兰州重离子加速器控制系统DSP组件设计

针对重离子加速器部分电源的控制要求,进行了分析研究,提出并实现了一种实时、高效、多功能的控制系统。该系统基于数字信号处理器（DSP）和两片现场可编程门阵列（FPGA）芯片相结合的核心处理构架,在系统后端利用PXI总线接口配合FPGA来与工控机箱中的系统控制器和其他控制组件进行大批量数据交互;系统前端利用直接数字频率合成器、模数转换器和数模转换器等器件结合DSP和FPGA中的控制算法及相应控制机制来实现对不同电源控制参数的处理和功率的输出;平台中两组光纤模块也与FPGA相配合实现对同步触发事例等实时数据的收发和调试。     

兰州重离子加速器控制系统DSP组件设计

针对重离子加速器部分电源的控制要求,进行了分析研究,提出并实现了一种实时、高效、多功能的控制系统。该系统基于数字信号处理器（DSP）和两片现场可编程门阵列（FPGA）芯片相结合的核心处理构架,在系统后端利用PXI总线接口配合FPGA来与工控机箱中的系统控制器和其他控制组件进行大批量数据交互;系统前端利用直接数字频率合成器、模数转换器和数模转换器等器件结合DSP和FPGA中的控制算法及相应控制机制来实现对不同电源控制参数的处理和功率的输出;平台中两组光纤模块也与FPGA相配合实现对同步触发事例等实时数据的收发和调试。     

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。     

基于AD9854重离子治癌加速器高频控制器设计

介绍了兰州重离子治癌加速器治疗装置的高频控制系统原理、软件设计、硬件配置和布局。提出并实现了对重离子治癌加速器高频控制系统的高频腔体的精确控制。在硬件上,重离子治癌加速器高频控制系统硬件平台由监视控制板和数据分析板两部分构成,采用双FPGA+DSP+DDS+PXI 结构,此结构具有强大的数据处理能力,其核心器件是FPGA和DDS。通过设计编写FPGA VHDL代码实现对DDS芯片的配置,产生的IQ两路信号,分别发送到高频腔、幅度调制器以及偏流电源上,完成幅相同调和频率调制。通过该设计,实现与DAC和ADC操作配合进行高速高效的数据传输,产生高品质束流。     

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.     

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。     

252Cf源和重离子加速器对FPGA的单粒子效应

对10万门基于静态随机存储器的现场可编程门阵列（FPGA）分别在锎-252（252Cf）源和HI-13串列加速器下进行了单粒子效应试验研究,测试了静态单粒子翻转截面及发生单粒子闩锁的线性能量转移阈值,并对试验结果进行了等效性分析比较。试验结果表明252Cf源引起的FPGA单粒子翻转截面比重离子加速器引起的约低1个数量级;使用252Cf源未能观测到该器件的单粒子闩锁现象,而使用重离子加速器可以测出该FPGA发生单粒子闩锁的线性能量转移阈值;在现代集成电路的宇航辐射效应地面模拟单粒子效应试验中252Cf源不是理想的测试单粒子闩锁的辐射源。     

重离子治疗肿瘤点扫描控制系统

为了实现重离子治疗肿瘤点扫描,对扫描磁铁进行相应的控制。治疗计划进行剂量与肿瘤适形数据的生成,并传输至点扫描控制器与剂量控制器。同时也向点扫描控制器中存入事例数据,以纳入整个加速器控制时序,等待同步时间事例系统的事例触发。点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作以及进行换点治疗的扫描磁铁插值算法平滑处理。剂量控制器对气体电离室前端电子学已经刻度的剂量脉冲进行计数。当达到治疗剂量时,控制法拉第筒来阻挡束流,实现点扫描安全治疗。实验证明在现有的电源与磁铁等设备条件以及束流品质下,点扫描控制系统能实现2 mm点间距扫描。     

