DE102013104778A1

DE102013104778A1 - Vorrichtung zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten erzeugten Magnetfelds

Info

Publication number: DE102013104778A1
Application number: DE102013104778.5A
Authority: DE
Inventors: Eike Feldmeier
Original assignee: Universitaet Heidelberg
Current assignee: Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum HIT
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-13
Also published as: CN105339803B; EP2994768B1; US20160097823A1; WO2014180703A1; EP2994768A1; DK2994768T3; CN105339803A

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten (5, 12, 15) erzeugten Magnetfeldes umfassend eine erste Messeinrichtung (10) zur Erfassung der absoluten magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes, eine zweite Messeinrichtung (11) zur Erfassung der Änderung der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes, zumindest zwei Integratoren (20) zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke der in der zweiten Messeinrichtung (11) erfassten Änderung der magnetischen Feldstärke, welche parallel zueinander angeordnet sind, Kalibriermittel, eine Einheit zum Abgleich der durch die erste Messeinrichtung (10) und der durch die zweite Messeinrichtung (11) erfassten magnetischen Feldstärke und einer weiteren Einheit zum Vergleich der erfassten magnetischen Feldstärke mit einer vorgegebenen Soll-Feldstärke und Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes.
Elektromagnete werden auf vielen Gebieten der Technik eingesetzt, insbesondere um starke und auch sich verändernde Magnetfelder zu erzeugen. Eine Vorrichtung, welche eine Vielzahl von Elektromagneten aufweist, ist ein Teilchenbeschleuniger. In einem Teilchenbeschleuniger können über ein elektromagnetisches Feld geladene Teilchen, beispielsweise Elektronen, Protonen oder Ionen auf eine große Geschwindigkeit beschleunigt werden. Teilchenbeschleuniger werden bereits seit einiger Zeit in der Grundlagenforschung und zu therapeutischen Zwecken verwendet. Bei der Ionentherapie werden verschiedene Ionen, beispielsweise Protonen, Kohlenstoff-Ionen, Helium-Ionen oder Sauerstoff-Ionen, in einem Teilchenbeschleuniger auf ein vorgegebenes Energieniveau gebracht und anschließend in das zu behandelnde Gewebe geleitet. Beim Eintritt in den Körper verliert das Ion Energie, wobei ein großer Teil der Energie in einem engen Bereich abgegeben wird. Dabei ist vorteilhaft, dass das Ion gesundes Gewebe durchdringt und nicht beschädigt, sondern die therapeutisch wirksame Energieabgabe erst in dem zu behandelnden Gewebe erfolgt.
Der Teilchenbeschleuniger für die Schwerionentherapie umfasst eine Ionenquelle zur Erzeugung geladener Teilchen der gewünschten Ionensorte. An die Ionenquelle schließt sich ein Linearbeschleuniger an, der den Teilchenstrahl auf ein erstes Energieniveau beschleunigt. Darüber hinaus werden die Ionen gebündelt und restliche mitgeführte Elektronen werden abgetrennt. Anschließend werden die auf das erste Energieniveau beschleunigte Ionen einem Ringbeschleuniger zugeführt, der den Strahl weiter beschleunigt und auf ein zweites Energieniveau, dem Extraktionsniveau, gebracht. Damit die Ionen auf der Kreisbahn des Ringbeschleunigers gehalten werden können, umfasst ein Ringbeschleuniger mehrere Elektromagnete, welche als Dipol, als Quadrupol oder auch Sextupol ausgebildet sein können. Die Elektromagnete bauen ein magnetisches Feld auf, welches den Strahl auf eine geschlossene Kreisbahn zwingt. Neben den Elektromagneten zur Aufrechterhaltung der Kreisbahn umfasst der Ringbeschleuniger eine Beschleunigerstrecke, bei dessen Durchlaufen die Ionen beschleunigt werden. Bei der Extraktion werden die beschleunigten Ionen aus dem Ringbeschleuniger herausgeführt und über eine Strahlführung den Therapieplätzen zugeführt.
Ist der Ringbeschleuniger als Synchrotron ausgebildet, werden die Magnetfelder synchron zu der ansteigenden Umlauffrequenz der Teilchen gesteuert. Dabei ist die Energie der Ionen, die auf der Kreisbahn mit einer festen Frequenz umlaufen, unter anderem durch das integrale Magnetfeld bestimmt, welches auf die Ionen einwirkt.
Bei den im Ringbeschleuniger angeordneten Elektromagneten kann das Magnetfeld durch den auf die Spule aufgegebenen Strom variabel eingestellt werden. Dabei können Elektromagnete in Form von Dipolen, Quadrupolen und Sextupolen verwendet werden, um den Teilchenstrahl zu lenken und zu fokussieren. Die Elektromagnete sind mit einer Durchbrechung versehen, durch welche der Ionenstrahl geleitet wird.
Dipole haben zumeist einen rechteckigen Querschnitt mit einer Durchbrechung im Inneren und besitzen zwei Pole, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind und in das Innere des Dipols weisen. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Dipols ist eine Spule angeordnet. In dem Bereich zwischen den Polen, also in der Durchbrechung, welcher auch als Magnetgap bezeichnet wird, entsteht durch einen elektrischen Strom in den Spulen ein homogenes Magnetfeld. Die magnetische Flussdichte ist im idealen Fall in dem Bereich zwischen den Polen konstant und die Randfelder, wo sich die magnetische Flussdichte in Richtung und Betrag ändert, haben nur einen geringen Einfluss auf den Strahl. Dipole werden im Ringbeschleuniger verwendet, um den Teilchenstrahl abzulenken. Der Teilchenstrahl beschreibt dabei eine Bahn auf einem Kreissektor.
Quadrupole weisen an jeder Ecke einen Pol auf und an jeder Seite befindet sich eine Spule. Quadrupole fokussieren und defokussieren den Strahl. Ein Quadrupol, der den Strahl in einer Ebene fokussiert, defokussiert ihn in der anderen Ebene.
Quadrupole werden daher meist paarweise verwendet. Das Magnetfeld in der Mitte eines Quadrupols ist null und nimmt ausgehend von der Mitte linear zu. Sextupole sind sechseckig oder rund und weisen sechs Pole und sechs Spulen auf. Die Pole sind zumeist in den Eckbereichen angeordnet und die Spulen an den die Ecken verbindenden Abschnitte. Sextupole werden in einem Ringbeschleuniger verwendet, um die Chromatizität des Strahls zu korrigieren. Das magnetische Feld eines Sextupols ändert sich quadratisch mit dem Abstand vom Zentrum.
Die Elektromagnete weisen zumeist einen Kern aus ferromagnetischem Eisen auf, so dass aufgrund der hohen Permeabilität des Eisens der magnetische Fluss hauptsächlich im Eisen geführt wird. Die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Magneten (Magnetgap) entsteht durch die Unterbrechung des Eisens. Der magnetische Fluss wird in der Luft fortgeführt und erzeugt ein Magnetfeld zwischen den Polen. Da die Feldlinien im Wesentlichen senkrecht aus der Oberfläche des Pols austreten, kann damit die Form des Feldes durch die Form der Pole bestimmt werden.
