医用回旋加速器射频系统发射射频信号的必要组成单元分析

杨学文，李 帅，李剑明

（泰达国际心血管病医院核医学科，天津 300457）

0 引言

随着科技的发展，射频（radio frequency，RF）技术相关产品日新月异，日常生活中尤为明显的是移动通信网络即将开启5G时代。科技的进步离不开RF芯片及其器件技术的支持。在回旋加速器中RF系统是众多系统中最复杂的电子系统。由于国外专利技术封锁，目前国内RF核心技术缺失，所以国内高端RF产品仍以进口为主。一套完整的回旋加速器RF系统包括发射端（高频功率源产生稳定的RF信号）、传输通道（馈通电缆用于传输与接收反馈信号）和接收端（RF谐振腔使高频信号在腔内产生固定频率的振荡）。为深入理解RF信号的发生及放大机理与其在RF谐振腔内的应用，本文介绍了RF发展史及回旋加速器RF系统成功发射RF信号的必要组成单元及其启动程序、工作原理。

1 RF技术的发展

RF技术的发展经历了一个漫长的过程。1820年丹麦物理学家Hans演示了电流磁效应的实验，证明了电和磁能相互转化，这为电磁学的发展打下了基础[1]。1888年德国物理学家Heinrich的实验成功发现了电磁波[1]，而RF就是具有一定波长、可用于通信的电磁波。20世纪初期，真空二极管与真空三极管问世。1948年晶体管的发明，尤其是PN结型晶体管的出现，促使在短短十余年内形成了稳定的RF振荡器和成熟的模块化RF集成电路技术[2]。技术的积累为稳定可控的RF系统的出现奠定了基础，也对加速器的发展起到不可或缺的促进作用。

2 RF系统发射RF信号的必要组成单元

医用回旋加速器中RF系统正常运行步骤如下：（1）源控制中心电路（source and control unit，SCU）内逻辑电路判断各部件的配套设备运行状态，如风扇、冷却水流、传感器温度等。（2）启动RF柜排风扇、RF电子管灯丝加热，加载栅极电压、阳极电压和屏极电压，并在120 s内完成上述程序的运行，显示RF待机状态。（3）SCU内部电路产生电扰动，引起RF振荡器产生所需不规则的扰动信号，经过选频网络将f=101 MHz的正弦波选出，振荡电路形成自激振荡，同时满足正弦波振荡的起振条件，然后输出稳定的低功率正弦波信号。RF发生器产生的正弦波信号在驱动放大器（drive power amplifier，DPA）驱动下传输至电子管的栅极并被电子管放大器放大。（4）馈通电缆将高频信号传至RF谐振腔并与Dee盒内部振荡电路耦合，在Dee盒两极产生37 kV（37 kV为常规设定值）的高频高压，并显示高频电压加载完成，等待从离子源内引出等离子体。当离子源开始工作，其内部形成等离子体后，加速电场将粒子引出之后，RF系统与磁场系统有规律地将粒子的能量逐渐增加至10 MeV，进而轰击目标靶发生核反应。

2.1 高频功率源

高频功率源主要包括RF发生器（RF power generator，RFPG）、晶体管放大器（tube amplifier unit，TAU）、SCU 和供电装置（power supply unit，PSU）。

2.1.1 RFPG

RFPG即RF振荡器，是根据放大和反馈原理设计而成的反馈振荡器[3]，其自激振荡原理如图1所示。振荡电路由放大电路A和反馈电路F组成，是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。当开关置于“1”时，电源接通瞬间引起电流突变，电路内部噪声和瞬态过程的扰动引起初始信号，而反馈电压Uf与输入电压Us大小相等、相位相同；当开关置于“2”时，输出电压保持不变，放大器通过其反馈电压自激而工作[4]，这时反馈放大器就成了振荡器。

图1 自激振荡原理图

当开关置于“1”时产生的电扰动是不规则的信号，通常这些扰动和噪声的频谱很宽而幅度很小。为了得到最终的稳定正弦信号，必须用一个选频网络从噪声或扰动信号中选出频率为101 MHz的正弦波[4]，使其他频率分量不满足相位平衡条件。为了使振荡能从小到大建立起来，要求满足正弦波振荡的起振条件输出端稳定输出正弦波信号x0（t）=A0sin（ωt+φ），其中A0为振幅，ω为角频率（弧度/s），φ为初始相角（弧度），振荡周期T=2π/ω。

2.1.2 TAU

功率放大电路是将直流输入功率转化为RF输出功率的电路，在放大电路中晶体管的导通时间小于半个周期，即放大器工作在丙类状态[5-6]，负载为LC谐振回路。TAU控制栅极回路和阳极回路2个共振回路，通过调节振荡器输出RF信号的频率和相位参数，使得2个共振回路均达到共振。共振频率f0由构成回路的电感L和电容C决定[5]，且满足以下关系式：

