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质子治疗装置是当前国际上肿瘤放射治疗最现实和最先进的主流装备,己形成产业。上海先进质子治疗装置(Shanghai Advanced Proton Therapy Facility,SAPT)是国内首台同类装置,而作为高频控制系统核心的高频低电平控制系统(LLRF)对质子同步加速器的正常运行起到至关重要的作用,其中高频低电平反馈控制算法是高频低电平控制系统的核心,通过设计环路反馈算法来实现控制和监控高频系统的工作状态。
高频低电平控制系统的发展经历了模拟控制技术、模拟和数字混合控制和全数字控制三个阶段。SAPT采用基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字化低电平控制(DLLRF)来实现反馈控制,通过设计频率和幅度Ramping算法、数字IQ调制解调算法以及数字PI反馈控制算法,实现环路反馈控制,以保证高频腔压的幅度和相位高精度和高稳定性。
本文重点讨论和阐释了SAPT质子治疗装置中质子同步加速器高频低电平反馈控制的算法设计。硬件方面以美国Altera公司的StratixⅡEP2S60数字信号处理开发板为核心,通过FPGA对ADI公司的直接数字频率合成(DDS)芯片AD9858进行控制,实现了线性扫频输出,并配合AD9510产生模数转换(ADC)和数模转换(DAC)所需的采样时钟;软件方面,以Altera公司的QuartusⅡ和ModelSimSE为平台,通过编写VerilogHDL代码,实现了数字IQ调制解调、数字PI反馈算法以及直接数字频率合成扫频模式配置;通过在SOPCBuilder平台上利用NiosⅡ软核处理器构建通信系统,实现了工控机和板卡间的数据通信;通过系统联合调试给出了实测结果,并进行了分析。实验结果表明信号的幅度稳定性控制在±0.1%以内,相位稳定性控制在±0.04°以内,达到了项目设计目标,为保持高频腔压信号的幅度和相位处于高精度和高稳定性的状态提供了良好的条件。