相位探测器及包含该相位探测器的质子束流相位稳定装置

摘要

本发明涉及回旋加速器的技术领域，公开了相位探测器及包含该相位探测器的质子束流相位稳定装置及控制方法，包括用于拾取束流相位信息的相位探测器、倍频器、与相位探测器及倍频器连接的鉴相器、与鉴相器连接的模/数转换器，以及与模/数转换器连接的数字信号处理单元。相位探测器的谐振腔拾取束流相位信息与谐振腔三倍频信号进行鉴相，鉴相后的信号经过数字信号处理单元处理后控制调节主磁铁电源，以实现束流相位信息和高频相位信息的快速智能化匹配，为质子治疗设备中的束流稳定系统提供技术保证。

说明书

技术领域

本发明涉及回旋加速器的技术领域，尤其是涉及相位探测器及包含该相位探测器的质子束流相位稳定装置。

背景技术

在质子治疗中，为实现治疗剂量的精准传输，除了对病人肿瘤诊断精度以及后续束流传输系统的高要求外，在束流的源头即加速器端，对质子束流的品质与稳定性也有很高的要求。

通常，在加速器设计与建造调试阶段，束流的包络、色散、流强等参数都经过了优化，完全可以满足质子治疗对束流品质的要求。然而，由于质子治疗系统需要长期运行，长期运行过程中，加速器部件（如高频腔等）发热、外界信号干扰等对于加速器束流稳定性会产生不利影响，造成束流流强、色散等参数发生变化，而这对于质子治疗所需的剂量精准传输是不利的。

为了解决上述问题，在实验室环境，可以通过专业的运行人员以及加速器专家进行人为干预，重新调整加速器参数，优化束流参数，但是，对于未来大规模在医院运行的质子治疗设备而言，并不现实，因此需要在充分研究影响束流稳定性因素基础上，研发束流稳定性的自动测量与反馈调节系统。

发明内容

本发明第一目的在于提供一种相位探测器，其采用腔式结构，可安装在束流线上，束流在腔体中间穿过，可以更好的引起谐振，信号更明显。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

相位探测器，包括端面封闭的圆筒状腔筒及位于所述腔筒内轴心位置的中空体内杆，所述内杆一端开口另一端封闭设置，其内部为谐振腔，所述内杆开口端设有调节环，与所述内杆开口端对应的腔筒端面上开设有通入所述内杆谐振腔的第一开孔。

通过采用上述技术方案，其采用腔式结构，形成一个非阻拦式的相位探测器，可安装在束流线上，束流在腔体中间穿过，内杆的开口端形成开路端，封闭端形成短路端，在短路端对束流相位信息进行拾取，且可以更好的引起谐振，信号更明显。

在一些实施方式中，所述腔筒两端端面分别设有盖板与所述腔筒密封连接。

通过采用上述技术方案，腔筒的端面和周面采用采用分体式结构，方便内部内杆的安装与检修。

在一些实施方式中，所述内杆为两端开口的空心管体，其两端与所述盖板连接，与所述内杆封闭端对应的盖板开设有通入所述内杆谐振腔的第二开孔，所述盖板上对应第二开孔处盖设有盲盖，所述内杆与两端盖板密封连接，所述盲盖与所述盖板密封连接。

通过采用上述技术方案，使谐振腔形成密封环形，从而实现抽真空，避免外界因素对束流产生干扰，保证拾取束流相位信息的准确性。

在一些实施方式中，所述第一开孔位于所述腔筒外侧连接有真空快卸法兰。

通过采用上述技术方案，实现了相位探测器的快速安装，同时保证束流入口的密封性。

在一些实施方式中，腔筒的轴向长度等于四分之一波长。

通过采用上述技术方案，控制了腔筒的长度，便于相位探测器在安装于束流线上，同时避免了来自加速器高频腔基波频率的干扰。

本发明的第二目的在于提供具有上述包含该相位探测器的质子束流相位稳定装置，其能够自动测量束流相位信息并进行反馈调节。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：相位探测器，安装于回旋加速器束流运输线上，具有谐振腔，束流通过谐振腔时在谐振腔内激起磁场，所述相位探测器拾取束流相位信息；

另外还包括：

倍频器，将谐振腔腔体高频相位信息成三倍频信号输出；

鉴相器，与相位探测器及倍频器连接，确定束流相位信息及高频相位信息之间的相位差关系；

模/数转换器，与鉴相器连接，将鉴相器输出的相位差信息转换为数字信号；

数字信号处理单元，与模/数转换器及回旋加速器的主磁铁电源连接，数字信号处理单元对模/数转换器传输的数字信号进行处理后控制调节主磁铁电源以调谐回旋加速器的磁场强度。

通过采用上述技术方案，相位探测器的谐振腔拾取束流相位信息与谐振腔三倍频信号进行鉴相，鉴相后的信号经过数字信号处理单元处理后控制调节主磁铁电源，以实现束流相位信息和高频相位信息的快速智能化匹配，为质子治疗设备中的束流稳定系统提供技术保证。

在一些实施方式中，所述相位探测器与所述鉴相器之间，以及所述倍频器与所述鉴相器之间连接有滤波器。

通过采用上述技术方案，滤波器能够对拾取束流相位信息的干扰信号进行有效滤除，保证有效信息，提高拾取质量。

在一些实施方式中，所述滤波器与所述鉴相器之间连接有放大器。

由于相位信号强度较弱，通过采用上述技术方案，能够对相位信号进行放大，便于后期鉴相比对。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1.通过将相位探测器设置为腔式结构，可安装在束流线上，束流在腔体中间穿过，可以更好的引起谐振，信号更明显；

