质子束流输运线偏转磁铁Hall 磁测系统设计研究

张午权,程义悦,沈俊松

（1.中科院合肥物质科学院等离子体物理研究所,安徽 合肥 230000；2.合肥中科离子医学技术装备有限公司,安徽 合肥 230000）

引言

质子能量具有独特的布拉格峰,在肿瘤治疗中具有广泛的应用[1,2]。质子加速器将高速质子束流通过由二极偏转磁铁和四极聚焦磁铁组成的束流传输系统实现定向传输,从而杀死肿瘤细胞[3]。在质子治疗装置中,二极偏转磁铁是组成束流传输线的关键部件,在束流传输过程中用来偏转质子束流延指定线路传输和换室开关铁的作用。二极偏转磁铁是质子束流传输品质的保证,实现高品质,高稳定性的束流传输,关键在于磁铁磁场的高精度,高均匀性。偏转磁铁一般都采用硅钢片叠压的技术[4,5],在加工过程中,存在着各种各样不可控的随机误差,可以影响好场区内的磁场均匀性[6,7]。偏转铁的性能会直接影响到整个系统的束流传输品质及束流损失[8,9]。

现主要应用于粒子传输系统磁铁系统磁测方法主要有针对二级偏转磁铁的霍尔传感器点测[10,11]方法和针对四极聚焦磁铁梯度场测量的旋转线圈测量方法[12]。为确保输运线偏转磁铁系统的可靠性能,本研究通过建立Hall 磁测系统,结合实测结果,对二极磁铁的磁场高均匀性的优化设计[13]、边缘场多物理场作用下场均匀性的变化规律[14,15]等作为课题研究的重点内容,开展理论与实践相互验证工作。

1 Hall 磁测系统

Hall 磁测系统主要由位移控制和数据采集处理两部分组成,见图1。位移控制部分由高精度X、Y、Z三维微动平台及运动控制器组成,上位机软件通过运功控制器通讯,负责控制三维微动平台按照设定的测量轨迹带动Hall 探头运动；数据的采集与处理部分是由高斯计和霍尔探头组成,上位机软件与高斯计进行数据通讯,负责采集并处理高斯计的磁场测量数据；由这两个部分组成了Hall 三维磁测系统,从而实现束流输运线偏转磁铁的磁场测量。

图1 Hall 三维磁测系统示意图

1.1 三维微动平台

三维微动平台的大小、运动轴长度、运动方式可以根据被测磁铁的规格和类型来设置。微动平台的设计采用大理石平台,直线导轨和直线电机组合,运动直线度可达0.04 mm,大理石平台平面度精度高,在一定程度上可以降低由温度变化或地面震动等外界因素所造成的测量误差。三维微动平台分别建立三个直线往复运动的坐标轴即X、Y 和Z 轴,其各个坐标轴的行程及精度要求见表1。

表1 三维移动平台各轴参数表

X 轴由2 200 mm 大理石平台、两根进口直线导轨、直线电机、磁钢、直线电机控制器和2 100 mm 光栅尺及读头经过精密安装调试组成。大理石平面度达到0.006 mm,直线导轨和直线电机安装时用激光干涉仪校正导轨平行度和直线度达到0.002 mm,安装高精度光栅尺,磁钢,直线电机和限位防撞机构。绝对零位为光栅尺零位,由操作软件控制位移台运动实现定位精度0.01 mm、闭环分辨率0.001 mm、直线度和平面度0.04 mm,重复定位精度0.005 mm。Y 轴和Z轴的运动平台同样是由大理石平台、两根直线导轨、伺服电机、精研丝杠、伺服电机控制器、光栅尺及读头经过精密安装调试组成。

上位机软件通过串口与三维运动控制器进行运动控制,对多种磁测轨迹进行了集成化,仅需在上位机软件中设置几个基础参数便可以对所需的磁测路径进行自动化扫描,其特点为自动化程度高,此外还能够分别对各轴设置回原点速度、运动速度等运动轨迹参数等进行设置；控制器补偿精度的闭环控制,由控制器读取光栅尺数据,具有检测、比较、反馈补偿精度的闭环控制功能,系统精准度高；操作方便的同时还提供了完善的控制命令协议,方便后续功能完善和二次开发等。磁测平台组装见图2。

