一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法和系統的製作方法

2023-12-11 01:43:02 2

專利名稱：一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械醫用電子直線加速器技術領域，具體涉及一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法和系統。

背景技術：
在醫用直線加速器中，電子槍向加速管注入電子束流，電子束流在加速管中被加速形成電子束輸出。柵控槍是電子槍的一種，其結構如圖1所示。柵控槍的燈絲由鎢絲製成，由於燈絲緊貼著陰極，通電受熱後加熱陰極，陰極由易發射電子的材料鋇鎢製成，陰極達到一定溫度後發射電子，當柵極為負電壓時，在柵極與陰極之間形成一電場，壓制陰極發射電子。當需要發送束流時，在柵極負電壓的基礎上，疊加一柵極脈衝電壓，同時在電子槍高壓脈衝(該脈衝電壓約-30kV至-40kV，由加速器調製器仿真線脈衝給出)作用下，使得陰極發射的電子能夠由出射孔射出，形成所需的電子束流。
由於加速器輸出電子束的能量及劑量的穩定性與電子槍的輸出電子束流的穩定性密切相關，因此控制注入加速管的電子束流的穩定性是很重要的。因此，在加速器中設計一個自動束流控制系統，用於控制電子槍注入加速管的電子束流的穩定性是一個亟待解決的問題。


發明內容
有鑑於此，本發明提供了一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法，能夠控制電子槍注入加速管的電子束流的穩定性。
該方法用於控制柵控槍的發射束流，包括 當柵控槍不發射束流時，將柵控槍的燈絲電壓穩定在當前能檔對應的電子束最佳擊發電壓，將柵控槍的柵壓設為一固定的負電壓值； 當控制柵控槍發射束流時，在柵控槍柵極的負電壓值基礎上疊加一預設的當前能檔對應的柵極脈衝電壓； 在束流發射過程中，不斷採集發射束流的大小，計算發射束流採集值與發射束流設定值之間的束流誤差，先根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節。
較佳地，所述根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節包括 根據束流誤差在預設的燈絲電壓範圍內對燈絲電壓進行比例積分PI調節的過程中，當燈絲電壓超出預設燈絲電壓範圍時，隨即啟動根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節的操作。
較佳地，當直線加速器能檔切換後，採集燈絲電壓，計算燈絲電壓採集值與切換後能檔對應的最佳擊發電壓之間的燈絲電壓誤差，根據燈絲電壓誤差對調節燈絲電壓進行PI調節。
其中，所述根據燈絲電壓誤差對燈絲電壓進行PI調節為計算調節後的燈絲電壓為比例係數P×燈絲電壓的當前誤差值+積分係數I×切換時刻到當前時刻的燈絲電壓誤差累計值；採用調節後的燈絲電壓控制燈絲電源。
其中，所述根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節為 採用公式VL(n)＝PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]計算調節後的燈絲電壓並執行調節；VL(n)為時刻n的調整後燈絲電壓，PL為對燈絲電壓進行PI調節的比例係數，IL為對燈絲電壓進行PI調節的積分係數； 所述根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節為 採用公式VG(n)＝PG·E(n)+IG·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]計算調節後的柵極脈衝電壓並執行調節；其中，VG(n)為時刻n的調整後柵極脈衝電壓，PG為對柵極脈衝電壓進行PI調節的比例係數，IG為對柵極脈衝電壓進行PI調節的積分係數；E(g)為時刻「g」採集的發射束流大小與發射束流設定值之間的束流誤差，E(0)為發射束流初始時刻的束流誤差。
本發明還提供了一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制系統，能夠控制電子槍注入加速管的電子束流的穩定性。
