用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置的制造方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]电磁体被部署在许多技术部门，尤其用来产生随时间变化的强电磁场。有一种具有大量电磁体的装置为粒子加速器。带电粒子，例如，电子、质子或离子，可通过电磁场被加速到高速。目前，粒子加速器已在基础研究和用于治疗目的两方面应用一段时间。在离子疗法中，各种离子，例如，质子、碳离子、氦离子或氧离子，在粒子加速器中被加速到规定能级，然后被引入待治疗的组织。进入人体后，离子损失能量，其中大部分能量释放在狭窄的区域。这里的优越性在于离子通过健康组织且不损害它；相反，对治疗有效的能量释放仅在待治疗的组织里发生。
[0002]用于重离子疗法的粒子加速器包括离子源，离子源用来产生期望离子类型的带电粒子。直线加速器紧靠离子源，将粒子束加速到第一能级。此外，离子聚拢成束，且任何剩余的伴随电子均被分离出来。接着，将已被加速到第一能级的离子提供给环形加速器，环形加速器进一步加速离子束，将它加速到第二能级，即引出级(extract1n level)。为了使离子保持在环形加速器的圆形轨道上，环形加速器包括多个电磁体，其可被设计为偶极子、四极子，或乃至六极子。电磁体建立电磁场，将离子束约束在封闭的圆形轨道上。除了维持圆形轨道的电磁体，环形加速器以加速器段为主要特征，当离子通过后者时，它们被加速。在引出过程中，已加速的离子被引出环形加速器，通过束流输运系统提供给治疗室。
[0003]如果环形加速器被设计为同步加速器，随着粒子旋转频率的增加，磁场被同步控制。这里，在圆形轨道上以固定频率旋转的离子的能量，取决于，除其他因素外，作用在离子上的积分磁场。
[0004]利用布置在环形加速器中的电磁体，可通过提供到线圈中的电流可变地调节电磁场。这里，可使用偶极子、四极子和六极子形式的电磁体，以便转向和聚焦粒子束。电磁体具有空隙，离子束被引导通过该空隙。
[0005]偶极子通常具有矩形截面，内部具有空隙，且有两个磁极；两个磁极彼此相对布置，并指向偶极子内部。线圈布置在偶极子的两个相对的边上。由于线圈中的电流，在磁极之间的区域，即所谓的磁隙中产生均匀磁场。在理想的情况下，在磁极之间的区域中的磁通量密度是恒定的，磁通量密度的方向和幅度变化的边缘磁场仅对粒子束有小的影响。在环形加速器中使用偶极子，以便使粒子束偏转。这里，粒子束沿扇形上的一个轨道运动。
[0006]四极子在各角具有磁极，线圈位于各边上。四极子聚焦和散开粒子束。在一个平面聚焦粒子束的四极子，在另一个平面散开粒子束。因此，四极子主要成对使用。四极子中心的磁场为0，且从中心开始线性增加。
[0007]六极子为六角的或圆形的，具有六个磁极和六个线圈。磁极通常布置在角区域，线圈布置在连接角的区域。在环形加速器中使用六极子，以便校准粒子束的色度。六极子的磁场随着离中心的距离的平方变化而变化。
[0008]电磁体通常具有一个铁磁性的铁芯，以便凭借铁芯的高磁导率，使磁通量主要通过铁芯。由于铁芯的空间阻断，磁体的气隙(磁隙)内的磁场强度上升。磁通量继续通过空气，并在磁极之间产生磁场。由于磁力线从磁极表面垂直延伸，因此，磁场的形状可由磁极的形状来确定。
[0009]铁磁性的铁芯有磁滞现象，以致由磁体产生的磁场不仅依赖外部由流通电流的线圈感应的磁场，而且取决于磁滞。如果停止流经线圈的电流，则剩余的磁场，所谓的剩磁，仍然保持。由于剩磁，当电流保持恒定时，电磁体的磁通量密度随时间变化。变化的剩磁使电磁体的闭环控制更加困难；尤其不可能使用电磁体的给定电流作为闭环控制的唯一参考变量。
[0010]因为在周期结束时，电磁体内产生的磁场强度在离子束加速所必需的磁场强度之上，所以，由磁滞引起的磁场误差可被补偿。由于在各周期开始时，磁体的剩磁相同，通过这种方法，磁体总是穿过相同的磁滞环，并为后续周期创建了已知的先决条件。然而，这里的不利性在于，需要花在此过程的时间不能用于离子引出。
[0011]涡流是在电磁体内发生的另一个影响变量。涡流是由于随时间变化的磁场而在导电材料中感应的电流。涡流发生在所有的导电材料中，这样，也出现在电磁体的铁芯中。例如，可通过用层压薄片建造铁芯来减小涡流，但涡流总是尤其发生于存在强烈变化的磁场时，并影响磁场本身。这样，不可避免发生的涡流也使电磁体的闭环控制更加困难。
