[发明专利]一种激光加速器自动重频打靶的时间连锁控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种激光加速器自动重频打靶的时间连锁控制系统及方法。本发明将靶体放置在六轴平移台上，在激光器上加装激光两级快门，将六轴平移台、激光两级快门和探测器分别连接至相应的控制器，并将控制器连接至相应的计算机，各个计算机连接至交换机，交换机连接至总控计算机；总控计算机发出控制指令至交换机；交换机将控制指令转换为共享变量传输至相应的各个计算机；各个计算机将共享变量转变为控制动作分别发放给相应的受控设备，实现了对触发信号、激光脉冲、靶场以及多种探测仪器的监控和连锁，从而实现激光自动重频打靶和同步探测；在本发明中，整个控制系统能够以1Hz的频率进行自动化激光打靶和同步束流诊断，整个系统稳定性超过1％。

技术领域

本发明涉及激光离子加速自动控制技术，具体涉及一种激光加速器自动重频打靶的时间连锁控制系统及其控制方法。

背景技术

粒子加速器是对人类科学研究发展有重要影响的大型科学设备，在癌症放射治疗领域也发挥着不可替代的作用。目前广泛使用的传统光子治疗肿瘤，不可避免对浅层的健康组织造成伤害。加速器产生的质子束，得益于其布拉格峰能量沉积特性，可以通过控制质子的能量、束斑等参数，可将剂量沉积集中在肿瘤区域，提高对肿瘤的杀灭能力，并显著减少周围健康组织的伤害，因而成为目前最先进的癌症治疗手段。但是基于传统加速器的离子放疗装置，具有庞大的尺寸和昂贵造价瓶颈，限制了离子放疗和的推广应用，肿瘤医疗需求得不到满足。

基于以上背景，科研人员提出利用基于激光等离子体加速器的新型质子放疗装置。激光等离子体加速器是一种依靠激光与等离子体相互作用对带电粒子进行加速的高加速梯度的新型加速器，其加速介质是电离化的等离子体，不受击穿效应的限制；近20年来激光技术飞速发展，使其已经能够达到TV/m的加速场梯度，在几十微米的尺度内可以将质子加速到MeV到百MeV的能量。相比于传统加速器而言，激光等离子体加速器小型化、低造价的优势明显。目前的实验中，利用超短超强激光与纳米厚度固体靶体相互作用，已经加速获得接近100MeV的质子束。利用束线系统，人们也成功实现了激光加速质子束的参数精确调控。北京大学建造了首台超小型激光离子加速器(CLAPA)，产生了稳定可控的单能质子束，并实现了激光加速质子束的扩展布拉格峰剂量沉积分布。随着激光加速器逐渐走向成熟，其在肿瘤放疗领域应用前景已引起越来越多的重视。

目前的激光加速实验仍然基于单发打靶系统。在打靶结束后，需要进行找寻下一个靶点的位置，记录各类探测器的结果等一系列动作。在实际的肿瘤放疗中，需要高重频的束流来实现与肿瘤部分精准契合的三维剂量沉积。当辐照终端探测到剂量超过治疗计划给定值的2％时就需要触发安全联锁来切断束流，确保辐照安全。随着激光技术的不断发展，TW功率的激光重率已经提高到了10Hz，PW激光器的重频也可以达到1Hz。为了满足辐照治疗所需要的剂量需求，必须要发展针对激光加速器的重频打靶系统。

发明内容

为了满足辐照治疗所需要的剂量需求，本发明提出了一种基于控制系统提出了针对激光加速器的自动重频打靶的控制系统及其控制方法，通过TCP/IP(传输控制协议/网际协议)通信协议连接，实现了对触发信号、主激光脉冲、靶场以及多种探测仪器的监控和连锁，从而实现激光自动重频打靶和同步探测。

本发明的一个目的在于提出一种激光加速器自动重频打靶的时间连锁控制系统。

激光器包括：振荡器、展宽器、再生放大器、多通放大器、压缩器和泵浦源，振荡器产生种子激光脉冲，后经展宽器展宽，由再生放大器初步放大，初步放大后的种子激光脉冲再经过多通放大器进一步放大为主激光脉冲，主激光脉冲经过压缩器压缩后与靶体相互作用；其中，在多通放大器中，种子激光脉冲由泵浦源提供能量增益为主激光脉冲。