加速器射頻系統(tǒng)

物理名詞加速器射頻系統(tǒng)01概念醫(yī)用回旋原理RDS111回旋加速器RF系統(tǒng)簡介目錄0302基本信息加速器射頻系統(tǒng)在正電子斷層掃描顯像PET/CT檢查的應(yīng)用日益廣泛，PET檢查的患者人數(shù)也越來越多，而PET/CT檢查所需的正電子顯像劑大多使用11C，13N，15O和18F等正電子核素進(jìn)行標(biāo)記。由于其半衰期較短，核素必須由回旋加速器適時(shí)生產(chǎn)，因而回旋加速器生產(chǎn)的放射性核素決定了正電子顯像劑的產(chǎn)量。而要穩(wěn)定的提供足額、符合要求的放射性核素，就需要做好回旋加速器的質(zhì)量控制。因此回旋加速器的穩(wěn)定性對PET中心尤顯重要。概念概念CSNS/RCS射頻系統(tǒng)示意圖加速器射頻系統(tǒng)常用于中國散裂中子源（CSNS）快循環(huán)同步加速器（RCS）中，主要包括鐵氧體加載諧振腔、射頻功率源、偏流源和低電平控制系統(tǒng)。射頻系統(tǒng)工作重復(fù)頻率為25Hz，掃頻范圍為1.022-2.444MHz，單個(gè)腔體（雙加速間隙）可提供最大30kV加速電壓。兩級的調(diào)諧控制能解決快速掃頻過程中的系統(tǒng)失諧問題，采用束流前饋、直接反饋等多種技術(shù)手段可對束流負(fù)載效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。CSNS/RCS射頻系統(tǒng)是國內(nèi)第1套工作在快脈沖掃頻狀態(tài)下的大功率射頻系統(tǒng)，面臨著寬帶掃頻、阻抗失配等技術(shù)難題的挑戰(zhàn)。已完成了樣機(jī)研制工作，第1批正式設(shè)備的連續(xù)高功率聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)已完成，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到物理設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期可靠性也得到了充分驗(yàn)證。對于強(qiáng)流快循環(huán)質(zhì)子同步加速器射頻系統(tǒng)，射頻功率源的寬帶匹配和腔體的動態(tài)調(diào)諧是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面對的核心問題。另外，如何妥善處理高流強(qiáng)下的束流負(fù)載效應(yīng)，是在未來實(shí)際的帶束運(yùn)行中需要解決的關(guān)鍵問題。

RDS111回旋加速器RF系統(tǒng)簡介RF系統(tǒng)維護(hù)維修參考結(jié)構(gòu)組成及工作原理RDS111回旋加速器RF系統(tǒng)簡介結(jié)構(gòu)組成及工作原理圖1扇形Dee圖電極結(jié)構(gòu)——在回旋加速器真空腔內(nèi)，離子源產(chǎn)生的負(fù)氫離子被磁場偏轉(zhuǎn)，作回旋運(yùn)動；被射頻電場加速，回旋半徑逐漸增大。加速負(fù)氫離子的射頻電場由四個(gè)扇形共振電極產(chǎn)生，稱作Dee電極。如圖1Dee電極裝在回旋加速器真空腔中的磁鐵空隙，由固定于磁軛上的桿支撐，支撐桿接地，水冷卻，每個(gè)扇形30°，均勻繞圓周分布。在中心位置，電極接在一起，因而四個(gè)電極同步振蕩。負(fù)氫離子回旋一周經(jīng)過4個(gè)Dee時(shí)受到吸引和排斥而8次獲得能量，軌道半徑逐漸增大，直至11MeV引出半徑。電極工作參數(shù)：離子回旋頻率18MHz，電極振蕩頻率72MHz，標(biāo)準(zhǔn)Dee電壓30-38Kv，每周能量增益：120-160keV。圖2電原理圖供電電路結(jié)構(gòu)——RF供電系統(tǒng)包括頻率合成、功率放大、共軸傳輸、耦合、Dee結(jié)構(gòu)以及監(jiān)控線路見圖2。