图2 Hall 三维点测平台效果图

1.2 数据采集系统

数据采集系统是由高精度Hall 探头和高斯计组成,通过串口与上位机通讯进行数据采集并进行数据分析。本系统为点测数据采集系统,在测量过程中,对采集数据精度和可靠性影响因素有温度的变化、杂项磁场的影响和位置精度的影响。本系统所用的Hall 探头为Grop3 一维探头MPT141,配备高斯计型号DTM-151 见图3。Group3 一维探头MPT141 是一款高精度的霍尔效应的磁场测试仪器,精度高于三维探头,最大量程为3 T,具有线性和温度补偿技术,先进的算法确保了测量准确性。探头的校准系使得任一探头可以与任一主机相适配,并保证测试精度和准确度。DTM-151 是目前世界上精度最高的霍尔效应高斯计,精度在0.01%,提供IEEE488 或RS-232 通讯接口,提供经过校正的模拟输出。本磁测系统采用DTM-151 数显高斯计配合高性能的带温度补偿的Group3 一维探头MPT141 的霍尔效应探头,从而实现极高的测试精度和磁场分辨率,其技术参数见表2。

表2 DTM151 高斯计技术参数

图3 高斯计示意图

1.3 磁测系统坐标换算

质子治疗束流输运线偏转二极铁的磁场测量轨迹线为同一平面上由直线段和圆弧段的组合的一系列运动轨迹,因此在Hall 三维磁测系统编程过程中,也需要设置相应的直线段和圆弧段的指令组合。且微动平台坐标系和被测磁铁坐标系之间,需要进行坐标换算才能保证运动轨迹指令的准确下发,坐标换算示意见图4。

图4 Hall 点测系统轨迹坐标系转换原理图

Hall 探头在束流轨迹线上的移动步长设为两个采样点间隔S,以微动平台沿X、Y 轴平面的坐标进行转换,以二极偏转磁铁磁场测量为例,下面分别对直线和圆弧轨迹的坐标进行转换：

1.3.1 直线段运动

Hall 探头在磁测过程中每移动一个步长S,上位机软件程序控制位移台X 轴方向和Y 轴方向的坐标移动距离为

1.3.2 圆弧段运动

首先根据运动轨迹的弧长计算对应的步长角度α 为

步长角度对应的弦长L 为

计算每一步步距角度 γ为

程序控制位移台X 轴方向和Y 轴方向的坐标移动距离为

圆弧段每一步的位移需要实时更新步距角进行计算,计算过程相同,在设置界面,输入特定的参数,按要求完成走线轨迹,这也是Hall 三维磁测系统的特点。

其各个变量参数的含义如下：

R-二极铁偏转半径；

S-两个采样点间距,单位mm；

φ-位移台X 轴和直线段夹角；

β-位移台X 轴和水平方向夹角；

θ-曲线段起点与圆心连线与水平方向夹角。

2 输运线二极铁磁测验证

2.1 二极铁参数指标

本次用于磁测验证的偏转二极铁是用于国产首台套自主研发的超导回旋质子加速器质子治疗装置束流输运线旋转机架爬坡段60°偏转二极铁。导线线规采用11×11/Φ5.5 mm,由于线圈端部出线位置空间较紧张,线圈匝数为10（竖）×11（横）。其主要技术参数见表3。在此基础上对铁芯尺寸进行优化,使用有限元仿真分析,通过铁芯极头端部削斜,优化积分磁场均匀度。以中平面为参考,在不同场强下测量横向场分布和积分场均匀度。

表3 60°偏转二极铁基本参数

2.2 磁测验证

根据理论计算和数值分析结果,对质子治疗装置束流输运线旋转机架爬坡段60°偏转二极铁加工实物如图5 所示进行磁测,首先需要对磁铁的励磁曲线进行测量,获得对应电流下相对应的磁场B 数值,从而取对应的磁场电流作为基本输入参数,进行相关的横向磁场数值和均匀场数值测量。

