CN116582995A - 用于bnct紧凑型射频功率源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于BNCT紧凑型射频功率源系统，包括低电平控制及功率检测一体化模块、高频保护模块、CPCI机箱、CompactPCI刀片、固态放大器、同轴馈管、定向耦合器、高功率耦合器和加速腔，所述低电平控制及功率检测一体化模块设置有低电平控制及功率检测一体化系统，所述低电平控制及功率检测一体化系统由低电平控制系统及功率检测系统一体化同组成，所述高频保护模块设置有高频保护系统，所述CPCI机箱设置有背板总线，通过搭载一块运行linux操作系统CompactPCI刀片，开发基于linux系统的驱动、EPICS接口程序，取代了传统方案中的vxWorks系统的CPU板卡+linux计算机的EPICS控制模式，通过将低电平控制及功率监测这两个系统合成一个系统，组成低电平控制及功率监测的一体化系统。

Description

用于BNCT紧凑型射频功率源系统

技术领域

本发明涉及加速器、高功率微波技术领域，具体是用于BNCT紧凑型射频功率源系统。

背景技术

硼中子俘获治疗(BNCT)是一种安全的二元靶向放疗技术,是脑胶质瘤、黑色素瘤的极佳治疗手段,同时对复发性脖颈癌、肝转移癌等有良好的治疗响应，随着加速器技术的发展,基于加速器的硼中子俘获肿瘤治疗装置因具有靶向精确、副作用低、适应症广、一次解决、易于在人口稠密地区医院普及使用等优点。

近年来国内外进行了广泛的研究工作，由散裂中子源科学中心研制的硼中子俘获治疗(BNCT)装置，中子源是由一台射频四极加速器(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，其中设计加速器为高重复频率的脉冲运行模式，RFQ加速腔高频频率为180MHz,束流工作比为80％，束流脉冲长度为4ms，重复频率为200Hz，脉冲流强25mA，射频功率源系统除了提供足够的功率补偿RFQ加速腔腔耗外，还必须对束流负载效应进行补偿，以保证RFQ加速电场稳定。

传统用于硼中子俘获治疗(BNCT)装置的射频功率源系统往往系统结构复杂，成本高昂，不利于BNCT装置的使用，基于此，我们提出一种用于BNCT紧凑型射频功率源系统，以此，能够稳定有效满足BNCT装置要求的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供用于BNCT紧凑型射频功率源系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

用于BNCT紧凑型射频功率源系统，包括低电平控制及功率检测一体化模块、高频保护模块、CPCI机箱、CompactPCI刀片、固态放大器、同轴馈管、定向耦合器、高功率耦合器和加速腔，所述低电平控制及功率检测一体化模块设置有低电平控制及功率检测一体化系统，所述低电平控制及功率检测一体化系统由低电平控制系统及功率检测系统一体化同组成，所述高频保护模块设置有高频保护系统，所述CPCI机箱设置有背板总线，所述CompactPCI刀片采用linux操作系统、linux系统的驱动、EPICS接口程序和CSS，所述低电平控制及功率检测一体化模块和高频保护模块均通CPCI机箱的背板总线与CompactPCI刀片进行数据传输，所述CompactPCI刀片设置有linux操作系统、linux系统的驱动、EPICS接口程序和CSS，所述CompactPCI刀片采用linux操作系统、CPCI EPCIS远控系统控制和CSS图形化显示界面。

作为本发明进一步的方案：所述低电平控制及功率检测一体化系统用于控制加速器中高频场的幅度及加速腔谐振频率稳定，对加速腔的入腔功率进行实时检测及驻波比保护，所述低电平控制及功率检测一体化模块进行数字信号处理，经过数模转换后送出加速腔所需的射频信号，送出的射频信号经固态放大器放大成高功率的射频信号，高功率射频信号通过同轴馈管将射频信号传送到高功率耦合器，通过高功率耦合器将射频信号耦合进入加速腔，所述定向耦合器用于耦合加速腔的正向、反向功率信号，所述加速腔的水冷、真空信号等信号反馈至高频保护模块，当所述加速腔出现水冷、真空或隧道的人身保护系统等发出故障报警时，所述高频保护模块送出保护信号至低电平控制及功率检测一体化模块，通过低电平控制及时切断射频信号的输出。