Das ferromagnetische Eisen besitzt eine Hysterese, so dass das vom Magneten erzeugte magnetische Feld nicht nur von dem aktuellen von außen durch die stromdurchflossene Spule induzierten Feld abhängt, sondern auch von der Hysterese der Magnetisierung. Wird der Stromfluss durch die Spule gestoppt, verbleibt trotzdem ein Restmagnetfeld, das sogenannte Remanenzfeld. Durch dieses Remanenzfeld ändert sich im Laufe der Zeit die magnetische Flussdichte des Elektromagneten bei gleichbleibendem elektrischem Strom. Das sich ändernde Remanenzfeld erschwert die Regelung eines Elektromagneten, insbesondere ist es nicht möglich als Führungsgröße für die Regelung ausschließlich den elektrischen Strom zu verwenden, welcher auf die Elektromagnete gegeben wird.
Der durch Hysterese hervorgerufene Feldfehler kann dadurch ausgeglichen werden, indem am Ende eines Zyklus eine magnetische Feldstärke in dem Elektromagneten erzeugt wird, die über der Feldstärke liegt, welche für die Beschleunigung der Ionen erforderlich ist. Dadurch durchläuft der Magnet stets die gleiche Hystereseschleife und schafft für den darauf folgenden Zyklus bekannte Vorbedingungen, da das Remanenzfeld des Magneten zu Beginn eines jeden Zyklus gleich ist. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass für diesen Vorgang Zeit benötigt wird, welche für die Extraktion von Ionen nicht verwendet werden kann.
Als weitere Einflussgröße treten in einem Elektromagneten Wirbelströme auf. Wirbelströme sind elektrische Ströme, die in leitfähigem Material durch ein zeitlich verändertes Magnetfeld induziert werden. Wirbelströme treten in allen leitenden Materialien auf und sind somit auch im Eisenkern des Elektromagneten vorhanden. Wirbelströme können beispielsweise durch Aufbau des Eisenkerns aus laminierten Blechen reduziert werden, treten aber insbesondere bei sich stark verändernden Magnetfeldern immer auf und beeinflussen das Magnetfeld selbst. Somit erschwert das unvermeidliche Auftreten des Wirbelstroms ebenfalls die Regelung eines Elektromagneten.
Durch die beiden zuvor beschriebenen Effekte Hysterese und Wirbelstrom entstehen Feldfehler, welche sich auf die Qualität des Ionenstrahls auswirken. Insbesondere bei kompakten Ringbeschleunigern überträgt sich der Feldfehler direkt in eine messbare Positionsänderung des umlaufenden Strahls.
Für den größtmöglichen Therapieerfolg bei geringstmöglicher Belastung des umliegenden Gewebes ist es aber erforderlich, dass der Ionenstrahl sehr genau das gewünschte Gewebe erreicht und dort seine Energie abgibt. Beispielsweise werden Kohlenstoffionen auf ein Energieniveau von etwa 430 MeV/u (MeV je Nukleon) gebracht und sollen in dem Zielgewebe mit einer Genauigkeit von weniger als 1 mm Energie abgeben. Aus dieser Anforderung ergibt sich, dass der Feldfehler insbesondere der strahlumlenkenden Dipole kleiner sein muss als 1,45 × 10^–4 bezogen auf den Maximalwert der magnetischen Feldstärke von 1,5 T. Dies entspricht ungefähr 4,5-mal dem Erdmagnetfeld in Mitteleuropa mit 48 µT. Daraus ergibt sich, dass die Elektromagnete einerseits sehr genau und andererseits aufgrund der sehr geringen Umlaufzeit der Ionen auch sehr schnell geregelt werden müssen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Erfassung des Magnetfeldes bekannt. Hallsonden können Magnetfelder mit konstantem und variablem magnetischem Fluss messen. Mit aufwendigen Kalibrierungen ist es auch möglich, mit Hallsondenmessung eine Genauigkeit von besser als der oben beschriebenen Genauigkeit zu erzielen. Darüber hinaus wird mit Hallsondenmessung das absolute Magnetfeld gemessen und das Ergebnis ist sofort verfügbar. Allerdings misst eine Hallsonde nur das lokale magnetische Feld an einem Ort.
Nach einem alternativen Verfahren wird das Magnetfeld mit einer Induktionsspule erfasst. In einer Induktionsspule wird Faradays Gesetz der Induktion umgesetzt. Wenn sich der magnetische Fluss durch eine leitende Spule ändert, wird in der Spule ein Strom induziert und eine Spannung an den offenen Enden erzeugt. Diese ist proportional zur Änderung des magnetischen Flusses. Eine derartige Induktionsspule wird auch als Pickup-Spule bezeichnet, diese können Magnetfeldänderungen kleiner als 10^–10 T messen. Bei diesem Verfahren ist jedoch problematisch, dass nur die Änderung des Feldes erfasst wird, aber nicht das absolute Magnetfeld. Daher ist es erforderlich, das Spannungssignal der Induktionsspule zu integrieren, um das Magnetfeld zu erhalten. Zwar kann mit den heute verfügbaren Integratoren die geforderte Genauigkeit erreicht werden, es ist jedoch nicht möglich, mit diesen Integratoren Messungen in Echtzeit durchzuführen, da die Daten erst nach der Messung aufbereitet werden können.
Somit ist es mit den derzeit zur Verfügung stehenden Mitteln erforderlich, zum einen die Messeinrichtung zu kalibrieren und zum anderen ist es erforderlich, die Elektromagnete in jedem Zyklus einmal maximal zu belasten, um ein vergleichbares Remanenzfeld zu erzeugen. Dadurch ist die Zeit zur Beschleunigung und Extraktion von Ionen unnötig lang.
In der EP 2 274 634 B1 wird eine Vorrichtung zur Auffassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes vorgeschlagen, welches Messeinrichtungen aufweist, die in die Elektromagnete integriert sind und direkt, das in dem Magnetgap des Elektromagneten vorherrschende Magnetfeld erfassen. Weiterhin wird vorgeschlagen, eine erste Messeinrichtung vorzusehen, welche als Pickup-Spule ausgebildet ist und das sich ändernde Magnetfeld integral erfasst. Eine zweite Messeinrichtung, ausgebildet als Hallsonde erfasst das absolute Magnetfeld an einer lokalen Stelle. Der ersten Messeinrichtung ist eine Integratoreinrichtung zugeordnet. Diese ist erforderlich, da die erste Messeinrichtung lediglich Änderungen des Magnetfeldes erfassen kann und das vorhandene Magnetfeld nur über eine zeitliche Integration ermittelt werden kann. Bei dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, dass das auf den umzulenkenden Teilchenstrahl einwirkende Magnetfeld unmittelbar und sehr genau erfasst werden kann. Durch die direkte Messung des Magnetfeldes können die Einflüsse der zuvor beschriebenen Remanenz und der Wirbelströme erfasst werden. Der gemessene Wert kann verwendet werden, den zur Anregung der Elektromagneten erforderlichen elektrischen Strom im Hinblick auf das erfasste Magnetfeld anzupassen und so den Elektromagneten dynamisch zu regeln.