图5 60°偏转二极铁磁测图

2.2.1 励磁曲线测量

霍尔探头放置在磁铁长度处中心(x=y=0)中性面位置,磁铁通过随时间上升变化电流激磁,直到最高场强By 满足1.45 T 的要求,对于60°二极铁励磁电流变化范围0～420 A,变化步长10 A。记录得到不同电流下的磁感应强度。直至达到技术要求的最高场强Bmax 时,所对应的励磁电流Imax 值,电流由0 A 上升至Imax 后再下降到0 A,测量得到励磁曲线见图6。

图6 励磁曲线B-I

2.2.2 横向磁场均匀性测量

霍尔探头在磁铁半径中心处（铁芯内部）中平面上沿水平方向移动,记录霍尔探头在移动过程中的磁场By 的大小,测量好场区范围（X=±40 mm）的场强大小,X 方向步距为2 mm,记录磁感应强度大小,计算得到磁场强度的横向均匀性。并改变磁感应强度,测量励磁电流I 分别为30、110、200、413A 下,对应的中心区磁感应强度分布,计算横向磁场均匀性,从而得到不同磁感应强度下的横向磁场均匀性。

2.2.3 积分磁场均匀性测量

60°偏转二极铁的测量轨迹应由直线段和圆弧段组成,按照如图7 所示的测量轨迹进行磁测。采用直线和圆弧相切的测量路径,霍尔片移动的步长10 mm,霍尔探头在磁铁中性平面上沿束流轨迹方向移动过程中,测量磁场BY 值,再进行数字积分即可得到磁铁各个束流轨道的磁场积分值。测量根据要求的中心磁场（0.1～0.4T,0.4～0.7T,0.7～1.45T）对应的电流在I=110、200、413A 下,X=0、±10、±20、±30、±40 mm 共9条粒子轨迹上的积分场,拟合数据结果计算积分磁场均匀性。

图7 测量轨迹图

二极铁的横向磁场均匀性测试结果如图8 所示,横向磁场均匀性在各个磁场水平下的变化趋势基本相同,都是在好场区边缘位置出现了磁场上升的趋势,为了对比数值仿真结果与磁测结果,将1.45 T 场强下的横向磁场均匀性分布做了比较,见图9,发现两者趋势基本相同满足设计要求。不同磁场水平下的积分场均匀性磁测结果见图10,磁测结果和数值仿真计算结果基本一致,为了进一步对比磁测结果和仿真结果的差异,提取了1.45 T 场强下积分磁场均匀性分布和多极场磁测结果和仿真结果对比,见图11,实际积分场均匀性的磁测结果会比数值分析结果要差一点,主二极场中的误差场还是四极量B2,八极量B4,十极量B5,但这些高阶场分量基本均在10-4级别,与数值模拟计算结果基本相同,因此,从实际磁测结果来看,积分场均匀性的实际磁测结果会比数值分析结果要差,最高可达7×10-4,主要原因是在磁铁实际加工、装配过程中,会存在各种误差,以及磁测系统本身误差等无法避免的问题,也因此最终导致实际磁测得到的积分场均匀性与数值分析结果有一定的差异。

图8 不同场强下横向场均匀性磁测结果

图9 1.45 T 场强下横向场均匀性磁测结果与分析结果对比

图10 不同磁场水平下的积分场均匀性磁测结果

图11 1.45T 场强下积分场均匀性磁测结果与分析结果对比

由实测结果表明,该磁铁的实际磁测结果与有限元仿真分析结果基本一致,满足磁铁设计的磁场均匀性要求。从而证明了该Hall 三维磁测平台在实际应用中,可以满足质子治疗系统束流传输偏转二极铁磁测的需求。

3 结论

本研究设计了用于质子治疗系统束流传输偏转二极铁性能测量装置,主要由三维微动控制模块和数据采集模块,以及计算机上位机控制软件组成。该磁测系统的自动化程度高,测量精度和测量效率高。对质子治疗系统输运线偏转磁铁进行了磁测验证,主要测量了二极磁铁的励磁曲线、横向磁场均匀性和积分磁场均匀性,通过与有限元仿真分析结果的对比,验证了该磁测系统的可靠性。