作为本发明再进一步的方案：所述加速腔输入射频信号源是来源于低电平控制系统，所述低电平控制及功率检测的一体化系统中功率检测同低电平控制共用同一块FPGA板卡,所述功率检测系统通过与低电平控制系统共用FPGA来精准计算出送给加速腔射频信号的功率，功率检测方法在宽频范围内进行射频功率检测时无需用到检波器，且能同时检波出在信号中包含各频谱分量的功率值。

作为本发明再进一步的方案：所述功率检测系统中，即功率检测及驻波比保护系统，包括AD采样模块、IQ解调模块、IIR滤波模块、功率计算模块和驻波比保护模块，所述功率检测及驻波比保护系统采用的数字处理方法包括：首先从定向耦合器耦合出来的射频信号通过AD采样、IQ解调、IIR滤波后经功率计算模块算出功率，然后将计算好的正向功率、反向功率送入驻波比保护模块，通过驻波比保护模块判断是否进行驻波比保护，当判断需要进行驻波比保护，发生驻波比保护后驻波比保护模块输出保护信号送给低电平控制系统中的开关，开关切断射频信号的输出，下一个脉冲进行恢复，当驻波比保护的次数超过设定值时，将永久的切断低电平射频信号的输出，直到人工手动恢复。

作为本发明再进一步的方案：所述低电平控制系统中，包括AD采样模块、IQ解调模块、IIR滤波模块、幅度相位转换模块PI反馈控制器、幅度相位调整模块、数字上变频模块、开关和DAC芯片，所述低电平控制系统的处理方法包括：首先从加速腔耦合出来的RF信号送入低电平控制系统的AD采样模块，采样后的信号经IQ解调模块、IIR滤波后输出直流的I、Q信号、I、Q信号送入幅度相位转换模块得到加速场的幅度和相位信息，然后经过PI反馈控制器进行闭环控制，闭环输出的信号分别送入每路的幅度相位调整模块，调整后的信号通过数字上变频模块输出所需数字信号，输出的数字信号含有腔肠幅度、相位、频率的信号传送给DAC芯片，DAC输出的信号经滤波放大后通过同轴馈管将高功率信号传送给加速腔，信号的幅度、相位、频率等参数均可通过CSS图形化显示界面进行设置。

作为本发明再进一步的方案：通过在低电平控制系统中引入幅度、相位调节模块来实现每路入加速腔信号的调幅、调相，幅度调节系数、移相参数通过CSS图形化显示界面进行设置，从PI控制器输出的幅度信号乘以从CSS界面设置的幅度系数即可完成该路射频信号的幅度调节，系数大于1信号放大，系数小于1信号缩小，从PI控制器输出的相位信号加上从CSS界面设置的相位偏移系数即可完成该路射频信号的相位调节。

作为本发明再进一步的方案：所述固态放大器用于接收来自低电平控制系统的射频信号，并产生高功率的射频信号，所述低电平控制系统输出的射频信号送入前置放大器进行放大，前置放大器输出的信号经一分四功率分配器分成四路，分别为四个功放机柜提供射频输入，每个功放柜将分配器输入的射频信号通过一分四功率分配器、一分八功率分配器分为三十二路，由三十二路末级功放插件将信号放大，三十二路末级功放插件放大后的信号再由八合一功率合成器、四合一功率合成器实现三十二路合成，实现单个功放机柜的功率输出，进而再将四个机柜的输出信号通过机柜级的两级二合一功率合成器进行功率合成，合成输出功率高于150kW，其中，四个功放机柜内的功率分配、合成方式是相同的，功放机柜内的八合一功率合成器、四合一功率合器以及末级功放插件中的合成器均采用带隔离的合成器，功率合成网络各个端口相互隔离，保证固态放大器工作在全反射状态时，末级功放插件反射功率仅为单倍功率，不会出现由于功率的不平衡而承受几倍功率的情况，末级功放插件采用两级放大链方式，包括射频采样板、一分二功分器、2个1200W放大模块、环形器及负载、二合一功率合成器、定向耦合器、监控板、水冷板和对外接口，末级功放插件的原理是：首先外部射频信号经射频采样后，由2个1200W放大模块进行两级放大，通过环行器、二合一功率合成器、定向耦合器输出功率达2000W以上，其中二合一功率合成器采用的是带隔离的正交合成器，前置功放管、末级功放管、环形器及其负载等热源器件由专业设计的水冷板进行散热，通过监控板实现对末级大功率模块的温度和电流、组件的正向和反向功率等进行实时监测，末级功放插件上的输入输出对外接口包括射频输入接口、射频输出接口、交流供电接口、状态与故障信号接口、水路输入和输出接口。

