基本介紹
- 中文名：加速器射頻系統
- 外文名：Accelerator RF system
- 描述：轟擊生產核素
- 套用：正電子斷層掃描
- 學科：物理
概念,RDS111回旋加速器RF系統簡介,結構組成及工作原理,RF 系統維護維修參考,醫用回旋加速器射頻系統原理,回旋加速器射頻系統的主要原理,射頻系統影響因素的研究,研究結果,
概念
加速器射頻系統常用於中國散裂中子源（CSNS）快循環同步加速器（RCS）中，主要包括鐵氧體載入諧振腔、射頻功率源、偏流源和低電平控制系統。射頻系統工作重複頻率為25Hz，掃頻範圍為1.022-2.444MHz，單個腔體（ 雙加速間隙） 可提供最大30kV加速電壓。兩級的調諧控制能解決快速掃頻過程中的系統失諧問題，採用束流前饋、直接反饋等多種技術手段可對束流負載效應進行補償。
C SNS /RCS 射頻系統示意圖
CSNS/RCS射頻系統是國內第1套工作在快脈衝掃頻狀態下的大功率射頻系統，面臨著寬頻掃頻、阻抗失配等技術難題的挑戰。已完成了樣機研製工作，第1批正式設備的連續高功率聯調實驗已完成，各項指標均達到物理設計指標要求，系統的穩定性和長期可靠性也得到了充分驗證。對於強流快循環質子同步加速器射頻系統，射頻功率源的寬頻匹配和腔體的動態調諧是系統設計中面對的核心問題。另外，如何妥善處理高流強下的束流負載效應，是在未來實際的帶束運行中需要解決的關鍵問題。
RDS111回旋加速器RF系統簡介
RF 系統是 RDS111 回旋加速器的射頻電場供電系統。RF 系統工作時產生並輸出高頻率、高電壓、高功率電場。 是加速器維護和維修的重點和難點。 研究主要闡述它的結構組成和工作原理，並給出維護維修的建議。
結構組成及工作原理
電極結構——在回旋加速器真空腔內，離子源產生的負氫離子被磁場偏轉，作迴旋運動；被射頻電場加速，迴旋半徑逐漸增大。加速負氫離子的射頻電場由四個扇形共振電極產生，稱作Dee 電極。如圖1 Dee電極裝在回旋加速器真空腔中的磁鐵空隙，由固定於磁軛上的桿支撐，支撐桿接地，水冷卻，每個扇形 30°，均勻繞圓周分布。在中心位置，電極接在一起，因而四個電極同步振盪。負氫離子迴旋一周經過 4 個 Dee 時受到吸引和排斥而 8 次獲得能量，軌道半徑逐漸增大，直至11 MeV 引出半徑。電極工作參數：離子迴旋頻率 18MHz，電極振盪頻率 72 MHz，標準Dee 電壓 30- 38Kv，每周能量增益：120-160keV。
圖1 扇形Dee圖
供電電路結構——RF供電系統包括頻率合成、功率放大、共軸傳輸、耦合網、Dee 結構以及監控線路見圖2。 頻率合成器採用精準的PTS x10正弦波頻率發生器；放大器採用CE- 10000CTI- 72 三級線性功率放大器，分為前放、中放和末放。監控電路包括頻率掃描電路、電壓調整電路、頻率跟蹤電路、Crowbar 電路等。
圖2 電原理圖
頻率掃描電路用於掃描尋找 Dee 振子的共振頻率，電壓電路用於監測和調整放大器輸出到電極的加速高壓。
Dee 結構的固有頻率由於受熱會緩慢漂移，RF跟蹤電路測量共軸傳輸電纜的 RF 電壓和 RF 電流之間的相位關係，然後調整頻率合成器的振盪器的頻率，進行頻率補償，以維持共振。
RF 系統維護維修參考
RF 系統工作時要產生高壓、高頻，輸出高功率，所以工作場所的溫濕度要求很嚴格。加速器控制室和主機房濕度控制要求：<40%。應採用多台大功率除濕機，除濕量大於100 升/天，24h 運行。 夏天、下雨天濕度會增大，這時 RF 系統設備需要更長的預熱時間。當濕度超過 50%時，受濕度影響，RF 放大器會產生高壓打火，導致一系列故障：
