CN112865719B - 用于硼中子俘获治疗装置的射频功率源系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要公开了一种用于硼中子俘获治疗装置的射频功率源系统，包括射频功率源模块，射频功率源模块包括固态放大模块、速调管功率放大模块、调制模块、高压电源、撬棒和监控联锁保护模块；调制器模块、撬棒分别与高压电源连接，固态放大模块输出端与速调管功率放大模块输入端连接；调制模块输出端与速调管功率放大模块连接；监控联锁保护模块信号采集端分别与速调管功率放大模块、调制模块、高压电源和撬棒连接；监控联锁保护模块信号输出端与高压电源连接。本发明射频功率源模块的结构，保证提供足够的功率补偿RFQ腔耗，还可以对束流负载效应进行补偿，以保证RFQ加速电场稳定；同时，为设备使用提供足够人身和设备的安全保障。

Description

用于硼中子俘获治疗装置的射频功率源系统及装置

技术领域

本发明涉及硼中子俘获治疗(AB-BNCT)设备，具体涉及其中的射频功率源系统及装置。

背景技术

据统计，中国每年新发肿瘤病例约312万例，恶性肿瘤是我国第二位死亡原因，占死亡总数的22.32％，而全球每年癌症死亡人数则高达约630万人。因此，癌症诊断和治疗方案的开发需求很高。现有的治疗手段如手术、化疗或普通放疗对人体或有损伤或有副作用。质子或重离子治疗虽可克服常规放疗的剂量毒性问题，但装置造价及维护昂贵、体积庞大、经济性差、难以规模化且治疗的人数极为有限。

基于加速器的硼中子俘获治疗(AB-BNCT)设备，其原理是通过加速器提供的质子束打靶产生中子，这些中子经过慢化，达到治疗需要的能量，通过适形控制照射病灶，这些通过人体部位的中子，与事先吸收了含硼药物的癌细胞中的硼元素发生核反应，产生阿尔法粒子和锂离子，杀死癌细胞，实现药物导向的重离子精准放射治疗。加速器中子源具有安全性高、公众接受度高、成本相对较低、慢化处理简单等特点，故基于加速器的硼中子俘获治疗具有靶向精确、副作用低、适应性广、体积较小、费用合理、一次性解决等优点，可广泛建造于人口密度稠密的医院。

中国科学院高能物理研究所建设了我国首台基于加速器的BNCT实验设备，该装置中子源是由一台射频四极场加速器(RFQ)提供强流质子束，质子束经束流传输线，打锂靶产生高通量的中子。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：提供一种能够稳定有效满足BNCT装置要求的射频功率源系统。

为此，本发明提出了一种射频功率源系统，包括数字低电平控制模块和射频功率源模块，所述射频功率源模块包括固态放大模块、速调管功率放大模块、调制模块、高压电源、撬棒和监控联锁保护模块；所述调制模块、撬棒分别与所述高压电源连接；所述固态放大模块输入端与所述数字低电平控制模块连接，输出端与所述速调管功率放大模块输入端连接；所述调制模块输入端用于采集脉冲信号，输出端与所述速调管功率放大模块连接；所述监控联锁保护模块信号采集端分别与所述速调管功率放大模块、调制模块、高压电源和撬棒连接；所述监控联锁保护模块信号输出端与所述高压电源连接。

上述的射频功率源系统，在一种具体的实施方式中，所述调制模块包括高压电阻、高压四极管、第一控制板和第二控制板；所述高压四极管与所述高压电阻连接，构成阻值连续可调的高压分压器；所述第一控制板和第二控制板连接，所述第一控制板输出端与所述高压四极管的控制栅极连接；所述第二控制板具有用于接收脉冲信号的脉冲信号接收端；所述第一控制板响应由所述第二控制板接收到的脉冲信号，并输出可变电压，以调整所述速调管的调制阳极电压高低、占空比，从而调整速调管电子束电流，控制占空比和输出功率幅度的大小；所述高压四极管的帘栅极浮接于所述高压电源，以施加一固定偏压，使其工作于四极管模式；所述高压四极管的阳极通过所述高压电阻接地，其阴极与所述高压电源连接。