Grundsätzlich ist jedoch problematisch, dass die Genauigkeit der erfassten Feldstärke von Fehlerquellen abhängt, welche insbesondere auf zeitlich veränderlichen Fehlern, beispielsweise sich ändernde Temperaturen, durch Signalrauschen, Frequenzschwankungen und dergleichen beruhen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Vorrichtung in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Strahls und damit an die Genauigkeit der Vorrichtung zu Erfassung des Magnetfeldes ist es erforderlich, eine Kalibrierung in Abständen von einigen Sekunden durchzuführen. Während der Kalibrierung ist es jedoch nicht möglich, einen Ionenstrahl aus dem Beschleuniger zu extrahieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes bereitzustellen, durch welche die zur Kalibrierung und Vorbereitung der Elektromagnete benötigte Zeit reduziert wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 12 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes umfasst eine erste Messeinrichtung zur Erfassung der absoluten magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes, eine zweite Messeinrichtung zu Erfassung der Änderung der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes, zumindest zwei Integratoren zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke der in der zweiten Messeinrichtung erfassten Änderung der magnetischen Feldstärke, welche parallel zueinander angeordnet sind, Kalibriermittel, eine Einheit zum Abgleich der durch die erste Messeinrichtung und der durch die zweite Messeinrichtung erfassten magnetischen Feldstärke und einer weiteren Einheit zum Vergleich der erfassten magnetischen Feldstärke mit einer vorgegebenen Soll-Feldstärke.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorteilhaft, dass sich durch die zumindest zwei Integratoren mehrere parallel zueinander angeordnete Integratorenpfade ergeben. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass ein Integrator in den laufenden Betrieb geschaltet wird und die von der zweiten Messeinrichtung auf den Integrator gegebene Spannung in zählbare Impulse wandelt, aus welchen wiederum die aktuelle integrale Feldstärke ermittelbar ist und dass ein zweiter Integrator nicht aktiv ist, sondern einen Kalibrierzyklus durchlaufen kann. Dadurch können Fehler, beispielsweise durch Temperaturveränderung, durch Rauschen und dergleichen ausgeglichen werden, so dass eine hohe Genauigkeit des Ausgangssignals gewährleistet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kalibrierung zeitgleich zu der eigentlichen Messung stattfinden kann. Das magnetische Feld des Elektromagneten kann in Echtzeit erfasst werden, was wiederum eine Echtzeitregelung der Elektromagnete ermöglicht. Da die Kalibrierung parallel zu der Messung durchgeführt wird, muss die Messung nicht für die Kalibrierung unterbrochen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Hystereseverhalten des Elektromagneten, beziehungsweise dessen Remanenzfeld von nachrangiger Bedeutung ist, da die Erfassung des realen Magnetfelds in Echtzeit erfolgt. Dadurch kann das maximale Belasten des Elektromagneten zur Erzielung eines immer gleichen Remanenzfeldes entfallen.
Durch Verwendung einer Pickup-Spule kann das integrale Magnetfeld in dem Bereich erfasst werden, welchen der Teilchenstrahl durchläuft und der für die Umlenkung beziehungsweise Fokussierung des Teilchenstrahls ursächlich ist. Da die zweite Messeinrichtung aber lediglich Änderungen des Magnetfeldes detektieren kann, ist ferner eine erste Messeinrichtung vorgesehen, welche das absolute Magnetfeld erfassen kann. Das durch die erste Messeinrichtung erfasste Magnetfeld wird dabei vorzugsweise unter vorhersagbaren Bedingungen erfasst und bildet den Ausgangswert für die durch die zweite Messeinrichtung erfasste Änderung des Magnetfeldes.
Die erste Messeinrichtung kann als Hallsonde ausgebildet sein. In Hallsonden wird zur Messung des Magnetfeldes der so genannte Halleffekt genutzt. In einem stromdurchflossenen Leiter werden die Elektronen durch die Lorentzkraft senkrecht zu einem von außen angelegten magnetischen Feld abgelenkt. In der dritten Raumrichtung, also senkrecht zum Strom und senkrecht zum Elektronenstrom entsteht an einer Seite eines Leiters ein Elektronenüberschuss und dadurch eine Spannung. Die sogenannte Hallspannung ist abhängig von der Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Leiter. Somit können Hallsonden den absoluten magnetischen Fluss messen, diesen aber lediglich lokal an einem Ort.
Die zweite Messeinrichtung kann als Pickup-Spule ausgebildet sein. Eine Pickup-Spule ist eine Induktionsspule in der Faradays Gesetz der Induktion umgesetzt wird. Wenn sich der magnetischer Fluss durch eine leitende Spule ändert, wird ein E-Feld erzeugt, das in der Pickup-Spule einen Strom induziert und eine Spannung an den offenen Enden erzeugt. Sie ist proportional der Änderung des magnetischen Flusses. Oft wird ein ferromagnetisches Material in die Pickup-Spule eingebracht, um den magnetischen Fluss in der Spule zu konzentrieren. Die Sensitivität der Pickup-Spule hängt von der Permeabilität des Kernmaterials, der Fläche der Pickup-Spule, der Anzahl der Windungen und der Änderung des magnetischen Flusses durch die Pickup-Spule ab. Die Bandbreite der Pickup-Spule ist begrenzt durch das Verhältnis von Induktivität zu Widerstand der Pickup-Spule, das die Dämpfungszeit bestimmt mit der ein induzierter Strom abfällt, wenn das äußere Feld weggenommen wird. Mit Induktionsspulen können Magnetfeldänderungen kleiner als 10^–10 T gemessen werden. Nach oben gibt es keine Grenze. Sie werden typischerweise in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 1 MHz betrieben. Die Größe der Induktionsspule variiert je nach Anwendung sehr stark, im Bereich von wenigen mm² bis zu mehreren m².
Weitere denkbare Messeinrichtungen zur Erfassung des Magnetfeldes sind magnetoresistive Magnetometer, Protonenmagnetometer, Flux-Gate-Sensoren, SQUIDs oder optisch gepumpte Magnetometer. Magnetoresistive Magnetometer basieren auf dem magnetoresistiven Effekt, einer Widerstandsänderung durch ein externes Magnetfeld. Protonenmagnetometer nutzen die Reaktion der Protonen in Kohlenwasserstoffmolekülen auf ein magnetisches Feld. Flux-Gate-Sensoren bestehen aus einem ferromagnetischen Material auf dem zwei Spulen gewickelt sind. Es nutzt die magnetische Induktion zusammen mit der Hysterese, die bei allen ferromagnetischen Materialien auftritt. Das SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) nutzt zwei makroskopische Quantenphänomene aus, die bei Supraleitung auftreten. Es ist die empfindlichste Messmethode für Änderungen des magnetischen Flusses. Optisch gepumpte Magnetometer nutzen den Zeemann-Effekt. Die Elektronen eines Atoms wechselwirken über ihre magnetischen Momente, die vom Spin herrühren, als auch über ihre elektrischen Stromdichten, die durch den Bahndrehimpuls entstehen, mit äußeren Magnetfeldern.
