一种束流位置测量分析系统技术方案

本发明专利技术涉及一种束流位置测量分析系统，其包括：射频模拟信号调理模块，位于整个系统的第一级，与BPM电极连接，从BPM电极上提取束流信号并进行处理，输出束流射频信号；BPM测量分析机箱，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理与模数转换，并进行束流位置与相位计算，得到BPM位置信息。本发明专利技术集成度高，可以同时测量两个BPM的信号，降低了数字BPM硬件复杂度，位置测量精度高，成本低。本发明专利技术可以在质子与重离子加速器领域中应用。本发明专利技术可以在质子与重离子加速器领域中应用。本发明专利技术可以在质子与重离子加速器领域中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种束流位置测量分析系统


[0001]本专利技术涉及一种质子与重离子加速器
，特别是关于一种束流位置测量分析系统。

技术介绍

[0002]质子/重离子直线加速器是用人工方法产生质子/重离子束的装置，由于被加速带电粒子沿直线轨道运动，具有传输效率高，束流流强高、品质好等独特优点，是认知物质结构的重要工具，在核物理基础研究、医疗健康、工农业生产等方面有着广泛的应用，在医疗领域，由于其布拉格峰和生物学效应上的优势，成为癌症放疗治疗的研究热点。
[0003]束流诊断是质子/重离子直线加速器束流参数测量与优化的必备条件，其中束流位置测量(BPM)对加速器的运行、调试起着至关重要的作用，是质子/重离子直线加速器稳定可靠运行的关键测量手段，随着集成电路技术的发展，数字BPM已日益成为质子/重离子加速器束流位置测量的优选方案，其中电子学系统是数字BPM中最复杂的系统，现有的数字BPM电子学系统通常采用mTCA电信计算架构，一个数字BPM信号处理器只测量一个BPM的4路信号，存在系统结构复杂、成本昂贵、测量功能单一等问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种束流位置测量分析系统，该系统集成度高，可以同时测量两个BPM(束流位置测量)的信号，降低了数字BPM硬件复杂度，位置测量精度高，成本低。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种束流位置测量分析系统，其包括：射频模拟信号调理模块，位于整个系统的第一级，与BPM电极连接，从BPM电极上提取束流信号并进行处理，输出束流射频信号；BPM测量分析机箱，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理与模数转换，并进行束流位置与相位计算，得到BPM位置信息。
[0006]进一步，BPM电极采用多个等长同轴电缆与射频模拟信号调理模块连接。
[0007]进一步，多个等长同轴电缆为等长等相位。
[0008]进一步，BPM测量分析机箱包括：集成的射频信号处理前端和数字信号处理单元；
[0009]射频信号处理前端，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理，将射频信号下变频为模拟中频信号；并且射频信号处理前端接收质子/重离子直线加速器的高频参考信号，合成系统工作时钟；
[0010]数字信号处理单元，与射频信号处理前端通过同轴电缆连接，对接收到的模拟中频信号进行采样，并将模拟中频信号转换为中频数字信号，以计算得到BPM位置信息。
[0011]进一步，射频信号处理前端包括衰减器、滤波器和放大器；接收到的束流射频信号依次通过衰减器、滤波器和放大器进行下变频处理。
[0012]进一步，数字信号处理单元包括高速高精度ADC子板和FPGA数字信号处理母板；由
高速高精度ADC子板对中频信号进行采样，并将模数转换后的中频数字信号传输至FPGA数字信号处理母板内进行计算。
[0013]进一步，FPGA数字信号处理母板的核心处理器由32位ARM处理器与FPGA组成。
[0014]进一步，FPGA数字信号处理母板内预置有数字化束流信息处理方法，FPGA通过该方法实现BPM数字计算，得到BPM位置信息。
[0015]进一步，FPGA通过数字化束流信息处理方法实现BPM数字计算，包括：
[0016]FPGA对数字中频信号进行I/Q解调得到数字I/Q基带信号，并经过去直流和CIC滤波抽取进行降噪处理；
[0017]将经数字滤波后的I/Q基带信号进行CORDIC计算，实现信号幅度、相位计算，并对信号幅度进行归一化校准，计算得到BPM极板的束流信号电压值；
[0018]将BPM束流信号电压值进行差比和计算，进而得到束流位置信号。