上述的射频功率源系统，在一种具体的实施方式中，所述第二控制板将将接收到的脉冲信号经压频转换处理，转变为与其成比例的频率信号，再经电光转换，传送至所述第一控制板；所述第一控制板将接收到的所述光信号，经光电转换、频压转换和电压放大处理后，输出至所述四极管控制栅极，为所述高压四极管提供一个可变的栅极偏压控制脉冲。

在一种具体的实施方式中，所述射频功率源系统的高压电源包括降压变压器、调压器、升压变压器、整流器和储能电容；所述降压变压器、调压器、升压变压器和整流器依次连接，所述储能电容并联于所述整流器正压输出端。

在一种具体的实施方式中，所述降压变压器包括双绕组，所述双绕组并联；所述升压变压器采用双绕组结构，用于高压整流。

在一种具体的实施方式中，所述双绕组之间相移为30度，三相输入转换为六相输出。

在一种具体的实施方式中，所述调压器包括两组三相可控硅桥，并联使用；所述整流器包括两组三相全波整流桥，二者线路串联。所述高压电源还包括控制开关组，所述控制开关连接于所述降压变压器与所述调压器之间；所述控制开关组包括两组并联的三相开关，实现二路三相平衡输出。

在一种具体的实施方式中，所述高压电源还包括高压转接箱，所述整流器的输出端与所述高压转接箱连接，所述储能电容、调制模块和撬棒分别与所述高压转接箱连接。

在一种具体的实施方式中，所述撬棒包括电流传感器和多间隙双端闸流管；所述电流传感器串接于所述储能电容和所述闸流管之间，用于监测所述速调管的阴极电流，并产生正信号电压脉冲作为触发信号用来控制所述闸流管的导通。

同时，本发明提出了一种硼中子俘获治疗装置，采用上述射频功率源系统。

本发明的射频功率源系统，其射频功率源模块的结构，保证提供足够的功率补偿RFQ腔耗，还可以对束流负载效应进行补偿，以保证RFQ加速电场稳定；同时，为设备使用提供足够人身和设备的安全保障。

在具体实施方式中，采用可调脉宽的长脉冲调制器,调制器输出脉宽可为任意宽度，既可使速调管运行在脉冲高压模式，也可运行在连续高压模式；在速调管阴极负高压恒定的情况下，可通过控制调制器中四极管的栅极电压，来调整速调管调制阳极的电压，从而调整速调管电子束电流，控制占空比和输出功率幅度的大小。

本发明的射频功率源系统，在具体实施方式中，用于控制四极管控制栅极的脉冲信号是通过第二控制板经压频转换处理，转变为与其成比例的频率信号，经光电转换，由光缆传送至第一控制板，再由第一控制板光电转换、频压转换和电压放大处理后，为四极管提供一个可变的栅偏压控制脉冲，这样既保证了调整灵活方便，又提高系统抗干扰性，使系统工作稳定。

在进一步的实施例中，本发明采用的高压电源，能够保证高压和大电流的直流驱动要求，可以满足硼中子俘获治疗装置中射频功率源要求；通过调压器可调整改变电压大小，能够实现连续调整直流高压的输出；通过配置储能电容，能够保证在脉冲工作期间能输出大的脉冲电能。

附图说明

图1为本发明一种实施例的硼中子俘获治疗装置部分框图

图2为本发明其中一种实施例的射频功率源系统组成框图；

图3为本发明其中一种实施例的数字低电平控制系统框图；

图4为本发明其中一种实施例的速调管高压电源结构框图；

图5为本发明其中一种实施例的调制模块原理框图；

图6为本发明其中一种实施例的射频功率源系统连锁保护框图；

图7为本发明其中一种实施例中的采用闸流管方案的撬棒结构示意图；

图8为本发明其中一种实施例中射频传输模块结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)；“连锁”或“联锁”均包括直接和间接连锁(联锁)。

