兰州重离子加速器储存环引出切割磁铁电源数字化升级

介绍了兰州重离子加速器储存环(HIRFL-CSR)引出切割磁铁电源的工作原理及进行数字化升级方案。采用了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的可编程片上系统(SOPC)、NIOSII的软件架构及硬件描述语言编写的多环调节算法,探讨了在FPGA上实现加速器电源控制算法的一些关键问题。对引出切割磁铁电源进行数字化升级后,HIRFL-CSR的主环束流引出过程更加可靠,同时提高了实验终端束斑位置的稳定性。本工作为HIRFL-CSR磁铁电源的全面数字化及重离子治癌数字电源的研发提供了重要的技术参考。     

冷却存储环虚拟加速器的数据交互系统

 介绍了兰州重离子加速器冷却存储环（HIRFL CSR）为重离子治癌而改造的控制系统中的数据交互系统,数据交互系统是CSR虚拟加速器的核心。该系统能实现对256个能量级的束流控制,为以后深层重离子治癌做好准备。系统主要采用Java,COM,Oracle,ARM,DSP,FPGA等技术实现了对磁铁电源的实时、同步控制,已达到对束流的控制及束流在不同能量级间的切换控制。该系统已经运行于冷却存储环主环（CSRm）的束流慢引出调试中,性能稳定,能满足物理人员的要求。     

基于CPCI总线DMA方式的实时高速数据交换系统

针对在重离子同步加速器运行过程中,如何解决设备控制器与上层数据处理程序之间的高速数据交换的问题,自主研发了基于Compact PCI总线板卡,板载FPGA,DSP,SDRAM等资源,并设计了DMA完整控制逻辑,传输协议解译全部由硬件完成(FPGA)。多个软硬件模块共同实现了该实时高速数据交换系统。该系统经实测,结构完整自洽,数据传输带宽符合重离子同步加速器运行要求,实现了数据传输的实时性。重点描述该系统数据通路上的诸多技术环节,包括硬件和软件的功能划分、FPGA、DSP、驱动程序、上层应用等各环节的技术细节。该实时数据交换系统系原创性设计,系统解决了控制与数据采集系统的设备控制层与上层数据处理层之间的实时数据交换问题。     

兰州重离子加速器冷却存储环慢引出控制系统

兰州重离子加速器冷却存储环为了进行深层重离子治疗肿瘤的实验,需要长时间、均匀地慢引出束流至高能束运线,以满足深层重离子治疗肿瘤的束流要求。慢引出控制系统采用加速器控制系统的同步时间信号来进行同步控制以实现整个过程控制;当加速器控制系统的同步事例的同步触发信号进行触发控制以及数据切换（频率值、tune值、电压幅值）,波形发生器通过这三个数据信息产生相应的波形及进行放大器放大并控制静电偏转板以实现束流RF-KO方式慢引出。慢引出控制系统的同步事例接收器主要由FPGA与光纤接口组成,实现同步事例的高速稳定传输与强抗干扰性。深层重离子治疗肿瘤的正常运行以及冷却存储环已实现104 s超长周期的慢引出实验表明,慢引出控制系统能实现实验束流需求的慢引出。     

重离子的剂量特性及其在医学中的应用

从1935年美国Berkeley 回旋加速器上产生的中子对哺乳动物辐照的研究表明,由重离子产生的相当浓密的电离对正常的和恶性增生的(neoplastic)组织造成的生物效应要比X 或γ射线造成的生物效应大。因此对采用重离子来治疗疾病开始发生了很大的兴趣,并导致了中子治癌的试验。第二次世界大战后,有了较大的回旋加速器产生的较高能量的重离子,辐射治疗研究就进一步发展了。第一次用重离子做辐射生物研究是1952年由美国Berkeley 实验室开始的,1954年后在治疗恶性增生的、代谢性.......     

用于重离子加速器磁铁电源的数字调节器设计

 介绍了兰州重离子加速器冷却储存环上采用高级RISC微处理器(ARM)+现场可编程门阵列(FPGA)+DA/AD技术、状态空间方程方法实现对磁铁电源系统数字调节器的设计,它可以实现5阶及以下各阶的调节控制。运用ARM作为调节控制系统的核心处理器,完成系统的多线程任务处理。电源的精度调节通过FPGA和DA/AD相结合的技术来实现,通过千兆光纤接口实现外接数字信号处理器输入信号的直接传输。同时通过光电隔离器对叠加在输入/输出32 bit数字状态量的干扰脉冲进行抑制。经现场测试该调节器达到了加速器电源系统1×10^-4量级的精度要求,并减少了电源系统的故障恢复时间。     

HIMM回旋加速器控制系统中连锁保护功能设计与实现

在HIMM医用重离子加速器（Heavy Ion Medical Machine）中,回旋加速器的连锁保护功能针对离子源、高频、真空、电源、冷却水等子系统的连锁要求,设计实现了设备+PLC+软件三层结构的连锁系统,并保证连锁功能在系统断电、线缆连接故障、数据传输异常等情况下的正常工作。连锁系统可实现硬连锁毫秒级、软连锁次秒级别的反应速度。整体功能在回旋调试过程中得到验证,保障了整个加速器的顺利供束。     

