DG型电子加速器自校正扫描系统的研制

为了提高DG型电子加速器束流扫描均匀度、解决束流中心偏移、提升束流引出效率,开发了一种既可实现X,Y两相互垂直方向均匀扫描又可以实现束流中心自动对中调节的扫描系统。介绍了扫描磁铁及其电源参数的选取依据,阐述了将扫描磁铁和束流校正线圈进行整体式设计的扫描系统扫描电流成形方式及自动对中电路信号调制过程,包括为提高加速器运行安全性而设计的连锁保护信号。产业化现场使用事实已证明,该系统设计完全达到了设计要求,具有优良的扫描均匀度和长时间工作稳定可靠性。     

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。     

30MeV医用回旋加速器束流输运线上旋转扫描磁铁的研制

加速器引出束流分布一般都是高斯分布, 而在束流应用中需要更多的是均匀分布的束流. 目前国内研究已经实现了束流的均匀分布, 但事实上这些束流的均匀度不够理想. 因此, 重点介绍了能够使束流实现高均匀分布的旋转扫描磁铁的研制过程, 在理论推敲和实践检测的基础上充分证实: 通过旋转扫描磁铁的作用, 束流可以在目标靶上完全实现高均匀分布. 这项技术在国内实属首创, 其性能已经达到国际同类磁铁的先进水平.     

医用加速器二极磁铁的非单一工作模式电源控制器设计

近年来,离子治疗技术在国内外发展迅速。为满足加速器调试和不同治疗方案对医用回旋加速器装置的不同束流能量要求,二极磁铁电源要求工作在可相互切换的直流、有序触发和周期脉冲三种模式。使用中国科学院近代物理研究所自主研发的集成盒装式控制器,实现了对电源的控制和保护功能。为了适应调试和治疗两种不同场合的需求,控制器还支持本地和远程控制两种不同的网络协议,可通过触摸屏的控制按钮完成两者的切换。电源主回路和控制器设计并装配完成后,对各项指标进行了测试。测试结果表明,电源可正常工作在不同模式下,额定电流下长期稳定度达到了21×10–6,电流纹波小于万分之四,超出了设计指标。     

栅扫描重离子束治癌束流配送系统对运动靶区的适形放疗(Ⅰ)模拟计算

从理论上研究了在主动型栅扫描束流配送系统下,靶体运动对靶区剂量均匀性以及重离子治疗适形程度的影响.模拟计算了在实验测量得到的脉冲束流照射下,栅扫描系统引导束流对运动靶体实施照射后,靶体运动模式与靶区各等能量断层剂量分布均匀性的关系.由这些模拟计算结果,得到了一些针对运动靶体提高靶区剂量分布均匀性的策略.模拟计算提供了一种评估运动靶体上剂量分布的有效手段,其结果及内涵为今后该方向上的可行性实验研究奠定了坚实的基础.     

栅扫描重离子束治癌束流配送系统对运动靶区的适形放疗冰(Ⅰ)模拟计算

从理论上研究了在主动型栅扫描束流配送系统下,靶体运动对靶区剂量均匀性以及重离子治疗适形程度的影响.模拟计算了在实验测量得到的脉冲束流照射下,栅扫描系统引导束流对运动靶体实施照射后,靶体运动模式与靶区各等能量断层剂量分布均匀性的关系.由这些模拟计算结果,得到了一些针对运动靶体提高靶区剂量分布均匀性的策略.模拟计算提供了一种评估运动靶体上剂量分布的有效手段,其结果及内涵为今后该方向上的可行性实验研究奠定了坚实的基础.     

面向HIRFL-CSR主动式点扫描技术的剂量标定方法研究(英文)

基于HIRFL-CSR肿瘤重离子治疗终端主动式束流配送系统发展了面向三维点扫描适形调强治疗技术的在线监测器点扫描剂量标定方法。为了验证点扫描剂量标定方法的稳定性和可靠性,利用HIRFL-CSR提供的C离子束考察了在线监测器剂量标定因子的能量依赖以及不同扫描步长的影响。结果表明:在线监测器剂量标定因子存在能量依赖;不同扫描步长对剂量标定因子影响较小（偏差小于1.8%）。证明了点扫描剂量标定方法的稳定性和可靠性。鉴于在三维点扫描适形调强治疗技术中影响在线监测器点扫描剂量标定因子的因素较多,建议今后续继续研究点扫描剂量标定因子影响因素,修正和完善点扫描剂量标定方法。As an important step of the application of spot scanning technique to heavy ion therapy, an experimental calibration procedure of online beam monitors based on standard of absorbed dose to water has recently been developed for scanned pencil like carbon ion beam in the deep seated tumor therapy terminal at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL). In this work, creating homogeneous irradiation field with steerable spot beam was tested using a 207 MeV/u penci like carbon ion beam. Then the verification of energy dependence of the calibration factors (CFs) and the influence of scanning step on the CF were also shown, as a part of the heavy ion clinic dosimetry researches. The results showd that the monitor CF presented energy dependence and performed stable response with deviation of 1.8% for the variation of scan steps. In this paper, the suitability and effectiveness of beam monitor calibration procedure for dynamic particle beam delivery were verified and the further research points to improve the calibration procedure were suggested.     