Die Pickup-Spule kann entlang der Strahlführung des Elektromagneten angebracht sein und die Änderung des magnetischen Feldes in dem Magnetgap integral erfassen. Die Pickup-Spule umschließt dabei den gesamten magnetischen Fluss, welcher auf den Teilchenstrahl einwirkt, inklusive der Randfelder an Anfang und Ende des Dipols. Die Wirkung des Magnetfeldes auf den Teilchenstrahl und auf die Induktionsspule ist damit vergleichbar. Bei dieser Ausgestaltung erfasst die Pickup-Spule vollständig das magnetische Feld, welches der Teilchenstrahl „spürt“.
Die Integratoren können so angeordnet sein, dass ein Integrator die durch die zweite Messeinrichtung erfassten Werte integriert, während der andere Integrator einen Kalibrierzyklus durchläuft. Bei dieser Ausgestaltung kann der hochgenaue Integrator in Echtzeit das Integral der am Eingang des Integrators anliegenden analogen Spannung liefern, welche in der Pickup-Spule entsteht. Gleichzeitig kann ständig eine Kalibrierung des anderen Integrators erfolgen, welche darüber hinaus im laufenden Betrieb durchgeführt werden kann. Dafür werden zwei identische Integrationspfade verwendet, die nach der Kalibrierung selbstständig umschalten. Die laufende Messung wird dadurch nicht beeinträchtigt. In vorgegebenen Zeitabständen, beispielsweise alle 4 s kann eine neue Kalibrierung durchgeführt werden.
Die Integratoren können einen Spannungs-Frequenz-Wandler umfassen. Ein Spannungs-Frequenz-Wandler ist ein Gerät, das eine elektrische Spannung in eine dazu proportionale Frequenz umformt. Die zweite Messeinrichtung liefert als Messsignal eine elektrische Spannung, welche das Eingangssignal des Spannungs-Frequenz-Wandlers bildet. In dem Spannungs-Frequenz-Umformer fließt ein dazu proportionaler elektrischer Strom, der einen Kondensator lädt. Bei Erreichen eines Ladungs-Grenzwertes wird ein Gegenkopplungskondensator durch einen kurzen, in Dauer und Höhe festen Stromstoß in Gegenrichtung geladen. Je höher der Eingangsstrom ist, desto häufiger ist die Gegenladung erforderlich. Die Frequenz dieser Stromstöße ist proportional zur Eingangsspannung. Hierbei ist vorteilhaft, dass die aus der analogen Spannung ermittelte Frequenz mit einfachen Mitteln digital weiterverarbeitet werden kann.
Die Integratoren können einen Komparator, ein Abtast-Halte-Glied, einen Gegenkopplungskondensator und ein über eine Clock getaktetes Flip-Flop umfassen, welches den Gegenkopplungskondensator nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit entlädt. Gegenkopplungskondensatoren weisen eine endliche Entladungszeit auf, so dass der Gegenkopplungskondensator nur bei ausreichend niedrigen Anregungsfrequenzen entladen werden kann. Für höhere Frequenzen sind Kompensationsschaltungen erforderlich. Eine vorteilhafte Kompensationsschaltung besteht darin, den Gegenkopplungskondensator mittels Abtast-Halte-Glied (Sample-and-Hold) und ein über eine Clock getaktetes Flip-Flop nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit zu entladen.
Die Integratoren können einer zeitgesteuerten Umschalteinheit zugeordnet sein, welche den Wechsel der Betriebszustände der Integratoren automatisch veranlasst. Eine derartige Umschalteinheit kann ein Multiplexer sein. Ein Multiplexer (MUX) ist eine Selektionsschaltung in der analogen und digitalen Elektronik, mit der aus einer Anzahl von Eingangssignalen und einer Anzahl von Ausgängen ein Pfad ausgewählt werden kann.
Die zweite Messeinrichtung kann die infolge einer Änderung des Magnetfeldes induzierte Spannung erfassen, welche den Eingangswert der Integratoren bildet. Ist die zweite Messeinrichtung als Pickup-Spule ausgebildet, wird in der Spule eine elektrische Spannung induziert, wenn sich das Magnetfeld ändert. Die Spannung ist dabei abhängig von der Änderung der magnetischen Feldstärke und von der Anzahl der Spulenwicklungen. Vorzugsweise ist die Pickup-Spule so ausgebildet, dass bei einer maximalen Änderung der Feldstärke von 1,5 T/s eine elektrische Spannung zwischen ±10 V, vorzugsweise zwischen ±5 V induziert wird.
Die von der zweiten Messeinrichtung erfasste induzierte Spannung kann mit einer Offsetspannung versehen werden, so dass das Eingangssignal des Integrators die erfasste induzierte Spannung zuzüglich der Offsetspannung bildet. Dadurch können auch negative Spannungen bei abnehmendem Magnetfeld auf eine positive Spannung am Integrator abgebildet werden. Die Offsetspannung ist vorzugsweise so hoch wie die maximale zu erwartende induzierte Spannung und beträgt beispielsweise ebenfalls 5 V. Die Offsetspannung kann durch eine Addition mit einem Operationsverstärker bereitgestellt werden.
Die zwei parallel zueinander angeordneten Integratoren können einer Multiplexereinheit zugeordnet sein, wobei die Multiplexereinheit so geschaltet ist, dass der erste Integrator die magnetische Feldstärke erfasst und weitergibt, während der zweite Integrator zunächst die Kurzschlusskalibrierung und anschließend die Referenzspannungskalibrierung durchläuft, wobei nach Abschluss der Kalibrierung der zweite Integrator die Feldstärke erfasst und weiterleitet, während der erste Integrator den Kalibrierungszyklus durchläuft. Dabei befindet sich stets ein Integrator im Betriebsmodus, während der andere Integrator im Kalibriermodus ist. Somit kann die Erfassung und Weiterverarbeitung der Messwerte unterbrechungsfrei erfolgen, während durch die häufig durchgeführte Kalibrierung eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes umfasst die folgenden Schritte:

– Erfassung der absoluten Feldstärke eines Magnetfeldes an einem Ort mittels einer ersten Messeinrichtung
– Erfassen der Änderung der magnetischen Feldstärke mittels einer zweiten Messeinrichtung
– Integration der induzierten Spannung der durch die zweite Messeinrichtung erfassten Änderung der magnetischen Feldstärke
– Abgleich der absoluten magnetischen Feldstärke und dem integralen Magnetfeld des Elektromagneten
– Vergleich des so erhaltenen integralen Magnetfeldes mit einem vorgegebenen Sollwert
– wobei zumindest zwei Integratoren vorgesehen sind, von denen ein Integrator die durch die zweite Messeinrichtung erfasste Änderung der magnetischen Feldstärke integriert und ein zweiter Integrator einen Kalibrierzyklus durchläuft.

