用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测系统及方法，包括上位机、FPGA电子控制单元、灯丝电源、弧电源、离子源灯丝、加速器法拉第桶、输运线、纳安级放大器；灯丝电源加热灯丝产生电子，电子和氢气碰撞产生离子，离子被高频电压引出，打在设在偏转板出口处的法拉第桶上，法拉第桶通过同轴电缆连接纳安级电流放大器上，再通过FPGA电子控制控制单元采集，上传到上位机，监测离子束流流强值。本发明采用抗干扰的同轴电缆和简单实用的法拉第桶，快速处理的FPGA电子单元，有效的反馈监测了治疗病人的束流流强值，增加了治疗病人系统稳定性，实现治疗病人计划。

说明书

技术领域

本发明属于超导回旋加速器技术领域，具体地，涉及一种用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测系统及方法。

背景技术

随着核医学的迅速发展，加速器已经被广泛的应用于正电子发射断层成像(PET)技术、同位素生产、质子治疗。其中，质子治疗被视为“致癌利器”。这是当今医学界最顶尖的一种放疗技术。质子治疗是一种比传统X射线放疗更先进的放疗疗法，因其治疗精准，副作用小及能进行高剂量靶向照射等特点受到越来越多的医疗专家和患者的青睐。1931年，世界上第一台回旋加速器诞生，开启了人工生产放射性元素的新时代。随着高能物理与核物理技术的发展，其他各种类型的加速器相继出现，如经典回旋加速器、同步回旋加速器以及等时性回旋加速器。

但是以前的加速器都比较大，占很大空间，而且成本高，束流流强精度低，控制系统不稳定等，在加速器投入医疗以来，已经出现多次医疗事故。因此急需研制一种束流流强精度高，控制系统稳定、紧凑型超导回旋加速器。

发明内容

针对上述背景技术中现有加速器离子束流流强控制系统存在的缺陷，本发明提供了用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测系统及方法，该方法简单实用，能够有效监测治疗病人的束流流强值以及输出需要的束流值。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测系统，该系统包括FPGA电子控制单元、离子源灯丝、加速器法拉第桶；

所述FPGA电子控制单元通过同轴电缆与上位机交换信号；

所述FPGA电子控制单元的输出端通过同轴电缆分别与灯丝电源和弧电源的输入端连接；

所述灯丝电源和弧电源的输出端均通过同轴电缆与离子源灯丝的输入端连接；

所述离子源灯丝的输出端与加速器法拉第桶的输入端连接；

所述加速器法拉第桶设在偏转板出口处，所述加速器法拉第桶的第一输出端与输运线的输入端连接，所述加速器法拉第桶的第二输出端通过同轴电缆与纳安级电流放大器的输入端连接，其中，所述输运线设置于加速器出口处；

所述纳安级电流放大器的输出端通过同轴电缆与FPGA电子控制单元的输入端连接。

进一步地，所述上位机用于将设定的离子源束流流强以束流流强百分比的形式转换成电流，并将电流通过同轴电缆传输到FPGA电子控制单元。

进一步地，所述上位机还通过以太网连接FPGA电子控制单元，在同轴电缆传输的同时通过以太网传输参数。

进一步地，所述加速器法拉第桶为锥形，桶口直径小于桶底直径。

进一步地，所述FPGA电子控制单元在接收到上位机传输过来的电流后将电流转换成数字信号处理和存储；

所述FPGA电子控制单元还用于将数字信号转换成电流后通过同轴电缆分别传输到灯丝电源和弧电源，并分别控制弧电源电压和灯丝电源电流。

进一步地，所述灯丝电源和弧电源均用于加热灯丝产生电子，并通过与氢气碰撞产生离子。

进一步地，所述离子源灯丝用于向法拉第桶引出高频电压产生的离子。

进一步地，所述加速器法拉第桶用于将高能离子分别输送至加速器和纳安级电流放大器。

进一步地，所述纳安级电流放大器用于将离子束流信号传输至FPGA电子控制单元。

用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测方法，包括如下步骤：

(1)灯丝电源、弧电源加热灯丝产生电子，电子和氢气碰撞产生离子；

(2)离子被超导加速器内部的高频电压引出，打在设在偏转板出口处的加速器法拉第桶上，加速器法拉第桶对高能离子进行收集；

(3)加速器法拉第桶通过同轴电缆将收集的高能离子输送至纳安级电流放大器；

(4)纳安级电流放大器再通过同轴电缆将离子传输至FPGA电子控制单元，离子通过FPGA电子控制单元采集，上传到上位机，上位机监测离子束流流强值。

本发明的有益效果：

本发明采用抗干扰的同轴电缆，可有效解决加速器工作环境下的电磁干扰问题；本发明采用简单实用的锥形法拉第桶，能够提高高能电子收集效率；本发明采取快速处理的FPGA电子单元，可实现快速实时监测记录；本发明有效的反馈监测了治疗病人的束流流强值，增加了治疗病人系统稳定性，治疗病人前准备时，可以输出需要的束流，实现治疗病人计划。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种反馈监测医用超导回旋加速器离子束流流强的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中束流值百分比转换电流值的关系图；

