用于质子治疗的冲击磁铁动态磁场测量系统的设计与实现

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冲击磁铁(Kicker Magnet)是一种工作在快速脉冲模式下的二极磁铁,主要用于实现束流输运线中束流的小角度快速偏转。在华中科技大学在研的质子治疗装置HUST-PTF中,一套位于降能器上游的冲击磁铁用于在扫描点切换及能量调制过程中快速开启/关断束流,为减小辐射的不确定性,要求开启/关断时间小于100μs。励磁电流触发开启后,冲击磁铁将束流快速偏转至降能器前的法拉第杯中,而励磁电流触发关断后,束流直接进入降能器,降能后的束流经束流输运线进入治疗室对肿瘤进行放射治疗。冲击磁铁对束流偏置作用取决于其积分磁场及动态响应性能,直流励磁下的静态磁场测量无法获得冲击磁铁的动态指标,从而无法验证其快速偏转功能,因此需要在脉冲模式下对其进行动态磁场测量。
  本课题设计并搭建了一套基于感应线圈法的动态测磁系统,并在国内首次采用PCB线圈阵列技术对冲击磁铁开展测磁。该系统的核心部件是感应线圈和积分器,论文对两个部件开展了不同方案的对比研究:采用手绕式单组线圈或PCB(PrintedCircuitBoards,印制电路板)阵列线圈采集感应电压信号,通过模拟或数字积分方式对感应电压进行积分。手绕式线圈法通过比较法测量均匀度,而PCB线圈法通过差分法测量均匀度,对比两种方案测磁结果得到:(1)由于采用了电路蚀刻工艺,PCB阵列线圈方案具有更高的几何精度,线圈面积标定之前,其积分场测量误差(0.072%)远小于手绕式单组线圈方案(10.61%);(2)PCB阵列线圈方案采用线圈差分法,受电源重复性影响较小,因此其均匀度的重复性(0.00574%)远小于手绕式单组线圈方案(0.176%)。采用示波器数字积分方案时,采样噪声会造成积分波形畸变且难以通过数据处理进行消除,而模拟RC积分器方案中采样噪声对积分波形的影响可以忽略。
  基于不同方案对比的结果,决定采用PCB阵列线圈和模拟RC积分器作为最终方案完成磁场测量,励磁电流设为510A,积分场沿束流方向长度600mm,测量结果:磁场上升时间63μs,下降时间60μs;磁铁中心积分场0.02576T·m,好场区(60mm×24mm)内积分场均匀度0.5976%,均满足冲击磁铁设计指标。
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