醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧裝置及方法與流程
2023-08-13 12:29:46 1
本發明屬於超導回旋加速器技術領域，涉及一種醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧裝置及方法。
背景技術：
回旋加速器不僅在核物理、粒子及固態物理等基礎科研領域獲得廣泛使用，同時在醫學PET診斷、質子治療、同位素生產和工業輻照等應用領域佔有重要地位。建造擁有自主智慧財產權的醫用回旋加速器，並使其順利投入運行勢在必行。
在設計醫用超導回旋加速器腔體時，首先應該滿足諧振頻率的要求，因為加速器的工作頻率單一，所以要求腔體頻率選擇性陡峭，但是，為了配合磁鐵的工作頻率，希望腔體的頻率在某一範圍可調，即要求諧振點有幾兆的範圍可調，這就需要有效的頻率調節機構。但是由於加速器在正常運行狀態下，射頻系統存在熱效應，使得腔體諧振頻率在熱平衡過程前後出現較大偏差，該偏差的存在導致與理論設計值不符，無法實現束流的正確加速及引出。因此，在設計諧振腔時，頻率調節裝置要處於動態調諧狀態，通過實時移動微調電容板來補償熱效應引起的頻率漂移。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧裝置及方法，用於調節諧振腔頻率，使諧振腔工作在諧振狀態；通過改變微調電容與地間的間距，改變微調電容的電容量來實現諧振腔頻率的調節。
本發明的目的可以通過以下技術方案實現：
一種醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧裝置，該裝置包括腔體、以及設置在腔體內並端與端相對設置的兩組DEE板；每組所述DEE板上、下兩側分別垂直連接一個內杆；所述腔體內設有相對於每個Dee板一端面移動的調諧結構，該調諧結構由調諧電容板和移動杆構成。
每個所述調諧結構由調諧電容板與移動杆組成，所述調諧電容板由金屬銅製成，所述移動杆一端與電容板相連，另一端穿過腔體外壁及磁體與驅動電機相連，與所述內杆相對的腔體上分別連接有反饋探頭。
該電容調諧裝置分別分布在左、右腔體的中平面，並採用對稱的結構，所述內杆、調諧電容板、移動杆位於諧振腔一單腔體內。
所述移動杆另一端連接有驅動電機，所述反饋探頭與腔體相連，檢測腔體內射頻信號，用於反饋給控制系統來控制驅動電機調節移動杆左右移動。
所述反饋探頭分布在左、右腔體上，通過控制系統對反饋信號進行處理，獲得腔體的失諧信息及左、右腔體調諧電容板的位置信息。
所述電容板與移動杆相連，移動杆一端為電機驅動埠，根據位置信號以及控制信號驅動移動杆左右移動，調節Dee板外側與外腔壁之間的電容來實現調諧。
所述單腔體內的調諧結構，電容板通過移動杆左、右移動，通過改變諧振腔的諧振迴路中電容值來調節腔體頻率。
一種醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧方法，該調諧方法包括下述步驟：
1)根據諧振腔物理設計分析，計算出電容板的尺寸和安裝位置，以及腔體外壁和磁體開孔尺寸；
2)將移動杆一端與電容板連接，另一端穿過腔體外壁及磁體放置在計算的位置，並與驅動電機相連；
3)使用矢量網絡分析儀調節諧振頻率，矢量網絡分析儀一端接在饋線輸入端，測量反射係數S11，觀察S11最小值對應的頻率點f1，將f1與諧振頻率f0對比，若f1>f0，緩慢向左移動電容板，反之，則向右移動電容板，同時觀察S11最小值對應頻率點的變化；當f1＝f0時，停止移動電容板，達到諧振腔工作的頻率點。
步驟2)中，所述調諧電容板放置在腔體中平面，與Dee板外側形成一個可調電容；調諧電容板與移動杆的一端相連，移動杆另一端與驅動電機相連，通過驅動電機左右移動調諧電容板，用於諧振迴路中電容值的大小，改變頻率，使得加速腔達到諧振狀態；所述腔體內通過反饋探頭檢測腔體內射頻信號，用於反饋給控制系統來驅動電機自動調節移動杆左右移動。