在TAU阳极回路中，每移动阳极板1 mm（相当于改变电容C两板之间的距离1 mm），回路共振频率改变0.1 MHz。

图2 谐振功率放大器特性曲线

谐振功率放大器特性曲线如图2所示，连接线性放大区饱和失真临界点Q2与截止失真工作点Q1，则线段Q1Q2左侧与曲线组成的阴影区域为饱和区，饱和区内集电极电流随基极电流的增加迅速增大，但集电极电流不受基极电流控制，因此使用线段Q1Q2右侧的线性放大区对基极输入信号x0（t）进行线性放大，放大后的信号为xD（t）。在线性放大区域，电子管的发射结正向偏置，而集电极反向偏置。当VC超过Q1点电压后，曲线基本上是平直的，此时集电极电流受基极电流控制，两者之间具有线性关系，因此该区域被称为线性放大区。在线性放大区中，放大电路只放大信号xD（t）的-θC≤ωt≤θC段，其中半导通角θC=］（其中VBZ为发射极正偏临界电压，V1为外电路直流电压，VDm为xD（t）的电压最大值），因此集电极输出的电流iC是脉冲状[7-9]。负载为LC谐振回路，由于回路中电感L是储能元件，自感应电势总是阻碍电流的变化，所以负载回路中的电流不能产生突变。输出的脉冲电流iC通过电容C使其充电，当电容两端的电压增加至一定值后晶体管截止，电容开始放电，周期性的能量补充使得振荡回路保持等幅正弦波振荡[7]，保持正弦波形不失真，从而在放大原始信号的同时不改变原始信号的频率。

2.1.3 SCU

模块化RF集成电路技术的发展，将众多控制单元集成于SCU板中，主要控制设备包括RF谐振腔、TAU、DPA、相位检测监控及水冷系统等其他辅助设备。RF谐振腔传感单元收集耦合模拟信号，模拟信号通过电缆传输至SCU模数转换中心并转换为数字信号，经过数字信号中心处理器计算后，由SCU发布调节振荡器RF相位指令，直至完成耦合，达到SCU控制RF谐振腔的目标。TAU的正常运行需要二级水冷温度和流量同时达到要求，加速器的室内温湿度满足启动条件、RF柜的通风风扇处于运行状态等，任何一个传感器触发错误信号会同步反馈到SCU处理中心，SCU对异常信息及时发出报错信息并生成log文件、中断运行对设备进行保护，等待操作人员的处理。SCU通过监控反馈信号和发射驱动信号修正目标区域的运行状态，将合适的模拟信号与数字信号互相转化、处理并传递，精确执行SCU设定好的程序，使设备准确无误地运行。

2.1.4 PSU

PSU是RF系统最重要的元件之一，在实际维修工作中，由于加速器室内温湿度异常、高压保险管熔断而导致运行终止的案例屡见不鲜，因此PSU的可靠性对加速器的稳定运行尤为重要。PSU主要为以下3个部分供电：（1）电路板、风扇等其他低功率设备；（2）栅极屏极电源配给系统（grid screen power unit，GSPU）；（3）晶体管电源配给系统（tube power supply unit，TPSU）。

图3 晶体管结构示意图

晶体管结构示意图如图3所示，RF振荡器发射初始信号的功率约 50 mW，DPA在RF谐振腔调控下，连接电容C通交流信号，根据电路反馈信息，将信号功率放大至100～200 W，并将DPA放大后的正弦波信号连接至TAU。PSU为灯丝提供7.5 V电压以加热释放电子，同时分别为管内栅极提供-250 V直流电压、屏极提供+750V直流电压，为阳极提供8kV直流电压用于将管内电子引出放大管。在栅极输入DPA驱动信号，栅极与DPA之间的电容隔直通交，使电子可随着栅极电压变化有节奏地通过，并将低电平信号转化为高电平信号。屏极与栅极的距离以及电容环之间的距离均会影响RF相位和RF谐振腔内的耦合情况[10-11]。

2.2 馈通电缆

馈通电缆连接RF谐振腔和高频功率源，一方面将高频功率源产生的高频信号传输至RF谐振腔，另一方面将RF谐振腔内反馈信息传输至SCU，其中振荡器产生的是交流高频信号，传输电缆为同轴电缆[9]。同轴电缆结构图如图4所示，由中心铜线、绝缘体、网状导电层和电线外皮层组成。其中，中心铜线和网状导电层为同轴关系，由中心铜线发射的无线电可以被网状导电层隔离。

图4 同轴电缆结构图

2.3 RF谐振腔和加速电极

RF谐振腔安装在加速器真空腔内部，其平面结构如图5所示。RF谐振腔由Dee电极、耦合电容和电感、调节电容及附属金属腔组成，同轴电缆将高频功率源产生的RF信号连接至Dee盒[10]。Dee盒边缘安装了4对可向内弯曲的铜片（等效于可以手动调节的电容），且其内部安有电感元件，2个Dee盒及外部电路可组成一个谐振回路[7，12]。

图5 RF谐振腔平面图

RF谐振腔耦合电路如图6所示，高频功率源产生的RF信号与Dee盒内部电路耦合，若要组成谐振回路，则需要同时调节电容，使得内部等效电路与外部输入信号共振，并在加速电极间产生高频高压以供粒子加速[11]。RF谐振腔右上角有Dee电压测试点，可实时监控Dee电压反馈信号，通过调整高频功率源的输出电压以调节Dee两极的加速电压。

图6 RF谐振腔耦合电路图

双Dee加速结构示意图如图7所示，加速电极Dee1和Dee2分别与接地电极之间形成间隙，在间隙间形成电场，保证粒子束在强电场作用下被引入加速轨道，同时既提供粒子束流的加速能量，又提供轴向聚焦作用以保证束流运动的稳定[13]。

3 结语

RF系统是医用回旋加速器众多子系统中最复杂的系统之一，运行过程中一旦发生故障，诊断其故障

图7 双Dee加速结构示意图

发生源需要排除的干扰因素众多，涉及的电路复杂。因此，了解RF信号的产生与放大机理，在日常工作中遇到RF系统故障时，将理论知识与经验相结合，及时发现故障原因，从而缩短故障停机时间，及时恢复正常运行，对提高医用回旋加速器的使用效率具有重要意义。