一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法制造技术

本发明专利技术公开了一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法，涉及电压调平技术领域，基于高频低电平系统中的回旋加速器高频腔体，回旋加速器高频腔体包括I腔和R腔，高频低电平系统包括控制器、电机驱动器和电机，电压调平衡算法通过ARM控制器平台，对推挽式高频腔两组腔体的电压进行采样，对采样信号进行一系列的运算，最终获得用于调节两组腔体电压的微调电容电机控制信号；这种算法在不影响高频腔体调谐的条件下，具有调平衡速度快，使用灵活，控制精度高的特点，防止了因推挽式高频腔两组腔体的之间电压不平衡，而造成的回旋加速器无法出束的现象发生。

A Voltage Regulation Balancing Method for High Frequency Cavity of Medical Superconducting Cyclotron

The invention discloses a voltage regulating and balancing algorithm for high frequency cavity of medical superconducting cyclotron, which relates to the technical field of voltage leveling. Based on the high frequency cavity of cyclotron in high frequency and low level system, the high frequency cavity of cyclotron includes I cavity and R cavity, the high frequency and low level system includes controller, motor driver and motor, and the voltage regulating and balancing algorithm is leveled by ARM controller. The voltage of two groups of cavity of push-pull high frequency cavity is sampled, and the sampled signal is processed in a series of operations. Finally, the control signal of fine-tuning capacitor motor used to adjust the voltage of two groups of cavity is obtained. This algorithm has the characteristics of fast balancing speed, flexible use and high control precision without affecting the tuning of high frequency cavity, and prevents the two groups of cavity of push-pull high frequency cavity. The unbalanced voltage between the bodies results in the failure of the cyclotron to exit the beam.