作为本发明再进一步的方案：所述固态放大器产生的高频电磁能量由功率馈送系统的封闭的同轴馈管定向地输送到BNCT RFQ加速腔，尽可能地防止或减少泄漏，整个功率馈送系统由同轴馈管、弯头、定向耦合器和高功率耦合器组成，传输线路无需安装大功率环行器及负载，由于固态放大器采用带隔离的合成网络，末级功放插件承受的反射功率为只是其单倍功率，因而在全反射状态时功放不会因为全反射而损耗功放管，整个固态放大器具备抗全反射的能力。

作为本发明再进一步的方案：所述加速腔采用2路高功率耦合器完成高频功率的馈送，高功率耦合器隔离真空并将功率源送出的微波馈送到加速腔中，高功率耦合器传输高功率，而陶瓷窗中的陶瓷片耐压有限，从而限制了功率耦合器传输峰值功率，另外，高功率高占空比造成功率耦合器上的热沉积非常大，同时高功率耦合器两侧存在1个大气压差，会在陶瓷窗上产生很大应力，对易损器件陶瓷窗而言，其上的应力限制了功率耦合器的平均功率，本发明结合微波、热学、力学相关理论为BNCT RFQ加速腔设计高功率高占空比功率耦合器，高功率耦合器经优化后驻波比小于1.1在180MHz,±7MHz范围内，平均功率90kW时温升小于2度，优化后的陶瓷片直径262mm,陶瓷片厚度10mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，利用低电平控制及功率检测一体化模块、高频保护模块、CPCI机箱、CompactPCI刀片、固态放大器、同轴馈管、定向耦合器、高功率耦合器的配合，通过搭载一块运行linux操作系统CompactPCI刀片，开发基于linux系统的驱动、EPICS接口程序，取代了传统方案中的vxWorks系统的CPU板卡+linux计算机的EPICS控制模式，通过将低电平控制及功率监测这两个系统合成一个系统，组成低电平控制及功率监测的一体化系统，达到了简化系统结构，并且在功率检测时不需要用到检波器，系统总体结构紧凑，成本降低，且使得操作更加方便。

2、本发明中，通过将低电平控制及功率检测一体化系统板卡、高频保护系统的板卡搭载在同一CPCI机箱，CompactPCI刀片与低电平控制及功率检测一体化模块、高频保护模块通过PCI总线传输数据，CompactPCI刀片运行linux操作系统，采用EPICS控制，CSS图形化显示界面，从而能够实现对低电平控制及功率检测一体化系统、高频保护系统的监测及控制。

3、本发明中，通过将低电平控制及功率检测一体化系统共用一个FPGA板卡，能同时实现低电平控制、功率检测、驻波比保护功能，低电平控制系统通过控制DDS模块频率，实现射频信号的调频，而功率检测的射频信号正是低电平控制系统输出经放大后的信号，两信号的频率是一样，因而可以直接将低电平控制系统DDS输出的两路正交信号直接送给功率检测模块，进行I,Q解调，计算功率值，本系统可以在不用检波器的情况下，解调出系统中任意频率的信号，从而计算出功率值，能实时测出包含多个频率分量信号中不同频率的功率值。

