在于：所述的主控制器MCU(14)采用平行架构的FPGA处理器。
5.根据权利要求4所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，其特征在于：所述的FPGA处理器的型号为EP4CE6E22C8N。
6.根据权利要求1或2所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源，其特征在于：所述的线性电源(1)、基准振荡器(2)、锁相源(3)、电控衰减器(4)、功率监测模块Ⅰ(5)、调制开关(6)、前级放大器(7)、高功率放大器(8)、隔离器(9)、功率耦合单元(10)、功率监测模块Ⅱ(15)、控制主板(11)、显示单元(16)和远程通信模块(12)均固定在壳体内部。
7.一种如上述任一权利要求所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源的自稳幅方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)基准振荡器(2)和锁相源(3)产生微波功率信号，并将微波功率信号传送至电控衰减器(4)；
(2)电控衰减器(4)对接收到的微波功率信号的幅度进行调节，调节后的微波功率信号传送至调制开关(6)；
(3)调制开关(6)对微波功率信号进行同步脉冲调制，然后将调制后的微波功率信号发送至前级放大器(7)；
(4)前级放大器(7)和高功率放大器(8)对接收到的微波功率信号进行功率放大，然后通过隔离器(9)和功率耦合单元(10)对输出的信号进行采集监测；
(5)隔离器(9)和功率耦合单元(10)将采集监测的微波功率信号发送至功率监测模块Ⅱ(15)，通过功率监测模块Ⅱ(15)将微波功率信号转化为包络电压值，包络电压值为模拟脉冲信号，然后通过A/D与D/A模组(13)将模拟脉冲信号转化为数字电压信号，数字电压信号传送至主控制器MCU(14)，通过将数字电压信号与主控制器MCU(14)中的预设参数值进行比较分析，得出相应的实时校准值；
(6)主控制器MCU(14)根据所获得的实时校准值和当前设定参数值的幅度进行实时设定调整，确定实时调整值，调整值通过A/D与D/A模组(13)转化为电平信息并施加于电控衰减器(4)，电控衰减器(4)根据施加的电平信息对输出功率幅度进行微调，经过该控制回路的自动校正调节，使整个系统的功率值稳定在主控制器MCU(14)设定的预设值偏差范围内；
(7)当下一次脉冲触发时，主控制器MCU(14)会再次判断实时功率的偏离状态是否在有效设定的范围内，并调整校准值，直至实时功率状态满足设定的预设值偏差范围。
8.根据权利要求7所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源的自稳幅方法，其特征在于：所述的实时功率状态通过远程通信模块(12)传送至医用电子加速器主处理器。
9.根据权利要求7所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源的自稳幅方法，其特征在于：所述的通过设置在电控衰减器(4)和调制开关(6)之间功率监测模块Ⅰ(5)对电控衰减器(4)微调后的输出功率进行监控，监控信息通过控制主板(11)控制显示单元进行显示。
10.根据权利要求7所述的高能医用电子加速器用的具有自稳幅技术的微波激励源的自稳幅方法，所述的步骤(6)中，A/D与D/A模组(13)输出的电平信息是连续平滑变换的，经过电控衰减器(4)实现功率的自动稳幅。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20171229 |