連歡 ，丁開忠，吳昱城，陳永華，李君君，李晗

0 引言

合肥中科離子醫(yī)學(xué)技術(shù)裝備有限公司與中國科學(xué)院等離子體物理研究所共同研發(fā)的質(zhì)子醫(yī)療超導(dǎo)回旋加速器SC200，利用超導(dǎo)技術(shù)可實現(xiàn)在小勵磁功率下產(chǎn)生強大的約束磁場，降低加速器的功率消耗，使超導(dǎo)加速器在經(jīng)濟上和技術(shù)上具有巨大的優(yōu)越性。作為質(zhì)子治療系統(tǒng)的核心部件，加速器引出質(zhì)子束流的質(zhì)量直接影響整套質(zhì)子治療系統(tǒng)的性能。因此加速器本身性能參數(shù)的驗收尤為重要。

在加速器束流引出管道上連接探針設(shè)備進行參數(shù)測量。傳統(tǒng)加速器大多采用BPM及多絲靶檢測束流位置與輪廓，采用法拉第筒或束流變壓器檢測束流流強。為更清晰直觀明確引出束流狀態(tài)，本文論述一種在引出參考點通過熒光靶采集圖像并處理獲取束團位置及截面尺寸，通過法拉第筒實現(xiàn)精確束流流強的檢測的設(shè)計。該束流診斷系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為加速器調(diào)試及整體驗收提供有效依據(jù)[1]。

1 系統(tǒng)概述

引出參考點束測系統(tǒng)主要包括熒光靶及法拉第筒，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。熒光靶與法拉第筒探針垂直插入束流腔，通過驅(qū)動氣缸帶動探針伸縮運動。熒光靶通過工業(yè)級高清CCD相機采集標(biāo)有1 mm刻度網(wǎng)格的靶片上的束斑圖像信息，經(jīng)過擬合處理可輸出束斑位置與輪廓信息[2]。法拉第筒采用高精度皮安表，可實現(xiàn)1～400 nA束流流強2.5級高精度標(biāo)準(zhǔn)的檢測。

圖1 束測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of beam diagnostic system

2 傳動控制與通訊

引出參考點束測系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖2所示。熒光靶與法拉第筒的傳動控制主要基于PLC可編程控制器，采用相同的運動控制模式[3]。PLC控制繼電器指令電磁閥實現(xiàn)驅(qū)動氣缸帶動探針進行伸縮運動，上下限位器可反饋探針當(dāng)前位置狀態(tài)。對急停按鍵設(shè)置最高權(quán)限，保證在急停按鈕鎖定時，熒光靶與法拉第筒探針均保持收縮狀態(tài)，CCD相機斷電，以便當(dāng)束測過程中遇到突發(fā)狀況時對探針系統(tǒng)進行保護。此外，CCD圖像傳感器的上斷電也由PLC通過繼電器及電磁閥進行控制，CCD圖像傳感器可反饋給PLC其當(dāng)前上電狀態(tài)。

圖2 控制架構(gòu)圖Fig.2 Control architecture diagram

上位機的控制軟件基于LabVIEW 2015開發(fā)，通過NI OPCServers對PLC標(biāo)簽創(chuàng)建關(guān)聯(lián)共享變量，實現(xiàn)PLC與上位機間的相互通訊[4]。通過LabVIEW虛擬按鍵可實現(xiàn)PLC氣動傳動、CCD圖像傳感器上斷電等指令的實時輸出，并可通過PLC檢測到的上下限位器信號、CCD圖像傳感器狀態(tài)信號反饋到LabVIEW界面顯示當(dāng)前探針位置狀態(tài)及CCD圖像傳感器上電狀態(tài)。PC端通過TCP/IP協(xié)議連接至CCD圖像傳感器，并通過LabVIEW邏輯程序?qū)D像信息進行處理、顯示、擬合與分析。PC端通過RS232串口協(xié)議連接至6485型皮安表，可實現(xiàn)皮安表的遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)讀取。引出參考點束測系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 引出參考點束測系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of the extraction reference point beam diagnostic system

3 熒光靶

熒光靶是基于光學(xué)的束流位置及截面尺寸的攔截式測量設(shè)備。熒光靶主要由圖像采集系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)構(gòu)成。圖像采集系統(tǒng)主要包括熒光靶頭、觀察窗及固定在觀察窗上端的CCD圖像傳感器。傳動裝置主要包括驅(qū)動氣缸、電磁閥、傳動檔、上限位器、下限位器及波紋管。熒光靶結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 熒光靶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of scintillation screen device