在本发明实施例中，请参考图1所示，基于加速器的硼中子俘获治疗装置，包括：ECR离子源、低能束流传输线，射频四极场加速器(RFQ)、射频功率源系统、高能束流传输线、靶及束流整形系统。该装置中子源是由一台射频四极场加速器(RFQ)提供强流质子束，质子束经束流传输线，打锂靶产生高通量的中子。其中的加速器设计的最终束流输出功率为35kW，即束流能量为3.5MeV，脉冲流强为30mA，平均流强为10mA，束流占空比为33.3％。射频功率源系统除了提供足够的功率补偿RFQ腔耗外，还可以对束流负载效应进行补偿，以保证RFQ加速电场稳定。

请结合图1和图2所示，本发明其中的一种实施方式中，基于加速器的硼中子俘获治疗(AB-BNCT)设备，其射频功率源系统包括：数字低电平控制模块(LLRF)、射频功率源模块和相应的射频功率传输模块；数字低电平控制模块主要负责RFQ加速腔中高频场幅度、相位稳定性的控制、腔体谐振频率的控制和联锁保护。射频功率源模块除了补偿RFQ腔耗外，还可以提供足够的功率以保证RFQ中的加速电场水平。射频功率源模块输出的功率通过2次功率传输分配分成4路经由4个高功率耦合器，四个功率馈入口由4个高功率耦合器将高频功率耦合进RFQ加速腔。

本发明其中的一种实施方式中，LLRF数字低电平控制模块主要用于实现加速腔的幅度、相位和谐振频率控制功能，从而使束流获得稳定加速。请参考图3所示，AD采样频率、FPGA时钟频率以及DA的时钟频率均为中频信号频率的四倍。FPGA主要负责逻辑控制，DSP主要完成数字控制组件和工控机之间的通信和相关参数的计算，然后将计算结果回传给FPGA。数字控制组件与LLRF本地上位机采用UDP的通讯协议进行数据传输，脉冲时序作为DSP中断触发信号，当DSP收到此中断信号后将数据上传到本地上位机，数据上传的频率可通过上位机监控软件进行设置。LLRF本地监控软件采用Windows操作系统环境下的C#应用程序，并嵌入基于Epics Sharp库文件的EPICS服务器程序模块，将C#本地监控软件的变量和曲线数据转化为EPICS PV变量并发布到EPICS CA网络中，实现LLRF通过EPICS实验物理与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System)进行远程控制。

幅相控制环路的关键技术是数字I/Q解调及数字信号处理。从腔体里耦合出来的352.2MHz射频信号送入射频前端组件，在射频前端组件内部与315.02333MHz的本振信号混频至37.1766MHz中频，再经过滤波后，送至数字信号处理组件进行A/D采样，经过数字l/Q解调、坐标旋转、PI反馈控制、FF前馈控制等数字信号处理后，再送到D/A产生模拟中频信号，然后经过上变频形成352.2MHz的射频信号，馈入后面的放大链路，并将功率传输到加速腔，形成闭环控制环路。

RFQ加速腔设计为水冷调谐，加速腔谐振频率的控制是当腔体的谐振频率由于水温变化或者入腔功率变化等原因发生偏移时，通过改变RFQ加速腔腔壁或腔翼的水冷控制系统的参数，将腔体的谐振频率拉回到物理设计频率。在RFQ腔体老练阶段，功率变化较快，采用低电平自动跟踪腔体谐振频率的方法，使功率源输出功率的频率跟随腔体谐振频率变化而变化，从而保证RFQ加速腔馈入功率的频率和腔体谐振频率实时一致性。在冷腔预热时，也是采用该方法达到快速热腔的效果。