Wie bereits ausgeführt, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, dass sich durch die zumindest zwei Integratoren mehrere parallel zueinander angeordnete Integratorenpfade ergeben. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass ein Integrator in den laufenden Betrieb geschaltet wird und die von der zweiten Messeinrichtung auf den Integrator gegebene Spannung in zählbare Impulse wandelt, aus welchen wiederum die aktuelle integrale Feldstärke ermittelbar ist und dass ein zweiter Integrator nicht aktiv ist, sondern einen Kalibrierzyklus durchlaufen kann.
Der Integrator wird durch verschiedene Fehlerquellen beeinflusst, die die Genauigkeit des Integrals einschränken. Zeitlich veränderliche Fehler resultieren vor allem aus Temperaturschwankungen durch Schwankungen der Umgebungstemperatur oder durch Erwärmung der Elektronik nach dem Einschalten. Eine weitere Fehlerquelle ist das Rauschen, wobei Rauschen entweder von außen auf die Schaltung einwirken kann oder durch Prozesse im Inneren entsteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung besteht darin, dass mit zwei aufeinanderfolgenden Kalibrierungsmessungen der Flusswert eines Impulses und ein Offsetfehler bestimmt wird. Damit werden alle möglichen Fehler auf dem Weg von der Pickup-Spule bis zum Ausgang korrigiert. Dabei werden die Abweichungen der von den Temperaturschwankungen beeinflussten Größen erfasst, indem am Eingang eine vorgegebene hochgenaue Spannung eingespeist wird.
Mit einem Kurzschluss am Eingang des Integrators werden die erzeugten Impulse des Spannungs-Frequenz-Wandlers über eine Zeit von beispielsweise 2 s gezählt. Die mittlere Frequenz der gemessenen Impulse wird während der Messphase von den Impulsen des Spannungs-Frequenz-Wandlers in Echtzeit abgezogen.
Mit einer Referenzspannung am Eingang des Integrators, welche vorzugsweise der halben maximal zu erwartenden Spannung, also beispielsweise 2,5 V beträgt, werden die erzeugten Impulse über eine Zeit von beispielsweise 2 s gezählt. Aus der Referenzspannung und den gezählten Impulsen wird der Wert eines Impulses berechnet.
Die vorgeschlagene Kalibrierzeit von je 2 s bildet einen Kompromiss zwischen kleinen Diskretisierungsfehlern bei langer Kalibrierzeit und kleineren Messfehlern durch kurze Kalibrierzeit in denen sich die umweltbedingten Einflüsse wenig ändern.
Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
1 einen Ringbeschleuniger;
2 einen Elektromagneten in Form eines Dipols;
3 einen Elektromagneten in Form einen Quadrupols;
4 eine Pickup-Spule für einen Quadrupol;
5 Stromverlauf in Dipolen eines Ringbeschleunigers;
6 Blockschaltbild der Vorrichtung;
7 Schaltbild eines Spannungs-Frequenz-Wandlers;
8 die Magnetfeldregelung eines Dipolmagneten.
1 zeigt einen Ringbeschleuniger 1 zur Erzeugung von beschleunigten Ionen für die Schwerionentherapie. Eine vorgeschaltete Ionenquelle 2 erzeugt geladene Teilchen der gewünschten Ionensorte und beschleunigt sie auf die benötigte Geschwindigkeit für die Injektion in den Linearbeschleuniger 3. Für die Produktion von Protonen wird Wasserstoffgas (H₂) verwendet. Für Kohlenstoffionen kommt Kohlendioxid (CO₂) zum Einsatz. Der extrahierte Strahl aus der Ionenquelle beinhaltet ein Spektrum aus allen im Gas vorhandenen Elementen in verschiedenen Ladungszuständen. In dem folgenden Stripper verlieren die Ionen noch vorhandene Elektronen. Die gestrippten Ionen werden dann über eine Strahlführung 4 in den Ringbeschleuniger 1, das Synchrotron injiziert. Nach Abschluss der in dem Ringbeschleuniger 1 durchgeführten Beschleunigung erfolgt die Extraktion der Ionen.
2 zeigt einen Dipol 5 zur Umlenkung der in dem Ringbeschleuniger 1 umlaufenden Ionen. Der Dipol 5 weist ein Joch 6 aus weichmagnetischem Material mit etwa rechteckigem Querschnitt auf und ist in der Mitte mit einer ebenfalls rechteckigen Durchbrechung 7 versehen. Zur Reduzierung von Wirbelströmen kann das Joch 6 aus mehreren aufeinander gelegten Platten bestehen. Bei einem Ringbeschleuniger 1 ist das Strahlführungsrohr für den Teilchenstrahl in der Durchbrechung 7 angeordnet. An zwei Seiten des Dipols 5 sind Spulen 8 angebracht. Bei Beaufschlagung der Spulen 8 mit elektrischem Strom wird in dem Dipol 5 und in der Durchbrechung 7 ein Magnetfeld induziert. Ein Dipol 5 ist somit ein Elektromagnet 15. Zur Konzentration der in der Durchbrechung 7 verlaufenden magnetischen Flusslinien ist der Dipol 5 ferner mit Polen 9 versehen, welche an den die beiden Spulen 8 verbindenden Seiten angeordnet sind und in die Durchbrechung 7 ragen. Sind die einander zugewandten Seiten der Pole 9 parallel zueinander ausgerichtet, bildet sich zwischen den Polen 9 ein homogenes Magnetfeld aus.
Die Dipole 5 eines Synchrotrons lenken den Teilchenstrahl (Ionenstrahl) durch ein homogenes, senkrecht zur Strahlenachse stehendes Magnetfeld auf eine Kreisbahn.
Der Ablenkwinkel beschreibt die Ablenkung, die der Teilchenstrahl durch den Dipol 5 erfährt. Der Ablenkwinkel ist abhängig von der magnetischen Feldstärke B und der effektiven magnetischen Länge L des Magneten sowie von der Steifigkeit des Teilchenstrahls Bρ.
Für die Messung der absoluten Feldstärke ist in dem Dipol 5 eine erste Messeinrichtung 10 in Form einer Hallsonde angeordnet. Zur Erfassung der integralen Feldes BL ist eine zweite Messeinrichtung 11 in Form einer Pickup-Spule (einer Induktionsspule) vorgesehen, die entlang der Strahlführung des Dipols 5 angebracht ist.
Die Pickup-Spule ist an dem Strahlrohr angebracht. Die Pickup-Spule umschließt den magnetischen Fluss inklusive der Randfelder an Anfang und Ende des Dipols 5. Die Pickup-Spule befindet sich bei dieser Ausgestaltung in der Nähe des Strahls und der magnetische Fluss durch die Pickup-Spule ist proportional zu dem integralen Magnetfeld BL ist, das der Teilchenstrahl durchläuft. Somit sind die Wirkungen des Magnetfelds auf den Teilchenstrahl und auf die Induktionsspule vergleichbar
Das integrale Magnetfeld, welches zwischen den Polen 9 herrscht, kann aus zwei Messgrößen berechnet werden: der von der ersten Messeinrichtung 10 erfassten Hallspannung und der von der zweiten Messeinrichtung 11 erfassten integrierten induzierten Spannung.
