医用重离子加速器电源控制与回读系统的研究与设计

发布时间：2020-06-17 01:11

【摘要】：重离子放疗因其独特的物理和生物学优势,成为癌症治疗的新兴利器。在建的甘肃武威和兰州医用重离子加速器,电源系统大量采用我所自主研发的数字电源控制器。在医用重离子加速器电源系统的安装调试及运维过程中,自成体系的电源控制与回读系统扮演着非常重要的角色。本文分析了医用重离子加速器电源系统的特殊需求,基于数字电源控制器,研发了电源控制与回读系统。本文研发的电源控制系统符合加速器控制系统标准模型,创新性的引入了分布式前端服务器,为不同类型电源提供了统一接口,第一次解决了多用户多终端操作同一台数字电源的竞争现象。操作员接口层提供了电源系统的远程操作及监控功能,提供了虚拟加速器数据传输与电源系统脉冲同步输出功能。特别的,为特殊电源如BUMP电源、扫描电源,在统一接口框架下,提出了独特控制方案。电源回读系统,则利用数字电源控制器本身,通过光模块按专用协议以2kHz频率发送四种回读数据,一套高性能数字信号采集设备同步并行接收、存储每台电源的数据并标记数据同步时间戳。全数字化回读首次成功应用到医用重离子加速器励磁电源系统,在提高数字电源回读数据的精确性、抑制噪声、降低成本方面效果显著。本文提出的医用重离子加速器电源控制与回读系统,在武威医用重离子加速器现场得到了验证,为电源系统级自测及加速器故障诊断提供强有力支持,基于其功能的完备性及成本的经济性,可在现有和未来重离子加速器中推广应用。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77;TL56
【图文】：

重离子束,剂量分布曲线,放射线,X射线

织吸收电离辐射能量后，会发生一系列化学物学损伤，即生物效应，从而达到损坏肿瘤组主要有三类：第一类是放出 α，β，γ 射线的放量 X 射线的治疗机和各类加速器；第三类是产 π 介子束，以及其它重粒子束的各类加速器[2]的重离子指元素周期表上 18 号元素以前如氦子。与常规放疗射线相比，重离子束能在组织深度剂量分布[3-4]，能以物理方式改善靶区与密度 LET(linear energy transfer)值高，能以生物射线效应，兼备物理和生物的双重优势。重离agg 峰，坪区与峰区的 LET 显著不同，利用 B的病灶，局部高效的杀死癌细胞，而在区域之线 X 射线与重离子束的剂量分布曲线如图 1

医用加速器,重离子,结构示意图

有 433 名肿瘤患者参与了重离子治疗试验[7]。日本是所有国家中拥有最多重离子治癌装置和医用专用设施最先进的国家日本于 1993 年在千叶县建成了一台重离子医用加速器 HIMAC(Heavy-IonMedical Accelerator in Chiba)，并成立了专门从事重离子治癌的国立放射医学综合研究所 NIRS(National Institute of Radiological Sciences)[8]，到 2008 年底已治疗肿瘤患者 5000 多例[9]。HIMAC 由注入器系统、双同步环系统、高能束运线系统和三个终端水平/垂直治疗室及三个辐照实验室组成，可以把氦离子、碳离子、氖离子、硅离子和氩离子等加速到 100-800 MeV/u, 其结构示意图见图 1.2；日本又于 1996 年开始在兵库县兴建兵库县立粒子线治疗中心，能提供能量 230 Me的质子、单核能 230 MeV 的氦离子和 320 MeV 的碳离子用于质子束和重离子束治癌的临床治疗，到 2007 年底用碳离子束治疗患者 274 例；于 2010 年 3 月开始治疗患者的群马大学医学院普及型小型医用加速器则是日本的第三台重离治疗装置；日本政府计划在全日本布局 50-60 个重离子束治疗中心。

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