本发明其中的一种实施方式中，结合图2、图5和图6所示，射频功率源模块主要包括速调管功率放大模块、调制模块、直流高压电源、撬棒、固态放大模块、监控联锁保护模块等；调制模块、撬棒分别与高压电源连接，固态放大模块输出端与速调管功率放大模块输入端连接；调制模块输出端与速调管功率放大模块连接；监控联锁保护模块信号采集端分别与速调管功率放大模块、调制模块、高压电源和撬棒连接；监控联锁保护模块信号输出端与高压电源连接。监控联锁保护模块采集速调管、长脉冲调制模块、直流高压电源和撬棒等的监控信号进行汇总。

本发明其中的一种实施方式中，速调管功率放大模块主要采用352.2MHz速调管，是带调制板极的三极式速调管，最高工作电压为100kV，电子束平均电流20A。速调管的工作状态受诸多因素影响，如灯丝电压、阴极电压、调制板压、激励功率及聚焦电源等。本例中，速调管运行在脉冲高压模式下。

本发明其中的一种实施方式中，请参考图4所示，为速调管供电的直流高压电源输出电压可达100kV，输出电流为20A。该直流高压电源包括：10kV/1kV外延型降压变压器，为双绕组，两绕组之间相移为30度，三相输入转换为六相输出。10kV/1kV降压变压器激磁电流较大，为了避免在开关机时频繁开关降压变压器，增设一1kV控制开关组，控制开关组包括二组并联的三相开关，实现二路三相平衡输出。调压器包括两组三相可控硅桥，并联使用，通过调整可控硅的导通角而改变0-1kV的交流输出电压的大小，来连续调整0-100kV的直流输出高压。1kV/50kV升压变压器采用双绕组结构，以供高压整流用。两组三相全波整流桥线路串联，可得到最大直流输出电压为100kV。由于速调管工作于脉冲状态，本例配置直流储能电容，以保证在脉冲工作期间能输出大的脉冲电能。直流储能电容选用12μf容量的储能电容，该储能电容属于油浸式集成电容，高压接头浸于油箱中，高压放电情况下限流电阻阻值变化在5.6Ω±10％。

本发明其中的一种实施方式中，请参考图5所示，调制模块采用可调脉宽的长脉冲调制器，其包括高压四极管、高压电阻、第一控制板和第二控制板,调制器输出脉宽可为任意宽度，且占空比连续可调，输出峰值调制阳极电压(相对于速调管阴极)最大为62kV。调制器内部所有的高压器件都浸在高压绝缘油中，并浮接于负的高压电位。高压电阻包括第二电阻R2、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7，构成一个分压支路，并与高压四极管相连共同构成可调阻值的高压分压器。高压四极管的帘栅极浮接于高压电源的负高压电位，其阳极通过高压电阻R5、R6和R7分压接地，阴极与高压电源连接。在速调管阴极负高压恒定的情况下，第二控制板配置的脉冲信号接收端接收脉冲信号控制器发出的脉冲信号，第一控制板响应该脉冲信号，控制调制器中四极管的栅极电压，改变高压分压器中第二电阻R2的高电位，以调整速调管调制阳极的电压，从而调整速调管电子束电流，控制占空比和输出功率幅度的大小。

由于四极管处于负高压电位，控制信号必须高度绝缘，因此，在高压油箱外的第二控制板中，控制信号经压频转换处理，再转变为与其成比例的频率信号，经电光转换后，由光缆传送至置位于高压油箱内悬浮于高电位的第一控制板，再由光电转换、频压转换和电压放大处理后，输出至高压四极管的控制栅极G1，为高压四极管提供一个可变的栅极偏压，从而改变了高压四极管的内部阻抗，即控制了高压四极管的导通和截止的深度，使其阻抗在最大值和最小值之间变化。这样既保证了调整灵活方便，又提高系统抗干扰性，使系统工作稳定。

