CN109413833A - 一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统及方法 - Google Patents

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丁开忠
连欢
吴昱城
宋云涛
陈永华
李君君
蔡雅倩
姚凯
胡乐星
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Abstract

本发明公开了一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统及方法，包括相位探针、前置放大器、锁相放大器、射频单元pickup探针、纳伏表和超导线圈电源，所述相位探针的束流输入端口与加速器束流引出端口连接，且所述相位探针的束流输出端口与输运线束流管道连接，所述相位探针信号引出接口与前置放大器信号输入端连接，所述锁相放大器待检测信号输入端口通过同轴电缆与前置放大器信号输出端连接，参考信号输入端口通过同轴电缆与纳伏表信号输出端口连接。本发明的有益效果是：本发明可快速实现加速器启动后束流的稳定，高效实用，大大缩短了加速器开机后束流稳定调节的时间，提高了加速器应用效率，有效节约了质子治疗的成本。

Description

一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种自反馈调节的系统，具体为一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统及方法，属于加速器应用技术领域。
背景技术
回旋加速器是利用电场和磁场使质子作回旋运动，并在高频电场中反复加速到很高能量的装置。与其他类型的回旋加速器相比，等时型回旋加速器具有连续束运行和高平均流强的特点。在加速器的发展过程中，人们逐步认识到它在许多科技和国民经济领域的重要应用价值，并将其广泛应用于核物理、能源、医疗卫生等领域。
其中，加速器在质子治疗领域的应用近年来备受人们关注，是当前加速器应用与发展的热门领域。质子治疗是一种比传统X射线放疗更先进的放疗疗法，因其治疗精准，副作用小及能进行高剂量靶向照射等特点受到越来越多的医疗专家和患者的青睐。
加速器引出束流的质量直接影响整套质子治疗系统的性能及病患的人身安全。加速器在启动过程中，由于温度变化对磁铁的影响会造成磁场的不稳定，进而影响引出束流质量。该束流不稳定过程会持续数十小时，造成了资源的浪费，提高了质子治疗的成本。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决加速器引出束流的质量直接影响整套质子治疗系统的性能及病患的人身安全。加速器在启动过程中，由于温度变化对磁铁的影响会造成磁场的不稳定，进而影响引出束流质量。该束流不稳定过程会持续数十小时，造成了资源的浪费，提高了质子治疗的成本。为解决该问题，提出了一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统及方法，该方法可快速实现加速器启动后束流的稳定，高效实用，大大缩短了加速器开机后束流稳定调节的时间，提高了加速器应用效率，有效节约了质子治疗的成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统，包括相位探针、前置放大器、锁相放大器、射频单元pickup探针、纳伏表和超导线圈电源；
所述相位探针的束流输入端口与加速器束流引出端口连接，且所述相位探针的束流输出端口与输运线束流管道连接；
所述相位探针信号引出接口与前置放大器信号输入端连接；
所述锁相放大器待检测信号输入端口通过同轴电缆与前置放大器信号输出端连接，参考信号输入端口通过同轴电缆与纳伏表信号输出端口连接；
所述锁相放大器通过同轴电缆向上位机传输信号；
所述加速器主机射频单元pickup探针信号引出端口与纳伏表信号输入端口连接；
所述上位机通过同轴电缆向超导线圈电源传输控制信号；
所述超导线圈电源为超导磁体提供电流输出。
本发明的进一步技术改进在于：所述相位探针内部采用圆筒形电容性pickup探针，且pickup探针内径应大于束流穿过范围截面外径，pickup探针长度应大于束团长度且小于二倍束团长度。
本发明的进一步技术改进在于：前置放大器将相位探针输出信号放大至锁相放大器待检测信号输入端口可检测信号的幅值范围内。
本发明的进一步技术改进在于：纳伏表将射频单元p i ckup探针输出信号放大至锁相放大器参考信号输入端口可检测信号的幅值范围内。
本发明的进一步技术改进在于：前置放大器、纳伏表、锁相放大器检测信号等电子学仪器可检测信号频率范围包含射频单元工作频率范围。
本发明的进一步技术改进在于：所述超导线圈电源用于实时接收上位机指令信号动态调节超导线圈电流强度。
一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：进行首次加速器开机，通过锁相放大器检测相位探针引出的待检测信号与射频单元pickup探针引出的参考信号的相位差，并在束流调试过程中找到该相位差的最优值区间及超导线圈电流与相位差的对应关系；
步骤二：在加速器运行过程中，通过锁相放大器检测相位探针引出的待检测信号与射频单元pickup探针引出的参考信号的相位差，并根据当前检测到的相位差与步骤一中测得的相位差最优值区间的差值及超导线圈与相位差的对应关系调节超导线圈电源输出电流；
步骤三：当检测到的相位差符合相位差最优区间时，保持该状态的超导线圈电流输出设置，即可实现束流的稳定输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可快速实现加速器启动后束流的稳定，高效实用，大大缩短了加速器开机后束流稳定调节的时间，提高了加速器应用效率，有效节约了质子治疗的成本。
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为本发明一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节系统的结构框图。
图2是本发明的圆筒形电容性pickup探针剖面结构图。
图3是本发明的圆筒形电容性pickup探针正视图。
图4是本发明的圆筒形电容性pickup探针工作原理图。
图5是本发明的锁相放大器工作原理图。
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。
实施例1
参阅图1所示，本实施例提供了一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的装置。该装置包括相位探针、前置放大器、锁相放大器、射频单元pickup探针、纳伏表、超导线圈电源；相位探针的束流输入口与加速器束流引出端口连接，束流输出端口与输运线束流管道连接；相位探针信号引出接口与前置放大器信号输入端连接，锁相放大器待检测信号输入端口与前置放大器通过同轴电缆连接，参考信号输入端口与纳伏表信号输出端口通过同轴电缆连接，并通过同轴电缆向上位机传输信号；加速器主机射频单元pickup探针信号引出端口与纳伏表信号输入端口连接；上位机通过同轴电缆向超导线圈电源传输控制信号，超导线圈电源为超导磁体提供电流输出；
参阅图2和图3所示，相位探针内部采用圆筒形电容性pickup探针，pickup探针内径应大于束流穿过范围截面外径；当束流穿过圆筒形电容性pickup探针时，如图4所示，束流在pick-up探针壁上引起镜面电荷，产生的电压Q/C驱动电流通过50Ω电阻并输出信号。输出信号的幅度反映束团电荷量，信号时间信息反映束流相位；
前置放大器、纳伏表、锁相放大器等电子学仪器可检测信号频率范围包含射频单元工作频率范围；
前置放大器与纳伏表分别将相位探针及射频单元pickup探针引出信号放大到锁相放大器待检测信号输入端口及参考信号端口可检测的幅值范围，然后利用参考信号与待检测信号同频率的特点对待检测信号进行锁定并求得实时相位差；如图5所示，待检测信号通过锁相放大器内部信号放大器及带通滤波器处理后，分别与相移0°及90°的参考信号进行混叠，然后通过低通滤波器后分别输出信号I(t)及Q(t)；
设待检测信号为：
其中，Vs为待检测信号幅值，ω0为待检测信号频率，为待检测信号相位，n(t)为干扰信号；
设参考信号为：
其中，Vt为参考信号幅值，ωr为参考信号频率，为参考信号相位；
则两信号混叠后，输出为：
由于参考信号与待检测信号同频率，因此ωr＝ω0；通过低通滤波器后，滤掉信号中的高频成分，等式第二、三部分消除，输出：
即为所求相位差；
超导线圈电源能实时接收上位机指令信号动态调节超导线圈电流强度。
实施例2
本实施例提供一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的方法，包括如下步骤：
步骤一：进行首次加速器开机，通过锁相放大器检测相位探针引出的待检测信号与射频单元pickup探针引出的参考信号的相位差，并在束流调试过程中找到该相位差的最优值区间及超导线圈电流与相位差的对应关系；
步骤二：在加速器运行过程中，通过锁相放大器检测相位探针引出的待检测信号与射频单元pickup探针引出的参考信号的相位差，并根据当前检测到的相位差与步骤一中测得的相位差最优值区间的差值及超导线圈与相位差的对应关系调节超导线圈电源输出电流；
步骤三：当检测到的相位差符合相位差最优区间时，保持该状态的超导线圈电流输出设置，即可实现束流的稳定输出。
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 (4)

