質(zhì)子束流輸運(yùn)線偏轉(zhuǎn)磁鐵Hall 磁測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張午權(quán),程義悅,沈俊松

（1.中科院合肥物質(zhì)科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230000；2.合肥中科離子醫(yī)學(xué)技術(shù)裝備有限公司,安徽 合肥 230000）

引言

質(zhì)子能量具有獨(dú)特的布拉格峰,在腫瘤治療中具有廣泛的應(yīng)用[1,2]。質(zhì)子加速器將高速質(zhì)子束流通過由二極偏轉(zhuǎn)磁鐵和四極聚焦磁鐵組成的束流傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定向傳輸,從而殺死腫瘤細(xì)胞[3]。在質(zhì)子治療裝置中,二極偏轉(zhuǎn)磁鐵是組成束流傳輸線的關(guān)鍵部件,在束流傳輸過程中用來偏轉(zhuǎn)質(zhì)子束流延指定線路傳輸和換室開關(guān)鐵的作用。二極偏轉(zhuǎn)磁鐵是質(zhì)子束流傳輸品質(zhì)的保證,實(shí)現(xiàn)高品質(zhì),高穩(wěn)定性的束流傳輸,關(guān)鍵在于磁鐵磁場的高精度,高均勻性。偏轉(zhuǎn)磁鐵一般都采用硅鋼片疊壓的技術(shù)[4,5],在加工過程中,存在著各種各樣不可控的隨機(jī)誤差,可以影響好場區(qū)內(nèi)的磁場均勻性[6,7]。偏轉(zhuǎn)鐵的性能會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的束流傳輸品質(zhì)及束流損失[8,9]。

現(xiàn)主要應(yīng)用于粒子傳輸系統(tǒng)磁鐵系統(tǒng)磁測方法主要有針對二級偏轉(zhuǎn)磁鐵的霍爾傳感器點(diǎn)測[10,11]方法和針對四極聚焦磁鐵梯度場測量的旋轉(zhuǎn)線圈測量方法[12]。為確保輸運(yùn)線偏轉(zhuǎn)磁鐵系統(tǒng)的可靠性能,本研究通過建立Hall 磁測系統(tǒng),結(jié)合實(shí)測結(jié)果,對二極磁鐵的磁場高均勻性的優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]、邊緣場多物理場作用下場均勻性的變化規(guī)律[14,15]等作為課題研究的重點(diǎn)內(nèi)容,開展理論與實(shí)踐相互驗(yàn)證工作。

1 Hall 磁測系統(tǒng)

Hall 磁測系統(tǒng)主要由位移控制和數(shù)據(jù)采集處理兩部分組成,見圖1。位移控制部分由高精度X、Y、Z三維微動(dòng)平臺(tái)及運(yùn)動(dòng)控制器組成,上位機(jī)軟件通過運(yùn)功控制器通訊,負(fù)責(zé)控制三維微動(dòng)平臺(tái)按照設(shè)定的測量軌跡帶動(dòng)Hall 探頭運(yùn)動(dòng)；數(shù)據(jù)的采集與處理部分是由高斯計(jì)和霍爾探頭組成,上位機(jī)軟件與高斯計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,負(fù)責(zé)采集并處理高斯計(jì)的磁場測量數(shù)據(jù)；由這兩個(gè)部分組成了Hall 三維磁測系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)束流輸運(yùn)線偏轉(zhuǎn)磁鐵的磁場測量。

圖1 Hall 三維磁測系統(tǒng)示意圖

1.1 三維微動(dòng)平臺(tái)

三維微動(dòng)平臺(tái)的大小、運(yùn)動(dòng)軸長度、運(yùn)動(dòng)方式可以根據(jù)被測磁鐵的規(guī)格和類型來設(shè)置。微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用大理石平臺(tái),直線導(dǎo)軌和直線電機(jī)組合,運(yùn)動(dòng)直線度可達(dá)0.04 mm,大理石平臺(tái)平面度精度高,在一定程度上可以降低由溫度變化或地面震動(dòng)等外界因素所造成的測量誤差。三維微動(dòng)平臺(tái)分別建立三個(gè)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸即X、Y 和Z 軸,其各個(gè)坐標(biāo)軸的行程及精度要求見表1。

