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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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质子治疗装置脉冲电源的研制

缪亚运  
【摘要】:质子束流在空间剂量分布具有布拉格峰特性,质子放射治疗相比于诸多放射治疗方式有其自身的优越性。上海先进质子治疗装置质子储存环中两台凸轨磁铁用于加速器的注入系统,注入系统的目的是将低能输运线过来的质子流通过多圈涂抹的方式注入到质子储存环中。脉冲电源给凸轨磁铁提供励磁电流。凸轨磁铁采用独立电源供电,要求两台脉冲电源脉冲峰值幅度可调和波形一致,且运行可靠。质子注入系统对脉冲电源的参数要求有:快速功率脉冲、脉冲波形的一致性、励磁电流时间抖动、脉冲峰值幅度的重复稳定性。本文介绍了凸轨磁铁脉冲电源及其控制器的研制和测试。通过物理需求确定电源研制方案;电路参数计算,电路设计仿真,元器件的选择,保护电路的设计以及电源的结构设计;电源控制器的硬件、软件设计;电源性能分析和调试,电源控制器与电源的整体调试。整个电源系统由恒流充电电源、主充放电回路、控制器、触发电路、测试装置组成。恒流电源将充电功率传输到主充放电回路。脉冲电源电路采用LC串联谐振作为脉冲成型电路,电路设计可调电感用于调整波形脉宽。晶闸管为电流开关,快恢复二极管串联晶闸管弥补大功率晶闸管的关断延迟和下冲,并增加饱和电抗器抑制励磁电流反向电流尖峰。电源控制器选用PLC控制系统(Programmable Logic Controller),将外部触发信号、联锁和控制信号送到信号调理板,实现对充电电源信号、脉冲电源联锁信号、触发信号的联锁、保护和流程控制。测试结果表明,当励磁电流峰值为3732 A时,励磁电流波形下降沿波形一致性误差小于1%,触发抖动小于±25 ns,励磁电流峰值重复稳定度优于0.1%,反向电流尖峰下降为峰值电流的3.75%,快恢复二极管和饱和电感器对抑制励磁电流反冲的效果明显,满足了设计要求。同时,实现控制器对电源系统的本地和远程控制。
【关键词】:质子治疗 脉冲电源 LC谐振 饱和电抗 PLC
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH774
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第一章 绪论10-18
  • 1.1 课题背景及意义10-13
  • 1.1.1 质子治疗的物理性能及其发展10-11
  • 1.1.2 上海质子治疗装置和系统11-13
  • 1.2 脉冲电源的发展及应用13-14
  • 1.3 脉冲电流发生方案调研14-15
  • 1.4 论文所做工作及意义15-18
  • 第二章 脉冲电源性能指标和总体结构设计18-22
  • 2.1 脉冲电源性能指标和设计要求18-20
  • 2.2 系统总体结构设计20-22
  • 第三章 脉冲电源设计22-42
  • 3.1 主电路设计和参数计算22-27
  • 3.1.1 主放电回路设计和参数计算22-26
  • 3.1.2 能量回授电路设计26-27
  • 3.2 主回路元器件选择27-29
  • 3.3 脉冲电源保护电路设计29-33
  • 3.3.1 触发电路的设计29-31
  • 3.3.2 晶闸管的保护电路设计31-32
  • 3.3.3 电感两端吸收电路设计32-33
  • 3.3.4 充电电源保护电路设计33
  • 3.4 脉冲电源工艺设计33-35
  • 3.5 脉冲电源反冲的抑制35-42
  • 3.5.1 串联快恢复二极管的方法分析36-37
  • 3.5.2 串联饱和电抗器的方法分析37-42
  • 第四章 脉冲电源测试和分析42-48
  • 4.1 脉冲电源的测试方法42-44
  • 4.2 单台脉冲电源的测试结果分析44-47
  • 4.3 两台脉冲电源的一致性分析47-48
  • 第五章 脉冲电源控制器设计48-62
  • 5.1 控制器的技术要求48-51
  • 5.1.1 控制器接口统计49-51
  • 5.2 控制器硬件配置51-54
  • 5.3 控制器硬件电路设计54-57
  • 5.4 控制器软件设计57-62
  • 5.4.0 控制器软件流程设计57
  • 5.4.1 开发工具TIA Portal V13介绍57-58
  • 5.4.2 控制软件编写和调试58-60
  • 5.4.3 控制界面方案设计60-62
  • 第六章 脉冲电源及其控制器的调试62-68
  • 第七章 结论与展望68-70
  • 参考文献70-74
  • 攻读硕士学位期间发表论文情况74-76
  • 致谢76

【参考文献】
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