医用回旋加速器高频控制系统设计

吴永存，杨兴林，石金水，赵良超，何小中

(中囯工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900)

正电子发射断层显像(PET)是一种先进的核医学影像技术，实现方法是将正电子核素标记到某种参与体内代谢的物质上，形成放射性药物(也称显像剂、放射性示踪剂)，其具有很高的灵敏度和分辨率[1-2]。在美国、欧洲和日本，氟代脱氧葡萄糖(18F-FDG)PET已先后纳入医疗保险范围[3-4]，然而仅有PET是完不成成像工作的，它需要配套的回旋加速器和化学制剂系统。在国内，生产用于PET诊断的放射性同位素的回旋加速器几乎均是从国外进口的[5]。医用回旋加速器作为复杂且精巧的设备，子系统较多、控制变量繁多、变量精度要求高且控制逻辑复杂，需安装在医院，由非核专业人员操作，所以要求操作足够简单、安全联锁足够完善[6-7]。

中国工程物理研究院流体物理研究所自主建造了PET医用回旋加速器商业样机，其引出束流能量为11 MeV，引出束流强度为50 μA，高频系统工作频率为72.12 MHz，平均磁感应强度为1.18 T，高频功率源的占空比可调节[8]。为满足该医用回旋加速器安全、稳定的运行，本文采用不带低电平控制功能的高频系统，避免直接接触高压的危险。选用西门子的S7-1500可编程控制器为前端控制器，完成系统工作频率的精确扫描，实现高频系统相位稳定、幅度稳定、安全联锁等。

1 高频谐振腔的频率特性

回旋加速器高频谐振腔腔体角频率为：

(1)

其中：ω0为高频谐振腔腔体角频率；f0为高频谐振腔腔体频率；L为电感；C为电容。

当高频功率源输出角频率ω和ω0相等时，系统处于谐振状态，根据传输线理论，高频功率源输出的大部分高频功率将馈入到高频谐振腔中。否则，当二者频率不相等时，就会有功率反射，当反射功率大到某种程度，就会打火、甚至影响机器安全，严重影响回旋加速器性能。馈入到高频谐振腔中的功率P和入射功率P0之比为：

(2)

其中：Qe为外观品质因数；Q0为高频谐振腔固有品质因数。

(3)

根据式(3)对α进行求导可得：

(4)

当βc=1时，式(3)可变换为：

(5)

当Q0=3 300、f0=72.12 MHz时，以高频功率源输出频率f为横坐标，以P、P0之比为纵坐标，得到对应的关系曲线如图1所示。

图1 馈入腔体的功率效率与高频功率源输出频率的关系Fig.1 Relationship between power efficiency of feed-in cavity and high-frequency operating frequency

从图1可看出，f与f0不一致时，输入到谐振腔的高频功率将出现不同程度的降低，当输出频率偏离中心频率10 kHz时，功率降低约20%，当输出频率偏离中心频率50 kHz时，功率降低达到80%以上，几乎出现全反射现象。可见，在回旋加速器中，高频加速腔具有窄带的工作特性，f必须与f0基本保持一致，因为当f与f0稍不匹配，不仅会影响高频功率馈入腔体的效率，导致腔压下降，以致引出束流流强的降低，进而导致同位素药物产额显著下降，而且若产生较大的功率反射，会造成腔体频繁打火，甚至影响机器安全运行。

实际上，在加速器运行过程中，由于高频功率源占空比的不断增加，热平衡温度不断变化，高频腔体产生微小形变，即使高频腔体产生μm量级的微小变化，也会使高频谐振腔的腔体频率产生很大的变化，导致高频功率源与高频腔的谐振状态被打破，馈入腔体的功率减少，束流强度变小。因此，需保证整个出束时间内二者始终处于谐振状态，则必须实时调节高频功率源的输出频率，或调节腔体结构改变腔体频率，从而使二者达到动态平衡。