表1 三維移動(dòng)平臺(tái)各軸參數(shù)表

X 軸由2 200 mm 大理石平臺(tái)、兩根進(jìn)口直線導(dǎo)軌、直線電機(jī)、磁鋼、直線電機(jī)控制器和2 100 mm 光柵尺及讀頭經(jīng)過精密安裝調(diào)試組成。大理石平面度達(dá)到0.006 mm,直線導(dǎo)軌和直線電機(jī)安裝時(shí)用激光干涉儀校正導(dǎo)軌平行度和直線度達(dá)到0.002 mm,安裝高精度光柵尺,磁鋼,直線電機(jī)和限位防撞機(jī)構(gòu)。絕對零位為光柵尺零位,由操作軟件控制位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位精度0.01 mm、閉環(huán)分辨率0.001 mm、直線度和平面度0.04 mm,重復(fù)定位精度0.005 mm。Y 軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)同樣是由大理石平臺(tái)、兩根直線導(dǎo)軌、伺服電機(jī)、精研絲杠、伺服電機(jī)控制器、光柵尺及讀頭經(jīng)過精密安裝調(diào)試組成。

上位機(jī)軟件通過串口與三維運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,對多種磁測軌跡進(jìn)行了集成化,僅需在上位機(jī)軟件中設(shè)置幾個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)便可以對所需的磁測路徑進(jìn)行自動(dòng)化掃描,其特點(diǎn)為自動(dòng)化程度高,此外還能夠分別對各軸設(shè)置回原點(diǎn)速度、運(yùn)動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置；控制器補(bǔ)償精度的閉環(huán)控制,由控制器讀取光柵尺數(shù)據(jù),具有檢測、比較、反饋補(bǔ)償精度的閉環(huán)控制功能,系統(tǒng)精準(zhǔn)度高；操作方便的同時(shí)還提供了完善的控制命令協(xié)議,方便后續(xù)功能完善和二次開發(fā)等。磁測平臺(tái)組裝見圖2。

圖2 Hall 三維點(diǎn)測平臺(tái)效果圖

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由高精度Hall 探頭和高斯計(jì)組成,通過串口與上位機(jī)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)為點(diǎn)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在測量過程中,對采集數(shù)據(jù)精度和可靠性影響因素有溫度的變化、雜項(xiàng)磁場的影響和位置精度的影響。本系統(tǒng)所用的Hall 探頭為Grop3 一維探頭MPT141,配備高斯計(jì)型號(hào)DTM-151 見圖3。Group3 一維探頭MPT141 是一款高精度的霍爾效應(yīng)的磁場測試儀器,精度高于三維探頭,最大量程為3 T,具有線性和溫度補(bǔ)償技術(shù),先進(jìn)的算法確保了測量準(zhǔn)確性。探頭的校準(zhǔn)系使得任一探頭可以與任一主機(jī)相適配,并保證測試精度和準(zhǔn)確度。DTM-151 是目前世界上精度最高的霍爾效應(yīng)高斯計(jì),精度在0.01%,提供IEEE488 或RS-232 通訊接口,提供經(jīng)過校正的模擬輸出。本磁測系統(tǒng)采用DTM-151 數(shù)顯高斯計(jì)配合高性能的帶溫度補(bǔ)償?shù)腉roup3 一維探頭MPT141 的霍爾效應(yīng)探頭,從而實(shí)現(xiàn)極高的測試精度和磁場分辨率,其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 DTM151 高斯計(jì)技術(shù)參數(shù)

圖3 高斯計(jì)示意圖

1.3 磁測系統(tǒng)坐標(biāo)換算

質(zhì)子治療束流輸運(yùn)線偏轉(zhuǎn)二極鐵的磁場測量軌跡線為同一平面上由直線段和圓弧段的組合的一系列運(yùn)動(dòng)軌跡,因此在Hall 三維磁測系統(tǒng)編程過程中,也需要設(shè)置相應(yīng)的直線段和圓弧段的指令組合。且微動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系和被測磁鐵坐標(biāo)系之間,需要進(jìn)行坐標(biāo)換算才能保證運(yùn)動(dòng)軌跡指令的準(zhǔn)確下發(fā),坐標(biāo)換算示意見圖4。

圖4 Hall 點(diǎn)測系統(tǒng)軌跡坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理圖