在熒光靶圖像測量系統(tǒng)中，熒光靶頭平時為收縮狀態(tài)，不會阻擋束流的傳輸，在調(diào)束過程中通過氣動傳動裝置將熒光靶頭推至束流腔中。為了保證觀察到的亮斑與實際亮斑不發(fā)生形變，熒光靶與束流中心線夾角為45o。束流轟擊靶片產(chǎn)生的光斑通過觀察窗由CCD圖像傳感器接收，兩者間距保持固定，連接桿處采用動密封。通過電磁閥控制驅(qū)動氣缸帶動熒光靶頭上下移動，傳動檔觸發(fā)上、下限位器可反饋當(dāng)前熒光靶位置信息。位置信息及圖像信號傳至PC端LabVIEW虛擬機進行數(shù)據(jù)采集及處理。

熒光靶頭材料采用攙雜0.6%Cr2O3的Al2O3陶瓷材料，當(dāng)熒光靶靶頭中原子的軌道電子從入射粒子接受大于其禁帶寬度的能量時，被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，再經(jīng)過一系列物理過程回到基態(tài)，該過程中會產(chǎn)生波長為700 nm可見熒光，從而實現(xiàn)束斑信息的檢測[5]。熒光靶片采用石墨烤制技術(shù)刻有間距5 mm的網(wǎng)格，并在中軸線標(biāo)刻間隔1 mm刻度，以便于對采集到的束斑信息進行位置及輪廓尺寸的標(biāo)定。熒光靶頭結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 熒光靶頭照片F(xiàn)ig.5 Photo of scintillation screen

采用LabVIEW虛擬機的Vision Acquisition模塊對CCD圖像傳感器采集到的圖像信號進行獲取。為了更好地對得到的圖像信息進行處理，將圖像信號轉(zhuǎn)換為一個8 bit灰度表示的1 280×960的二維數(shù)組，其數(shù)值表示圖像在對應(yīng)位置的亮度，反映了CCD上束斑形狀的分布。由于光路本身及其他雜散光的影響，在數(shù)據(jù)處理前必須先進行本底處理。截取無束斑條件下CCD圖像傳感器采集到光強二維數(shù)組作為本底噪聲，對數(shù)據(jù)分析的每組二維數(shù)組與本底噪聲二維數(shù)組做減法處理，即可得到較為理想的光斑圖像數(shù)據(jù)。束斑圖像滿足二維的高斯分布：

式中，f為光強；A為常數(shù)；σx、σy為束斑在x、y方向上的輪廓尺寸；μ、ν為中心位置的x、y方向坐標(biāo)；k為x、y方向的耦合系數(shù)。

對式（1）分別進行x、y方向的積分，即可分別得到x、y方向的分布：

對去底噪的二維數(shù)組分別在x、y方向進行積分，即可得到光強在水平和豎直方向的一維分布。通過使用LabVIEW高斯曲線擬合VI分別對x，y方向的一維數(shù)據(jù)進行擬合，即可得到束斑水平中心位置μ、水平輪廓尺寸σx、豎直中心位置ν、豎直輪廓尺寸σy等關(guān)鍵參數(shù)[6-7]。

熒光靶圖像采集與處理系統(tǒng)分別設(shè)置CCD圖像、2D效果、3D效果界面對所需束團信息進行多方面分析。CCD圖像界面將CCD圖像傳感器采集到的圖像信息直接進行顯示。2D效果界面將轉(zhuǎn)換后二維數(shù)組以光強圖的形式顯示，水平擬合曲線及豎直擬合曲線通過高斯擬合計算出μ、σx、ν、σy等關(guān)鍵信息。3D擬合界面將光斑實時投放到三維界面進行全方位的分析，通過鼠標(biāo)拖動可實現(xiàn)三維圖像全角度的觀測，進而更加全面地了解和分析束斑位置、光強分布、束斑輪廓尺寸等關(guān)鍵信息。