1.一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统，其特征在于：包括相位探针、前置放大器、锁相放大器、射频单元pickup探针、纳伏表和超导线圈电源；
所述相位探针的束流输入端口与加速器束流引出端口连接，且所述相位探针的束流输出端口与输运线束流管道连接；
所述相位探针信号引出接口与前置放大器信号输入端连接；
所述锁相放大器待检测信号输入端口通过同轴电缆与前置放大器信号输出端连接，参考信号输入端口通过同轴电缆与纳伏表信号输出端口连接；
所述加速器主机射频单元pickup探针信号引出端口与纳伏表信号输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统，其特征在于，所述相位探针内部采用圆筒形电容性pickup探针，且pickup探针内径大于束流穿过范围截面外径，pickup探针长度大于束团长度且小于二倍束团长度。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的系统，其特征在于，前置放大器、纳伏表、锁相放大器检测信号频率范围包含射频单元工作频率范围。
4.一种基于相位探针实现加速器束流自反馈调节的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：进行首次加速器开机，通过锁相放大器检测相位探针引出的待检测信号与射频单元pickup探针引出的参考信号的相位差，并在束流调试过程中找到该相位差的最优值区间及超导线圈电流与相位差的对应关系；
步骤二：在加速器运行过程中，通过锁相放大器检测相位探针引出的待检测信号与射频单元pickup探针引出的参考信号的相位差，并根据当前检测到的相位差与步骤一中测得的相位差最优值区间的差值及超导线圈与相位差的对应关系调节超导线圈电源输出电流；
步骤三：当检测到的相位差符合相位差最优区间时，保持该状态的超导线圈电流输出设置，即可实现束流的稳定输出。
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