3 zeigt einen als Quadrupol 12 ausgebildeten Elektromagneten 15. Ein Quadrupol 12 weist ebenfalls ein Joch 6 aus weichmagnetischem Material mit etwa rechteckigem Querschnitt auf und ist in der Mitte mit einer rechteckigen Durchbrechung 7 versehen. An allen Seiten des Quadrupols 12 sind Spulen 8 angebracht. Bei Beaufschlagung der Spulen 8 mit elektrischem Strom wird in dem Joch 6 ein magnetischer Fluss und in der Durchbrechung 7 ein Magnetfeld induziert. Zur Konzentration der in der Durchbrechung 7 verlaufenden magnetischen Flusslinien ist der Quadrupol 12 ferner mit vier Polen 9 versehen, welche an den Ecken des Jochs 6 angeordnet sind und in die Durchbrechung 7 ragen.
4 zeigt einen Quadrupol 12 mit daran montierter Pickup-Spule. Die Pickup-Spulen der Quadrupole 12 werden um die vier Pole 9 gewickelt. Die Wicklung wechselt bei jedem Pol 9, wie in 4 dargestellt, die Richtung. Die Spulen um die beiden Nordpole müssen entgegengesetzt der Richtung der beiden Südpole gewickelt sein, damit die induzierten Spannungen in der Spule die gleiche Polarität haben.
Das Signal der Pickup-Spulen wird vorzugsweise mit geschirmten Koaxialleitungen zu den Integratoren geleitet.
5 zeigt den in Phasen eingeteilten Stromverlauf in den Dipolen 5 während eines Beschleunigerzyklus:
INIT – Vorbereitungsphase: In dieser Phase werden alle Komponenten des Synchrotrons vorbereitet und auf die entsprechenden Werte für den anschließenden Injektionsvorgang gesetzt. In der ersten Phase „INIT“ wird der Magnet vom Ruhestrom auf den Strom für die Injektion gefahren. Damit es nicht zu Sprüngen im Sollwert für den Strom kommt, wird eine Rampe aus zwei Verrundungen und einem linearen Teil berechnet, die den Magneten am Ende auf das integralen Feld für Injektion fährt.
INJ – Injektionsphase: In dieser Phase wird der Strahl aus dem Linearbeschleuniger in das Synchrotron injiziert und akkumuliert. Hierzu sind eine genaue zeitliche Synchronisierung mit dem Linearbeschleuniger-Zyklus und eine genaue Synchronisierung der Geräteaktivitäten erforderlich. In der Phase „INJ“ wird der Strahl mit der Multiturninjektion ins Synchrotron injiziert. Der Strom des Dipols 5 darf sich nicht ändern, während der Strahl über mehrere Umläufe akkumuliert wird. Ab dem Beginn der Phase „INJ“ befindet sich Strahl im Synchrotron und die folgenden Phasen müssen von allen Geräten synchron ausgeführt werden.
CAPT – HF-Einfang: Der Strahl in der Maschine wird zu Paketen gebündelt (gebuncht). Auch in der Phase „CAPT“ darf sich das Magnetfeld der Dipole 5 nicht ändern. Der Strahl wird eingefangen (capture) und zu Teilchenpaketen geformt.
ACC – Beschleunigungsphase: Der gebunchte Strahl wird beschleunigt. In dieser Phase ist eine genaue Synchronisierung der Frequenz der Beschleunigungskavität mit der Dipolerregung notwendig, um den Strahl auf der Sollbahn zu halten und ein Anwachsen der Impulsbreite zu verhindern. Weiterhin ist eine exakte Synchronisierung der Dipolerregung mit der Quadrupolerregung erforderlich, um Strahlverluste durch eine Variation des Q-Werts zu vermeiden. In der Phase „ACC“ findet die Beschleunigung des Strahls auf die Endenergie statt. Es wird eine lineare Steigung für die Steifigkeit des Strahls Bρ vorgegeben, an dem sich alle anderen Geräte orientieren. Auch hier findet wieder eine Verrundung der Sollwert in die Rampe und eine Verrundung aus der Rampe statt, um Sollwertsprünge zu vermeiden. Synchron zu den Magnetfeldern in den Dipolen 5 wird die Umlauffrequenz der Teilchen im Synchrotron erhöht, dadurch werden die Teilchen beschleunigt.
PREP – Vorbereitungsphase für Extraktion: In dieser Synchrotronphase wird die Extraktion des Strahls vorbereitet. Hierzu werden die Extraktionssextupole erregt und der Q-Wert in die Nähe der Resonanz gefahren. Die Phase „PREP“ bereitet die Extraktion des Strahls vor. Im Wesentlichen besteht sie aus einer Wartezeit von etwa 700 ms, in der die Synchrotronmagnete bei konstantem Strom ihre Wirbelströme abbauen. Diese Phase ist besonders interessant für die erfindungsgemäße Magnetfeldregelung, da sie mit Hilfe der Magnetfeldregelung fast komplett entfallen kann.
EXTR – Extraktionsphase: In dieser Phase wird die Strahlextraktion durchgeführt. Hierzu wird der RF-Exciter erregt und der Strahl über Resonanzprozesse kontinuierlich aus der Maschine ausgekoppelt. Nur in dieser Phase ist eine Unterbrechung der Extraktion (Spill-Pause) zulässig. Die Extraktionsphase wird durch ein externes Signal beendet. In der Extraktionsphase „EXTR“ wird der Strahl mit Hilfe eines KO Exciters langsam aus dem Synchrotron extrahiert.
DUMP – Strahlvernichtungsphase: In dieser Phase wird der noch im Synchrotron verbliebene Teilchenstrahl gezielt vernichtet. Hierzu wird der Orbit nach oben an einen vertikal angeordneten Scraper verschoben. Nach Abschluss der Extraktion wird der Reststrahl in der Phase „DUMP“ auf einem Scraper im Synchrotron gedumpt. In beiden Phasen bleibt der Strom der Dipole 5 auf seinem Wert.
WASH – Konditionierungsphase: In dieser Phase werden Quadrupole und Umlenker konditioniert, indem der Magnetstrom bis zu einem reproduzierbaren Maximalwert hochgefahren wird. Hiermit wird erreicht, dass diese Magnete am Beginn jedes Zyklus identisches magnetisches Verhalten aufweisen. Diese Phase kann ausgeschaltet werden. In der Konditionierunsphase „WASH“ werden die Magnete erst auf einen Maximalwert gefahren und dann zurück auf ihren Ruhestrom um die Reproduzierbarkeit der Parameter unabhängig von der Remanenz der Magnete zu garantieren. Die Hysterese der Dipole und Quadrupole im Synchrotron führt dazu, dass sich ein unterschiedliches Remanenzfeld einstellt, wenn nicht die gleiche Hysteresekurve durchlaufen wird. Dies kann nur sichergestellt werden, wenn am Ende jedes Zyklus das Maximalfeld angefahren wird. Diese Phase kann mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldregelung ebenfalls entfallen.