4、本发明中，通过调整多路信号的幅度、相位使加速腔的腔压最大，通过在低电平控制系统中引入幅度、相位调节模块来实现每路入腔信号的数字调幅、调相，幅度调节系数、移相参数均可通过CSS图形化显示界面进行设置，从而使得系统的调节精度高，并且操作方便，同时通过采用数字调相方式，无需在传输通路上加大功率移相器，采用数字调节信号幅度的大小保证了加速腔各耦合器入腔功率一致，实现了提高调节精度的同时，传输线路中无需增加可调衰减器。

5、本发明中，通过在机柜内的八合一功率合成器、四合一功率合器以及末级功放插件中的合成器均采用带隔离的合器，功率合成网络各个端口相互隔离，从而可以保证固态放大器工作在全反射状态时，末级功放插件反射功率仅为单倍功率，不会出现由于功率的不平衡而承受几倍功率的情况，反射功率相对稳定，从而降低了末级功放插件中的环行器及负载承受的功率，末级功放插件中的环行器及负载承受反射功率能力只需大于1倍输出功率即可，从而使得在射频传输线路中无需加入高功率环行器来保护固态放大器，实现了降低成本。

附图说明

图1为用于BNCT紧凑型射频功率源系统的整体组成框图。

图2为传统CPCI EPCIS远控系统架构图。

图3为用于BNCT紧凑型射频功率源系统的CPCI EPCIS远控系统架构。

图4为用于BNCT紧凑型射频功率源系统中低电平控制及功率检测一体化系统算法框图。

图5为用于BNCT紧凑型射频功率源系统中调幅、调相原理框图。

图6为用于BNCT紧凑型射频功率源系统中150kW固态放大器功率分配、合成网络框图。

图7为用于BNCT紧凑型射频功率源系统中末级功放插件的原理框图。

图8为用于BNCT紧凑型射频功率源系统中高功率耦合器的结构示意图。

图9为用于BNCT紧凑型射频功率源系统中耦合器驻波比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～9，本发明实施例中，用于BNCT紧凑型射频功率源系统，包括低电平控制及功率检测一体化模块、高频保护模块、CPCI机箱、CompactPCI刀片、固态放大器、同轴馈管、定向耦合器、高功率耦合器和加速腔，低电平控制及功率检测一体化模块设置有低电平控制及功率检测一体化系统，低电平控制及功率检测一体化系统由低电平控制系统及功率检测系统一体化同组成，高频保护模块设置有高频保护系统，CPCI机箱设置有背板总线，CompactPCI刀片采用linux操作系统、linux系统的驱动、EPICS接口程序和CSS，低电平控制及功率检测一体化模块和高频保护模块均通CPCI机箱的背板总线与CompactPCI刀片进行数据传输，CompactPCI刀片设置有linux操作系统、linux系统的驱动、EPICS接口程序和CSS，CompactPCI刀片采用linux操作系统、CPCI EPCIS远控系统控制和CSS图形化显示界面。

低电平控制及功率检测一体化系统用于控制加速器中高频场的幅度及加速腔谐振频率稳定，对加速腔的入腔功率进行实时检测及驻波比保护，低电平控制及功率检测一体化模块进行数字信号处理，经过数模转换后送出加速腔所需的射频信号，送出的射频信号经固态放大器放大成高功率的射频信号，高功率射频信号通过同轴馈管将射频信号传送到高功率耦合器，通过高功率耦合器将射频信号耦合进入加速腔，定向耦合器用于耦合加速腔的正向、反向功率信号，加速腔的水冷、真空信号等信号反馈至高频保护模块，当加速腔出现水冷、真空或隧道的人身保护系统等发出故障报警时，高频保护模块送出保护信号至低电平控制及功率检测一体化模块，通过低电平控制及时切断射频信号的输出，从而避免加速腔在高功率的情况下受到破坏。

传统的CPCI EPCIS远控系统架构主要由上位机、CPU板、CPCI背板总线、FPGA板卡和数字I/O板卡等组成的架构，CPU板通过CPCI总线控制FPGA板卡，通过网络把数据传到与上位机显示，CPU板卡运行的操作系统是vxWorks如图2所示。