医用重离子回旋加速器径向探针系统（英文）

武威和兰州重离子加速器使用回旋加速器作为其注入器。回旋加速器为该装置的同步加速器提供10μA的碳离子束流以满足其物理需求。而径向探针则是安装在回旋加速器内部实现束流流强和圈图测量的重要束诊元件。径向靶头上的束流信息经前端电子学拾取后会进一步进入数据采集系统,最终实现回旋加速器的束流流强和圈图测试。其中,径向探针的前端电子学采用皮安表,数据采集系统基于实时操作系统和FPGA技术。介绍了径向探针的机械结构设计,并分析了探头有无水冷结构的热结构;描述了控制系统软硬件架构,可以实现10 kHz的数据和位置信息的同步采集。最后,还介绍了探针机械和控制系统的实验室测试和验收标准以及在束测量结果。     

基于FLUKA平台的重离子治癌模拟实验

重离子治癌是指利用大型重离子加速器产生的高能带电重离子束辐照病灶来治疗恶性肿瘤的一种新型放射治疗方法.与传统的常规放射治疗方法相比,重离子束治疗癌症具有特殊的布拉格峰和高RBE优势.相关研究目前已成为放射治疗领域的前沿和热点,同时作为核科学前沿也常被引入到相关专业教学中,由于使用大型重离子加速器的实验教学很难引入高校,为了更好地展示加速器在核医学实验和临床治疗中的使用过程和效果,本文利用FLUKA软件作为操作平台,模拟了用碳离子束治疗脑部肿瘤的实验过程,并根据模拟结果调节参数,给出优化的治疗方案,使学生更深刻的掌握重离子与物质相互作用过程以及重离子治癌的基本原理.     

HIRFL数字化高频低电平控制系统研究

在HIRFL加速器系统中, 需要对射频加速电压的幅度和相位进行精确控制,以实现对重离子的精确俘获、 加速和引出。传统的幅度、相位稳定控制系统采用幅度和相位两个反馈闭合环路来分别稳定腔体电压的幅度和相位。 数字化高频低电平控制系统(LLRF) 基于可编程逻辑门阵列（FPGA）和数字信号处理（DSP）, 采用直接数字频率合成（DDS）与数字正交调制解调（I/Q）技术来实现对高频功率源的控制。 相位控制精度更高, 系统更加稳定。 目前控制系统在假负载上通过了长期稳定性的实验和高功率实验, 幅度偏差小于或等于±1％, 相位偏差小于或等于±0.5°。 In order to ensure that the beam quality is well enough, we need to precisely control the frequency, amplitude and phase of cavity electric field. Traditional control system consists of amplitude loop and phase loop. And these two loops control amplitude and phase stability respectively. The digital low level radio frequency (LLRF) system, which uses advanced digital control technology, needs only one feed back loop to control amplitude and phase stability. The phase control precision and stability of the system are higher than the traditional control system. The LLRF system is based on field programmable gate array (FPGA) and digital signal processing (DSP), and implemented by direct digital frequency synthesis (DDS) and digital orthogonal modulation and demodulation (I/Q) technology. The digital LLRF system has been tested in a long term stability and high power experiments. The amplitude deviation is lower than ±1%, and phase control accuracy is within ±1°.      

强流重离子RFQ加速器高频反馈控制研究

低能量强流重离子直线加速器装置(LEAF)是一台面向核天体物理、原子物理与材料辐照等多学科研究的强流高电荷态重离子直线加速器,由中国科学院近代物理研究所承担建设。LEAF强流离子束加速主要通过一台四翼型连续波RFQ实现,为实现其腔体各种复杂工况下的频率、幅度及相位的稳定控制,高频控制系统采用数字化低电平的方案。此低电平系统针对LEAF-RFQ的特殊要求开发了自动跟踪频率、双路功率源驱动、混合离子束快速切换相位等独特功能,实现了稳定地载束运行。同时,利用上位机程序实现了腔体的一键自动操作。     

Study of a magnetic alloy-loaded RF cavity for bunch compression at the CSR

The Heavy Ion Research Facility and Cooling Storage Ring(HIRFL-CSR)accelerator in Lanzhou offers a unique possibility for the generation of high density and short pulse heavy ion beams by non-adiabatic bunch compression longitudinally,which is implemented by a fast jump of the RF-voltage amplitude.For this purpose,an RF cavity with high electric field gradient loaded with Magnetic Alloy cores has been developed.The results show that the resonant frequency range of the single-gap RF cavity is from 1.13 MHz to 1.42 MHz,and a maximum RF voltage of 40 kV with a total length of 100 cm can be obtained,which can be used to compress heavy ion beams of 238U72+ with 250 MeV/u from the initial bunch length of 200 ns to 50 ns with the coaction of the two single-gap RF cavity mentioned above.     