【技术实现步骤摘要】
一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法
本专利技术涉及电压调平
，更具体地说，它涉及一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法。
技术介绍
超导回旋加速器是使用超导主磁铁的回旋加速器。随着超导技术的发展．使用超导线圈的强电流产生高磁场的超导回旋加速器开始问世，其磁感应强度可高达4～5T。目前，超导回旋加速器逐渐应用于医学PET诊断、质子治疗等领域。对于目前的医用超导回旋加速器，一般包括推挽式高频腔，该推挽式高频腔具有两组腔体（I腔和R腔）。高频低电平系统用于控制腔体输入信号的幅值及脉冲占比，同时控制高频腔体微调电容上电机的运动，高频电平系统利用改变高频腔体微调电容的容值大小的办法，即可改变腔体的谐振频率。调节高频腔的微调电容大小，使得腔体的谐振频率与腔体高频输入信号频率相同，则此时腔体处于谐振状态。高频低电平系统控制电机使腔体从非谐振状态到谐振状态的过程，称之为调谐，且该过程在高频低电平系统中由调谐环实现。但是，当腔体经过调谐后处于谐振状态时，由于机械结构存在的误差，造成I腔和R腔不完全对称，使得调谐过程中，I腔和R腔上的电机即使运动相同的步长，产生的微调电容改变量也会不一样，因此易出现I腔和R腔之间电压不平衡的现象。该现象的存在影响粒子在加速器中的加速情况，造成粒子轨道的偏移，使得医用超导加速器存在无法出束的情况。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法，便于解决超导回旋加速器推挽式高频腔的两组腔体之间存在电压不平衡的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法，基于高频低电平系统中的回旋加速器高频腔体，所述回旋加速器高频腔体包括I腔和R腔，所述高频低电平系统包括控制器、电机驱动器和电机，电压调平衡算法包括如下步骤：S1：根据高频低电平系统的调试方法，使高频低电平系统的幅度环和调谐环实现闭环控制，分别获取I腔和R腔的采样信号，并调节I腔和R腔的分布电容，使二者的采样电压保持一致；S2：基于获取的高频低电平系统调谐环的输出TuningStep，根据I腔和R腔的电压比公式，并根据实际获取的I腔电压VDeeI和R腔电压VDeeR，获得实际测量电压比N；当调谐环未完全闭环时，电压平衡环的控制为式中K为补偿系数；当电压平衡环完全闭环时，TuningStep数值接近于0，即死区，则有实际测量电压比N的对数：此时电压平衡环的控制为：式中为TuningStep死区的补偿系数；S3：将调谐环控制算法与电压平衡环电压控制算法相结合，并输出控制信号至电机驱动器以驱动电机调节微调电容。进一步的，步骤S1包括：S11：根据高频腔体设计参数及实际测量数据，设定高频腔体实际输入信号频率，并使输入信号频率稳定不变；S12：按照高频低电平系统的调试方法，使高频低电平系统的幅度环和调谐环实现闭环控制；S13：分别获I腔和R腔的取采样信号，并利用网络分析仪调节I腔和R腔的分布电容，使二者的采样电压保持一致；S14：调试电机驱动器及电机，使高频低电平系统对电机的控制实时而有效。进一步的，步骤S1中所述的I腔和R腔采样为同时采样，并将采样信号输入控制器中。进一步的，步骤S2中，基于高频腔体的等效模型，I腔和R腔之间具有耦合电容，I腔和R腔的电压比公式为：其中，为I腔的电压，为R腔的电压；且。进一步的，所述控制器采用ARM控制器。进一步的，所述控制器采用ArduinoDUE开发板。进一步的，步骤S2中，K取值1±0.1。综上所述，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术基于高频低电平系统中的回旋加速器高频腔体的I腔和R腔之间存在电压不平衡的情况，提出了一种基于ARM控制器的电压调平衡算法，该算法在不影响高频腔体调谐的条件下，具有电压调平衡速度快，使用灵活，控制精度高的特点，防止了因推挽式高频腔两组腔体的之间电压不平衡，而造成的回旋加速器无法出束的现象发生；该电压调平衡准确有效，实现了两组腔体电压不平衡度小于0.5%的效果；该技术还可以推广到具有多个腔体的其它回旋和直线加速器低电平系统中，通用性高。附图说明图1为推挽式高频腔体等效模型；图2为腔体谐振状态1，此时两组腔体之间的电压为不平衡状态；图3为腔体谐振状态2，；此时两组腔体之间的电压为平衡状态，且电压不平衡度小于0.5%，最小不平衡度的测定值由示波器的最小测量值决定。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。基于高频低电平系统中的回旋加速器高频腔体，回旋加速器高频腔体包括I腔和R腔，高频低电平系统包括控制器、电机驱动器和电机。当腔体经过调谐后处于谐振状态时，由于机械结构存在的误差，造成I腔和R腔不完全对称，使得调谐过程中，I腔和R腔上的电机即使运动相同的步长，产生的微调电容改变量也会不一样，因此易出现I腔和R腔之间电压不平衡的现象。本专利技术旨在提出一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法，在不影响高频腔体调谐的条件下，具有电压调平衡速度快，使用灵活，控制精度高的特点。电压调平衡算法包括如下步骤：S1：根据高频低电平系统的调试方法，使高频低电平系统的幅度环和调谐环实现闭环控制，分别获取I腔和R腔的采样信号，并调节I腔和R腔的分布电容，使二者的采样电压保持一致；该步骤至少包括：S11：根据高频腔体设计参数及实际测量数据，设定高频腔体实际输入信号频率，并使输入信号频率稳定不变；S12：按照高频低电平系统的调试方法，使高频低电平系统的幅度环和调谐环实现闭环控制；S13：分别获I腔和R腔的取采样信号，并利用网络分析仪调节I腔和R腔的分布电容，使二者的采样电压保持一致；且I腔和R腔同时采样，并将采样信号输入控制器；S14：调试电机驱动器及电机，使高频低电平系统对电机的控制实时而有效。S2：基于高频腔体的等效模型，如图1所示，医用超导回旋加速器具有四个高频腔，其中两两为一组，分别为I腔和R腔，其等效模型如图中左右两个集中参数模型所示，两组腔体之间通过电容耦合，耦合电容在等效模型中可以用C12表示。单个腔体的基次谐振模型可等效为RLC并联线路，其并联导纳为：通过耦合电容相连的两组腔体，视入导纳为：式中参数及等效模型中的参数。令，其中N为两组腔体之间的电压比，为I腔的电压，为R腔的电压，则可得腔体谐振条件：耦合电容可分为和，其中，则两组腔体之间的电压比可改写成：即改变I腔和R腔微调电容的大小即可改变两组腔体之间的电压比。已知低电平系统调谐环的输出为TuningStep，则利用上述公式，通过测得I腔电压和R腔电压，即VDeeI和VDeeR，则可得实际测量电压比为：当调谐环未完全闭环时，电压平衡环的控制为式中K为补偿系数，取值为1±0.1，优选为1。当电压平衡环完全闭环时，TuningStep数值接近于0（即死区），此时上述公式输出结果依旧为0，则需要上式进行修改。对电压比公式两边取对数，则有：此时电压平衡环的控制为：式中为TuningStep死区算法的补偿系数。K和均可通过实验最终确定。需要说明的是，由于高频腔体的谐振频率为一个频率范围，只要在这个范围之内就可认为是谐振，相对应的只要调谐环使高频腔体的频率进入该范围内，就可认为调谐环闭环。但调谐环闭环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法，基于高频低电平系统中的回旋加速器高频腔体，所述回旋加速器高频腔体包括I腔和R腔，所述高频低电平系统包括控制器、电机驱动器和电机，其特征在于，电压调平衡算法包括如下步骤：S1：根据高频低电平系统的调试方法，使高频低电平系统的幅度环和调谐环实现闭环控制，分别获取I腔和R腔的采样信号，并调节I腔和R腔的分布电容，使二者的采样电压保持一致；S2：基于获取的高频低电平系统调谐环的输出TuningStep，根据I腔和R腔的电压比公式，并根据实际获取的I腔电压VDeeI和R腔电压VDeeR，获得实际测量电压比N；当调谐环未完全闭环时，电压平衡环的控制为

【技术特征摘要】
1.一种用于医用超导回旋加速器高频腔体的电压调平衡算法，基于高频低电平系统中的回旋加速器高频腔体，所述回旋加速器高频腔体包括I腔和R腔，所述高频低电平系统包括控制器、电机驱动器和电机，其特征在于，电压调平衡算法包括如下步骤：S1：根据高频低电平系统的调试方法，使高频低电平系统的幅度环和调谐环实现闭环控制，分别获取I腔和R腔的采样信号，并调节I腔和R腔的分布电容，使二者的采样电压保持一致；S2：基于获取的高频低电平系统调谐环的输出TuningStep，根据I腔和R腔的电压比公式，并根据实际获取的I腔电压VDeeI和R腔电压VDeeR，获得实际测量电压比N；当调谐环未完全闭环时，电压平衡环的控制为式中K为补偿系数；当调谐环完全闭环时，TuningStep数值接近于0，即死区，则有实际测量电压比N的对数：此时电压平衡环的控制为：式中为TuningStep死区的补偿系数；S3：将调谐环控制算法与电压平衡环电压控制算法相结合，并输出控制信号至电机驱动器以驱动电机调节微调电容。2.根据权利要求1所述的电压调平衡算法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷治国，宫鹏飞，付晓亮，赵振鲁，纪彬，张天爵，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11