基于51单片机的边界扫描控制器的设计与实现

为提高现代军事装备的故障检测能力,运用VC++软件编辑控制界面,设计并制作了一种基于51系列单片机的边界扫描控制器;该控制器由USB转串口电路和单片机构成,结构简单、通用性强且成本低廉;将PC机发送的测试指令或数据进行USB与JTAG协议转换,产生符合IEEE1149.1标准的JTAG总线信号;以EPM7128芯片为测试对象,注入JTAG信号并采集测试响应,实现了对基于测试芯片硬件电路的故障检测;测试结果表明:设计的边界扫描控制器可实现对单芯片和芯片级联的边界扫描状态的控制,能避开可编程芯片的内部逻辑程序控制,完成对可编程芯片及其外围电路的故障检测。     

用于浅层肿瘤重离子治疗的终端束流诊断控制系统

 设计了中国科学院近代物理研究所利用兰州重离子研究装置（HIRFL）进行浅层肿瘤临床治疗试验研究中所使用的束流诊断安全控制系统。该系统包括束流强度监测及保护、剂量测量、扫描波形监测及保护3个部分。系统基于PXI系统及LabVIEW软件,给出了该系统的各部分结构。从系统建立时的多次测试结果以及实际临床治疗试验研究时的长期运行结果来看,该束流诊断控制系统在控制辐照剂量以及安全保护方面能够满足当前重离子加速器浅层肿瘤临床治疗试验的基本要求,为试验研究的顺利进行提供了可靠的保证。     

多功能扫描质子核探针信号探测和数据获取系统

为了在一次扫描质子核探针实验中能获取多种物理信息,研制了多功能信号探测与数据获取系统。系统由组合探测器、多站多参量数据采集与束流扫描、样品台控制与显微观测三个子系统组成。组合探测器包括了Si(Li)X射线探测器,高纯Geγ射线探测器,以及Au(Si)面垒带电粒子探测器,可完成多种物理参数的同时获取。系统的核心数据采集与束流扫描系统基于NI公司的PXI-7852R数据采集卡和LabVIEW软件平台,具备了多个物理信号采集、多能谱显示以及束流扫描和二维成像等功能。六轴高精度真空样品台由计算机控制,可实现显微图像对样品的定位及对扫描区域的可视化选择。初步实验验证了该系统的可靠性与稳定性。     

Active spot-scanning test with heavy ions at HIRFL-CSR

An active spot beam delivery system for heavy ion therapy has been developed based on the Cooling Storage Ring at HIRFL-CSR, where the pencil carbon-ion beams were scanned within a target volume transversely by a pair of orthogonal (horizontal and vertical) dipole magnets to paint the slices of the target volume and longitudinally by active energy variation of the synchrotron slice by slice. The unique techniques such as dose shaping via active energy variation and magnetic deflection constitute a promising three-dimensional conformal even intensity-modulated radiotherapy with heavy ions at HIRFL-CSR. In this paper, the verification of active energy variation and the calibration of steerable beam deflection are shown, as the basic functionality components of the active spot-scanning system. Additionally, based on the capability of creating homogeneous irradiation fields with steerable pencil beams, a radiobiological experiment like cell survival measurement has been performed aiming at comparison of the radiobiological effects under active and passive beam deliveries.     

