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。     

兰州重离子加速器深层治癌扫描电源研究与设计

阐述了用于兰州重离子深层治癌装置的扫描电源的技术指标和工作原理,为保证该电源输出电流的精度,采用滞环控制策略,将跟踪误差限制在设计要求的误差范围内.研制了1台扫描电源样机,并给出了电路仿真和测试结果.测试结果显示各项指标均达到了设计要求,表明所选电路结构和滞环控制方案是切实可行的.     

医用质子/重离子加速器辐射屏蔽设计概述

近年来我国医用质子/重离子加速器治癌产业开始飞速发展。粒子加速器运行时会产生次级辐射从而危及环境、公众及工作人员的辐射安全,可靠的辐射屏蔽设计是装置运行时辐射安全的必要保障。本文简要分析了医用质子/重离子加速器辐射屏蔽设计的一般考虑因素;介绍了几种常用的屏蔽计算方法并给出了计算实例。本文的研究内容对未来将要建造的医用质子/重离子加速器的辐射屏蔽设计具有一定的参考意义。     

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。     

重离子治癌加速器高速数据传输系统设计与实现

根据重离子治癌加速器的特点提出了新的一种数据传输方法,在FPGA上实现了DPSK(Differential Phase Shift Keying)调制解调,加入了奇偶校验、BCH编解码、扰码与帧同步系统来提高系统的可靠性,传输信道采用SFP光纤传输,提高了传输的速率,降低了设计成本。本文主要描述系统软硬件的设计和实现细节,重点分析了在传输过程中如何使用FPGA编程方法提高系统的可靠性和稳定性。该系统经过严格压力测试,做到百万次传输无误差,已在重离子治癌加速器现场实际使用,在加速器控制领域首次实现了FPGA结合光纤的DPSK调制解调高速数据传输,对同类系统有较好的借鉴参考作用。     

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.     

时间数字转换模块读出接口设计

为解决时间数字转换TDC模块数据传输中遇到的连续性和可靠性问题,以用户数据包协议(UDP)作为通信协议,采用Cyclone III FPGA为控制芯片,针对重离子治癌项目中对时间间隔测量的要求,设计了基于FPGA的数据传输接口。测试结果表明:该系统能稳定地与主机进行通信,可用于Inbeam PET影像装置中飞行时间的测量。     

微型多参数人体体征监护仪

为满足重离子治癌系统中对人体体征参数的要求设计了多参数监护仪。在设计中充分考虑了系统的微型化、实时性和低功耗[1]。该系统以TI公司高性能低功耗定点处理器TMS320C5515为核心搭建了模拟信号调理电路、模数转换电路、数字信号存储处理电路、LCD显示电路,解决了心电、呼吸、血氧、无创血压、脉搏等人体征信号的检测[2]。设计中围绕DSP全面考虑了电路的整体性能和结构(包括电源管理),最终保证系统的实时性、超微型和低功耗。     

兰州重离子加速器冷却储存环中磁场电源控制系统设计

为实现对兰州重离子加速器冷却储存环中磁场电源控制系统物理实验装置的远程监控和访问，采用32位内核芯片技术结合CPLD逻辑时序编程来设计eVME并行总线系统。同时采用ARM网络控制板与数据处理DSP板相结合的控制结构，实现对磁场电源系统在离子加速过程中的同步控制。设计出的系统能稳定地实现数据的快速获取与给定。      

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。     

高能同步辐射光源高精度直流稳流电源样机研制

即将建造的高能同步辐射光源对四极磁铁电源的性能提出了很高的要求。为了掌握此类型磁铁电源的关键技术并解决其技术难点,在验证装置中研制了高精度直流稳流电源样机。样机采用模块化设计,利用数字、模拟调节器相结合的控制方式,实现对输出电流的高精度控制。为了实现电流稳定度的设计指标,样机采用自主研发的高精度数字控制器和DCCT,对闭环控制中的关键器件进行了恒温控制。实验结果表明,样机的电流稳定度达到了10 ppm,电压纹波低于设计指标5 mV。样机的其他性能指标也均达到了物理设计的要求,并最终通过验收测试。     