2 高频系统安全联锁

回旋加速器的安全可靠运行需各子系统之间满足安全联锁关系[9-10]。联锁是指机器操作许可和禁止的约束条件[11-13]。具体地说，就是某种操作或状态完成前，不允许有别的操作和状态进入，是保证加速器正常运行和人员及机器安全的重要手段，联锁保护动作与加速器工作模式和故障危险程度密切相关。高频系统启动时，必须保证冷却水系统启动、水流量充足，且磁铁电源开启、达到目标励磁电流。

3 系统HMI界面

控制系统的主要任务就是对加速器的工作状态进行监控和控制，并为操作人员提供运行参数和调束手段，使各子系统协调平稳运行，以得到理想的束流。医用回旋加速器控制系统包括真空、冷却水控制，电源控制，引出及靶控制，高频系统，束流测量，运动控制，联锁保护等[14]。控制系统总体结构如图2所示。

图2 控制系统总体结构Fig.2 General structure of control system

图3 HMI主界面 Fig.3 HMI main interface

通过WinCC设计的HMI主界面如图3所示，包括束流测量系统、高频系统、磁铁电源系统、离子源系统的主要参数，可实现操作系统的可视化和人机交互功能。设计的高频系统界面如图4所示，不仅设置有腔体频率、腔压、入射功率、反射功率、相位、占空比等数据的写入和读取，而且绘制有真空度、高频频率、占空比、入射功率、反射功率的实时变化曲线，将高频控制部分集成到人机界面程序的整个系统控制模块中，实现对整个系统的控制。

4 高频系统控制

高频系统的控制任务包括高频系统状态监控、低电平控制、打火保护等，本文采用的高频系统不带低电平控制功能，而是由PLC完成工作频率扫描、幅度稳定、相位稳定及打火保护等控制功能。

图4 高频系统界面Fig.4 High frequency system interface

4.1 工作频率扫描

工作频率扫描分为初步扫描和精细扫描两个阶段。初步扫描以较低的激励电压(1.2 V)和占空比(6%)，固定重复频率(998 Hz)，从频率下限(72 MHz)开始以固定步长(10 kHz)逐步增加频率进行工作频率的扫描，找到腔压最大值对应的频率，工作频率的上限为72.5 MHz。精细扫描在初步得到的频率的±20 kHz的范围内进行，频率步进长度为0.5 kHz，再次扫描得到准确的腔压最大值，进而得到更精确的谐振频率。

4.2 幅度稳定

根据测量的腔压偏差调整激励电压V。具体的调整方法为：当腔压检测值V1与腔压设置值V2相对偏差大于1%时，V=V0+0.2×(V1-V2)/V2，其中，V0为当前激励电压。为保证调整的安全，设置了激励电压的上限。

4.3 相位稳定

相位稳定控制根据高频系统失谐程度，采用不同的稳定策略达到相位稳定的要求。失谐程度分为严重失谐和轻度失谐。严重失谐判据为：0.5Win≤Wf≤0.8Win，其中，Win为入射功率，Wf为反射功率。此时，相位数据可能无效，程序会记录该事件。采用的调整策略为：1) 报警与历史趋势存储；2) 降低占空比至6%；3) 升高频率，频率升高步长为(当前频率—初始频率)×0.1，若频率调节到初始频率时，还处于严重失谐(相位变正常但反射未降低)，则将占空比降低为1%，并重新启动扫描程序以确定频率。频率升高过程中，如高频已处于非严重失谐情况，恢复严重失谐时的占空比参数(占空比增加的步长为1%)，转入轻度失谐或正常情况处理。初始频率为工作频率精细扫描阶段得到的谐振频率。

4.4 打火保护

打火检测与保护的控制逻辑为：当Wf>0.8Win，Wf>5 kW时，判断为打火。程序判断到打火时，由PLC关断信号源，等待30 ms后重新启动信号源输出。高频系统配置有打火保护模块，检测到打火后，切除激励电压100 ms，并输出打火保护信号。PLC需检测该保护信号，并在规定时间(1 s)内对其进行计数，如出现持续打火(连续3次)，自动启动扫频，重新对工作频率进行扫描。

由于检测算法中首先检测宏脉冲头部后60 μs开始检测打火，检测到打火高频输出停止30 ms。重新启动射频脉冲后，监测点可能位于脉冲中部，无法检测到脉冲头部，从而检测算法无法正常判断。为避免该情况的发生，可将高频停止时间改为29.2 ms或将宏脉冲频率设置为980 Hz，可保证占空比工作在80%以内的正常检测。