頻率合成器采用精準(zhǔn)的PTSx10正弦波頻率發(fā)生器；放大器采用CE-CTI-72三級線性功率放大器，分為前放、中放和末放。監(jiān)控電路包括頻率掃描電路、電壓調(diào)整電路、頻率跟蹤電路、Crowbar電路等。頻率掃描電路用于掃描尋找Dee振子的共振頻率，電壓電路用于監(jiān)測和調(diào)整放大器輸出到電極的加速高壓。Dee結(jié)構(gòu)的固有頻率由于受熱會緩慢漂移，RF跟蹤電路測量共軸傳輸電纜的RF電壓和RF電流之間的相位關(guān)系，然后調(diào)整頻率合成器的振蕩器的頻率，進(jìn)行頻率補(bǔ)償，以維持共振。RF系統(tǒng)維護(hù)維修參考RF系統(tǒng)工作時(shí)要產(chǎn)生高壓、高頻，輸出高功率，所以工作場所的溫濕度要求很嚴(yán)格。加速器控制室和主機(jī)房濕度控制要求：<40%。應(yīng)采用多臺大功率除濕機(jī)，除濕量大于100升/天，24h運(yùn)行。夏天、下雨天濕度會增大，這時(shí)RF系統(tǒng)設(shè)備需要更長的預(yù)熱時(shí)間。當(dāng)濕度超過50%時(shí)，受濕度影響，RF放大器會產(chǎn)生高壓打火，導(dǎo)致一系列故障：(1)RF控制柜的5A放大器保險(xiǎn)會燒斷，并可能引起前面板上的空氣開關(guān)跳斷。要備用許多個(gè)保險(xiǎn)。(2)嚴(yán)重時(shí)會引起供電繼電器板燒壞；放大器末級參數(shù)顯示表頭燒。(3)還曾經(jīng)引起VME的數(shù)字輸入板上的控制RF狀態(tài)位的光耦損壞。(4)再嚴(yán)重的情形就是末級放大器打壞，這時(shí)要考慮更換專用的放大管絕緣紙。(5)最嚴(yán)重的情形是RF燒壞的同時(shí)，離子源和磁場供電、真空控制系統(tǒng)等因株連而損壞。醫(yī)用回旋原理回旋的主要原理研究結(jié)果射頻系統(tǒng)影響因素的研究醫(yī)用回旋原理回旋的主要原理回旋加速器的射頻系統(tǒng)是回旋加速器中關(guān)鍵而復(fù)雜的系統(tǒng)，是產(chǎn)生回旋加速器的高頻振蕩加速高電壓，具有在回旋加速器中被加速的束流提供加速電場，使其每旋轉(zhuǎn)一次給予離子能量躍沖，以及從離子源中拉出離子2個(gè)主要的功能。回旋加速器射頻(radiofrequency,RF)系統(tǒng)由RF諧振腔、RF電源發(fā)生器及RF饋通電纜子系統(tǒng)構(gòu)成。(1)RF諧振腔安裝于真空室內(nèi)部，由D電極、耦合電容電感、調(diào)節(jié)電容及附屬金屬腔組成。在現(xiàn)代等時(shí)性加速器中，多采用單D、雙D、4D電極和相應(yīng)接地的假D形電極結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是：加速電壓為D電極與接地的假D之間的電壓，是經(jīng)典雙D的一半。優(yōu)點(diǎn)：①為離子源，束流探測和束流引出等裝置提供空間；②放入磁谷中，降低磁極間隙，節(jié)省磁鐵和功率消耗；③對地電容小，儲能較低。圖3RF系統(tǒng)流程圖(2)RF電源發(fā)生器主要功能是產(chǎn)生Dee電壓。包括：①振蕩器，即RF發(fā)生器，用于驅(qū)動晶體管放大器；②晶體管放大器；用于放大RF，驅(qū)動真空管放大器；③真空管放大器，用于放大RF，通過RF饋通電纜將其傳輸?shù)街C振腔耦合原件；④回路控制器，包括真空管放大器的輸入、輸出相位檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，D電極電壓提取反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)；⑤電源配給器，主要為真空管放大器提供工作電壓。真空管的工作電源包括陰極、屏極、柵極和板極4個(gè)電源系統(tǒng)。