圖6為對同一束斑CCD圖像、2D效果、3D效果的對比。通過對比圖可觀察到，CCD傳感器直接成像可清晰觀測到束斑輪廓及位置等信息，但由于CCD相機自身及環(huán)境噪聲干擾，該圖像反饋參數(shù)與實際束斑參數(shù)仍存在一定偏差。通過2D效果亮度圖調(diào)節(jié)光亮度可清晰觀察到熒光靶刻度，但由于光強范圍降低，造成光斑成像輪廓放大，水平/豎直擬合曲線對此進行了彌補。3D效果圖可實時顯示當(dāng)前束流狀態(tài)，通過拖拽鼠標(biāo)調(diào)節(jié)3D成像角度可全面多角度顯示光強分布，增強對當(dāng)前束團位置、輪廓及光強分布方面信息的了解。

圖6 CCD圖像、2D效果、3D效果對比Fig.6 Comparison of CCD image, 2D fitting, 3D fitting

4 法拉第筒

法拉第筒是束流流強精準(zhǔn)檢測的攔截式測量設(shè)備[5]。法拉第筒主要由流強檢測系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)組成。流強檢測系統(tǒng)主要包括收集極、抑制極及皮安表。水冷系統(tǒng)通過一進一出水冷銅管連至收集極以實現(xiàn)束流轟擊收集極過程中熱量的轉(zhuǎn)移。傳動裝置主要包括驅(qū)動氣缸、電磁閥、傳動檔、上限位器、下限位器及波紋管。法拉第筒具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 法拉第筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of Faraday cup device

在法拉第筒流強檢測系統(tǒng)中，收集極平時為收縮狀態(tài)，不會阻擋束流的傳輸，在調(diào)束過程中通過氣動傳動裝置將收集極推至束流腔中。通過電磁閥控制驅(qū)動氣缸帶動法拉第筒收集極上下移動，傳動檔觸發(fā)上、下限位器可反饋當(dāng)前收集極位置信息。位置信息傳至PC端LabVIEW虛擬機進行數(shù)據(jù)采集及處理。

法拉第筒收集極呈圓筒狀，如圖8所示，通過阻擋帶電粒子并測量積累電荷實現(xiàn)束流流強的檢測。質(zhì)子束流轟擊到靶材料時會發(fā)生電離產(chǎn)生電子-離子對，產(chǎn)生的二次電子容易脫離原子束縛逃逸，剩余電荷會對檢測信號造成影響。故在收集極外緣安裝環(huán)狀抑制極，通過加載負(fù)高壓產(chǎn)生強電場，可有效抑制二次電子逃逸，保證流強檢測精度。收集極底側(cè)采用圓錐結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)環(huán)繞水冷銅管，可有效增強攔截高功率束流過程中的散熱[5,9]。

圖8 法拉第筒收集極結(jié)構(gòu)Fig.8 Photo of Faraday cup

圖9 流強檢測結(jié)果Fig.9 Result of current intensity measurement

SC200醫(yī)用加速器引出束流理論流強范圍為1 nA～400 nA，選用Keithley 6485型皮安表作為法拉第筒電子學(xué)，通過LabVIEW虛擬機對其進行SCPI命令遠(yuǎn)程操控及實時數(shù)據(jù)讀取。當(dāng)前選用KEYSIGHT B2962A電流源對流強檢測系統(tǒng)進行測試。通過電流源輸出400 nA到0.1 nA電流信號進行測試，皮安表設(shè)置為自動量程模式，為檢測設(shè)備在穩(wěn)定狀態(tài)下的表現(xiàn)，設(shè)置labVIEW數(shù)據(jù)讀取頻率為2 Hz，記錄采樣100個點的數(shù)據(jù)，求取數(shù)據(jù)平均值I_mes并計算檢測平均值I_mes與輸入電流I_ref的偏差ΔI。測試結(jié)果如圖9所示。圖中虛線為2.5級精度標(biāo)準(zhǔn)，即以當(dāng)前輸入電流值為量程條件下取該量程2.5%作為精度標(biāo)準(zhǔn)，點實線為檢測流強的偏差，由此可知，當(dāng)前測試結(jié)果滿足2.5級精度標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

引出參考點束流檢測系統(tǒng)用于加速器主機引出束流的檢測，為加速器主機調(diào)試及驗收提供參數(shù)依據(jù)，是保證質(zhì)子醫(yī)療束流質(zhì)量的重要測試系統(tǒng)?；贚abVIEW虛擬機及PLC可編程控制器進行遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)采集與處理的法拉第筒及熒光靶束測設(shè)備，可在線完成束流流強、束團位置及截面尺寸等關(guān)鍵參數(shù)的采集與處理，大大提高了束測工作的效率與準(zhǔn)確性，保證束測工作順利完成。