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。     

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。     

CSNS射频负氢离子源控制系统研制

为满足中国散裂中子源打靶功率提升需求，加速器采用外置天线射频负氢离子源替换此前使用的潘宁表面负氢离子源，为加速器提供高品质和高稳定的束流。文章主要介绍了基于EPICS软件系统和PLC硬件平台的射频负氢离子源控制系统设计方案和具体实现。针对射频功率源的电磁干扰和高压平台打火造成设备损坏，给出了相应的解决措施。此外，为提高离子源长期运行稳定性，设计了放电室高精度注铯控制程序及打靶功率稳定程序。控制系统自投入运行以来，运行稳定可靠，为离子源的高效运行提供了有力保障。     

武威重离子治癌装置回旋注入系统的准直安装

武威重离子治癌装置回旋注入系统由自重50余吨的回旋加速器和离子源等多个元件组成,由于离子源和回旋加速器的上下共架结构及回旋注入系统自身过于紧凑等原因,给各元件的安装准直工作增加了难度。借助于激光跟踪仪和三维控制网,通过自下而上分级准直安装及高空架设仪器的方法,克服了通视条件不足等困难,有效提高了工作效率,所有的安装元件误差都控制在0.10 mm以内,其结果好于该装置的安装精度要求。回旋注入系统已成功出束,各项指标均已达到或优于设计指标,从而验证了准直安装工作的准确性与可行性。     

一种测量重核素的小型高压型加速器控制系统的研制

为满足中国原子能科学研究院最新研制的400 kV小型重核素加速器质谱（AMS）装置的自动控制的需求,设计并实现了针对该装置的自动控制系统。从硬件和软件两个方面描述了系统结构。虚拟仪器LabWindows/CVI9.0、PLC、数据库、组态软件等的相结合,既组建了友好的人机交互界面,又提高了系统的可靠性。自主设计的具有较高自动化水平的气体剥离器控制,实现了同步监测、控制气体流量和真空度。自动换靶控制的零位指示和靶号显示相配合,更精确地实现换靶功能,提高了装置自动化程度。经长时间测试,该测控系统满足了加速器质谱系统的自动控制及就地操作需求。     

兰州重离子治癌装置同步加速器切割磁铁研制

切割磁铁作为同步加速器注入引出的关键部件之一,对磁场及切割板结构都有严格的要求。介绍了兰州重离子治癌装置(HIMM)同步加速器切割磁铁的设计情况,基于磁场优化软件OPERA,对切割磁铁磁场均匀度及杂散场的分布进行了详细的分析。根据磁场要求优化结构设计,完成了磁铁的加工。磁场测量结果分析显示,有效场区范围内磁场均匀度优于设计结果。同时通过对磁铁端部屏蔽处理,在环内侧管道处杂散磁场降到2mT以内,满足物理设计要求。     

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.     

重离子加速器实验环内靶控制系统

介绍了国家大科学工程项目——兰州重离子加速器冷却储存环实验环团簇内靶装置的控制系统.该系统基于VAC800,VAC600和TC硬件平台,集成了温度测量与控制、真空与阀门监控及分子泵监控等功能,能够实时实现对温度、真空度的远程监控,满足了内靶实验的需求.在该控制系统的支持下,成功地完成了Me54+离子与氮气靶碰撞实验.该...     

用于重离子治癌回旋引出的实时流强测量系统北大核心CSCD

为满足重离子治癌加速器装置(HIMM)回旋加速器引出段束流流强的测量需求,设计了新的束流流强测量系统,该系统利用积分电流变换器(ICT)及锁相放大器等配套电子学,能够实现束流流强的非拦截实时测量。文中首先分析了中能束线(MEBT)束流流强的测量需求,并对设计方案进行了实验室系统分析和在线束流强测量。实验室结果表明,锁相放大器的幅度和相位响应一致性满足测量需求。由于ICT对束流流强的测量是相对测量,先使用法拉第筒对ICT进行在线标定;标定前先对法拉第筒(FC)(20μA档位)和ICT系统的流强分辨在线测量,分别为6.45 nA和5.163 nA。由于束流抖动的影响,测量的束流的稳定性约90 nA,其对应的相对测量误差约8%,ICT系统响应时间小于1 ms。测量结果表明,该系统满足物理测量需求。回旋加速器高频系统参数变化引起ICT标定系数变化的工作将在进一步工作中展开。     

多靶强流铯溅射离子源的研制

多靶强流铯溅射离子源是多种加速器中常用的离子源之一,在科学研究和工业生产领域的应用十分广泛。但是,目前商业化应用的该种离子源由欧美几个国家垄断,国内还没有厂家能够生产。为了提高加速器运行和建造中的自主化水平,研制了一种多靶强流铯溅射离子源。该离子源主要由离子源腔、换靶装置、冷却系统、控制箱等组成,根据功能需求对其关键部件进行结构设计,采用了全新的伺服电机驱动换靶方式,提供靶位微调功能和远程控制模式,并使用Opera-3D软件模拟优化结构参数和束流光路。经过测试,该离子源在中国原子能科学研究院的400 kV小型加速器质谱(AMS)装置上应用情况良好,换靶定位精准,供束稳定,束流参数达到进口离子源的参数指标,实现了预期目标。     