Hall 探頭在束流軌跡線上的移動(dòng)步長設(shè)為兩個(gè)采樣點(diǎn)間隔S,以微動(dòng)平臺(tái)沿X、Y 軸平面的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以二極偏轉(zhuǎn)磁鐵磁場測量為例,下面分別對直線和圓弧軌跡的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

1.3.1 直線段運(yùn)動(dòng)

Hall 探頭在磁測過程中每移動(dòng)一個(gè)步長S,上位機(jī)軟件程序控制位移臺(tái)X 軸方向和Y 軸方向的坐標(biāo)移動(dòng)距離為

1.3.2 圓弧段運(yùn)動(dòng)

首先根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的弧長計(jì)算對應(yīng)的步長角度α 為

步長角度對應(yīng)的弦長L 為

計(jì)算每一步步距角度 γ為

程序控制位移臺(tái)X 軸方向和Y 軸方向的坐標(biāo)移動(dòng)距離為

圓弧段每一步的位移需要實(shí)時(shí)更新步距角進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過程相同,在設(shè)置界面,輸入特定的參數(shù),按要求完成走線軌跡,這也是Hall 三維磁測系統(tǒng)的特點(diǎn)。

其各個(gè)變量參數(shù)的含義如下：

R-二極鐵偏轉(zhuǎn)半徑；

S-兩個(gè)采樣點(diǎn)間距,單位mm；

φ-位移臺(tái)X 軸和直線段夾角；

β-位移臺(tái)X 軸和水平方向夾角；

θ-曲線段起點(diǎn)與圓心連線與水平方向夾角。

2 輸運(yùn)線二極鐵磁測驗(yàn)證

2.1 二極鐵參數(shù)指標(biāo)

本次用于磁測驗(yàn)證的偏轉(zhuǎn)二極鐵是用于國產(chǎn)首臺(tái)套自主研發(fā)的超導(dǎo)回旋質(zhì)子加速器質(zhì)子治療裝置束流輸運(yùn)線旋轉(zhuǎn)機(jī)架爬坡段60°偏轉(zhuǎn)二極鐵。導(dǎo)線線規(guī)采用11×11/Φ5.5 mm,由于線圈端部出線位置空間較緊張,線圈匝數(shù)為10（豎）×11（橫）。其主要技術(shù)參數(shù)見表3。在此基礎(chǔ)上對鐵芯尺寸進(jìn)行優(yōu)化,使用有限元仿真分析,通過鐵芯極頭端部削斜,優(yōu)化積分磁場均勻度。以中平面為參考,在不同場強(qiáng)下測量橫向場分布和積分場均勻度。

表3 60°偏轉(zhuǎn)二極鐵基本參數(shù)

2.2 磁測驗(yàn)證

根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值分析結(jié)果,對質(zhì)子治療裝置束流輸運(yùn)線旋轉(zhuǎn)機(jī)架爬坡段60°偏轉(zhuǎn)二極鐵加工實(shí)物如圖5 所示進(jìn)行磁測,首先需要對磁鐵的勵(lì)磁曲線進(jìn)行測量,獲得對應(yīng)電流下相對應(yīng)的磁場B 數(shù)值,從而取對應(yīng)的磁場電流作為基本輸入?yún)?shù),進(jìn)行相關(guān)的橫向磁場數(shù)值和均勻場數(shù)值測量。

圖5 60°偏轉(zhuǎn)二極鐵磁測圖

2.2.1 勵(lì)磁曲線測量

霍爾探頭放置在磁鐵長度處中心(x=y=0)中性面位置,磁鐵通過隨時(shí)間上升變化電流激磁,直到最高場強(qiáng)By 滿足1.45 T 的要求,對于60°二極鐵勵(lì)磁電流變化范圍0～420 A,變化步長10 A。記錄得到不同電流下的磁感應(yīng)強(qiáng)度。直至達(dá)到技術(shù)要求的最高場強(qiáng)Bmax 時(shí),所對應(yīng)的勵(lì)磁電流Imax 值,電流由0 A 上升至Imax 后再下降到0 A,測量得到勵(lì)磁曲線見圖6。

圖6 勵(lì)磁曲線B-I

2.2.2 橫向磁場均勻性測量

霍爾探頭在磁鐵半徑中心處（鐵芯內(nèi)部）中平面上沿水平方向移動(dòng),記錄霍爾探頭在移動(dòng)過程中的磁場By 的大小,測量好場區(qū)范圍（X=±40 mm）的場強(qiáng)大小,X 方向步距為2 mm,記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,計(jì)算得到磁場強(qiáng)度的橫向均勻性。并改變磁感應(yīng)強(qiáng)度,測量勵(lì)磁電流I 分別為30、110、200、413A 下,對應(yīng)的中心區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布,計(jì)算橫向磁場均勻性,從而得到不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的橫向磁場均勻性。