(1) RF 控制櫃的 5A 放大器保險會燒斷，並可能引起前面板上的空氣開關跳斷。要備用許多個保險。
(2) 嚴重時會引起供電繼電器板燒壞；放大器末級參數顯示表頭燒。
(3) 還曾經引起VME的數字輸入板上的控制RF狀態位的光耦損壞。
(4) 再嚴重的情形就是末級放大器打壞，這時要考慮更換專用的放大管絕緣紙。
(5) 最嚴重的情形是 RF 燒壞的同時，離子源和磁場供電、真空控制系統等因株連而損壞。
(6) 當離子源重建，打開磁鐵或其他情形 RF失諧後，需要進行調整：
R20- - - - - CROWBAR 調整，使高壓穩定；
R9- - - - - - 相位調整，減小反射功率；
R3- - - - - - 電壓設定，調整輸出功率；
耦合環- - - - 減小反射功率。
溫度控制範圍：18℃～ 24℃，應採用了多台製冷量12000W、風量2000m/h 的單冷櫃式空調，24h 運行，互為備用；RF 控制櫃工作時會排放大量熱，需要將熱量導出室外，同時空調要開到最大製冷風量，以維持室內溫度。
醫用回旋加速器射頻系統原理
醫用回旋加速器的主要原理在於用加速後的粒子流轟擊靶材料，使靶材料發生核反應而產生具有放射性的核素。我院引進的GE公司的MINItrace回旋加速器，其系統主要包括：離子源系統、RF射頻系統、磁場系統、真空系統、束流診斷系統、萃取系統及靶系統等。射頻系統是回旋加速器中關鍵而複雜的系統，影響因素很多，研究就醫用回旋加速器射頻系統的主要原理和其中的一些影響因素進行探討，找出容易造成射頻系統不穩定的原因，並最佳化射頻參數，從而提高回旋加速器的穩定性，保障PET中心檢查的需求。
回旋加速器射頻系統的主要原理
回旋加速器的射頻系統是回旋加速器中關鍵而複雜的系統，是產生回旋加速器的高頻振盪加速高電壓，具有在回旋加速器中被加速的束流提供加速電場，使其每旋轉一次給予離子能量躍沖，以及從離子源中拉出離子2個主要的功能。回旋加速器射頻(radio frequency, RF)系統由RF諧振腔、RF電源發生器及RF饋通電纜子系統構成。
(1)RF諧振腔安裝於真空室內部，由D電極、耦合電容電感、調節電容及附屬金屬腔組成。在現代等時性加速器中，多採用單D、雙D、4D電極和相應接地的假D形電極結構。其缺點是：加速電壓為D電極與接地的假D之間的電壓，是經典雙D的一半。優點：①為離子源，束流探測和束流引出等裝置提供空間；②放入磁谷中，降低磁極間隙，節省磁鐵和功率消耗；③對地電容小，儲能較低。
(2)RF電源發生器主要功能是產生Dee電壓。包括：①振盪器，即RF發生器，用於驅動電晶體放大器；②電晶體放大器；用於放大RF，驅動真空管放大器；③真空管放大器，用於放大RF，通過RF饋通電纜將其傳輸到諧振腔耦合原件；④迴路控制器，包括真空管放大器的輸入、輸出相位檢測調節系統，D電極電壓提取反饋調節系統；⑤電源配給器，主要為真空管放大器提供工作電壓。真空管的工作電源包括陰極、屏極、柵極和板極4個電源系統。
圖3 RF系統流程圖
(3)RF饋通電纜由同軸的中空銅外殼和銅心導體構成，並用螺旋形的塑膠間隔裝置固定銅心和銅外殼。電纜的長度是一個重要參數，當不匹配時，RF諧振腔失調諧。射頻系統工作流程如圖3所示。
射頻系統影響因素的研究
