一种用于激光质子加速器装置的真空监控系统的制作方法

本技术涉及以质子放疗为代表的粒子放疗技术用于治疗癌症的，尤其涉及激光质子加速器装置的真空监控系统。

背景技术：

1、从全世界范围来看，癌症仍是威胁人类健康的主要疾病之一，在我国癌症死亡约占全部死因的1/4。癌症的治疗在很大程度上依赖于放疗技术和放疗设备的优良性能。医用质子、重离子加速器作为当今国际社会公认的高性能尖端放疗设备，临床治疗中，质子被加速到大约70％的光速，来轰击位于身体内部的肿瘤。目前，以质子放疗为代表的粒子放疗已经成功的应用于治疗癌症，是最先进的放疗方式，也被称为“质子刀”。

2、传统质子刀基于回旋加速器或者同步加速器来产生高能质子束，其缺点是加速器的体积大，占地面积广，运行维护费用昂贵。激光驱动的离子加速器是利用超短超强的激光脉冲与等离子体相互作用产生的高梯度电荷分离场来加速离子束。因为等离子体已经处于完全电离的状态，不存在真空击穿电场的限制，其加速梯度可以高达tv/m，可以显著缩小加速器的体积和造价。利用激光加速器用于产生肿瘤放疗所需的质子束，也被称为“激光质子刀”，具有广阔的应用前景。激光质子加速器装置主要由激光器、靶场、束线、光路传输及治疗终端等相关配套设施组成。激光器产生激光后进行经高精度束整，经光路传输到靶室进行轰击打靶产生质子束，并经过束线传输后，最终产生设定能量和流强的质子束流并传输到治疗终端进行辐照应用。

3、为了避免激光和质子束的损失，从激光脉冲的压缩开始，激光质子加速器就需要运行在真空环境中。激光质子加速器装置的真空腔体主要包括以下几类：(1)激光压缩腔，主要功能是实现激光脉宽的压缩；(2)光路传输腔，主要功能是实现超短激光束的传输和监控；(3)等离子体镜腔，主要功能是实现激光脉冲的前沿净化；(4)加速真空腔，主要功能是被聚焦的激光与等离子体相互作用，产生质子束；(5)束线束诊腔，主要功能是传输高能质子束，避免束流损耗。以上真空腔体具有不同的抽放频率。比如，调试完成的激光压缩腔应当尽量保持在真空状态，而加速真空腔需要在实验过程中多次抽放，实现靶体和探测器的更换。由于真空腔体体积较大，往往采用预抽形式，并将不同功能的真空泵安装在同一个腔体上以增大抽速。与此同时，不同的真空腔体之间经由阀门连接，单一腔体的抽放也需要多个真空泵连同阀门协同操作，被控对象比较复杂精密，包括有分子泵、前级泵、螺杆干泵、罗茨泵、气动阀门、电动阀门、宽量程真空计，其功能与性能对装置运行的可靠性、稳定性和效率性有决定性影响。相较于传统工业真空监控系统，对激光加速器真空监控系统的安全性、可靠性要求更高。因此，激光加速器真空系统的自动化控制具有一定的复杂性和挑战性。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种用于激光质子加速器装置的真空监控系统，以对激光加速器真空系统进行精确监控。

2、一种用于激光质子加速器装置的真空监控系统，其特征在于，包括激光质子加速器装置的真空设备、plc工作站、本地io工作站、本地操作站、协议转换模块、上位机服务器、远程操作站、数据库服务器、第三方系统集成系统；

3、真空设备，包括多个真空泵、真空计、气动阀门、电动阀门、传感器和保护器；其中，真空泵、真空计、气动阀门和电动阀门与本地io工作站连接；其中，真空泵、传感器和保护器与协议转换模块连接；

