专利名称：医用电子直线加速器的双调制器控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及医用电子直线加速器，具体涉及医用电子直线加速器的调制器，属于医用电子直线加速器控制技术领域
背景技术：
医用加速器是指专门用于临床医学的加速器，当前医用加速器的代表是医用电子直线加速器，医用电子直线加速器不仅是加速器中台数最多的一种，也是各种放射治疗装置中台数最多的一种，医用电子直线加速器是最主要的放射治疗装置。在使用微波电场加速电子的加速器中，为了得到尽可能高的加速电场，瞬时微波功率很大，达到MW量级，因此微波源都是脉冲工作的，脉冲调制器是向这种微波源提供脉冲功率的电源。微波源的任务是产生并输出具有一定频率、一定脉冲包络宽度、一定重复频率、一定大小功率的超高频振荡。除振荡频率是由磁控管决定，重复频率是由触发器决定的夕卜，脉冲宽度和脉冲功率是由调制器决定的。由此可见，调制器的任务是输出一系列振荡器所需的具有足够大功率的、一定重复频率和一定宽度、波形合适的脉冲电压。在电子直线加速器中，除上述磁控管振荡器需要由脉冲调制器提供脉冲电压外，电子的注入也要求有一定波形、脉冲幅度的脉冲电压。由于电子注入一路的负载很轻，所以常常和磁控管振荡器共用一台调制器，脉冲变压器副边的两组线圈给出重复频率和脉冲宽度相同、幅度不同的两路脉冲电压。目前磁控管与栅控电子枪共用一台调制器在实际使用中存在下面几方面的问题:(I)栅控电源的正栅压脉冲与枪高压脉冲合成时，不可能完全同步，造成高压脉冲顶部的栅压脉冲形状不对，由三个脉冲构成，不利于电`子枪束流的正确控制。(2)高压脉冲和正栅压脉冲合成时，高压脉冲前沿的高频成分相当丰富，对正栅压脉冲干扰非常大，导致正栅控脉冲在高压脉冲的高压仅上升到1250V时，就受到严重干扰，栅控脉冲顶部振荡严重超标，在高压脉冲的高压上升到40kV时，正栅压脉冲顶部振荡达土 300V左右，完全超过栅控电源的控制范围，栅控电子枪处于不正常工作状态，发射的束流不管是形状还是强度都不符合系统要求，导致在实际使用时靠提高电子枪的灯丝电流来满足系统的要求，大大缩短了电子枪的使用寿命。另外，该高频分量通过栅控电源(AIC系统与主控系统通讯电缆)传递到系统的各低压控制系统，导致系统通讯不稳。(3)电子枪的结构决定了电子枪的阴栅组件与阳极之间存在一定的分布电容，该电容将高压脉冲耦合至电子枪栅极，导致每个栅控脉冲的前I U s基本不能控制发射束流，使得电子线束流难以精确控制和调整到最好的状态。(4)磁控管高压、电子枪高压脉冲同用一台脉冲变压器，脉冲高压的后沿受磁控管特性限制导致非常长(Si! S以上)，调制器系统中又不具备后沿切割功能，另外对于后沿成分如此大的高压脉冲国内尚无成熟的技术对后沿切割。(5)因同用一台脉冲变压器，栅控电子枪的脉冲高压幅值受磁控管工作状态限制，不能单独给出电子枪所需的高压，所获得的高压无法达到电子枪指定工作状态。导致电子枪发射束流小，在实际使用时靠提高电子枪的灯丝电流来满足系统的要求，大大缩短了电子枪的使用寿命。另外，电子枪发射的束流初速度无法控制，难以满足超宽能量范围医用电子直线加速器的对于注入加速管内腔的束流初速度可控的技术要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种医用电子直线加速器的双调制器控制系统，利用数字信号处理系统控制两套高压调制器分别给磁控管和栅控电子枪供电，具备独立控制、实时动态调整电子枪发射能力、发射特定波形束流和保证发射束流控制精度的特性。