回旋加速器射頻系統在工作時會產生高壓、高頻及輸出高功率，所以對回旋加速器工作場所的要求比較高，其設備間和主機房的溫度一般要求在20 ℃左右，濕度<50%，如果溫、濕度太高則容易形成冷凝水，射頻放大器會產生高壓打火，導致射頻櫃保險絲被燒斷，嚴重時亦會導致RF系統被燒壞而引起連鎖反應，造成不可估量的經濟損失，因此要嚴格控制工作場所的溫、濕度。回旋加速器射頻調試的條件為回旋加速器的真空需達到10-6Pa以上，且磁體電流穩定在額定值132.5A左右。研究通過回旋加速器在核素轟擊時的問題來分析回旋加速器的影響因素。採用主控工作站登錄作業系統界面，將磁場打開，使射頻系統處於待機狀態，觀察射頻櫃RFPG指示燈狀態，加H2O後，點擊target production of18FF，開始進行靶轟擊，當第一次靶轟擊生產的時候，控制系統停止，系統報錯“Fault in RF system，RF can not set standby mode.Fault in Ion Source，in bad status.”離子源電壓關閉。退出，重新加磁場，進行第二次靶轟擊，系統正常，但轟擊過程中射頻易出現打火現象。退出主控工作站，使用攜帶型計算機啟動MSS維修軟體，進入RF SYSTEM界面，檢查系統。第一次靶轟擊時，RF報錯，RF
can not set Standby Mode。在MSS維修軟體上顯示，陽極電源指示燈報警，但第二次、第三次進行靶轟擊生產的時候，陽極電源指示燈恢復正常，檢查和分析所有的錯誤日誌和記錄檔案，檢查射頻參數和電源，輸入電源，變壓器跳線，包括直流電源和GSPU，數據顯示均正常。嘗試調節柵極調諧(Grid Tuning)，減少DPA的反射功率和傳輸功率，重新測試系統。第一次轟擊生產時，系統仍然報錯，但在MSS維修軟體界面上，看到屏極功率供給指示燈報警，但第二次運行指示燈恢復正常，重新檢查射頻參數發現，屏極電流偏高(68～69 mA)。GE工程師的經驗表明，該現象的產生是由於屏極電流過高所產生的影響，並導致RF系統的關閉。打開TAU射頻櫃，調整TAU clamp位置(將TAU的夾圈越往下調，屏極電流減小)，慢慢將屏極電流減小到62 mA左右，記錄射頻參數。在靶轟擊束流在30 μA的情況下，記錄MINItrace回旋加速器的射頻參數(見表1)。
表1 回旋加速器的射頻參數
在隨後數日的測試中未再發現系統報錯，系統恢復正常。結果顯示，射頻參數屏極電流對射頻的影響，隨著屏極電流越高，射頻反饋電壓明顯越高，而導致回旋加速器射頻系統易打火，使核素生產效率降低，同時導致離子源等零部件壽命縮短，增加損耗，只有降低屏極電流，才能降低射頻反饋電壓，保障射頻系統的穩定性，提高經濟效益。
研究結果
根據上述研究結論，繼續調節Grid Tuning 和TAU Clamp，最佳化射頻參數，最佳化後MINItrace回旋加速器射頻的參數見表2。在完成對Grid Tuning和TAU Clamp的調整而最佳化射頻參數後，多次用master主系統工作站轟擊靶水，系統工作穩定，射頻打火次數較之前減少，回旋加速器的核素產率得到有效的提高，而離子源的壽命得到了有效的延長。
表2 最佳化後記錄的射頻參數
回旋加速器是新型的高科技設備，其許多部件均非常精密，不光要注意回旋加速器的工作場所，而且在每次維護或更換部件後，均需認真調試各部件以使其達到最佳狀態。通過對回旋加速器射頻原理的分析，了解回旋加速器射頻系統的構造原理；通過分析射頻參數，了解射頻系統中Grid Tuning和TAU Clamp對回旋加速器射頻系統的影響；通過調整Grid Tuning和TAU Clamp可成功解決回旋加速器系統的不穩定性因素，並可最佳化射頻系統的參數，減少射頻打火的次數，在保障回旋加速器正常運行的同時，提高核素的生產效率，為臨床PET醫學檢查提供保障的同時節省回旋加速器的損耗成本。
