張午權,程義悅,沈俊松

（1.中科院合肥物質(zhì)科學院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230000；2.合肥中科離子醫(yī)學技術裝備有限公司,安徽 合肥 230000）

引言

質(zhì)子能量具有獨特的布拉格峰,在腫瘤治療中具有廣泛的應用[1,2]。質(zhì)子加速器將高速質(zhì)子束流通過由二極偏轉(zhuǎn)磁鐵和四極聚焦磁鐵組成的束流傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)定向傳輸,從而殺死腫瘤細胞[3]。在質(zhì)子治療裝置中,二極偏轉(zhuǎn)磁鐵是組成束流傳輸線的關鍵部件,在束流傳輸過程中用來偏轉(zhuǎn)質(zhì)子束流延指定線路傳輸和換室開關鐵的作用。二極偏轉(zhuǎn)磁鐵是質(zhì)子束流傳輸品質(zhì)的保證,實現(xiàn)高品質(zhì),高穩(wěn)定性的束流傳輸,關鍵在于磁鐵磁場的高精度,高均勻性。偏轉(zhuǎn)磁鐵一般都采用硅鋼片疊壓的技術[4,5],在加工過程中,存在著各種各樣不可控的隨機誤差,可以影響好場區(qū)內(nèi)的磁場均勻性[6,7]。偏轉(zhuǎn)鐵的性能會直接影響到整個系統(tǒng)的束流傳輸品質(zhì)及束流損失[8,9]。

現(xiàn)主要應用于粒子傳輸系統(tǒng)磁鐵系統(tǒng)磁測方法主要有針對二級偏轉(zhuǎn)磁鐵的霍爾傳感器點測[10,11]方法和針對四極聚焦磁鐵梯度場測量的旋轉(zhuǎn)線圈測量方法[12]。為確保輸運線偏轉(zhuǎn)磁鐵系統(tǒng)的可靠性能,本研究通過建立Hall 磁測系統(tǒng),結合實測結果,對二極磁鐵的磁場高均勻性的優(yōu)化設計[13]、邊緣場多物理場作用下場均勻性的變化規(guī)律[14,15]等作為課題研究的重點內(nèi)容,開展理論與實踐相互驗證工作。

1 Hall 磁測系統(tǒng)

Hall 磁測系統(tǒng)主要由位移控制和數(shù)據(jù)采集處理兩部分組成,見圖1。位移控制部分由高精度X、Y、Z三維微動平臺及運動控制器組成,上位機軟件通過運功控制器通訊,負責控制三維微動平臺按照設定的測量軌跡帶動Hall 探頭運動；數(shù)據(jù)的采集與處理部分是由高斯計和霍爾探頭組成,上位機軟件與高斯計進行數(shù)據(jù)通訊,負責采集并處理高斯計的磁場測量數(shù)據(jù)；由這兩個部分組成了Hall 三維磁測系統(tǒng),從而實現(xiàn)束流輸運線偏轉(zhuǎn)磁鐵的磁場測量。

圖1 Hall 三維磁測系統(tǒng)示意圖

1.1 三維微動平臺

三維微動平臺的大小、運動軸長度、運動方式可以根據(jù)被測磁鐵的規(guī)格和類型來設置。微動平臺的設計采用大理石平臺,直線導軌和直線電機組合,運動直線度可達0.04 mm,大理石平臺平面度精度高,在一定程度上可以降低由溫度變化或地面震動等外界因素所造成的測量誤差。三維微動平臺分別建立三個直線往復運動的坐標軸即X、Y 和Z 軸,其各個坐標軸的行程及精度要求見表1。

表1 三維移動平臺各軸參數(shù)表

X 軸由2 200 mm 大理石平臺、兩根進口直線導軌、直線電機、磁鋼、直線電機控制器和2 100 mm 光柵尺及讀頭經(jīng)過精密安裝調(diào)試組成。大理石平面度達到0.006 mm,直線導軌和直線電機安裝時用激光干涉儀校正導軌平行度和直線度達到0.002 mm,安裝高精度光柵尺,磁鋼,直線電機和限位防撞機構。絕對零位為光柵尺零位,由操作軟件控制位移臺運動實現(xiàn)定位精度0.01 mm、閉環(huán)分辨率0.001 mm、直線度和平面度0.04 mm,重復定位精度0.005 mm。Y 軸和Z軸的運動平臺同樣是由大理石平臺、兩根直線導軌、伺服電機、精研絲杠、伺服電機控制器、光柵尺及讀頭經(jīng)過精密安裝調(diào)試組成。

上位機軟件通過串口與三維運動控制器進行運動控制,對多種磁測軌跡進行了集成化,僅需在上位機軟件中設置幾個基礎參數(shù)便可以對所需的磁測路徑進行自動化掃描,其特點為自動化程度高,此外還能夠分別對各軸設置回原點速度、運動速度等運動軌跡參數(shù)等進行設置；控制器補償精度的閉環(huán)控制,由控制器讀取光柵尺數(shù)據(jù),具有檢測、比較、反饋補償精度的閉環(huán)控制功能,系統(tǒng)精準度高；操作方便的同時還提供了完善的控制命令協(xié)議,方便后續(xù)功能完善和二次開發(fā)等。磁測平臺組裝見圖2。