武威医用重离子加速器同步环的准直安装

武威医用重离子加速器是目前世界上最紧凑的重离子加速器治癌装置,同步环周长小至56.1 m,其中很多关键元件的安装定位精度要求达到亚毫米量级,四极透镜的定位精度要求0.1 mm。结合激光跟踪仪的特点和测量学知识通过三维控制网及多重坐标系的转换,探索了一种在元件自身坐标系下调节准直的方法,提高了准直安装的工作效率,使得最后所有的元件安装各向误差均控制在0.1 mm以内,其结果优于该装置的精度要求,使得同步环在短时间内顺利调束成功,从而验证了同步环准直测量的可靠性与准确性。Wuwei Heavy ion medical machine (HIMM) is the most compact accelerator facility for heavy ion therapy in the world,which has a circumference about 56.1 m.The alignment accuracy of many components of the machine should be submillimeter level.For example,the positioning accuracy of quadrupoles should be within 0.1 mm according to design target.With the combination of laser tracker and surveying knowledge,we develop a method that adjusts and collimates elements under the elements themselves coordinates via three-dimensional control network and the transformation of multiple coordinates to improve the efficiency of installation alignment.By this way,the deviation of each direction from all elements is under 0.1 mm and the result is better than the design target,which leads to the successful commission of Wuwei HIMM.Consequently,the feasibility of this method developed is verified.     

重离子治癌加速器束诊探测器运动控制系统设计

重离子医疗装置（HIMM）中需要束流诊断探测器来测量加速器束流参数,其中大部分探测器属于拦截式探测器,拦截式探测器在测量束流参数时需要将探测器探头插入束流管道中心,测试完成后将探测器拉出。另外,部分探测器需要联动控制,针对上述需求,设计了基于EtherCAT协议的拦截式探测器的运动控制系统架构,并且开发了基于OPC UA （OLE for Process Control Unified Architecture）协议的客户端/服务器软件系统,所有拦截式探测器已通过CFDA （China Food and Drug Administration）验证,自2017年起在束运行至今。使用结果表明,该系统具有较高的稳定性以及可移植性,控制精度以及控制模式均可完全满足现场应用要求。     

用于聚焦离子束系统的离子源

介绍了现阶段两种用于聚焦离子束系统的离子源——液态金属离子源和气体场发射离子源的基本原理, 并对比了它们的优缺点。由于目前这两种离子源都难以满足纳米加工领域不断提高的技术要求, 因此提出了一种用于聚焦离子束的新型离子源——电子束离子源, 并介绍了电子束离子源的基本原理, 给出了设计参数、 模拟结果（20 kV的Ar+离子束, 发射度约为5.8×10-5·mm·mrad, 束斑约为1 μm）和初步的实验结果。 There are two kinds of ion sources, Liquid Metal Ion Source and Gas Field Ion Source, used to provide ion beams for the Focus Ion Beam system. The working mechanism of the two kinds of sources is presented and their advantages and disadvantages are summarized. With the rapid development in the nano technology, the requirements are hardly met with these two kinds of ion sources. Therefore, a new kind of ion source, electron beam ion source, is developed for the Focus Ion Beam system. The basic principle of the electron beam ion source is introduced and the design parameters, the result of the simulation (20 kV Ar+, extracted emittance is 5.8×10-5π·mm·mrad, raduis of the ion beam about 1 μm.) and the primary experimental results are presented     

ECR离子源束流发射度的实验研究

利用最新自行研制的电扫描发射度探测系统, 在ECR离子源上进行了一系列关于ECR离子源引出束流发射度的研究. 这套电扫描发射度探测系统安装在中国科学院近代物理研究所(兰州)的LECR3试验平台的束运线上. 试验中, 通过测量相关参数, 研究了磁场、微波、掺气效应及负偏压效应等对引出束流发射度的影响. 利用实验所得的结果与关于ECR等离子体和离子源束流发射度的半经验理论, 分析推导了离子源各可调参数与ECR等离子体的直接关系, 这为分析探索ECR离子源的工作机制提供了一定的参考依据.     

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。     

CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

中国散裂中子源(CSNS)加速器真空控制系统负责真空数据采集、设备监控和闸板阀控制与联锁,是设备运行和故障诊断以及超高真空保持的重要保障。本文介绍了加速器真空需求,基于实验物理及工业控制系统EPICS软件框架的真空控制系统设计与实现,使用横河可编程逻辑控制器PLC控制与联锁设备,摩莎MOXA工控机监测真空状态,EPICS PV数据直接进入声音报警系统和历史数据库系统,为工作人员及时发现和处理问题、进行后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。运行结果表明,该系统具有稳定性好、可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了加速器真空控制系统运行的需要。