图3为本发明实施例中束流和弧电流的关系图；

图4为本发明的法拉第桶示意图；

图5为本发明的同轴电缆电磁场分布图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测系统，所述的医用超导回旋加速器包括离子源和加速腔，离子源包括灯丝、弧电源、灯丝电源、氢气，加速腔包括磁场系统、高频系统、中心区、真空系统，中心区设有中心区偏转板，中心区周围设有对称的射频D盒；如图1所示，该系统包括FPGA电子控制单元、离子源灯丝、加速器法拉第桶，FPGA电子控制单元通过同轴电缆与上位机相连，FPGA电子控制单元的输出端通过同轴电缆连接灯丝电源、弧电源的输入端，灯丝电源、弧电源的输出端均通过同轴电缆与离子源灯丝的输入端连接，离子源灯丝的输出端与加速器法拉第桶的输入端连接，加速器法拉第桶的第一输出端与输运线的输入端连接，法拉第桶的第二输出端通过同轴电缆与纳安级电流放大器的输入端连接，纳安级电流放大器的输出端通过同轴电缆与FPGA电子控制单元的输入端连接；

上位机与FPGA电子控制单元通过同轴电缆相连，上位机将设定的离子源束流流强以束流流强百分比的形式转换成电流，并将电流通过同轴电缆传输到FPGA电子控制单元；上位机还通过以太网连接FPGA电子控制单元，在同轴电缆传输的同时通过以太网传输参数；

FPGA电子控制单元的输出端通过同轴电缆连接灯丝电源、弧电源的输入端，FPGA电子控制单元在接收到上位机传输过来的电流后将电流转换成数字信号处理和存储，再将数字信号转换成电流，通过同轴电缆分别传输到灯丝电源和弧电源，分别控制弧电源电压和灯丝电源的电流；FPGA电子控制单元是微秒级处理单元，可实现快速实时监测记录；

灯丝电源、弧电源均与离子源灯丝连接，灯丝电源、弧电源加热灯丝产生电子，电子和氢气碰撞产生离子；

离子源灯丝与加速器法拉第桶连接，离子源灯丝产生的离子通过高频电压引出，打在加速器法拉第桶；加速器法拉第桶设在偏转板出口处，加速器法拉第桶桶口直径小于桶底部直径，为锥形，如图4所示，锥形结构能够提高高能电子收集效率；

加速器法拉第桶的第一输出端与输运线连接，加速器法拉第桶收集到的高能离子一部分经运输线输送至加速器外进行测试；输运线设置在加速器出口处；

加速器法拉第桶的第二输出端与纳安级电流放大器的输入端连接，加速器法拉第桶收集到的高能离子另一部分通过同轴电缆输送至纳安级电流放大器上进行离子束流信号放大；

纳安级电流放大器的输出端与FPGA电子控制单元的输入端连接，纳安级电流放大器将离子束流信号传输至FPGA电子控制单元，FPGA电子控制单元采集离子束流后上传至上位机，监测离子束流流强值；

用于超导回旋加速器离子束流流强的反馈监测方法，包括如下步骤：

(1)灯丝电源、弧电源加热灯丝产生电子，电子和氢气碰撞产生离子；

(2)离子被超导加速器内部的高频电压引出，打在设在偏转板出口处的加速器法拉第桶上，加速器法拉第桶对高能离子进行收集；

(3)加速器法拉第桶通过同轴电缆将收集的高能离子输送至纳安级电流放大器；

(4)纳安级电流放大器再通过同轴电缆将离子传输至FPGA电子控制单元，离子通过FPGA电子控制单元采集，上传到上位机，上位机监测离子束流流强值。

实施例

以SC200超导质子回旋加速器为例，介绍一种用于医用超导回旋加速器束流流强反馈监测的装置。所述的回旋加速器，其离子源束流流强是利用治疗控制系统主控制器设定束流流强大小，并以束流流强百分比的形式，转换成电流，通过同轴电缆传输到FPGA电子控制单元，在FPGA电子控制单元转换成数字信号处理和存储，再将数字信号转换成电流，通过电缆传输到弧电源，控制弧电源电压，同时治疗控制系统通过以太网转光纤传输参数,控制灯丝电源的电流，弧电压和灯丝电流加在离子源灯丝上，控制束流流强大小。具体为物理师根据病人CT和资料数据库确定治疗计划，确定治疗过程中最大束流流强值，300nA，如图1；知道最大束流，在治疗控制系统主控制器以百分比形式转换成电流的关系。300nA对应20mA，如图2；模拟量20mA通过电缆传输到FPGA电子控制单元，在FPGA电子控制单元内部以数字量形式处理和存储，输出电流模拟量到弧电源。弧电源加在灯丝上，同时灯丝电源加在灯丝上，输出束流，如图1；束流和弧电流关系，300nA对应400mA，如图3；采用法拉第桶，如图4，同轴电缆，如图5；FPGA电子控制单元和上位机，实时记录监测。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。