圖2 Hall 三維點測平臺效果圖

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由高精度Hall 探頭和高斯計組成,通過串口與上位機通訊進行數(shù)據(jù)采集并進行數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)為點測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在測量過程中,對采集數(shù)據(jù)精度和可靠性影響因素有溫度的變化、雜項磁場的影響和位置精度的影響。本系統(tǒng)所用的Hall 探頭為Grop3 一維探頭MPT141,配備高斯計型號DTM-151 見圖3。Group3 一維探頭MPT141 是一款高精度的霍爾效應的磁場測試儀器,精度高于三維探頭,最大量程為3 T,具有線性和溫度補償技術,先進的算法確保了測量準確性。探頭的校準系使得任一探頭可以與任一主機相適配,并保證測試精度和準確度。DTM-151 是目前世界上精度最高的霍爾效應高斯計,精度在0.01%,提供IEEE488 或RS-232 通訊接口,提供經(jīng)過校正的模擬輸出。本磁測系統(tǒng)采用DTM-151 數(shù)顯高斯計配合高性能的帶溫度補償?shù)腉roup3 一維探頭MPT141 的霍爾效應探頭,從而實現(xiàn)極高的測試精度和磁場分辨率,其技術參數(shù)見表2。

表2 DTM151 高斯計技術參數(shù)

圖3 高斯計示意圖

1.3 磁測系統(tǒng)坐標換算

質(zhì)子治療束流輸運線偏轉(zhuǎn)二極鐵的磁場測量軌跡線為同一平面上由直線段和圓弧段的組合的一系列運動軌跡,因此在Hall 三維磁測系統(tǒng)編程過程中,也需要設置相應的直線段和圓弧段的指令組合。且微動平臺坐標系和被測磁鐵坐標系之間,需要進行坐標換算才能保證運動軌跡指令的準確下發(fā),坐標換算示意見圖4。

圖4 Hall 點測系統(tǒng)軌跡坐標系轉(zhuǎn)換原理圖

Hall 探頭在束流軌跡線上的移動步長設為兩個采樣點間隔S,以微動平臺沿X、Y 軸平面的坐標進行轉(zhuǎn)換,以二極偏轉(zhuǎn)磁鐵磁場測量為例,下面分別對直線和圓弧軌跡的坐標進行轉(zhuǎn)換：

1.3.1 直線段運動

Hall 探頭在磁測過程中每移動一個步長S,上位機軟件程序控制位移臺X 軸方向和Y 軸方向的坐標移動距離為

1.3.2 圓弧段運動

首先根據(jù)運動軌跡的弧長計算對應的步長角度α 為

步長角度對應的弦長L 為

計算每一步步距角度 γ為

程序控制位移臺X 軸方向和Y 軸方向的坐標移動距離為

圓弧段每一步的位移需要實時更新步距角進行計算,計算過程相同,在設置界面,輸入特定的參數(shù),按要求完成走線軌跡,這也是Hall 三維磁測系統(tǒng)的特點。

其各個變量參數(shù)的含義如下：

R-二極鐵偏轉(zhuǎn)半徑；

S-兩個采樣點間距,單位mm；

φ-位移臺X 軸和直線段夾角；

β-位移臺X 軸和水平方向夾角；

θ-曲線段起點與圓心連線與水平方向夾角。

2 輸運線二極鐵磁測驗證

2.1 二極鐵參數(shù)指標

本次用于磁測驗證的偏轉(zhuǎn)二極鐵是用于國產(chǎn)首臺套自主研發(fā)的超導回旋質(zhì)子加速器質(zhì)子治療裝置束流輸運線旋轉(zhuǎn)機架爬坡段60°偏轉(zhuǎn)二極鐵。導線線規(guī)采用11×11/Φ5.5 mm,由于線圈端部出線位置空間較緊張,線圈匝數(shù)為10（豎）×11（橫）。其主要技術參數(shù)見表3。在此基礎上對鐵芯尺寸進行優(yōu)化,使用有限元仿真分析,通過鐵芯極頭端部削斜,優(yōu)化積分磁場均勻度。以中平面為參考,在不同場強下測量橫向場分布和積分場均勻度。

表3 60°偏轉(zhuǎn)二極鐵基本參數(shù)

2.2 磁測驗證

根據(jù)理論計算和數(shù)值分析結果,對質(zhì)子治療裝置束流輸運線旋轉(zhuǎn)機架爬坡段60°偏轉(zhuǎn)二極鐵加工實物如圖5 所示進行磁測,首先需要對磁鐵的勵磁曲線進行測量,獲得對應電流下相對應的磁場B 數(shù)值,從而取對應的磁場電流作為基本輸入?yún)?shù),進行相關的橫向磁場數(shù)值和均勻場數(shù)值測量。