RESET – Reset-Phase: In dieser Phase werden für alle Komponenten wieder die Anfangsbedingungen hergestellt.
6 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Integrator 20 liefert in Echtzeit das Integral der analogen Spannung am Eingang, welche in der Pickup-Spule (zweite Messeinrichtung 11) infolge der Einwirkung der Magnetfeldänderung in dem Dipol 5 entsteht. Eine Kalibrierung des Integrators 20 erfolgt ständig und wird im laufenden Betrieb durchgeführt. Dafür werden zwei identische Integrationspfade aus Spannungs-Frequenzwandler 21 und Frequenzzähler (Counter) 22 verwendet, die nach der Kalibrierung selbstständig umschalten. Somit weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei parallel zueinander angeordnete Integratoren 20 auf. Die laufende Messung wird dadurch nicht beeinträchtigt. Alle 4 Sekunden wird eine neue Kalibrierung durchgeführt. Die dazu notwendigen Berechnungen finden in einer Prozessoreinheit statt. Das Ergebnis der Integration hat eine Auflösung von 20 Bit und eine Genauigkeit von 10^–5 Vs.
Der magnetische Fluss, der die Pickup-Spule 11 durchströmt, wird durch das zeitliche Integral der von der Spule erzeugten Spannung (Pickup-Spannung), die zwischen +5 V und –5 V variiert, berechnet. Dazu wird zunächst die Pickup-Spannung in einem Impedanzwandler, realisiert durch einen Operationsverstärker mit Verstärkungsfaktor Eins, zu einer niederohmigen Spannungsquelle. Außerdem wird die Pickup-Spannung um eine Offsetspannung 23, hier um 5 V verschoben. Die so erzeugte Eingangsspannung bewegt sich damit im Bereich von 0 bis 10 V. Die Eingangsspannung dient als Eingangssignal für den nachfolgenden Integrator 20, welcher einen Spannungs-Frequenz-Wandler (UF-Wandler) 21 enthält.
Das integrale Magnetfeld berechnet sich aus zwei Messgrößen, der Hallspannung und der integrierten induzierten Spannung der Pickup-Spule. Außerdem werden ein Offsetabgleich der Hallsonde 10 und eine Driftkorrektur der Pickup-Spule 11 benötigt. Der Integrator 20 ist so ausgestaltet, dass er in Echtzeit das Integral der analogen Spannung beim Eingang liefert, welche von der Pickup-Spule 11 gemessen wird. Ferner erfolgt ständig eine Kalibrierung des Integrators 20, wobei diese im laufenden Betrieb durchgeführt werden kann. Dafür werden zwei identische Integrationspfade vorgesehen.
Der erfindungsgemäße Schaltungsaufbau umfasst zwei Pfade für gleichzeitiges Messen und Kalibrieren. Als Ergebnis der Integration soll die integrierte Spannung in Form von Pulsen, die mit einer gewissen Frequenz erzeugt werden, dargestellt werden. Dabei wird das eigentliche Ausgangssignal des Integrators 20, die zeitliche Abfolge von Impulsen, direkt benutzt. Die Frequenz ist die Zahl der Impulse pro Zeit. Die Zahl der in einem Zeitintervall von einem Spannungs-Frequenz-Wandler 21 abgegebenen Impulse gibt die integrierte Eingangsspannung wieder.
Liste der in 6 verwendeten Bezugszeichen:
Bezugszeichenliste

20: Integrator
21: Spannungs-Frequenz-Wandler
22: Zähler
23: Offsetspannung (5V)
24: Multiplexer (MUX)
25: Logik für den Mulitplexer
26: Kalibrierung
27: Integrator (Counter)
28: Kalibrierung
29: Analog-Digital-Wandler (ADC)
30: Stromquelle, Temperaturkompensation
31: PI-Regler (Proportional-Integral-Regler)
32: Spannung von der Pickup-Spule (Pickup-Spannung), Messwert zweite Messeinrichtung 11
33: Referenzspannung (2,5 V)
34: Erdung (GND)
35: Messwert Hallsonde, Messwert erste Messeinrichtung 10
36: Synchronisation (Sync)
37: Sollwert integrales Feld
38: Stellgröße
39: Feldfehler

7 zeigt im Detail das Schaltbild eines synchronen Spannung-Frequenz-Wandlers 21. Ein RC-Integrator 40 entlädt den Kondensator 41 über den Eingangswiderstand, so dass sich der Ladungszustand im Kondensator 41 über ein Zeitintervall ändert. Die Spannung am Kondensator 41 ist gegeben durch seine Ladung Q(t) dividiert durch seine Kapazität C_INT und wird am Komparator 42 mit einer Konstantspannung 47 von +5 V verglichen. Fällt die Kondensatorspannung unter diesen Grenzwert, wird die sich an den Komparator 42 anschließende Logik in Gang gesetzt. Diese lädt den Kondensator 41 um einen vorgegebenen Betrag auf und erzeugt einen Impuls am Ausgang. Durch die angelegte Spannung sinkt die Ladung im Kondensator 41 und seine Spannung unterschreitet schließlich die Referenzspannung. Dadurch geht der Ausgang des Komparators 42 und des AND-Gatters 43 von Low auf High. Bei der nächsten fallenden Flanke der Clock 44 wird die veränderte Situation verarbeitet und der DFLOP Ausgang 45 geht auf High. Bei der folgenden ansteigenden Flanke der Clock 44 geht AND-out wieder auf Low und LATCH-out 46 auf High, wodurch nun ein Impuls abgesetzt wird. Gleichzeitig beginnt die Resetphase des Kondensators 41, in der ihm für ein Clockintervall mit einem Konstantstrom von 1 mA eine Ladung zugeführt wird. Da sich der Referenzstrom um den Strom durch R_IN verringert, findet auch während dieses Clockintervalls ein partieller Abfluss statt. Bei der folgenden ansteigenden Flanke der Clock 44 ist der Aufladevorgang abgeschlossen und der Kondensator 41 entlädt sich wieder unter dem fortbestehenden Einfluss der Eingangsspannung.
Im folgenden Zyklus wird dann wieder der Komparator-Grenzwert unterschritten und der oben beschriebene Ablauf wiederholt sich. Da in der Entladephase nicht genauso viel entladen wird, wie in der Wiederaufladung während eines Zeitintervalls, driftet der Mittelwert der sägezahnförmigen Spannung des Kondensators 41 von dem Grenzwert weg. Danach folgt eine verlängerte oder verkürzte Entladezeit, die wieder einen Ausgleich schafft. Ist der Entladestrom zu groß, wird der Kondensator 41 während einer Clockzeit nicht ausreichend aufgeladen und die sägezahnförmige Kondensatorspannung drifted kontinuierlich nach unten. Sie erreicht nicht mehr die Grenzwert-Spannung. In diesem Fall erfolgt in jedem zweiten Zeitzyklus ein Ausgangsimpuls.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung besteht darin, dass mit zwei aufeinanderfolgenden Kalibrierungsmessungen der Flusswert eines Impulses und ein Offsetfehler bestimmt wird. Damit werden alle möglichen Fehler auf dem Weg von der Pickup-Spule 11 bis zum Ausgang korrigiert. Dabei werden die Abweichungen der von den Temperaturschwankungen beeinflussten Größen erfasst, indem am Eingang eine vorgegebene hochgenaue Spannung eingespeist wird.