通过开发基于linux系统的驱动、EPICS接口程序，用于取代传统的vxWorks系统的CPU板卡+linux计算机的EPICS控制模式，结构紧凑且操作方便，本系统采用的CPCI EPICS控制系统结构框图如图3所示。

CompactPCI刀片运行linux操作系统、采用EPICS控制、CSS图形化显示界面，完成对加速腔的高频控制、功率检测及驻波比保护、高频保护、加速腔故障状态等的监测及控制功能。

传统加速器低电平控制及腔体功率监测系统通常是分成两个系统进行，系统结构复杂，低电平控制系统主要由模拟上、下变频、本振及数字信号处理系统等组成,而模拟器件易受温度影响,通常需要给这些模拟器件增加恒温系统，来保证性能的稳定，功率检测系统主要由：定向耦合器、检波器、AD采样模块及数字信号处理系统等组成，系统复杂，并且检波器只能检波出单一频谱的信号，检测出多频谱分量中各不同频率信号的功率有一定难度。

本发明中，通过将低电平控制及功率监测的这两个系统合成一个系统，形成了低电平控制及功率检测的一体化系统，简化了系统结构，低电平控制及功率检测一体化系统算法框图如图4所示。

加速腔输入射频信号源是来源于低电平控制系统，低电平控制及功率检测的一体化系统中功率检测同低电平控制共用同一块FPGA板卡,来精准计算出送给加速腔射频信号的功率，功率检测方法在宽频范围内进行射频功率检测时无需用到检波器，且能同时检波出在信号中包含各频谱分量的功率值，简化了功率检测环节，降低系统成本的同时提高了系统稳定性，对于信号中夹杂的多频谱分量的功率检测具有优势。

功率检测系统中，即功率检测及驻波比保护系统，包括AD采样模块、IQ解调模块、IIR滤波模块、功率计算模块和驻波比保护模块，功率检测及驻波比保护系统采用的数字处理方法包括：首先从定向耦合器耦合出来的射频信号通过AD采样、IQ解调、IIR滤波后经功率计算模块算出功率，然后将计算好的正向功率、反向功率送入驻波比保护模块，通过驻波比保护模块判断是否进行驻波比保护，当判断需要进行驻波比保护，发生驻波比保护后驻波比保护模块输出保护信号送给低电平控制系统中的开关，开关切断射频信号的输出，进行下一个脉冲恢复，当驻波比保护的次数超过设定值时，将永久的切断低电平射频信号的输出，直到人工手动恢复。

低电平控制系统中，包括AD采样模块、IQ解调模块、IIR滤波模块、幅度相位转换模块PI反馈控制器、幅度相位调整模块、数字上变频模块、开关和DAC芯片，低电平控制系统的处理方法包括：首先从加速腔耦合出来的RF信号送入低电平控制系统的AD采样模块，采样后的信号经IQ解调模块、IIR滤波后输出直流的I、Q信号、I、Q信号送入幅度相位转换模块得到加速场的幅度和相位信息，然后经过PI反馈控制器进行闭环控制，闭环输出的信号分别送入每路的幅度相位调整模块，调整后的信号通过数字上变频模块输出所需数字信号，输出的数字信号含有腔肠幅度、相位、频率的信号传送给DAC芯片，DAC输出的信号经滤波放大后通过同轴馈管将高功率信号传送给加速腔，信号的幅度、相位、频率等参数均可通过CSS图形化显示界面进行设置。

散裂中子源科学中心BNCT装置加速腔采用2路馈口的功率馈入方式，对于这种多馈口功率馈入的方式，需要调整每路入腔信号的幅度、相位来使得加速腔的腔压最大，本发明中，通过在低电平控制系统中引入幅度、相位调节模块来实现每路入腔信号的调幅、调相，幅度调节系数、移相参数均可通过CSS图形化显示界面进行设置，调节精度高，操作方便，