圖5 60°偏轉(zhuǎn)二極鐵磁測圖

2.2.1 勵磁曲線測量

霍爾探頭放置在磁鐵長度處中心(x=y=0)中性面位置,磁鐵通過隨時間上升變化電流激磁,直到最高場強By 滿足1.45 T 的要求,對于60°二極鐵勵磁電流變化范圍0～420 A,變化步長10 A。記錄得到不同電流下的磁感應強度。直至達到技術要求的最高場強Bmax 時,所對應的勵磁電流Imax 值,電流由0 A 上升至Imax 后再下降到0 A,測量得到勵磁曲線見圖6。

圖6 勵磁曲線B-I

2.2.2 橫向磁場均勻性測量

霍爾探頭在磁鐵半徑中心處（鐵芯內(nèi)部）中平面上沿水平方向移動,記錄霍爾探頭在移動過程中的磁場By 的大小,測量好場區(qū)范圍（X=±40 mm）的場強大小,X 方向步距為2 mm,記錄磁感應強度大小,計算得到磁場強度的橫向均勻性。并改變磁感應強度,測量勵磁電流I 分別為30、110、200、413A 下,對應的中心區(qū)磁感應強度分布,計算橫向磁場均勻性,從而得到不同磁感應強度下的橫向磁場均勻性。

2.2.3 積分磁場均勻性測量

60°偏轉(zhuǎn)二極鐵的測量軌跡應由直線段和圓弧段組成,按照如圖7 所示的測量軌跡進行磁測。采用直線和圓弧相切的測量路徑,霍爾片移動的步長10 mm,霍爾探頭在磁鐵中性平面上沿束流軌跡方向移動過程中,測量磁場BY 值,再進行數(shù)字積分即可得到磁鐵各個束流軌道的磁場積分值。測量根據(jù)要求的中心磁場（0.1～0.4T,0.4～0.7T,0.7～1.45T）對應的電流在I=110、200、413A 下,X=0、±10、±20、±30、±40 mm 共9條粒子軌跡上的積分場,擬合數(shù)據(jù)結果計算積分磁場均勻性。

圖7 測量軌跡圖

二極鐵的橫向磁場均勻性測試結果如圖8 所示,橫向磁場均勻性在各個磁場水平下的變化趨勢基本相同,都是在好場區(qū)邊緣位置出現(xiàn)了磁場上升的趨勢,為了對比數(shù)值仿真結果與磁測結果,將1.45 T 場強下的橫向磁場均勻性分布做了比較,見圖9,發(fā)現(xiàn)兩者趨勢基本相同滿足設計要求。不同磁場水平下的積分場均勻性磁測結果見圖10,磁測結果和數(shù)值仿真計算結果基本一致,為了進一步對比磁測結果和仿真結果的差異,提取了1.45 T 場強下積分磁場均勻性分布和多極場磁測結果和仿真結果對比,見圖11,實際積分場均勻性的磁測結果會比數(shù)值分析結果要差一點,主二極場中的誤差場還是四極量B2,八極量B4,十極量B5,但這些高階場分量基本均在10-4級別,與數(shù)值模擬計算結果基本相同,因此,從實際磁測結果來看,積分場均勻性的實際磁測結果會比數(shù)值分析結果要差,最高可達7×10-4,主要原因是在磁鐵實際加工、裝配過程中,會存在各種誤差,以及磁測系統(tǒng)本身誤差等無法避免的問題,也因此最終導致實際磁測得到的積分場均勻性與數(shù)值分析結果有一定的差異。

圖8 不同場強下橫向場均勻性磁測結果

圖9 1.45 T 場強下橫向場均勻性磁測結果與分析結果對比

圖10 不同磁場水平下的積分場均勻性磁測結果

圖11 1.45T 場強下積分場均勻性磁測結果與分析結果對比

由實測結果表明,該磁鐵的實際磁測結果與有限元仿真分析結果基本一致,滿足磁鐵設計的磁場均勻性要求。從而證明了該Hall 三維磁測平臺在實際應用中,可以滿足質(zhì)子治療系統(tǒng)束流傳輸偏轉(zhuǎn)二極鐵磁測的需求。

3 結論

本研究設計了用于質(zhì)子治療系統(tǒng)束流傳輸偏轉(zhuǎn)二極鐵性能測量裝置,主要由三維微動控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,以及計算機上位機控制軟件組成。該磁測系統(tǒng)的自動化程度高,測量精度和測量效率高。對質(zhì)子治療系統(tǒng)輸運線偏轉(zhuǎn)磁鐵進行了磁測驗證,主要測量了二極磁鐵的勵磁曲線、橫向磁場均勻性和積分磁場均勻性,通過與有限元仿真分析結果的對比,驗證了該磁測系統(tǒng)的可靠性。