重离子治疗肿瘤点扫描控制系统

为了实现重离子治疗肿瘤点扫描,对扫描磁铁进行相应的控制。治疗计划进行剂量与肿瘤适形数据的生成,并传输至点扫描控制器与剂量控制器。同时也向点扫描控制器中存入事例数据,以纳入整个加速器控制时序,等待同步时间事例系统的事例触发。点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作以及进行换点治疗的扫描磁铁插值算法平滑处理。剂量控制器对气体电离室前端电子学已经刻度的剂量脉冲进行计数。当达到治疗剂量时,控制法拉第筒来阻挡束流,实现点扫描安全治疗。实验证明在现有的电源与磁铁等设备条件以及束流品质下,点扫描控制系统能实现2mm点间距扫描。     

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。     

医用加速器装置的离子源进气系统控制

HIMM是国产自主研发的医用加速器装置,作为目前最大的医学放疗装置,整个加速器控制系统的稳定性和可靠性要比工业系统有更高的要求。离子源针阀是离子源产生束流的重要组件,气体流量的大小和混合比直接影响源体真空度、电离效率、离子源稳定性等。本文针对HIMM离子源进气系统设计了基于三菱伺服电机和菲尼克斯PLC的控制系统,从系统结构、硬件设计、软件设计、数据分析等方面进行了介绍。为保证系统稳定性,加入伺服驱动器与相关真空度的硬连锁和远程开关功能。经过实际测试,该系统运行稳定,定位精度可达0.1?,满足设计要求。     

武威重离子治癌装置高能束线的准直安装

武威重离子治癌装置高能线爬升段上下跨度约为18 m,由于超大超重元件的悬空安装和狭小的安装空间及通视条件不足,使得就位时磁铁的位置及角度与地面做标定时不同,给准直安装工作带来了挑战。借助于激光跟踪仪和三维控制网,通过多重坐标转换,探索了一种新的方法,消除了爬升段磁铁调节时角度带来的偏差,有效提高了准直安装的工作效率,使得最后所有的磁铁安装各向安装误差均控制在0.10 mm以内,其结果优于该装置的精度要求,为整体安装进度提前提供了有力保证。     

武威重离子治癌装置高能束线的准直安装

武威重离子治癌装置高能线爬升段上下跨度约为18m,由于超大超重元件的悬空安装和狭小的安装空间及通视条件不足,使得就位时磁铁的位置及角度与地面做标定时不同,给准直安装工作带来了挑战。借助于激光跟踪仪和三维控制网,通过多重坐标转换,探索了一种新的方法,消除了爬升段磁铁调节时角度带来的偏差,有效提高了准直安装的工作效率,使得最后所有的磁铁安装各向安装误差均控制在0.10mm以内,其结果优于该装置的精度要求,为整体安装进度提前提供了有力保证。     

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。     

兰州重离子医疗装置同步环安装控制网设计

介绍了兰州重离子医疗装置(HIMM)建造中准直安装方案里核心的测量控制网设计。同步环准直测量控制网是基于Leica AT401激光跟踪仪和综合测量软件SA建立的三维测量控制网,在控制网设计中采用9个基准柱和2个激光干涉测量得到的基准长度参考,以及Leica DNA03数字水准仪协同测量,使全局三维控制网设计精度达到0.04mm,最终确保同步环四极磁铁安装精度达到0.10mm的要求指标,为将来束流的稳定运行做好可靠的保证。     

兰州重离子医疗装置同步环安装控制网设计

介绍了兰州重离子医疗装置（HIMM）建造中准直安装方案里核心的测量控制网设计。同步环准直测量控制网是基于Leica AT401激光跟踪仪和综合测量软件SA建立的三维测量控制网,在控制网设计中采用9个基准柱和2个激光干涉测量得到的基准长度参考,以及Leica DNA03数字水准仪协同测量,使全局三维控制网设计精度达到0.04 mm,最终确保同步环四极磁铁安装精度达到0.10 mm的要求指标,为将来束流的稳定运行做好可靠的保证。     

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。     

重离子加速器示范装置被动式束流配送系统次级中子特征的蒙特卡罗研究

在碳离子放射治疗中,碳离子束在剂量配送过程中会与束流输运线相互作用,形成以中子辐射为主的外辐射场.由于中子是高LET射线,具有较高的相对生物学效应,减少碳离子放疗中产生的次级中子有助于降低放疗后正常组织并发症几率及二次肿瘤风险.利用蒙特卡罗方法对保守情况(能量为400 MeV/u,多叶光栅完全闭合)下碳离子治疗被动式束...