4.5 高频自动老练

控制程序设计了高频腔自动老练程序。自动老练分为扫频、同步变更脉宽、降功率等步骤。扫频与工作频率扫描类似。同步变更脉宽步骤为：保持占空比与重复频率的比值(0.1)不变，占空比与重复频率同步变更，每个工作点持续10 s，如出现失谐情况，启动失谐调整。降功率步骤为：降低激励电压，从10 kW的入射功率对应的激励电压开始降低，步长0.02 V，降至入射功率为5 kW左右，每个工作点持续10 s。若出现失谐情况，启动失谐调整。

5 高频控制结果

图5～7分别为回旋加速器开机并连续工作2 h时高频相位、高频腔压、谐振频率的实时变化曲线，图8为工作过程中靶流的变化曲线。

图5 高频相位随时间的变化Fig.5 High frequency phase vs time

从图5可看出，高频相位先迅速下降，约5 min后趋于稳态。分析可知，在打靶的初始阶段，由于高频功率源的占空比迅速提升，加速器内部部件的温度发生显著变化，导致高频谐振腔腔体频率发生变化，控制系统会自动调整高频功率源的输出频率以保证谐振关系[15]，此时相位也会发生相应变化，而随高频功率源输出频率趋于稳定，相位最终稳定在207.5°左右，上下幅度控制在±1°以内。

图6 高频腔压随时间的变化Fig.6 High frequency cavity voltage vs time

图7 谐振频率随时间的变化Fig.7 Resonant frequency vs time

图8 靶流随时间的变化Fig.8 Target beam current vs time

从图6可看出，高频腔压先迅速上升并发生超调，约5 min后迅速下降，虽有小幅波动，但基本稳定在48 kV左右，上下幅度控制在±1%以内。分析认为，初始阶段，高频功率占空比迅速上升，导致高频谐振腔体发热，谐振频率发生偏移，此时，高频功率源的输出功率还未稳定跟频，而系统为了保证腔压，强制提升激励电压，导致腔压产生超调，之后，待高频功率源的频率与高频谐振腔的腔体频率一致时，激励电压下调，并保持稳定。

从图7可看出，高频谐振腔腔体频率先是急剧下降，约下降50 kHz、10 min后，频率基本稳定在72.52 MHz，之后变化的范围约10 kHz。分析可知，加速器刚开始运行时，高频功率源占空比的提升，对高频谐振腔腔体频率影响巨大，之后由于水冷、束流负载等各种不确定性因素的影响，也会导致谐振频率的变化，但从图8的束流结果可判断出，高频功率源的输出频率可实时跟踪高频谐振腔的腔体频率，实现频率的匹配。

从图8可看出，在开始上升时由于占空比迅速上升靶流有一下降处，虽然励磁电流能实现对谐振频率的跟踪，但是磁场响应偏慢。在第1次到达目标束流时，靶流有小量的下降过程，是由于过快的占空比调整，控制系统通过相位不断地调整谐振频率，虽然励磁电流能实现与谐振频率的匹配，但是工作频率却并不是最佳频率，此时最大偏差也不到稳态值的7%。约7 min后，腔压、相位、谐振频率、励磁电流、前向功率、反射功率等参数稳定，靶流能很好地保持在24.2 μA左右，误差小于±0.2 μA，靶流的稳定输出间接地说明高频参数的稳定。

6 结论

本文设计的医用回旋加速器控制系统的子系统由S7-1500可编程控制器统一管理、采用WinCC组态软件平台实现过程监控、存储，最终实现了系统的集成。由于子系统相互联系，互相牵制的复杂性及出现的故障危险程度的差异，分别从软件、硬件方面对系统进行了相应的联锁保护，保证了加速器设备的正常运行和人员安全。所采用的高频系统中，利用PLC完成工作频率的自动扫描，实现了相位稳定、幅度稳定、打火保护等，从而实现了低电平控制功能，满足了加速器运行及其调试要求。