[发明专利]基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于磁场测量领域，具体涉及一种基于探测线圈的紧凑型超导回旋加速器磁场测量系统及其测量方法。

背景技术

回旋加速器在核医学领域有着广泛的应用，尤其是在放射性药物制药，肿瘤治疗等领域有重要意义。与传统的放疗相比，质子治疗具有直击肿瘤细胞、避免健康组织辐射而受伤害、治疗时间短等优势的先进放射方法。质子治疗系统主要由等时性超导回旋加速器、能量选择系统、束流传输系统、治疗系统等组成，其中，超导回旋加速器的主机系统用于引出稳定的束流，谐振腔的电磁场对束流进行加速，而且束流的运动需要等时性磁场的约束。等时性超导回旋加速器是质子治疗系统中的核心设备，其磁铁系统的加工和安装至关重要。为了保证提供等时性磁场，需要对回旋加速器进行磁场测量。

在磁铁加工过程中，会存在由于机械精度、安装精度、材料特性等因素而造成磁铁或超导线圈的安装位置不是完全对称的。为了满足加速器对磁场的使用要求，必须对加速器磁极间隙中圆柱面上Br平均值进行测量，为调整超导线圈和磁铁位置等工作提供重要的磁场实测数据。

近年来，随着磁场测量技术的不断发展，测量的范围达到10^-15～10³T，已广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古等各个领域中。目前比较成熟的磁场测量方法主要有电磁感应法、霍尔效应法、磁饱和法、核磁共振法、超导效应法和磁光效应法等。

不同测量方法适合于不同的测量范围，并有着不同的测量要求。如果仅考虑测量精度，核磁共振(NMR)法是最好的，可以达到10^-6。然而，它只能应用于非常均匀的磁场区域测量，这导致它不适用于许多测量工作。对于稳恒磁场的测量，常用的方法是霍尔效应法，其所使用的霍尔器件虽然灵敏度高、体积小，但温度稳定性较差，精度一般只有0.5％～5％，而且容易损坏。此外，基于探测线圈的电磁感应法也是比较常用的测试方法，它配以指针式交流电压表来进行测量，可以记录某一磁场区域的磁感应强度，而且，电磁感应法的测量精度仅次于NMR，适应的磁场强度范围比较广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闭环式控制的基于探测线圈的紧凑型超导等时性回旋加速器磁场测量系统及其测量方法，具有操作简单、结构紧凑、定位精确、测量精准、自动采集数据等优点，主要用于测量中平面垂直方向圆柱面上径向方向磁感应强度Br平均值，为超导线圈和磁极的位置安装提供重要而精确的数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于探测线圈的回旋加速器磁场测量系统，包括探测线圈调心系统、探测线圈驱动系统、控制系统和数据采集系统；

所述探测线圈调心系统，用于调整探测线圈的中心与回旋加速器中平面的几何中心相互重合；

所述探测线圈驱动系统，用于驱动探测线圈在回旋加速器磁极间隙中的磁场测量区域内沿着加速器轴向而移动；

所述控制系统，负责完成探测线圈的全闭环位置控制；

所述数据采集系统，与控制系统相互连接，其负责接收控制系统发出的采集磁场测量信号的命令与探测线圈移动系统的位置信息，并及时存储所采集到的磁场测量信号值。

所述探测线圈调心系统包括支撑台、两组丝杆螺母机构；两组丝杆螺母机构呈十字交叉，相互独立，其上方与支撑台焊接固定，支撑台上支撑整个磁测装置；所述探测线圈驱动系统包括伺服电机模组、支撑杆、导柱、导套、红外测距仪、固定盘、探测线圈磁盘支撑盘、探测线圈磁盘；伺服电机模组安装在固定盘上，与探测线圈磁盘支撑盘相连，驱动探测线圈磁盘支撑盘在垂直方向移动，探测线圈磁盘支撑盘上安装支撑杆，并连接至上方探测线圈所在的磁盘；导柱固定安装在固定盘上，导套安装在探测线圈磁盘支撑盘上；红外测距仪安装在固定盘上，通过其检测探测线圈支撑盘移动的距离。

所述控制系统包括位置检测单元，控制单元和执行机构；其中，位置检测单元实时检测探测线圈的位置信息，并反馈至控制单元；控制单元接收位置信息，根据位置偏差发送驱动指令；执行机构接收驱动指令，驱动伺服电机，控制探测线圈移动系统完成线圈的轴向实时调节。

所述位置检测单元由光栅尺充当，光栅尺的动尺和定尺分别安装在探测线圈移动系统的探测线圈支撑盘和固定盘的上下导轨上，并通过串口与控制单元完成数据传输；所述控制单元为伺服驱动器，伺服驱动器接收光栅尺发送的位置信号，通过位置闭环控制方式，发出驱动指令，伺服驱动器内设有运动控制卡；所述执行机构为伺服电机，伺服电机接收驱动脉冲，控制探测线圈移动系统，实现线圈的轴向移动。