通过在低电平控制系统中引入幅度、相位调节模块来实现每路入加速腔信号的调幅、调相，幅度调节系数、移相参数通过CSS图形化显示界面进行设置，调幅、调相原理框图如图5所示，从PI控制器输出的幅度信号乘以从CSS界面设置的幅度系数即可完成该路射频信号的幅度调节，系数大于1信号放大，系数小于1信号缩小，从PI控制器输出的相位信号加上从CSS界面设置的相位偏移系数即可完成该路射频信号的相位调节，本数字调相方式，移相精度高并且无需在传输通路上加大功率移相器，采用数字调节信号幅度的大小确保加速腔各耦合器入腔功率一致，在提高调节精度的同时传输线路无需加可调衰减器，本调节方法可扩展到有多个功率耦合口的加速腔，不仅仅限于本发明中的2个耦合口的情况。

固态放大器用于接收来自低电平控制系统的射频信号，并产生高功率的射频信号，散裂中子源科学中心的BNCT装置采用的是2套150kW的全固态放大器给加速腔的两个功率馈入口馈送功率，该150kW固态放大器功率分配、合成网络，如图6所示，低电平控制系统输出的射频信号送入前置放大器进行放大，前置放大器输出的信号经一分四功率分配器分成四路，分别为四个功放机柜提供射频输入，每个功放柜将分配器输入的射频信号通过一分四功率分配器、一分八功率分配器分为三十二路，由三十二路末级功放插件将信号放大，三十二路末级功放插件放大后的信号再由八合一功率合成器、四合一功率合成器实现三十二路合成，实现单个功放机柜的功率输出，进而再将四个机柜的输出信号通过机柜级的两级二合一功率合成器进行功率合成，合成输出功率高于150kW，其中，四个功放机柜内的功率分配、合成方式是相同的，功放机柜内的八合一功率合成器、四合一功率合器以及末级功放插件中的合成器均采用带隔离的合成器，功率合成网络各个端口相互隔离，保证固态放大器工作在全反射状态时，末级功放插件反射功率仅为单倍功率，不会出现由于功率的不平衡而承受几倍功率的情况，反射功率相对稳定，降低了末级功放插件中的环行器及负载承受的功率的要求，末级功放插件中的环行器及负载承受反射功率能力只需大于1倍输出功率即可，使得在射频传输线路上也不需要加入高功率环行器来保护固态放大器，降低了成本，末级功放插件采用两级放大链方式，包括射频采样板、一分二功分器、2个1200W放大模块(末级功放管)、环形器及负载、二合一功率合成器、定向耦合器、监控板、水冷板和对外接口，末级功放插件的原理框图，如图7所示，末级功放插件的原理是：首先外部射频信号经射频采样后，由2个1200W放大模块进行两级放大，通过环行器、二合一功率合成器、定向耦合器输出功率达2000W以上，其中二合一功率合成器采用的是带隔离的正交合成器，前置功放管、末级功放管、环形器及其负载等热源器件由专业设计的水冷板进行散热，通过监控板实现对末级大功率模块的温度和电流、组件的正向和反向功率等进行实时监测，末级功放插件上的输入输出对外接口包括射频输入接口、射频输出接口、交流供电接口、状态与故障信号接口、水路输入和输出接口，各接口采用盲插的方式，末级功放插件的水冷板采用紫铜材质，提高散热效率，并保证了冷却水为去离子水时不对水冷板产生腐蚀，提高了系统的可靠性，采用微通道、搅拌摩擦焊技术来降低功放管的温升，从而提高功放管稳定性，从水冷总管至末级大功率模块的水冷接口采用高可靠自封闭盲插快速接头，保证末级大功率模块在管路内有水的情况下，不用将水排干即可进行维护。

固态放大器产生的高频电磁能量由功率馈送系统的封闭的同轴馈管定向地输送到BNCT RFQ加速腔，尽可能地防止或减少泄漏，整个功率馈送系统由同轴馈管、弯头、定向耦合器和高功率耦合器组成，传输线路无需安装大功率环行器及负载，由于固态放大器采用带隔离的合成网络，末级功放插件承受的反射功率为只是其单倍功率，因而在全反射状态时功放不会因为全反射而损耗功放管，整个固态放大器具备抗全反射的能力，传输线路无需安装大功率环行器及负载。