[0019]进一步，将BPM极板对应的4路束流信号的电压值进行差比和计算，包括：
[0020]对第一路信号的电压值与第三路信号的电压值进行差值计算，并同时对这两路信号电压值进行求和计算，并将差值除以求和值，再乘以BPM探头的固有系数，得到水平方向的位置信号；
[0021]对第二路信号的电压值与第四路信号的电压值进行差值计算，并同时对这两路信号电压值进行求和计算，并将差值除以求和值，再乘以BPM探头的固有系数，得到垂直方向的位置信号。
[0022]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0023]1、本专利技术的束流位置测量分析系统的测量通道数量多，可同时接入两个BPM，大幅降低数字BPM造价，非常易于实现差分BPM测量。
[0024]2、本专利技术的射频模拟信号调理模块增益可调，可针对特定应用进行灵活设置，使系统应变能力大为提高，系统可单台独立工作，并集成了嵌入式EPICS IOC软件，易于与粒子加速器分布式控制系统集成，系统采用下变频方案降低了信号抖动噪声的影响，测量精度高，系统性能稳定。
[0025]综上，本专利技术可广泛应用于各种医疗与科研用质子与重离子加速器领域中。
附图说明
[0026]图1是本专利技术一实施例中束流位置测量分析系统整体结构示意图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0029]本专利技术提供的束流位置测量分析系统，包括：射频模拟信号调理模块，位于整个系统的第一级，与BPM电极连接，从BPM电极上提取束流信号并进行处理，输出束流射频信号；BPM测量分析机箱，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理与模数转换，并进行束流位置与相位计算，得到BPM位置信息。本专利技术集成度高，可以同时测量两个BPM的信号，降低了数字BPM硬件复杂度，位置测量精度高，成本低。
[0030]在本专利技术的一个实施例中，提供一种束流位置测量分析系统。本实施例中，如图1所示，该系统包括：
[0031]射频模拟信号调理模块，位于整个系统的第一级，通过等长同轴电缆与BPM(束流位置测量)电极连接，从BPM电极上提取束流信号并进行处理，输出束流射频信号；
[0032]BPM测量分析机箱，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理与模数转换，并进行束流位置与相位计算，得到BPM位置信息。
[0033]上述实施例中，射频模拟信号调理模块对从BPM电极上提取的束流信号进行滤波和放大调理后，使信号幅度与后端电子学通道的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种束流位置测量分析系统，其特征在于，包括：射频模拟信号调理模块，位于整个系统的第一级，与BPM电极连接，从BPM电极上提取束流信号并进行处理，输出束流射频信号；BPM测量分析机箱，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理与模数转换，并进行束流位置与相位计算，得到BPM位置信息。2.如权利要求1所述束流位置测量分析系统，其特征在于，BPM电极采用多个等长同轴电缆与射频模拟信号调理模块连接。3.如权利要求2所述束流位置测量分析系统，其特征在于，多个等长同轴电缆为等长等相位。4.如权利要求1所述束流位置测量分析系统，其特征在于，BPM测量分析机箱包括：集成的射频信号处理前端和数字信号处理单元；射频信号处理前端，接收射频模拟信号调理模块输出的束流射频信号，进行下变频处理，将射频信号下变频为模拟中频信号；并且射频信号处理前端接收质子/重离子直线加速器的高频参考信号，合成系统工作时钟；数字信号处理单元，与射频信号处理前端通过同轴电缆连接，对接收到的模拟中频信号进行采样，并将模拟中频信号转换为中频数字信号，以计算得到BPM位置信息。5.如权利要求4所述束流位置测量分析系统，其特征在于，射频信号处理前端包括衰减器、滤波器和放大器；接收到的束流射频信号依次通过衰减器、滤波器和放大器进行下变频处理。6.如权利要求4所述束流位置测量分析系统，其特征在于，数字信号处理单元包括高速高精度ADC子板和FPGA数字信号处理母板；由高速高精度ADC子板对中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高郑，黄贵荣，何源，朱正龙，薛纵横，陈奇，邱丰，马瑾颖，徐呈业，丁星皓，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：