本發(fā)明涉及磁場測量領(lǐng)域，具體涉及一種等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器磁場測量系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)：

與標(biāo)準(zhǔn)的放療相比，質(zhì)子治療是一種先進(jìn)的放射治療方法，具有健康組織受輻射傷害風(fēng)險(xiǎn)低、腫瘤細(xì)胞摧毀幾率高、單次手術(shù)治療時(shí)間短等優(yōu)勢。質(zhì)子治療系統(tǒng)主要由等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器、能量選擇系統(tǒng)、束流傳輸系統(tǒng)、治療臺架系統(tǒng)等部分組成，等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器是質(zhì)子治療系統(tǒng)中的核心設(shè)備，等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器要得到一定能量和束流強(qiáng)度的高品質(zhì)粒子束，其磁鐵系統(tǒng)至關(guān)重要。

現(xiàn)有的磁場計(jì)算和分析軟件會(huì)根據(jù)質(zhì)子治療加速器的要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)磁鐵模型，磁體間隙約5mm～40mm，磁體與內(nèi)壁之間的間隙為幾個(gè)毫米；然而磁鐵在制造加工階段，會(huì)因?yàn)闄C(jī)械精度、安裝精度、材料特性等不可控的因素?zé)o法達(dá)到理想狀態(tài)，為了滿足加速器對磁場的運(yùn)行要求，須對加速器的主磁場進(jìn)行高精度、高密度的測量，質(zhì)子治療加速器磁場測量精度一般要達(dá)到0.5*10^-4T，徑向位置精度0.2mm，角向精度為0.5度，為后期的磁場墊補(bǔ)和粒子動(dòng)力學(xué)計(jì)算等工作提供磁場的實(shí)測數(shù)據(jù)。

目前，在加速器磁場測量方面，市場上沒有成套設(shè)備的生產(chǎn)和銷售，各大研究單位都是按照科研需要自行設(shè)計(jì)磁場測量儀器；在國內(nèi)外的加速器實(shí)驗(yàn)室，磁場測量方法是根據(jù)磁場的精度、分布以及測量周期等進(jìn)行不同測量，在磁場測量傳感器的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)方式等多方面也都有很大區(qū)別，且這種設(shè)置測量傳感器的測量方式在質(zhì)子治療加速器內(nèi)的安裝以及線路的引上存在很大難度，往往會(huì)導(dǎo)致較大的測量偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一閉環(huán)式控制式的一種等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器磁場測量系統(tǒng)，具體通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器磁場測量系統(tǒng)，包括探頭移動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

探頭移動(dòng)系統(tǒng)，用于磁場測量探頭的安裝，并帶動(dòng)探頭在磁場測量區(qū)域內(nèi)的平面移動(dòng)；

控制系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)有位置測量單元、運(yùn)動(dòng)控制單元；其中，運(yùn)動(dòng)控制單元與探頭移動(dòng)系統(tǒng)連接，負(fù)責(zé)探頭移動(dòng)系統(tǒng)的移動(dòng)控制；位置測量單元負(fù)責(zé)采集探頭移動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)的位置數(shù)據(jù)，并反饋位置信息至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過將接收的位置信息與預(yù)設(shè)位置信息比較、并向運(yùn)動(dòng)控制單元發(fā)出命令，完成探頭移動(dòng)系統(tǒng)位置的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與控制系統(tǒng)連接，負(fù)責(zé)接收控制系統(tǒng)發(fā)出采集磁場測量值的命令，并存儲(chǔ)所采集的磁場測量值。

所述探頭移動(dòng)系統(tǒng)包括臺架、兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)、探頭；兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)均通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)呈上、下設(shè)置；其中，位于下方的絲杠螺母機(jī)構(gòu)水平設(shè)在臺架的頂面上，其螺母上固結(jié)有下滑塊，下滑塊套設(shè)在下導(dǎo)軌上、并水平固結(jié)有移動(dòng)板，下方的絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)板X方向的移動(dòng)；

上層絲杠螺母機(jī)構(gòu)水平固結(jié)在移動(dòng)板的頂面上，并與下絲杠螺母機(jī)構(gòu)呈垂直設(shè)置，其螺母上固結(jié)有上滑塊，上滑塊套設(shè)在上導(dǎo)軌上，所述探頭的探臂沿上導(dǎo)軌方向固結(jié)在上滑塊上，上層絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探頭的Y方向移動(dòng)。

所述控制系統(tǒng)包括服務(wù)終端，運(yùn)動(dòng)控制單元為一內(nèi)嵌在服務(wù)終端內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡的接線端子模塊分別與兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)連接；

位置測量單元為兩塊光柵尺，兩塊光柵尺分別設(shè)在上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌的邊沿上，光柵尺的通訊接口為串口，并與運(yùn)動(dòng)控制卡的接線端子模塊通訊傳輸參數(shù)。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括特斯拉計(jì)、數(shù)據(jù)收集卡；其中，特斯拉計(jì)通過串口與控制系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)收集卡內(nèi)嵌在控制系統(tǒng)上；

