本發(fā)明具體涉及一種用于質(zhì)子治療的等時性回旋加速器引出束相位全數(shù)字穩(wěn)定裝置及其方法，屬于質(zhì)子治療等時性回旋加速器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在質(zhì)子治療回旋加速器中，對束流強度的穩(wěn)定性及引出效率要求較高。加速器運行過程中，高頻系統(tǒng)的熱損耗、外界的溫度變化以及供電電源的不穩(wěn)定性都會對磁場強度產(chǎn)生影響，因此導致磁場的失諧，對束流穩(wěn)定性以及引出效率都有所影響。雖然在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，有充足的時間可以讓操作員對磁場強度進行手動調(diào)整，可這并不適用于質(zhì)子治療加速器，所以自動調(diào)諧束流穩(wěn)定性必不可少，對質(zhì)子治療等時性回旋加速器的束流相位穩(wěn)定的研究至關(guān)重要。

國際上關(guān)于此項研究，已有用電容取樣探針來提取束流相位的裝置，拾取的相位信息用模擬方法進行解調(diào)處理。然而，上述方法的引出束穩(wěn)定性仍有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對質(zhì)子治療加速器對引出束穩(wěn)定性的高要求，提出一種高性能可行的全數(shù)字穩(wěn)定的裝置及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

為了測量和抵消磁鐵溫度漂移給磁場強度帶來的細微損耗，設(shè)計一個非阻攔式的高頻諧振腔探測器置于加速器束流輸運線上，高頻腔包含有開路端和短路端，在短路端用電感取樣來采樣加速器質(zhì)子束流的相位信息，并用該相位信息作為控制磁場強度的反饋環(huán)路的輸入，通過數(shù)字化方式調(diào)節(jié)主磁鐵電源來自動調(diào)諧加速器的磁場強度。當磁場漂移得到補償以后，束流強度和引出效率會達到持續(xù)穩(wěn)定的效果。

為了控制高頻諧振腔探測器的尺寸大小，以及避免來自加速器高頻腔基波頻率的干擾，束流相位的采樣頻率選取其三次諧波頻率。本裝置采用高速ADC對電感耦合拾取的信號進行直接采樣，以高頻頻率作為時間基準，使用欠采樣技術(shù)實現(xiàn)下變頻，得到一組IQ信號，通過解調(diào)IQ信號，得到束流的相位信息，以此來控制磁場強度的反饋環(huán)路，通過對主磁鐵電源進行調(diào)整來自動調(diào)諧加速器的磁場強度。

由于質(zhì)子治療回旋加速器的主磁鐵電源精度要求高，需要達到20ppm精度以內(nèi)，以至于調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)的精度要求更高。當檢測到束流相位有偏差時，給主磁鐵電源發(fā)出控制脈沖，電源的電流進行自動調(diào)節(jié)，使得電源精度始終保持在20ppm以內(nèi)。

本發(fā)明提出的用非阻攔式高頻諧振腔探測器來采樣束流相位信息，并用全數(shù)字化方法采樣處理束流的相位信息來控制調(diào)諧磁場強度，這種高頻諧振腔的探測器有較高信噪比，全數(shù)字化的信號處理方法更加靈活并且易于調(diào)試，對于主磁鐵電源的控制也采用數(shù)字化控制，這樣有較高分辨率，并且能避免引入額外的噪聲。

附圖說明

圖1為質(zhì)子治療等時性回旋加速器高頻諧振腔結(jié)構(gòu)圖；

圖2為質(zhì)子治療等時性回旋加速器引出束相位全數(shù)字穩(wěn)定裝置原理圖；

圖3為欠采樣技術(shù)的原理示意圖；

圖4為主磁鐵電源控制接口示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖2所示，本發(fā)明提供的等時性回旋加速器引出束相位全數(shù)字穩(wěn)定裝置包括順序連接的如下元件：高頻諧振腔相位探測器，ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編程門陣列)，ARM微控制器，以太網(wǎng)及其主磁鐵電源。所述高頻諧振腔探測器安裝在束流輸運線上，束流通過時在諧振腔內(nèi)激起磁場，電感取樣探針拾取束流相位信息，并通過ADC將上述相位信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳送給FPGA處理，ARM控制FPGA并且調(diào)節(jié)主磁鐵電源以調(diào)諧回旋加速器的磁場強度。

所述FPGA采用Cyclone III系列，所述ARM微控制器采用ATSAM9G20處理器。所述FPGA連接獨立的FLASH和SDRAM，所述ARM連接單獨的FLASH和SDRAM，以及SDCard，GPIO(通用輸入/輸出端口)。

以某質(zhì)子治療回旋加速器為例，該非阻攔式高頻諧振腔探測器安裝在加速器后面的束流輸運線上，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，包括高頻諧振腔(1)和電感取樣探針(2)。該高頻腔設(shè)計為四分之一波長同軸諧振腔。該回旋加速器高頻頻率為72.5MHz，其三次諧波頻率為217.5MHz，其波長為1.4m，即高頻諧振腔的長度設(shè)計為0.35m。質(zhì)子在加速器中加速引出后，經(jīng)過相位檢測的高頻諧振腔，激起諧振腔共振，在短路端的電感取樣能檢測到束流的相位信息，以高頻頻率作為時間基準，用采樣率為80MSPS的TI芯片ADS5562進行欠采樣，采樣頻率即67MHz，欠采樣技術(shù)的原理示意圖如圖3所示。得到一組IQ信號，束流幅度相位可以由得到。當束流強度最大時，此刻的束流相位為一個基準，當檢測到束流相位與該基準相位有偏差時，ARM微處理器給主磁鐵電源發(fā)送控制脈沖，電源的電流進行調(diào)節(jié)，主磁鐵電源控制接口的示意圖如圖4所示。

本發(fā)明所申明的新方法，設(shè)計一個非阻攔式的高頻諧振腔探測器置于加速器束流輸運線上，通過電感取樣加速器質(zhì)子束流的相位信息，并用全數(shù)字化的方法來采樣和解調(diào)相位信息。這種高頻諧振腔的探測器有較高信噪比，全數(shù)字化的信號處理方法更加靈活并且易于調(diào)試，對于主磁鐵電源的控制也采用數(shù)字化控制，這樣有較高分辨率，并且能避免引入額外的噪聲。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。