兰州重离子加速器深层治癌扫描电源研究与设计

　　中国科学院近代物理研究所自主创新研制了浅层肿瘤重离子束治疗装置,并从2006年11月起在该装置上进行了临床试验,效果良好,标志着我国成为继美国、日本、德国之后第4个利用重离子束进行临床治癌研究的国家。目前,基于兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的人体深层肿瘤重离子束治疗装置正在建造中。

　　重离子束穿越物质时,其动能损失在射程的末端会呈现急剧增强的窄峰(布拉格峰),即重离子与物质相互作用时,能量主要损失在射程末端毫米量级的范围内。利用这一特点,在重离子束被加速到一定能量时引出,通过扫描磁铁导向,使其按肿瘤断层的形状精确地进行照射,做到适形和调强治疗。本工作设计的扫描电源就是为扫描磁铁提供励磁电流。

　　1　电源工作原理

　　1·1　技术指标

　　电源设计指标为:磁铁线圈电阻R0=75 mΩ,磁铁线圈电感L0=12 mH;电源工作在4个象限,输出电流If为±400 A的三角波;电流最快上升时间为9 ms,输出电流为400 A时,跟踪误差控制在±1%范围内。

　　1·2　工作原理

　　图1所示为主电路原理图,采用整流加逆变的电路结构[1-2]。工频50 Hz交流电由三相二极管全桥整流[3],经LC滤波电路后获得直流电压Vin[4],再送入由4个IGBT开关器件V1、V2、V3和V4组成的变换器进行逆变[5],在负载上得到双极性电流和双极性电压。电流取样元件采用零磁通电流传感器DCCT;为实现对负载电流的实时控制,变换器直接与负载相连而未加滤波电路。

　　1·3　控制策略

　　因电源工作在4个象限,要求有快的响应速度和较高的稳定度,因此,采用滞环控制策略[6]。控制框图示于图2,Ir代表给定电流,If代表实际输出电流,两者产生的误差ΔI=Ir-If,ΔI经过增益为100的放大器得到Er,即Er=100×(Ir-If)。

　　4个IGBT开关管的驱动信号v1、v2、v3和v4是由两部分电路共同作用产生的。

　　1)Er在比较器D0和单位放大器K3的作用下得到Er*,使Er*满足:

　　通过4个比较器D1、D2、D3和D4分别将Er*与预先设定的值A、B、C、D进行比较,比较结果作为两个RS触发器R端与S端的触发信号。

　　2)在比较器D0和门电路A5、A6的作用下,当电流为正时,开通V1和V4,关断V2和V3;而电流为负时,开通V2和V3,关断V1和V4。

　　2　电源设计

　　电流上升、下降速率为dIf/dt=400 A/9 ms=44.4 kA/s。输出电压由电流和负载参数决定,有:

　　保留一定设计余量,峰值输出电压取580 V。在设计时,使用600 A/10 V DCCT来采样输出电流,根据式(2)计算得到A=6.7,D=-6.7。