當(dāng)控制系統(tǒng)分析接收到的當(dāng)前探頭位置與預(yù)設(shè)位置一致時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出采樣信號至特斯拉計(jì)采集當(dāng)前位置的磁場測量值，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)收集卡上。

所述臺架為上、下兩層板架，且在上層板和下層板之間均布連接有兩個(gè)以上的調(diào)整螺栓，調(diào)整螺栓實(shí)現(xiàn)上層板測量時(shí)水平度的調(diào)節(jié)。

所述數(shù)據(jù)收集卡采用高性能數(shù)據(jù)收集卡型號為NI9403、NI9411、NI9239、NI9215、NI9476中的任一一種。

所述服務(wù)終端為電腦或其他可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及分析的電子產(chǎn)品，運(yùn)動(dòng)控制卡為PCI-7344。

本發(fā)明的另一目的是提供一種適用于等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器磁場測量系統(tǒng)的測量方法，具體包括以下順序的步驟：

(1)首先，對控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制卡做初始化設(shè)定，在控制卡中設(shè)定伺服電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，預(yù)設(shè)坐標(biāo)用來與探頭實(shí)際位置坐標(biāo)值比較，確定采樣點(diǎn)是否滿足要求；將探頭移動(dòng)系統(tǒng)的臺架放置在回旋加速器磁鐵旁的工位處，調(diào)整好臺架與磁鐵的距離和測量平面的水平度；然后將探臂伸到磁鐵上下兩極的間隙中控制探頭找到測量平面的中心點(diǎn)，并對光柵尺進(jìn)行初始化設(shè)定，設(shè)此點(diǎn)坐標(biāo)為初始坐標(biāo)(0，0)；

(2)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送移動(dòng)命令至伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)探頭從坐標(biāo)值最小的點(diǎn)開始測量磁場值；磁場值的測量采用先固定X坐標(biāo)、再測量此X坐標(biāo)Y方向上的所有采樣點(diǎn)的方式；

(3)探頭移動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)探頭每次移動(dòng)一個(gè)測量步距后，探頭的真實(shí)位置坐標(biāo)通過光柵尺反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡對當(dāng)前位置和預(yù)設(shè)位置進(jìn)行比較；如果采樣點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)位置一致，控制系統(tǒng)發(fā)出采樣信號命令給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取此點(diǎn)的磁場測量值，如果采樣點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)位置不一致，控制系統(tǒng)將得出的調(diào)整探頭位置的運(yùn)動(dòng)命令通過控制卡以數(shù)字脈沖或模擬信號的形式發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭再次定位，重復(fù)以上的過程直到采樣點(diǎn)位置坐標(biāo)滿足要求；

(4)當(dāng)前X坐標(biāo)Y方向上的所有采樣點(diǎn)的磁場測量值測量并存儲(chǔ)完成后，探頭移動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)探頭沿原軌跡返回至當(dāng)前Y坐標(biāo)的起始點(diǎn)，并在X方向前進(jìn)一個(gè)測量步距，開始下一次Y方向上的所有采樣點(diǎn)測量，對于下一次Y方向上的每次測量點(diǎn)的測量均重復(fù)步驟(3)；

(5)將所有符合要求的磁場測量值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集卡上，數(shù)據(jù)收集卡將所有符合要求的數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)的服務(wù)終端上，完成回旋加速器內(nèi)磁場測量值的數(shù)據(jù)分析。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明采用懸臂探頭移動(dòng)式機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，探頭的移動(dòng)是通過現(xiàn)有的兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的移動(dòng)；探臂材料采用非導(dǎo)磁材料，使得整個(gè)系統(tǒng)易于在較小空間里工作，此外，采用閉環(huán)式控制策略，采用光柵尺，伺服電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而保證了磁場測量精度。此外，由于是在磁場環(huán)境下的測量，需要防止測量部件對磁場本身的干擾，所以在部件材料選擇方面要選擇弱磁性和非磁性材料。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明各系統(tǒng)之間的連接示意圖。

圖2為本發(fā)明磁場測量的控制流程圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，一種等時(shí)性超導(dǎo)回旋加速器磁場測量系統(tǒng)，包括探頭移動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

探頭移動(dòng)系統(tǒng)1，用于磁場測量探頭的安裝，并帶動(dòng)探頭在磁場測量區(qū)域內(nèi)的平面移動(dòng)；

所述探頭移動(dòng)系統(tǒng)1包括臺架、兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)、探頭；兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)均通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)型號為科爾摩根AKM22-E，且兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)呈上、下設(shè)置；其中，位于下方的絲杠螺母機(jī)構(gòu)水平設(shè)在臺架的頂面上，其螺母上固結(jié)有下滑塊，下滑塊套設(shè)在下導(dǎo)軌上、并水平固結(jié)有移動(dòng)板，下方的絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)板X方向的移動(dòng)；