該系統包括柵控槍、電子槍脈衝變壓器、燈絲隔離變壓器、取樣電阻、燈絲電源和束流控制板； 所述燈絲電源接在燈絲隔離變壓器初級的兩端，燈絲隔離變壓器次級的兩端接在電子槍的燈絲兩端；來自直線加速器的調製器的仿真線脈衝接在電子槍脈衝變壓器初級的兩端；柵極電壓的兩接入端分別接在電子槍脈衝變壓器次級1和次級2的低端，次級1的另一端與燈絲隔離變壓器次級的一端接在一起，次級2的另一端接在電子槍的柵極；電子槍的發射束流流過取樣電阻形成發射束流取樣信號，該信號同從燈絲電源取出的燈絲電壓反饋信號一起接入束流控制板； 束流控制板，用於當柵控槍不發射束流時，通過控制燈絲電源將柵控槍的燈絲電壓穩定在當前能檔對應的電子束最佳擊發電壓，向柵極電壓輸入端設置一固定的負電壓值；當控制柵控槍發射束流時，在柵極電壓輸入端疊加一預設的當前能檔對應的柵極脈衝電壓； 在束流發射過程中，不斷利用取樣電阻採集發射束流的大小，計算發射束流採集值與發射束流設定值之間的束流誤差，先根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節束流控制板。
較佳地，所述束流控制板進一步用於，當直線加速器能檔切換時，通過燈絲電源採集燈絲電壓，計算燈絲電壓採集值與切換後能檔對應的最佳擊發電壓之間的燈絲電壓誤差，根據燈絲電壓誤差對燈絲電壓進行PI調節。
由本發明技術方案可以看出，本發明在發射束流過程中，先控制燈絲電壓，當束流穩定在一預設束流門限之內後，再轉為調節柵極脈衝電壓。如果只是採用柵壓調節方法不調節燈絲電壓，則如果燈絲電壓偏離最佳擊發值過大，則柵壓調節所用時間會增長，導致束流穩定時間增大，或者由於調節度不夠，導致無法滿足調節精度的要求。而本發明採用二級調節不僅調節可以滿足精度要求，而且精度高、速度快。
本發明還在能檔切換後，採集燈絲電壓，根據燈絲電壓誤差採用PI算法對燈絲電壓進行調節，從而令燈絲電壓迅速達到預定值，避免溫度響應速度慢導致的閉環不穩定。



圖1為柵控槍的結構示意圖。
圖2為本發明電子槍、燈絲隔離變壓器、燈絲電源、電子脈衝變壓器、柵極電壓輸入端和取樣電子部分的連接關係示意圖。
圖3為束流控制板部分的結構示意圖。

具體實施例方式 下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
本發明提供了一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法，該方法包括 當柵控槍不出束時，將柵控槍的燈絲電壓穩定在電子束的最佳擊發電壓，將柵控槍的柵壓設為一固定的負電壓值，從而在陰極和柵極之間形成一電場，阻止柵控槍發射束流。電子槍各能檔對應的最佳擊發電壓可能有所不同，且最佳擊發電壓可以根據預先試驗確定。
當控制柵控槍出束時，仍將柵控槍的燈絲電壓穩定在電子束的最佳擊發電壓，在柵控槍柵極的負電壓值基礎上疊加一預設的柵極脈衝電壓，該預設柵極脈衝電壓與電子束流設定值的大小有關，可以通過試驗得到電子束的大小與柵極脈衝電壓的關係，並保存到系統中。各個能檔電子束的大小對應的柵極脈衝電壓不同。
在出束過程中，不斷採集發射束流的大小，計算發射束流採集值與發射束流設定值之間的束流誤差，先根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節。其中，判斷是否穩定在預設束流門限的方法可以為如果在一段時間內，採集的發射束流值都沒有超出束流門限，則認為束流穩定。預設束流門限為粗調基準，其對應的束流精度低於系統要求的束流精度。
可見，本發明先控制燈絲電壓，當束流穩定在一預設束流門限之內後，再轉為調節柵極脈衝電壓。如果只是採用柵壓調節方法不調節燈絲電壓，則如果燈絲電壓偏離最佳擊發值過大，則柵壓調節所用時間會增長，導致束流穩定時間增大，或者由於調節度不夠，導致無法滿足調節精度的要求。而本發明採用二級調節不僅調節可以滿足精度要求，而且精度高、速度快。
誤差和誤差累計值可以在每次調節時記錄，並用於後續調節。或者，每次調節只記錄當前時刻的誤差，誤差累計值每次調節時單獨計算。
下面針對調節過程進行詳細描述 步驟1採集當前時刻n發射束流的大小，將採集值與需要發射的電子束流的大小比較，得到束流誤差； 步驟2判斷發射束流是否已經穩定在預設束流門限之內，如果是，則執行步驟6，否則，執行步驟3。
步驟3採用公式VL(n)＝PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]計算調節後的燈絲電壓；其中，VL(n)為時刻n的調整後燈絲電壓，PL為對燈絲電壓進行PI調節的比例係數，IL為對燈絲電壓進行PI調節的積分係數； 步驟4判斷計算得到的調節後的燈絲電壓是否在預設範圍內，如果是，則執行步驟5根據燈絲電壓計算結果調節燈絲電壓；否則，執行步驟6。
本步驟4的判斷是為了避免燈絲電壓超過預設範圍，因此在根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節時，需要在預設的燈絲電壓範圍內對燈絲電壓進行比例積分PI調節，一旦燈絲電壓超出預設燈絲電壓範圍，隨即啟動步驟6中根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節的操作。