2.通过采用相位探测器的谐振腔拾取束流相位信息与谐振腔三倍频信号进行鉴相，鉴相后的信号经过数字信号处理单元处理后控制调节主磁铁电源，以实现束流相位信息和高频相位信息的快速智能化匹配，为质子治疗设备中的束流稳定系统提供技术保证。

附图说明

图1是本发明提供的相位探测器的整体结构示意图。

图2为图1所示的相位探测器的爆炸图。

图3是本发明提供的质子束流相位稳定装置的结构框图。

图中:1、相位探测器；10、谐振腔；2、倍频器；3、鉴相器；4、模/数转换器；5、数字信号处理单元；6、主磁铁电源；7、滤波器；8、放大器；101、腔筒；102、内杆；1011、盖板；1021、调节环；1012、第一开孔；1014、盲盖；121、真空快卸法兰。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了相位探测器，如图1和图2所示，包括圆筒状腔筒101及穿设于腔筒101轴心位置的中空体内杆102，内杆102为两端开口的空心管体，其内部为谐振腔10，腔筒101两端端面分别设有盖板1011，内杆102两端与盖板1011密封连接，两端盖板1011各自开设有通入内杆102谐振腔10的第一开孔1012及第二开孔（图中未示出），开设有第二开孔的盖板1011上对应第二开孔处盖设有盲盖1014盲盖1014与盖板1011密封连接，从而使内杆102对应第一开孔1012端开口设置，另一端封闭设置。如图2所示，内杆102开口端设有调节环1021，第一开孔1012位于腔筒101外侧连接有真空快卸法兰121。上述结构形成一个非阻拦式的相位探测器，内杆102的开口端形成开路端，封闭端形成短路端，在短路端，将相位探测器安装于回旋加速器束流运输线上，束流从真空快卸法兰121端射入内杆102，束流通过谐振腔时激起磁场，在短路端拾取到束流相位信息，以实现对束流相位信息进行拾取，同时，本发明公开的相位探测器其采用腔式结构，可安装在束流线上，束流在腔体中间穿过，以便更好的引起谐振，信号更明显。

为了控制相位探测器的长度，同时为了避免了来自加速器高频腔基波频率的干扰，相位探测器1的轴向长度等于四分之一波长，即其长度约为0.35m，同时，束流相位信息的采样频率选取其三次谐波频率，该回旋加速器高频频率为71.5MHz，其三次谐波频率为214.5MHz。

如图3所示，本发明还公开的包含该相位探测器的质子束流相位稳定装置，相位探测器1安装于回旋加速器束流运输线上，具有谐振腔10，束流通过谐振腔10时在谐振腔10内激起磁场，相位探测器1拾取束流相位信息

倍频器2，将谐振腔10腔体高频相位信息成三倍频信号输出；

另外还包括：

鉴相器3，与相位探测器1及倍频器2连接，确定束流相位信息及高频相位信息之间的相位差关系；

滤波器7，位于高频相位探测器1与鉴相器3之间，以及倍频器2与鉴相器3之间，用于对拾取束流相位信息的干扰信号进行有效滤除，保证有效信息，提高拾取质量；

放大器8，位于滤波器7与鉴相器3之间，以将相位信号进行放大，便于后期鉴相比对；

模/数转换器4，与鉴相器3连接，以将鉴相器3输出的相位差信息转换为数字信号；

数字信号处理单元5，与模/数转换器4及回旋加速器的主磁铁电源6连接，数字信号处理单元5对模/数转换器4传输的数字信号进行处理后控制调节主磁铁电源6以调谐回旋加速器的磁场强度。

束流通过相位探测器1谐振腔10时激起磁场，高频相位探测器1拾取束流相位信息，并用该束流相位信息作为控制磁场强度的反馈环路的输入,束流相位信息的采样频率选取其三次谐波频率，该回旋加速器高频频率为71.5MHz，其三次谐波频率为214.5MHz；倍频器2将谐振腔10腔体高频相位信息成三倍频信号输出，即在本发明此实施方式中，谐振腔10腔体高频相位信息频率为71.5MHz，则其三倍频信号输出频率为214.5MHz；通过滤波器7分别对束流相位信息及高频相位信息的干扰信号进行有效滤除，并将束流相位信息通过放大器8进行两级放大再经限幅放大和检测过零；通过滤波及放大处理后的束流相位信息以及过滤后的高频相位信息均发送至双平衡混频器组成的鉴相器3，输出信号即为与两者相位差相关的I分量和Q分量；鉴相后的相位差信息传输至模/数转换器4转换成数字信号后发送至数字信号处理单元5，数字信号处理单元5根据鉴相结果控制调节回旋加速器的主磁铁电源6以调谐回旋加速器的磁场强度，从而实现束流相位和高频相位的快速智能化匹配。

为了减小外界噪声对系统的影响，本发明提供的相位探测器及包含该相位探测器的质子束流相位稳定装置的所有电路板均置于1个3U高度的VME机箱中,从而可提供良好的电磁屏蔽，同时，采用高精度线性电源供电,以减小供电纹波等对灵敏度的不利影响，另外，在高频器件的供电线路中增加了1个电感,以防止对其它部分可能产生的干扰。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。