上層絲杠螺母機(jī)構(gòu)水平固結(jié)在移動(dòng)板的頂面上，并與下絲杠螺母機(jī)構(gòu)呈垂直設(shè)置，其螺母上固結(jié)有上滑塊，上滑塊套設(shè)在上導(dǎo)軌上，所述探頭的探臂沿上導(dǎo)軌方向固結(jié)在上滑塊上，上層絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探頭的Y方向移動(dòng)。

控制系統(tǒng)2，包括有服務(wù)終端、位置測量單元、運(yùn)動(dòng)控制單元；其中，服務(wù)終端為電腦，運(yùn)動(dòng)控制單元為一內(nèi)嵌在服務(wù)終端內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡為PCI-7344，運(yùn)動(dòng)控制單元與探頭移動(dòng)系統(tǒng)1連接，負(fù)責(zé)探頭移動(dòng)系統(tǒng)1的移動(dòng)控制；運(yùn)動(dòng)控制卡的接線端子模塊分別與兩組絲杠螺母機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)連接；位置測量單元為兩塊光柵尺，兩塊光柵尺分別設(shè)在上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌的邊沿上，光柵尺的通訊接口為串口，并與運(yùn)動(dòng)控制卡的接線端子模塊通訊傳輸參數(shù)。

位置測量單元負(fù)責(zé)采集探頭移動(dòng)系統(tǒng)1移動(dòng)的位置數(shù)據(jù)，并反饋位置信息至控制系統(tǒng)2，控制系統(tǒng)2通過將接收的位置信息與預(yù)設(shè)位置信息比較、并向運(yùn)動(dòng)控制單元發(fā)出命令，完成探頭移動(dòng)系統(tǒng)1位置的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3與控制系統(tǒng)2連接，包括特斯拉計(jì)、數(shù)據(jù)收集卡；其中，特斯拉計(jì)通過串口與控制系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)收集卡采用高性能數(shù)據(jù)收集卡型號為NI9403，數(shù)據(jù)收集卡內(nèi)嵌在控制系統(tǒng)上；當(dāng)控制系統(tǒng)2分析接收到的當(dāng)前探頭位置與預(yù)設(shè)位置一致時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)2發(fā)出采集磁場測量值的命令，特斯拉計(jì)采集當(dāng)前位置的磁場測量值，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)收集卡上。

參見圖2，本發(fā)明的測量方法，包括以下順序的步驟：

(1)首先，對控制系統(tǒng)2的運(yùn)動(dòng)控制卡做初始化設(shè)定，在控制卡中設(shè)定伺服電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，預(yù)設(shè)坐標(biāo)用來與探頭實(shí)際位置坐標(biāo)值比較，確定采樣點(diǎn)是否滿足要求；將探頭移動(dòng)系統(tǒng)的臺架放置在回旋加速器磁鐵旁的工位處，調(diào)整好臺架與磁鐵的距離和測量平面的水平度；然后將探臂伸到磁鐵上下兩極的間隙中控制探頭找到測量平面的中心點(diǎn)，并對光柵尺進(jìn)行初始化設(shè)定，設(shè)此點(diǎn)坐標(biāo)為初始坐標(biāo)(0，0)；

(2)運(yùn)動(dòng)控制2卡發(fā)送移動(dòng)命令至伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)探頭從坐標(biāo)值最小的點(diǎn)開始測量磁場值；磁場值的測量采用先固定X坐標(biāo)，再測量此X坐標(biāo)Y方向上的所有采樣點(diǎn)的方式；

(3)探頭移動(dòng)系統(tǒng)1驅(qū)動(dòng)探頭每次移動(dòng)一個(gè)測量步距后，探頭的真實(shí)位置坐標(biāo)通過光柵尺反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡對當(dāng)前位置和預(yù)設(shè)位置進(jìn)行比較；如果采樣點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)位置一致，控制系統(tǒng)2發(fā)出采樣信號命令給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取此點(diǎn)的磁場測量值，如果采樣點(diǎn)位置與預(yù)設(shè)位置不一致，控制系統(tǒng)2將得出的調(diào)整探頭位置的運(yùn)動(dòng)命令通過控制卡以數(shù)字脈沖或模擬信號的形式發(fā)送給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)探頭再次定位，重復(fù)以上的過程直到采樣點(diǎn)位置坐標(biāo)滿足要求；

(4)當(dāng)前X坐標(biāo)Y方向上的所有采樣點(diǎn)的磁場測量值測量并存儲(chǔ)完成后，探頭移動(dòng)系統(tǒng)1移動(dòng)探頭沿原軌跡返回至當(dāng)前Y坐標(biāo)的起始點(diǎn)，并在X方向前進(jìn)一個(gè)測量步距，開始下一次Y方向上的所有采樣點(diǎn)測量，對于下一次Y方向上的每次測量點(diǎn)的測量均重復(fù)步驟(3)；

(5)將所有符合要求的磁場測量值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3的數(shù)據(jù)收集卡上，數(shù)據(jù)收集卡將所有符合要求的數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)的服務(wù)終端上，完成回旋加速器內(nèi)磁場測量值的數(shù)據(jù)分析。