60A／200V重离子扫描磁铁供电三角波电源

给出了５０Ｈｚ６０Ａ／２００Ｖ重离子扫描磁铁供电三角波电源的设计原理、技术指标、方案选择和研制结果。     

Design of Fast Corrector Magnet Power Supply for HEPS Storage Ring

The high energy photon source (HEPS) has an ultra-low emittance of 0.1 nm·rad, which puts forward high requirement for beam stability. A high performance fast corrector magnet power supply was developed to improve the performance of the fast orbit feedback system to improve the beam stability. The prototype adopted a novel multi-level cascade topology structure to improve the dynamic performance, and a novel control method based on digital control was used to improve the dynamic performance of the prototype. Software simulation and the prototype test data show that the prototype has a small signal bandwidth of 10 kHz, step response time lower than 70 μs, output current ripple of less than 20 ppm. The power supply prototype can meet the requirement of HEPS.     

高能同步辐射光源储存环快校正磁铁电源设计

高能同步辐射光源（HEPS）具有0.1 nm·rad的超低发射度,对束流稳定度提出了较高要求,研制1台高性能快校正磁铁电源用来提高快速轨道反馈系统（FOFB）的性能以提升束流稳定度。电源样机采用新颖的多电平级联拓扑结构提升电源样机的动态性能,使用基于数字控制的新颖控制方法实现样机的动态性能提升。软件仿真与样机试验数据证明,电源样机具有10 kHz小信号带宽、电源阶跃响应时间小于70 μs、输出电流纹波低于20 ppm,电源样机可很好地满足HEPS建设需求。     

加速器自均衡稳流电源可靠性研究

大型加速器电源系统可靠工作对整个加速器的长期有效运行具有重要意义,在当前可实施的电源技术下,采用N+1模块化自均衡并联冗余电源可明显提高电源系统的可靠性。本文对这种结构的磁铁稳流电源进行了研发及可靠性分析,并对电源的可靠性进行了估算。结果表明,该电源1 a故障时间（MTTR）比单个模块少1/3;上半年的MTTR小于单个模块的1/2。N+1模块化自均衡并联冗余电源的故障率呈现前期低、后期高的特点,且这种电源在电源可靠度高时能展现更大的可靠性优势,是加速器电源的理想选择。     

基于FPGA状态空间方程解算器的HIRFL-CSR电源控制器设计

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)磁铁电源控制系统迫切需要提高性能,为实现基于现代控制理论的复杂控制算法,设计了ARM+FPGA结构的数字电源控制器。在FPGA中,设计了全新的硬件状态空间方程解算器,对电源进行实时、高速的状态反馈控制。结果证明,控制器可很好地实现最优观测状态反馈闭环控制,且其动态响应速度、稳态精度、抗干扰性及鲁棒性均有很大的提高。     

合肥光源新型数字校正铁电源系统

储存环校正铁电源系统的稳定性是进行同步辐射光源束流轨道校正的重要前提。本文描述了新的校正铁数字控制电源系统硬件结构、软件设计及调试结果,其中,重点介绍了数字化控制器的硬件结构和软件工作流程。数字化控制器包括DSP卡和ADC卡,采用了DSP和FPGA作为控制核心,通过光纤与远程IOC进行实时通讯,通过本地PC机串行口可设置电源回路参数。运行结果表明,新的数字控制开关电源系统很好地满足了轨道稳定性对其的要求。     

数字电源控制模块的设计

为加速器高精度磁铁稳流电源设计了数字电源控制模块DPSCM,以硬开关拓扑结构的磁铁电源作为被控对象,实现电源的全数字化控制。DPSCM以现场可编程门阵列FPGA为控制部件,实现对高精度ADC和DAC的控制,由数字调节器产生高精度数字脉宽调制信号,并实现电源的逻辑控制和联锁保护功能。通过模拟负载测试了DPSCM的基本功能,并在数字电源样机上测试了DPSCM长期运行的可靠性及稳定性,样机电源连续运行72h,电流稳定度优于5×10^-5。