4、plc工作站，作为系统的中央处理器，包括控制用户程序和数据的接收与存储，用扫描的方式通过i/o部件接收来自本地io工作站的真空设备的现场状态和数据；

5、本地io工作站，通过多个输入输出模块，实时采集真空设备的运行状态及参数，同时接收plc工作站的控制命令并传递到真空设备上；

6、协议转换模块用于将真空设备，具有rs232、rs485、profibus、modbus标准工业通讯协议接口转换为plc工作站可通讯连接的标准总线通讯协议；

7、本地操作站，每个本地io工作站均配置有本地操作站，本地操作站对真空设备进行运行状态监测、启停控制、故障报警操作；

8、上位机服务器，接收plc工作站采集的数据并存储到数据库，通过工业数据桥将数据存储至数据库服务器，同时将重要设备运行参数进行数据归档并通过光纤环网向外发布；

9、远程操作站，通过光纤环网连接到上位机服务器，上位机服务器能够配置多个远程操作站，每个远程操作站对真空设备进行状态监测、启停控制、故障报警操作；

10、第三方系统，包括epics控制系统和安全连锁系统；其中epics控制系统通过光纤环网连接到数据库服务器，通过读写的数据库服务器内的数据库达到系统集成的目的；其中，安全连锁系统通过硬连接线连接至plc工作站的正常\异常反馈信号接口。

11、本地操作站或远程操作站下达控制命令给plc工作站，由本地io工作站将控制命令传输给真空设备。

12、上位机服务器通过局域网与plc工作站进行数据交互，将真空设备的运行记录存储到数据库中，同时通过光纤环网传输数据到数据库服务器，数据库服务器之间通过工业数据桥的方式进行数据传输。

13、第三方系统通过与数据库服务器进行数据交互实现真空系统的集成，同时plc工作站提供标准的通讯接口，实现真空系统跨系统跨平台的集成。

14、本地操作站或远程操作站控制下各真空腔体抽气过程，主要包括：plc工作站接收到操作站下达的命令后，通过本地io工作站实时采集真空腔体的真空度控制真空设备中不同功能的真空泵及阀门，使真空腔体的真空度在预设范围内。

15、plc工作站的连锁保护功能，包括当真空腔体及束流管道在抽真空过程中真空泄露情况发生或不能继续维持高真空状态时，程序自动对相应的真空设备进行急停动作并发出急停报警信号。

16、多个真空腔体之间的真空管道连接阀门的安全保护，plc程序判定相邻腔体间的真空压力差，压力差在小于允许范围内则允许打开连接阀门，否则一直处于联锁状态并发出联锁报警信号。

17、当真空设备发生故障导致真空不能继续抽取，系统自动关停故障设备并发出故障报警信号。

18、plc工作站实现激光质子加速器装置的不同真空腔体一键抽气功能。

19、有益效果：

20、本实用新型能够实时监测激光质子刀真空设备的运行状态及设备参数、设备故障时能及时预警并做出相应的保护措施；针对频繁真空抽放或长时间真空度保持的需求，本实用新型可以自动判断真空状态实现单腔体、多腔体一键抽气，多泵组自动启停等功能；本实用新型保证治疗所需的质子束可以在真空环境下安全、稳定地到达治疗终端，为整个激光质子加速器装置中真空环境方面提供重要的真空安全保障。

技术特征：

1.一种用于激光质子加速器装置的真空监控系统，其特征在于，包括激光质子加速器装置的真空设备、plc工作站、本地io工作站、本地操作站、协议转换模块、上位机服务器、远程操作站、数据库服务器、第三方系统集成系统；

技术总结
本技术是一种用于激光质子加速器装置的真空监控系统，包括激光质子加速器装置的真空设备、PLC工作站、本地IO工作站、本地操作站、协议转换模块、上位机服务器、远程操作站、数据库服务器、第三方系统集成系统；真空设备，包括多个真空泵、真空计、气动阀门、电动阀门、传感器和保护器；其中，真空泵、真空计、气动阀门和电动阀门与本地IO工作站连接；其中，真空泵、传感器和保护器与协议转换模块连接；本技术可以自动判断真空状态实现单腔体、多腔体一键抽气，多泵组自动启停等功能；本技术保证治疗所需的质子束可以在真空环境下安全、稳定地到达治疗终端，为整个激光质子加速器装置中真空环境方面提供重要的真空安全保障。

技术研发人员：魏国辉,李英杰,李韫慧,林晨,王强,夏亚东,郭恩硕
受保护的技术使用者：北京锐德康科技有限公司
技术研发日：20230728
技术公布日：2024/3/4