BNCT RFQ加速腔采用2路高功率耦合器完成高频功率的馈送，高功率耦合器隔离真空并将功率源送出的微波馈送到加速腔中，高功率耦合器传输高功率，而陶瓷窗中的陶瓷片耐压有限，从而限制了功率耦合器传输峰值功率，另外，高功率高占空比造成功率耦合器上的热沉积非常大，同时高功率耦合器两侧存在1个大气压差，会在陶瓷窗上产生很大应力，对易损器件陶瓷窗而言，其上的应力限制了功率耦合器的平均功率，本发明结合微波、热学、力学相关理论为BNCT RFQ加速腔设计高功率高占空比功率耦合器，高功率耦合器的结构，如图8所示，经优化后驻波比小于1.1在180MHz,±7MHz范围内，如图9所示，平均功率90kW时温升小于2度，优化后的陶瓷片直径262mm,陶瓷片厚度10mm。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.用于BNCT紧凑型射频功率源系统，包括低电平控制及功率检测一体化模块、高频保护模块、CPCI机箱、CompactPCI刀片、固态放大器、同轴馈管、定向耦合器、高功率耦合器，其特征在于：所述低电平控制及功率检测一体化模块设置有低电平控制及功率检测一体化系统，所述低电平控制及功率检测一体化系统由低电平控制系统及功率检测系统一体化同组成，所述高频保护模块设置有高频保护系统，所述CPCI机箱设置有背板总线，所述CompactPCI刀片采用linux操作系统、linux系统的驱动、EPICS接口程序和CSS，所述低电平控制及功率检测一体化模块和高频保护模块均通CPCI机箱的背板总线与CompactPCI刀片进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述低电平控制及功率检测一体化系统用于控制加速器中高频场的幅度及加速腔谐振频率稳定，对加速腔的入腔功率进行实时检测及驻波比保护；所述低电平控制及功率检测一体化模块对数据进行数字信号处理，经过数模转换后送出加速腔所需的射频信号，送出的射频信号经固态放大器放大成高功率的射频信号，高功率射频信号通过同轴馈管将射频信号传送到高功率耦合器，通过高功率耦合器将射频信号耦合进入加速腔；所述定向耦合器用于耦合加速腔的正向、反向功率信号。

3.根据权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述加速腔的水冷、真空信号等信号反馈至高频保护模块，当所述加速腔出现水冷、真空或隧道的人身保护系统等发出故障报警时，所述高频保护模块送出保护信号至低电平控制及功率检测一体化模块，通过低电平控制及时切断射频信号的输出。

4.根据权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述加速腔输入射频信号源是来源于低电平控制系统，所述低电平控制及功率检测的一体化系统中功率检测同低电平控制共用同一块FPGA板卡,所述功率检测系统通过与低电平控制系统共用FPGA来精准计算出送给加速腔射频信号的功率，功率检测方法在宽频范围内进行射频功率检测时无需用到检波器，且能同时检波出在信号中包含各频谱分量的功率值。

5.根据权利要求1或6所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述功率检测系统中，即功率检测及驻波比保护系统，包括AD采样模块、IQ解调模块、IIR滤波模块、功率计算模块和驻波比保护模块。

6.采用如权利要求7所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统的功率检测及驻波比保护系统进行数字处理的方法主要包括以下步骤内容，其特征在于：

首先，从定向耦合器耦合出来的射频信号通过AD采样、IQ解调、IIR滤波后经功率计算模块算出功率；

然后，将计算好的正向功率、反向功率送入驻波比保护模块，通过驻波比保护模块判断是否进行驻波比保护；

当判断需要进行驻波比保护，发生驻波比保护后驻波比保护模块输出保护信号送给低电平控制系统中的开关，开关切断射频信号的输出，下一个脉冲进行恢复；

当驻波比保护的次数超过设定值时，将永久的切断低电平射频信号的输出，直到人工手动恢复。

7.根据权利要求1或6或8所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述低电平控制系统中，包括AD采样模块、IQ解调模块、IIR滤波模块、幅度相位转换模块PI反馈控制器、幅度相位调整模块、数字上变频模块、开关和DAC芯片。