Spot-scanning beam delivery with laterally-and longitudinally-mixed spot size pencil beams in heavy ion radiotherapy

The three-dimensional(3D) spot-scanning method is one of the most commonly used irradiation methods in charged particle beam radiotherapy.Generally,spot-scanning beam delivery utilizes the same size pencil beam to irradiate the tumor targets.Here we propose a spot-scanning beam delivery method with laterally-and longitudinallymixed size pencil beams for heavy ion radiotherapy.This uses pencil beams with a bigger spot size in the lateral direction and wider mini spread-out Bragg peak(mini-SOBP) to irradiate the inner part of a target volume,and pencil beams with a smaller spot size in the lateral direction and narrower mini-SOBP to irradiate the peripheral part of the target volume.Instead of being controlled by the accelerator,the lateral size of the pencil beam was adjusted by inserting Ta scatterers in the beam delivery line.The longitudinal size of the pencil beam(i.e.the width of the mini-SOBP) was adjusted by tilting mini ridge filters along the beam direction.The new spot-scanning beam delivery using carbon ions was investigated theoretically and compared with traditional spot-scanning beam delivery.Our results show that the new spot-scanning beam delivery has smaller lateral penumbra,steeper distal dose fall-off and the dose homogeneity(1-standard deviation/mean) in the target volume is better than 95%.     

兰州重离子加速器冷却存储环控制系统

为了完成建设兰州重离子加速器冷却存储环,自主研发设计了其大型分布式控制系统。控制系统从功能上分为三层:业务管理层、前端控制层以及设备控制层。业务管理层主要包含控制管理程序、中心数据库以及同步时间系统;前端控制层主要包含前端服务器、前端控制器以及各其他控制器等;设备控制层主要为微控制单元 (MCU)多功能控制器以及被控设备等。其中中央数据库存储整个加速器的所有控制数据,为变能时控制系统的控制数据切换提供数据支持。从长期运行情况来看,控制系统需要进行相应的改进,但是能基本满足现行的实验需求。     

强流质子加速器PXIe控制器的子控制系统

针对一台用于加速器驱动次临界系统(ADS)的强流质子加速器,即ADS注入器Ⅱ,开展其定时系统和快保护系统的研究工作,设计了一款可在这两个系统中应用的PXIe控制器。该控制器基于现场可编程门阵列设计,可实现光纤通信、PXIe总线通信、延时触发信号输出等功能。其中,光纤通信功能用于实现各PXIe控制器之间的数据传输;PXIe总线通信功能主要是为了实现控制器与工控机之间的数据交互;延时触发信号输出功能可以给出精确的低电压晶体管-晶体管逻辑电平标准的时序触发信号,从而保证加速器的各子系统和设备能够按照一定的时序协调一致地工作。     

基于FPGA的HIMM同步高频信号源设计

针对医用重离子加速器装置(HIMM)同步加速器对于高频系统不同能量波形输出的需求,设计实现可输出不同能量对应腔体电压及偏磁电流波形的同步信号源。该系统以ARTERA公司FPGA作为核心处理元件,接收并处理多组腔体电压及偏磁电流波形文件,同时以DAC作为输出单元,通过接收同步光触发信号实现不同能量对应给定波形信号的无缝切换及同步输出,完成HIMM同步高频信号源的设计。测试结果表明,该信号源工作稳定,可实现各种不同能量对应波形的无缝切换及同步输出,其性能完全满足HIMM系统对碳离子捕获加速的要求。相比于商业任意波形发生器产品,该系统价格低廉,且模块化的设计易于集成,可广泛应用于其他需产生任意波形信号的场合。     

永磁直线同步电机位置系统的模糊IP控制研究

针对具有电磁推力大、响应快、易于矢量解耦控制的永磁直线同步电机PMLSM,研究高精度位置伺服控制系统的设计,以满足高速加工与高精度微进给加工的需求。考虑被控对象的变化和外界扰动,控制器的参数难于在线修订,设计了一种模糊/积分-比例IP位置控制器。它将具有并联反馈环节的IP控制器与模糊控制器有效结合,根据位置偏差的变化率进行切换,即存在较大输入指令与系统输出偏差较大时采用模糊控制,而系统输出接近于输入指令时则采用IP控制器,从而发挥模糊控制器对变参数系统的自适应性和IP控制器的快速和准确性优势。仿真实验结果表明模糊/IP控制器在稳态精度和动态性能方面优于单纯的IP控制器和模糊控制器,能够满足变参数控制系统的性能指标。     

重离子治癌中的三维剂量成形方式

介绍了重离子治癌装置ＨＩＭＡＣ和ＨＩＴＡＧ的三维剂量成形方式;对一种正在设计中的重离子对肿瘤的照射方式进行了分析,旨在为ＨＩＲＦＬ及ＨＩＲＦＬ－ＣＳＲ所提供的离子束设计三维剂量成形方案． Three dimensional dose shaping methods in heavy-ion therapy facilities,HI MAC and HITAG are introduced.A new tumor irradiation pattern with heavy ion beam which is being designed is analyzed.It aims at choosing suitable three dimensional dose shaping planning for heavy ion beam supplied by HIRFL and the proposed HIRFL-CSR.