步驟6採用公式VG(n)＝PG·E(n)+IG·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]計算調節後的柵極脈衝電壓並執行調節；其中，VG(n)為時刻n的調整後柵極脈衝電壓，PG為對柵極脈衝電壓進行PI調節的比例係數，IG為對柵極脈衝電壓進行PI調節的積分係數；E(g)為時刻「g」採集的發射束流大小與發射束流設定值之間的束流誤差，E(0)為發射束流初始時刻的束流誤差。
至此，一輪調節結束，返回繼續執行步驟1。
上述係數PL、IL、PG和IG均可以根據需要進行調整。
以上步驟中，採集發射束流時，可以採用多次採樣取平均值的方法。
當加速器的能檔變化時，特別是在X線和電子線間切換時，柵控槍陰極的工作溫度變化較大，由於溫度響應速度慢，閉環不易穩定，所以根據燈絲電壓狀態採用PI調節方法來控制燈絲電壓，從而調節陰極的工作溫度。該PI調節中需要採集燈絲電壓，調節的對象也為燈絲電壓。具體來說當直線加速器能檔切換時，採集當前時刻n燈絲電壓的大小，將燈絲電壓採集值與切換後能檔對應的最佳擊發電壓的大小進行比較，得到燈絲電壓誤差，根據燈絲電壓誤差採用PI算法調節燈絲電壓。
調節後的燈絲電壓為比例係數P×燈絲電壓的當前誤差值+積分係數I×切換時刻到當前時刻的燈絲電壓誤差累計值。
為了實現上述方法，本發明提供了一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制系統。如圖2和圖3所示，該系統包括柵控槍、電子槍脈衝變壓器、燈絲隔離變壓器、取樣電阻R、燈絲電源和束流控制板； 其中，燈絲電源接在燈絲隔離變壓器初級的兩端，燈絲隔離變壓器次級的兩端接在電子槍的燈絲兩端。從直線加速器的調製器來的仿真線脈衝接在電子槍脈衝變壓器初級的兩端。柵極電壓的兩接入端分別接在電子槍脈衝變壓器次級1和次級2的低端，次級1的另一端與燈絲隔離變壓器次級的一端接在一起，次級2的另一端接在電子槍的柵極。電子槍的發射束流流過取樣電阻形成發射束流取樣信號，該信號同從燈絲電源取出的燈絲電壓反饋信號一起接入束流控制板。
束流控制板，用於當柵控槍不發射束流時，通過控制燈絲電源將柵控槍的燈絲電壓穩定在當前能檔對應的電子束最佳擊發電壓，向柵極電壓輸入端設置一固定的負電壓值；當控制柵控槍發射束流時，在柵極電壓輸入端疊加一預設的當前能檔對應的柵極脈衝電壓； 在束流發射過程中，不斷利用取樣電阻獲取發射束流的大小，計算發射束流採集值與發射束流設定值之間的束流誤差，先根據束流誤差內對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節。
束流控制板根據束流誤差對燈絲電壓或柵極脈衝電壓進行調節的具體過程和所應用的公式在以上描述方法時已經詳細描述，這裡略。
所述束流控制板進一步用於，當直線加速器能檔切換時，通過燈絲電源採集當前時刻n燈絲電壓的大小，計算燈絲電壓採集值與切換後能檔對應的最佳擊發電壓之間的燈絲電壓誤差，根據燈絲電壓誤差對調節燈絲電壓進行PI調節。
根據燈絲電壓誤差對燈絲電壓進行調節的具體過程和所應用的公式在以上描述方法時已經詳細描述，這裡略。
圖3為一種束流控制板的結構示意圖。對燈絲電壓進行放大和模數轉換後輸入CPU，同理對發射束流採樣值進行放大和模數轉換後輸入CPU，CPU採用上述控制方法計算柵極電壓並輸入柵極電壓輸入端，計算燈絲電壓的數字值後，通過數字頻率轉換接入燈絲電源實現燈絲電壓控制。CPU還連接必要的E2PROM，以及預留485接口從而與系統中的其他設備通信。
權利要求
1.一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法，用於控制柵控槍的發射束流，其特徵在於，該方法包括
當柵控槍不發射束流時，將柵控槍的燈絲電壓穩定在當前能檔對應的電子束最佳擊發電壓，將柵控槍的柵壓設為一固定的負電壓值；
當控制柵控槍發射束流時，在柵控槍柵極的負電壓值基礎上疊加一預設的當前能檔對應的柵極脈衝電壓；
在束流發射過程中，不斷採集發射束流的大小，計算發射束流採集值與發射束流設定值之間的束流誤差，先根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節。
2.如權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，所述根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節包括