本發明的有益效果：
1)本發明採用在腔體中平面進行左、右移動調諧結構來實現頻率的調節，調諧結構與耦合結構分離，可以降低腔體打火可能性，使腔體運行更穩定。
2)本發明通過自動控制電容板的左右移動來調節頻率，避免加速器腔體失諧，且解決了手動調諧靠操作人員的經驗調整，調節時間較長的缺點，實現了自動調諧的功能；
附圖說明
為了便於本領域技術人員理解，下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧裝置(單腔)結構示意圖；
圖中：1-超導磁體；2-腔體；3-內杆；4-Dee板；5-調諧電容板；6-移動杆；7-探針。
具體實施方式
下面將結合實施例對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧裝置，該調諧裝置的左、右兩邊採用完全對稱的結構，單腔結構參見圖1，包括端與端相對設置的Dee板4，Dee板4後部放置有調諧電容板5；Dee板4上、下兩側分別垂直連接一個內杆3；
其中，內杆3、Dee板4與調諧結構均設置於諧振腔一單腔體內，該諧振腔的截面呈左、右對稱的兩個十字型形狀；
該電容調諧裝置分別分布在左、右腔體的中平面，並採用對稱的結構，由調諧電容板5與移動杆6構成；其中，移動杆6一端連接在調諧電容板5上；
上述移動杆6的另一端穿過腔體2外壁和超導磁體1與驅動機構相連，該驅動機構為電機；腔體2上連接有反饋探頭7；
上述反饋探頭7檢測腔體內射頻信號，傳輸線穿過腔體外壁及超導磁體將信號反饋給控制系統來驅動電機自動調節移動杆左右移動，調節Dee板外側與外腔壁之間的電容來實現調諧；
參見圖1，醫用超導回旋加速器諧振腔電容調諧方法，該方法包括：將調諧電容板5放置在腔體中平面，與Dee板4外側形成一個可調電容；調諧電容板5與移動杆6的一端相連，移動杆6另一端與驅動機構相連；調諧裝置採用左右移動結構，用於諧振迴路中電容值的大小，改變頻率，使得加速腔達到諧振狀態；反饋探頭7與腔體相連，檢測腔體內射頻信號，用於反饋給控制系統來驅動電機自動調節移動杆左右移動。
當腔體因為熱效應產生形變時，用腔體微擾分析。由電磁場理論可得以下關係：
上式中，ω為微擾後的諧振頻率，ω0為微擾前的諧振頻率，是平均電場能量密度和平均磁場能量密度；Δν為體積變化，為微擾後諧振腔內總的平均電磁能量。
設諧振迴路中等效電容為C，等效電感為L。可以得到迴路的諧振頻率表示為：
調諧電容板通過左右移動來改變電容板與地間的間距，也就是改變電容的電容量，來使得諧振腔的等效電容C發生變化，從而使得腔體內頻率發生相應的變化。因此採用調節電容值來補償由於熱效應引起的頻率偏移的方法，使加速腔一直處於諧振狀態。
本發明的實施方法和步驟主要如下：
1)根據諧振腔物理設計分析，計算出調諧電容板5的尺寸和安裝位置，以及腔體外壁和磁體開孔尺寸；
2)將移動杆一端與電容板連接，另一端穿過腔體外壁及磁體放置在計算的位置，並與驅動電機相連；
3)使用矢量網絡分析儀調節諧振頻率，矢量網絡分析儀一端接在饋線輸入端，測量反射係數S11，觀察S11最小值對應的頻率點f1，將f1與諧振頻率f0對比，若f1>f0，緩慢向左移動電容板，反之，則向右移動電容板，同時觀察S11最小值對應頻率點的變化；當f1＝f0時，停止移動電容板，達到諧振腔工作的頻率點。
4)通過反饋控制自動調節電容板位置，避免由於熱效應引起的腔內頻率變化導致腔體失諧的現象。
以上公開的本發明優選實施例只是用於幫助闡述本發明。優選實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據本說明書的內容，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地理解和利用本發明。本發明僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。