本实施例中高压四极管，在同样条件下，四极管模式的导通深度要比三极管模式的导通深度深得多。针对AB-BNCT脉冲工作模式的要求，在脉冲截止期间，要求四极管深导通，速调管输出功率趋于0。因此，将高压四极管帘栅极G2浮接于高压电源，并在线路中加入一组稳压管，以提供+1000V固定偏压，使其工作于四极管模式。

本发明其中的一种实施方式中，为了提供人身和设备的安全保障，请参考图6所示，监控联锁保护模块基于PLC、FPGA设计。监控联锁保护模块实时监测水冷、高压电源、撬棒、调制器、速调管、灯丝电源、聚焦电源和环行器等设备工作状态，同时根据速调管要求实现开关机程序控制、故障连锁逻辑程序，并实现故障定位、状态显示。其实现的连锁保护包括射频功率源模块自身的连锁保护、人身保护(PPS)、机器保护(MPS)和RFQ腔体保护等。

射频功率源模块的高频连锁保护分为快速保护和慢速保护，慢速保护信号，包括速调管输出窗风节点、负载温度保护等，进入PLC作保护逻辑；快速保护信号，包括如VSWR保护、弧光保护等，接入基于FPGA的快速保护板。高频快保护系统的作用是当射频功率源模块或者加速器运行发生故障时，自动快速切断射频信号，保障功率源和加速器的运行安全。例如当速调管、环形器或者加速腔中发生弧光放电，或功率传输模块中各个驻波比监测点的VSWR瞬时增大，高频连锁保护将在几微秒内切断数字低电平控制模块中模拟组件的射频信号输出。驻波比保护有两种连锁保护切断RF激励的方式，当高频脉冲期间发现驻波比过大时，将在1μs内切断该脉冲后续的功率，到下一个脉冲恢复功率，实现脉内保护；当1秒钟以内，脉内保护次数超过设定次数，系统将永久性的切断脉冲，直到人工进行复位。

监控联锁保护模块中的PLC控制器接收从中控，即BNCT装置的控制中心传来的PPS保护信号。PPS、RFQ腔体的真空及水冷信号均为常闭节点信号，这些信号经过PLC的与逻辑后，直接扇出给低电平控制系统中上变频的砷化镓开关，用于关断RF信号的输出,接收到连锁信号后射频电压幅度直接降为零，同时砷化镓开关关断RF的输出，实现双重保护。

本发明其中的一种实施方式中，速调管打火引起的快速保护主要由撬棒实现。撬棒是一种高电压、大电流、快速的保护装置，当速调管内部发生高压打火，高压能量必须在几微秒内从速调管内部转移走。请参考图7所示，本例的一种实施方式中，撬棒采用闸流管方案，通过导通多间隙闸流管来完成这种高压能量的转移,包括8间隙双端闸流管，每个间隙通过的最大电压是12.5kV，最大耐压可达180kV。在储能电容和闸流管间的高压电缆上嵌入一个宽带的电流传感器来监测速调管阴极电流，这个传感器紧挨着闸流管放在撬棒油箱内，次级会产生1V/1A的放电正信号电压，这个正脉冲作为触发信号用来控制闸流管的导通。此方案的特点是电压高、线路简单、稳定可靠、容易维护。

本发明其中的一种实施方式中，请结合图8所示，射频功率传输模块包括：全高及半高直波导、弯波导、大功率环行器、魔T、全高半高转换节、大功率移相器、吸收负载、双向定向耦合器、高功率耦合器等组成。射频功率源模块输出的功率通过2次功率分配分成4路经由4个高功率耦合器将射频功率耦合进RFQ加速腔。高功率速调管产生的高频电磁能量由封闭的WR2300波导管来使其定向地输送到RFQ，尽可能地防止或减少泄漏。

大功率的环行器主要用于保护速调管，使速调管所产生的正向高频功率能顺利通往RFQ腔，而把从RFQ腔来的反射功率送往环行器的吸收负载，避免反射功率通往速调管，防止当RFQ腔或波导系统里存在大的反射功率时损坏速调管。本例采用的是铁氧体“Y”型三端口环行器，可允许正向通过高频功率为1.3MW。

