重离子治癌加速器高速实时数据传输系统研制

分析了重离子治癌专用加速器对部分同步数据和过程数据的传输要求,提出并实现了一种高速率、可纠错、远距离的实时数据传输系统,以提高加速器同步和控制的效率和可靠性。系统优化了传统系统的硬件配置和布局。采用PXI、FPGA、SDRAM与远距离千兆光纤模块相结合的系统构架,替代了原数据传输过程中低速、近距离、抗干扰性不强的数据通路和处理器件。软件上,通过对两片FPGA的编程,在系统后端实现了PXI接口和DMA相结合的方式与加速器服务器进行数据交互;在系统前端实现了800 MHz载波100 MHz基带信号的实时、远程、高速串行帧传输。通过该数据传输系统,保证新加速器系统的同步事例、电源波形等实时数据在服务器和远端控制器之间的高效传输。     

HIRFL-CSR重离子治癌远程定位及监测系统设计

为满足兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）浅层和深层重离子治癌装置中对病人病灶位置信息的监测与远程控制的需求,基于FPGA技术构建嵌入式实时控制系统,以PCI总线为通信接口,选用凌华的PXI3800工业控制计算机为上位机,并采用逐点比较运动控制算法来实现定位控制,开发了相应的软件和可视化的监控界面,完成了加速器束运系统和治疗装置的集成。经现场测试,本系统运行稳定可靠,达到了设计要求。     

重离子浅层治癌中的束流监测装置

中国科学院近代物理研究所利用兰州重离子加速器提供的80～100MeV/μ的12C束流进行了浅表层恶性肿瘤治疗的临床试验.本文描述了重离子治癌中的束流监测装置,采用塑料闪烁探测器监测束流强度的稳定性并控制照射剂量,平行板雪崩计数器(PPAC)测量束流剖面的均匀性.浅层治癌的临床试验表明该束流监测装置能很好地实现对束流性能状态的监测.     

一台用于IMP重离子治癌线上的电离室

介绍一种用于中国科学院近代物理研究所(IMP)重离子肿瘤治疗线上、于纵向场常压下工作的气体电离室,其灵敏面积为250 mm×250 mm,极间距离为10 mm,电离室工作气体为P10,在85kPa下流气式工作.用75 MeV/u 12C离子入射,测量了电离室的坪曲线.发现电离室工作坪区900-3000 V,12C的Bragg峰位于13.73 mm,峰的极大值半高宽(FWHM)为0.19 mm.     

兰州重离子治癌研究装置的准直测量技术

介绍了中国科学院近代物理研究所重离子治癌装置的安装定位测量技术和方法。利用激光跟踪仪通过控制网的建立,和多重坐标系的转换,使最后的磁铁安装径向相对误差不超过±(0.05-0.1)mm,真空管道的横向及竖向精度也达到了±(0.1-0.2)mm。     

重离子加速器同步定时触发系统的实现

同步定时触发系统是重离子同步加速器的控制核心,控制磁场电源对带电离子束进行同步加速,其对可靠性和定时精度要求高。在重离子治癌、材料辐照等领域的发展中,为了满足这些领域对重离子同步加速器小型化的需求,本文以NIOSII为核心处理器,结合FPGA上的可编程片上系统（SOPC）,实现了一种基于可编程硬件的同步定时触发系统。该系统可控制延时精度,且使用灵活、可靠,易升级,向小型化的同步加速器及重离子治癌等应用工程提供了切实可行的方案。     

深层治癌重离子束的配送

利用重离子束流治疗深层肿瘤的临床实验将在中国科学院近代物理研究所（IMP）进行。束流配送系统是重离子治癌临床实验的关键系统,输送束流均匀辐照照射野。重离子束流经过回旋加速器初步加速,注入重离子冷却储存环（CSR）的主环（CSRm）,累积、加速后通过共振引出,经深层治癌束运线输送到照射野。针对重离子治癌要求和现场可利用空间,优化设计了束运线,得到了灵活调节束斑尺寸的透镜参数。通过模拟束流扫描过程,验证了扫描系统的可行性。     

重离子加速器数字电源回读系统

为提高数字电源回读数据的精确性、抑制噪声、降低成本,开发设计了全数字化回读系统。在本系统中,发送端的数字电源控制器通过光纤模块,按专用协议以2 kHz频率发送4种数据;接收端的数字信号采集设备接收、存储每台电源的回读数据,并标记以时间戳。系统采用有效机制保证每条数据通路的时钟同步,并提供了数据分析图形化界面。经现场测试,验证了系统的性能,达到了设计目的,使全数字化回读首次在重离子医用加速器励磁电源系统上得到成功应用。基于其较好的抗干扰性和经济性,未来可在重离子加速器中推广应用。     

重离子照射野均匀度对细胞存活率影响的理论研究

为了给重离子治癌装置的照射野均匀度的确定提供依据,从理论上研究了重离子照射野均匀度对细胞存活率的影响,以细胞存活率曲线的线性平方模型为基础,导出了受不均匀重离子照射野照射时的细胞存活率与剂量的关系式,利用这个关系式讨论了照射野均匀度对细胞存活率的影响,结果表明,受不均匀照射野照射时的细胞存活率要比受理想的均匀照射野照时的细胞存活率大,均匀度越差细胞存活率越大;当实际照射野均匀度＞95％时,方可将实际的照射野作为理想的均匀照射野来处理,因此,重离子治癌装置的照射野均匀度应＞95％,同时指出,在对不同的实验室所得到的细胞存活率曲线进行比较时,应考虑不同的实验室的重离子照射野的均匀度的一致性。     