医用电子直线加速器的双调制器控制系统，包括数字信号处理系统、磁控管调制器、栅控电子枪调制器、磁控管、栅控电子枪、加速管、三个微波检测电路、反馈式微波系统、治疗头和自动剂量控制系统；其中，数字信号处理系统分别对磁控管调制器和电子枪调制器发出控制信号进行控制，数字信号处理系统分别接收到磁控管调制器的高压启动信号、高压电流信号、高压幅值信号，微波检测电路输出的三路微波包络信号，自动剂量控制系统输出的剂量率信号，数字信号处理系统将以上信号进行综合处理后给出高压启动信号、枪高压、负偏压、正栅压、正栅压脉冲宽度、灯丝电流、重复频率、脉宽前沿时延的控制信号，以上控制信号控制栅控电子枪在指定的微波包络期间发射束流，供栅控电子枪发出符合系统要求的电子束流；控制电子枪调制器工作，使电子 枪调制器产生栅控电子枪需要的相关信号；数字信号处理系统控制磁控管调制器产生一个高压脉冲信号提供给磁控管，使磁控管工作并产生系统需求的微波；反馈式微波系统将磁控管产生的微波和加速管使用后剩余的微波进行有效的功率合成，产生高于磁控管输出功率的微波；加速管将栅控电子枪发射的电子束流在各分系统的控制下将束流加速到指定的能量；治疗头将加速管输出的不同能量的束流转化成符合医用指标的电子线或X射线在限束系统的控制下对患者进行治疗；自动剂量控制系统检测射线的剂量率和统计患者得到的剂量控制治疗时间；三个微波检测电路分别检测加速管入口、出口和磁控管输出的微波信号；系统内部连接关系:数字信号处理系统分别连接磁控管调制器和电子枪调制器，磁控管调制器连接磁控管，磁控管与反馈式微波系统之间连接有一个微波检测电路，其余两个微波检测电路分别连接在加速管入口和出口与反馈式微波系统之间；磁控管调制器、三路微波检测电路和自动剂量控制系统分别与数字信号处理系统连接，电子枪调制器依次连接栅控电子枪、加速管和治疗头。工作过程:数字信号处理系统控制磁控管调制器产生一个高压脉冲信号提供给磁控管，磁控管工作并产生微波，微波在反馈式微波系统中与加速管使用后剩余的微波通过移相后进行功率合成，产生不同于磁控管输出的微波注入加速管，该微波在加速管中对电子枪注入到加速管中的电子束流进行加速，加速后的电子经治疗头转换成医用的射线；治疗头中的电离室检测射线的强度送给自动剂量控制系统，该系统对射线强度信号处理后送至信号处理系统，三个微波检测电路分别将检测到的磁控管输出微波信号的包络、加速管入口微波信号的包络以及加速管出口微波信号的包络分别送至数字信号处理系统，磁控管调制器将高压启动信号、高压电流信号、高压幅值信号送至数字信号处理系统，数字信号处理系统将接收到的七个信号以及从电子枪调制器中采集的枪高压、负偏压、正栅压和栅控电子枪发射的束流四个信号进行分析后产生八个控制信号，产生控制栅控电子枪灯丝电流大小的控制信号，控制栅控电子枪枪高压大小的控制信号，负偏压大小的控制信号，正栅压大小的控制信号，正栅压脉冲宽度的控制信号，正栅压脉冲前沿延时控制信号，正栅压重复频率控制信号和正栅压启动控制信号；数字信号处理系统将以上八个控制信号给电子枪调制器，电子枪调制器控制栅控电子枪发出符合系统要求的电子束流。磁控管调制器产生的高压脉冲信号为IOKV 55KV，重频100 400HZ、脉宽
2.8-4.3 ii S、顶降小于5%。；电子枪调制器产生的直流高压信号为IOKV 155KV，负偏置电压-200 -1400V，正栅压控制脉冲电压-1400 500V，重频100 400HZ、脉宽0.5 IOii S、时延0 4 ii S、正栅压脉冲顶降小于2%。，灯丝电流0.1 10A。有益效果:1、本发明实现了对电子枪和磁控管独立高压配电；2、本发明能根据系统的要求独立控制电子枪、磁控管调制器的高压输出、磁控管微波输出、加速管加速特性、医用指标的特定要求、现代放疗技术的要求，使电子枪高压调制器输出最符合要求的控制参数即:高压幅度、负偏压、正栅压、重频、脉宽和延时；3、本发明的电子枪调制器采用直流高压配电，避免了脉冲高压配电引起的对正栅压脉冲的噪声干扰，有效的提供脉宽和时延可控的正栅压脉冲，保障电子枪发射的束流落入到指定的微波包络区间；4、本发明通过数字信号处理系统对系统采集到的十个信号的综合分析，动态调整正栅压脉冲的幅值、脉宽、时延、重频，精确控制电子枪输出束流；5、正栅压脉冲顶部完全受控于数字信号处理系统发出的控制信号，保障电子枪发射束流范围在O-1A (脉冲)完全可控，实现加速器X射线和电子线两种类型射线切换照射时，无需耗费因等待枪体内部阴极冷却的时间，提高了设备的使用效率和设备使用的安全性能。