2.2.3 積分磁場均勻性測量

60°偏轉(zhuǎn)二極鐵的測量軌跡應(yīng)由直線段和圓弧段組成,按照如圖7 所示的測量軌跡進(jìn)行磁測。采用直線和圓弧相切的測量路徑,霍爾片移動(dòng)的步長10 mm,霍爾探頭在磁鐵中性平面上沿束流軌跡方向移動(dòng)過程中,測量磁場BY 值,再進(jìn)行數(shù)字積分即可得到磁鐵各個(gè)束流軌道的磁場積分值。測量根據(jù)要求的中心磁場（0.1～0.4T,0.4～0.7T,0.7～1.45T）對應(yīng)的電流在I=110、200、413A 下,X=0、±10、±20、±30、±40 mm 共9條粒子軌跡上的積分場,擬合數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算積分磁場均勻性。

圖7 測量軌跡圖

二極鐵的橫向磁場均勻性測試結(jié)果如圖8 所示,橫向磁場均勻性在各個(gè)磁場水平下的變化趨勢基本相同,都是在好場區(qū)邊緣位置出現(xiàn)了磁場上升的趨勢,為了對比數(shù)值仿真結(jié)果與磁測結(jié)果,將1.45 T 場強(qiáng)下的橫向磁場均勻性分布做了比較,見圖9,發(fā)現(xiàn)兩者趨勢基本相同滿足設(shè)計(jì)要求。不同磁場水平下的積分場均勻性磁測結(jié)果見圖10,磁測結(jié)果和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果基本一致,為了進(jìn)一步對比磁測結(jié)果和仿真結(jié)果的差異,提取了1.45 T 場強(qiáng)下積分磁場均勻性分布和多極場磁測結(jié)果和仿真結(jié)果對比,見圖11,實(shí)際積分場均勻性的磁測結(jié)果會(huì)比數(shù)值分析結(jié)果要差一點(diǎn),主二極場中的誤差場還是四極量B2,八極量B4,十極量B5,但這些高階場分量基本均在10-4級別,與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本相同,因此,從實(shí)際磁測結(jié)果來看,積分場均勻性的實(shí)際磁測結(jié)果會(huì)比數(shù)值分析結(jié)果要差,最高可達(dá)7×10-4,主要原因是在磁鐵實(shí)際加工、裝配過程中,會(huì)存在各種誤差,以及磁測系統(tǒng)本身誤差等無法避免的問題,也因此最終導(dǎo)致實(shí)際磁測得到的積分場均勻性與數(shù)值分析結(jié)果有一定的差異。

圖8 不同場強(qiáng)下橫向場均勻性磁測結(jié)果

圖9 1.45 T 場強(qiáng)下橫向場均勻性磁測結(jié)果與分析結(jié)果對比

圖10 不同磁場水平下的積分場均勻性磁測結(jié)果

圖11 1.45T 場強(qiáng)下積分場均勻性磁測結(jié)果與分析結(jié)果對比

由實(shí)測結(jié)果表明,該磁鐵的實(shí)際磁測結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果基本一致,滿足磁鐵設(shè)計(jì)的磁場均勻性要求。從而證明了該Hall 三維磁測平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中,可以滿足質(zhì)子治療系統(tǒng)束流傳輸偏轉(zhuǎn)二極鐵磁測的需求。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了用于質(zhì)子治療系統(tǒng)束流傳輸偏轉(zhuǎn)二極鐵性能測量裝置,主要由三維微動(dòng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,以及計(jì)算機(jī)上位機(jī)控制軟件組成。該磁測系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高,測量精度和測量效率高。對質(zhì)子治療系統(tǒng)輸運(yùn)線偏轉(zhuǎn)磁鐵進(jìn)行了磁測驗(yàn)證,主要測量了二極磁鐵的勵(lì)磁曲線、橫向磁場均勻性和積分磁場均勻性,通過與有限元仿真分析結(jié)果的對比,驗(yàn)證了該磁測系統(tǒng)的可靠性。