基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器

设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)与直接数字频率合成(DDS)的磁共振成像(MRI)射频脉冲发生器,采用FPGA实现DDS,并内置软脉冲波形双端口随机存取存储器(RAM)、乘法器以及相关的控制逻辑.实现了较高的技术指标,其中频率、相位与幅度分辨率分别为32 bits、16 bits与16 bits,软脉冲波形的时间精度可达0.1?s.FPGA提供了一个可编程的接口,便于序列控制器对其进行控制,以输出射频脉冲.MRI实验结果证明了该设计的可行性.     

强流质子RFQ加速器高频数字低电平控制系统

强流质子RFQ加速器加速场的频率为352.2 MHz,加速场幅度和相位的精度分别要求控制在±1%和±1°的范围,为了达到这一要求,设计了一套数字低电平控制系统,该系统包括加速场的幅度和相位控制、腔体的谐振频率控制和高功率射频连锁保护3个部分。腔体采样信号的下变频及反馈激励信号的上变频由模拟器件来完成。幅相实时反馈处理过程采用数字I/Q解调的方法,在1块stratixⅡ的FPGA板上实现,板上另有3块DSP用于通信和协助FPGA进行数据处理。系统完成后与RFQ加速器进行联机调试,测试结果基本满足控制精度的要求。     

FPGA-based amplitude and phase detection in DLLRF

The new generation particle accelerator requires a highly stable radio frequency (RF) system. The stability of the RF system is realized by the Low Level RF (LLRF) subsystem which controls the amplitude and phase of the RF signal. The detection of the RF signal's amplitude and phase is fundamental to LLRF controls. High-speed ADC (Analog to Digital Converter), DAC (Digital to Analog Converter) and FPGA (Field Programmable Gate Array) play very important roles in digital LLRF control systems. This paper describes the implementation of real-time amplitude and phase detection based of the FPGA with an analysis of the main factors that affect the detection accuracy such as jitter, algorithm's defects and non-linearity of devices, which is helpful for future work on high precision detection and control.     

重离子治疗装置同步加速器高频控制系统研制

重离子治疗对病灶周围健康组织损伤最小,对癌细胞杀伤效果最佳,是当代公认的先进有效的放疗方法。重离子Bragg峰与束流能量的关系要求重离子束能够在不同的能量间切换,需要加速器实现变能量加速。变能量加速的关键系统是同步加速器高频计算机控制系统;要求该系统能够根据光触发事例自动更换加速波形文件。该系统主要由三块基于PXI总线的FPGA板卡组成,采用了SOPC、DSP等技术,实现了波形文件的接收、插值及输出等功能。目前,控制系统经过长期稳定性试验,指标完全满足重离子治疗要求。Heavy ion therapy is the most advanced and effective method of radiotherapy. Because it has the advantage that it has minimal damage to surrounding healthy tissue and the greatest cancer celling killing effect. The relationship between heavy ion Bragg peak and beam energy requires the accelerator to switch the beam between different energy. The PXI RF control system plays an important role in Heavy Ion Medical Machine(HIMM). It can automatically change the waveform files according to the optical event. The system is mainly consisted by three FPGA cards, based on PXI bus, and mainly use the technology such as SOPC, DSP and so on. The PXI RF control system for HIMM has been tested through a long-term stability experiments, the system meets the proposed requirements.     

FPGA-based amplitude and phase detection in DLLRF

The new generation particle accelerator requires a highly stable radio frequency（RF） system. The stability of the RF system is realized by the Low Level RF（LLRF） subsystem which controls the amplitude and phase of the RF signal. The detection of the RF signal＇s amplitude and phase is fundamental to LLRF controls. High-speed ADC（Analog to Digital Converter） ,DAC（Digital to Analog Converter） and FPGA（Field Programmable Gate Array） play very important roles in digital LLRF control systems. This paper describes the implementation of real-time amplitude and phase detection based of the FPGA with an analysis of the main factors that affect the detection accuracy such as jitter,algorithm＇s defects and non-linearity of devices,which is helpful for future work on high precision detection and control.     

RF system design and measurement of HIRF-CSRe

An RF system for the CSRe （cooling storage experimental ring） is designed and manufactured domestically. The present paper mainly describes the RF system design in five main sections： ferrite ring, RF cavity, RF generator, low level system and cavity cooling. The cavity is based on a type of coaxial resonator which is shorted at the end with one gap and loaded with domestic ferrite rings. The RF generator is designed in the push-pull mode and the low level control system is based on a DSP＋FGPA＋DDS＋USB interface and has three feedback loops. Finally we give the results of the measurement on our system.     

CSNS LINAC低电平射频控制系统软件设计

低电平射频控制系统主要用于对加速腔的高频场和谐振频率的控制,保证加速器的稳定运行并输出高品质的束流.低电平控制系统软件提供可视化操作界面,实现数据显示和存储、自动化算法等功能,提高了低电平系统的可操作性,减少了人工作业量和故障率.软件开发具有灵活性强、开发周期短的特点,适合控制速度要求相对不高而逻辑较为复杂的功能开发....