图1是本发明的系统流程框图。
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。如附图1所示，本发明的医用电子直线加速器的双调制器控制系统包含磁控管调制器、栅控电子枪调制器、磁控管、栅控电子枪、加速管、微波检测电路1、微波检测电路I1、微波检测电路II1、反馈式微波系统、治疗头、自动剂量控制系统和数字信号处理系统；其中，磁控管调制器产生一个IOKV 55KV(重频100 400HZ、脉宽2.8-4.S、顶降小于5%。)的脉冲信号提供给磁控管，使磁控管工作并产生系统需求的微波；反馈式微波系统将磁控管产生的微波和加速管使用后剩余的微波进行有效的功率合成，产生高于磁控管输出功率的微波，该微波信号因合成产生导致微波包络前沿和后沿不理想；栅控电子枪调制器在数字信号处理系统的控制下产生以 下信号:高压启动信号、枪高压、负偏压、正栅压、正栅压脉冲宽度、灯丝电流、重复频率、脉宽前沿时延，供栅控电子枪发出符合系统要求的电子束流；加速管将栅控电子枪发射的电子束流在各分系统的控制下将束流加速到指定的能量；治疗头将加速管输出的不同能量的束流转化成符合医用指标的电子线或X射线在限束系统的控制下对患者进行治疗；自动剂量控制系统检测射线的剂量率和统计患者得到的剂量控制治疗时间；微波检测电路1、微波检测电路II和微波检测电路III分别检测加速管入口、出口和磁控管输出的微波信号；信号处理系统分别接收到磁控管调制器的高压启动信号、高压电流信号、高压幅值信号，微波检测电路输出的三路微波包络信号，自动剂量控制系统输出的剂量率信号，将以上信号进行综合处理后给出高压启动信号、枪高压、负偏压、正栅压、正栅压脉冲宽度、灯丝电流、重复频率、脉宽前沿时延的控制信号，控制电子枪调制器工作，使栅控电子枪调制器产生电子枪需要的相关信号。系统内部连接关系:数字信号处理系统连接磁控管调制器和电子枪调制器，磁控管调制器连接磁控管，磁控管与反馈式微波系统之间连接有微波检测电路I，微波检测电路II和微波检测电路III分别连接在加速管入口和出口与反馈式微波系统之间；磁控管调制器、微波检测电路I，微波检测电路I1、微波检测电路III和自动剂量控制系统分别与数字信号处理系统连接，数字信号处理系统属于双调制器控制系统核心部分，电子枪调制器依次连接栅控电子枪、加速管和治疗头。工作原理:数字信号处理系统控制磁控管调制器产生一个高压脉冲信号提供给磁控管，磁控管工作并产生微波，微波在反馈式微波系统中与加速管使用后剩余的微波通过移相后进行合理的功率合成，产生不同于磁控管输出的微波(微波功率、包络)注入加速管，该微波在加速管中对电子枪注入到加速管中的电子束流进行合理的加速，加速后的电子经治疗头转换成医用的射线；治疗头中的电离室检测射线的强度送给自动剂量控制系统，该系统对射线强度信号处理后送至信号处理系统，微波检测电路I检测到磁控管输出微波信号的包络送至信号处理系统，微波检测电路II检测到加速管入口微波信号的包络送至信号处理系统，微波检测电路III检测到加速管出口微波信号的包络送至信号处理系统，磁控管调制器将高压启动信号、高压电流信号、高压幅值信号送至数字信号处理系统，数字信号处理系统将接收到的七个信号以及从电子枪调制器中采集的枪高压、负偏压、正栅压和栅控电子枪发射的束流四个信号进行分析产生控制栅控电子枪灯丝电流大小的控制信号，控制栅控电子枪枪高压大小的控制信号，负偏压大小的控制信号，正栅压大小的控制信号，正栅压脉冲宽度的控制信 号，正栅压脉冲前沿延时控制信号，正栅压重复频率控制信号和正栅压启动控制信号；数字信号处理系统将以上八个控制信号给电子枪调制器，电子枪调制器供栅控电子枪发出符合系统要求的电子束流。