根據束流誤差在預設的燈絲電壓範圍內對燈絲電壓進行比例積分PI調節的過程中，當燈絲電壓超出預設燈絲電壓範圍時，隨即啟動根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節的操作。
3.如權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，當直線加速器能檔切換後，採集燈絲電壓，計算燈絲電壓採集值與切換後能檔對應的最佳擊發電壓之間的燈絲電壓誤差，根據燈絲電壓誤差對調節燈絲電壓進行PI調節。
4.如權利要求3所述的控制方法，其特徵在於，所述根據燈絲電壓誤差對調節燈絲電壓進行PI調節為計算調節後的燈絲電壓為比例係數P×燈絲電壓的當前誤差值+積分係數I×切換時刻到當前時刻的燈絲電壓誤差累計值；採用調節後的燈絲電壓控制燈絲電源。
5.如權利要求2所述的控制方法，其特徵在於，所述根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節為
採用公式VL(n)＝PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]計算調節後的燈絲電壓並執行調節；VL(n)為時刻n的調整後燈絲電壓，PL為對燈絲電壓進行PI調節的比例係數，IL為對燈絲電壓進行PI調節的積分係數；
所述根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節為
採用公式VG(n)＝PG·E(n)+IG·[E(n)+E(n-1)+L+E(0)]計算調節後的柵極脈衝電壓並執行調節；其中，VG(n)為時刻n的調整後柵極脈衝電壓，PG為對柵極脈衝電壓進行PI調節的比例係數，IG為對柵極脈衝電壓進行PI調節的積分係數；E(g)為時刻「g」採集的發射束流大小與發射束流設定值之間的束流誤差，E(0)為發射束流初始時刻的束流誤差。
6.一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制系統，其特徵在於，該系統包括柵控槍、電子槍脈衝變壓器、燈絲隔離變壓器、取樣電阻、燈絲電源和束流控制板；
所述燈絲電源接在燈絲隔離變壓器初級的兩端，燈絲隔離變壓器次級的兩端接在電子槍的燈絲兩端；來自直線加速器的調製器的仿真線脈衝接在電子槍脈衝變壓器初級的兩端；柵極電壓的兩接入端分別接在電子槍脈衝變壓器次級1和次級2的低端，次級1的另一端與燈絲隔離變壓器次級的一端接在一起，次級2的另一端接在電子槍的柵極；電子槍的發射束流流過取樣電阻形成發射束流取樣信號，該信號同從燈絲電源取出的燈絲電壓反饋信號一起接入束流控制板；
束流控制板，用於當柵控槍不發射束流時，通過控制燈絲電源將柵控槍的燈絲電壓穩定在當前能檔對應的電子束最佳擊發電壓，向柵極電壓輸入端設置一固定的負電壓值；當控制柵控槍發射束流時，在柵極電壓輸入端疊加一預設的當前能檔對應的柵極脈衝電壓；
在束流發射過程中，不斷利用取樣電阻採集發射束流的大小，計算發射束流採集值與發射束流設定值之間的束流誤差，先根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節。
7.如權利要求6所述的控制系統，其特徵在於，所述束流控制板在根據束流誤差對燈絲電壓進行比例積分PI調節時，在預設的燈絲電壓範圍內對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當燈絲電壓超出預設燈絲電壓範圍時，隨即啟動根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節的操作。
8.如權利要求6或7所述的控制系統，其特徵在於，所述束流控制板進一步用於，當直線加速器能檔切換時，通過燈絲電源採集燈絲電壓，計算燈絲電壓採集值與切換後能檔對應的最佳擊發電壓之間的燈絲電壓誤差，根據燈絲電壓誤差對燈絲電壓進行PI調節。
全文摘要
本發明公開了一種醫用直線加速器中電子槍發射束流的控制方法和系統，該方法包括在束流發射過程中，採集當前時刻n發射束流的大小，將發射束流採集值與所需發射束流的大小進行比較，得到束流誤差，先根據束流誤差在預設的燈絲電壓範圍內對燈絲電壓進行比例積分PI調節，當發射束流穩定在一預設束流門限之內後或當燈絲電壓超出預設範圍時，根據束流誤差對柵極脈衝電壓進行PI調節。在能檔切換後，還對根據燈絲電壓誤差對燈絲電壓進行PI調節。使用本發明能夠控制電子槍注入加速管的電子束流的穩定性。
文檔編號H01J29/46GK101807506SQ201010151130
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年4月20日
發明者柘江, 吳建興, 王春波, 王小軍, 高陽, 薛小峰, 鄧勇, 王銳 申請人:江蘇海明醫療器械有限公司