重离子扫描磁铁系统的研制

文章给出了重离子扫描磁铁物理设计的实用公式，指出这种磁铁系统工艺设计中应考虑的事项，并给出扫描磁铁系统的研制和实测结果。该磁铁最大可产生０．５０Ｔ的交流磁场，重复频率为５０Ｈｚ，通过３ｍ的漂移管道可将１６５ＭｅＶ＾７９Ｂｒ＾１４＾＋的离子扫宽０．４ｍ，满足了在ＨＩ－１３串列加速器上辐照ＰＥＴ一类膜材的要求，为生产核微孔膜高级滤材提供基本保证。     

重离子加速器磁铁电源控制系统研制

重离子加速器通过一定周期的磁场对带电粒子进行约束,磁铁电源是产生所需磁场的关键部件,因此,要求磁铁电源控制系统具备高效性、稳定性、精确性。磁铁电源需按加速器运行周期进行响应运行。重离子加速器磁铁电源的时序必须严格按重离子加速器控制系统的控制时序进行控制。本工作研制了重离子加速器磁铁电源控制系统,通过磁铁电源控制器与同步时钟系统的通信进行控制时序的运行;通过与中央数据库的数据通信获取磁铁电源控制器所需的全部数据(如同步事例数据、波形数据等)。同步时钟信号一旦触发,磁铁电源控制器进行相应的数据获取并进行插值运算输出至磁铁电源进行控制。重离子加速器磁铁电源控制系统同步精度为1μs,实验平台测试控制器平台纹波精度为100ppm,能满足重离子加速器实验运行的要求。     

320 kV全离子综合实验平台控制系统升级

本文对320 kV全离子综合实验平台的控制系统升级进行了研究。升级后的控制系统采用分布式系统模型构建。硬件采用串口服务器、PLC及伺服电机等部件实现了所有被控设备的远程监测及控制。软件通过建立EPICS IOC动态数据库,实现了对所有被控设备的集成。用户操作界面层采用CSS开发,实现了操作人员对所有被控设备的透明访问。该控制系统已成功连续运行约10 000 h。目前该控制系统运行稳定、可靠,完全满足320 kV全离子综合实验平台的运行及物理实验的需求。     

医用重离子加速器薄壁真空室研制

中国科学院近代物理研究所研制的医用重离子加速器装置是我国第1台拥有自主知识产权的医用重离子加速器,其高频脉冲二极磁铁使用RAMPING工作模式且磁场上升速率为1.6 T/s,所以安装在高频脉冲磁铁内的真空室采用一种薄壁加筋结构不锈钢真空室以减少涡流对离子束稳定性的影响。然而由于薄壁加筋不锈钢真空室占用磁铁气隙尺寸偏大,不仅造成了磁铁造价成本偏高,更是提高了运维成本。基于以上原因,本文提出陶瓷内衬薄壁（0.3 mm）真空室,并研制了原理样机。测试结果表明：样机真空度进入了10^-10 Pa量级范围,并可有效减小磁铁气隙,是未来加速器薄壁真空室的发展方向。     

Development of Thin-wall Vacuum Chamber for Heavy Ion Medical Accelerator

Heavy Ion Medical Machine (HIMM), developed by the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, is the first medical heavy ion accelerator with independent intellectual property rights in China. Because the RAMPING mode was used for high frequency pulse dipole magnets of HIMM and the rising rate of magnetic field is 1.6 T/s, the vacuum chamber installed in the high frequency pulsed magnet is a thin-wall stainless vacuum chamber with reinforcing ribs to reduce the influence of eddy current on the ion beam stability. However, the gap size of magnet occupied by thin-wall stainless vacuum chamber with reinforcing ribs is too large, and it not only causes the high cost of magnets, but also greatly improves the maintenance cost. Based on these reasons, a new thin-wall vacuum chamber (0.3 mm) with ceramic lining was put forward and the prototype was designed and manufactured. The test results show that the obtained pressure of the prototype is in the order magnitude of 10^-10 Pa, and the magnet gap can be effectively reduced. And it is the development direction of thin-wall vacuum chamber of accelerator in the future.     

Nonneutral Plasma Science Issues for Heavy Ion Drivers

A review of nonneutral plasma science issues for heavy ion drivers is presented. The requirements on transverse and longitudinal focusing at the target lead to constraints on the 6D phase space. Mechanisms which act to prevent focusability, including emittance growth, space charge and instabilities are discussed. Experiments which have explored and validated our understanding of beam transport and focusability of space-charge dominated heavy ion beams are described.     

重离子肿瘤治疗中的PET设计

文章简单描述HIRFL重离子肿瘤治疗装置布局和PET（正电子断层影像）的总体设计。详细叙述组成PET探测单元的结构，晶体、光纤、MAPMT的选择，读出线路的研制及一些初步测试结果。 