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.医用电子直线加速器的双调制器控制系统，其特征在于，包括:数字信号处理系统、磁控管调制器、电子枪调制器、磁控管、栅控电子枪、加速管、三个微波检测电路、反馈式微波系统、治疗头和自动剂量控制系统； 系统内部连接关系:数字信号处理系统分别连接磁控管调制器和电子枪调制器，磁控管调制器连接磁控管，磁控管与反馈式微波系统之间连接有一个微波检测电路，其余两个微波检测电路分别连接在加速管入口和出口与反馈式微波系统之间；磁控管调制器、三路微波检测电路和自动剂量控制系统分别与数字信号处理系统连接，电子枪调制器依次连接栅控电子枪、加速管和治疗头。
2.如权利要求1所述的医用电子直线加速器的双调制器控制系统，其特征在于系统工作过程为:数字信号处理系统控制磁控管调制器产生一个高压脉冲信号提供给磁控管，磁控管工作并产生微波，微波在反馈式微波系统中与加速管使用后剩余的微波通过移相后进行功率合成，产生不同于磁控管输出的微波注入加速管，该微波在加速管中对电子枪注入到加速管中的电子束流进行加速，加速后的电子经治疗头转换成医用的射线；治疗头中的电离室检测射线的强度送给自动剂量控制系统，该系统对射线强度信号处理后送至信号处理系统，三个微波检测电路分别将检测到的磁控管输出微波信号的包络、加速管入口微波信号的包络以及加速管出口微波信号的包络分别送至数字信号处理系统，磁控管调制器将高压启动信号、高压电流信号、高压幅值信号送至数字信号处理系统，数字信号处理系统将接收到的七个信号以及从电子枪调制器中采集的枪高压、负偏压、正栅压和栅控电子枪发射的束流四个信号进行 分析后产生八个控制信号，产生控制栅控电子枪灯丝电流大小的控制信号，控制栅控电子枪枪高压大小的控制信号，负偏压大小的控制信号，正栅压大小的控制信号，正栅压脉冲宽度的控制信号，正栅压脉冲前沿延时控制信号，正栅压重复频率控制信号和正栅压启动控制信号；数字信号处理系统将以上八个控制信号给电子枪调制器，电子枪调制器控制栅控电子枪发出符合系统要求的电子束流。
3.如权利要求1或2所述的医用电子直线加速器的双调制器控制系统，其特征在于所述磁控管调制器产生的高压脉冲信号为IOKV 55KV，重频IOO 400HZ、脉宽2.8-4.3 ii S、顶降小于5%。；电子枪调制器产生的直流高压信号为IOKV 155KV，负偏置电压-200 -1400V，正栅压控制脉冲电压-1400 500V，重频100 400HZ、脉宽0.5 IOii S、时延0 S、正栅压脉冲顶降小于2%。，灯丝电流0.1 10A。
全文摘要
本发明公开了一种医用电子直线加速器的双调制器控制系统，包含磁控管调制器、栅控电子枪调制器、磁控管、栅控电子枪、加速管、三个微波检测电路、反馈式微波系统、治疗头、自动剂量控制系统和数字信号处理系统；数字信号处理系统分别连接磁控管调制器和电子枪调制器，磁控管调制器连接磁控管，磁控管与反馈式微波系统之间连接有一个微波检测电路，其余两个微波检测电路分别连接在加速管入口和出口与反馈式微波系统之间；磁控管调制器、三路微波检测电路和自动剂量控制系统分别与数字信号处理系统连接，电子枪调制器依次连接栅控电子枪、加速管和治疗头。本发明具备独立控制、实时动态调整电子枪发射能力。
文档编号A61N5/10GK103203079SQ20131009951
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者吴建兴, 王小军, 王春波, 沙亮, 高阳, 柘江, 彭东风 申请人:江苏海明医疗器械有限公司