Mit einem Kurzschluss am Eingang des Integrators 20 werden die erzeugten Impulse des Spannungs-Frequenz-Wandlers über eine Zeit von 2 s gezählt. Die mittlere Frequenz der gemessenen Impulse wird während der Messphase von den Impulsen des Spannungs-Frequenz-Wandlers 21 in Echtzeit abgezogen.
Mit einer Referenzspannung am Eingang des Integrators 20, welche vorzugsweise der halben maximal zu erwartenden Spannung, also 2,5 V beträgt, werden die erzeugten Impulse über eine Zeit von 2 s gezählt. Aus der Referenzspannung und den gezählten Impulsen wird der Wert eines Impulses berechnet.
Die vorgeschlagene Kalibrierzeit von je 2 s bildet einen Kompromiss zwischen kleinen Diskretisierungsfehlern bei langer Kalibrierzeit und kleineren Messfehlern durch kurze Kalibrierzeit in denen sich die umweltbedingten Einflüsse wenig ändern.
8 zeigt ein Blockschaltbild einer Magnetfeldregelung eines Dipols 5. Das Beschleunigerkontrollsystem 50 versorgt das Magnetnetzgerät 51 mit einem Sollwert 52 für den Strom 56 und die Magnetfeldregelung 55 mit einem zweiten Sollwert 53 für das integrale Feld. Über eine Rückkopplung wird ein Korrektursignal 54 an das Magnetnetzgerät 51 weitergegeben. Der Elektromagnet 5, 15 erzeugt aus dem Strom 56 des Magnetnetzgerätes 51 ein Magnetfeld, das mit der Magnetfeldregelung 55 gemessen wird. Die Magnetfeldregelung 55 gibt den Feldfehler, die Abweichung vom zweiten Sollwert 53, als Korrektursignal 54 an das Magnetnetzgerät 51 weiter, das den Feldfehler durch eine Korrektur des Stroms 56 ausregelt. Die Magnetfeldregelung 55 enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Integrator 20, beziehungsweise den parallel zueinander angeordneten Integratorpfaden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2274634 B1 [0018]

Claims

Vorrichtung zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten (5, 12, 15) erzeugten Magnetfeldes umfassend eine erste Messeinrichtung (10) zur Erfassung der absoluten magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes, eine zweite Messeinrichtung (11) zur Erfassung der Änderung der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes, zumindest zwei Integratoren (20) zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke der in der zweiten Messeinrichtung (11) erfassten Änderung der magnetischen Feldstärke, welche parallel zueinander angeordnet sind, Kalibriermittel, eine Einheit zum Abgleich der durch die erste Messeinrichtung (10) und der durch die zweite Messeinrichtung (11) erfassten magnetischen Feldstärke und einer weiteren Einheit zum Vergleich der erfassten magnetischen Feldstärke mit einer vorgegebenen Soll-Feldstärke.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinrichtung (10) als Hallsonde ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinrichtung (11) als Pickup-Spule ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pickup-Spule entlang der Strahlführung des Elektromagneten (5, 12, 15) angebracht ist und das in dem Magnetgap auftretende magnetische Feld integral erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoren (20) so angeordnet sind, dass ein Integrator (20) die durch die zweite Messeinrichtung (11) erfassten Werte integriert, während der andere Integrator (20) einen Kalibrierzyklus durchläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoren (20) einen Spannungs-Frequenz-Wandler (21) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoren (20) einen Komparator (42), ein Abtast-Halte-Glied, einen Gegenkopplungskondensator (41) und ein über eine Clock (44) getaktetes Flip-Flop umfassen, welches den Gegenkopplungskondensator (41) nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit entlädt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoren (20) einer zeitgesteuerten Umschalteinheit (24) zugeordnet sind, welche den Wechsel der Betriebszustände der Integratoren (20) veranlasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinrichtung (11) infolge einer Änderung des Magnetfeldes eine induzierte Spannung erfasst, welche den Eingangswert des Integrators (20) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zweiten Messeinrichtung (11) erfassten induzierten Spannung (32) mit einer Offsetspannung (23) versehen ist, so dass das Eingangssignal des Integrators (20) die erfasste induzierte Spannung (32) zuzüglich der Offsetspannung (23) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zueinander angeordneten Integratoren (20) einer Multiplexereinheit (24) zugeordnet sind, wobei die Multiplexereinheit (24) so geschaltet ist, dass der erste Integrator (20) die magnetische Feldstärke erfasst und weitergibt, während der zweite Integrator (20) zunächst die Kurzschlusskalibrierung und anschließend die Referenzstromkalibrierung durchläuft, wobei nach Abschluss der Kalibrierung der zweite Integrator (20) die Feldstärke erfasst und weiterleitet, während der erste Integrator (20) den Kalibrierungszyklus durchläuft.
Verfahren zur Erfassung und Regelung eines durch einen Elektromagneten (5, 12, 15) erzeugten Magnetfeldes umfassend die folgenden Schritte: – Erfassung der absoluten Feldstärke eines Magnetfeldes an einem Ort mittels einer ersten Messeinrichtung (10) – Erfassen der Änderung der magnetischen Feldstärke mittels einer zweiten Messeinrichtung (11) – Integration der durch die zweite Messeinrichtung (11) erfassten Änderung der magnetischen Feldstärke – Abgleich der absoluten magnetischen Feldstärke und der integrierten Feldstärke – Vergleich der so erhaltenen Feldstärke mit einer vorgegebenen Soll-Feldstärke – wobei zumindest zwei Integratoren (20) vorgesehen sind, von denen ein Integrator die durch die zweite Messeinrichtung (11) erfasste Änderung der magnetischen Feldstärke integriert und ein zweiter Integratoren einen Kalibrierzyklus durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste Messeinrichtung (10) als auch die zweite Messeinrichtung (11) vor Beginn der Messung kalibriert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung des Integrators (20) in einem ersten Schritt der Eingang des Integrators (20) kurzgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt der Eingang des Integrators (20) mit einer Referenzspannungsquelle (33) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kurzschlusskalibrierung Korrekturimpulse ermittelt werden, die während der Messung in Echtzeit vom Messwert abgezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Referenzspannungskalibrierung der Wert eines Impulses des jeweiligen Spannungs-Frequenz-Wandlers (21) ermittelt wird, mit dem während der Messung die Impulse gewichtet werden.