医用质子加速器数字化扫描电源技术的研究

发布时间：2017-10-10 16:35

  本文关键词：医用质子加速器数字化扫描电源技术的研究

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【摘要】：在癌症的放射治疗领域，质子因其优良的Bragg峰特性具有突出的治疗优势。在质子治疗装置中，，扫描电源位于治疗头位置，治疗头对扫描电源的精度、速度、稳定度等有着较高的指标要求。本文通过调研世界上现有的一些质子和重离子治疗装置扫描电源的方案，为扫描电源的设计提供了参考。电源系统离不开控制环节，数字式控制方式已成为开关电源控制的主流形式，数字化电源控制器是实现电源数字控制的核心。本文通过开发设计新版本数字化电源控制器的上层用户监控界面，实现了电源参数的修改设定、状态监控、下装表的生成和动态触发等功能，用户通过上层界面就可以对电源控制器进行本地端或远程端的操作。 本文采用MATLAB中的Simulink组件对扫描电源进行仿真设计，从而得到了扫描电源的电压、电流以及功率的工作特性。通过主电路的频域分析发现主滤波器产生的谐振极点会对系统的闭环稳定性造成较大的影响，同时也不利于系统控制带宽的提升。因此本文在扫描电源的负载两端并联RC补偿支路，对滤波器产生的谐振极点进行补偿，从而扩展了系统的控制带宽，提高了系统的稳定性，最终仿真得系统的闭环带宽可以达到1kHz，满足电源的速度指标要求。 为了验证仿真的正确性，从实验室现有条件出发，对一台小功率电源进行几项性能指标测试。实验测得该电源的调节时间为0.4ms，电源带宽为1kHz，测试结果表明该电源能够满足扫描电源的指标要求。充分验证了该仿真设计的可行性，为今后实际扫描电源的研制提供了重要参考。
【关键词】：质子治疗 扫描磁铁电源 PID控制 数字化
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH774
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 质子的物理特性9-10
• 1.2 质子治疗装置10-11
• 1.3 质子治疗的发展11
• 1.4 我国的质子治疗现状11
• 1.5 治疗头与扫描电源11-12
• 1.6 小结12-13
• 第二章 扫描磁铁电源方案的调研13-25
• 2.1 质子和重离子治疗装置扫描电源方案的调研13-20
• 2.1.1 德国 GSI 重离子研究中心扫描电源方案[8]13-15
• 2.1.2 日本 Fusion and Accelerator Engineering Center 扫描电源方案[9]15-16
• 2.1.3 意大利 CANO 医用加速器扫描电源方案[10]16-17
• 2.1.4 日本 HIMAC 扫描电源方案[11]17-18
• 2.1.5 瑞士 PSI 质子治疗中心扫描电源方案[12]18-20
• 2.2 基于点扫描的快扫描电源负载参数和性能要求20-23
• 2.2.1 点扫描20-21
• 2.2.2 扫描电源负载参数和要求21-22
• 2.2.3 点扫描与扫描电源输出电流波形的关系22-23
• 2.3 小结23-25
• 第三章 扫描电源的系统设计25-47
• 3.1 扫描电源的系统架构25-27
• 3.2 扫描电源的数字实现27-35
• 3.2.1 数字式控制27-28
• 3.2.2 新版本数字化电源控制器简介28-31
• 3.2.3 数字式 PID 调节31-35
• 3.3 电源控制器上层用户界面的设计35-46
• 3.3.1. 通信协议36-38
• 3.3.2 Winsock 控件38
• 3.3.3 用户界面风格与功能简介38-43
• 3.3.4 程序编写与函数设计43-46
• 3.4 小结46-47
• 第四章 基于 Simulink 的扫描电源仿真设计47-61
• 4.1 负载电流、电压及功率仿计算47-49
• 4.2 系统带宽的设定和输出主滤波器设计49-51
• 4.2.1 系统带宽的设定49-50
• 4.2.2 输出主滤波器设计50-51
• 4.3 系统闭环仿真分析51-55
• 4.4 系统参数估算55-59
• 4.4.1 上升时间的估算55-57
• 4.4.2 高频纹波的估算57-59
• 4.5 电源拓扑结构设计59-60
• 4.6 电源电流波形触发控制设计60
• 4.7 小结60-61
• 第五章 基于本设计的小功率电源的性能测试61-69
• 5.1 测试平台的搭建61-62
• 5.2 电源调节时间的测试62-63
• 5.3 电源带宽的测试63-67
• 5.4 电源纹波的测试67
• 5.5 小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-71
• 参考文献71-73
• 论文发表情况73-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 姚北国;余岚;;脉冲上升时间与传输系统带宽关系的仿真分析[J];火控雷达技术;2010年01期

2 刘世耀;质子治疗设备的现状和发展[J];基础医学与临床;2005年02期

3 张文铎;邱瑞昌;;扫描磁铁电源的电流跟踪控制策略研究[J];机械与电子;2010年01期

4 朱晓慧;谭松清;李瑞;;高精度同步数据获取系统的研制[J];核技术;2014年11期

5 刘世耀;质子治疗的物理特性和工作原理(下)[J];现代物理知识;2003年03期

6 叶建红;王学涛;王辉;丁哲耀;;肿瘤放射治疗设备及其进展[J];医疗保健器具;2007年06期

7 张伟;王贞丽;郭申波;;肿瘤放疗前沿:质子治疗系统[J];中国医疗设备;2014年03期

本文编号：1007444