[0012]上述两种因素，即磁滞和涡流，会导致产生磁场误差；这些误差影响离子束的品质。尤其在紧凑型环形加速器情况下，磁场误差直接转化成在旋转的离子束位置的可测量的偏差。
[0013]然而，为了以对周围组织的最小影响获得最大可能的治疗成功，离子束必须很精确地到达期望的组织，并在那里释放它的能量。例如，碳离子被加速到大约430MeV/u(兆电子伏特/核子)的能级，并在目标组织以小于Imm的精度释放它们的能量。从这一要求得出以下结论:相对于磁场强度的最大值1.5T，尤其是偏转粒子束的偶极子的磁场误差必须小于1.45x10 4O这近似相对于在中欧的地球磁场48 μ T的4.5倍。从这点可知，一方面，电磁体必须很精确，另一方面，由于离子很小的转动周期，电磁体也必须被很快地控制。
[0014]各种磁场测量方法是已知的。霍尔探针可测量具有恒定和变化的磁通量的磁场。通过耗时的校准，采用霍尔探针测量也可能获得比上述精度更好的精度。而且，采用霍尔探针测量，是测量绝对磁场，且其结果是立即可用的。然而，霍尔探针仅测量一点的局部磁场。
[0015]在一种替代方法中，采用感应线圈测量磁场。在感应线圈中，法拉第感应定律转化为实践。如果通过感应线圈的磁通量发生变化，则在线圈中感应出电流，并在开口端产生电压。后者是与磁通量的变化成比例的。这样的感应线圈也被称之为拾波线圈(Pickupcoil);这些可以测量小于10 wT的磁场变化。然而，采用该方法的问题在于，测量的仅是磁场的变化，而不是绝对磁场。因此，为了获得磁场，必须对感应线圈的电压信号进行积分。不可否认，采用目前可用的积分器可获得要求的精度；然而，由于数据仅可在测量执行之后处理，所以采用这些积分器不可能实现实时测量。
[0016]因此，采用目前可用的方法，为了产生可比较的剩磁磁场，在每个周期内必须校准测量装置并最大限度地加载电磁体一次。结果，对离子的加速和引出所需的时间较长。
[0017]在欧洲专利EP 2 274 634 BI中，提供了一种用于测量和闭环控制由电磁体产生的磁场的装置；该专利具有集成进电磁体的测量装置，并直接测量电磁体磁隙中的磁场。而且，该专利建议提供被设计为拾波线圈，并完整地测量变化的磁场的第一测量装置。设计为霍尔探针的第二测量装置在局部位置测量绝对磁场。积分器单元被分配给第一测量装置。由于第一测量装置仅能测量磁场的变化，且所存在的磁场仅能通过时变积分来确定，所以积分器单元是必要的。在该结构中，优越性在于，可直接和很精确地测量作用于将被偏转的粒子束上的磁场。通过直接测量磁场，可测量上述剩磁和涡流的影响。测量值可用来将电磁体励磁需要的电流与被测量的磁场适配，从而动态控制电磁体。
[0018]然而，原则上这是有问题的:测量的磁场强度的精度取决于误差源，特别是基于随时间变化的误差，例如，由于信号噪声和频率波动等导致的温度变化。由于这一原因，必须定期校准装置。凭着对离子束精度并从而对测量磁场的装置的精度的高要求，必须以几秒的间隔执行校准。然而，在校准期间，不可能从加速器引出离子束。
【发明内容】
[0019]本发明的目的是提供一种用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置，具有减少的电磁体校准和准备需要的时间。
[0020]该目的通过权利要求1和12的特征实现。从属权利要求涉及有利的实施例。
[0021]本发明的用以对电磁体产生的磁场进行测量和闭环控制的装置，包括用于测量磁场的绝对磁场强度的第一测量装置、用于测量所述磁场的磁场强度变化的第二测量装置、至少两个用于确定所述第二测量装置测量的磁场强度变化的磁场强度的积分器，所述积分器相互平行布设、校准装置、用于比较由所述第一测量装置和所述第二测量装置测量的磁场强度的单元和用于将所述测量的磁场强度与指定设计磁场强度进行比较的另一单元。
[0022]根据本发明所述装置的一个优点在于，通过使用至少两个积分器，互相平行布设的多个积分器路径相继运行。所述积分器相互平行布设。这使得可以将一个积分器切换成工作电路，并将所述第二测量装置提供的电压转换为可计数的脉冲，根据该脉冲可确定当前的积分磁场强度，而第二积分器未激活，但能运行一个校准周期。这样，例如，由于温度变化、噪声等导致的误差可被补偿，以便可确保输出信号的高精度。另一优点在于，校准可与实际测量同时进行。为了校准目的，将各积分器和校准装置连接起来。可实时测量电磁体的磁场，这继而使得可以进行电磁体的实时闭环控制。由于校准与测量并行，测量过程无需为校准中断。再一