(3)RF饋通電纜由同軸的中空銅外殼和銅心導(dǎo)體構(gòu)成，并用螺旋形的塑膠間隔裝置固定銅心和銅外殼。電纜的長度是一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)不匹配時(shí)，RF諧振腔失調(diào)諧。射頻系統(tǒng)工作流程如圖3所示。射頻系統(tǒng)影響因素的研究回旋加速器射頻系統(tǒng)在工作時(shí)會產(chǎn)生高壓、高頻及輸出高功率，所以對回旋加速器工作場所的要求比較高，其設(shè)備間和主機(jī)房的溫度一般要求在20℃左右，濕度<50%，如果溫、濕度太高則容易形成冷凝水，射頻放大器會產(chǎn)生高壓打火，導(dǎo)致射頻柜保險(xiǎn)絲被燒斷，嚴(yán)重時(shí)亦會導(dǎo)致RF系統(tǒng)被燒壞而引起連鎖反應(yīng)，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，因此要嚴(yán)格控制工作場所的溫、濕度?；匦铀倨魃漕l調(diào)試的條件為回旋加速器的真空需達(dá)到10-6Pa以上，且磁體電流穩(wěn)定在額定值132.5A左右。研究通過回旋加速器在核素轟擊時(shí)的問題來分析回旋加速器的影響因素。采用主控工作站登錄操作系統(tǒng)界面，將磁場打開，使射頻系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，觀察射頻柜RFPG指示燈狀態(tài)，加H2O16后，點(diǎn)擊targetproductionof18F-F-，開始進(jìn)行靶轟擊，當(dāng)?shù)谝淮伟修Z擊生產(chǎn)的時(shí)候，控制系統(tǒng)停止，系統(tǒng)報(bào)錯“FaultinRFsystem，RFcannotsetstandbymode.FaultinIonSource，inbadstatus.”離子源電壓關(guān)閉。退出，重新加磁場，進(jìn)行第二次靶轟擊，系統(tǒng)正常，但轟擊過程中射頻易出現(xiàn)打火現(xiàn)象。退出主控工作站，使用便攜式計(jì)算機(jī)啟動MSS維修軟件，進(jìn)入RFSYSTEM界面，檢查系統(tǒng)。第一次靶轟擊時(shí)，RF報(bào)錯，RF表1回旋加速器的射頻參數(shù)cannotsetStandbyMode。在MSS維修軟件上顯示，陽極電源指示燈報(bào)警，但第二次、第三次進(jìn)行靶轟擊生產(chǎn)的時(shí)候，陽極電源指示燈恢復(fù)正常，檢查和分析所有的錯誤日志和記錄文件，檢查射頻參數(shù)和電源，輸入電源，變壓器跳線，包括直流電源和GSPU，數(shù)據(jù)顯示均正常。嘗試調(diào)節(jié)柵極調(diào)諧(GridTuning)，減少DPA的反射功率和傳輸功率，重新測試系統(tǒng)。研究結(jié)果表2優(yōu)化后記錄的射頻參數(shù)根據(jù)上述研究結(jié)論，繼續(xù)調(diào)節(jié)GridTuning和TAUClamp，優(yōu)化射頻參數(shù)，優(yōu)化后MINItrace回旋加速器射頻的參數(shù)見表2。在完成對GridTuning和TAUClamp的調(diào)整而優(yōu)化射頻參數(shù)后，多次用master主系統(tǒng)工作站轟擊靶水，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，射頻打火次數(shù)較之前減少，回旋加速器的核素產(chǎn)率得到有效的提高，而離子源的壽命得到了有效的延長?；匦铀倨魇切滦偷母呖萍荚O(shè)備，其許多部件均非常精密，不光要注意回旋加速器的工作場所，而且在每次維護(hù)或更換部件后，均需認(rèn)真調(diào)試各部件以使其達(dá)到最佳狀態(tài)。通過對回旋加速器射頻原理的分析，了解回旋加速器射頻系統(tǒng)的構(gòu)造原