8.采用如权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统中的低电平控制系统进行数据处理方法，主要包括以下步骤内容，其特征在于：

首先，从加速腔耦合出来的RF信号送入低电平控制系统的AD采样模块，采样后的信号经IQ解调模块、IIR滤波后输出直流的I、Q信号、I、Q信号送入幅度相位转换模块得到加速场的幅度和相位信息；

然后，经过PI反馈控制器进行闭环控制，闭环输出的信号分别送入每路的幅度相位调整模块，调整后的信号通过数字上变频模块输出所需数字信号，输出的数字信号含有腔肠幅度、相位、频率的信号传送给DAC芯片；

最后，DAC输出的信号经滤波放大后通过同轴馈管将高功率信号传送给加速腔，信号的幅度、相位、频率等参数均可通过CSS图形化显示界面进行设置。

9.根据权利要求10所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：通过在低电平控制系统中引入幅度、相位调节模块来实现每路入加速腔信号的调幅、调相，幅度调节系数、移相参数通过CSS图形化显示界面进行设置，从PI控制器输出的幅度信号乘以从CSS界面设置的幅度系数即可完成该路射频信号的幅度调节，系数大于1信号放大，系数小于1信号缩小，从PI控制器输出的相位信号加上从CSS界面设置的相位偏移系数即可完成该路射频信号的相位调节。

10.根据权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述固态放大器用于接收来自低电平控制系统的射频信号，并产生高功率的射频信号，所述低电平控制系统输出的射频信号送入前置放大器进行放大，前置放大器输出的信号经一分四功率分配器分成四路，分别为四个功放机柜提供射频输入，每个功放机柜将分配器输入的射频信号通过一分四功率分配器、一分八功率分配器分为三十二路，由三十二路末级功放插件将信号放大，三十二路末级功放插件放大后的信号再由八合一功率合成器、四合一功率合成器实现三十二路合成，实现单个功放机柜的功率输出，进而再将四个机柜的输出信号通过机柜级的两级二合一功率合成器进行功率合成。

11.根据权利要求12所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述的四个功放机柜内的功率分配、合成方式相同，功放机柜内的八合一功率合成器、四合一功率合器以及末级功放插件中的合成器均采用带隔离的合成器，功率合成网络各个端口相互隔离。

12.根据权利要求12所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述的末级功放插件采用两级放大链方式，包括射频采样板、一分二功分器、2个1200W放大模块、环形器及负载、二合一功率合成器、定向耦合器、监控板、水冷板和对外接口。

13.采用如权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统进行末级功率放大时，主要包括以下步骤内容，其特征在于：

首先，外部射频信号经射频采样后，由2个1200W放大模块进行两级放大；

然后，通过环行器、二合一功率合成器、定向耦合器输出功率达2000W以上；

同时，前置功放管、末级功放管、环形器及其负载等热源器件由水冷板进行散热，

还有，通过监控板实现对末级大功率模块的温度和电流、组件的正向和反向功率等进行实时监测，末级功放插件上的输入输出对外接口包括射频输入接口、射频输出接口、交流供电接口、状态与故障信号接口、水路输入和输出接口。

14.根据权利要求1所述的用于BNCT紧凑型射频功率源系统，其特征在于：所述固态放大器产生的高频电磁能量由功率馈送系统，封闭的同轴馈管定向地输送到BNCT RFQ加速腔，尽可能地防止或减少泄漏；功率馈送系统由同轴馈管、弯头、定向耦合器和高功率耦合器组成，传输线路无需安装大功率环行器及负载，由于固态放大器采用带隔离的合成网络，末级功放插件承受的反射功率为只是其单倍功率，因而在全反射状态时功放不会因为全反射而损耗功放管，整个固态放大器具备抗全反射的能力；所述加速腔采用2路高功率耦合器完成高频功率的馈送，高功率耦合器隔离真空并将功率源送出的微波馈送到加速腔中。