大功率移相器用来改变功率传输系统的电长度，通过调整大功率移相器的电长度，从而使得四路功率馈送系统获得最佳相位匹配，同样输出功率实现加速腔腔压最大化。为调束实验的方便，在四路功率馈送中有三路增设了大功率移相器。移相器通过步进电机带动调谐杆传动来控制传输的电长度，步进电机的运动参数通过功率源系统的工控机进行操控。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种用于硼中子俘获治疗装置的射频功率源系统，包括数字低电平控制模块和射频功率源模块，所述射频功率源模块包括固态放大模块、速调管功率放大模块、调制模块、高压电源、撬棒和监控联锁保护模块；所述调制模块、撬棒分别与所述高压电源连接；所述固态放大模块输入端与所述数字低电平控制模块连接，输出端与所述速调管功率放大模块输入端连接；所述调制模块输入端用于采集脉冲信号，输出端与所述速调管功率放大模块连接；所述监控联锁保护模块信号采集端分别与所述速调管功率放大模块、调制模块、高压电源和撬棒连接；所述监控联锁保护模块信号输出端与所述高压电源连接；

其特征是：所述调制模块包括高压电阻、高压四极管、第一控制板和第二控制板；所述高压四极管与所述高压电阻连接，构成阻值连续可调的高压分压器；所述第一控制板和第二控制板连接，所述第一控制板输出端与所述高压四极管的控制栅极连接；所述第二控制板具有用于接收脉冲信号的脉冲信号接收端；所述第一控制板响应由所述第二控制板接收到的脉冲信号，并输出可变电压，以调整速调管的调制阳极电压高低、占空比，从而调整速调管电子束电流，控制占空比和输出功率幅度的大小；所述高压四极管的帘栅极浮接于所述高压电源，以施加一固定偏压，使其工作于四极管模式；所述高压四极管的阳极通过所述高压电阻接地，其阴极与所述高压电源连接。

2.如权利要求1所述的射频功率源系统，其特征是：所述第二控制板将接收到的脉冲信号经压频转换处理，转变为与其成比例的频率信号，再经电光转换，传送至所述第一控制板；所述第一控制板将接收到的光信号，经光电转换、频压转换和电压放大处理后，输出至所述四极管控制栅极，为所述高压四极管提供一个可变的栅极偏压控制脉冲。

3.如权利要求1或2所述的射频功率源系统，其特征是：所述高压电源包括降压变压器、调压器、升压变压器、整流器和储能电容；所述降压变压器、调压器、升压变压器和整流器依次连接，所述储能电容并联于所述整流器输出端。

4.如权利要求3所述的射频功率源系统，其特征是：所述降压变压器包括双绕组，所述双绕组并联；所述升压变压器采用双绕组结构，用于高压整流。

5.如权利要求4所述的射频功率源系统，其特征是：所述双绕组之间相移为30度，将三相输入转换为六相输出。

6.如权利要求5所述的射频功率源系统，其特征是：所述调压器包括两组三相可控硅桥，并联使用；所述整流器包括两组三相全波整流桥，二者线路串

联。

7.如权利要求6所述的射频功率源系统，其特征是：所述高压电源还包括控制开关组，所述控制开关连接于所述降压变压器与所述调压器之间；所述控制开关组包括两组并联的三相开关，实现二路三相平衡输出。

8.如权利要求7所述的射频功率源系统，其特征是：所述撬棒包括电流传感器和多间隙双端闸流管；所述电流传感器串接于所述储能电容和所述闸流管之间，用于监测所述速调管的阴极电流，并产生正信号电压脉冲作为触发信号用来控制所述闸流管的导通。

9.一种硼中子俘获治疗装置，其特征是：包括如权利要求1-8中任一项所述的射频功率源系统。

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